CC BY
29
DOI: 10.12737/2192 УДК 620: 674
ФОРМИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И МАКРОСТРУКТУРЫ КОМПОЗИТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СИНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЕГО КОМПОНЕНТОВ
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии Т. Н. Стородубцева ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
tamara-tns@yandex.ru
Общеизвестно, что компоненты какого-либо материала проявляют свои свойства по-разному в отдельности, и находясь во взаимодействии.
Одним из главных и, в то же время, наиболее уязвимых с позиций эксплуатационных факторов элементов верхнего строения пути является железнодорожная шпала.
Как показывает статистика, в мировой практике строительства железных дорог наиболее распространенным материалом для них является древесина. Шпалы на ее основе составляют до восьмидесяти процентов от их общего числа, являясь в то же время наименее долговечными. Нормативные сроки службы деревянных шпал, пропитанных антисептиками, составляют тринадцать - девятнадцать лет, но в связи с интенсификацией грузопотоков и увеличением нагрузок и скоростей они снижаются до восьми - десяти лет.
В результате анализа работ, посвященных вопросам конструкции железнодорожного пути и его взаимодействия с подвижным составом, а также исследованиям работоспособности деревянных шпал, сделан вывод о том, что основными причинами небольшого срока их службы и, следовательно, дефицита является механи-
ческий износ и гниение, особенно в узлах прикрепления рельсов к шпалам.
Нами был тщательно рассмотрен процесс трещинообразования образцов и причины, вызывающие этот процесс.
Для достижения поставленной цели решалась, в частности, следующая задача: получить систематизированные и оптимизированные количественные данные о влиянии отдельных компонентов этого материала и синергетических эффектов их взаимодействия на свойства композита в целом.
Описание основных структурообразующих компонентов полимерной матрицы (полимерного раствора), а также армирующих заполнителей, с кратким анализом их достоинств и недостатков, было рассмотрено в следующих работах [1, 2, 3, 4].
Предварительными исследованиями было установлено, что в композите полимерная часть занимает примерно 60 % объема строительного элемента призматической формы - 0,12 м3 (железнодорожная шпала типа А1), т.е. 0,07 м3.
Нами были исследованы зависимости пределов прочности - очи и осж, модулей упругости - Ечи, Есж и предельной растяжимости 8р от конкретного содержания компонентов, вводимых в состав матрицы композита [4]. Так, испытывали серии об-
разцов, вводя 1; 2; 3; 4; 5 и 6 % графитовой муки от ее массы, кроме того - контрольную серию без нее. Число образцов серии на каждую экспериментальную точку при всех видах испытаний равнялось трем, подсчитывались средние арифметические значения по данным экспериментов испытаний трех образцов.
Результаты экспериментов обрабатывались на ЭВМ, используя разработанную для этого программу.
Полученные зависимости требовали объективного анализа, который показал, что при введении в состав небольших количеств графитовой муки, наблюдается падение прочности и модулей упругости композита. Это свидетельствует о нарушении его структуры и появлении ослабленной зоны. Первоначальное снижение прочности графитопластов на фенольных смолах объяснимо тем, что частицы наполнителя вызывают появление в связующем различных неоднородностей, повышение дефектности его структуры и возникновение опасных зародышей разрушения.
Таким образом, снижение прочности композита при малом наполнении следует объяснять появлением концентраторов напряжений в первоначально однородной структуре полимерной матрицы.
Структурообразующая роль графитовой муки повышается при введении ее в состав матрицы в количестве 4,3...6,0 % по массе в зависимости от вида нагружения образцов. Заполняются "пустые" пространства между зернами андезита (молотого песка), структура композита становится более плотной, в результате чего повышаются механические характеристики материала.
С дальнейшим увеличением ее количества в составах наблюдается снижение пределов прочности и модулей упругости, что может быть объяснено "расползанием" частиц под нагрузкой по графитовой смазке.
Рассматривая весь комплекс зависимостей прочностных характеристик от содержания графитовой муки в базовом составе полимерной матрицы, приходим к выводу, что «зона благоприятных свойств» материала для данного модифицирующего компонента композита теоретически находится в пределах 4,3.6,0 % содержания в нем графитовой муки. Видно, что влияние армирования стеклосеткой наиболее существенно при введении ее в состав матрицы композита в количестве 2,8...3,7 % от ее массы, что определяет зону ее благоприятных свойств по данному компоненту.
Эксперименты по определению зависимости физико-механических характеристик от количества древесной щепы в составе композита проводили О.П. Плужни-кова и автор данной работы [1, 3, 4], а затем они были несколько расширены С.Ю. Зобовым [4]. В базовый состав песчаной матрицы композита вводили 5, 10, 15, 20 и 25 % щепы от ее массы. Кроме этого, испытывали серии неармированных образцов, были получены эмпирические уравнения и экстремумы значений характеристик. Анализ этих данных показывает, что при малых количествах щепы значения характеристик падают.
Объяснить такой спад можно тем, что щепа вначале разрывает структуру матрицы, являясь концентратором местных напряжений. Кроме этого, при малых количествах щепы она занимает в объеме
образца неопределенное положение, может всплыть, в результате чего растянутая зона может оказаться неармированной. Процесс снижения механических характеристик заканчивается при содержании 5...10 % щепы от базового состава полимерной матрицы, что говорит о наличии зоны неблагоприятных свойств [4].
Далее структура материала нормализуется, и его механические характеристики начинают расти. Зона благоприятных свойств имеет границы в пределах 16...24 % содержания щепы в композите. Это особенно заметно при испытаниях на изгиб (а™ при 16,0 % щепы в смеси равен
24,0 МПа, а Е^кс=1,3-104 МПа при 24 % щепы).
Проведенные эксперименты образцов стекловолокнистого композита на сжатие показали, что самыми перспективными модифицирующими добавками к БСК, в смысле сохранения ее достаточно долгое время в жидком состоянии, являются бу-танол, глицерин и некоторые другие органические соединения. Самым доступным из них является глицерин, который вводили в базовый состав полимерной песчаной матрицы композита в количестве 0,25; 0,5 и 0,1 % от массы бензолсульфокислоты. Также изготовляли и испытывали контрольные образцы без добавления модификатора. Серии опытов, как и ранее, включали испытания 3 образцов на каждый состав композита.
Анализ зависимостей показывает, что с введением глицерина в базовый состав матрицы, наблюдается резкий спад прочности на сжатие и чистый изгиб, а также
модулей упругости при данных видах на-гружения.
В связи с этим очевидно, что глицерин должен вводиться в ее состав лишь в минимальных количествах (0,1 % от массы БСК), т.к. он так же, как и графит, "смазывает" структуру полимерной матрицы, которая под действием нагрузки как бы "расползается". Особенно это видно при испытаниях образцов на сжатие, которые при разрушении не "взрываются", а именно "расползаются".
Кроме необходимости вводить глицерин из технологических соображений, последними исследованиями выявлено, что он может связывать фенол, который выделяется при вымывании бензолсульфокислоты (БСК) из объема полимерной матрицы. Поэтому при отказе по соображениям экологической безопасности от хлорида свинца для связывания БСК роль глицерина оказывается существенной.
Ввиду отсутствия андезитовой муки, с одной стороны, а также из-за необходимости повышения водостойкости материала для шпал, возникла необходимость ввести в состав полимерной матрицы пиритовую муку (ПО). Так как сведений об ее оптимальном количестве (по прочности) нет, то был поставлен следующий эксперимент.
В полимерную матрицу композита вводили поочередно 2, 3, 5, 10, 15 и 20 % муки из пиритовых огарков. По принятому регламенту готовили полимерный раствор фурфуролацетонового мономера (ФАМ), заливали его в форму для отливки образцов, предназначенных для испытаний. Полученные результаты на ЭВМ обрабатывали с целью представления зависимости
пределов прочности при сжатии - от содержания ПО (%) в виде полинома второй степени, поскольку введение этого модифицирующего наполнителя не вызывало падения характеристик при малых количествах его содержания в композите.
Модифицированные теоретические составы композита [3, 4], не содержащие щебень, разработаны с учетом результатов проведенных экспериментальных исследований образцов, которые выявили количественное и качественное влияние отдельных структурообразующих компонентов на формирование монолитной макроструктуры и механические характеристики промежуточных композиционных материалов. При этом учитывали удобоукладываемость смеси и стоимость материала.
Анализ полученных результатов позволяет понять последовательность процесса создания композита для железнодорожных шпал с заданными свойствами.
Полимерные раствор и бетон имеют низкие прочность при изгибе (11,2 и 10,8 МПа) и предельную растяжимость (8Р= 0,028 %), тяжелы (р=2,0...2,4 т/м3), но обладают слишком высокой прочностью при сжатии (85 и 67 МПа), в которой материал шпалы не нуждается, высокими значениями модулей упругости при изгибе (1,71-104 и 2,3-104 МПа). Это нежелательно, так как шпалы будут почти такими же жесткими, как и железобетонные.
Для подсчета механических характеристик промежуточных композиционных материалов с привлечением полиномов третьей и второй степени, использовали массу полимерной матрицы, которая равна 139,9 кг. Затем использовали пропорцию
РМ - 100, РК - Х %, где РК - масса компонента в составе, Х - содержание его в матрице (%).
В результате было подсчитано, что в составе композита на одну шпалу содержится графитовой муки 3,9 кг, стеклосетки - 4,9 кг, щепы - 21,6 кг, пиритовой муки -7,0 кг или в процентах от массы матрицы -2,9; 3,5; 15,44; 5,0 %, соответственно. Подставляя эти величины в соответствующие формулы, подсчитывали значения механических характеристик промежуточных композиционных материалов.
В результате было выявлено, что введение графитовой электродной муки радикально меняет свойства композиционного материала в желательную сторону - повышается прочность при изгибе до 25,4 МПа, несколько падает значение модуля упругости при сжатии (1,31-104 МПа). Но при изгибе оно еще достаточно высокое (2,66-104 МПа), но, что самое главное, резко повышается предельная растяжимость композиционного материала (0,57 %), от величины которой как раз и зависит трещиностойкость растянутых слоев в сечении шпалы.
Армирование стеклосеткой полимер-раствора и, в целом, стекловолокнистого композита делает эти материалы почти идеальными с точки зрения прочности и жесткости, но стеклосетка дорога, поэтому не имеет смысла размещать ее по всей высоте сечения и, кроме того, возникают сложности с технологией отливки шпалы даже при увеличении количества смолы ФАМ в составах. При армировании полимерраствора только кусковыми отходами лесопиления -щепой, ее влияние положительно сказывается на прочности при изгибе этого вида
композита (22,7 МПа), предельная растяжимость также высокая - 0,47 %.
Дополнительное введение в составы муки из пиритовых огарков повысило прочность композита при изгибе (24 МПа против 11 МПа) и предельную растяжимость - 0,50 %.
Введение замедлителя реакции кристаллизации существенно снижает предел прочности при изгибе (14,2 МПа) и модули упругости (Еи=1,2-104 МПа) при высокой предельной растяжимости - 0,47 %.
Вывод: при одновременном введении в состав всех компонентов, в указанных количествах, за счет синергетических эффектов получен композит с заполнителем -песком и с механическими характеристиками, практически соответствующими заданным свойствам, но имеющий единственный недостаток - большой расход смолы ФАМ (32,3 кг), который может быть уменьшен, например, на 4,5 кг, за счет введения в состав щебня. При этом, однако, приходится применять раздельную технологию приготовления полимерных раствора и бетона, что усложняет процесс отливки шпал, и на 20 кг увеличивается ее масса.
Библиографический список
1. Харчевников В.И., Плужникова О.П., Стородубцева Т.Н. Обоснование возможности использования полимербето-на ФАМ на андезите с различными видами армирования в качестве конструкционного материала железнодорожных шпал. Воронеж, 1991. 18 с. Деп. в ВНИИНТПИ 11.12.91, № 11156 ; Опубл. 14.01.92, БУДР Вып. 1.
2. Стородубцева Т.Н. Обеспечение трещиностойкости композиционного материала на основе древесины для железнодорожных шпал при отверждении и всестороннем увлажнении: автореф. дис. . канд. техн. наук. Воронеж: Воронеж. гос. лесотехн. акад, 1999. 20 с.
3. Стекловолокнистые полимербето-ны из древесных отходов / В.И. Харчевников, Л.Н. Стадник, Т.Н. Стородубцева [и др.] // Лесн. пром-сть. 1993. № 3. С. 19.
4. Композиционный материал на основе отходов лесного комплекса / В.И. Харчевников, Б.А. Бондарев, Т.Н. Сторо-дубцева [и др.] : моногр. / под ред. В.И. Харчевникова. Воронеж: ВГЛТА, 2000. 296 с.
DOI: 10.12737/2193 УДК 674.047
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕЖИМЫ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ ОЛЬХИ ЧЕРНОЙ БЕЗ ИСКУССТВЕННОГО УВЛАЖНЕНИЯ В КОНВЕКТИВНЫХ СУШИЛЬНЫХ КАМЕРАХ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры механической технологии древесины
А. Н. Чернышев
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
а!тк!9 @yandex.ru
