1. Введение
В современной науке и технике одной из наиболее важных областей, привлекающих внимание исследователей и инженеров, является разработка и создание инновационных материалов с улучшенными характеристиками. Среди таких материалов особое внимание уделяется композитным материалам, которые открывают новые перспективы в области материаловедения и инженерии. Композиты представляют собой структуры, состоящие из двух или более компонентов, объединенных таким образом, чтобы обеспечить оптимальное сочетание их свойств. Одним из современных трендов в развитии композитных материалов является их применение в создании конструкций и сооружений, особенно в условиях экстремальных климатических условий, таких как арктические регионы. Особенно актуальным становится исследование и разработка композитных материалов с ледяной матрицей, которые могут быть использованы для строительства и укрепления ледовых сооружений. Одной из ключевых задач при создании сооружений изо льда является повышение прочности материала, а также обеспечение его стабильности при изменяющихся температурных условиях
[1][2]
2. Методы и зависимости
Одним из перспективных направлений в материаловедении является создание композитных материалов. Для таких материалов удается существенно повысить некоторые прочностные характеристики, причем это увеличение прочности может оказаться больше, чем прочность элементов, составляющих композицию.
При создании сооружений изо льда важным является повышение прочности льда, снижение его зависимости от температуры и обеспечение сохранности ледяной конструкции
[3]
Из теории композитных материалов известно, что их прочность во много определяется величиной площади поверхности раздела между наполнителем и матрицей, а также силами сцепления в плоскости контакта. Величину этих сил определяют, задавая деформацию сдвига между поверхностью и льдом. На величину сил сцепления существенное влияние оказывают температура, шероховатость наполнителя и соленость льда. Увеличение шероховатости и уменьшение температуры и солености приводят к возрастанию сил сцепления.
В качестве матрицы рассматриваются как микроэлементы, так и макроэлементы. К микроэлементам относятся: песок, стекловолокно, опилки и прочее. К макроэлементам относятся: геосетка, геотекстиль
[4]
Механические свойства композита могут быть описаны с помощью свойств наполнителя и матрицы. Например, предел пластичности на сдвиг всего композита может быть рассчитан по формуле
[5]
[LATEX_FORMULA]\tau=(\tau_m/(1+2C/3))[5\tau_sC/(3 \tau_m)+(1-C)\sqrt{1+2C(1-\tau_s^2/\tau_m^2)/3}][/LATEX_FORMULA]
где
Если считать, что армирующая добавка не деформируется, то расчетная формула упрощается:
[LATEX_FORMULA]\tau_k=\tau_m/\sqrt{1+3C/2}[/LATEX_FORMULA]
Наиболее часто используют волокнистые композиции, которые представляют собой системы, состоящие из набора чередующихся двумерных армирующих элементов в виде пластичных материалов. В таких композициях упрочняющими материалами служат волокна, а матрица является средой, передающей нагрузку на волокна. Границы раздела между зернами матрицы и волокнами определяют прочность всей системы. Для описания их влияния вводится коэффициент
[5]
[LATEX_FORMULA]\xi=S_k/S_i[/LATEX_FORMULA]
где
Влияние этого коэффициента на прочность системы описывается выражением:
[LATEX_FORMULA]\sigma=\tilde{\sigma}|_{S_k=S_i}+K(\xi-1)[/LATEX_FORMULA]
где
Армирование льда осуществляется короткими или непрерывными волокнами. При использовании коротких волокон их длину необходимо выбирать из следующего соотношения:
[LATEX_FORMULA]l_c\geq(\sigma_cD)/(2\tau_m)[/LATEX_FORMULA]
где
В этом случае напряжения, возникающие в волокне, сравнимы с напряжениями в волокне бесконечной длины.
При армировании льда непрерывными волокнами прочность композита может быть определена из уравнения:
[LATEX_FORMULA]\sigma_k=V_s\bar{\sigma_s}+V_m\bar{\sigma_m}[/LATEX_FORMULA]
где
[LATEX_FORMULA]\bar{\sigma_m}[/LATEX_FORMULA]
При армировании волокнами обычно стремятся к тому, чтобы прочность композита превышала прочность льда без армирующих элементов
[LATEX_FORMULA]\sigma_k=V_s\bar{\sigma_s}+(1-V_s)\bar{\sigma_m}\geq\sigma_1[/LATEX_FORMULA]
Из этого уравнения можно найти объемную критическую долю наполнителя, при которой происходит увеличение прочности композита по сравнению с матрицей:
[LATEX_FORMULA]V_s=(\sigma_1-\bar{\sigma_m})/(\bar{\sigma_s}-\bar{\sigma_m})[/LATEX_FORMULA]
Из этой формулы следует, что объемная доля армирующих добавок уменьшается при возрастании средней прочности волокон по сравнению со средней прочность матрицы.
Канадские исследователи нашли соотношение для прочности ледяной композиции
[6]
[LATEX_FORMULA]\sigma_k/\sigma_m=V_sE_s/E_m[/LATEX_FORMULA]
где
Из этого уравнения следует, что модуль упругости армирующего волокна должен быть больше, чем у ледяной матрицы. Например, модуль нормальной упругости стекловолокна превышает модуль ледяной матрицы в 30 раз, а модуль волокна только в 5-8 раз. Величину
Влияние отношения модулей упругости и объема наполнителя на прочность композита
[7][8][9][10][11]
Наилучшие результаты получаются при разведении в замораживаемой воде 5-7% массы древесного волокна. При этом значение прочности ледопласта на изгиб превышает в 2,5-3 раза прочность пресного льда при той же температуре, прочность на сжатие в 3-4 раза больше, чем у пресного льда.
Установлено, что пластические деформации развиваются в пресном льду в несколько раз быстрее, чем в ледопласте
[12]
Ранее были приведены исследований прочности ледяных композитов на изгиб
[5][13]
Зависимость прочности армированного льда от типа и объема наполнителя
при армировании стекловолокном
[LATEX_FORMULA]\sigma_f^k=1.4(1+0.07|T|)+0.29|T|^{0.63}Фl/d, l\leq25mm[/LATEX_FORMULA]
при армировании древесными опилками
[LATEX_FORMULA]\sigma_f^k=1.4(1+0.07|T|)+0.36|T|^{0.63}Фl/d, l\leq10mm[/LATEX_FORMULA]
где [LATEX_FORMULA]Ф=\rho_sf/(f(\rho_s-\rho_m))[/LATEX_FORMULA];
Другое направление в изучении армирования льда отталкивается от хорошо разработанного научного направления – механики мерзлых грунтов. Последователи этого направления предлагают армировать лед сыпучими естественными материалами. Впервые подобный композит предложен профессором Скрамтаевым в 1934 г. Композит представлял собой смесь песка, гравия и воды. Он получил название «Ледяной бетон»
[14]
Описаны интересные результаты опытов с ледяным композитом, полученным добавлением песка
[14][13][14]
Для надежного функционирования морских ледовых сооружений необходимо предусмотреть мероприятия по сохранению необходимых габаритных размеров сооружения, например, проводить намораживание дополнительных буферных зон, которые будут таять в летний период, и предотвращать разрушение основного ледового сооружения. При средней скорости таяния ледового массива порядка 8-10 см/сут ширина буферных зон должна составлять 50-80 м. При многолетнем использовании сооружения требуется ежегодное восстановление буферных зон.
Более надежной, но дорогой защитой морских ледовых сооружений от таяния является гидро- и теплоизоляция ледового массива от тепловых воздействий окружающей среды. Наиболее простой является теплозащиты ледового материала сыпучим материалом. В этом случае сыпучий материал выполняет роль пригрузки и дает возможность передвижения тяжелой техники по поверхности ледового массива. Недостатком защиты является возможное разрушение покрытие боковых поверхностей при ледоходе и волнении. Теплозащиты ледовых сооружений сыпучим материалом рекомендуются в районах, где в достаточном количестве имеется материал для покрытия. Такая защита была использована на одном из объектов советской Арктики. Для гидрозащиты используют пленочные материалы, которые укладываются на ледовый массив по засыпку. Возможна защита ледового массива наклонными или вертикальными стенками из стали, бетона или дерева. За стенками, как правило, необходимо предусмотреть 1,5-2,0 м песчаной отсыпки или прокладку другого, гидро- или теплоизоляционного материала. При этом следует учитывать, что стальная стенка обладает высокой теплопроводностью и требует более тщательной теплоизоляции ледового массива, поэтому предпочтение отдается стенкам из дерева, которые могут служить и опалубкой при послойном намораживании.
Перспективным является применение хладостойких полимерных материалов – пенопластов. Из строительных пенопластов, применяемых в настоящее время, наиболее приемлемыми являются пенополиуретаны, у которых замкнуто-ячеистая структура, и водопоглащение не превышает 300 см3Missing Mark : sup/см2Missing Mark : sup. Целью создания материалов с высокими теплотехническими качествами, а также прочностью, хладостойкостью с одновременным снижением расхода полимерного материала может быть применение композитных пенопластов с минеральным наполнителем, например, керамзитовым гравием.
В качестве материла для гидрозащиты возможно использование пленочных полимерных материалов ЦДБ толщиной до 0,5 мм, могут эксплуатироваться при температурах от минус 55 до плюс 120 °С, имеют предел прочности на разрыв не менее 3,5 МПа и относительное удлинение 40%.
3. Результаты и обсуждение
Были проведены лабораторные исследования Сибирским отделением Академии Наук по нанесению пенополиуретановых покрытий на ледовый массив
[15]
Основные физико-механические свойства пенополиуретана ППУ-17Н, наносимого методом напыления, следующие:
- кажущаяся плотность – 40-70, кг/см3Missing Mark : sup;
- теплопроводность при 20 °С, не более 0,035 Вт/мК;
- разрушающее напряжение при изгибе – не менее 0,4 МПа, при сжатии – не менее 0,2 МПа;
- водопоглощениее за 24 ч – не более 300 см3Missing Mark : sup/см2Missing Mark : sup;
- горючесть – трудновоспламеняемый.
Для проведения исследований были искусственно наморожены 2 ледовых куба с ребром 0,6 м. Напыление проводилось с помощью установки «Пена-9М», разработанной НПО «Полимерсинтез». Общая толщина слоя ППУ-17Н в среднем составляла 5 см и создавалась напылением в три слоя
[15]
Проведенные испытания показали, что при напылении ППУ-17Н на горизонтальную поверхность льда происходит формирование однородного слоя. При напылении на вертикальную поверхность происходило стекание композиции. Для обеспечения возможности напыления пенополиуретана на вертикальную поверхность был использован армирующий слой – капроновая сетка с размером ячейки 7×7 мм, что позволило получить качественный слой пенополиуретана на вертикальной ледовый поверхности.
Испытания на адгезионную прочность ППУ-17Н ко льду были проведены Сибирским отделением Академии Наук после суточной выдержки с помощью переносного адгеизиометра, разработанного в НПО «Полимерсинтез». Испытания проводились на пяти образцах. Адгезионная прочность слоя ППУ-17Н ко льду оказалась равной 50-75 кПа, а с применением армирующего слоя – 123 кПа.
Проведенные исследования Сибирским отделением Академии Наук показали возможность использования композита ППУ-17Н для термозащиты ледовых массивов при наличии соответствующих установок
[15]
4. Заключение
Стоит подчеркнуть важность и актуальность разработки композитных материалов с ледяной матрицей в контексте современных вызовов в области строительства и инженерии. Развитие таких инновационных материалов предоставляет широкий спектр возможностей для решения сложных задач, связанных с созданием устойчивых и прочных сооружений в условиях ледяных регионов. Одним из ключевых достижений исследования является понимание важности армирующих волокон в повышении прочности и устойчивости ледяных конструкций. Волокна, выполняющие роль армирующих элементов в композитах, способны эффективно контролировать распространение трещин, увеличивая сопротивление разрушению материала. Это открывает перспективы для создания более долговечных и надежных ледяных сооружений, которые могут успешно функционировать в экстремальных условиях.
Дальнейшие исследования в области композитных материалов с ледяной матрицей могут быть направлены на оптимизацию параметров материалов, исследование их поведения при различных температурных режимах, а также разработку инновационных методов производства и использования. Особое внимание следует уделить анализу взаимодействия между компонентами композита на микро- и макроскопическом уровне, чтобы более точно предсказывать и контролировать механические свойства материала.
Эксперименты и исследования на практике позволят оценить эффективность применения композитных материалов с ледяной матрицей в различных сферах, таких как строительство ледовых сооружений, морская инфраструктура, а также научные исследования в полярных регионах. Результаты таких исследований могут быть использованы для создания более устойчивой и безопасной инфраструктуры в экстремальных климатических условиях. Важно отметить, что создание композитных материалов с ледяной матрицей также открывает новые горизонты для сотрудничества между различными областями науки и промышленности. Инженеры, материаловеды, исследователи климата и экологии могут совместно разрабатывать инновационные решения, способствующие более эффективному использованию ледяных ресурсов и созданию устойчивой инфраструктуры в ледяных регионах. Исследование композитных материалов с ледяной матрицей представляет собой область с большим потенциалом для развития и инноваций. Понимание основных механизмов взаимодействия компонентов композита, а также оптимизация их свойств, поможет создать новые материалы, способные революционизировать подходы к строительству и использованию сооружений в условиях ледяных регионов. Это имеет не только практическое, но и экологическое значение, способствуя более устойчивому и ресурсосберегающему использованию ледяных ресурсов нашей планеты.