CC BY
252
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 678.017:621.763 А К. Кычкин, А А Васильева
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИЦИОННЫХ АРМАТУРНЫХ СТЕРЖНЕЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ НА ОСНОВЕ БАЗАЛЬТОВОГО РОВИНГА
Исследованы физико-механические свойства базальтопластиковых стержней, в связи с расширением области применения их в разных композитных материалах. Представлены результаты проведенных испытаний базальтопластиковых стержней диаметрами 5,5 и 7,5 мм. Приведены материалы по физико-механическим свойствам их по сравнению с стеклопластиковыми стержнями.
Ключевые слова: композиционные материалы, прочность, модуль упругости, образцы, стержни композиционные, базальтовый ровинг, физико-механические характеристики, испытание, коэффициент прочности, предел упругости
A. K. Kychkin, А А Vasilyeva
Investigation of physical and mechanical characteristics of composite reinforcement bars made on the basis of basalt roving
The physical and mechanical properties of basalt rods in connection with the extension of their application in various composite materials are studied. The results of the tests of basalt rods with diameters of 5.5 and 7.5 mm are given. The materials on the physical and mechanical properties compared to their fiberglass rods are given.
Key words: composite materials, the strength, elastic modulus, samples, composite rods, basalt roving, physical and mechanical properties, testing, safety factor, the elastic limit.
Однонаправленно ориентированные полимерные композиционные материалы (ПКМ) обладают высокой прочностью в осевом направлении, сочетающейся с низким коэффициентом теплопроводности, высокой электрической прочностью, низким удельным весом. Уникальное сочетание перечисленных свойств стержней открыло возможности для применения
КЫЧКИН Анатолий Константинович - начальник инновационно-производственного комплекса Института физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАН.
E-mail: kychkinplasma@mail.ru
ВАСИЛЬЕВА Алина Анатольевна - начальник отдела технического контроля и лаборатории ООО «ЗБМ», аспирант Института физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАН.
E-mail: kiir@mail.ru
их в различных отраслях техники в составе узлов и соединений, воспринимающих эксплуатационные нагрузки.
Однако отсутствие большого положительного опыта длительной эксплуатации этих материалов, недостаточная изученность физико-механических свойств, эксплуатационных характеристик и отсутствие единых методик исследования стержней являются существенными сдерживающими факторами для более широкого производства и применения их.
Нами проведены исследования физико-механических характеристик базальтопластиковых стержней, а именно:
- механические характеристики стержней (предел прочности при продольном изгибе, модуль упругости и предельную деформацию);
- предел прочности стержней при растяжении;
- предел прочности стержней при срезе поперек волокон;
ВС
Матрица (связующее)
Рис.1. Полимерный композиционный материал
- предел прочности стержней при сколе вдоль волокон.
Объектами определения физико-механических характеристик композиционных материалов выбраны базальтопластиковые стержни диаметром 5,5 и 7,5 мм. Стрежни изготавливают протяжкой непрерывного базальтового волокна, пропитанного связующим на основе эпоксидной смолы, и формированием изделия непосредственно на линии непрерывного изготовления. В качестве армирующего материала использованы ровинги РБН13-1260-4С, изготовленные научнопроизводственной компанией «Терм» из базальтов якутского месторождения. В качестве полимерной матрицы использованы компаунды на основе эпоксидных смол ЭДИ (рис. 1).
При определении механических свойств ПКМ применили методы, основанные на положениях ГОСТ 4648, ГОСТ 11262-80 и ГОСТ 4654-82. Значения предела прочности, модуля упругости и относительной деформации определяли методом продольного изгиба [1, 2]. Скорость сближения
шарнирных опор при испытаниях составляет
а
Рис. 2. Испытание стержней диаметром
80 мм/мин. Процесс испытания стержней приведен на рис. 2. В процессе испытания записывали диаграмму изменения усилия сопротивления образца продольному изгибу в зависимости от величины сближения концов стержня, зависимость между напряжением и деформацией образца и максимальное напряжение, предшествующие разрушению образца -прочность.
Испытание стержней базальтопластиковой арматуры (БПА) диаметром 7,5 мм проводили на стандартной испытательной машине Р-0,5 с диапазоном измерения нагрузки до 5 кН (рис. 2б), оснащенной датчиками измерения нагрузки и перемещения, совмещенными с ПЭВМ. Исходя из литературных данных [1], длина испытуемых образцов была рассчитана из соотношения l=40d и для стержней диаметром
5,5 и 7,5 составила 220 мм и 300 мм. При испытаниях образцы доводили до разрушения, записывая при этом массив М р; А] значений нагрузки - F и перемещения - А.
Для каждого члена массива подсчитали значения наибольших (в среднем сечении образца) изгибающих напряжений в МПа [1].
Ь (5 +0,252■ 5 2 +0,077■ 5 3 + 0,079■ 5 4)
32 У 2 ^ (0,125 -0,015 ■ 5 -0,008■ 52)
О --- ^ Р ■ ^ ■ ----------------------------------
п2 ■ й 3 (1 + 0,504■ 5 +0,232■ 5 2 + 0,315 ■ 5 3) , (1)
где F - значение силы, приложенной к образцу Н;
5 = Н / Ь - отношение осевого перемещения к начальной длине (безразмерное);
Н - величина взаимного перемещения концов образца, соответствующая приложенной силе, мм;
Ь - начальная длина образца, мм;
1 - расчетный диаметр контролируемого стержня,
мм.
б
5,5 мм и 7,5 мм продольным изгибом
Для каждого члена массива подсчитали значения наибольшей (в сечении образца) относительной деформации (в безразмерной форме) по формуле:
1 й _ (б +0,252 ■ 5 2 +0,077 ■ 5 3 + 0,079 ■ 5 4)
2 Ь у 2 (0,125 -0,015 ■ 5 - 0,008 ■ 5 2). (2)
Для определения продольного модуля упругости
Е находили коэффициент пропорциональности на диаграмме с - е. За разрушающее напряжение св образца принимали максимальное значение напряжения в массиве [Б; А]. Определение предельной продольной деформации е проведено по формуле:
8 = 100 • а / Е . (3)
Испытания стержней на растяжение поперек волокон проводили на универсальной испытательной машине Р-10 с диапазоном измерения нагрузки до 100 кН. Скорость перемещения активной траверсы испытательной машины при испытаниях находилась в пределах 3-10 мм/мин, длина образцов 600 мм. На рабочей части образца устанавливали экстензометр с расстоянием между зажимами Lo = (100±1) мм, выставленный в исходное положение (рис. 3).
При испытаниях образцы доводили до разрушения (в рабочей части), измеряя максимальное усилие Б , приложенного к рабочей части образца, также при этом фиксировали соответствующие значения А растягивающего усилия, приложенного к рабочей части образца, Б (Н), с которым образец сопротивляется растяжению.
Предел прочности с [1], возникающий в растягиваемом образце, рассчитывали по формуле:
4 • ^
С = (МПа), (4)
п й2
где Б - продольная растягивающая сила, приложен-ная к образцу, Н,
d - внутренний диаметр профиля, мм.
При определении физико-механических характеристик базальтопластиковых стержней важными параметрами являются прочность стержня при срезе поперек волокон и при сколе вдоль волокон.
Для определения прочности стержней при срезе поперек волокон применяли образцы, отрезанные от стержней. Длина образцов для испытаний 200 мм. Испытание стержней при срезе поперек волокон проводили на универсальной испытательной машине Р-10 с диапазоном измерения нагрузки до 100 кН. Скорость перемещения активной траверсы испытательной машины при испытаниях находилась в пределах 3-10 мм/мин. Образец устанавливали в приспособление для испытаний (рис. 4).
При испытаниях образцы доводили до разрушения. В момент разрушения фиксировали максимальное значение силы Б, которое развила машина при нагружении образца до разрушения.
По результатам испытаний рассчитывали разрушающее напряжение при срезе стержня поперек волокон [1] образца по формуле:
° = 2АТ (МПа), (5)
Рис. 3. Испытание прочности стержней при растяжении Рис. 4. Процесс испытания стержней на срез
где Б - значение перерезывающей силы в Н, полученное при испытании на срез поперек волокон образца;
2 - количество плоскостей, по которым происходит срез образца.
А=(п*(ф2)/4 - расчетная площадь поперечного сечения стержня, мм2;
d - расчетный диаметр стержня (номер профиля), мм. Для измерения прочности стержней при сколе вдоль волокон применяли образцы, отрезанные от стержней. Длина образцов для испытаний рассчитывали по формуле L=9d+30 [1], соответственно, у стержней с диаметром 5,5 мм и 7,5 мм, длина образцов составляет 80 мм и 100 мм. Испытания проводили на стандартной разрывной машине Р-0,5 с диапазоном измерения нагрузки до 5 кН. Скорость перемещения активной траверсы испытательной машины находилась в пределах 10 мм/мин (рис. 5).
При испытаниях образцы доводили до разрушения. В момент разрушения фиксировали максимальное значение силы ¥ш и величину предельного прогиба в середине образца и характер разрушения (разрушение за счет изгиба или расслоения вдоль волокон).
По результатам испытаний рассчитывали предел прочности к сдвигу вдоль волокон [1] испытанного образца по формуле Журавского [6, 7]
8-Б
=----И- (МПа), (6)
Тсд 3-л-й2
где ¥ - максимальная нагрузка, предшествующая
разрушению образца, Н;
ё - расчетный (номинальный) диаметр стержня (номер профиля), мм.
Для определения физико-механических характеристик базальтопластиковых стержней провели
Рис. 5. Процесс испытания стержней на скол вдоль волокон
комплекс испытаний по описанным методикам [1-3], полученные результаты приведены в табл. 1.
Из представленных в таблице 1 данных видно, что у базальтопластиковых стержней с диаметром
5,5 мм: модуль упругости, Е - 58,3±1,5 ГПа, разру-
шающее напряжение при изгибе св - 1536±50,05 МПа, предельная деформация при изгибе, £ - 2,64±0,09, предел прочности при растяжении, ср - 1036±23,1 МПа, прочность стержней при сколе вдоль волокон, Тср -231±14,2 МПа, прочность стержней при сколе вдоль волокон, т - 50,7± 1,2МПа.
’ сд ’ ’
На рисунках 6 и 8 приведены диаграммы нагружения образцов БПА 5,5 мм и 7,5 мм. Они показывают,
Таблица 1
Результаты испытаний физико-механических характеристик стержней БПА-5,5 и СПА -5,5 мм
Наименование характеристики Единица измерения показатели для стержня
БПА 5,5 мм СПА 5,5 мм
Предел прочности при продольном изгибе, ав МПа 1536±50,05 1668±35
Модуль упругости при продольном изгибе, Е ГПа 58,3±1,5 52,9±0,2
Предельная деформация при изгибе, є % 2,64±0,09 3,15±0,07
Предел прочности при растяжении, ар МПа 1014±23,1 921±40,53
Предел прочности при срезе поперек волокон, т^ МПа 271±14,2 231±16,7
Предел прочности по напряжению сдвига вдоль волокон при поперечном изгибе, т 5 сд МПа 50,7±1,2 49,7±0,57
Рис. 6. Диаграмма зависимости напряжения от относительной деформации при продольном
изгибе образца БПА 5,5 мм
Рис. 7. Внешний вид зоны разрушения образцов БПА 5,5 мм
Рис.
8. Зависимость напряжения от относительной деформации при продольном изгибе образца стержня БПА 7,5 мм
Рис. 9. Внешний вид зоны разрушения образцов БПА 7,5 мм
Таблица 2
Результаты испытаний стержней БПА (7,5 мм) и СПА (7,5 мм)
Наименование характеристики Единица измерения Значение показателя для стержня
БПА 7,5 мм СПА 7,5 мм
Предел прочности при продольном изгибе, ав МПа 1812±55 1835±57
Модуль упругости при продольном изгибе, Е ГПа 57,1±1,1 54,5±0,88
Предельная деформация при изгибе, 8 % 3,18±0,16 3,37±0,1
Предел прочности при растяжении, ар МПа 1036±27,9 1155±17*9
Предел прочности при срезе поперек волокон, Тср МПа 276±0,45 229±4,58
Предел прочности по напряжению сдвига вдоль волокон при поперечном изгибе, Т 5 сд МПа 49,8±1,54 64,7±1,58
что зависимость между напряжением и относительными деформациями носит линейный характер от начала нагружения вплоть до разрушения.
Испытываемые образцы на продольный изгиб разрушились в сжатой зоне образца (рис. 7).
На рисунке 9 представлен внешний вид зоны разрушения образцов, во время испытания стержней продольным изгибом.
Результаты проведенных испытаний физикомеханических характеристик стрежней БПА 7,5 мм приведены в табл. 2. Кроме того, в этой таблице приведены для сравнения результаты испытаний стеклопластиковых стержней СПА 7,5 мм.
Из представленных в таблице 2 данных видно, что модуль упругости, Е-58,3±1,5 ГПа, разрушающая напряжение при изгибе, св - 1812± 55 МПа, предельная деформация при изгибе, £ - 2,64±0,09, предел прочности при растяжении, ср - 1036±1,52 МПа, прочность стержней при сколе вдоль волокон, Тср -276±0,45 МПа, прочность стержней при сколе вдоль волокон, т - 49,8±1,54 МПа.
’ сд 5 5
В результате проведенных исследований физикомеханических свойств стержней, изготовленных из базальтового волокна и компаунда на основе эпоксидных смол ЭДИ, установлено следующее -базальтопластиковые стержни обладают аналогичными физико-механическими характеристиками по сравнению со стеклопластиковыми стержнями и могут быть использованы в качестве армирующего
материала используемого при строительстве дорог и железобетонной конструкции.
Л и т е р а т у р а
1. ТУ 2296-016-20994511. Стержни периодического профиля стеклопластиковые. Технические условия.
2. ГОСТ 9550-81. Пластмассы. Метод определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе.
3. Тарнопольский Ю. М., Кулаков В. Л. Методы испытаний композитов. Обзор исследований, выполненных в ИМП АН Латвии в 1964-2000 гг.// Механика композитных материалов. - 2001. - Т. 37. - № 5/6. - С. 669-693.
4. Савин В. Ф., Блазнов А. Н., Старцев О. В. Испытания упругих стержней методом продольного изгиба. - Барнаул: Изд-во Алт.гос.ун-та, 2009. - С. 222-228.
5. Волков Ю. П., Луговой А. Н., Савин В. Ф., Хан А. И., Блазнов А. Н. Метод определения механических характеристик стержней по результатам испытаний на продольный изгиб // Заводская лаборатория. - 2004. - Т. 70. - № 9. - С. 58-62.
6. Fridlyander J. N., Marsball I. H. - Polymer matrix composites/. - UK; London: Chapman. 1995
7. Тарнопольский Ю. М., Кинцис Т. Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. - М.: Химия, 1981.
- С. 272- 283.
8. Савин В. Ф., Луговой А. Н., Волков Ю. П. Методика определения термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2003. - Т. 69. - № 6. - С. 40- 43.
