Обеспечение трещиностойкости композиционного материала на основе древесины для железнодорожных шпал при отверждении и всестороннем увлажнении

Актуальность темы

диссертации обосновывается следующим:

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 и, в тоже время, наиболее уязвимым, с позиций эксплуатационных факторов, элементом верхнего строения является железнодорожная шпала.

Как показывает статистика, в мировой практике строительства железных дорог наиболее распространенным материалом для шпал является древесина. Шпалы на ее основе составляют до 80% от их общего числа, являясь, в то же время, наименее долговечными. Нормативные сроки службы деревянных шпал пропитанных антисептиками, составляют 14.25 лет, но, в связи с интенсификацией грузопотоков и увеличением нагрузок и скоростей, он снижается до 8. 10 лет.

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.

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.

Поэтому, при отсутствии учета этих потерь службами пути железных дорог складывается ситуация, когда начальная стоимость железобетонной шпалы оказывается ниже, чем стоимость шпалы из новых композиционных 6 материалов, например, древесностекловолокнистого композиционного материала (ДСВКМ), созданного в Воронежской государственной лесотехнической академии (ВГЛТА), и лишенного выше названных недостатков.

ДСВКМ более чем на 70% состоит из компонентов, которые могут быть получены на основе отходов лесного комплекса или являются таковыми— это фурфуролацетоновый олигомер (смола) ФАМ (связующее полимерной матрицы), а также древесная щепа, вершинные срезы хлыстов и т. п. (армирующие заполнители).

К настоящему времени в ВГЛТА получены составы и механические характеристики ДСВКМ, с арматурой в виде щепы с длиной элементов 150.200 мм и (или) снабженным армирующим каркасом из необработанных досок, получаемых из отходов шпалопиления. Изучены процессы совместимости полимерной мастики на смоле ФАМ и древесного заполнителя, длительная прочность 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.

Поэтому представлялось важным изучить влияние различных физических факторов на полимерную матрицу, древесный заполнитель и, в целом, на ДСВКМ с учетом анизотропии их свойств. При положительном решении данной проблемы снимутся последние сомнения о возможности использования ДСВКМ для изготовления шпал различного назначения взамен древесины, т.к. по прогнозам полное исчезновение ее из верхнего строения железных дорог произойдет к 2050 г.

В связи с изложенным, целью исследований является выработка на их основе материаловедческих, технологических и иных приемов, гарантирую7 щих трещиностойкость ДСВКМ в течение заданного срока эксплуатации шпал, в том числе лесовозных железных дорог.

Объект исследований — древесностекловолокнистый композиционный материал, получаемый на основе отходов лесного комплекса.

Наиболее существенные новые научные результаты представленной работы:

— получены значения модулей упругости и коэффициентов Пуассона древесины сосны вырубки Левобережного лесничества г. Воронежа, что дало возможность использовать их в уравнениях обобщенного закона Р. Гука для ортотропного тела;

— проведены экспериментальные исследования по выявлению зависимостей пределов прочности и модулей упругости древесины и СВКМ (стеклово-локнистого композиционного материала) на ФАМ от температуры в диапазоне от 0° до 100° С. Их результаты затем аппроксимированы линейными функциями и получены значения температурных коэффициентов по прочности и жесткости;

— разработаны две взаимодополняющих модели напряженного и деформированного состояния в кубе из ДСВКМ, учитывающие физический смысл процессов, происходящих в нем с момента начала отверждения олигомера ФАМ до возможного всестороннего увлажнения, что позволило вывести формулы для подсчета усадочных деформаций и напряжений;

— получены значения главных напряжений и упругих относительных деформаций в кубике из древесины, которые могут быть использованы при расчете шпал по первому и второму предельным состояниям, в том числе при определении толщины полимерной оболочки из СВКМ, защищающей ее от действия воды;

— разработаны на основе патента РФ водои трещиностойкий состав ДСВКМ, технология и регламент отливки шпал- 8 доказана правильность теоретических расчетов по определению деформаций в кубе из ДСВКМ путем их экспериментальной проверки на образцах, погруженных в водуполучены коэффициенты стойкости, длительного сопротивления и длительный деформационный, учитывающие действие на ДСВКМ воды и одновременно приложенной постоянной изгибающей нагрузки, значения которых уточнены с помощью аппроксимирующих функций.

Достоверность результатов и выводов работы определяют: обеспечение соответствия граней кубиков, выпиленных из ствола сосны, плоскостям упругой симметрии древесиныприменение при обработке данных эксперимента методов математической статистикипроверка правильности теоретических расчетов экспериментальными исследованиямииспользование при выборе аппроксимирующих функций современной ЭВМ, причем выбирались те функции, в результате применения которых сумма квадратов отклонений между теоретическими и экспериментальными значениями характеристик была минимальной.

Значимость полученных результатов для теории: в упругой постановке рассмотрено напряженное и деформированное состояния кубика из древесины с гранями, совпадающими с плоскостями симметрии, заключенного в условно изотропную оболочку из отвержден-ного раствора ФАМ, армированного стеклосеткой (СВКМ) — в отличие от ранее выполненных исследований процесса усадки СВКМ, предложено учитывать не только рост его предела прочности и модуля упругости при отверждении, но и понижение значений этих характеристик при саморазогреве в результате экзотермической реакции полимеризации и дальнейшем прогреве при температуре 60 °C. Учтены также возможность смены знаков нормальных напряжений по граням деревянного кубика при постепенном охлаждении, появление на них реактивных усилий сдвига за счет возникновения на гранях раздела полимер-древесина адгезионных связей различной природы, анизотропия свойств последней и влияние давления набухания при всестороннем увлажнениив связи со сложностью перечисленных физических процессов и изменчивостью свойств главных компонентов ДСВКМ-древесины и СВКМ предложено применить при построении суммарных эпюр напряжений, возникающих по граням деревянного кубика под действием всех физических факторов, принцип независимости действия сил и рассмотреть две взаимно дополняющих модели напряженного и деформированного состояния в нем. Применимость предложенного подхода доказана оригинальными экспериментальными исследованиями, позволившими установить совпадение положения главной площадки с наибольшим растягивающим напряжением с направлением трещины в кубике из ДСВКМ, погруженного в воду, при толщине оболочки меньшей, чем расчетная.

Значимость полученных результатов для практики состоит в: получении формулы для подсчета толщины полимерной оболочки, призванной защищать древесный армирующий заполнитель ДСВКМ от проникновения к нему водыразработке на основе патента РФ водои трещиностойкого состава матрицы каркасного варианта ДСВКМ, технологии и регламента отливки шпал, привязанных к существующим на шпалопильных заводахпредложении ориентировать прокладки каркаса ДСВКМ перпендикулярно главным растягивающим напряжениям, т. е. под углом 60°- получении численных значений коэффициентов стойкости по прочности и жесткости ДСВКМ в воде и при одновременном действии ее и длительных постоянных изгибающих нагрузок, что позволяет производить расчет шпал различного назначения, в том числе для лесовозных железных дорог, по первому и второму предельным состояниям;

— рекомендациях по защите поверхности шпал гидрофобизирующими составами;

— использовании предложенных методик для определения упругих характеристик древесины с учетом анизотропии ее свойств и температуры в учебном процессе ВГЛТА на кафедрах сопротивления материалов и древесиноведения.

На защиту выносятся:

— результаты определения упругих характеристик древесины сосны, позволяющие считать ее ортогональным телом;

— результаты выявления зависимостей механических характеристик древесины и СВКМ от температуры;

— анализ напряженного и деформированного состояния, возникающего в кубике из древесины под действием различных физических факторов;

— состав ДСВКМ, полученный на основе патента РФ;

— методики и результаты определения коэффициента стойкости ДСВКМ в воде, коэффициента длительности и длительного деформационного коэффициента;

— технология отливки шпал из каркасного варианта ДСВКМ и привязка ее к производственному процессу шпалопиления;

— комплекс материаловедческих и технологических мероприятий по защите шпал от отрицательного действия на нее воды.

Апробация работы.

Научные положения и результаты работы докладывались на научно-технических конференциях по итогам НИР в Воронежской государственной лесотехнической академии (1995. 1999 гг.), на всероссийских научно-практических конференциях: «Проблемы ресурсосберегающих и экологически чистых технологий на предприятиях лесного комплекса и подготовка ле-соинженерных кадров» и «Рациональное использование ресурсного потенциала в агролесном комплексе» — Воронеж (1995, 1998 гг.) — на научной кон.

11 ференции профессорско-преподавательского состава, инженерно-технических работников и аспирантов по итогам научно-исследовательской работы за 1997 год, посвященной 200-летию Лесного департамента России — Воронеж (1998). Конференция молодых ученых 1999 г.- на международной научно-практической конференции: «Рациональное использование лесных ресурсов» — Йошкар-Ола (1999 г.).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Сделан обзор научных публикаций, посвященных влиянию физических факторов — температуры, усадки и воды на прочностные и упругие характеристики главных компонентов ДСВКМ — полимерного раствора на оли-гомере ФАМ и древесины, что позволило установить наиболее важные результаты приведенных исследований и частично использовать их в представленной работе.

2. Получены статистически обоснованные значения модулей упругости и коэффициентов Пуассона древесины сосны вырубки Левобережного лесничества г. Воронежа, что дало возможность рассматривать ее как ортотроп-ное тело.

3. Установлена линейная зависимость модулей упругости и пределов прочности главных компонентов ДСВКМ — СВКМ и древесины от температуры в диапазоне 0°.100°С. Последняя температура является критической, т.к. при ней начинает происходить распад пентозанов в древесине, а в СВКМ — термическая деструкция полимера ФАМ. Получены уравнения, представляющие эти зависимости, и значения температурных коэффициентов по прочности и жесткости.

4. Для теоретического анализа и дальнейшей экспериментальной проверки влияния температуры, усадки и воды на напряженное и деформированное состояние ДСВКМ за объект исследований принят куб, представляющий собой кубик из древесины сосны, заключенный в оболочку из СВКМ на ФАМ. Грани кубика совпадают с плоскостями упругой симметрии древесины, а отношения площадей поперечных сечений матрицы и древесного заполнителя в кубе из ДСВКМ и реальной шпале одинаковы.

5. В отличие от ранее выполненных исследований процессов усадки полимерного раствора ФАМ, предложено учитывать не только рост его предела прочности и модуля упругости при отверждении, но и понижение этих.

194 характеристик при саморазогреве в результате экзотермической реакции полимеризации и дополнительном технологическом прогреве.

6. Рассмотрены в упругой постановке две модели напряженного и деформированного состояний в кубе из ДСВКМ, учитывающие физический смысл процессов, происходящих в нем с момента начала отверждения оли-гомера ФАМ до возможного всестороннего увлажнения в условиях эксплуатации шпал.

Первая модель позволила вывести формулы усадочных деформаций и напряжений по направлению нормалей «а», «г» и «Ь>, при температурах 60° С и 20° С и построить эпюры усадочных, суммарных с температурными, а затем и возникающих под действием воды напряжений, и вычислить относительные упругие деформации.

Вторая дополнительная модель позволила учесть реактивные усилия сдвига и определить значения касательных напряжений по граням деревянного кубика.

На основании этих моделей с использованием принципа независимости действия сил и ЭВМ сделан соответствующий анализ и определены величины главных напряжений, относительных деформаций и положения главных площадок.

7. Определена толщина полимерной оболочки из СВКМ, защищающая древесный заполнитель от действия воды и удовлетворяющая требованиям расчета шпал по первому и второму предельным состояниям.

8. На основе полученного патента РФ разработаны водои трещино-стойкий состав ДСВКМ, а также технология и регламент отливки шпал, привязанные к существующим на шпалопильных заводах.

9. Проведена экспериментальная проверка теоретических расчетов по определению деформаций в кубе из ДСВКМ при его всестороннем увлажнении, в том числе при одновременном действии воды и постоянно действующей изгибающей нагрузки и, с использованием аппроксимирующих функций.

195 и ЭВМ, определены значения коэффициентов стойкости по прочности и жесткости, в том числе на заданный срок эксплуатации шпал — 40 лет.

10. Выданы рекомендации по дополнительной защите поверхности шпал гидродрофобизирующими растворами на основе низкомолекулярного полиэтилена, дивинилстирольного термоэластопласта и канифоли в керосине.