УДК 691.175.2: 624.21.09 К ВОПРОСУ ОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ ИЗУЧЕНИИ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ

УДК 691.175.2: 624.21.09
К ВОПРОСУ ОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ ИЗУЧЕНИИ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ
ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В КОНСТРУКЦИЯХ
ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Бондарев А.Б.,
Управления дорог и транспорта Липецкой области,
Бондарев Б.А, Борков П.В.
Липецкий государственный технический университет
В статье рассмотрены вопросы экспериментального исследования трещиностойкости
полимерных композиционных материалов, предназначенных для работы в транспортных
сооружениях. Изучение трещиностойкости проводилось с привлечением представлений о
механике разрушения.
Ключевые
слова:
трещиностойкость,
полимерный
композиционный
материал,
микротрещина, циклические нагрузки.
ON THE EXPERIMENTAL STUDY OF FRACTURE TOUGHNESS POLYMER
COMPOSITE MATERIALS IN THE CONSTRUCTION OF TRANSPORT FACILITIES
Managements of roads and transport of the Lipetsk region
Lipetsk State Technical University
Lipetsk Cossack Institute of Food Technologies (branch) of the Moscow State University of
Technology and Management named K.G. Razumovsky (First Cossack University)
The paper deals with an experimental study of crack resistance of polymeric composite
materials intended for use in transport facilities. The study was conducted with the assistance of
crack resistance concepts of fracture mechanics.
Keywords: fracture toughness, polymer composite material, microcracks cyclic loads.
Существенное влияние на долговечность конструкций транспортных сооружений из
полимерных композиционных материалов (ПКМ) оказывают эксплуатационные нагрузки,
под действием которых материал получает усталостные микротрещины, которые являются
причиной его разрушения. Микротрещины образуются в результате разрыва связей,
вызванного одновременным развитием деформаций сжатия и растяжения структуры
полимерного композита [1,2, 3, 4].
Процесс усталости материалов, вызываемый циклическими нагрузками, развивается в
три этапа: появление местных пластических деформаций, зарождение микротрещин, их
развитие и перерастание в макроразрушения. Область ограниченной выносливости
характеризуется активными изменениями в структуре материала конструкции, когда
микротрещины начинают интенсивно развиваться. Рост микротрещин приводит к
разрушению конструкции. При загружении ниже предела выносливости в материале
конструкции образуются изменения, не приводящие к макроскопическому разрушению.
Независимо от вида материала, выносливость конструкции будет повышаться при
уменьшении уровня нагружения, числа повторных нагружений концентрации напряжений,
температуры и влажности окружающей среды; увеличении коэффициента асимметрии и
частоты нагружения [5, 6, 7].
Для
экспериментального
исследования
трещиностойкости
полимерных
композиционных материалов использовались образцы на основе фурано-эпоксидных,
полиэфирных и фурановых смол. Трещиностойкость изучалась по методике, разработанной в
ФГБОУ ВПО «ВолгГАСУ», Акчуриным Т.К. и Ушаковым А.В. [8] с применением механики
разрушения для оценки трещиностойкости и долговечности бетона [5].
На рис. 1 приведен общий вид устройства для расклинивания пружинной скобой с
элементом продавливания и его описание. Размеры испытуемых образцов – 40×40×160мм из
полимербетонов ФАМ, ПН-609-21М, ФАЭИС-30. Надрезы в образцах выполнялись
алмазным диском, ширина надреза 1-1,2мм, глубина инициирующего надреза – 9мм.
Скорость нагружения 0,5мм/мин. Запись полных с нисходящей ветвью диаграмм
деформирования в координатах F – сила, δ– ширина раскрытия трещин, приводилась
автоматически на ПК. Затем, по площади диаграмм определили работу, затраченную на
разрушение образца, и эффективную энергию разрушения полимербетона Gs [9, 10].
Для определения критической трещины использовали принятый в механике
разрушения комплексный энергетический критерий:
lc 
E  G
Rbt
K 
 c 
 Rbt 
2
Этот критерий связывает реальную прочность материала с энергией разрушения,
модулем упругости и критической длиной трещин. Значение lc также может служить мерой
хрупкости материала. С уменьшением lc хрупкость возрастает [11].
Рис. 1 – Образцы из ПКМ для испытаний на
Рис.2 – Установка для испытаний ПКМ на
трещиностойкость
трещиностойкость
Учитывая, что схема испытаний при расклинивании равноценна схеме испытаний при
трехточечном изгибе, при соотношении высоты образца к расстоянию между упорами,
равном 1:4, можно заключить, что Gs  G [9, 11]. В результате проведенных экспериментов
были получены полностью равновесные диаграммы деформирования образцов из
полимербетонов (ПН-609-21М, ФАМ, ФАЭИС-30). По полученным диаграммам (рис. 3),
были рассчитаны основные характеристики трещиностойкости, приведенные в таблице.
Рис. 3 – Полностью равновесные диаграммы деформирования при расклинивании
испытуемых образцов из ПКМ размером 40×40×160 мм с инициирующими надрезами
глубиной 9 мм (ширина надрезов 1 – 1,2 мм)
Таблица
Основные характеристики полимербетонов, полученные по результатам равновесных
испытаний при расклинивании
№
Наименование
Номер
Rb,
Rbt,
Eb,
Gi ,
Kic,
Lc ,
п/п
ПКМ
образца
МПа
МПа
ГПа
Дж/м2
мН/м
м
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1’
87,0
12,0
32,1
108,0
1,25
0,58
2‘
84,0
10,0
26,3
95,0
1,20
0,51
1
64,0
7,0
15,0
92,0
1,18
0,46
2
29,0
5,2
44,26
96,78
1,12
0,42
1
ФАЭИС-30
  0, 225
2
ПН-609-21Н
  0, 225
3
ФАМ
  0, 225
4
Данные Л.С.
Майоровой
  0, 225 [55]
Таким образом, методами механики разрушения получены равновесные диаграммы
деформирования
трещиностойкости.
исследуемых
Из
ПКМ
сравнения
и
определены
полученных
основные
значений
основных
характеристики
характеристик
трещиностойкости ПКМ видно, что наибольшие значения удельной эффективной энергии
разрушения Gi , критического коэффициента интенсивности напряжений Kic (вязкости
разрушений) и критической длины lc , характеризующей склонность материала к хрупкому
разрушению,
получены
для
полимербетона
(ФАЭИС-30).
Значения
характеристик
уменьшаются для полимербетонов ПН-609-21М и ФАМ, приближая их к характеристикам
вибропрессованного мелкозернистого бетона, модифицированного эпоксидосодержащими
отходами [11]. Это обусловлено более высокой степенью плотности полимербетонов и
повышенной адгезией связующих к зернам заполнителя и более высокой прочностью
материалов.
Список литературы
1. Поветкин С.В., Борков П.В., Бондарев А.Б. Трещиностойкость деревянных
элементов конструкций транспортных сооружений на лесовозных дорогах // Вестник
Волгоградского
государственного
архитектурно-строительного
университета.
Серия:
Строительство и архитектура. 2009. № 16(35). С. 40-45.
2. Акчурин Т.К., Ушаков А. В. Теоретические и методические вопросы определения
характеристик трещиностойкости бетона при статическом нагружении. Волгоград : Изд-во
ВолгГАСУ, 2005. 407 с.
3. Борков П.В., Комаров П.В., Бондарев А.Б., Бондарев Б.А. Ускоренный метод
прогнозирования циклической долговечности полимерных композиционных материалов //
Научный
вестник
Воронежского
государственного
архитектурно-строительного
университета. Строительство и архитектура. 2013. № 3 (31). С. 46-51.
4. Карабутов Н.Н., Бондарев Б.А., Шмырин А.М. Синтез математических моделей для
исследования свойств полимеробетона в системе автоматизированной диагностики
дорожных покрытий // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2006. № 4.
С. 27-30.
5. Шевченко
В.И.
Применение
методов
механики
разрушения
для
оценки
трещиностойкости и долговечности бетона. Волгоград : ВолгПИ, 1988. 104 с.
6. Бондарев Б.А., Черноусов Р.Н. Определение модуля упругости и предела прочности
сталефибробетона
при
растяжении
методом
расклинивания
//
Научный
вестник
Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство
и архитектура. 2008. № 3. С. 67-71.
7. Черноусов Р.Н., Черноусов Н.Н., Бондарев Б.А., Кораблин А.А. Малоцикловая
усталость сталефиброшлакобетона // Промышленное и гражданское строительство.
2010. № 5. С. 66-68.
8. Майорова Л.С. Модифицирование мелкозернистых цементных бетонов минеральнополимерными отходами : автореф. дис. … канд. техн. наук. Волгоград, 2007. 19 с.
9. Бондарев Б.А., Борков П.В., Комаров П.В., Бондарев А.Б. Экспериментальные
исследования циклической долговечности полимерных композиционных материалов //
Современные проблемы науки и образования. 2012. № 6.
10.
Карабутов Н.Н., Бондарев Б.А., Шмырин А.М. Синтез математических моделей
для исследования свойств полимеробетона в системе автоматизированной диагностики
дорожных покрытий // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2006. № 4.
С. 27-30.
11.
Ушаков
А.В.
Основные
закономерности
деформирования
обычного
жаростойкого бетонов при нагреве : автореф. дис. … канд. техн. наук. Волгоград, 2006. 22 с.
и
References:
1. Povetkin S. V., Borkov P. V., Bondarev A. B. Fracture of the wooden elements of
structures transport structures on logging roads // Vestnik of Volgograd state University of
architecture and construction. Series: Construction and architecture. 2009. No. 16(35). P. 40-45.
2. Akchurin, T. K., Ushakov V. A. Theoretical and methodological issues of determining the
characteristics of crack resistance of concrete under static loading. Volgograd : publishing house of
the M. SC, 2005. 407 S.
3. Borkov P. V., Komarov P. V., Bondarev A. B., B. A. Bondarev A rapid method for
predicting the cyclic durability of polymer composites // Scientific Herald of the Voronezh state
University of architecture and construction. Construction and architecture. 2013. No. 3 (31). P. 4651.
4. Karabutov N. N., Bondarev B. A., graduate of A. M. Synthesis of mathematical models to
study the properties of polimerisation in the automated diagnosis of road surfaces // Devices and
systems. Management, control, diagnostics. 2006. No. 4. Pp. 27-30.
5. Shevchenko V. I. The use of the methods of fracture mechanics for the evaluation of the
crack resistance and durability of concrete. Volgograd : Volpi, 1988. 104 p.
6. Bondarev B. A., A. R. N. Determination of elastic modulus and ultimate strength of
concrete in tension method of rasklinivanie // Scientific Herald of the Voronezh state University of
architecture and construction. Construction and architecture. 2008. No. 3. P. 67-71.
7. Chernousov R.N., Chernousov N. N., Bondarev B. A., Korablin A. A. Low cycle fatigue of
stalefibrobetona // Industrial and civil construction. 2010. No. 5. P. 66-68.
8. Mayorov S. L. Modification of fine-grained cement concrete mineral-polymer waste :
author. dis. ... candidate. tech. Sciences. Volgograd, 2007. 19 p
9. Bondarev B. A., Borkov P. V., Komarov P. V., Bondarev A. B. Experimental study of
cyclic durability of polymer composites // Modern problems of science and education. 2012. No. 6.
10. Karabutov N. N., Bondarev B. A., graduate of A. M. Synthesis of mathematical models to
study the properties of polimerisation in the automated diagnosis of road surfaces // Devices and
systems. Management, control, diagnostics. 2006. No. 4. Pp. 27-30.
11. Ushakov A.V. the Main deformation of normal and heat-resistant concrete during heating:
author. dis. ... candidate. tech. Sciences. Volgograd, 2006. 22 p
Об авторах:
Бондарев Александр Борисович — канд. техн. наук, заместитель начальника управления начальник отдела инноваций и проектирования Управления дорог и транспорта Липецкой
области; 398600. г. Липецк, ул. Неделина, д. 2а; ialex_86@mail.ru.
Бондарев Борис Александрович — д-р техн. наук, профессор, Липецкий государственный
технический университет. Российская Федерация, 398600, г. Липецк, ул. Московская, 30;
Липецкий казачий институт пищевых технологий (филиал) ФГБОУ ВО «Московский
государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского» (Первый
казачий университет)»; LNSP-48@mail.ru.
Борков Павел Валерьевич — канд. техн. наук, доцент, Липецкий государственный
технический университет. Российская Федерация, 398600, г. Липецк, ул. Московская, 30;
Липецкий казачий институт пищевых технологий (филиал) ФГБОУ ВО «Московский
государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского» (Первый
казачий университет)»; borkovpv@mail.ru.
Шифр основной специальности - 05.23.11
Рецензент: д.т.н., проф. Кочетков Андрей Викторович, СГТУ.