CC BY
16УДК 691.175.2
П.В. БОРКОВ, канд. техн. наук; А.Д. КОРНЕЕВ, Б.А. БОНДАРЕВ, доктора техн. наук, М.Ф. МЕЛЕШКИН, инженер, Липецкий государственный технический университет
Долговечность композиционных материалов на основе фурфуролацетонового мономера
Проблема долговечности строительных материалов является особенно важной в условиях повышения конкурентоспособности продукции отечественных производителей. В связи с этим у исследователей не ослабевает интерес к вопросам прогнозирования поведения строительных материалов во времени [1—3]. Особое место среди них занимают материалы на основе высокомолекулярных соединений, полимеров [4].
Широкое применение полимерных композиционных материалов в строительстве зачастую ограничивается из-за сложности прогнозирования их напряженно-деформированного состояния во времени при длительном и кратковременном нагружении. Имеющиеся в настоящее время методы прогнозирования для материалов кристаллического строения и полимеров не всегда применимы к композитам.
В общей теории искусственных композиционных конгломератов под долговечностью понимают способность материала сохранять достаточно продолжительное время на допустимом уровне структурные параметры. В общем случае под структурой материала понимают совокупность устойчивых связей, обеспечивающих его целостность, то есть сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях. В композиционном материале после его изготовления имеются как напряженные связи, характеризующие общий уровень внутренних напряжений, так и разорванные связи. Баланс между количеством напряженных и разорванных связей определяет процесс деструкции материала. Разрыв напряженных связей происходит под влиянием внешних факторов со скоростью, определяемой константой:
К.
а=АекТ, (1)
где А — константа; V— энергия активации процесса разрыва связи; k — постоянная Больцмана; Т — температура.
Константа скорости процесса образования новых напряженных связей равна:
Р =Ве^, (2)
где В — константа; и— энергия активации процесса образования новых напряженных связей.
В свою очередь, разрыв напряженных связей способствует снижению внутренних напряжений и появлению в результате перераспределения внешней нагрузки новых напряженных связей. Динамика совместного изменения числа напряженных и разорванных связей описывается системой уравнений (3), из которой по начальным значениям числа разорванных Nb и числа напряженных N связей определяется их количество в любой момент времени:
связей; в — константа скорости процесса образования
Ш,
<1МЬ
где ~ж~ -
мени; а
а
йУ.
а
■■aNbNs
(3)
новых напряженных связей;
Л
- изменение числа на-
пряженных связей во времени.
Результаты исследований свидетельствуют о том, что с течением времени в композиционном материале под действием внешних факторов происходит периодическое изменение числа перенапряженных и разорванных связей [5].
Вместе с тем в соответствии с кинетической концепцией прочности разрушение твердого тела рассматривается не как критическое событие, а как временной процесс постепенного накопления деструкций в виде разорванных структурных связей. Механическое воздействие, приложенное к телу, не вызывает критического распада всех межатомных связей, а лишь деформирует их, подготавливая к разрыву. Непосредственно разрыв связей осуществляется с помощью флуктуаций, вызванных движением структурных частиц. Поэтому можно выделить две основные стадии процесса разрушения: возмущение межатомных связей под влиянием механической нагрузки и последовательный во времени процесс разрыва механически напряженных связей тепловыми флуктуациями, периодически возникающими в результате теплового движения частиц [6].
Наиболее распространенный метод прогнозирования долговечности, основанный на теории С.Н. Жур-кова, предусматривает анализ термофлуктуационного разрыва связей при их напряжении. Разрывы связей происходят главным образом в областях, расположенных вблизи вершин микротрещин. Разрушение представляет собой процесс, развивающийся в композиционном материале с момента приложения нагрузки. Также известен подход к прогнозированию долговечности с привлечением термодинамических представлений [7]. С точки зрения термодинамики прогнозировать долговечность можно, с помощью матрицы термодинамических коэффициентов и теплоемкости в уравнении С.Н. Журкова. Поэтому за основу предлагается брать уравнение долговечности, имеющее вид:
т0
т = ^-еХр
/к-Щ:
\ а,-Я-Г )
(4)
изменение числа разорванных связей во вре-константа скорости разрыва напряженных
где т — долговечность; т0 — время, близкое к периоду колебаний атомов в твердых телах; т( — переводной коэффициент по времени; е, — относительное удлинение, при котором связь теряет устойчивость; аа — коэффициент линейного расширения; %„ — коэффициент локального перенапряжения связи; Е — модуль упругости; Т — абсолютная температура; с — теплоемкость; R — универсальная газовая постоянная.
Согласно полиструктурной теории напряженное состояние композиционных строительных материалов под действием внешних или собственных усилий следует рассматривать как интегральный результат воздействий на уровне микро- и макроструктуры. Долговечность композитов при этом реализуется при оптимальном сочета-
64
научно-технический и производственный журнал
май 2013
О, МПа 5
1970 г. - по данным В.М. Яковлева
1980 г. - по данным В.Е. Беляева
1995 г. - по данным А.В. Беляева
2000 г. - по данным Р.В. Бадулина
2010 г. - по данным П.В. Боркова
20
40
60
80
Т, лет
Рис. 1. Изменение прочности фурфуролацетонового композиционного материала во времени
Rb,,nf , МПа
Фактическое
Расчетное
По инструкции 1985 г.
По руководству 1970 г.
Рис. 2. Прогнозируемое длительное сопротивление фурфуролацетонового композиционного материала на растяжение в возрасте 40 лет
нии показателей химического и биологического сопротивления микро- и макроструктуы [8].
Под действием длительно приложенных нагрузок механические свойства полимерных композиционных материалов претерпевают существенные изменения. Причиной таких изменений является ползучесть материала под нагрузкой, в результате чего деформативность возрастает, а прочность снижается. Для того чтобы судить о механических свойствах полимерных композитов и иметь определенные гарантии надежности их работы в изделиях, обычно проводят испытания образцов при длительно действующей статической нагрузке, то есть исследуют ползучесть [9].
Введение в уравнение (4) термодинамических коэффициентов позволяет перейти от исследования долговечности с помощью характеристик микроструктуры к изучению на основе характеристик макроуровня.
Для композиционных материалов на основе фурфуролацетонового мономера указанный метод прогнозирования при заданных коэффициентах, характеризующих свойства материала, такие как модуль упругости,
коэффициент линейного расширения и теплоемкость, позволяет определить долговечность, не проводя длительных испытаний. Долговечность композиционного материала на основе фурфуролацетонового мономера можно определить по известной температуре эксплуатации и прикладываемого напряжения. Все оставшиеся параметры вводятся в формулу долговечности в виде векторов, зависящих от напряжения и температуры.
Анализ результатов испытаний образцов фурфуролацетонового композита в разные периоды времени, графически представленный на рис. 1, позволяет выделить несколько временных интервалов. Результаты экспериментальных исследований образцов фурфуролацетонового композита в возрасте 40 лет и нахождение расчетного длительного сопротивления на растяжение показывает, что он составляет в этом временном интервале 1,53 МПа. Величина расчетного сопротивления по термодинамической методике составила 1,48 МПа, по инструкции 1985 г. (Инструкция по проектированию зданий и сооружений из армополимербетона. М.: ЦНИИЦветмет, 1985. 128 с.) - 0,8 МПа, по руководству 1970 г. (Руководство к расчету и применению конструкций из армополимербетонов в строительстве. М.: НИИЖБ, 1970. 115 с.) - 1,87 МПа (рис. 2).
Анализируя прогнозируемые величины длительных сопротивлений, представленные на рис. 2, можно сказать, что информация, приведенная в нормативных документах, недостаточно точна. Экспериментальные данные о прочности и длительном сопротивлении свидетельствуют о том, что с использованием методики, основанной на термодинамических представлениях, можно наиболее точно устанавливать величины механических свойств полимерных композиционных материалов в любой период эксплуатации.
Ключевые слова: полимерный композиционный материал, длительная прочность, долговечность.
Список литературы
1. Кочетков С.И., Снисарь В.П., Даценко Б.М. Оценка долговечности керамического кирпича // Строительные материалы. 2010. № 1. С. 34-36.
2. Овчинников И.Г. Долговечность железобетонных конструкций транспортных сооружений // Строительные материалы. 2011. № 2. С. 60-62.
3. Рапопорт П.Б., Рапопорт Н.В., Кочетков А.В., Васильев Ю.Э., Каменев В.В. Проблемы долговечности цементных бетонов // Строительные материалы. 2011. № 5. С. 38-41.
4. Завьялов М.А., Завьялов А.М. Оценка долговечности материала дорожного асфальтобетонного покрытия: энергетический и деформационный подходы // Строительные материалы. 2011. № 6. С. 34-35.
5. Прошин А.П., Королев Е.В., Болтышев С.А. Сверхтяжелые серные бетоны для защиты от радиации. Пенза: ПГУАС, 2005. 224 с.
6. Козомазов В.Н., Бобрышев А.Н., Корвяков В.Г., Соломатов В.И. Прочность композитных материалов. Липецк: НПО «Ориус», 1995. 112 с.
7. Корнеев А.Д., Бадулин Р.В., Борков П.В. Прогнозирование долговечности фурановых композитов и определение расчетных длительных сопротивлений на растяжение различными методами // Материалы VII академических чтений РААСН. Белгород, 2001. Ч. 1. С. 263-265.
8. Соломатов В.И., Селяев В.П. Химическое сопротивление композиционных строительных материалов. М.: Стройиздат, 1987. 264 с.
9. Корнеев А.Д., Потапов Ю.Б., Соломатов В.И. Эпоксидные полимербетоны. Липецк: ЛГТУ, 2001. 181 с.
0
rj научно-технический и производственный журнал
J^J ® май 2013 65
