Конструкции из композитных материалов, получаемые с использованием низкотемпературной плазмы, их исследование и расчет

Актуальность темы

Применение конструкций для строительства зданий и сооружений определятся чаще всего прочностными и деформативными характеристиками используемых материалов. В настоящее время наиболее массовое использование получили бетонные и металлические конструкции. Наряду с преимуществами эти конструкции имеют и ряд недостатков, связанных, прежде всего с их массивностью и, соответственно, большим весом на единицу несущей способности.

Поэтому задачи, связанные с решением вопросов увеличения несущей способности строительных конструкций с одновременным уменьшением их веса, являются актуальными.

Решение этих задач ведется в настоящее время различными путями, в том числе, с применением новых конструкционных материалов .

В данной работе выбран путь создания новых композитных конструкций с использованием низкотемпературной плазмы.

Низкотемпературная плазма является концентрированным источником энергии, способным активизировать химические и физические процессы. Использование ее для получения композитных материалов позволяет увеличить его прочностные характеристики.

Работа посвящена разработке композитных элементов конструкций на основе металлических связующих и заполнителей из горных пород и исследованию их прочностных и деформативных свойств.

Цель работы — Получение высокопрочных конструкций с применением низкотемпературной плазмы, исследование их свойств и разработка методики расчета по прочности и деформациям.

Методы исследований. Разработка способов получения композитных конструктивных элементов производилась на основе плазменных технологий, применяемых в промышленности и строительстве.

Исследования прочностных и деформативных свойств материала и прочности конструктивных элементов производились с использованием стандартного и нестандартного оборудования, с соблюдением требований действующих ГОСТов.

Разработка методики расчета композитных конструкций, как по прочности, так и по деформациям, основывалась на известных, проверенных практикой методах расчета железобетонных конструкций.

Научная новизна работы заключается:

1) в обосновании параметров низкотемпературной плазмы, необходимых для получения композитных материалов;

2) в исследовании влияния низкотемпературной плазмы на составляющие компоненты композита;

3) в исследовании характера изменения свойств композита в зависимости от применяемых компонентов;

4) в исследовании несущей способности конструктивных элементов из композитных материалов, полученных с использованием низкотемпературной плазмы;

5) в разработке методики расчета по прочности и по деформациям.

На защиту выносятся:

1) Способы получения композитных конструкций при помощи низкотемпературной плазмы, обоснование температурных параметров;

2) Зависимости СТ — ?, полученные при испытании материалов;

3) Влияние составляющих компонентов на прочностные и деформатив-ные свойства композита;

4) Методика расчета изгибаемых элементов по прочности и деформа-тивности.

Практическая ценность.

Композитные конструкции, изготовленные с использованием низкотемпературной плазмы обладают рядом специфических свойств и найдут применение в специальном, жилищном и промышленном строительстве. 5.

Апробация. Материалы работы докладывались на научно-технических конференциях:

— Внедрение достижений научно-технического прогресса — основа развития КСМО (Москва, 1987 г.);

— Плазменные технологии в строительстве (Тольятти, 1989 г.);

— Совершенствование военно-строительного производства (Ленинград, 1989 г.);

— Технология совершенствования строительного производства (Пушкин, 1990 г.).

Публикации. Материал диссертации изложен в 10 научных трудах и 4 авторских свидетельствах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 86 наименований. Объем работы 144 страницы, включая таблицы на 24 страницах, рисунки на 47 страницах.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

1. Исследование прочностных и деформативных свойств полученного композитного материала позволили применить методику расчета железобетонных элементов к расчету изгибаемых и внецентренно сжатых элементов из композитных материалов.

2. Расчет элементов по прочности ведется по аналогии с расчетом железобетонных элементов. При этом обосновывается учет работы материала растянутой зоны.

3. Расчет изгибаемых элементов по деформациям не является традиционным и дает более полную картину работы конструкций.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ Эффективность применения конструктивных элементов из композитных материалов на основе алюминиевых связующих определяется экономией алюминия.

Очевидно, что при заполнении объема изделия связующим на 35−50% по объему, будет экономиться 65 — 50% алюминия, а, следовательно, стоимость композитных элементов конструкций, с учетом затрат на их получение плазменным способом, будет на 40 — 55% ниже стоимости изделий из чистого металла.

Сравнение с традиционными железобетонными конструкциями целесообразно проводить по удельной стоимости единицы несущей способности.

Для сравнения удельной стоимости рассмотрим три варианта испытанных ранее балок: железобетонную, композитную неармированную и композитную армированную.

Удельная стоимость единицы несущей способности испытываемых балок определяется путем деления общей стоимости на величину разрушающей нагрузки.

Стоимость железобетонной балки при стоимости 1 м³ железобетона 3000 рублей составляет.

3000 руб. / м3×0,004 м³ = 12 рублей Предельная нагрузка, воспринимаемая балкой, составила 50 кН Удельная стоимость единицы несущей способности будет равна.

12 руб.: 50 кН = 0,24 руб. / кН Стоимость композитной неармированной балки, с объемом связующего равным 30%, при стоимости 1 т алюминиевого лома 17 000 рублей составляет.

0, 004 м3×0,3×2,7 т / м3×17 000 руб. / т = 55,08 рублей Прибавив к стоимости алюминия стоимость заполнителя и энергозатрат, равные 8 рублям, получаем общую стоимость образца 63,08 рубля.

Предельная нагрузка, воспринимаемая до момента разрушения для неармированной композитной балки составила 140 кН.

Удельная стоимость единицы несущей способности будет равна.

63,08: 140 = 0,45 руб. / кН Стоимость композитной армированной балки увеличиться незначительно, за счет введения стальной арматуры.

При площади поперечного сечения арматуры 2 см², стоимости 6500 руб./ т, общая стоимость стальной арматуры в образце определится 0,4 м х 0,0002м2×7,8 т/м3×6500 руб./ т = 4 рубля Стоимость композитной армированной балки составит 67,08 рублей Удельная стоимость единицы несущей способности будет равна.

67,08: 240 = 0,297 руб. / кН Как видно из сравнения стоимости железобетонной и композитных балок, общая стоимость композитных балок более чем в 5 раз превосходит стоимость железобетонных, но удельная стоимость единицы несущей способности отличается в 1,875 — 1,23 раза.

Армирование композитной балки стальной арматурой повышает ее общую стоимость на 6%, снижая при этом удельную стоимость в 1,5 раза.

Однако, несмотря на повышенную стоимость изделий, предлагаемые элементы конструкций из композитных материалов могут найти применение благодаря своим специфическим свойствам.

Это могут быть упруго-податливые прокладки, снижающие динамические и вибрационные воздействия на конструкции, подвижые конструкции ворот и передвижные конструкции стен, ограждающие и несущие конструкции, конструкции работающие в агрессивной среде, специальные полы, водо и газонепроницаемые покрытия.

Легкие композиты, имеющие среднюю плотность около 1т/м, могут применяться при строительстве водных переправ и плавучих средств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1. Установлено, что конструктивные элементы из композитных материалов, изготовленных с помощью низкотемпературной плазмы, имеют несущую способность в 3 — 4 раза выше железобетонных.

2. При нагреве горных пород до температуры 900 — 1100° С и их медленном остывании, большинство горных пород не снижает своих прочностных характеристик.

3. Прочностные и деформативные характеристики технического алюминия и алюминиевых сплавов после их переплавки в зоне низкотемпературной плазмы и последующей кристаллизации существенно не изменяются.

4. Экспериментально подтверждено, что плазменная технология получения композитных материалов и конструкций на основе алюминиевых сплавов и горных пород обеспечивает контактную связь между заполнителем и связующем за счёт плазменной обработки поверхности заполнителя и его обжатия в процессе кристаллизации расплава.

5. Исследования показали, что прочность материала определяется прочностными характеристиками связующего и заполнителя.

6. Прочность композитного материала при ударном нагружении выше, чем при статическом. Коэффициент динамического упрочнения материала находили в пределах 1,5−1,9, при повторном ударном нагружении значение модуля упругости возрастает.

7. Экспериментально подтверждено, что увеличить несущую способность конструкций, работающих на изгиб, можно по аналогии с железобетоном, путем постановки стальной арматуры в растянутую зону. При этом выявлено, что совместная работа арматуры и композита обеспечивается за счет внутренних напряжений, возникающих при усадке расплава в период его кристаллизации.

8. Установлено, что введение в сжатую зону железобетонных конструкций слоя из предлагаемого композита повышает их несущую способность.

9. На основании известных теоретических положений разработана мето дика расчета композитных изгибаемых элементов по прочности и деформаци ям.

Таким образом, проведенными исследованиями установлено, что полученные с использованием низкотемпературной плазмы конструктивные элементы из композитных материалов обладают повышенной несущей способностью и могут применяться в качестве несущих, самонесущих и ограждающих конструкций.