|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
МОСТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ИЗ КОМПОЗИТОВ А.Е.Ушаков, Ю.Г.Кленин, Т.Г.Сорина, А.Х.Хайретдинов, А.А.Сафонов "НТИЦ АпАТэК-Дубна" Введение В настоящее время в США и Европе проводятся экспериментальные расчётно-конструкторские и технологические работы, направленные на создание пешеходных мостов с преимущественным применением композитных стеклопластиковых и углепластиковых пултрузионных профилей [1, 2]. Высокие физико-механические характеристики стеклопластика, реализуемые в профилях, получаемых пултрузионным методом, позволили использовать эти изделия в качестве элементов мостовых конструкций, выделить эту область применения в индивидуальное направление [3, 4]. К основным преимуществам мостов из композитных пултрузионных профилей, по сравнению со стальными мостовыми конструкциями, следует отнести:
Кроме того, пространственно-ферменная конструкция пешеходного моста позволяет достаточно быстро и без существенных затрат установить крышу, защищающую пешеходов и саму конструкцию от воздействия атмосферных осадков. Многолетний (в течение 40 лет) отечественный и зарубежный опыт разработки и эксплуатации композитов в составе силовых конструкций, в сочетании с новейшими высокопроизводительными (непрерывными) технологиями переработки материала в изделия (метод пултрузии и намотки), подтверждает правомочность постановки и решения задачи, направленной на проектирование и изготовление цельнокомпозитного пешеходного моста. Технологичность в переработке и относительно невысокая стоимость - основные критерии выбора. Пултрузионная технология изготовления профилей для мостовых и строительных конструкций Огромным потенциалом для поддержки и широкого внедрения предлагаемого направления обладает высокая, компьютерно-управляемая пултрузионная технология [5, 6] изготовления разнообразных силовых, в том числе мостовых длинномерных, профилей из одно- и двухосно-армированных и изотропно-армированных стеклопластиков. Схема установки показана на рис. 1. Суть пултрузионного процесса заключается в том, что непрерывный стеклоровинг 1 или нетканая, нитепрошивная лента 2 с заранее рассчитанным расположением (согласно спектру прикладываемых и воспринимаемых нагрузок) стеклонитей в плоскости ленты протягивается через ванну 3 с термореактивным полимерным связующим, затем поступает через фолдеры 4 в обогреваемую формующую фильеру 5, отображающую геометрическую форму поперечного сечения изделия, в которой связующее за короткий промежуток времени отверждается не столько за счёт тепла извне, сколько за счёт тепла, выделяющегося в процессе реакции отверждения связующего, обеспечивающего равномерный прогрев пакета-заготовки в объёме. Последнее обстоятельство является определяющим при изготовлении толстостенных, более 5000 мм2, профилей из стеклопластика, обладающего низким значением теплопроводности. Не менее важны, как показывает опыт, текстильная форма и поверхностная обработка стеклонаполнителя. В целях обеспечения расчётных физико-механических характеристик при изготовлении пултрузионных изделий применяются ровинги различных номиналов на основе стекла Е, преимущественно высокого текса 4800-9600. Использование прямых (активных) замасливателей для стеклонаполнителей диктуется требованиями обеспечения высокого качества конструкционного стеклопластика с хорошо организованной границей раздела «волокно - матрица», недоступной для проникновения влаги и других агрессивных сред. Таблица 1
Обязательными требованиями к материалу мостовых-конструкций являются негорючесть и «вандалоустойчивость». Выполнение требований по стойкости к горению обеспечивается путём использования нанопорошков металлов с переменной валентностью и гидроксилсодержащих соединений. Особенно эффективно применение нанопорошков там, где необходимо достигнуть желаемого результата без изменения реологических характеристик связующего. Введение нанодобавки меди менее 1% приводит к повышению стойкости к горению. Физико-механические характеристики и стойкость к воздействию пламени пултрузионных профилей из стеклопластика на основе стеклонаполнителей, пропитанных винилэфирной смолой, приведены в табл. 1. Специалистами «АпАТэК» спроектировано и изготовлено более 25 мостовых конструкций с применением стеклопластика, среди них:
Мостовые строения проектировались в соответствии со Стандартом организации СТО 11567537.01-2008, который разработан специалистами НПП «АпАТэК» и согласован с ОАО ЦНИ-ИС НИЦ «Мосты», ГУП «Гормост», ОАО «Союздорпроект». В табл. 2 приведены сравнительные данные по структуре цен на создание типового верхнепутевого пешеходного моста с пролётом 27 м и шириной 3 м. Расчёты проведены с учётом существующих цен на материалы и нормативов некалькулируемых статей затрат, действующих в конкретном производстве. Приведённые в табл. 2 данные показывают, что стоимость стеклопластикового моста с применением пултрузионных профилей оказывается на 9,56% дороже стального моста. Однако стоимость эксплуатационных расходов за рассматриваемый период в течение 50 лет на поддержание металлической конструкции составит около 160 000 долл., а для конструкции из стеклопластика - 20 000 долл. Исходя из первоначальной стоимости создания мостов и учитывая превышение эксплуатационных затрат по обслуживанию стального моста, общая сумма затрат по стальному мосту составит 411 000 долл., а по композитному - 295 000 долл., что явно показывает преимущество композитных пултрузионных конструкций. Инфузионная технология изготовления крупногабаритных конструкций Вторым инновационным методом изготовления арочных мостовых конструкций из композитов является вакуумная инфузия. Вакуумная инфузия - это технологический процесс изготовления композитных изделий, при котором материал формируется путём пропитки армирующего наполнителя низковязкой смолой за счёт действия вакуума [5,7]. Цикл изготовления изделия методом вакуумной инфузии (рис. 3) состоит из пяти стадий: подготовка армирующего наполнителя (рис. 3,а), укладка армирующего наполнителя в жёсткую форму (рис. 3,б), установка мешка для вакуумирования и системы пропитки (рис. 3,в), пропитка армирующего наполнителя смолой за счёт пониженного давления (рис. 3,г), полимеризация и съём ГОТОВОГО изделия (рис. 3,д). Таблица 2
С использованием технологии вакуумной инфузии возможно изготавливать крупногабаритные композитные конструкции. Примерами таких изделий являются корпуса кораблей [8], лопасти ветряных установок [9], мостовые конструкции [10] и др. На рис. 4 показан первый в России арочный мост из полимерного композиционного материала [11]. Мост изготовлен в НПП «АпАТэК» методом вакуумной инфузии. Длина пролёта 23 м. Мост был установлен 18 июня 2008 г. в Москве в Парке 50-летия Октября (станция метро «Проспект Вернадского»). В результате выполнения данного проекта была разработана продуктовая линейка необслуживаемых модульных композитных арочных мостов для зон отдыха, парков и малых рек с длиной пролёта от 15 до 30 м и со сроком службы до 100 лет. Внедрение новой технологии вакуумной инфузии в серийное производство позволило обеспечить изготовление мостовой конструкции за один технологический переход, тем самым минимизировав работы по сборке и существенно снизив себестоимость. Применение данного технологического процесса для производства мостов и других строительных конструкций снимает ограничения в области дизайна, неизбежно возникающие при проектировании из элементов типовой номенклатуры, и позволяет создавать новые, необычные, радующие глаз архитектурные формы. Эффективность использования композитов на основе углеродных волокон в мостостроении Новые задачи, связанные с необходимостью увеличения длины пролётных строений, требуют создания и применения композитов с более высоким модулем упругости, который может быть достигнут за счёт использования в составе композита углеродных волокон [11]. Требования по прочности и модулю упругости к углеродным волокнам, предназначенным для использования в мостостроении, не столь высоки по сравнению с таковыми, предъявляемыми к волокнам, применяемым в авиации и космосе. Для мостовых конструкций удельные характеристики не столь существенны. Превалирующим фактором является соотношение упругопрочностых характеристик и цены. Цель настоящих исследований состояла в том, чтобы выбрать углеродные волокна с физико-механическими характеристиками, которые бы при введении в состав профилей из стеклопластика обеспечивали повышение жёсткости без значительного удорожания мостовых конструкций. Для решения этой задачи проведён комплекс расчётных, технологических и экспериментальных исследований и сформулированы технические требования к углеродным волокнам исходя из критерия стоимости базовых материалов, а также определено объёмное содержание углеродного волокна в сечении профилей и отработана технология изготовления профилей из углестеклопластика. Для изготовления пултрузионных профилей, используемых в строительстве и мостостроении, были выбраны углеродные жгуты индустриального применения, изготовленные на основе волокон полиакрилонитрила (ПАН) - волокон высокого метрического номера 10-30 ктекс (100-300 К) (К = 1000 филаментов) [12]. Поверхность углеродного жгута активирована и обработана универсальным аппретирующим составом, пригодным для совмещения с винилэфирными, эпоксидными, полиуретановыми и фенольными связующими. Характеристики углеродных волокон в сравнении со стеклянными приведены в табл. 3. Физико-механические характеристики пултрузионных однонаправленных композитов на основе гибридного эпоксивинилэфирного связующего приведены в табл. 4. Как следует из табл. 4, при равном содержании волокон модули упругости при растяжении и сжатии различаются в ~ 2 раза. Многокритериальный подход позволил найти области для параметров, ответственных за повышение жёсткости и конкурентоспособности элементов мостовой конструкции из углестеклопластика по сравнению с элементами мостовых конструкций из чистого стеклопластика, определив свойства волокон, их объёмное содержание, характер распределения в сечении, геометрию профиля и цену. Было показано, что для увеличения жёсткости швеллера наиболее эффективно вводить вставки из углеродных волокон в его полки. Таблица 3
Таблица 4
Рассмотрим произвольный швеллер (рис. 5), который характеризуется следующими параметрами: высота стенки Н, ширина полки В, толщина полки Т1, толщина стенки Т2 Основными характеристиками профиля являются следующие величины:
Представляло интерес оценить расчётным путём изменение жёсткости профиля в зависимости от объёмного содержания углеродных волокон с различным модулем упругости (рис. 6). Цифрами 1,2,3 обозначены зависимости, показывающие относительное изменение расчётной жёсткости от объёмного содержания v углеродных волокон с различными модулями упругости Е = 350, 270 и 190 ГПа соответственно. Как следует из рис. 6, использование высокомодульных волокон (Е = 300-350 ГПа) позволяет в 4 раза повысить жёсткость профиля. Однако углеродное волокно стоит намного дороже, чем стеклянное волокно. Поэтому стоимость швеллера с углеродными волокнами может превышать выгоды, полученные за счёт увеличения его жёсткости. Для оценки эффективности использования новых материалов введём величину, которую назовём эффективность использования КИ. Эта величина рассчитывается по формуле где Δkxx - интенсивность увеличения жёсткости при изменении параметров; Δp - интенсивность увеличения себестоимости материалов; φ - изменяемый параметр. Если Kи<1, то модификацию профиля считаем не эффективной, в противном случае - эффективной. Оценим параметр Ки при введении углеродных вставок в швеллер по формуле где Куг - жёсткость профиля с углеродными вставками; К- жёсткость профиля без углеродных вставок; ΔЕ=(Еуг-Ест)/Ест - относительное увеличение модуля упругости углеродного волокна по отношению к стеклянному волокну; νуг - объёмное содержание углепластика в углеродной вставке; νн - объёмное содержание армирующего наполнителя в пластике; Руг - себестоимость профиля с углеродными вставками; Р - стоимость одного погонного метра профиля без углеродных вставок; Eуг, Eст - модуль углепластика и стеклопластика; руг - стоимость 1 кг углеродного волокна; рст -стоимость 1 кг стеклянного волокна; руг - плотность угля; рст - плотность стекла; Iуг - момент инерции профиля; Iуг - момент инерции углеродной вставки; Sуг - площадь углеродной вставки. Анализируя выражение (1), можно сделать вывод, что эффективность зависит от отношения между увеличением модуля упругости и ценой на углеродное волокно, а также от отношения геометрических параметров. Учитывая, что при эффективной модификации Ки>=1, можно найти зависимость между стоимостью углеродного волокна и модулем упругости, при котором выгодно использовать углеродное волокно: В качестве примера оценим максимально допустимую стоимость углеродного волокна при модификации мостового швеллера 388х120х12/10 мм [4]. Входные параметры
Подставляя эти значения в формулу (2), получаем, что стоимость углеродного наполнителя не должна превышать 18 у.е. Был изготовлен пултрузионным способом швеллер поперечного сечения 388 х 120 х 12/10 мм. Углеродный жгут УК (30 ктекс) вводился равномерно в полки швеллера, чередуясь со стекловолокном. При этом объёмное содержание углеродного волокна в материале полки составило 20% (по объёму всего изделия 10%). На рис. 7 представлена фотография натурного сечения профиля со вставками из углеродного волокна. Характеристики гибридного материала стеклоуглепластика, полученные на образцах, вырезанных из полок профиля, приведены в табл. 5. Фотография установки для испытания на изгиб полноразмерного профиля приведена на рис. 8. В табл. 6 представлены результаты эксперимента на изгиб для стеклоуглепластикового и стеклопластикового швеллеров (пролёт 2,8 м). Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что жёсткость профиля повысилась в 1,4 раза. При сопоставлении полученных данных установлена относительно высокая сходимость расчётных и экспериментальных значений жёсткости пултрузионного профиля на основе углестеклопластика, подтверждающая эффективность использования углеродных волокон с модулем 160-200 ГПа для пултрузионных элементов мостовых конструкций.
Таблица 5
Таблица 6
Наноматериалы для мостостроения Технологические процессы изготовления элементов мостовых конструкций методами пултрузии и инфузии требуют разработки полимерных связующих со строго регламентированными реологическими характеристиками, которые затрудняют решение проблемы стойкости к горению, например, введением большого количества порошкообразных антипиренов, резко повышающих вязкость связующего. Очевидным решением проблемы является использование наномодификатора - порошка нано-частиц меди в количестве менее 1%, практически не влияющем на вязкость связующего, но обеспечивающем эффект по параметрам, характеризующим сопротивляемость горению на уровне композита, содержащего более 100% тригидрата оксида алюминия [13]. Механизм работы наномеди как антипирена основан на передаче 4f-электрона радикалу ОН, освобождающемуся при горении полимера. При этом 0-валентная медь окисляется, а радикал восстанавливается и становится неактивным, горение прекращается. Известно, что медь является сильным восстановителем и может вывести из рабочего состояния отвердители и катализаторы. Для исключения этого отрицательного эффекта проводилось капсулирование наномеди эпоксидными составами. Для предотвращения окисления все процессы совмещения наночастиц меди с полимерами осуществлялись в вакуумной среде. В патентах России и США показано, что введением наночастиц меди в сочетании с наночастицами силикатов и тригидратом оксида алюминия достигается синергетический эффект огнезащиты полимеров и композитов на их основе. На основе связующего, модифицированного наномедью, были изготовлены пултрузионные профили (швеллер 400 х 120 х 18 мм) (рис. 9). Таблица 7
Методом электронной микроскопии исследована структура образцов композита, вырезанных из швеллера. Снимки приведены на рис. 10, на которых видны единичные включения частиц меди и кластеры из нескольких частиц. В табл. 7 приведены результаты определения горючести и воспламеняемости по строительным нормам. Из представленных результатов видно: при испытании на горючесть снижаются практически все показатели, в частности, один из наиболее важных - температура дымовых газов. Результаты по снижению температуры дымовых газов практически в 1,5 раза и отсутствие воспламенения при плотности теплового потока при 20 кВт/м2 являются важными показателями для объектов, эксплуатирующихся в подземных переходах, например, пандусов для инвалидов. С применением наномодифицированного связующего изготовлена партия пултрузионных профилей, и с их использованием построен первый мостик, подаренный НПП «АпАТэК» городу Сочи. Длина пролёта 13 м. На рис. 11 показаны области применения нанодобавок. Библиографический список
Сведения об авторах A.E. Ушаков: профессор, д-р техн. наук. Генеральный директор НТИЦ «АпАТэК-Дубна». Университетская ул., д. 11, стр. 16. 141980 Дубна, Россия |
28 марта 2023 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||