ВЫНОСЛИВОСТЬ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИЙ ГОРОДСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Бондарев Б.А., Сошнин П.В., Бузин В.В., Бондарев А.Б.

(ЛГТУ, г. Липецк, РФ)

In clause the results of experimental-theoretical researches of various composite materials for application them in elements of transport designs are given. The optimum parameters of factors used at accounts of stability polymer cement concrete designs at long temporary load are found.

Для повышения долговечности элементов конструкций городских транспортных сооружений (дорог, мостов, путепроводов) предлагается использовать современные композиционные материалы на основе полиэфирных, фурфурол-ацетоновых (ФАМ), эпоксидных полимербетонов, работающих в условиях длительных статических и динамических нагрузок, поэтому изучение поведения полимербетонов и конструкций на их основе является актуальной научно-производственной задачей.

Под усталостью элементов конструкций понимают процесс постепенного образование локальных повреждений в материале под действием изменяющейся перегрузки, в результате которого происходит разрушение.

Экспериментальные исследования полимербетонных матриц ФАМ на андезите, армированные стекловолокном велись на длительное воздействие нагрузок при постоянной температуре и влажности, а также в агрессивной среде.

При длительном воздействии нагрузок ступени нагружения образцов в переводе на условные напряжения были приняты 24,5; 33,0; 54,0; 63,0; 73,0; 83,0 и 93,0 МПа. По результатам испытаний построены кривые ползучести образцов при изгибе и определены границы возможного значения предела длительной прочности (33 МПа < К_B,_inf < 54 МПа). По известной методике вычислены коэффициенты длительности и построены кривые изменения во времени прочности СВПБ ФАМ при изгибе и по ним определен коэффициент длительности равный 0,45.

Исследования длительной прочности СВПБ ФАМ при одновременном действии жидких сред и длительной изгибающей нагрузки проводили на образцах пластинах, содержащих 3% продольной стекловолокнистой арматуры (по массе) и 2% - поперечный (стеклосетка). Размеры пластины 320x180x10 мм. Начальная прочность при «чистом изгибе» составляла 48 МПа, мгновенный модуль упругости - 0,6-10⁴ МПа. Образцы - пластины погружали в воду и нагружали с помощью специального устройства, позволяющего за счет изменения рычагов и приложения различных комбинаций грузов создавать в зоне «чистого» изгиба образцов условные напряжения, составляющие 0,2; 0,3; 0,4 и 0,5 от среднего предела прочности при изгибе - 48...50 МПа. Результаты испытаний показали, что границами возможного значения длительной прочности для принятия процента армирования СВПБ является 20 и 25 МПа. Коэффициент длительности с учетом действия агрессивной среды определяли с помощью структурной диаграммы А.М. Иванова и его величина составила 0,46. Проведенные исследования установили наличие длительной прочности СВПБ ФАМ не только в идеальной среде, но и при действии агрессивной среды.

Развивая изложенные выше исследования были проведены эксперименты на образцах 320x30x20 мм хаотически армированного СВПБ ФАМ. В качестве агрессивной среды был применен 70-процентный раствор серной кислоты - основного компонента электролита производства двуокиси марганца (ЭДМ-2) на Руставском химкомбинате (Грузия), перевозимого железнодорожным транспортом. В переводе на условные напряжения ступени нагружения образцов при длительном действии нагрузки были равны соответственно 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0 и 8,0 МПа, т.е. составляли 0,22; 0,30; 0,37; 0,45; 0,52 и 0,59 от среднего предела прочности при «чистом изгибе» (13,5 МПа). По результатам испытаний построены кривые ползучести СВПБ ФАМ при «чистом изгибе» и одновременных действий агрессивной среды. Анализ результатов испытаний показал, что при напряжениях, не превышающих К_В,_inf, деформирование с течением времени прекращается. При напряжениях же, превышающих этот предел, процесс ползучести имеет незатухающий характер, приводящий образец разрушению. Так, при условных напряжениях, равных 3,0; 4,0; 5,0 и 6,0 МПа, деформирование прекратилось соответственно на 80-е, 100-е, 120-е и 140-е сутки.

Таким образом, границами возможного значения длительной прочности для хаотически армированного СВПБ ФАМ на андезите оптимального состава, являются напряжения 6,0 и 7,0 МПа, т.е. 6,0 МПа < К_Ь1пГ < 7,0 МПа, т.е. коэффициент длительности должен быть заключен в границах 0,44 < К_В,_inf < 0,52. Более точно коэффициент длительности определяли с помощью структурной диаграммы. Коэффициент длительности хаотически армированного СВПБ ФАМ на андезите при «чистом изгибе» с одновременном действием агрессивной среды равен 0,47.

Испытание длительной нагрузкой элементов на основе полиэфирных смол производились на образцах размерами 100x100x400 мм на специально изготовленных установках рычажного типа. Уровни загружения составляли 0,28R_В, 0,32R_В, 0,34R_В, 0,40R_В, 0,44R_В, 0,48R_В, 0,55R_В, 0,6R_В. Испытания велись в соответствии с общепринятой методикой. По результатам эксперимента построены кривые ползучести, и построена структурная диаграмма полиэфирного полимербетона ПН-609-21М и определен коэффициент длительности, равный 0,45.

Эксплуатационные нагрузки на изгибаемые и сжатые элементы различных транспортных сооружений представляют собой комбинации многократно повторных и постоянной нагрузок. Многократно приложенная часть нагрузки обычно имеет однозначное направление. Соотношение между нею и постоянной частью нагрузки может быть самым различным. Поэтому, при испытаниях был принят режим асимметричного циклового загружения при различных коэффициентах асимметрии, так как именно в этом режиме работают шпалы в реальных условиях эксплуатации.

Испытания на выносливость проводились на образцах в виде призм размерами 100x100x400 мм на испытательной машине ГРМ-2А с частотой приложения нагрузки 670 циклов в минуту и коэффициентом асимметрии цикла р = 0,1; 0,35; 0,6 в соответствии с методикой испытаний на циклическое воздействие нагрузок. 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.

Результаты этих испытаний сведены в таблице 1.

Для получения корреляционного уравнения в зоне ограниченной выносливости использовалась методика, предложенная Н.С. Карпухиным.

Таблица 1 - Результаты испытаний на выносливость СВПБ на андезите

Коэффициент асимметрии	Корреляционные уравнения	Коэффициент выносливости
0,1	Y=79,83 – 8,89lgN	0,31
0,35	Y=66,23 – 5,63lgN	0,41
0,6	Y=68,09 – 5,70lgN	0,43

Испытания на выносливость полиэфирного полимербетона ПН-609-21М велись по той же методике, что и для элементов из СВПБ на андезите при р=0,1; 0,3; 0,6. В таблице 2 приведены значения коэффициентов выносливости и уравнения корреляционных линий выносливости композита на основе смолы ПН-609-21М.

Таблица 2 - Результаты испытаний на выносливость полиэфирного полимербетона ПН-609-21М

Коэффициент асимметрии	Корреляционные уравнения	Коэффициент выносливости
0,1	Y=80,21 – 8,95lgN	0,34
0,3	Y=76,85 – 7,75lgN	0,4
0,6	Y=72,3 – 6,05lgN	0,45

Литература

1. Карпухин Н.С. Исследование выносливости железобетона. //Строительные конструкции. – Труды МИИТ, 1959, вып. 108. – с. 44-54.

2. Планида В.Е., Огарков Б.И. Определение предела пластического течения древесины методом релаксации. – Записки ВСХИ. – Воронеж, 1979, т. XXVIII, вып. 2. – с. 21-23.

3. Иванов А.М., Алгазинов К.Я., Мартинец Д.В. Строительные конструкции из полимерных материалов. – М.: Высшая школа, 1978. – 239с.

4. Бондарев Б.А. Сопротивляемость полимербетонных строительных элементов, армированных СПА циклическими нагрузками: - Диссертация кандидата техн. наук. – Воронеж. 1990. – 193с.