Композиционный материал на основе ледяной матрицы и базальтовой фибры Российский патент 2023 года по МПК E01D15/00 B32B19/00 F25C1/12 

Изобретение относится к области получения композиционных материалов, в которых матрицей выступает лед, а инструментом воздействия на его структуру и свойства является армирующий наполнитель. Данное изобретение может быть использовано для повышения физико-механических характеристик льда при строительстве ледяных переправ, дамб, сооружений и пр.

Лед как конструкционный материал рассматривается в качестве материала дорожного покрытия, заменителя традиционных строительных материалов в северной строительно-климатической зоне. Улучшение прочности льда может быть достигнуто макроскопическим армированием с использованием стволов деревьев, стальных тросов (RU 2132898 C1, E01D 15/14, опубл. 10.07.1999 г.) и геосетки (RU 2008130266 A, E01D 15/14, опубл. 27.01.2010). Второй способ повысить прочность льда заключается в армировании ледяной матрицы различными типами полимерных наполнителей и химических модификаторов (В.М. Бузник и др. Физико-механические свойства композиционных материалов на основе ледяной матрицы. Журнал "Материаловедение", N2, 2017, с. 34-39), а также дисперсных и волокнистых наполнителей природного происхождения (Бузник В.М., Гончарова Г.Ю., Нужный Г.А., Черепанин Р. Н. Влияние растительных армирующих наполнителей на прочностные свойства композиционных материалов с ледяной матрицей // Материаловедение. 2018. №9. С. 33-40; А. С. Сыро мятников а, А.М. Большаков, А.К. Кычкин, А.В. Алексеева. Армирование композиционных материалов на основе пресного льда природными наполнителями// Материаловедение. 2020. №1. С.33-35). В этих экспериментальных работах по исследованию влияния дисперсных и волокнистых армируюших наполнителей были использованы образцы льда с размерами поперечного сечения, не превышающими 100×100 мм, и значительно реже - 300×300 мм. Однако, известно, что между размерами ледового образца и величиной предела прочности существует обратно пропорциональная зависимость, в связи с чем обоснованные выводы по влиянию армирующего наполнителя на прочностные свойства материала на основе льда возможно получить только при испытаниях массивных образцов.

Техническая задача заявленного изобретения состоит в создании композиционного материала на основе ледяной матрицы, обладающего прочностью на изгиб, определенной на массивных образцах, превышающей прочность чистого льда за счет использования волокнистых наполнителей природного происхождения.

Технический результат состоит в повышении физико-механических характеристик, прочности на изгиб композиционного материала на основе льда.

Массивные образцы ледового материала в виде балки получали послойным намораживанием водопроводной воды при спокойном ее наливе в опалубку из пенополистирола с внутренними размерами: высота h=100 мм, ширина b=500 мм, длина L=870 мм, в натурных условиях при естественно низких среднесуточных температурах -25°С. Наполнитель представлял собой базальтовые волокна длиной 40 мм и диаметром 18 мкм.

При изготовлении армированных образцов на нижний слой высотой 2 мм из чистого льда равномерно и хаотично укладывали слой наполнителя в количестве 50 г, обеспечивая плотность укладки 2°С на высоту 1 мм и осуществляли выдержку при около 3 мм/мм, заливали воду температурой 0 естественно низких температурах до полного замерзания слоя, при последней заливке высота слоя воды составляла 2 мм. В результате армированные образцы содержали семь слоев наполнителя, что составляет 0,8% массы балки (0,3% ее объема). После полного замерзания образец вынимали из опалубки и на него с помощью фрезы наносили краевой надрез шириной 2 мм и глубиной 2 мм.

Прочность на изгиб массивных образцов определяли при естественно низких температурах с использованием специально изготовленной установки (Фиг. 1).

Нагрузка прикладывалась ступенчато с шагом 100 Н. Она фиксировалась с помощью манометра. Экспериментально определяли разрушающую нагрузку Р_разр, как среднее по трем испытаниям. Предел прочности на растяжение при изгибе рассчитывали по формуле:

где - расстояние между опорами.

Для установления закономерностей процессов деформации и разрушения массивных образцов применялся акустико-эмиссионный комплекс «ЭКСПЕРТ-2014» (НПО «Алькор»).

Определяли также время полного оттаивания Т образцов при температуре +15°С. Введение наполнителя приводит к повышению прочности на растяжение при изгибе льда 1,5 раза, при этом его долговечность увеличивается, см. таблицу.

Установлено, что неармированные образцы льда разрушаются хрупко (Фиг. 2, а), а армированные образцы демонстрируют разрушение по вязкому механизму (Фиг. 2, б).

Разрушение массивного образца чистого льда на начальном этапе нагружения протекает по механизму микротрещинообразования, о чем свидетельствует ступенчатый характер зависимости числа сигналов АЭ от длительности нагружения t. Резкое повышение соответствует моменту достижения трещиной критических размеров с последующим быстрым разрушением образца (Фиг. 3, а).

При деформации массивного образца из армированного льда активная генерация сигналов АЭ начинается с задержкой, что свидетельствует о повышенном сопротивлении композиционного материала на основе льда разрушению. Пологость зависимости на начальном этапе деформирования свидетельствует о длительном накоплении микроповреждений в области макротрещины по причине амортизирующего сопротивления материала, а плавность зависимости об отсутствии образования микротрещин вплоть до разрушения (Фиг. 3, б).

Изменение характера разрушения армированного льда обусловлено его мелкокристаллической структурой, формированию которой способствуют волокна базальтовой фибры, являющиеся центрами кристаллизации.

Увеличение времени оттаивания при введении наполнителя объясняется тем, что слои базальтового наполнителя обладают на 1 -2 порядка меньшей теплопроводностью (0,03-0,04 Вт/м×град) по сравнению со льдом (2-3 Вт/мхград).

Материал является перспективным, экологичным, экономически и технологически эффективным материалом строительного и конструкционного назначения, а также материалом для дорожных покрытий, применяющихся в арктическом регионе.

Изобретение относится к области получения композиционных материалов, в частности материалов на основе ледяной матрицы и армирующих наполнителей для использования при строительстве ледяных переправ, дамб, сооружений. Композиционный материал на основе ледяной матрицы и базальтовой фибры содержит 0,8 мас.% базальтовой фибры длиной 40 мм и диаметром 18 мкм, пресный лед - остальное. Изобретение обеспечивает повышение прочности на растяжение при изгибе, по сравнению с пресным льдом, в 1,5 раза и увеличение долговечности. 1 табл., 3 ил.

Композиционный материал на основе ледяной матрицы и базальтовой фибры, состоящий из пресного льда и базальтовой фибры, отличающийся тем, что в качестве армирующего наполнителя для ледяной матрицы применяется 0,8 мас.% базальтовой фибры длиной 40 мм и диаметром 18 мкм.