Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Иванов Дмитрий Владимирович
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ УТЕПЛИТЕЛЯ (НА ПРИМЕРЕ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА) В ДОРОЖНЫХ ОДЕЖДАХ С ОПТИМАЛЬНЫМ ВОДНО-ТЕПЛОВЫМ РЕЖИМОМ
Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Волгоград 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Тамбовском государственном техническом университете Научный руководитель Доктор технических наук, профессор Ярцев Виктор Петрович Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор Бондарев Борис Александрович, ФГБОУ ВПО Липецкий государственный технический университет, профессор кафедры Строительные материалы (г. Липецк) Доктор технических наук, профессор Барабаш Дмитрий Евгеньевич, ФГБОУ ВПО Воронежский государственный архитектурно-строительный университет профессор кафедры Строительных конструкций, оснований и фундаментов (г. Воронеж) Ведущая организация ФГБОУ ВПО Пензенский государствен- ный университет архитектуры и строитель- ства
Защита состоится л 25 октября 2012 года в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 в ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая,1, ауд. Б-2
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
Автореферат разослан л 24 сентября 2012 года
Ученый секретарь Акчурин диссертационного совета Талгать Кадимович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В Российской Федерации в настоящее время объёмные и качественные характеристики транспорта, особенно его инфраструктуры, не позволяют в полной мере эффективно решать задачи растущей экономики. С каждым годом доля перевозок на автомобильных дорогах возрастает. Однако темпы развития сети автомобильных дорог не успевают за резким ростом спроса на ее услуги. Половина общего объёма перевозок по дорогам федерального значения осуществляется в условиях превышения нормативного уровня загрузки дорожной сети, поэтому многие дороги страны по технико-экономическим показателям не удовлетворяют требованиям современного движения. Это снижает производительность транспорта и безопасность движения, увеличивает стоимость перевозок, уменьшает прочность и сокращает срок службы дорог.
Помимо воздействий от проезжающих транспортных средств, в период эксплуатации дороги вследствие воздействия температуры воздуха, атмосферных осадков, поверхностных и грунтовых вод земляное полотно и дорожная одежда периодически имеют определённый водно-тепловой режим. Поэтому нерационально подобранная конструкция дорожной одежды и неправильно выбранный способ регулирования водно-теплового режима вызывают снижение прочности, разуплотнение грунта, образование пучин зимой и просадок весной, трещинообразование покрытий.
Одним из актуальных решений указанной проблемы является переход к нетрадиционным (специальным) методам регулирования водно-теплового режима земляного полотна, например введение теплоизолирующего слоя из экструзионного пенополистирола. Однако такие меры требуют от российского транспорта пересмотра не только нормативных документов на проектирование и строительство дорог, но обоснованного подхода в применении инновационных материалов. В частности, несмотря на успешный опыт применения пенополистирола в дорожных конструкциях, отсутствуют достоверные данные о поведении физикомеханических характеристик материала в процессе эксплуатации, нет чёткой методики прогнозирования долговечности (работоспособности) материала в таких конструкциях в действующем эксплуатационном диапазоне температурных и силовых воздействий.
Целью диссертационной работы является разработка методики проектирования теплоизолирующего слоя (на примере пенополистирола) с максимальным сроком эксплуатации в дорожных одеждах при создании оптимального воднотеплового режима.
В работе поставлены следующие задачи:
определить температурный диапазон эксплуатации пенополистирольных плит в конструкции земляного полотна и дорожной одежды;
определить основные виды и величину силовых воздействий на плиты утеплителя в конструкции дорожной одежды и их величину;
исследовать закономерности разрушения и деформирования пенополистирола при статических и циклических силовых воздействиях, температурновлажностных колебаниях, наличии жидких агрессивных сред;
исследовать изменение теплофизических характеристик материала (коэф- фициент теплопроводности, коэффициент линейного термического расширения) при различных эксплуатационных воздействиях.
Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечивается проведением экспериментов с необходимым количеством повторных испытаний;
статистической обработкой экспериментальных данных; сопоставлением результатов исследований с аналогичными данными других авторов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
изучено температурное поле земляного полотна и дорожной одежды, теоретически доказана целесообразность применения пенополистирольных плит для создания оптимального водно-теплового режима;
предложена методика для определения температуры по слоям дорожной одежды, определен температурный диапазон эксплуатации пенополистирольных плит в рассматриваемых конструкциях дорожных одежд;
проанализировано напряженно-деформированное состояние земляного полотна и дорожной одежды, определен силовой диапазон эксплуатации пенополистирольных плит;
получены значения физических и эмпирических констант пенополистирольных плит, определяющих их работоспособность при разрушении и деформировании, воздействии агрессивных сред и климатических факторов;
предложена методика прогнозирования работоспособности утеплителя в конструкциях дорожных одежд в условиях максимально приближенных к эксплуатации.
Практическое значение работы заключается в следующем:
уточнена расчетная формула (верхнее граничное условие первого рода) для построения температурного поля и земляного полотна, учитывающая наличие на поверхности покрытия и полосы отвода конвективного теплообмена, снегового и напочвенного покрова, действие солнечной радиации и температуры воздуха;
на основании анализа существующих расчетных формул получены обобщённые уравнения для определения основных теплофизических характеристик материалов (теплопроводности, теплоемкости, плотности) дорожной одежды в зависимости их влажности;
предложена комбинированная методика для определения температуры по слоям дорожной одежды и земляного полотна при известных теплофизических характеристиках используемых материалов;
на основании анализа методов расчета напряженно-деформированного состояния земляного полотна и дорожной одежды предложена методика определения напряжений по слоям дорожной одежды;
с позиции термофлуктуационной концепции исследованы закономерности разрушения и деформирования экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКСв широком диапазоне напряжений и температур, максимально приближенных к эксплуатационным. Определены термофлуктуационные константы, описывающих напряжённо-деформированное состояние материала при различных видах нагружения;
получены диаграммы работоспособности материала в зависимости от срока службы материала и температурно-силовых воздействий, разработана методика прогнозирования работоспособности экструзионного пенополистирола в конструкциях дорожных одежд с оптимальным водно-тепловым режимом. Даны практические рекомендации по проектированию и эксплуатации конструкций с использованием экструзионного пенополистирола в качестве морозозащитного (теплоизолирующего) слоя.
Внедрение результатов работы. Результаты исследований реализованы в рабочем процессе муниципального казенного предприятия Дирекция городских дорог в г. Тамбове.
Автор защищает:
результаты теоретических исследований температурного поля земляного полотна и дорожной одежды с использованием экструзионного пенополистирола;
комбинированную методику определения температуры по слоям дорожной одежды;
результаты исследования закономерностей разрушения и деформирования экструзионного пенополистирола при механических воздействиях, с учётом агрессивных сред и погодно-климатических факторов;
методику выбора физико-технических параметров экструзионного пенополистирола и прогнозирования его работоспособности в конструкциях дорожных одежд.
Апробация работы и публикации. Материалы работы докладывались и обсуждались на I и II академических чтениях Актуальные вопросы строительной физики посвященных памяти академика РААСН Осипова Георгия Львовича, НИИСФ, 2009г., 2010г.; Международной конференции, посвященной 80-летию строительного образования и 40-летию архитектурного образования Волгоградской области, Волгоград, 2010г.; Международной научно-технической конференции Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ, Санкт-Петербург, 2010г.; VII международной научно-практической конференции Vdeck pokrok na pelomu tysyachalety - 2011 Прага, 2011г.;
Международной конференции Новые дороги России, Пенза, 14-17ноября 2011г.
Публикации. Основные положения диссертации отражены в 13 печатных трудах, из них 4 работы в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, издано одно учебное пособие Физико-механические и теплофизические основы применения пенополистирола при дополнительном утеплении зданий и сооружений (Издательство ТГТУ 2010г.), которое рекомендовано Государственным профессиональным учреждением высшего профессионального образования Московский государственный строительный университет в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 270100 Строительство.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и содержит 210 страниц машинописного текста, включая 22 таблицы, 115 рисунков, список литературы из 156 наименований и приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении определён круг современных проблем в развитии транспорта в Российской Федерации, обоснована актуальность, сформулированы цели и задачи исследований.
В первой главе приводится обзор исследований отечественных и зарубежных авторов, посвящённых изучению водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог и способов его регулирования. Подробно рассмотрены процессы миграции влаги в теле полотна и процессы пучинообразования, методы создания оптимального водно-теплового режима. Рассмотрены физико-механические и теплофизические свойства экструзионного пенополистирола, область применения его в дорожно-строительной отрасли.
Значительный вклад в развитие теоретических представлений о воднотепловом режиме и способах его регулирования внесли работы видных ученых страны Цытовича Н.А., Пузакова Н.А, Бабкова В.Ф., Далматова Б.И., Орлова В.О., Тулаева А.Я, Сиденко В.М., Бируля А.К., Рувинского В.И. и мн. других. Согласно проведенным ими исследованиям в период эксплуатации дороги земляное полотно и дорожная одежда имеют определенный водно-тепловой режим. Поэтому количество влаги W, находящееся в земляном полотне, не остается в течение года постоянным и изменяется за определенный промежуток времени согласно уравнению водного баланса:
= ( + + ) - ( + + ), (1) где - осадки, выпадающие на земляное полотно; - просачивание воды, притекающей с прилегающей к дороге местности; - приток воды от уровня грунтовых вод по капиллярам, а также в результате пленочного и парообразного перемещения влаги; - сток воды с земляного полотна; - испарение влаги с поверхности грунта; - просачивание воды из земляного полотна в глубинные слои грунта.
Для защиты земляного полотна автомобильных дорог от переувлажнения прибегают к использованию специальных конструктивных и технологических мероприятий направленных на создание оптимального водно-теплового режима. Отмечена высокая эффективность использования экструзионного пенополистирола при применении его в качестве теплоизолирующего (морозозащитного) слоя для этих целей. Приведены примеры применения пенополистирольных плит в утепляющих конструкциях, кратко рассмотрены физико-механические и теплофизические характеристики применяемых пеноматериалов.
По результатам анализа литературных источников также установлено, что в настоящее время отсутствует единая методика позволяющая прогнозировать срок службы утеплителя в таких конструкциях. Для разработки методики прогнозирования работоспособности утеплителя в конструкциях дорожных одежд в работе предлагается использовать кинетическую концепцию разрушения и деформирования твёрдых тел.
Основные положения этой концепции были сформулированы в фундаментальных работах С.Н. Журкова, получили дальнейшее развитие в исследованиях Г.М. Бартенева, В.Р. Регеля, С.Б. Ратнера, А.И. Слуцкера, В.П. Ярцева и др. Согласно кинетической концепции работоспособность материалов определяется комплексом из трёх взаимно связанных параметров - долговечности, эксплуатационной нагрузки и температуры. Основные параметры работоспособности материалов (временной, силовой и температурный) при разрушении и деформировании определяются рядом физических констант, входящих в обобщённое уравнение долговечности:
= 1 -, (2) где t - прочностная (t=) или деформационная (t=) долговечность; tm - минимальная долговечность (период колебания кинетических единиц: атомов при разрушении tm=m; сегментов и звеньев цепи - при деформировании tm=m); U0 (U0(д))Ц максимальная энергия активации разрушения (размягчения); ((д)) - структурномеханическая константа; Tm (Tm(д)) Цпредельная температура разложения (размягчения) материала; - напряжение; T - температура.
Уравнение (2) адекватно описывает зависимости долговечности материалов от напряжения и температуры, имеющие линейный характер и сходящиеся в точку (полюс) в координатах lg- (lg-1/T) при малых значениях долговечности (лпрямой пучок). Встречаются так же случаи изменения зависимостей (лобратный пучок, параллельные прямые). Для обратной зависимости справедливо уравнение, предложенное В.П. Ярцевым:
= - 1, (3) где tm=(m или m), U0, и Tm - эмпирические константы.
При трансформации зависимостей к параллельным прямым используется уравнение:
= exp(- ). (4) В соответствии с принципом температурно-временной силовой эквивалентности из уравнений (2)-(4) могут быть выражены силовой ( = (, )) и температурный ( = (, )) параметры работоспособности материала. Таким образом, открывается возможность прогнозировать работоспособность утеплителя в конструкциях дорожных одежд в широких пределах.
Вторая глава диссертационной работы посвящена методическим вопросам.
В работе рассматривается участок автомобильной дороги, проходящий в невысокой насыпи из сильно пучинистого грунта (суглинок пылеватый), с 3 расчётной схемой увлажнения земляного полотна. Дорожная одежда на рассматриваемом участке представлена жёстким и нежёстким типом покрытия с морозозащитным (теплоизолирующим) слоем из экструзионного пенополистирола и без него.
В качестве объекта исследования выбран экструзионный пенополистирол ПЕНОПЛЭКС45 (ТУ 5767-006-56925804-2007, ООО ПЕНОПЛЭКС СПб, г. С.Петербург).
Описана методика проведения испытаний, приборы и приспособления для проведения экспериментальных исследований. Дана последовательность математического моделирования температурного режима земляного полотна и дорожной одежды в программном комплексе COMSOL Multiphysics 3.3. Приведены физикомеханические и теплофизические характеристики материалов земляного полотна и дорожной одежды.
Приводится методика обработки экспериментальных результатов, дан пример статистической обработки экспериментальных результатов длительных испытаний.
В третьей главе представлены результаты исследований диапазона температурно-силовых воздействий на экструзионный пенополистирол в конструкциях дорожных одежд различных типов. Описаны возможные способы возникновения агрессивных сред в земляном полотне и дорожной одежде, их предположительный состав.
По результатам исследований Сиденко В.М. для определения температуры в любой точке по глубине конструкции дорожной одежды предложена формула:
( п (, ) = в.ср + г - в.ср + )/, (5) где Tв.ср - средняя температура воздуха за период t, С; RпЦ тепловое сопротивление, характеризующее теплообмен покрытия с воздухом (м2К)/Вт; Rx - тепловое сопротивление слоев, расположенных выше глубины х, (м2К)/Вт; R - суммарное тепловое сопротивление всех слоев дорожной конструкции и земляного полотна до глубины H (м2К)/Вт.
Для того чтобы воспользоваться этой формулой необходимо знать температуру грунтов открытого поля Tг расположенного в непосредственной близости от рассматриваемого участка. В связи с этим, для выявления закономерностей распределения температуры по глубине грунтового массива было проведено натурное наблюдение в период с 20 октября по 20 апреля 2011г. С учетом полученных данных о распределении температуры воздуха было проведено математическое моделирование температурного поля земляного полотна и дорожной одежды в программном комплексе COMSOL Multiphysics 3.3.
В общем случае, температура верхней ограничивающей поверхности зависит от температуры воздуха, радиационного баланса рассматриваемой поверхности, конвективного теплообмена, наличия снегового или растительного покрова и определяется выражением:
гп = в + + 0,07 М сн, (6) где гп -тепмпература поверхности К, в -температура воздуха К, В - радиационный баланс, ккал/м2 мес, - затраты тепла на испарение, ккал/м2 мес, Ам - годовая амплитуда колебаний температуры воздуха, град, сн - термическое сопротивление снега, м2часград/ккал, к - коэффициент теплоотдачи, ккал/м2часград.
Формула (6) была выбрана в качестве верхнего граничного условия при моделирование процессов теплопереноса. Для уточнения данной формулы отдельно были рассмотрены все составляющие, оценено влияние наличия напочвенного слоя на амплитуду температурных колебаний.
Нижняя расчётная граница была выбрана на глубине 3,2 м от поверхности почвы. Изменение температуры описывается уравнением нг = + ( М12), (7) где T0 - среднегодовая температура, T - амплитуда колебаний Приводятся обобщённые уравнения для определения теплофизических характеристик материалов дорожной одежды и земляного полотна в зависимости от влажности.
Учитывая сложность поставленной задачи, за начало отсчёта выбран момент максимального осушения земляного полотна (1 июня), а максимальное и минимальное значение температуры будут наблюдаться соответственно в середине июля и января.
Для определения начального распределения температуры по слоям дорожной одежды и земляного полотна (, ) используем формулу (5). Тогда для определения температуры грунтов открытого поля г можно воспользоваться формулой:
2 г = А - - + ср, (8) где - расстояние от поверхности грунта до рассматриваемой точки (Н), - рассматриваемый период, ср - среднегодовая температура поверхности почвы.
Результаты математического моделирования показывают: промерзания в конструкциях с использованием теплоизолирующих слоёв нет, температура под поверхностью пенополистирольных плит в зимний период колеблется в пределах л0 C. В то же время в аналогичных конструкциях, но с традиционным теплоизолирующим слоем из песка температура упала до л510 C. Изменилось направление тепловых потоков: вместо температурно-влажностных градиентов направленных перпендикулярно поверхности покрытия, наблюдается изменение направления в сторону менее теплоизолированных обочин и откосов. Таким образом, применение экструзионного пенополистирола позволяет предотвратить промерзание земляного полотна в активной зоне и, снизив температурно-влажностные градиенты, создать наиболее оптимальный водно-тепловой режим.
На основании проведённых теоретических исследований и анализа литературных источников предложена комбинированная методика определения распределения температуры по слоям дорожной одежды.
Поскольку слои дорожной одежды имеют различные свойства, которые поразному изменяются при изменении влажности, температуры и величины нагрузки, то оценка напряжённо-деформированного состояния дорожной одежды и земляного полотна в целом представляет собой большие трудности, не разрешённые дорожной наукой в должной степени до сих пор. Поэтому был проведён анализ существующих методов расчёта напряжённо-деформированного состояния дорожной одежды и земляного полотна.
Теоретические и экспериментальные исследования установили:
под действием транспортных нагрузок в слоях дорожной одежды возникают напряжения, постепенно затухающие с глубиной (рис.1).
Для определения распределения напряжений под нагрузкой, равномерно распределённой на круглой площадке, по вертикальной оси из- Рисунок 1 - Распределение напряжений в многослойной дорожной одежде: а) эпюра вертикальных вестно решение Ж. Буссине для изонапряжений ; б) эпюра горизонтальных напряжетропного массива, где -радиус ний ; 1- покрытие, 2- основание, 3- дополнительштампа:
ный слой основания, 4- подстилающий грунт, 5- напряжения в дорожной одежде, 6- напряжения в = Р 1 - ( (9) однородном грунте ) Однако область применения формулы Буссине для многослойных дорожных одежд ограничена структурными особенностями интегральных формул. Учитывая это, М.Я. Якуниным в 30-х годах прошлого века для описания распределения напряжений в однородной среде была предложена эмпирическая формула вида:
=, (10) где - эмпирический коэффициент, связанный с закономерностью распределения напряжений.
Дальнейшие исследования показали: в многослойной среде, когда жёсткости соседних слоёв различаются в значительной мере, распределение напряжений не подчиняется законам однородной среды. Поэтому Г.И. Покровский предложил вместо более жёсткого верхнего слоя ввести слой большей толщины, дающий то же расРисунок 2 - Схема к определению понятия об пределение напряжений в нижнем слое, эквивалентном модуле упругости многослойно не отличающийся от него по своей ной системы жёсткости (рис. 2).
В настоящее время в качестве расчётной модели дорожной одежды с покрытием капитального типа принято слоистое линейно-деформируемое упругое полупространство, на поверхность которого действует вертикальная нагрузка, распределённая равномерно по площади круга. В результате решения смешанной задачи теории упругости и механики зернистых сред при 0, когда на поверхности действует равномерно распределённая по площади круга диаметром нагрузка, Маркуцом В.М. было получено:
( ) = ( ), (11) Структура полученной формулы отражает гиперболический закон распределения нормальных вертикальных напряжений по глубине в однородном изотропном массиве. Расчёты по формуле (11) наиболее адекватно описывают данные натурных испытаний типовых конструкций дорожных одежд.
Отличительной особенностью цементобетонных покрытий является то, что под воздействием нагрузки бетонная плита, образуя чашу прогиба, рис. 3, распределяет давление покрытия на большую площадь основания. Поскольку =, то = 1,4 б общ, а далее расчет можно производить, используя Рисунок 3 - Схема к определению напряженновыше приведённые формулы.
деформированного состояния в жестких Анализ видов воздействий на пено- дорожных одеждах: 1 - бетонное покрытие; 2 - укрепленное основание; 3 - грунт земляного полистирольные плиты в конструкции полотна дорожных одежд также требует рассмотрения грунтово-геологических условий. Значительная территория страны характеризуется наличием структурно-неустойчивых грунтов, часть из которых представлена засоленными почвами, что требует учёта возможного агрессивного воздействия солей на устойчивость земляного полотна и долговечность дорожной одежды. Проникновение агрессивных сред возможно также при обработке поверхности дороги противогололедными средствами. Поэтому было смоделировано хлоридносульфатное (раствор №1) и сульфатно-хлоридное (раствор №2) засоление грунтов земляного полотна.
Таким образом, в 3 главе, по результатам теоретических исследований опре- делены пределы температурно-силовых и иных видов воздействий, что позволяет более обоснованно подойти к прогнозированию работоспособности утеплителя в конструкциях дорожных одежд.
В четвертой главе приведены результаты исследований закономерностей разрушения и деформирования экструзионного пенополистирола с точки зрения термофлуктуационной концепции исходя из определенных в предыдущей главе возможных видов воздействий.
В процессе эксплуатации в конструкциях автомобильных дорог пенополистирольные плиты подвергаются постоянному деформированию как со стороны проезжающих транспортных средств, так и от веса вышележащих слоёв одежды. При деформировании сжатием в координатах ( ) - наблюдается семейство веерообразных прямых сходящихся в точку, описываемое уравнением (2), рис. 4. По-видимому, такой вид эксРисунок 4 - Зависимость логарифма долговечности периментальной зависимости связан () от напряжения () при сжатии ПЕНОПЛЭКС45 до величины относительной деформации 5% с характером разрушения межмолекулярных связей при деформировании. Наблюдается комбинация механизмов деформирования: вначале происходит деформирование тяжей на высоту одной или нескольких ячеек, что приводит к переориентации структуры. При достижении материалом 10%-ой относительной деформации происходит уменьшение, что косвенно подтверждается резким повышением величины, отражающей неравномерность силового поля по сечению нагружаемого элемента, см. табл.1. В результате происходит смятие поперечного слоя сразу на высоту не одной, а нескольких десятков ячеек, наблюдается обвальное нарастание деформаций. Этот слой расширяется за счёт смятия прилегающего слоя и становится видимым невооружённым глазом. Это определяет кооперативность перемещения сегментов и подтверждается значительным ростом до деформации 20% и снижением за счёт уплотнения структуры материала, см.
табл.1.
Таблица Физические константы при различных величинах деформирования Величина относительной Константы деформации, % m, с Tm, K U0, кДж/моль , кДж/(мольМПа) 5% 10-0,2 356,51 399 710% 10-0,85 371,74 325 1620% 10-0,07 336,70 438 8Для прогнозирования деформационных характеристик пенополистирольных плит были построены зависимости скорости деформирования от обратной температуры. В результате были получены семейства веерообразных прямых сходящихся в точку. Данные зависимости имеют вид лобратного пучка и описываются уравнением вида Аррениуса:
(тв) (тв) (тв) = 1 - (12) т(тв) где Vm(тв) (начальная кажущаяся скорость внедрения индентора в поверхность материала), U0(тв) (начальная энергия активации), (тв) (структурноЦмеханический фактор), Тm(тв) (предельная температура существования материала) - физические константы материала; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура; Н(тв) - твёрдость материала, которая определяется по формуле: Н(тв) = N/(Dh), в которой N - сила, приложенная к шарику (индентору); D - диаметр индентора; h - глубина внедрения индентора в поверхность материала.
Полученные значения эмпирических констант (табл. 2) позволяют прогнозировать скорость деформирования пенополистирола во времени.
Таблица Значения констант при деформировании пенополистирольных плит (lgvm(тв)), [мм/с] (Tm(тв)), К (U0(тв)), кДж/моль ( (тв)),кДж/(мольМПа) 10-2,63 346 -65,47 10,Эксплуатационную способность материала во многом определяет величина остаточной (необратимой) деформации. Учитывая, что явление ползучести особенно характерно для термопластов из-за их высокой чувствительности к температуре и нагрузке, были проведены соответствующие испытания. Полученные зависимости представляют собой петли гистерезиса. Анализ экспериментальных данных показывает, что величина упругой (обратимой) деформации для экструзионного пеполистирола не зависит от полной и составляет порядка 1,2 %. Перестраивая экспериментальные данные, приведённые на рис. 5, в координаты - находим для деформации 2 % предельное значение напряжения 0,13 МПа.
,% МПа МПа МПа МПа 0 0,5 1 5 10 168, часов Рисунок 5 - Деформация ползучести экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЕКС45 (T=303 К) Экспериментально установлено: для исследуемого материала выше 10% наступает закритическая область деформирования, после которой материал в конструкции уже не работает. Поэтому необходимо ограничить величину упругой деформации величиной 2%, а расчёты на прочность производить при линейной относительной деформации до 5%.
В дорожных конструкциях пенополистирольные плиты при определённых условиях могут так же подвергаться разрушению изгибом. Были проведены соот- ветствующие экспериментальные исследования. Из рисунка 6 видно, что полученные линейные зависимости образуют семейства параллельных прямых, описываются уравнением (4).
Данные таблицы 3 показывают, что соответствует энергии активации разрыва химических связей, При этом, поскольку оно равно энергии деструкции полимера а, а - структурРисунок 6 - Зависимость логарифма долговечноно-механический фактор, аналогичный сти () от напряжения() при изгибе ПЕНОПЛ, напряжение действует независимо от ЭКСтемпературы.
Таблица Константы ПЕНОПЛЭКС45 при изгибе *, с U, кДж/моль , 1/МПа 10-5,3 90,16 Оценивая сложнонапряжённое состояние, которому подвержены пенополистирольные плиты в конструкции дорожных одежд, необходимо учитывать также цикличность действия нагрузок.
Усталостная прочность материала определяется накоплением повреждений. В работах Паншина Б.И. было получено аналитическое выражение для расчёта циклической долговечности ц:
ц = 1 - /[1 - (1 - 1/ ) ], (13) где -верхний, -нижний предел напряжений в цикле, = / -коэффицинет ассиметрии цикла, = (- )- долговечность при постоянном напряжении.
Таким образом, открывается путь к прогнозированию долговечности пенополистирола в реальных условиях эксплуатации. Для этого достаточно выявить константы, описывающие поведение материала при статическом растяжении с изгибом, см. табл. 4.
Таблица Физические константы, входящие в уравнение (2) m, с Tm, K U0, кДж/моль , кДж/(мольМПа) 10-5,15 625 258 16Помимо силовых воздействий пенополистирольные плиты подвержены воздействию агрессивных сред и циклов замораживания оттаивания, которые могут привести к снижению долговечности на один и более порядков. Результаты исследования влияния циклов замораживания-оттаивания на долговечность пенополистирола представлены в таблице 5.
Из таблицы 5 видно, что после воздействия знакопеременных температур происходит изменение физических констант, что свидетельствует об изменении структуры материала, за счёт разрушающего действия расширяющейся при замерзании воды и термического расширения-сжатия материала при переходе через л0 С. Также наблюдается снижение долговечности: с 107,95с для материала не подвергавшемуся воздействию циклов до 107,43с после 55 циклов.
Таблица Константы после воздействия погодно-климатических факторов и агрессивных сред.
Количество Константы Долговечциклов, вид ,кДж/(моль U, U0, агрессивной *, m, с Tm, K МПа) ность, с кДж/моль среды , 1/МПа 10 циклов 10-2,5 465,12 323 441 107,55 циклов 10-0,5 454,54 274 400 107,деформирование до 10% 3 суток 101,6 333,22 153,5 57,07 106,15 суток 103,62 239,23 -78,5 46,72 105,30 суток 100,59 363,64 321,3 57,08 1015,3 суток 103,54 262,47 159,7 57,07 102,15 суток 103,38 279,33 333,4 57,08 104,30суток 103,84 262,47 159 57,07 102,разрушение изгибом 3 суток 105,05 252 -246 618,33 1017,15 суток 100,5(5,5) 476(259,74) 305(-208) 516,83(616,17) 108,30 суток 10-0,2 400 447 727,83 108,3 суток 3*10-3 - 65,1 18,73 105,3,88*10-15 суток - 109(12,6) 21,17 103,(1,95*1013) 5,9*10-30суток - 172,1(26) 24,45 104,(3,73*1012) *в скобках указаны константы в интервале температур 35-50 С ** долговечность для разрушения изгибом и циклов замораживания-оттаивания рассчитана из условия =0,35МПа, Т=300К, для процессов деформирования =0,15МПа и температуре Т=273К.
Исследование поведения экструзионного пенополистирола при одновременном действии нагрузки и агрессивной среды проводили в режиме кратковременного (с заданной скоростью) и длительного нагружения. Анализ экспериментальных данных показывает, что выбранные среды являются активными и приводят к существенному изменению некоторых констант при разрушении пенополистирола.
Эти изменения вызваны химическими реакциями, протекающими в материале при замачивании и приводящими к изменению структуры материла, см. табл. 5. Учитывая, что пребывание в агрессивных средах, вызывает некоторое ожестчивание структуры пенополистирола, было оценено изменение коэффициента линейного термического расширения после воздействия соответствующих растворов, табл. 6.
Таблица Значения коэффициента линейного термического расширения пенополистирола при воздействии агрессивных сред Раствор №1 Раствор №Время замачивания, суток 3 15 30 3 15 Коэффициент линейного термического 0,1 0,5 0,6 0,4 0,4 0,расширения, 10-6С-Раст Раст Раст. №. №.№Раст. №Постоянство коэффициента теплопроводности при воздействии погодноклиматических факторов и агрессивных сред указывает на сохранение макроструктуры материала в процессе эксплуатации.
Следует отметить влияние наличия и положения поверхностной плёнки на величины разрушающего напряжения, см. табл. 7.
Таблица Влияние положения поверхностной плёнки на прочностные характеристики ПЕНОПЛЭКСНапряжение при изгибе, МПа плёнка вверх плёнка вниз без плёнки полное сечение 0,866 0,65 0,72 0,Предлагается ввести в расчёты понижающий коэффициент Кп, учитывающий влияние плёнки. Он будет определяться выражением, МПа п.с. = = 0,58. (14) Кп = п/в, МПа При деформировании его можно не учитывать.
В пятой главе обобщаются результаты диссертационной работе, даются практические рекомендации по применению пенополистирольных плит в конструкции дорожных одежд и земляного полотна. Приводятся диаграммы работоспособности пенополистирола в зависимости от температурно-силового диапазона эксплуатации. Предложена методика прогнозирования работоспособности утеплителя (на примере пенополистирола) в конструкции дорожных одежд. Приведены примеры прогнозирования работоспособности утеплителя в различных эксплуатационных условиях, табл. 8.
Таблица Долговечность пенополистирольных плит в конструкция дорожных одежд Долговечность (с поправКатегория авто- Температур- Силовой диапазон эксплуками на влияние погодномобильной доро- ный диапазон атации (с учетом коэффиклиматических факторов ги и тип покры- эксплуатации, циента динамичности), и действие агрессивных тия С МПа сред), с III, нежесткий 0 - 25,85 0,083 109,01 / 108,III, жесткий 0 - 27,78 0,029 109,22 / 109,* в числителе долговечность при деформировании, в знаменателе при разрушении ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Рассмотрен водно-тепловой режим земляного полотна и дорожной одежды, подробно описаны современные представления о механизмах тепловлагопереноса, и процессов пучинообразования, приводящих к разрушению дорожной одежды. Рассмотрены методы и способы создания оптимального воднотеплового режима земляного полотна и дорожной одежды. На основании анализа литературных источников установлено: что устройство морозозащитных (теплоизолирующих) слоёв наиболее эффективный метод создания оптимального воднотеплового режима.
2. Изучено изменение температурного поля земляного полотна и дорожной одежды в годовом цикле. На основании результатов математического моделирования температурного поля земляного полотна и дорожной одежды определён температурный диапазон эксплуатации пенополистирольных плит. По результатам математического моделирования теоретически доказана целесообразность применения экструзионного пенополистирола для создания оптимального воднотеплового режима.
3. Представлены и обобщены экспериментальные закономерности изменения основных расчётных теплофизических характеристик (теплопроводности и теплоемкости) материалов полотна и дорожной одежды, полученные разными авторами. Предложена методика для определения распределения температуры по слоям дорожной одежды.
4. Рассмотрено напряжённо-деформированное состояние земляного полотна и дорожной одежды, на основе которого определён силовой диапазон эксплуатации пенополистирольных плит. Выбран предположительный химический состав возможных агрессивных сред возникающих в процессе эксплуатации автомобильных дорог.
5. С позиции термофлуктуационной концепции исследованы закономерности статического разрушения и деформирования экструзионного пенополистирола ПЕНОПЛЭКС45 в диапазоне напряжений и температур, максимально приближенных к эксплуатационным. Определены термофлуктуационные константы при деформировании и разрушении. Получены формулы позволяющие прогнозировать циклическую долговечность пенополистирольных плит в конструкциях дорожных одежд на основании комбинированных статических испытаний (растяжение с изгибом).
6. По результатам экспериментальных исследований определён предел деформирования, при котором возникает остаточная деформация (2%). Экспериментальными исследованиями установлено: для исследуемого материала свыше 10% наступает закритическая область деформирования, после которой материал в конструкции уже не работает. Поэтому необходимо ограничить величину упругой деформации величиной 2 %, а расчёты на прочность производить при линейной относительной деформации до 5 %.
7. Рассмотрено влияние погодно-климатических факторов и агрессивных сред на долговечность материала. Определены термофлуктуационные закономерности разрушения и деформирования пенополистирола при данных видах воздействия. Исследовано изменение теплофизических характеристик материала (коэффициент теплопроводности, термическое сопротивление и коэффициент линейного термического расширения) при воздействии агрессивных сред и погодноклиматических факторов.
8. На основании экспериментальных исследований получены диаграммы работоспособности материала в зависимости от срока службы и температурносиловых воздействий. Предложена методика прогнозирования работоспособности экструзионного пенополистирола в дорожных одеждах. Приведены примеры прогнозирования работоспособности пенополистирольных плит заданных физикомеханических параметрах. На основании проведенных расчётов и полученных результатов, предложена методика оптимизации толщины и местоположения пенополистирольных плит в различных конструкциях одежд.
Публикации в рецензируемых научных журналах:
1. Иванов Д.В. Исследование долговечности и теплофизических характеристик экструзионного пенополистирола в строительстве / Д.В. Иванов, К.А. Андрианов, В.П. Ярцев // Academia. Архитектура и строительство. - М. НИИСФ РААСН, 2009 №5 С. 559-560.
2. Иванов Д.В. Прогнозирование долговечности экструзионного пенополистирола в дорожных конструкциях / В.П. Ярцев, Д.В. Иванов, К.А. Андрианов // Научный вестник ВГАСУ: Строительство и архитектура. - Воронеж, 2010. №3(19).
- С.99-104.
3. Иванов Д.В. Определение долговечности экструзионного пенополистирола в конструкциях дорожных одежд / Д.В.Иванов, К.А. Андрианов, В.П. Ярцев // Academia. Архитектура и строительство. - 2010. - № 3. - М. НИИСФ РААСН - С.639-643.
4. Иванов Д.В. Повышение физико-механических характеристик и долговечности пенополистирола / Д.В. Иванов, В.П. Ярцев // Вестник ТГТУ. 2011. Том 17. № 2. Transactions TSTU. С. 529-533.
Публикации в прочих изданиях:
5. Иванов Д.В. Опыт применения экструзионного пенополистирола в дорожных конструкциях / Д.В. Иванов, К.А. Андрианов // Труды ТГТУ: сборник научных статей молодых ученых и студентов. Тамбов: изд-во Тамб. гос. техн. унта, 2009. Вып. 22. С. 200-203.
6. Иванов Д.В. Оценка долговечности экструзионного пенополистирола в дорожных конструкциях в условиях агрессивных сред / Д.В.Иванов, К.А. Андрианов, В.П. Ярцев, А.В. Зобнин // Наука и образование: архитектура, градостроительство и строительство: материалы Международной конференции, посвященной 80летию строительного образования и 40-летию архитектурного образования Волгоградской области, 6-10 сентября 2010 г., Волгоград/Волгогр. гос. архит.-строит. унт. - Волгоград: ВолгГАСУ,2010.С.472-478.
7. Иванов Д.В. Оценка теплофизических свойств экструзионного пенополистирола, применяемого в дорожном строительстве: тезисы доклада / Д.В.Иванов, К.А. Андрианов, В.П. Ярцев // Международная научно-техническая конференция Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ. 30 ноября- 2декабря 2010г.: Материалы конференции. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2010.-130 с. С.79.
8. Иванов Д.В. Оценка теплофизических свойств экструзионного пенополистирола, применяемого в дорожном строительстве / Д.В.Иванов, К.А. Андрианов, В.П. Ярцев // Международная научно-техническая конференция Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ. - СПб:
СПбГУНиПТ, 2010. - С.461-465.
9. Иванов Д.В. Прогнозирование предельной деформации экструзионного пенополистирола в конструкции дорожной одежды / Д.В.Иванов, К.А. Андрианов, В.П. Ярцев // Materily VII mezinrodn vdecko-praktick konference Vdeck pokrok na pelomu tysyachalety - 2011. - Dl 21. Matematika. Fyzika. Vstavba a architektura. Tlovchova a sport: Praha. Publishing House "Education and Science" 2011.
С.60-64.
10. Иванов Д.В. Применение экструзионного пенополистирола в качестве теплоизолирующего слоя в конструкции автомобильных дорог / Д.В. Иванов // Проблемы техногенной безопасности и устойчивого развития: сборник научных статей молодых ученых, аспирантов и студентов / Тамб. гос. техн. ун-т. ЦТамбов, 2011. Вып. II. С. 234-238.
11. Иванов Д.В. Методы регулирования водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог / Д.В. Иванов, Ю.А. Зарапин // Проблемы техногенной безопасности и устойчивого развития: сборник научных статей молодых ученых, аспирантов и студентов / Тамб. гос. техн. ун-т. ЦТамбов, 2011. Вып. II. С. 255259.
12. Иванов Д.В. Влияние теплоизолирующего слоя из экструзионного пенополистирола на водно-тепловой режим земляного полотна / Д.В. Иванов, В.П. Ярцев // Новые дороги России: сборник трудов Международной конференции. Пенза, 14-17 ноября 2011г. - Саратов: ООО Издательский центр Наука, 2011. С. 177183.
Рекомендации, учебные пособия:
13. Иванов Д.В. Физико-механические и технологические основы применения пенополистирола при дополнительном утеплении зданий и сооружений: учебное пособие / В.П. Ярцев К.А., Андрианов К.А., Д.В. Иванов // Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2010.-120с.
Иванов Дмитрий Владимирович ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ УТЕПЛИТЕЛЯ (НА ПРИМЕРЕ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА) В ДОРОЖНЫХ ОДЕЖДАХ С ОПТИМАЛЬНЫМ ВОДНО-ТЕПЛОВЫМ РЕЖИМОМ Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Подписано в печать л 14 сентября 2012. Формат 60х84 1/16.
Бумага офсетная. Печать электрографическая. Уч.-изд. л. 1,0.
Заказ № 140912-01. Тираж 110 экз.
Издательство Першина Р.В.
Отпечатано в издательстве Першина Р.В.
392000, Тамбов, ул.Советская, 21, а/я 7.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям