CC BY
16ТОМ 2, ВЫПУСК 3, 2021 | vol. 2, issue 3 УМНЫЕ КОМПОЗИТЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
УДК 620.171.2:678.01
МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СТЕКЛОПЛАСТИКОВОЙ СТРОИТЕЛЬНОЙ АРМАТУРЫ
А.Н. Блазнов12, В.Б. Маркин3, В.Ф. Савин4! , В.В. Фирсов1,
А.А. Генина2, Е.Г. Сакошев
2
Алексей Николаевич Блазнов
Лаборатория материаловедения минерального сырья, институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), ул. Социалистическая, 1, Бийск, Алтайский край, Российская Федерация, 659322
2Кафедра машин и аппаратов химических и пищевых производств, Бийский технологический институт (филиал) Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, ул. им. Героя Советского Союза Трофимова, 27, Бийск, Алтайский край, Российская Федерация, 659305 E-mail: blaznov74@mail.ru
Виктор Борисович Маркин
3Кафедра современных специальных материалов, Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, пр. Ленина, 46, Барнаул, Алтайский край, Российская Федерация, 656038 E-mail: mvb1942@mail.ru
Владимир Федорович Савин
4ООО «Бийский завод стеклопластиков», ул. Ленинградская, 60/1, Бийск, Алтайский край, Российская Федерация, 659316
Вячеслав Викторович Фирсов
1Лаборатория материаловедения минерального сырья, Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), ул. Социалистическая, 1, Бийск, Алтайский край, Российская Федерация, 659322 E-mail: labmineral@mail. ru
Анастасия Александровна Генина
2Кафедра машин и аппаратов химических и пищевых производств, Бийский технологический институт (филиал) Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, ул. им. Героя Советского Союза Трофимова, 27, Бийск, Алтайский край, Российская Федерация, 659305 E-mail: genina.an@gmail.com
Егор Германович Сакошев
2Кафедра машин и аппаратов химических и пищевых производств, Бийский технологический институт (филиал) Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, ул. им. Героя Советского Союза Трофимова, 27, Бийск, Алтайский край, Российская Федерация, 659305 E-mail: fak1 00@mail.ru
том 2, ВЫПУСК з, 2021 I vol 2, issue з УМНЫЕ КОМПОЗИТЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
На примере исследования долговечности образцов стеклопластиковой арматуры под действием постоянной изгибающей нагрузки при температуре минус 30 °С продемонстрирован метод длительных испытаний строительных композитов и статистическая обработка результатов. Предложены устройства длительных испытаний на продольный изгиб, позволяющие нагружать одновременно по 20 образцов. Полученные экспериментально законы распределения образцов по прочности соответствуют нормальному, по долговечности - логарифмически - нормальному распределению. Даны рекомендации по обоснованному выбору постоянно действующей нагрузки по результатам определения прочности, позволяющей получить разрушение большей части образцов за срок эксперимента до трех месяцев. Предложен алгоритм проведения длительных испытаний и способ совместной математической обработки статистических результатов прочности и долговечности для построения силовых зависимостей. Приведены результаты длительных испытаний образцов стеклопластиковой арматуры в диапазоне температур от минус 30 до плюс 50 °С. С помощью предложенного метода получены зависимости, которые позволяют спрогнозировать значение длительной прочности 0,6 для долговечности 100 лет. Полученные результаты соответствуют литературным данным других авторов.
Ключевые слова: стеклопластиковая арматура, длительная прочность, долговечность, метод испытаний, статистическая обработка результатов, закон распределения
Для цитирования:
Блазнов А.Н., Маркин В.Б., Савин В.Ф., Фирсов В.В., Генина А.А., Сакошев Е.Г. Метод исследования долговечности стеклопластиковой строительной арматуры. Умные композиты в строительстве. 2021. Т. 2. № 3. С. 32-45 URL: http://comincon.ru/index.php/tor/V2N3_2021
DOI: 10.52957/27821919_2021_3_32
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
y^K 620.171.2:678.01
THE METHOD OF STUDYING THE DURABILITY OF FIBERGLASS CONSTRUCTION REINFORCEMENT
Aleksei N. Blaznov
laboratory of Mineral Materials Science, Institute of Chemical and Energy Technology Problems, the Siberian Branch of the
Russian Academy of Sciences (IPCET SB RAS), Socialisticheskaya st., 1, Biysk, Altai Region, 659322, Russia
2Department of Machines and Devices for Chemical and Food Production, Biysk Technological Institute (branch), Altai State
Technical University named after I.I. Polzunov, Trofimova st., 27, Biysk, Altai Region, 659305, Russia
E-mail: blaznov74@mail.ru
Viktor B. Markin
3Department of Current Specialty Materials at the Polzunov Altai State Technical University; ave. Lenina, 46, Barnaul, Altai Region, 656038, Russia E-mail: mvb1942@mail.ru
Vladimir F. Savin
4 OOO Biysk Factory of Fiberglass-Reinforced Plastics; Leningradskaya st., 60/1, Biysk, Altai Region, 659316, Russia Vyacheslav V. Firsov
laboratory for Materials Science and Mineral Raw Materials at the Institute for Problems of Chemical and Energetic technologies, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (IPCET SB RAS); Socialisticheskaya st., 1, Biysk, Altai Region, 659322,Russia E-mail: labmineral@mail. ru
Anastasia A. Genina
2Department of Machines and Devices for Chemical and Food Production, Biysk Technological Institute (branch), Altai State Technical University named after I.I. Polzunov, Trofimova st., 27, Biysk, Altai Region, 659305, Russia E-mail: genina.an@gmail.com
Egor G. Sakoshev
2Department of Machines and Devices for Chemical and Food Production, Biysk Technological Institute (branch), Altai State Technical University named after I.I. Polzunov, Trofimova st., 27, Biysk, Altai Region, 659305, Russia E-mail: fak1 00@mail.ru
A.N. Blaznov12, V.B. Markin3, V.F. Savin 4, V.V. Firsov 5,
A.A. Genina 2, E.G. Sakoshev 2
том 2, ВЫПУСК з, 2021 I vol 2, issue з УМНЫЕ КОМПОЗИТЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
We demonstrate methods for long-term testing of construction composites and statistical processing through examining the durability of the fiberglass-reinforced bar specimens under continuous flexural load at -30°С. Prolonged flexural test apparatuses allow to load by 20 sаmples simultaneously. The strength laws of the experimentally obtained sample distributions correspond to a normal distribution, while the durability laws correspond to a logarithmic-normal distribution. Guidelines are given on the reasonable choice of a permanent load based on a strength determination that would result in the destruction of most of the samples over a period of up to three months. The invention relates to an algorithm for conducting long-term tests and to a method for mathematically co-processing statistical results of strength and durability for generating power relationships. The results of the long-term tests of fiberglass-reinforced bar samples are given in the range of temperatures from minus 30 to plus 50°C. The proposed method produces relationships and makes it possible to predict a value of a lasting strength of 0.6 for a durability of 100 years. Using the suggested method, relationships have been derived that can predict a long-term strength of 0.6 for durability of 100 years. The results are in accordance with the studies of the other authors.
Key words: fiberglass-reinforced bar, long-time strength, durability, test method, statistical data processing, distribution law
For citation:
Blaznov A.N., Markin V.B., Savin V.F., Firsov V.V., Genina A.A., Sakoshev E.G. The method of studying the durability of fiberglass construction reinforcement. Smart Composite in Construction. 2021.
Vol. 2. No. 3. Р. 32-45 URL: http://comincon.ru/index.php/tor/V2N3_2021
DOI: 10.52957/27821919_2021_3_32
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
ВВЕДЕНИЕ
Длительная прочность и долговечность являются важнейшими характеристиками любого конструкционного материала. Особое внимание уделяется этим эксплуатационным свойствам для изделий, используемых в ответственных строительных конструкциях, таких как жилые дома [1]. Примером длительного использования полимерных композиционных материалов (ПКМ) в строительстве могут служить гибкие связи стекло- и базальто-пластиковой арматуры и композитные стержни периодического профиля [1, 2], которые подвергаются воздействию нагрузки и температуры в течение всего срока эксплуатации (от 50 до 100 лет). Поскольку механические свойства, в том числе и длительная прочность ПКМ, сильно зависят от технологии их изготовления и состава, возникает необходимость проведения исследовательских, типовых и периодических испытаний выпускаемых изделий на длительную прочность и долговечность.
В настоящей работе речь идет о «механической» долговечности, когда на изделие в процессе эксплуатации воздействуют только постоянная нагрузка и постоянная температура, и не учитываются другие воздействующие факторы, такие как химическое старение, суточные и сезонные циклы температуры, влажность, ультрафиолет [3].
Определения терминов «долговечность» и «длительная прочность» приняты в соответствии с [4]: долговечность - время, прошедшее с момента приложения к образцу материала не изменяющейся механической нагрузки до момента его разрушения; длительная прочность - не изменяющаяся по величине механическая нагрузка, приложенная к образцу материала и вызывающая его разрушение за заданный промежуток времени.
Силовая зависимость долговечности - зависимость времени т до разрушения от приложенной постоянной по величине нагрузки, характеризуемой напряжением Стт - была четко установлена на силикатных стеклах [5-8]. Для силикатных стекол было предложено несколько эмпирических формул, из которых наибольшее распространение получила формула Голланда и Тернера или
степенной закон:
х = B-a-fr,
(1)
где х - долговечность^ - заданное растягивающее напряжение; В и Ь - константы.
В ходе исследования процессов разрушения твердых тел сложилось два подхода к объяснению этого сложного явления. Один из них - теория разрушения Гриффитса-Ирвина - рассматривает разрушение, как прорастание макротрещины из наиболее опасного дефекта через неповрежденный материал. Она приводит к линейной механике разрушения. Эта теория, созданная для однофазных материалов, не всегда применима к ПКМ, проявляющим неоднородность на масштабном уровне,
сравнимом с размерами трещины, поскольку предполагает ее прямолинейное распространение [1, 6].
По мере накопления результатов исследования длительной прочности материалов концепция, рассматривающая разрушение как протекающий во времени процесс, пришла на смену представлениям о разрушении, как критическом событии (единичном акте), наступающем при достижении предельного напряжения [6, 9].
Исследования разрушения в условиях статического нагружения, проведенные зарубежными и отечественными учеными, привели к господству кинетических представлений о прочности материалов [10-12]. Развивается новый раздел механики твердых тел - кинетическая механика разрушения. Наиболее значимые работы выполнены в лаборатории физики прочности физико-технического института им. А.Ф. Иоффе АН СССР в начале 1950-х годов С.Н. Журковым и сотрудниками. Независимо друг от друга Ф. Буше [13] и С.Н. Журковым была установлена эмпирическая зависимость, которая получила название формулы Журкова:
i = х0 ехр ( ■
/Uо - уа
(2)
V ЯТ
где хо - постоянная времени (для стеклопластиков 10-13 с), ио - энергия активации процесса разрушения; у - структурно чувствительный параметр, достигающий 10-103 атомных объемов; ст - постоянное приложенное напряжение; К = 8,314 Дж/(моль-К) - универсальная газовая постоянная; Т - температура, К.
Сотрудниками института им. А.Ф. Иоффе АН СССР во главе с С.Н. Журковым [10-12] было установлено, что прямые долговечности в координатах 1п т - 1/Т при различных значениях ст сходятся в одной точке и у разных пластмасс абсцисса полюса находится в различных местах. Для объяснения этого факта С.Б. Ратнер, В.П. Ярцев в работах [14, 15] предложили следующее обобщение уравнения С.Н. Журкова:
Ч-г
(3)
где тт - минимальная долговечность материала, отвечающая максимально допустимой температуре Тт, при которой при любой нагрузке или без нее материал размягчается вследствие интенсивного разрыва межмолекулярных связей или разрушается в результате деструкции т. е. разрыва межатомных связей.
В работе [15] Ратнер С.Б. проводит критический анализ множества выражений для расчета долговечности полимеров. Некоторые результаты и выводы названы ошибочными. Показано, что способ обработки по различным выражениям экспериментальных данных позволяет получить существенно различающиеся результаты. Отличия в результатах автор работы [13] обосновывает непостоянством параметров хо; у и ио в формуле Журкова, и их зависимостью от температуры. Ратнер С.Б. предлагает на основании формулы (3) принцип температурно-
R
=
m
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
временнои-силовои эквивалентности, согласно которому любой из предельных показателей механическоИ работоспособности (а, Ти т) может быть повышен за счет понижения любого другого показателя или их комбинации. Исходя из этого, чтобы обеспечить рост предельного показателя механическоИ работоспособности модифицированных пластических масс следует повышать константы Цо, Тт и Тт и понижать у.
Из формулы (3) следует, что растягивающее напряжение а, вызывающее критическое событие - разрушение ("предел" прочности) или деформирование ("предел" вынужденной эластичности или "текучести") [13], можно определить по формуле
RT т 1 - T/Tm тт
(4)
Понятие "предел" означает, что указанные предельные состояния могут быть достигнуты при любом напряжении и уменьшаются с ростом температуры Т и времени ее действия т. Аналогичный вывод следует и для "предельной" температуры работоспособности - теплостойкости при размягчении и термодеструкции при разрушении. Из формулы (3) или (4) следует [13]:
1 = ^ +
(5)
Т Тш И1пт /тш
Существует большой класс ПКМ, долговечность которых не удается описать формулой С.Н. Журкова. Для этого класса Г.М. Бартенев [7] предложил следующее выражение:
т= C-CT-b-exp(U/RT).
(6)
Авторы работы [8] делают вывод о том, что при сохранении кинетической природы прочности формула Жур-кова справедлива только в тех случаях, когда зависимость между напряжением и деформацией линейна, соответствует закону Гука.
Рис. 1. Зависимость длительной прочности от долговечности по данным работы [5]: сплошная - по формуле (1), пунктирная - по выражению (7)
Fig. 1. The dependence of long-term strength on durability according to the data of [5]: solid - according to the formula (1), dotted-according to the expression (7)
Установлено также, что в определенном интервале времени до разрушения, доступном для эксперимента, связь между длительной прочностью ст и lg (т) или ln (т) имеет линейный характер (рис. 1), что соответствует выражению (1). При более длительных опытах и повышенных температурах наблюдается перелом на диаграмме ст - ln (т) [16], что, по мнению авторов работы [5], свидетельствует о существовании предела длительной прочности ст» - такого максимального напряжения, ниже которого материал не будет разрушаться сколь угодно долго (рис. 1).
На основе феноменологических представлений А.М. Скудра и Ф.Я. Булавс предложили следующую эмпирическую зависимость для описания долговечности стеклопластиков [5]:
т = п ■ ехр
х In
Т- Тр\ (1 - Фа) ■ еМ + ФА ■ еА , В )'(1-фА)■ Нм + фд ■ ЕА ' (Ем-Нм)^Ел^(1-фл)^Р
(7)
[(1-фА)^ЕА^-8^ЕА^ А ■ ((1 - Фа) ■Нм + фА■ Еа)] ■ [(1 - фА) ■Н„ + фА■ Ед]'
где п, В - коэффициенты, F - постоянная нагрузка, А -площадь поперечного сечения, Нм - модуль длительной упругости матрицы.
По экспериментальным данным работы [5] для однона-правленно армированного стеклопластика на основе полиэфирного связующего оценка длительной прочности дает значение а» ~ 410 МПа, что составляет около 0,65 от величины временной прочности. Таким образом, рис. 1 наглядно демонстрирует влияние метода обработки экспериментальных данных по долговечности на результат. В области времени от Т1 до Т2 (см. рис. 1), доступного для эксперимента, различные теории дают близкие значения, но существенно расходятся в области низких
напряжений при долговечности 50 и 100 лет, что как раз и представляет наибольший интерес для изучения эксплуатационных свойств материала.
Исследователями отмечены высокие разбросы долговечности ПКМ при одном уровне нагрузок, что препятствует постановке прямого эксперимента на длительный срок. Кроме того, старение материалов в процессе длительных испытаний может произойти от действия окружающей среды, физико-химических превращений в самом материале и других факторов [3], не имеющих прямого отношения к «механической» долговечности, т.е. изменения свойств под действием только нагрузки.
Целью данной работы являются экспериментальные исследования долговечности стеклопластиковых стержней, применяемых в строительстве, с помощью оригинального метода, основанного на статистической обработке результатов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве образцов для исследований использовали стержни стеклопластиковой арматуры номинальным диаметром 5,5 мм (СПА-5,5), серийно изготавливаемой по ТУ 2296-001-20994511.
Сущность метода длительных испытаний и обработки результатов состоит в следующем:
- испытывают представительную выборку образцов одним из методов статических испытаний (на растяжение, сжатие или изгиб);
- определяют допустимое значение длительно действующего напряжения по минимальным значениям прочности в первой группе образцов с таким расчетом,
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
чтобы, с одной стороны, напряжение не оказалось слишком высоким, при котором разрушится большая часть образцов, предназначенных для длительных испытаний, и, с другой стороны, не оказалось слишком низким, при котором не разрушится ни один образец в выборке;
- нагружают выбранной величиной длительно действующего напряжения все образцы, предназначенные для длительных испытаний тем же методом (растяжение, сжатие либо изгиб), и измеряют долговечность - время, прошедшее с момента нагружения до момента разрушения образцов.
По предварительным экспериментальным данным [6, 9], распределение прочности стеклопластиков соответствует нормальному закону. На рис. 2 приведены результаты испытаний на продольный изгиб представительной выборки образцов от трехсерийных партий стекло-пластиковых стержней СПА-5,5 по ТУ 2296-001-20994511. По данным рис. 2 можно отметить, что закон распределения стержней по прочности соответствует нормальному с высоким коэффициентом корреляции К2=0,98-0,99.
с, ГПа
2,5
-1-1-1-1-1-1-1-Г"
-2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2
Рис. 2. Распределение образцов СПА-5,5 от трех партий по прочности Fig. 2. Distribution of SPA-5.5 samples from three batches by strength
Приведем пример реализации метода длительных испытаний и обработки результатов на конкретных изделиях из стеклопластика.
Выбор температур для испытаний был обусловлен следующими обстоятельствами. Допустимый диапазон хранения и эксплуатации стеклопластиковой арматуры по ТУ 2296-001-20994511 от минус 60 до плюс 50 °С, соответствует климатическим зонам РФ. Температурная зависимость прочности исследовалась во всем диапазоне температур и приведена в работах [17, 18], из которых следует, что прочность и деформативность стеклопластика с понижением температуры возрастает, а с повышением - уменьшается. Это еще одно полезное свойство композитов, в отличие от сталей - не происходит
охрупчивания вплоть до заморозки в жидком азоте [19]. Для стальных изделий известны случаи хрупкого излома при низких температурах, приводившие к авариям на строительных объектах.
Поскольку предварительно было установлено повышение механических свойств стеклопластиков в области отрицательных температур, длительные испытания были ограничены имеющимся оборудованием - промышленной холодильной камерой, способной поддерживать постоянную температуру минус 30 °С в течение всего эксперимента. Верхний температурный диапазон эксплуатации композитов ограничен температурой начала перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние, которое для исследуемых
стеклопластиков составляет не менее 75-80 °С, поэтому повышенная температура длительных испытаний была выбрана 50 °С, соответствующая стеклообразному состоянию связующего и максимальной температуре эксплуатации по климатическим зонам РФ.
Выбор метода испытаний на продольный изгиб был обусловлен его достоинствами [17], важнейшими из которых являются: отсутствие воздействия металлических частей (отсутствие контактных напряжений) в месте наибольшего прогиба образца; комплексная нагрузка одновременно внутренних слоев на сжатие, наружных - на растяжение; простота метода - возможность проведения одновременно массовых испытаний при малых габаритах устройств и малых значениях усилий (сила потери устойчивости при продольном изгибе примерно в 50 раз меньше силы, необходимой для растяжения/сжатия образца того же сечения); при продольном изгибе стекло-пластиковый образец имеет упругие деформации и работает подобно пружине - консервирует нагрузку на длительное время, практически отсутствует релаксация, и образец разрушается в средней части при достижении предельной долговечности вследствие запасенной энергии упругой «пружины».
В табл. 1 приведены данные по результатам измерения прочности исследуемой партии СПА-5,5 на продольный изгиб [17, 20] при температуре минус 30 °С.
Алгоритм обработки экспериментальных данных следующий.
Все полученные результаты определения прочности стержней располагают в порядке возрастания, присваивая каждому образцу порядковый номер ¿.
Для каждого образца рассчитывают значения вероятности Р по формуле [21]:
P(i)=i/(n+1),
(8)
где i - порядковый номер образца в упорядоченном массиве; п - количество образцов.
По полученным результатам находят значения табличной функции Z обратного нормального распределения с помощью статистических таблиц, например, в программе Excel. Полученные данные сведены в табл. 1.
По данным табл. 1 строят графическую зависимость CTB(i)=/(Z(i)) (рис. 3). Как показано на рис. 2 и 3, исследуемые образцы стеклопластиков по прочности удовлетворяют нормальному закону, с высоким коэффициентом корреляции. Зависимость прочности от нормированной функции обратного нормального распределения (по данным рис. 3) описывается линейным законом:
ств = bn-(Z) + аа.
(9)
где Ъа, аа - эмпирические коэффициенты, в рассматриваемом примере равны Ъа=93,107 МПа (определяет угол наклона аппроксимирующей прямой); аа=2055 МПа (определяет среднее арифметическое значение прочности в выборке).
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
В табл. 1 приведены расчетные значения прочности по выражению (9) и величина относительного отклонения экспериментальных данных от расчетных. Погрешность не превышает ±1%, что говорит о высоком соответствии расчетных и экспериментальных данных.
Выбор величины постоянно действующей нагрузки имеет решающее значение для испытаний на долговечность. Эта нагрузка не должна быть слишком высокой, вызывающей преждевременное разрушение большей части образцов, но также и не должна быть слишком низкой, при которой не разрушится ни один образец за разумное время эксперимента. Достаточно получить гарантированное разрушение половины образцов в выборке за время эксперимента для статистической обработки результатов.
Из опыта испытаний на долговечность, для получения разрушения образцов при длительности экспериментов до трех месяцев можно рекомендовать значение длительно действующего напряжения, определяемое по минимальному значению прочности образцов в выборке при вероятности разрушения Р = 2,4%.
Величину ав (0,024) определяют по выражению (9), подставляя значение Ъ = -1,97.
Величину длительно действующего постоянного напряжения определяют по выражению
СТт = К'СТв (0,024),
(10)
где К - эмпирический коэффициент, принимаемый 0,890,92 [9].
В рассматриваемом примере расчетная величина ав (0,024) = 1872 МПа.
Длительное напряжение изначально было подобрано эмпирически и составило ат=1727 МПа, при этом коэффициент К = 0,923.
На величину напряжения ат = 1727 МПа были загружены все образцы второй группы от той же партии, что испытаны на прочность.
Для длительных испытаний использовали приспособление, показанное на рис. 4, а, в которое одновременно устанавливается по 20 образцов СПА-5,5 длиной 200 мм. Требуемый уровень напряжений задается с помощью прогиба образцов в средней части и регулируется винтом (осевым перемещением - сближением концов шар-нирно опертого стержня). Осевая сила при этом равна силе потере устойчивости (критической силе Эйлера) и остается практически постоянной в процессе нагруже-ния и увеличения прогиба. Периодически проводился «опрос» образцов с помощью тензодатчика силы - значительное уменьшение осевой силы свидетельствовало о разрушении образца. Для сохранения температуры образца при периодической выемке из морозильной камеры и контроля осевой силы, устройства помещали в футляры из пенопласта, изнутри утепляли поролоном как показано на рис. 4, б.
Таблица 1. Результаты испытаний образцов на прочность при температуре минус 30 °С Table 1. Results of strength tests of samples at a temperature of minus 30 °C
i m Z aB, МПа арасч, МПа Отклонение, %
1 0,024 -1,97 1867 1872 0,24
2 0,049 -1,66 1907 1901 -0,32
3 0,073 -1,45 1915 1920 0,27
4 0,098 -1,30 1957 1934 -1,16
5 0,122 -1,17 1960 1947 -0,67
6 0,146 -1,05 1969 1957 -0,60
7 0,171 -0,95 1971 1967 -0,24
8 0,195 -0,86 1973 1975 0,12
9 0,220 -0,77 1977 1983 0,31
10 0,244 -0,69 1981 1991 0,49
11 0,268 -0,62 1986 1998 0,56
12 0,293 -0,55 2000 2004 0,20
13 0,317 -0,48 2007 2011 0,18
14 0,342 -0,41 2018 2017 -0,03
15 0,366 -0,34 2023 2023 0,01
16 0,390 -0,28 2025 2029 0,22
17 0,415 -0,22 2029 2035 0,29
18 0,439 -0,15 2031 2041 0,49
19 0,463 -0,09 2043 2047 0,16
20 0,488 -0,03 2053 2052 -0,02
21 0,512 0,03 2064 2058 -0,27
22 0,537 0,09 2065 2064 -0,08
23 0,561 0,15 2070 2069 -0,04
24 0,585 0,22 2081 2075 -0,30
25 0,610 0,28 2088 2081 -0,32
26 0,634 0,34 2090 2087 -0,16
27 0,659 0,41 2091 2093 0,09
28 0,683 0,48 2096 2099 0,16
29 0,707 0,55 2099 2106 0,34
30 0,732 0,62 2101 2113 0,53
31 0,756 0,69 2104 2120 0,75
32 0,780 0,77 2114 2127 0,62
33 0,805 0,86 2140 2135 -0,24
34 0,829 0,95 2147 2144 -0,16
35 0,854 1,05 2157 2153 -0,18
36 0,878 1,17 2157 2164 0,30
37 0,902 1,30 2187 2176 -0,54
38 0,927 1,45 2192 2190 -0,06
39 0,951 1,66 2231 2209 -1,00
40 0,976 1,97 2237 2239 0,05
Рис. 3. Распределение образцов СПА-5,5 по прочности при температуре минус 30 °С Fig. 3. Distribution of SPA-5.5 samples by strength at a temperature of minus 30 °C
Рис. 4. Стенды для испытаний одновременно 20 образцов СПА-5,5: а - на долговечность при продольном изгибе; б - футляры для сохранения температуры образцов
Fig. 4. Test benches for 20 SPA-5.5 samples at the same time: a - for durability during longitudinal bending; b - cases for maintaining the temperature of the samples
Обработка результатов по долговечности аналогична приведенному выше алгоритму статистической обработки данных определения прочности образцов.
Определяют значение вероятности Р(1) и величину Ъ обратного нормального распределения, как было показано выше. Для количества испытанных образцов 40 шт. эти величины имеют те же значения, что и в табл. 1. Экспериментальные значения долговечности располагают в порядке возрастания. Строят график зависимости логарифма долговечности от величины Ъ (рис. 5).
Закон распределения долговечности образцов соответствует логарифмически-нормальному с высокой корреляцией (К2=0,985). Зависимость логарифма долговечности образцов от обратной функции нормального распределения носит линейный характер:
1п(т) = Ът-(2) +ат, (11)
где Ът, йт - эмпирические коэффициенты, равные соответственно: Ът=1,166; йт=11,835.
В табл. 2 приведены расчетные значения логарифма долговечности образцов, и отклонения экспериментальных данных от расчетных. Можно заключить, что отклонения не превышают ±1,5-2%, лишь у первых двух образцов в выборке экспериментальные значения долговечности аномально отличаются от расчетных (на 64% и 34%). Эти два образца сломались в процессе нагружения и в расчет не принимались.
Следующий этап - совместная обработка результатов определения прочности и долговечности. В основу положена гипотеза о том, что две представительные выборки от одной партии имеют образцы, идентичные по своим свойствам - прочности и долговечности. Поскольку оба вида испытаний являются разрушающими, то на одних и тех же образцах измерение контроля их прочности и долговечности выполнить невозможно.
В соответствии с гипотезой, присваивают вероятность разрушения более нагруженных образцов их меньшей долговечности (это соответствует и фундаментальным представлениям - чем больше нагрузка, тем меньше долговечность, см. рис. 1). За величину интенсивности приложенной нагрузки принято отношение постоянно
■ lut -13.5-13.0-12.5-12.0.Л*
>¿11.5 -11.0-10.5-10.0-
действующего напряжения к их временной прочности Стотн = стт/ств, которое показывает, на какую величину нагружен индивидуально каждый образец от его исходной прочности. Совместная обработка результатов приведена в табл. 3.
y = 1,166x + 11,83 R2 = 0,985
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
Рис. 3. Распределение образцов СПА-5,5 по прочности при температуре минус 30 °С Fig. 3. Distribution of SPA-5.5 samples by strength at a temperature of minus 30 °C
Таблица 3. Совместная обработка результатов определения прочности и долговечности Table 3. Joint processing of the results of determining strength and durability
i арасч, МПа Сотн ln (Т расч, С) i арасч, МПа Сотн 1п(Трасч, с)
1 1872 0,923 9,537 21 2058 0,839 11,871
2 1901 0,909 9,903 22 2064 0,837 11,942
3 1920 0,900 10,141 23 2069 0,835 12,014
4 1934 0,893 10,324 24 2075 0,832 12,086
5 1947 0,887 10,476 25 2081 0,830 12,160
6 1957 0,882 10,608 26 2087 0,827 12,235
7 1967 0,878 10,726 27 2093 0,825 12,311
8 1975 0,874 10,833 28 2099 0,823 12,390
9 1983 0,871 10,933 29 2106 0,820 12,471
10 1991 0,868 11,026 30 2113 0,817 12,556
11 1998 0,865 11,114 31 2120 0,815 12,644
12 2004 0,862 11,199 32 2127 0,812 12,737
13 2011 0,859 11,280 33 2135 0,809 12,837
14 2017 0,856 11,359 34 2144 0,806 12,944
15 2023 0,854 11,435 35 2153 0,802 13,062
16 2029 0,851 11,510 36 2164 0,798 13,194
17 2035 0,849 11,584 37 2176 0,794 13,346
18 2041 0,846 11,656 38 2190 0,788 13,529
19 2047 0,844 11,728 39 2209 0,782 13,767
20 2052 0,842 11,799 40 2239 0,771 14,133
На рис. 6 показана силовая зависимость долговечности - зависимость относительной длительной прочности от долговечности для исследованных образцов стеклопластика. Можно заключить, что в приведенных координатах (по оси ординат -относительной прочности, по оси абсцисс - логарифма долговечности) силовая зависимость соответствует степенному закону с высоким коэффициентом корреляции К2=0,999.
аотн = 2,594 • (Im)-0456.
(12)
Эту зависимость можно использовать для предсказания долговечности исследуемого стеклопластика в зависимости от уровня приложенного напряжения при температуре минус 30 °С.
С помощью продемонстрированного метода длительных испытаний и статистической обработки результатов были проведены массовые испытания на долговечность одной и той же партии стеклопластиковых стержней СПА-5,5 в диапазоне температур от минус 30 до плюс 50 °С при продольном изгибе и растяжении, обобщенные результаты приведены в работе [22] и на рис. 7.
y = 2,5939x-0'4565 R2 = 0,9991
9 10 11 12 13 14 In (т, с)
Рис. 6. Зависимость относительной длительной прочности от долговечности образцов СПА-5,5 при температуре минус 30 °С Fig. 6. The dependence of the relative long-term strength on the durability of SPA-5.5 samples at a temperature of minus 30 °C
Учитывая температурную зависимость прочности, все результаты испытаний при разных температурах приведены к нормальным условиям - отнесены к значениям прочности при комнатной температуре, поэтому величина а0тн имеет значения больше 1,0 для образцов, испытанных при температуре минус 30 °С. Силовые зависимости на рисунке 7 позволяют оценить длительную прочность для срока службы строительных стеклопластико-вых изделий 100 лет (1пт = 21,87), все кривые асимптотически сходятся около значения а0тн= 0,6. Это соответствует данным работ [5, 23-24], согласно которым предел длительной прочности стеклопластика составляет 0,60,65 от временной прочности. Испытания при
комнатной температуре образцов СПА-5,5, нагруженных продольным изгибом напряжением 1206 МПа, насчитывают уже 20 лет и продолжаются [22] (за это время разрушился 21 образец из 40).
Предложенный метод испытаний и статистической обработки результатов может быть использован и в других приложениях - например, при исследовании химического старения, циклической усталости, коррозионного разрушения под нагрузкой или длительной электрической прочности материалов в электротехнике под действием частичных разрядов. Условием успешного применения этих методов является широкий диапазон разбросов характеристик образцов внутри выборки - в продемонстрированном примере около величина разброса составила 10-16% по прочности от среднего значения, и в 105 раз - по долговечности.
san 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
4 \ Ol ж2 03 А 4 Дб □ 6 Д7 • 8 ♦ 9
Ж о \ ч
Ж
• 1 1
Е
12
15
18 1п(т)
Рис. 7. График силовой зависимости [22] стержней
СПА-5,5 при продольном изгибе (1-4, 6-9) и растяжении (5) под действием постоянных напряжений и температур (время в секундах): 1 - 1206 МПа, +23 °C; 2 - 1368 МПа, +23 °C; 3 - 1471 МПа,
+20 °C; 4 - 1520 МПа, +20 °C; 5 - 836 МПа, +20 °C; 6 - 1172 МПа, +50 °C; 7 - 1213 МПа, +50 °C; 8 - 1280 МПа,
+50 °C; 9 - 1727 МПа, -30 °C Fig. 7. Graph of the force dependence [22] of SPA-5.5 rods under longitudinal bending (1-4, 6-9) and stretching (5) under the action of constant stresses and temperatures
(time in c):
1 - 1206 MPa, +23 °C; 2 - 1368 MPa, +23 °C; 3 - 1471 MPa,
+20 °C; 4 - 1520 MPa, +20 °C; 5 - 836 MPa, +20 °C; 6 - 1172 MPa, +50 °C; 7 - 1213 MPa, +50 °C; 8 - 1280 MPa, +50 °C; 9 - 1727 MPa, -30 °C
ВЫВОДЫ
1. Показано расхождение теорий относительно прогнозирования долговечности полимерных композиционных материалов, в большей степени результаты прогнозирования зависят от метода математической обработки экспериментальных данных.
0
3
6
9
2. Предложен новый метод испытаний строительных стеклопластиков на долговечность под действием постоянных напряжений при продольном изгибе и статистической обработки результатов длительных испытаний.
3. Метод продемонстрирован на примере длительных испытаний стеклопластиковой арматуры диаметром 5,5 мм при температуре минус 30 °С длительностью 12 суток. Полученный закон распределения образцов по прочности соответствует нормальному, по долговечности - логарифмически-нормальному закону распределения.
4. Силовые зависимости долговечности носят степенной характер. Определена величина относительной длительной прочности 0,6 при долговечности стеклопластика 100 лет в диапазоне температур от минус 30 до плюс 50 °С, что соответствует экспериментальным данным других авторов.
Исследования выполнены при использовании оборудования Бийского регионального центра коллективного пользования СО РАН (ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск).
Работа выполнена в рамках госзадания на тему "Фундаментальные основы создания интегрированной технологии переработки легковозобновляемого непищевого растительного сырья в востребованные экономикой РФ продукты", № госрегистрации 121061500030-3.
ЛИТЕРАТУРА
1. Климатические испытания строительных материалов: монография. М.: Изд-во АСВ. 2017. 558 с.
2. Blaznov A.N., Krasnova A.S., Krasnov A.A., Zhurkovsky M-Е. Geometric and mechanical characterization of ribbed FRP rebars. Polymer Testing. 2017. V. 63. Р. 434-439. URL:
https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2017.09.006.
3. Blaznov A.N., Markin V.B., Krotov A.S., Firsov V.V., Bychin N.V., Sakoshev Z.G. Basalt plastic properties under climatic aging conditions. Smart ^mposite in Сonstruction. 2021. V. 2. N 1. Р. 29-39. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=46168573
4. Энциклопедия полимеров. В 3 т. Т. 1. М.: Советская энциклопедия. 1977. С. 892-893.
5. Скудра А.М., Булавс Ф.Я., Роценс К.А. Ползучесть и статическая усталость армированных пластиков. Рига: Зинатне. 1971. 238 с.
6. Tikhonov V.B., Blaznov A.N., Savin V.F. Method of fiberglass testing for static durability. Inorganic Materials. 2011. V. 47. N 15. P. 1702-1706. DOI 10.1134/S0020168511150167.
7. Бартенев Г.М. Прочность и механизм разрушения полимеров. М.: Химия. 1984. 280 с.
8. Петров В.А., Башкарев А.Я., Веттегрень В.И. Физические основы прогнозирования долговечности
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
конструкционных материалов. СПб.: Политехника. 1993. 475 с.
9. Блазнов А.Н. Влияние внешней среды на прочность стеклопластиковой строительной арматуры. Климатические испытания строительных материалов: монография. М.: Изд-во АСВ. 2017. С. 367-465.
10. Журков С.Н., Нарзуллаев В.А. Временная зависимость прочности твердых тел. Журнал технической физики. 1953. Т. 23. Вып. 10. С. 1677-1689.
11. Журков С.Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел. (Термофлуктуационный механизм разрушения). Вестник АН СССР. 1968. № 3. С. 46-52.
12. Журков С.Н., Куксенко В.С. Микромеханика разрушения полимеров. Механика полимеров. 1974. № 5. С. 792-801.
13. Кауш Г. Разрушение полимеров. М.: Мир. 1981. 440 с.
14. Ратнер С.Б., Ярцев В.П. Работоспособность пластмассы под нагрузкой и пути ее прогноза и повышения. М.: НИИТЭХИМ. 1979. Вып. 3 (153). 65 с.
15. Ратнер С.Б. Физические закономерности прогнозирования работоспособности конструкционных пластических масс. Пластические массы. 1990 . № 6. С. 35-48.
16. Тарнопольский Ю.М., Скудра А.М. Конструкционная прочность и деформативность стеклопластиков. Рига: Зинатне. 1966. 260 с.
17. Блазнов А.Н., Савин В.Ф., Волков Ю.П., Рудольф А.Я., Старцев О.В., Тихонов В.Б. Методы механических испытаний композиционных стержней: монография. Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та. 2011. 314 с.
18. Блазнов А.Н., Савин В.Ф., Атясова Е.В., Бабенко Ф.И., Федоров Ю.Ю. Влияние температуры на прочность базальто- и стеклопластиков. Ползуновский вестник. 2014. № 4. Т. 2. С. 154-158.
19. Луговой А.Н., Савин В.Ф., Петров М.Г., Блазнов А.Н., Старцев О.В. Хладостойкость и морозостойкость стеклопластика, выпускаемого ООО «Бийский завод стеклопластиков». Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады VII Всероссийской научно-практической конференции 22-24 мая 2007 г. Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та. 2007. С. 149-153.
20. Блазнов А.Н., Локтев М.Ю., Луговой А.Н., Поздеев С.П., Рудольф А.Я., Савин В.Ф., Старцев О.В., Тихонов В.Б. Патент № 2451281 РФ. 2012.
21. Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ их результатов. М.: Машиностроение. 1964. 275 с.
22. Startsev O.V., Blaznov A.N., Petrov M.G., Atyasova E.V. A Study of the Durability of Polymer Composites under Static Loads. Polymer Science, Series D. 2019. V. 12. N 4. Р. 440-448. DOI: 10.1134/S1995421219040166
23. Берг О.Я., Нагевич Ю.М. Механические свойства стеклопластиковой арматуры больших сечений. Бетон и железобетон. 1964. № 12. С. 532-535.
24. Фролов Н.П. Технология изготовления стеклопластиковой арматуры и некоторые ее свойства. Бетон и железобетон. 1965. № 9. С. 5-8.
Поступила в редакцию 13.09.2021 Принята к опубликованию 20.09.2021
REFERENCES
1.
2.
3.
Climatic tests of building materials: monograph. Moscow: Izd-vo ASV. 2017. 558 p. (in Russian). Blaznov A.N., Krasnova A.S., Krasnov A.A., Zhurkovsky
M^. Geometric and mechanical characterization of ribbed FRP rebars. Polymer Testing. 2017. V. 63. P. 434-439. URL:
https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2017.09.006 Blaznov A.N., Markin V.B., Krotov A.S., Firsov V.V., Bychin N.V., Sakoshev Z.G. Basalt plastic properties under climatic aging conditions. Smart ^mposite in Сonstruction. 2021. V. 2. N 1. P. 29-39. URL: https: //elibrary.ru/item.asp?id=46168573 Encyclopedia of polymers. In 3 vol. V. 1. M.: Sovetskaya ehntsiklopediya. 1977. P. 892-893 (in Russian). Skudra A.M., Bulavs F.Ya., Rotsens K.A. Creep and static fatigue of reinforced plastics. Riga: Zinatne. 1971. 238 p. (in Russian).
Tikhonov V.B., Blaznov A.N., Savin V.F. Method of fiberglass testing for static durability. Inorganic Materials. 2011. V. 47. N 15. P. 1702-1706.
DOI 10.1134/S0020168511150167.
Bartenev G.M. Strength and mechanism of polymer destruction. M.: Khimiya. 1984. 280 p. (in Rassian). Petrov V.A., Bashkarev A.Ya., Vettegren V.I. Physical bases of forecasting the durability of structural materials. SPb: Politekhnika. 1993. 475 p. (in Russian). Blaznov A.N. Influence of the external environment on the strength of fiberglass construction reinforcement. Climatic tests of building materials: monograph. M.: Izd-vo ASV. 2017. P. 367-465 (in Russian).
10. Zhurkov S.N., Narzullaev V.A. Time dependence of the strength of solids. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki. 1953. V. 23. Iss. 10. P. 1677-1689 (in Russian).
11. Zhurkov S.N. Kinetic concept of the strength of solids (Thermal fluctuation mechanism of destruction). Vestnik AN SSSR. 1968. N. 3. P. 46-52 (in Russian).
12. Zhurkov S.N., Kuksenko V.S. Micromechanics of polymer destruction. Mekhanika polimerov. 1974. N. 5. P. 792-801 (in Russian).
13. Kaush G. Destruction of polymers. M.: Mir. 1981. 440 p. (in Russian).
4.
5.
6.
7.
9.
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
14. Ratner S.B., Yartsev V.P. Plastic performance under load and ways of its prediction and improvement. M.: NIITEHKHIM. 1979. Iss. 3 (153). 65 p. (in Russian).
15. Ratner S.B. Physical regularities of predicting the operability of structural plastic masses. Plasticheskie massy. 1990. N. 6. P. 35-48 (in Russian).
16. Tarnopolsky Yu.M., Skudra A.M. Structural strength and deformability of fiberglass. Riga: Zinatne. 1966. 260 p. (in Russian).
17. Blaznov A.N., Savin V.F., Volkov Yu.P., Rudolf A.Ya., Startsev O.V., Tikhonov V.B. Methods of mechanical testing of composite rods: monograph. Bijsk: Izd-vo Alt. gos. tekhn. un-ta. 2011. 314 p. (in Russian).
18. Blaznov A.N., Savin V.F., Atyasova E.V., Babenko FI., Fedorov Yu.Yu. The influence of temperature on the strength of basalt and fiberglass. Polzunovskii vestnik. 2014. N 4. V. 2. P. 154-158 (in Russian).
19. Lugovoy A.N., Savin V.F., Petrov M.G., Blaznov A.N., Startsev O.V. Cold resistance and frost resistance of fiberglass produced by Biysk Fiberglass Plant LLC. Tekhnika i tekhnologiya proizvodstva teploizolyatsionnykh materialov iz mineral'nogo syr'ya: Doklady VII Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii 22-24 maya 2007g. Bijsk: Izd-vo Alt. gos. tekhn. un-ta. 2007. P. 149-153 (in Rusian).
20. Blaznov A.N., Loktev M.Yu., Lugovoy A.N., Pozdeev S.P., Rudolf A.Ya., Savin V.F., Startsev O.V., Tikhonov V.B. RF Patent N 2451281. 2012 (in Russian).
21. Weibull V. Fatigue tests and analysis of their results. M.: Mashinostroenie. 1964. 275 p. (in Russian).
22. Startsev O.V., Blaznov A.N., Petrov M.G., Atyasova E.V. A Study of the Durability of Polymer Composites under Static Loads. Polymer Science, Series D. 2019. V. 12. N 4. P. 440-448. DOI: 10.1134/S1995421219040166
23. Berg O.Ya., Nagevich Yu.M. Mechanical properties of fiberglass reinforcement of large cross-sections. Beton i zhelezobeton. 1964. N 12. P. 532-535 (in Russian).
24. Frolov N.P. Manufacturing technology of fiberglass reinforcement and some of its properties. Beton i zhelezobeton. 1965. N 9. P. 5-8 (in Russian).
Recent! 13.09.2021 Accepted 20.09.2021
