Прогнозирование циклической долговечности полимерных композиционных материалов
На правах рукописи
БОНДАРЕВ Александр Борисович
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград – 2011
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Корнеев Александр Дмитриевич |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Романов Сергей Иванович ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» |
| кандидат технических наук, доцент Потапов Андрей Владимирович Поволжский филиал Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ), г. Саратов | |
| Ведущая организация: | ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» |
Защита состоится «07» декабря 2011 г. в 15:00 часов в ауд. Б-203 на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».
Автореферат разослан «03» ноября 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Акчурин Т.К.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Создание новых агрессивностойких и эконо-мически эффективных строительных материалов, изделий и конструкций из них обеспечивает высокий уровень индустриализации и снижает трудоемкость возведения зданий и сооружений. Полимерные компо-зиционные материалы (ПКМ) различных составов хорошо противостоят действию агрессивных сред и обладают высокой прочностью. Малая жесткость и большая деформативность ПКМ по сравнению с другими строительными материалами позволяет им оказывать сопротивление воздействию динамических нагрузок. Сравнительно небольшое время про-цесса отверждения ПКМ дает возможность использовать их в качестве материала для изготовления полов, гальванических ванн, опор травильных агрегатов, при проведении ремонта ответственных конструкций, таких как: аэродромные и дорожные покрытия, плиты проезжей части мостов и путепроводов, санитарно-техническое оборудование и т.п.
Более широкое применение полимерных композиционных материалов в значительной мере сдерживается сложностью прогнозирования характе-ристик их напряженно-деформированного состояния при циклических видах нагружения. Изучение долговечности ПКМ напрямую связано с прогнози-рованием долговечности строительных конструкций зданий и сооружений, мостов, путепроводов, элементов конструкций железных дорог (шпал, стрелочных переводов и т.д.), изготовленных с применением ПКМ.
В последние годы актуальными становятся исследования по механике катастроф в связи с возросшей необходимостью анализа обеспечения безопасности технических систем и продления их ресурса. Методология комплексного подхода к решению проблем прочности, ползучести, безопасности и ресурса технических систем, разработка методики прогнозирования долговечности ПКМ в элементах строительных конструкций, воспринимающих статические и динамические нагрузки, является актуальной научной задачей.
Целью работы является разработка метода прогнозирования цикли-ческой долговечности ПКМ на основе полиэфирных, фурановых, фурано-эпоксидных связующих в эксплуатационном диапазоне напряжений.
Для этого необходимо решить следующие задачи:
- провести анализ методов прогнозирования статической и цикли-ческой долговечности ПКМ и оценить их эффективность;
- осуществить физико-химические и физико-механические исследова-ния структур ПКМ на основе полимерных связующих ПН-609-21М, ФАМ, ФАЭИС-30;
- изучить влияние структурообразующего фактора «полимер-напол-нитель» (далее П/Н) на циклическую долговечность и виброползучесть ПКМ;
- провести экспериментальные исследования и изучить изменение статической и циклической долговечности во времени;
- разработать ускоренный метод определения циклической долго-вечности ПКМ по деформациям ползучести и на основе кинетической теории прочности С.Н. Журкова;
- осуществить экспериментальное исследование трещиностойкости ис-следуемых ПКМ;
- разработать технологический регламент по устройству трещино-стойких гидроизоляционных покрытий железобетонных конструкций городских транспортных сооружений с использованием ПКМ;
- уточнить методику оценки остаточного ресурса элементов конструк-ций на основе ПКМ.
Научная новизна работы:
- выполнены комплексные физико-химические и физико-механические исследования ПКМ, в результате которых определена их структура, химический и минералогический состав и микротвердость фаз;
- методами усталостных испытаний установлены пределы вынос-ливости полиэфирных полимербетонов ПН-1, ПН-609-21М и установлены границы изменения циклической долговечности;
- разработан ускоренный метод определения предела выносливости ПКМ, основанный на определении уровня максимального напряжения цикла, при котором начинается процесс необратимых изменений в структуре материала и сопровождающийся изменением коэффициента внутреннего тре-ния;
- получена аналитическая зависимость циклической долговечности ПКМ от структурообразующего фактора – соотношения «полимер-напол-нитель» (П/Н);
- получены математические модели, описывающие процесс вибропол-зучести ПКМ, доказана возможность прогнозирования циклической долго-вечности по кривым деформаций виброползучести;
- доказана приемлемость кинетической теории прочности твердых тел для прогнозирования циклической долговечности ПКМ;
- методом механики разрушения получены полностью равновесные диаграммы деформирования образцов на основе полимербетонов ПН-609-21М, ФАМ, ФАЭИС-30 и определены основные характеристики трещи-ностойкости;
- уточнена методика определения остаточного ресурса работоспо-собности элементов конструкций транспортных сооружений с применением ПКМ;
Практическая значимость и реализация результатов работы заключены в следующем:
- разработанные составы полимерных композиционных материалов использованы ОАО «Мостоотряд №126» г. Липецк при проведении капиталь-ного ремонта Лебедянского путепровода через железнодорожные пути «Елец-Липецк-Грязи» в г. Липецке, а также в учебном процессе Липецкого государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» в виде практических и лабораторных занятий по дисциплинам: «Технология композиционных материалов», «Долговечность строительных материалов»;
- разработан технологический регламент по устройству трещино-стойких (коррозионностойких) гидроизоляционных покрытий железобе-тонных конструкций городских транспортных сооружений на основе модифицированных фурановых смол и методические указания по прогнози-рованию остаточного ресурса надземных объектов металлургической промы-шленности.
Апробация работы. Результаты работы были доложены: на междуна-родной научно-практической конференции «Концептуальные вопросы современного градостроительства», посвященной 10-летию кафедры «Го-родское строительство и хозяйство» ВГАСУ (Воронеж, 2007 г.); на между-народной научно-практической конференции «Малоэтажное строительство в рамках национального проекта «Доступное и комфортное жилье – гражданам России»: Технологии и материалы, проблемы и перспективы развития в Волгоградской области» (Волгоград, 2009 г.); на научной конференции студентов и аспирантов ЛГТУ (Липецк, 2008 г.); на областном научном семинаре «Школа молодых ученых по техническим наукам» (Липецк, 2009 г.); на VI-й международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: Теория и практика» (Пенза, 2007 г.); на научно-практической конференции, посвященной 50-летию ЛГТУ (Липецк, 2006 г.); на V-й международной конференции «Надежность и долговечность строи-тельных материалов, конструкций, оснований и фундаментов» (Волгоград, 2009 г.); на международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве SiB-2008» (Воронеж, 2008 г.).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 12 статьях, в том числе три из них в рецензируемых научных журналах и изданиях.
На защиту выносятся:
1. Результаты физико-химических и физико-механических исследо-ваний структур ПКМ на основе полимерных связующих ПН-609-21М, ФАМ, ФАЭИС-30.
2. Аналитическая зависимость циклической долговечности и вибропол-зучести от соотношения «полимер-наполнитель» (П/Н).
3. Экспериментальные исследования выносливости ПКМ и установ-ление границ изменения долговечности ПКМ во времени.
4. Ускоренный метод определения циклической долговечности ПКМ.
5. Результаты экспериментальных исследований трещиностойкости ис-следуемых ПКМ.
6. Методика прогнозирования циклической долговечности ПКМ на основе кинетической теории С.Н. Журкова.
7. Методика определения остаточного ресурса элементов конструкций на основе ПКМ.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверж-дены:
- использованием современных методов исследований и оборудования; корректностью поставленных задач, принятых решений, достаточным объемом исходных данных и результатов исследований; применением вероятностно-статистических методов обработки результатов испытаний, а также удовлетворительным совпадением некоторых результатов экспери-ментов с данными других авторов.
Структура н объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и основных выводов. Она включает 180 страниц, из них 165 страниц основного текста, 31 таблицу, 62 иллюстрации, 115 наименований библиографического списка и 4 приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследований, сформулированы цели, задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения, которые автор выносит на защиту.
В первой главе освещены современные подходы по оценке долговечности полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе феноменологического метода прогнозирования долговечности, метода ее оценки по законам кинетики старения, на основе полиструктурной теории ПКМ, с использованием кинетической прочности твердых тел, энтропии, метода предельных состояний. Дан анализ методов прогнозирования долговечности по структурным, объемлющим, усталостным диаграммам.
В области исследований циклической долговечности ПКМ широко известны работы А. Н. Бобрышева, Ф. Б. Бойматова, Б. А. Бондарева, А. М. Иванова, В. А. Кабанова, П. В. Комарова, А. Д. Корнеева, П. Г. Левченко, А. Е. Меднова, С. А. Мосалова, С. В. Поветкина, А. С. Прокофьева, А. А. Сморчкова, В. И. Соломатова, В. И. Харчевникова, А. И. Чебаненко, В. Д. Черкасова, П. К. Чуйко, В. П. Ярцева и др.
Однако анализ результатов обзора литературных источников по изучае-мой тематике показывает, что единого подхода к методам оценки и прогно-зирования долговечности (статической и циклической) не найдено, поэтому актуальность данной диссертационной работы несомненна.
Во второй главе приведены составы исследуемых ПКМ, характеристики испытательных машин и устройств, методы испытаний и обработки полученных экспериментальных значений величин, характеризу-ющих циклическую долговечность ПКМ. Так как одной из задач настоящей работы было изучение циклической долговечности, то состав полиэфирного полимербетона ПН-609-21М был принят аналогичным составу, из которого были изготовлены образцы размерами 40х40х160 мм 1990 года в соответствии
с требованиями СН-525-80. Состав смеси: щебень – 52%, песок – 28%, андезитовая мука – 11%, смола – 9%, нафтенат кобальта – 8% (от массы смолы), гинериз – 4% (от массы смолы). Образцы, хранившиеся в нормальных температурно-влажностных условиях в течение 40 лет, были изготовлены из полимербетонной смеси на основе смеси ПН-1 и имели следующий состав: щебень – 52%, песок кварцевый – 28%, молотый кварц – 10%, смола ПН-1 – 9%, гипериз – 4% (от массы смолы), нафтенат кобальта - 8% (от массы смолы), андезит молотый – 10%, смола – 10%, БСК – 2% (от массы смолы). Для устройства защитных покрытий мостового полотна транспортных сооружений исследовались ПКМ на основе смолы ФАЭИС-30. При этом состав был следующий: смола ФАЭИС-30 – 12%, щебень – 50%, песок – 19%, мука андезитовая – 18,5%, ПЭПА – 2,5%. Состав полимер-бетона ФАМ: смола ФАМ – 10%, щебень гранитный – 52%, песок кварцевый – 28%, андезит молотый – 10%, БСК – 2% (от массы смолы).
Однократное нагружение полимербетонных призм кратковременной нагрузкой велось на испытательной машине ГМС-250 со скоростью приложения нагрузки 60,0 МПа в минуту. Нагрузка прикладывалась ступе-нями, поперечные и продольные деформации фиксировались с помощью тензометров Гугенбергера. Для усталостных испытаний использовалась испытательная машина ИР 5113-100 наибольшей предельной нагрузкой 100 кН. Для исследований трещиностойкости ПКМ была использована портатив-ная установка для двухточечного изгиба (расклинивания), изготовленная на кафедре СМиСТ ВолгГАСУ. Испытания на выносливость проводились с частотой приложения нагрузки 670 циклов в минуту и коэффициентами асимметрии цикла =0,1; 0,3; 0,6. Для измерения продольных и поперечных деформаций на призмы с двух противоположных сторон наклеивались тензодатчики сопротивления. Для снятия отчетов использовался цифровой тензометрический мост ЦТМ-5 с печатающим устройством. Испытания образцов в каждой серии производились при разных уровнях нагрузки, составляющей определенную долю от разрушающей, при постоянном для всей серии образцов коэффициенте асимметрии цикла. Все образцы доводились до разрушения с фиксацией по счетчику количества циклов приложения нагрузки. Для установления количественных связей между пределом выносливости и логарифмом числа цикла до разрушения использовался метод прямолинейной корреляции.
В третьей главе приведены результаты физико-химических и физико-механических исследований ПКМ. Лабораторные исследования микро- и макроструктуры ПКМ велись в два этапа. На первом этапе были проведены макроскопические исследования образцов из полимербетона ПН-609-21М, ФАМ, ФАЭИС-30, которые позволили охарактеризовать структуры образцов и выявить наличие крупных пор, трещин и других дефектов. На втором этапе исследования проводились с помощью металлографического микроскопа ЕС МЕТАН-21, дающего увеличение от 50 до 1000, на изготовленных полиро-ванных шлифах образцов полимербетонов с определением структуры. На рис. 1-3 приведены фрагменты структур, исследуемых ПКМ.
Рис. 1. Структура полимербетона ФАЭИС-30 Рис. 2. Структура полимербетона ФАМ
| Структурообразующие факто-ры: соотношение «полимер-наполни-тель», коэффициент раздвижки зерен крупного наполнителя, толщина полимерсвязующего слоя – являются основополагающими и при изучении циклической долговечности ПКМ. Однако рядом исследований установ-лено, что наиболее значимым явля-ется соотношение «полимер-напол- нитель» (П/Н). Для изучения влияния |  Рис. 3. Структура полимербетона ПН-609-21М |
соотношения (П/Н) на циклическую долговечность исследовался полиэфир-ный полимербетон ПН-609-21М по стандартной методике усталостных ис-пытаний при коэффициенте асимметрии цикла 
=0,1 – наиболее жестком режиме эксплуатации. Соотношение П/Н при этом принято 0,6; 0,75; 0,9. На рис. 5 приведены результаты таких испытаний, а также зависимость соотно-шения П/Н от коэффициента выносливости (рис. 4):
(1)
где Rв,рul – предел выносливости ПКМ;
Rв – предел прочности ПКМ при сжатии.
При этом коэффициент выносливости является критерием оценки циклической долговечности ПКМ и его физический смысл заключается в том, что он показывает долю сохранившейся прочности или несущей способности
после воздействия циклической нагрузки для принятой базы испытаний.
Анализ результатов проведенных исследований показывает, что циклическая долговечностъ полиэфирного полимербетона ПН-609-21М изменяется по аналогии с пределом прочности при статическом нагружении, возрастает с увеличением П/Н, достигая своего максимума, а затем снижается. Величина П/Н, при которой предел выносливости достигает своего макси-мума, меняется в пределах от 0,6 до 0,75. Дальнейшее увеличение П/Н приво-дит к интенсивному расслоению полимербетонных смесей и ведет к потере
| прочностных свойств, а следовательно, к уменьшению циклической долговечности. В 1960-1980 годах в Липецком политехническом институте велись обширные экспериментальные работы по изучению физико-механических свойств ПКМ на различных связующих. В работах В.Е. Беляева, К.С. Бирюкова, Б.А. Бондарева, А.Н. Ерофеева, М.И. Кобелева, А.Д. Корнеева, В.Ф. Набокова, В.М. Яковлева получены основные прочностные характеристики полиэфирных, эпоксидных, фурановых, фурано-эпоксидных полимербетонов. Образцы, изготовленные в 1970-1980 годах, хранились в нормальных темпе- |  Рис. 4. Линии выносливости полиэфирного полимербетона ПН-609-21М при  = 0,1: 1 – П/Н=0,75; 2 – П/Н=0,90; 3 – П/Н=0,6 |
ратурно-влажностных условиях и стали предметом наших исследований в XXI веке.
Испытания на циклическое воздействие нагрузок велись для образцов из полиэфирного полимербетона ПН-609-21М, изготовленных в 1970-1990 и
 Рис. 5. График зависимости отношения П/Н от коэффициента выносливости полиэфирного полимербетона ПН-609-21М | 2010 годы, причем состав пос-ледних был аналогичен соста-вам образцов, используемых в 1970-1990 годы. Усталостные испытания были проведены с частотой приложения нагрузки 670 циклов/мин с коэффициен-тами асимметрии циклов  = 0,1; 0,3; 0,6. В табл. 1 приведены результаты экспериментальных исследований циклической дол-говечности полиэфирного по-лимербетона, а на рис. 6 – ли-нии выносливости при вышеу-казанных коэффициентах асим-метрии циклов приложения нагрузки. |
Таблица 1 – Результаты экспериментальных исследований циклической дол-говечности (1970 – 1990 гг.)
| № п/п | 2010 г. | 1990 г. | 1970 г. | |||||||
 |  |  |  |  |  |  |  |  |  | |
| 1 | 84 | 0,1 | 29,6 | 0,35 | 71 | 21,09 | 0,3 | 64 | 10,91 | 0,17 |
| 2 | 0,3 | 32,8 | 0,39 | 24,8 | 0,35 | 14,05 | 0,22 | |||
| 3 | 0,6 | 36,15 | 0,43 | 29,9 | 0,42 | 19,25 | 0,3 | |||
| Анализируя резуль-таты исследований (табл. 1), можно увидеть, что па-дение циклической долго-вечности в среднем сос-тавляет 44,7%. Наиболее жесткий режим эксплуа-тации при =0,1 приводит к снижению долговечно-сти на 53,2%, при =0,3 – 43,1%, при =0,6 – 37,5%. Наибольшее падение дол-говечности наблюдается для образцов, изготов-ленных в 1970-е годы (49,3%). Это объясняется старением ПКМ, то есть изменением его прочно-сти и выносливости во времени, а также деграда-цией материала (умень-шение прочности вслед-ствии абсорбции, диффу-зии среды и связанное с этим уменьшение свобод-ной энергии). На рис. 7, 8 показаны фрагменты об-разцов, разрушенных при циклических нагружениях. |  Рис. 6. Линии выносливости 1-3 – 2010 год; 4-6 – 1990 год; 7- 9 – 1970 год |
При сравнении величин изменения прочности на сжатие ПКМ во времени при статических нагружениях для полимербетонов ФАМ, ПН-609-21М, ЭД-20 (по данным Р.В. Бадулина, А.В. Беляева, Л.М. Залана) ее паде-
ние составляет 17-30%, что гораздо ниже, чем при циклических нагружениях.
 Рис. 7. Образец П-2. N = 82 180 циклов |  Рис. 8. Образец П-5. N=68 520 циклов |
Это объясняется тем, что при циклическом воздействии нагрузок происходит накопление остаточных деформаций и микроразрушений, создающихся в результате приложения нагрузки сверх предела длительной прочности наиболее слабых частиц.
Разрушение происходит при снятии нагрузки, а не при нагружении, ибо снятие нагрузки с частиц, получивших необратимые деформации прямого знака, вызывает напряжения обратного знака. Если же напряжения прев-зойдут предел прочности при растяжении, то частица разрушится и в мате-риале, в целом, появятся микроразрушения. Кроме того, при циклическом нагружении происходит наложение независимых и различных по своему ха-рактеру процессов ползучести от напряжения 
min и усталости от напряжения 
min-
mах, что также ведет к снижению циклической долговечности во времени.
Известно, что при колебаниях часть потенциальной энергии системы необратимо поглощается материалом. Это свойство обычно называют поглощающим свойством материала, и оценивается оно коэффициентом внутреннего трения, или поглощения. В работах Д.Л. Богдановского, А.Е. Меднова доказано, что при циклических нагружениях, не превышающих предел выносливости ПКМ, имеет место амплитудонезависимое внутреннее трение, и что не зависит от коэффициента асимметрии цикла в пределах изменения последнего от 0,1 до 0,6. При циклических нагрузках сначала происходит увеличение коэффициента поглощения, затем изменение практически прекращается вплоть до разрушения образца. При этом процесс стабилизации коэффициента поглощения наблюдается по прошествии числа циклов, составляющих 2-3% от принятой базы испытаний 2 млн. циклов. Исследования показали, что для определения предела выносливости исследуемых ПКМ может быть применен ускоренный метод определения усталостной прочности металлов и сплавов, основанный на фиксированном изменении внутреннего трения в процессе испытаний образца с последова-тельным повышением уровня напряжений. Сущность метода состоит в определении уровня максимальных напряжений цикла, при котором начинается процесс необратимых изменений в структуре материала, сопро-вождаемый изменением коэффициента поглощения. Так, при =0,1 величины пределов выносливости ПКМ, определенные ускоренным методом, состав-ляют: для полимербетона ПН-609-21М – 0,25 Rb; ФАЭИС-30 – 0,35 Rb, 0,25 Rb; ФАМ – 0,27 Rb.
В четвертой главе приведены результаты исследований статической и циклической долговечности ПКМ на основе полиэфирной силы ПН-609-21М и методы их прогнозирования. Изучению циклической долговечности ПКМ предшествовало определение работоспособности ПКМ при статических воздействиях нагрузок. Параметры работоспособности ПКМ при разрушении и деформировании определяются физическими константами, предложен-ными обобщенной формулой С.Н. Журкова, которая физически обоснована и экспериментально подтверждена С.Б. Ратнером и В.П. Ярцевым:
, (2)
где 
– время до разрушения, с; tm – минимальная долговечность при любой нагрузке и без нее, с; 
– энергия активации разрушения, КДж/моль;
– силовой, структурно-механический фактор, КДж·мм2/моль· ·Н.; 
– напряжение, МПа; R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/моль·К; Т – температура, К; 
– предельная температура, выше которой материал не работает, К.
 |  |
а б
Рис. 9. Графики определения термофлуктуационных констант полимербетона ПН-609-21М: а - зависимость логарифма долговечности и обратной температуры: 1- 30 МПа; 2 – 35 МПа; 3 – 40 МПа; б - определение 
и 
Кратковременной нагрузкой испытывались элементы размерами 40х40х160 мм при температуре 20, 40 и 60°С. В каждой серии испытывались образцы, изготовленные в 2010 году, а также образцы, изготовленные в 1970-1990 гг. Все образцы доводились до разрушения с фиксацией времени до наступления этого момента. На рис. 9 приведены результаты расчетов статической долговечности графоаналитическим методом.
Результаты экспериментальных исследований показывают, что максимальная энергия активации процесса разрушения составляет U0=103 КДж/моль. Структурно-механическая константа, характеризующая эффективность механического поля при действии нагрузки, составляет 
, что сопоставимо с данными, полученными для различных ПКМ. Тm - предельная температура существования полимера, при которой все химические связи рвутся за одно тепловое колебание и твердое тело полностью распадается. Величина Тm, полученная графоаналитическим методом, составляет 625 К. Логарифм времени разрушения твердого тела (при Т=Тm) составляет lgTm=4,0.
В табл. 2 приведены значения термофлуктуационных постоянных полиэфирного полимербетона ПН-609-21М при разрушении для образцов, изготовленных в 1970-1990 годах. Расхождение между экспериментальными и теоретическими значениями составили 3-10%.
Таблица 2 – Значения термофлуктуационных констант ПКМ при разрушении
| № п/п | Наимено- вание ПКМ | Год изготовления |  |  |  |  | Работоспособность, с |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 1 | ПН-609-21М | 2010 | 103 | 4,0 | 40 | 1,6 |  |
| 2 | ПН-609-21М | 1990 | 67 | 3,6 | 40 | 1,2 |  |
| 3 | ПН-1 | 1970 | 65 | 3,4 | 30 | 1,1 |  |
Анализ результатов исследований статической долговечности позволяет сделать следующие выводы:
- фактор времени играет весьма важную роль в работоспособности ПКМ. Так, статическая долговечность полиэфирного полимербетона снизилась за 20 лет на 13%, а за 40 лет на 27%;
- энергия активации Uо ПКМ снизилась за 40 лет на 37%, и такое изменение связано со старением материала и деградационными процессами, проходящими в структуре ПКМ;
- уменьшение величины структурно-механического коэффициента r вызвано уменьшением количества связей и ростом трещин. На рис. 10 приведены графики изменений величины энергии активации Uо и работоспо-собности ПКМ на основе полиэфирного полимербетона ПН-609-21М во времени.
 Рис. 10. График изменения U0 и работоспособности ПКМ во времени |  Рис. 11. Зависимость  |
При нагрузках цикла, отличных от нуля, в ПКМ развиваются деформации виброползучести, оказывающие влияние на деформационные характеристики материала. При развитии деформаций виброползучести можно выделить три их стадии (неустановившаяся, установившаяся, ускоренная). Деформации виброползучести могут служить индикатором повреждаемости материала конструкций и используются для определения предела выносливости и оценки циклической долговечности ПКМ. Для поли-мербетона ПН-609-21М получена аналитическая зависимость, связывающая виброползучесть vp c коэффициентом выносливости Кb,inf, количеством цик-лов нагрузки до разрушения N и коэффициентом асимметрии цикла.
С применением метода планирования эксперимента разработана математическая модель, связывающая коэффициент асимметрии цикла, количество циклов до разрушения и коэффициент выносливости:
(3)
На рис. 11 приведена зависимость величины деформации вибропол-зучести от соотношения «полимер-наполнитель» (П/Н), из которого видно, что оптимальное значение П/Н соответствует величине деформации виброползучести. При П/Н=0,6 
. При достижении оптимального значения соотношения «полимер-наполнитель» (П/Н=0,75) значение вели-чины деформации виброползучести снижается на 36,8%, а при П/Н=0,9 
. При достижении оптимума между процессом деформирования и релаксации напряжений устанавливается динамическое равновесие. Дальнейшее деформирование определяется микроразрушениями и связано с концентрацией трещин в объеме ПКМ. На этом этапе релаксационные процессы снижают локальные напряжения до такого уровня, при котором разрыв структурных связей становится маловероятным и деформации виброползучести носят затухающий характер, а величина ее постепенно снижается до p = 12·10-4.
Чтобы характеризовать прочностные свойства того или иного материа-ла с точки зрения кинетической концепции, необходимо прежде всего иметь сведения о зависимости долговечности образцов из этого материала от условий разрушения, в первую очередь от приложенного напряжения 
и температуры Т. Комплекс экспериментальных данных о зависимости Т от и характеризует прочностные свойства материала и позволяет сделать заключение о природе разрушения. Исследования зависимости Т от и и анализ результатов этих исследований составляет феноменологическую основу кинетической теории прочности.
Основное уравнение временной зависимости прочности при циклическом режиме нагружения и T=const:
, (4)
где 
; 
; 
; 
– циклическая долговечность, с; 
– предэкспоненциальный множитель;
– энергия активации элемен-тарного акта процесса разрушения в отсутствии напряжения, Дж/моль; 
– структурно-чувствительный коэффициент, Дж/моль·МПа; R=8,31– универ-сальная газовая постоянная, КДж/моль·К; Т – абсолютная температура, К; Т(t) – функция изменения напряжения
во времени;
– среднее напряжение цикла, МПа; 
– амплитудное напряжение цикла, МПа; 
– круговая частота циклического нагружения, 
.
Используя позицию аддитивности времени нагружения при циклическом действии нагрузок, переходя к критерию накопления повреждений Бейли, получаем выражение для вычисления относительного повреждения ПКМ для количества циклов нагружения до разрушения N:
. (5)
Вышеуказанная зависимость (5) использовалась В.А. Кабановым для оценки циклической долговечности деревянных клееных элементов и его расчеты показали, что циклическая долговечность, посчитанная по формуле (9), оказалась в 12-15 раз больше, чем это следует из экспериментов. Это связано с тем, что критерий Бейли применим для длительного статического режима нагружения и не учитывает особенности циклического нагружения, связанные с физическими релаксационными процессами выравнивания перенапряжений на микродефектах, переориентации структурных элементов гистерезисными потерями механической энергии и разрывах материала в местах повреждений. Указанные особенности рекомендовано учитывать введением в знаменатель уравнения безразмерного коэффициента Кц, являющегося функцией количества циклов N при фиксированных режимах механического загружения. Статистическая обработка полученных нами экспериментальных данных показала, что скорость накопления повреждений по мере увеличения продолжительности нагружения подчиняется нелинейному закону и описывается следующим выражением:
, (6)
где N – количество циклов нагружения.
Подставив число циклов нагружения до разрушения из формулы (6) в формулу (5), получим приемлемое соответствие теоретических и экспериментальных значений циклической долговечности полимербетона ПН-609-21M. Изменение ее величины во времени можно проследить по выражению:
. (7)
Трещиностойкость ПКМ изучалась по методике, разработанной Т.К. Акчуриным и А.В. Ушаковым, с применением механики разрушения для оценки трещиностойкости и долговечности бетона. На рис. 12 приведен общий вид устройства для расклинивания пружинной скобой с элементом
| Рис. 12. Испытание образцов ПКМ на трещиностойкость | Рис. 13. Полностью равновесные диаграммы деформирования при расклинивании (двухточечном изгибе) испытуемых образцов из ПК балочек размером 40х40х160 мм с инициирующими надрезами глубиной 9 мм (ширина надрезов 1 – 1,2 мм) |
продавливания и его описания. Размеры испытуемых образцов – 40х40х160 мм из полимербетонов ФАМ, ПН-609-21М, ФАЭИС-30. Надрезы в образцах выполнялись алмазным диском, ширина надреза 1-1,2 мм, глубина инициирующего надреза – 9 мм. Скорость нагружения 0,5 мм/мин. Запись полных с нисходящей ветвью диаграмм деформирования в координатах F (сила) – 
(ширина раскрытия трещин), приводилась автоматически на ПК. Затем по площади диаграмм определили работу, затраченную на разрушение образца, и эффективную энергию разрушения полимербетона Gs.
Из сравнения полученных значений основных характеристик трещиностойкости ПКМ видно, что наибольшие значения удельной эффективной энергии разрушения Gi, критического коэффициента интенсивности напряжений Kic (вязкости разрушений) и критической длины lc, характеризующей склонность материала к хрупкому разрушению, получены для полимербетона ФАЭИС-30. Значения характеристик уменьшаются для полимербетонов ПН-609-21М и ФАМ, приближаясь к характеристикам вибропрессованного мелкозернистого бетона, модифицированного эпоксидо-содержащими отходами. Это обусловлено более высокой степенью плотности полимербетонов и повышенной адгезией связующих к зернам заполнителя и более высокой прочностью материалов.
В пятой главе на основе комплексного изучения физико-механических свойств ПКМ разработаны рекомендации по применению исследуемых полимербетонов в элементах конструкций мостового полотна мостов и путепроводов. Комплексный подход к решению проблем надежности и работоспособности элементов конструкций транспортных сооружений включает в себя следующие положения:
- анализ производственных факторов, оказывающих влияние на материал конструкций;
- анализ состояния материалов несущих конструкций и сооружений с учетом технологии изготовления и эксплуатационных дефектов;
- определение характера, параметров, расположения и размеров дефектов в материале конструкции;
- разработка мероприятий по восстановлению и защите строительных конструкций;
- прогнозирование циклической долговечности материала конструкции;
- установление нормируемого параметра безопасной эксплуатации строительной конструкции;
- определение остаточного срока службы строительной конструкции в данных эксплуатационных условиях.
На основе обширного материала по обследованию мостов и путепроводов установлены основные производственные факторы, оказывающие влияние на материал элементов конструкций мостового полотна, а также произведен анализ состояния материалов элементов конструкций с учетом технологии изготовления и эксплуатационных дефектов. Характер, параметры, расположение и размеры дефектов определялись в результате технического обследования мостов и путепроводов. Оценка фактического состояния материалов эксплуатируемых элементов конструкций производилась традиционным методом, а транспортно-эксплуатационное состояние мостового полотна оценивалось по ОДН 218.017-2003. Для восстановления и защиты элементов конструкций транспортных сооружений рекомендуется применять ПКМ на основе смолы ФАЭИС-30, для которых циклическая долговечность, прочность, трещиностойкость соответствуют нормативным требованиям к материалам, применяемым для гидроизоляции проезжей части мостов и путепроводов.
Практической реализацией настоящих исследований явилась замена существующих конструкций мостового полотна автодорожных мостов и путепроводов. Как правило, такие конструкции состоят из выравнивающего слоя бетона толщиной 30 мм, слоя гидроизоляции толщиной 15 мм, защит-ного слоя гидроизоляции толщиной 60 мм. Предполагается устройство анти-коррозийного и износостойкого покрытия из полимерного композиционного материала на основе модифицированной смолы ФАЭИС-30 толщиной 40 мм.
Для элементов конструкций фундаментов для станков, работающих в условиях циклического загружения рекомендуется использовать полиэфир-ный полимербетон ПН-609-21М (ТУ 05758799-092-2002), а в конструкциях шпал лесовозных и железных дорог общего пользования предлагается использовать древесностекловолокнистый композиционный материал на основе смолы ФАМ (ТУ 2453-001-0846823401).
Прогнозирование циклической долговечности элементов конструкций из ПКМ велись по методам, разработанным в данной работе (по кривым виброползучести, на основе теории кинетической прочности твердых тел). Для исследуемых ПКМ были получены значения нормативных и расчетных сопротивлений усталости, и на последнем этапе определялся остаточный срок службы элементов конструкций транспортных сооружений. Под остаточным ресурсом понимается суммарная наработка объекта от момента контроля его технического состояния до перехода в предельное состояние. Расчет величины остаточного ресурса напрямую связан с определением различных показателей надежности: относительной поврежденности или относительной надежности объекта, величина которых варьируется в зависимости от технического состояния объекта.
Далее определялся остаточный ресурс транспортного сооружения после выполнения работ по устройству гидроизоляции с применением ПКМ. Величина остаточного ресурса при этом возросла на 10%.
Технико-экономическое обоснование применения ПКМ в элементах конструкций транспортных сооружений, выполненное в диссертационной работе, позволило использовать в качестве основного варианта конструкций мостового полотна следующую: асфальтобетонное покрытие – 80 мм; гидроизоляция с применением ПКМ – 40 мм. Экономический эффект от применения ПКМ в элементах конструкций мостового полотна составляет 42,6 руб. на 1 м2 поверхности.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
- Изучена структура полимерных композиционных материалов на основе фурановых, полиэфирных, фурано-эпоксидных связующих. Физико-механическим методом определена микротвердость фаз и установлены их границы.
- Экспериментальными исследованиями установлено, что наиболее существенным структурообразующим фактором для ПКМ, работающих в условиях циклического нагружения, является соотношение «полимер-наполнителя» (П/Н). При этом циклическая долговечность и величина деформаций виброползучести изменяются по такому же закону, что и при статическом нагружении, достигая своего оптимума при П/Н=0,75.
- Методами усталостных испытаний получены значения величин циклической долговечности полиэфирных полимербетонов ПН-1, ПН-609-21М для образцов, изготовленных в разные периоды времени (1970-2010 гг.). Отмечается снижение ее величин на 44,7% за исследуемый временной период. При этом наибольшее снижение циклической долговечности наблю-дается для образцов, изготовленных 40 лет назад (49,5%), вызванное старе-нием и деградацией структуры ПКМ.
- Циклическая долговечность существенно зависит от коэффициента асимметрии цикла приложения нагрузок. Так, за период 1970-2010 гг. при =0,1 ее величина снизилась на 53,2%, при =0,3 – 43,1%, при =0,6 – 37,5%.
- Осуществлено прогнозирование циклической долговечности ПКМ ускоренным методом, основанным на изучении коэффициента внутреннего трения материала и позволяющим определить предел выносливости ПКМ на любой базе испытаний, существенно сокращая сроки проведения испытаний.
- С позиции кинетической концепции прочности твердых тел С.Н. Журкова исследованы закономерности разрушения ПКМ в заданных диапазонах напряжений и температур. Определены термофлуктуационные константы исследуемых ПКМ при статических нагружениях. Используя критерий Бейли, разработана методика оценки циклической долговечности ПКМ.
- Разработана методика по определению циклической долговечности по кривым деформаций виброползучести, получаемых в ходе усталостных испытаний. При этом нагрузка, соответствующая пределу выносливости ПКМ, определялась по образцу с наибольшим загружением, прекратившем деформирования.
- Методами механики разрушения получены равновесные диаграммы деформирования исследуемых ПКМ и определены основные характеристики трещиностойкости.
- Получены статистически достоверные значения нормативных и расчетных сопротивлений усталости исследуемых ПКМ.
- Уточнена методика по определению остаточного ресурса работо-способности элементов конструкций мостов и путепроводов с применением исследуемых ПКМ.
- Разработан технологический регламент по устройству трещино-стойких гидроизоляционных покрытий на основе фурано-эпоксидных компо-зиций для элементов проезжей части транспортных сооружений.
- Осуществлена практическая реализация результатов исследований при проведении работ по капитальному ремонту проезжей части Лебедянского путепровода через железнодорожные пути «Елец-Липецк-Грязи» в г. Липецке. Экономический эффект при этом составил 42,6 руб. на 1 м2 ремонтируемой поверхности мостового полотна.
Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:
- Комплексный подход к изучению формирования композита строительного назначения / А. Б. Бондарев [и др.] // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. 2009. № 13 (32). С.96–99.
- Комаров П. В., Лифинцев О. И., Бондарев А. Б. Сопротивляемость полимербетонных и стекло-пластполимербетонных элементов конструкций длительным и циклическим нагрузкам // Науч. вестн. ВГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. 2009. № 1 (13). С. 92–97.
- Прогнозирование циклической долговечности полимербетонов в элементах конструкций транспортных сооружений / А. Б. Бондарев [и др.] // Вестн. ВолгГACУ. Сер.: Стр-во и архитектура. 2011. № 21 (40). С. 72–76.
Публикации в других изданиях:
4. Бондарев А. Б., Щеглова Е. Ю. Оценка эксплуатационной надежности элементов строительных конструкций, зданий и сооружений из ПКM при циклическом воздействии нагрузок // Школа молодых ученых по техническим наукам : материалы областного профильного семинара. Липецк, 2009. С. 12-16.
5. Комаров П. В., Бондарев Б. А., Бондарев А. Б. Прогнозирование долговечности композиционных материалов, подверженных деградации и действию циклических нагрузок // Эффективные конструкции, материалы технологии в строительстве и архитектуре : сб. ст. науч.-практ. конф., посвящ. 50-летию ЛГТУ. Липецк, 2006. С. 20-24.
6. Бондарев А. Б. Прогнозирование долговечности материалов строительных конструкций на основе безопасной эксплуатации промышленных зданий // Сборник тезисов докладов научной конференции студентов и аспирантов Липецкого государственного технического университета. Липецк, 2008. С. 71-73.
7. Бондарев А. Б. Прогнозирование циклической долговечности полимерных композиционных материалов по кривым виброползучести // Сборник тезисов докладов научной конференции студентов и аспирантов Липецкого государственного технического университета. Липецк, 2008. С. 73-75.
8. Корнеев А. Д., Бондарев А. Б., Комаров П. В. Полиэфирный полимербетон и его циклическая долговечность // Вестн. стр-ва и архитектуры ОрГАУ : сб. науч. ст. Орел, 2010. С. 281-286.
9. Прогнозирование долговечности полимербетона в конструкциях электролизных ванн как основа безопасной эксплуатации / А. Б. Бондарев [и др.] // Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения : мат. Междунар. акад. чтений. Курск, 2009. С. 40-45.
10. Деформативность и выносливость полимерных композиционных материалов / А. Б. Бондарев [и др.] // Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения : мат. Междунар. акад. чтений. Курск, 2010. С. 213-217.
- Борков П. В., Бондарев А. Б., Бабкин И. В. Оценка остаточного ресурса строительных конструкций из полимерных композиционных материалов с учетом усталостных воздействий // Малоэтажное строительство в рамках национального проекта "Доступное и комфортное жилье гражданам России": технологии и материалы, проблемы и перспективы развития в Волгоградской области : материалы Междунар. науч.-практ. конф., 15-16 дек. 2009 г., Волгоград. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2009. С. 137-139.
- Анализ сопротивляемости композиционных материалов циклическим нагрузкам с помощью объемлющих диаграмм / А. Б. Бондарев [и др.] // Новые материалы и технологии в машиностроении : сб. тр. БГЛТА. Брянск, 2009. № 9. С. 41-45.
В работах [1-12] автором выполнены: постановка задачи, экспериментальные исследования, анализ результатов исследований и разработка рекомендаций по их применению.
Бондарев Александр Борисович
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Подписано в печать 28.10.2011. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная.
Ризография. Объем 1,1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № ____
Полиграфическое подразделение Издательства
Липецкого государственного технического университета.
398600 Липецк, ул. Московская, 30.
