Конструкции из композитных материалов, получаемые с использованием низкотемпературной плазмы, их исследование и расчет тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат технических наук Шполтаков, Василий Иванович

• Шполтаков, Василий Иванович
• кандидат технических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шполтаков, Василий Иванович

Введение. Цель работы

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований

1.1. Конструкции из высокопрочных материалов, применяемых в строительстве

1.2. Исследования конструкций из композитных материалов на основе металлических связующих

1.3. Низкотемпературная плазма, исследование ее свойств и возмож ности применения для получения композитных материалов

Выводы по главе

Глава 2. Исследования свойств конструктивных элементов из композитных материалов, изготавливаемых с использованием низкотемпературной плазмы

2.1. Оборудование и установка для проведения исследований

2.2. Исследование свойств исходных материалов при воздействии на них низкотемпературной плазмы

2.2.1 .Свойства горных пород после воздействия на них низкотемпе ратурной плазмой

2.2.2. Свойства различных металлов и их сплавов после переплавки низкотемпературной плазмой

2.3. Способы получения композитных материалов с помощью низкотемпературной плазмы

2.4 . Прочность и деформативность связующего и заполнителя при статических и динамических нагрузках

2.5. Исследования конструктивных элементов, изготовленных с использованием низкотемпературной плазмы, на действие статических нагрузок

2.5.1 Испытание на одноосное сжатие

2.5.2 Испытание образцов на изгиб.

2.6. Исследования конструктивных элементов на действие циклических и динамических нагрузок

2.6.1 .Испытание на действие циклических нагрузок

2.6.2. Установка и оборудование, применяемые при динамических испытаниях

2.6.3.Прочность композитного материала при ударном нагружении

Выводы по главе

Глава 3. Расчет композитных конструкций, полученных при помощи низкотемпературной плазмы

3.1. Расчет изгибаемых композитных элементов по прочности

3.1.1. Расчет неармированных композитных элементов

3.1.2. Расчет изгибаемых конструкций без учета работы композита растянутой зоны

3.1.3. Расчет изгибаемых армированных конструкций с учетом напряжений растянутой зоны

3.1.4. Расчет сжатых элементов с арматурой в растянутой зоне

3.1.5. Расчет изгибаемых конструкций с двойным армированием.

3.2. Расчет изгибаемых композитных элементов по деформациям

3.2.1. Расчет изгибаемых композитных элементов по деформациям без учета работы растянутой зоны сечения

3.2.2. Расчет изгибаемых композитных элементов по деформациям с учетом работы растянутой зоны сечения

Выводы по главе

Эффективность и перспективы использования композитных изделий и конструкций

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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, 1987г.);

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

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

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

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.

Заключение диссертации по теме «Строительные конструкции, здания и сооружения», Шполтаков, Василий Иванович

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 1м3 железобетона 3000 рублей составляет

3000 руб. / м3 х 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 1т алюминиевого лома 17000 рублей составляет

0, 004 м3 х 0,3 х 2,7 т / м3 х 17000 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 0,4м х 0,0002м2 х 7,8 т/м3 х 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.

137

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шполтаков, Василий Иванович, 2001 год

1. Артемьева И.Н. Алюминий в строительстве. - Л.: Строиз., 1985 с.287.

2. Банков В.Н., Попов Г.И. Строительные конструкции. М.: Высшая школа, 1986 с.542.

3. Байдюк В.В. Механические свойства горных пород при высоких температурах. -М.: Гостопизд., 1963.

4. Баженов Ю.М. Бетон при динамическом нагружении. М.: Строиз., 1980 -с.387.

5. Болдырев A.M., Орлов A.C., Рубцова Е.Г. Влияние размеров наполнителя и коэффициента наполнения на прочностные свойства металлобетонов // изв. вузов. Строительство. 1996. № 6. с.53 - 56.

6. Ватолин Е.С. Динамические свойства и природа деформирования горных пород. М.: Наука, 1966. - 61 с.

7. Военно-строительный бюллетень, 1983, № 2

8. Волошенко-Климовский Ю.М. Динамический предел текучести. М.: Наука, 1965.

9. Гениев Г.А. , Кислюк В.Н. и др. Прочность легких ячеистых бетонов при сложных напряженных состояниях.М.: Стройиз., 1978 166 с.

10. Ю.Гроздов В.Г., Замура В.В. и др. Железобетонные конструкции. Л.: ЛВВИСУ, 1989-343 с.

11. П.Дмитриев А.П., Кузяев Л.С. Термодинамические процессы в горных породах. М.: изд. МГК, 1967 - 233 с.

12. Дмитриев А.П., Кузяев Л.С. и др. Физические свойства горных пород при высоких температурах. М.: Недра, 1969.

13. Жуков А.Ф. Основы расчета плазмотронов линейной схемы.- Новосиб.: СО АН СССР, 1979.

14. Карташов Ю.М., Матвеев Б.В., Михеев Г.В. и др. Прочность и деформативность горных пород. М.: Недра, 1979 - 266 с.

15. Каротеев Д. В. Производство работ по термическому упрочнению грунтов . М. Стройиздат, 1983 77с.31 .Карп И. Н. Электрический пробой в плазмотронах с неметаллической вставкой // Генераторы НТП: Тезисы Вс. конф. Минск 1986 - с. 151 -152.

16. Киричевский Б.А., Хан Б.Х. Способ получения отливок из металлобетона // Авт.св. 931288, Мк. СО 4 В 29/02, 1982.

17. Киричевский Б.А., Хан Б.Х. Металлобетонная смесь /. Авт. св. 977431, Мк. С04 В 29/02, 1982.

18. Комарова Е.В., Задворнев Г.А. Исследование плазменной техники и высокопрочных конструкций. Новосибирск: СО РАН, 1994, - 36 с.

19. Комарова Е.В. Несущая способность железобетонных конструкций, изготовленных по плазменным технологиям // Плазменные технологии: Межд. науч. техн. сб. - Самара: Межд. инж. акад., 1996 с. 27-32.

20. Комарова Е.В. Плазменная установка для прогрева железобетонных конструкций // Электродуговые генераторы плазмы и технологии. -Новосибирск : СО РАН, 1997 с. 131 - 136.

21. Корчинский И.П., Беченева Г.В. Прочность строительных материалов при динамическом нагружении. М.: Изд. л-ры по строител.- 1960.

22. Лаптев Г.А. Получение и исследования бетонов на металлических связующих. // Автореф. к.т.н. Харьков, 1984 - 17 с.

23. Лешинский М.Ю. Испытание бетонов. М.: Стройизд., 1980 - 360 с.

24. Макогонов В.А. Бетон в условиях высокотемпературного нагрева. М.: Стройизда., 1978 - 83 с.

25. Мельников И.П. Металлические конструкции. -М.: Стройиз., 1983 с.391 -400.

26. Мельничук И.П., Факеев В.П. Исследования влияния температуры на механические свойства горных пород // Изв. вуз. Геология и разведка, 1966, № 7.

27. Михайлов К.В., Волков Ю.С. Бетон и железобетон в строительстве. М.: Стройиндуст., - 1987.

28. Мотулевич А.П. Металлокаменные материалы для изготовления крупногабаритных деталей в машиностроении и строительстве / Авт.св. 161125, Мк.С22с, 1963.

29. Наука и жизнь. 1985 - с. 9 - 10.

30. Павлова H.H., Шрейнер JI.A. Разрушение горных пород при динамическом нагружении. М.: Недра, 1964.

31. Потапов Ю.Б., Соломатов В.И. и др. Металлобетонная смесь. // Авт.св. 666151Мк. С04 В 29/04, 1979

32. Потапов Ю.Б., Соломатов В.И. и др. Металлобетонная смесь. // Авт.св. 614069 Мк. С04 В 29/04, 1978.

33. Потапов Ю.Б., Соломатов В.И. и др. Металлобетонная смесь. // Авт.св.637375 Мк. С04 В 29/04, 1978.

34. Потапов Ю.Б., Соломатов В.И. и др. Металлобетонная смесь. // Авт.св.637376 Мк. С04 В 29/04, 1978.

35. Потапов Ю.Б., Соломатов В.И. и др. Металлобетонная смесь. // Авт.св. 655685 Мк. С04 В 29/04, 1976.

36. Потапов Ю.Б., Соломатов В.И. и др. Металлобетонная смесь. // Авт.св. 600116 Мк. С04 В 29/04, 1976.

37. Потапов Ю.Б., Соломатов В.И. и др. Металлобетонная смесь. // Авт.св. 637575 Мк. С04 В 29/04, 1978.

38. Потапов Ю.Б., Соломатов В.И. и др. Металлобетонная смесь. // Авт.св. 657002 Мк. С04 В 29/04, 1978.

39. Потапов Ю.Б., Лаптев Г.А. и др. Деформативность плит из полимербетона и металлобетона // Композитные материалы и конструкции для сельского строительства./Межвуз.темат.сб.науч.трудов. Саранск, 1983.

40. Рабинович Ф.Н. Дисперсно армированные бетоны. М.: Стройиз., 1989 -175 с.

41. Решетько Э.С., Аныпаков A.C., Печкин C.B. Расчет динамической устойчивости нескольких электродуговых плазматронов // Динамика электротехнических систем. Тула, 1981 - с. 59 - 65.

42. Рыкалин Н.К. Применение низкотемпературной плазмы в строительстве // Строительные материалы, 1972, № 1.

43. Рыкалин Н.К., Шорохов М.Х., Кудинов В.В. и др. Особенности ф. х. процессов получения композитных материалов с помощью плазмы // Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов. - М.: Наука, 1973 - с. 187 - 196.

44. Соломатов В.И., Потапов Ю.Б. и др. Способ изготовления изделий из металлобетона//Авт.св. 717004 Мк. С04 В 29/04, 1980.

45. Соломатов В.И., Потапов Ю.Б. и др. Металлобетонная смесь. // Авт.св. 742411 Мк. С04 В 29/04, 1980.

46. Соломатов В.И., Потапов Ю.Б. и др. Изгибаемый элемент из метона // Авт.св. 1278419 Мк. С04 В 30/00, 1986.

47. Соломатов В .И., Потапов Ю.Б., Лаптев Г.А. и др. Искусственные материалы на основе металлических связующих // Кратк.тез. н.т.к. по производству строит. Материалов в с.-х. строительстве. Брест, 1979.

48. Соломатов В.И. Элементы общей теории композитных материалов // Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1980, № 8 с.61-70.

49. Соломатов В. И., Потапов Ю. Б., Лаптев Г. А. Метоны высокоэффективные композиты// Изв. вузов. Строительство, 1976, № 9 с. 76-86.

50. Стройиндустрия и промышленность строительных материалов. / Энциклопедия-М.: Стройиз., 1996 с. 396.

51. Трофимов В.И. Алюминиевые конструкции. М.: Стройиз., 1978 151 с.

52. Туманов Ю.Н. Современное состояние развития плазменных процессов в технике // Химия плазмы. Вып. 13 М.: Энергоатомиздат, 1986 - 163 с.

53. Фокеев В.М., Мельничук И.П. О некоторых причинах изменения механических свойств горных пород при термическом воздействии и последующем охлаждении // Изв.вузов. Геология и разведка, 1965 № 5 с. 134-139

54. Шполтаков В.И. Несущая способность металлобетонных балок с алюминиевым связующим и заполнителем из горных пород // Наука, техника, образование г. Тольятти и Волжского региона / Межвуз.сб.науч.трудов. Тольятти, 1999 с.353-355.

55. Чернов В.П. Обработка результатов наблюдений физических величин. -Тольятти: ТПИ ,1992- 42 с.1. FOREIGN LITERATURE USED:

56. Concrete structure. Design rules NS 3473 E (Norges Standardisering forbund) 1992. - 78 p.

57. General Aspects of Thermal Spraying Prog. The Hague, 19-23 May, 1980

58. Georgiev, B. Mihalkov . Same general conclusion from the results of studieson solid fuel steam plasma Gasification. // Fuel.-1992. Vol. 71.- P.895-901.

59. Heberlein J., Pfender E., Investigation of the boundary in front of a transpirationcooled anode. Heat Trans Lab. Mech. Eng., 1972,32р.80. 8th International Thermal Spraying Conference Proceedings. Miami Beacht, USA, Sept. 1978.

60. Mihalkov B.I. Plasma gasification of coal. // Thermal Plasma and New Materials Technology, Eds. Solonenko O.P. and Zhukov M.F.- Cambridge International Scientific Publishing , England , 1995.

61. Morris Y. S., Rudis R. P., Yos Y. M. Measurements of electrical anol thermal conductivity of Hydrogen, Nitrogen, and Argon at high temperatures // Phys. Fluids. 1980, - v.13 - №13. -p.607 - 608

62. Ramachandra V. S., Feldman R. F., Beaudoin J. J. Concrete Science: Treatise on Current Research. Heyden London. Philadelphia, 1986, - 278p.

63. Ramachandra V. S. Calciun Chouide in Concrete Science and Technology, p. p. 57 - 59, Applied Science, Barking, UK, 1976.

64. O.P. Solonenko , A.P. Zinoviev, A.I. Sorokin , S.M. Gelfard , Computer Design of Plasma Spray Technology. -Proc. of National Thermal Spray Conf., 7-11 Iune 1993 , Anaheim , California.

65. M. Zasypkin . Electric Arc Hydrogen Heaters . Thermal Plasma and New Materials Technology . Vol. 1 .: Investigations and Design of Thermal Plasma generators . / O.P.Solonenko and M.F. Zukov.- Cambridge International Publishing.- 1994. P. 424-468.