Основным условием успешной эксплуатации конструкционных стеклопластиков является достоверная оценка длительных характеристик материала конструкции. Проведены кратковременные и длительные испытания однонаправленного стеклопластика. Установлено значительное влияние интенсивности действующей нагрузки на снижение долговечности пултрузионного стеклопластика во времени.
УДК 624.011.78
В.Е. БАТРАК, канд. техн. наук, заведующий лабораторией, В.В. БОБРЯШОВ, инженер, ведущий научный сотрудник, В.М. БОБРЯШОВ, доктор техн. наук, гл. научный сотрудник, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко АО «НИЦ «Строительство»
Ключевые слова: конструкционные стеклопластики, долговечность, длительная прочность, интенсивность нагрузки
Keywords: structural fiberglass, durable, long lasting durability, the intensity of the load
Таблица 1. Результаты кратковременных испытаний образцов композитного материала при растяжении вдоль армирования
| Среднее значение, МПа | Медиана, МПа | Мода, наименьшая, МПа | Коэффициент вариации, % | Асимметрия | Эксцесс |
| 576,2 | 592,5 | 396,0 | 14,6 | -0,854 | 1,762 |
В настоящее время в России композитные материалы находят все большее применение в строительных конструкциях. Уникальные свойства этих материалов – высокая удельная прочность, малая плотность, хорошее сопротивление воздействию агрессивных сред, высокие электроизоляционные характеристики – и технологичность изготовления делают композитные материалы незаменимыми для использования в строительных конструкциях различного назначения. В то же время в России имеются лишь отдельные длительно эксплуатирующиеся крупногабаритные конструкции из композитных материалов. Опыт эксплуатации таких конструкций свидетельствует о том, что основным условием их успешной эксплуатации является достоверная оценка длительных характеристик материала конструкции [1].
Длительные эксплуатационные характеристики композитных материалов, в частности стеклопластиков, обычно оценивают по трем основным показателям. Это явления ползучести и релаксации, определяющие длительные деформации конструкций, длительная прочность при постоянных нагрузках и длительная прочность при переменных нагрузках (выносливость). При этом длительная прочность композитного материала определяет его долговечность и, как следствие, долговечность изготовленной из него конструкции.
Настоящая работа посвящена оценке влияния интенсивности длительного нагружения на долговечность композитного материала с полимерной матрицей – однонаправленного стеклопластика под торговым названием FibberPull, вырабатываемого на основе ненасыщенных смол, минеральных наполнителей и стекловолокнистых армирующих материалов методом пултрузии при действии постоянной нагрузки вдоль направления армирования материала.
Методика определения долговечности композитных материалов при действии переменных нагрузок приведена в работах [2, 3].
Образцы композитного материала для эксперимента вырезались из стеклопластиковой прямоугольной трубы FT 40х25х3х3, изготовляемой из материала FibberPull. Плотность образцов материала составляла в среднем 1,84 г/см3.
Согласно современным представлениям, прочность твердых тел рассматривается как характеристика материала с учетом факторов времени и температуры, поэтому оценка влияния длительности нагружения и изменения температуры на прочность и долговечность материала производилась с учетом этих факторов.
Для образцов композитного материала первоначально определялась прочность при кратковременном растяжении. Испытания на растяжение проводились в соответствии с [4]. Для испытаний вдоль направления армирования были использованы образцы типа А. Перед проведением испытаний образцы кондиционировались по [5] при температуре (23±2)°С и влажности (50±10)% в течение 24 часов. Испытания образцов производились в той же стандартной атмосфере, при которой осуществлялось кондиционирование.
Испытания проводились на немецкой универсальной испытательной машине FP 100/1, обеспечивающей измерение нагрузки с точностью 1% измеряемой величины нагрузки. Скорость нагружения образцов при испытании вдоль направления армирования составляла 2 мм/мин. Результаты кратковременных испытаний 10 образцов при растяжении представлены в табл. 1.
Для длительных испытаний принимались такие же образцы, как и для кратковременных. Длительные испытания для определения долговечности композитного материала, так же как и кратковременные испытания, проводили на немецкой универсальной испытательной машине FP 100/1 с обеспечением высокой степени постоянства действующей нагрузки. Испытания проводились с целью оценки степени влияния интенсивности длительно действующей растягивающей нагрузки на долговечность стеклопластика.
При анализе результатов испытаний использовалась методика оценки долговечности нагруженных твердых тел, изложенная в работе [6], согласно которой для большинства твердых тел температурно-временная зависимость долговечности выражается следующим соотношением:
, (1)
где τ – долговечность; σ – механическое напряжение; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; U0, τ0 и γ − постоянные.
Из соотношения (1) получается выражение для напряжения σ:
(2)
Выражение (2) с помощью постоянных величин U0, τо, и γ устанавливает однозначную связь между прочностью материала, временем действия нагрузки и абсолютной температурой.
При экспериментальном определении по выражению (2) величин Uo, τо, и γ для заданного времени действия нагрузки и температуры определяется значение прочности.
Согласно [6], прочность твердого тела с понижением абсолютной температуры увеличивается и при температуре абсолютного нуля (Т=0 К) достигает своего максимального значения, равного Uo/γ.
При таком подходе величины τо, Uo и γ имеют следующий физический смысл:
τо – время до разрушения материала, при котором материал имеет максимальную техническую прочность. Это время по порядку величины совпадает с периодом колебания атомов;
Uo – энергия активации, определяет максимальную техническую прочность материала;
γ – определяет значение максимальной технической прочности и характеризует поведение материала при различных временах действия нагрузки и температуры.
Если в выражении (2) принять Т=Тi=const, то выражение для напряжения принимает следующий вид:
, (3)
где 
. (4)
Выражение (3) свидетельствует о том, что между прочностью материала σ и логарифмом его долговечности под нагрузкой lgτ при Т=const существует линейная зависимость. Для разных температур эта зависимость на графике σ – lgτ представляется в виде пучка прямых, пересекающихся в точке с координатами Uo /γ, τ0.
Из зависимости (1) следует, что с уменьшением долговечности прочность материала увеличивается и при долговечности τ=τ0 достигает своего максимального значения, равного Uo/γ. Согласно [7], это значение можно принять за величину максимальной технической прочности материала σ0 :
(5)
Значения U0, τо и γ определяются экспериментально с использованием выражений (3), (4) и (5). Из выражения (4) по экспериментальным данным определяется значение γ. Пересечением двух прямых σ – lgτ для разных температур Т определяются координаты пересечения прямых σ0 и lgτ0, а из выражения (5) определяется Uo.
При исследовании различных пластмасс установлено, что для стеклопластиков значение τ0 равно 10-12 сек. Тогда из двух значений напряжения σ1 и σ2 при нормальной температуре при испытании стандартных образцов композитного материала можно определить наиболее вероятные значения долговечности τ1 и τ2.
Для этого по результатам длительных испытаний образцов материала строится график σ – lgτ, на котором откладываются точки (σ1, lgτ1) и (σ2, lgτ2), через которые проводится прямая до пересечения с вертикальной прямой с абсциссой lgτ=-12. Ордината точки пересечения наклонной прямой, проведенной через точки (σ1, lgτ1) и (σ2, lgτ2) и вертикальной прямой lgτ=-12 определяют в масштабе значение теоретической максимальной прочности композитного материала σ0.
Построенная по двум экспериментальным точкам прямая σ – lgτ позволяет определить также значение Аi – углового коэффициента этой прямой:
(6)
Значение параметра γ определяется по выражению:
, (7)
где k – постоянная Больцмана, равная 1,4·10-22 кг·см/град.
По полученным значениям σ0 и γ вычисляется значение U0=γ·σ0. С помощью полученных из эксперимента значений τ0, U0 и γ по формулам (1) и (2) вычисляются значения долговечности и длительной прочности материала для заданных условий эксплуатации.
По описанной методике исследовалось влияние интенсивности длительного нагружения на долговечность композитного материала FibberPull.
На рис. 1 приведена прямая длительной прочности композитного материала, проведенная наиболее близко к кружкам на графике, соответствующим результатам длительной прочности материала при различных временах экспонирования образцов.
Каждое указанное на графике значение, кроме кратковременных испытаний, усреднялось по трем образцам. Результаты испытаний образцов, обозначенные на графике кружками, получены при кратковременных испытаниях образцов (lgτ1=0 сек.) и при их испытании в течение 55 часов, 12 суток и 230 суток (lgτ2=5,3 сек.; lgτ3=6,0 сек.; lgτ4=7,3 сек.).
Для расчета теоретической максимальной прочности композитного материала при температуре абсолютного нуля (Т = 0 К) на построенной прямой использовались две точки, соответствующие прочности материала при временах экспонирования, логарифмы которых в секундах равны соответственно lgτ1=0 и lgτ2= 6.
По двум полученным из длительных исследований материала на растяжение точкам (σ1=5762 кгс/см2 при lgτ1=0) и (σ2=3152 кгс/см2 при lgτ2=6) проводилась прямая до пересечения с вертикальной прямой с абсциссой lgτ0=-12.
Пересечение прямых определило точку с ординатой σ0=10980 кгс/см2, которая по описанной методике соответствует максимальной технической прочности стеклопластика при температуре абсолютного нуля.
Для наклонной прямой, проведенной по двум точкам (σ1, lgτ1) и (σ2, lgτ2), определялся угловой коэффициент построенной прямой Аi.
;
Отсюда для композитного материала определялось значение U0:
Имея найденные параметры, можно рассчитать долговечность материала при любой действующей нагрузке. Так, для примера, долговечность композитного материала при напряжении σ в материале, составляющем 1900 кгс/см2, равна:
Долговечность композитного материала при увеличении напряжения σ в материале до 2000 кгс/см2 равна:
Таким образом, установлено значительное влияние интенсивности действующей нагрузки и на снижение долговечности пултрузионного стеклопластика во времени. Учет влияния интенсивности длительно действующей нагрузки является определяющим фактором для оценки долговечности конструкций из композитных материалов.
Библиографический список
1. Батрак В.Е., Кондакова Т.В., Оснач Р.Г., Чернов Е.Н. Применение стеклоэпоксидных труб для несущих конструкций генераторов импульсных напряжений и токов / Электротехника, №9, 1989, с. 65-68.
2. Вульфсон С.З., Бобряшов В.М. К теории длительной прочности наследственных сред / Исследования по строительной механике. Сборник научных трудов. – М.: ЦНИИСК им. Кучеренко, 1985, с. 12-22.
3. Батрак В.Е., Бобряшов В.В., Бобряшов В.М. Метод оценки работоспособности полимерных заполнителей трехслойных панелей при действии длительных эксплуатационных нагрузок / Кровельные и изоляционные материалы, №1, 2009, с. 57.
4. ГОСТ 32656-2014. Композиты полимерные. Методы испытаний. Испытания на растяжение.
5. ГОСТ 12423-2013. Пластмассы. Условия кондиционирования и испытания образцов (проб).
6. Журков С.Н., Нарзулаев В.Н. Временная зависимость прочности твердых тел / Журнал технической физики – т. 23, вып. 10, 1953.
7. Бартенев Г.М., Гуль В.Е. Методы исследования прочности полимеров / Журнал ВХО им. Д.И. Менделеева, т. 6, №4, 1961, – 394 с.
