Полная версия

Главная arrow Прочие arrow Моделирование систем и процессов, 2015, вып. №2 -

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Влияние температуры, усадки и воды на структуру древесного композиционного материала

Т.Н. Стородубцева1

'ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script

Аннотация — Влияние таких факторов как температура, усадка и вода на древесный заполнитель, и, в целом, на древесный композиционный материал, являются весьма серьезными причинами, негативно воздействующими на монолитность структуры рассматриваемого объекта. В данной статье представлены результаты научных исследований но проекту, победившему в Конкурсе премий Молодежного правительства Воронежской области при поддержке молодежных программ и проектов.

Ключевые слова — Композиционный материал, древесина, температура, вода.

Приведенные результаты теоретических и экспериментальных исследований по выявлению влияния физических факторов на монолитность структуры древесного композиционного материала, рассмотренные меры по его защите от действия воды и др. гарантируют трещиностойкость материала в течение заданного срока эксплуатации, в том числе шпал на лесовозных железных дорогах.

Создание новых транспортных конструкций, отвечающих современным требованиям, невозможны без совершенствования или создания новых материалов. Наиболее перспективным материалов на сегодняшний день являются композиционные материалы (КМ) на основе промышленных отходов. Рециклинг отходов способствует защите окружающей среды от загрязнения, решает проблему утилизации опасных отходов и обеспечивает промышленность дешевым сырьем. В России использование КМ в сфере транспортного строительства принимает промышленные масштабы. Расширение области применения и создание новых КМ обуславливает предъявление соответствующих требований по физико-механическим характеристикам, в частности по прочностным параметрам. Что приводит к необходимости разработки новых методов и средств математического моделирования свойств композитов [1].

Железнодорожный транспорт, в том числе и лесовозный, при крайне медленном строительстве на территории России автомобильных дорог, в ближайшие десятилетия останется основным средством грузоперевозок.

Одним из главных, но и наиболее уязвимых, с позиции эксплуатационной долговечности, элементов верхнего строения железнодорожного полотна является шпала [2]. Как показывает статистика, в мировой практике строительства железных дорог самым распространенным материалом для шпал является древесина. Шпалы на ее основе составляют до 80 % от их общего числа и имеют нормативный срок службы при пропитке антисептиками 14...25 лет, который снижается в связи с интенсификацией грузопотоков и увеличением нагрузок и скоростей, до 8... 10 лет. В то же время известно, что для замены шпал и на развитие сети железных дорог необходимо вырубать ежегодно до 12 млн. м3 лесов, являющихся легкими планеты, причем ей подлежат деревья в возрасте 80... 100 лет [3].

Интенсивная замена деревянных шпал на железобетонные ведет к большим, но, как правило, не учитываемым в условиях так называемых «рыночных отношений» экономическим потерям, которые складываются из физико-технических и механических недостатков железобетона - большой массы, электропроводности, хрупкости, ограниченной коррозионной стойкости и, главное, жесткости, приводящей к износу рельсов и бандажей колесных пар подвижного состава. И все же, при отсутствии учета этих потерь службами пути железных дорог, складывается ситуация, когда начальная стоимость железобетонной шпалы оказывается ниже, чем стоимость шпалы из новых композиционных материалов, например, древесного стекловолокнистого композиционного материала (КМ) и лишенного выше названных недостатков. Древесный стекловолокнистый КМ более чем на 70 % состоит из компонентов, которые могут быть получены на основе отходов лесного комплекса и деревообрабатывающих производств или являются таковыми - это фурфуролацетоновая смола ФАМ

(связующее полимерной матрицы), а также древесная щепа срезы хлыстов и т.п. (армирующие заполнители) [4].

Полученные составы и механические характерие- стики древесного композита, армированного, например, щепой с длиной элементов 150...200 мм или каркасом из необработанных досок, получаемых из отходов шпалопиления были изучены процессы совместимости полимерной мастики на основе ФАМ и древесного заполнителя, ползучесть и выносливость этого материала. Однако длительные эксплуатационные испытания шпал показали, что одной из возможных причин появления трещин на их поверхностях может являться влага, диффузионно проникающая через слой полимерной матрицы к предварительно высушенному древесному армирующему заполнителю, склонному к разбуханию, а также температура, усадочные процессы и их сочетания.

В связи с изложенным, представлялось важным изучить влияние различных физических факторов на полимерную матрицу из стекловолокнистого композиционного материала КМ, древесный заполнитель и, в целом, на древесный стекловолокнистый КМ с учетом анизотропии их свойств[5].

Обзор научных публикаций, посвященных влиянию физических факторов - температуры, усадки и воды на прочностные и упругие характеристики главных компонентов древесного стекловолокнистого КМ - полимерного раствора ФАМ и древесины, позволил установить наиболее важные результаты проведенных исследований и частично использовать их. Было обращено внимание на то, что такие данные в отношении древесного стекловолокнистого КМ практически отсутствуют.

Попытки воспользоваться численными значениями модулей упругости и коэффициентов Пуассона древесины сосны с целью введения их в уравнения обобщенного закона Р. Гука для ортотропного материала, приводимыми в различных источниках, привело к установлению факта того, что три известных равенства, связывающие между собой эти постоянные, не соблюдаются.

В связи с этим, были проведены специальные исследования по определению упругих характеристик древесины сосны вырубки Левобережного лесничества г. Воронежа при растяжении и сжатии с учетом анизотропии ее свойств. Получены статистически обоснованные значения модулей упругости и коэффициентов Пуассона, что дало возможность считать эту конкретную древесину ортотропным телом и использовать полученные постоянные при определении толщины полимерной оболочки из СВКМ, призванной защищать ее от проникновения воды.

Изучены зависимости пределов прочности и модулей упругости при растяжении и сжатии древесины и стекловолокнистого КМ от температуры в диапазоне 0...100 °С. В результате аппроксимирования экспериментальных данных установлено, что эти зависимости линейны. Температура 100 °С является критической, т.к. при ней в древесине начинает происходить распад пентозанов, наличие которых характеризует ее механические свойства, а в стекловолокнистого КМ - термическая деструкция полимера ФАМ. Получены значения температурных коэффициентов по прочности и жесткости, которые использовали в дальнейших расчетах [6].

Предложена формула для подсчета температурных напряжений на поверхности изделия из древесного стекловолокнистого КМ, уточняющая выведенную В.В. Патуроевым [7]. В ней использованы новые результаты, полученные при исследовании влияния температуры на величины модуля упругости стекловолокнистого КМ и коэффициентов температурного расширения. Показано, что эпюры нормальных напряжений в сечениях куба из древесного стекловолокнистого КМ, перпендикулярных нормалям «а», «Ь>, «г» ограничиваются параболой. Это позволяет подсчитать при известном, например, напряжении на поверхности изделия, максимальные напряжения в его центре и наоборот.

Обращено внимание на то, что в известных исследованиях процесса усадки полимерных материалов их авторы учитывали только факты роста прочности, модуля упругости и самой усадки при отверждении. При этом совершенно не принималось во внимание, что этот процесс сопровождается повышением температуры, а это связано с понижением прочностных и упругих характеристик, что и учитывалось нами наряду с анизотропией свойств древесины при исследованиях усадки древесного стекловолокнистого КМ [8].

Для выявления напряженного и деформированного состояния, возникающего в древесном стекловолокнистом КМ под влиянием физических факторов, связанных с процессами отверждения олигомера ФАМ и увлажнения в период эксплуатации шпал, предложено принять за объект исследования куб из этого материала, представляющий собой кубик из древесины сосны, грани которого совпадают с плоскостями ее упругой симметрии и который заключен в полимерную оболочку из стекловолокнистого КМ, а отношения площадей поперечных сечений матрицы и древесного заполнителя в кубе из древесного стекловолокнистого КМ и реальной шпале одинаковы.

Установлено, что процесс отверждения полимерного раствора ФАМ протекает по экспоненциальному закону, т.е. неравномерно во времени Т. Вначале он достаточно интенсивен в связи с саморазогревом его при экзотермической реакции полимеризации. Затем раствор густеет и с этого момента свободным деформациям его усадки начинают препятствовать элементы древесного заполнителя, в конкретном случае - грани деревянного кубика. При этом у его ребер возможна концентрация напряжений.

Предложено применить в качестве первого варианта модели напряженного и деформированного состояния в кубе из древесного стекловолокнистого КМ условие равновесия внутренних усилий, возникающих в нем при усадке, а именно активных усадочных в оболочке из стекловолокнистого КМ и реактивных - по граням кубика из древесины, перпендикулярных этому усилию. Такой подход позволил вывести в упругой постановке задачи формулы усадочных деформаций и напряжений по направлениям нормалей «а», «г» и «t» при температуре 20 и 60 °С и построить эпюры усадочных и суммарных с температурными, напряжений, а затем вычислить соответствующие относительные упругие деформации [9].

Рассмотрен второй дополнительный вариант напряженного и деформированного состояния куба из древесного стекловолокнистого КМ, где предлагается ввести усилия сдвига, которые при отверждении мономера ФАМ начинают возникать по его вертикальным (по направлению нормали «а») граням в зоне раздела стекловолокнистого КМ - древесина в результате постепенного образования адгезионных связей различной природы и являются реактивными по отношению к усадочным усилиям по тем же граням. На наш взгляд такой подход более точно будет характеризовать физический смысл процессов, происходящих в кубе из древесного стекловолокнистого КМ при его постепенном охлаждении и завершении реакций полимеризации олигомера ФАМ. На основании этой модели также построены соответствующие эпюры [8].

Их рассмотрение позволило сделать вывод о том, что наличие остаточных температурных напряжений на поверхности изделия делают в определенный момент напряженное состояние в кубе из древесного стекловолокнистого КМ и, конечно, любого изделия из этого материала более опасным, чем при его полном остывании. Аналогичное состояние может возникнуть, например, в железнодорожной шпале, в летнее время и, в особенности, через рельсы на стрелочных переводах и в кривых, когда они разогреваются до температуры более 100 °С при движении по ним поездов.

Напряженное и деформируемое состояние у произвольной точки в объеме деревянного кубика, например, у его центра, является объемным, но сам кубик не является главным как и его грани не являются главными площадками, т.к. на них действуют и нормальные и касательные напряжения, поэтому с использованием специальной программы для ЭВМ были получены величины главных напряжений и главных деформаций для двух вариантов - с положительными и отрицательными нормальными напряжениями по направлению нормалей «а», «г» и «t».

Для выявления величин напряжений в опасных точках сечений, совпадающих с гранями деревянного кубика по направлению нормалей «а», «г», «Ь> и возникающих в результате набухания полимерной оболочки и давления набухания на нее древесного заполнителя при всестороннем увлажнении куба из древесного стекловолокнистого КМ, были построены эпюры соответствующих напряжений, а также эпюры суммарных напряжений от действия всех рассмотренных физических факторов.

В результате введения необходимых данных в ЭВМ и использования специальной программы произведен анализ двух вариантов напряженного и деформированного состояния в кубике из древесины. Найдены величины главных напряжений, определены через направляющие косинусы положения главных площадок, а затем величины главных относительных деформаций.

Подсчитана необходимая толщина полимерной оболочки, равная 20...30 мм. Она должна обеспечить прочность древесного стекловолокнистого КМ при расчете по первому предельному состоянию [1].

Наибольшую опасность представляет величина главной относительной деформации (расчет по второму предельному состоянию) по направлению между осями «г» и «t», равная 0,01 или 1 %. Она выше, чем максимальная относительная деформация при начале трещинообразования, равная 0,0066 или 0,66 %. Так как аналогичная деформация без учета действия воды составляла 0,48 %, то это означает, что, как и следовало ожидать, ее действие повысило деформа- тивность стекловолокнистого КМ вдвое. Однако это не означает, что трещины в полимерной оболочке после увеличения ее толщины должны появиться, т.к. снижение величины модуля упругости стекловолокнистого КМ при растяжении под действием воды должно уменьшить и фактические напряжения в ней. Однако такое утверждение потребовало экспериментальной проверки.

Главные выводы по результатам исследований, изложенных выше, таковы:

  • 1) необходимо несколько изменить состав СВКМ, повысив его предельную растяжимость и гидрофоб- ность.
  • 2) необходимо производить специальную защиту поверхности полимерной оболочки от проникновения воды к древесному заполнителю, а также защиту от нее самой древесины, предохраняя ее тем самым и от набухания и гниения.

В связи с изложенным, было сделано обоснование выбора компонентов водостойкого состава матрицы древесного стекловолокнистого КМ и разработана

технология отливки из него железнодорожных шпал, например, в существующих цехах шпалопиления.

Так были рассмотрены достоинства и недостатки возможных компонентов полимерной матрицы стекловолокнистого КМ и древесного стекловолокнистого КМ с позиций включения их в ее состав с целью повышения водостойкости, предельной растяжимости, прочности и экологической безопасности, а именно:

  • - подчеркнуто, что основным сырьем для получения смолы ФАМ является фурфурол, синтезируемый при переработке отходов лесопромышленного комплекса;
  • - подтверждено, что при отверждении монодифур- фурилиденацетона - одного из главных составляющих олигомера ФАМ выделяется вода, ингибирующая процесс его полимеризации в целом. Для ее удаления рекомендовано сушить древесину армирующих заполнителей до влажности 8 %. При этом из раствора в древесину не только впитывается излишек воды, но и происходит ее пропитка ФАМ [9];
  • - рекомендовано не поднимать температуру прогрева изделий в сушильной камере выше 60...65 °С, т.к. это может привести к расплаву БСК и вызвать внутреннюю коррозию;
  • - присутствие свободной БСК в отвержденной матрице уменьшает ее прочность, т.к. ее кристаллы являются концентраторами внутренних напряжений, поэтому следует стремиться к уменьшению ее количества в составе за счет введения в него каталитически активного наполнителя - пиритовой муки, одновременно повышающий водостойкость древесного стекловолокнистого КМ;
  • - получен патент РФ № 2098375, данные которого по составу полимерной матрицы практически полностью использованы в предложенном теоретическом составе древесного стекловолокнистого КМ, содержащем армирующий каркас из древесины, определены его основные физико-механические характеристики [2];
  • - разработана технологическая линия по отливке шпал, а также соответствующий регламент, в которых учтена возможность налаживания их производства в существующих шпалопильных цехах. При этом целесообразно использовать не только имеющиеся в них станки и оборудование, но и древесные отходы, которые шли ранее на изготовление тарной дощечки.

Следующим этапом нашей работы было исследование влияния воды на древесный стекловолокнистый КМ без и с учетом одновременного действия постоянной изгибающей нагрузки.

В частности, выявлена часть полных относительных деформаций, характеризующих влияние давления стесненного набухания кубика из древесины на полимерную оболочку. Это позволило определить его абсолютные деформации, а затем - относительные ребер куба из древесного композита, которые при толщине оболочки в 12,5 мм оказались выше предельной растяжимости древесного стекловолокнистого КМ.

Сделан вывод о том, что простое увеличение ее толщины не решает полностью проблему защиты древесины от набухания, поэтому необходимо одновременно производить обработку поверхности шпалы, например, гидрофобизирующими растворами.

Поставлен оригинальный эксперимент по определению абсолютных деформаций ребер куба из древесного стекловолокнистого КМ, погруженного в воду. Установлено, что в оболочке куба из стекловолокнистого КМ толщиной 12,5 мм, не обработанной гидрофобизирующим раствором, через два месяца экспозиции в воде возникают трещины под углом, практически совпадающим с углом наклона главной площадки с наибольшим главным растягивающим напряжением, что полностью подтвердило правильность теоретических расчетов.

Обработка поверхности куба растворами НМПЭ и ДСТ плюс канифоль в керосине уменьшает относительные деформации в два-три раза. При одновременном увеличении толщины оболочки до 27,5 мм можно гарантировать трещиностойкость древесного стекловолокнистого КМ в течение 6 месяцев, т.е. в наиболее опасный осенне-зимне-весенний период и далее.

Поставлен эксперимент по выявлению стойкости образцов-балок из древесного стекловолокнистого КМ базового состава, погруженных в воду, которые затем испытывали на чистый изгиб. Получены аппроксимирующие функции, с высокой точностью представляющие данные эксперимента и позволяющие определить величину коэффициента стойкости, равную, на конец заданного срока эксплуатации шпал - 40 лет, 0,47...0,48, а на 260 сут. - 0,50...0,51. Для древесного стекловолокнистого КМ с армирующим каркасом - 0,76 и 0,76, соответственно.

Выполнены экспериментальные исследования процесса ползучести при чистом изгибе образцов-балок из древесного стекловолокнистого КМ базового состава, погруженных в воду. По данным эксперимента получены высокоточные аппроксимирующие функции, позволившие вычислить коэффициенты длительности, равные, на конец заданного срока эксплуатации 0,41 и на 260 сут. - 0,45 и длительные деформационные коэффициенты, равные 0,37 и 0,46, соответственно. Абсолютное значение предела длительного сопротивления может быть принято равным 9 МПа, а длительного секущего модуля деформаций - 0,36*104 МПа и 0,45 *104 МПа на те же сроки экспозиции в воде. Разница между Кчситв и /Q"8 на 260 суток (0,50...0,51 против 0,41) и пределами прочности на тот же момент времени (11 МПа против 9 МПа) может быть объяснена различными скоростями приложения нагрузки: при машинных испытаниях при определении коэффициента стойкости в воде - 10 мм/мин и при деформациях ползучести - развивающимися со скоростью 0,5 мм/мин [2]

Необходимо учитывать также, что значения коэффициентов величины относительные, т.к. при их равенствах абсолютные значения пределов прочности и пределов длительного сопротивления могут быть и более высокими,, например, при применении армирующего каркаса, использовании гидрофобизирую- щих растворов, восстановлении прочностных и упругих характеристик материала при высоких летних температурах и т.д. [9] В этом смысле интересен следующий факт: образцы древесного стекловолокнистого КМ, аналогичные тем, что испытывались на определение абсолютных деформаций от давления набухания древесины, были помещены на осенне- зимне-весенний период на крышу лаборатории (один год). Хотя поверхность их и не была обработана ни трещин, ни существенного увеличения массы не было установлено (всего 1,0... 1,5 г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, изложенные в настоящей статье, вносят существенный вклад в решение проблемы замены на древесный стекловолокнистыйо КМ традиционных материалов - древесины и железобетона в железнодорожных шпалах различного назначения. Его внедрение должно помочь сохранить лес, использовать огромное количество отходов лесного комплекса и деревообрабатывающих производств, улучшить экологическую обстановку и создать новые рабочие места.

Таким образом, в соответствии с повышением требований к состоянию и содержанию пути, в целях повышения качества железнодорожных перевозок (увеличение скорости движения поездов и мощности верхнего строения пути) ОАО «РЖД» планирует в предстоящие 5 лет на треть сократить протяженность пути на деревянных шпалах. Данные процессы должны особенно сильно затронуть европейскую часть России - тут протяженность пути на деревянных шпалах сократится практически вдвое (на 46,3 %).

Стратегия развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030 года предусматривает строительство новых железнодорожных путей общего и не общего пользования. Всего за счет федерального и региональных бюджетных средств, средств ОАО «РЖД», а также частных собственников до 2030г. планируется осуществить строительство 18 694 км (увеличение на 10,08 %), включая увеличение протяженности новых путей на 4387 км (2015 г. - увеличение на 5,1 %). Несмотря на то, что, по оценкам экспертов ОАО «РЖД», строительство новых железнодорожных путей будет осуществляться в основном с применением железобетонных шпал и брусьев, говорить о том, что данное строительство не влечет за собой значительный спрос на другие виды шпал, таких как композитные, полимерные, стальные, деревянные обрезиненные деревянные шпалы и др., было бы ошибочным. Поэтому созданные древесные стекловолокнистые композиционные шпалы являются весьма перспективными и конкурентноспособными.

Литература

[1] Стородубцева, Т. Н. Теоретические и экспериментальные исследования композиционных материалов. Рекомендации по применению [Текст] / Т. Н. Стородубцева, А. И. Томилин, А. А. Аксомитный // Моделирование систем и процессов. - 2013. - №. 3. - С. 42-47.

[2] Стородубцева, Т. Н. Строительные древесностекловолокнистые композиционные материалы для изделий специального назначения [Текст] : автореф. ... д-ра техн. наук : 05.23.05 / Т. Н. Стородубцева. - Воронеж, 2005.-42 с.

[3] Стородубцева, Т. Н. Композиционный материал на основе древесины для железнодорожных шпал. Тре- щиностойкость под действием физических факторов [Текст]: моногр. / Т. Н. Стородубцева. - Воронеж : ВГУ, 2002.-216 с.

[4] Харчевников, В. И. Водостойкий композиционный материал на основе отходов лесного комплекса для железнодорожных шпал [Текст] / В. И. Харчевников, Т. Н. Стородубцева.// Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2002. - № 12. - С. 74-78.

[5] Стородубцева, Т. Н. Обоснование возможности использования полимербетона ФАМ на андезите с различными видами армирования в качестве конструкционного материала железнодорожных шпал [Текст] / Т. Н. Стородубцева, О. П. Плужникова. - Деп. ВНИИНТПИ, М., 1992, вып. 1. - 18 с.

[6] Стородубцева, Т. Н. Синтез и изучение свойств аце- тонфурфуроловых мономеров [Текст] / Т. Н. Стородубцева. - Воронеж, 1998.- 8 с. - Деп. в ВИНИТИ 11.11.98, №3260-В98.

[7] Патуроев, В. В. Полимербетоны. НИИ бетона и железобетона [Текст] / В. В. Патуроева. - М. : Стройиздат, 1987.-286 с.

[8] Стородубцева, Т. Н. Исследование влияния свойств древесного заполнителя на трещиностойкость композиционного материала [Текст] / Т. Н. Стородубцева, А. А. Аксомитный // Лесотехнический журнал. - 2014. -Т. 4, №3(15).-С. 213-220.

[9] Стородубцева, Т. Н. Формирование механических характеристик и макроструктуры композита в зависимости от синергетических эффектов взаимодействия его компонентов [Текст] / Т. Н. Стородубцева // Лесотехнический журнал. - 2013. -№ 4(12). - С. 134-138.

УДК 630*812:666.974

DOI: 10.12737/13444

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>