Прочность и деформативность композиционного материала на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНОЙ МАТРИЦЫ И

СТЕКЛОТКАНИ

Э.В. Филимонов, Н.В. Линьков

МГСУ

Для композиционного материала на основе стеклоткани и эпоксидной матрицы холодного отверждения определены прочностные и упругие характеристики при сжатии, растяжении, изгибе и скалывании. Дана оценка кинетики прочностных и упругих свойств композиционного материала. Определены нормативные и расчетные сопротивления материала сжатию, растяжению, изгибу и скалыванию

For the composite material on the basis of fiberglass and epoxy matrix of cold hardening defined strength and elasticity characteristics in compression, tension, bending and shearing. The estimation of the kinetics of the strength and elastic properties of composite material. Defined regulatory and calculated the resistance of the material to compression, stretching, bending and shear

Развитием известных клеевых соединений, широко применяемых для создания клееных деревянных конструкций, является соединение деревянных элементов композиционным материалом (КМ) на основе стеклоткани и эпоксидной матрицы холодного отверждения. В результате полимеризации эпоксидной матрицы формируется стеклопластик заданной толщины, армированный стекловолокном в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а так же обеспечивается склеивание деревянных элементов за счет формирования адгезионных связей на границе «КМ-древесина».

Для определения физико-механических характеристик КМ были проведены испытания образцов материала статической нагрузкой. В условиях лаборатории кафедры КДиП МГСУ были изготовлены 5 листов КМ размерами 320х280х(5^12) мм. Из каждого листа вырезали образцы для определения основных прочностных и упругих характеристик КМ, соответствующих работе материала в соединении, в т.ч. предел прочности при сжатии, растяжении, поперечном изгибе и скалывании; модуль упругости при сжатии, растяжении и поперечном изгибе; коэффициенты Пуассона. По своей структуре исследуемый КМ является ортотропным, в связи с чем исследуемые характеристики определяли в двух взаимно перпендикулярных направлениях, совпадающих с направлениями армирования материала, и образцы изготавливали с направлением продольной оси как вдоль основы, так и вдоль утка армирующей стеклоткани. Принципиальная схема листового композиционного материала для изготовления образцов, форма и размеры образцов для определения прочностных и упругих характеристик КМ представлены на рис. 1.

При выборе методики испытаний и назначении размеров образцов были учтены методы стандартных испытаний малых образцов пластмасс и армированных пластиков, цельной, клееной и модифицированной древесины, фанеры, древесных плитных материалов, принятые в действующих ГОСТах и Рекомендациях, а так же рассмотренные в справочной и научно-технической литературе по композиционным материалам /1, 3/.

Испытания образцов КМ проводили в лаборатории кафедры КДиП МГСУ. Испытания при определении временных сопротивлений проводили в режиме нагружения возрастающей нагрузкой, при определении упругих характеристик КМ - методом шестикратного нагружения и разгрузки между нижним и верхним пределами нагружения, которые составляют соответственно 5% и 25% от разрушающей нагрузки. При этом выполняли измерение относительных деформаций образцов на нижнем и верхнем пределах нагружения тензодатчиками базой 5 мм (на сжатие) и 20 мм (на растяжение). Для определения модуля упругости КМ при поперечном изгибе проводили измерение деформаций (прогибов) образцов в середине пролета индикатором часового типа с ценой деления 0,01 мм. Испытания образцов КМ на скалывание выполняли по методике ЦНИИСК с использованием приспособления по а.с. № 421912 / 4 /. Модули

упругости и коэффициенты поперечной деформации при испытаниях на сжатие и растяжение определяли: Е^Дсх/Де*, Е^Да/Деу, Цух=ДеуПоп/Дехпрод, Цху=Д£хпоп/Д£упРоД, где Дех, Деу - относительные продольные деформации образца при действии усилия соответственно в направлении оси X и У композиционного материала; Дох, Доу - приращения нормального напряжения от нижнего до верхнего пределов нагружения в направлении продольной оси образца, ДеХпрод, ДеХпоп, ДеУпРоД, ДеУпоп - относительные продольные и поперечные деформации образца в направлении оси X и У КМ. Модуль упругости при изгибе определяли: где ДР -сила нагружения образца, равная разности между верхним и нижним пределами нагружения; ДГ - значение прогиба образца, равное разности прогибов между верхним и нижним пределами нагружения; Ь, 1обр - соответственно пролет (расстояние между центрами опор) и момент инерции поперечного сечения образца. Кроме того, по результатам испытаний образцов на сжатие, изгиб и скалывание оценивали влияние характера набора прочности эпоксидной матрицей на прочностные и упругие характеристики КМ. Для этого одинаковые образцы из разных листов испытывали через 10, 20, 30 и 60 суток после изготовления.

Разрушение образцов при сжатии происходило с образованием характерной складки под углом 30-45 градусов в средней части образца, что сопровождалось местным срезом армирующих волокон. Общей потери устойчивости образцов не наблюдалось. Разрушение образцов при растяжении происходило от разрыва в средней части образца по площадке, перпендикулярной его продольной оси и носило хрупкий характер. Разрушение образцов при изгибе происходило в средней части пролета между точками приложения сосредоточенных усилий в зоне чистого изгиба, с образованием характерной складки в сжатой зоне и последующим разрывом КМ в растянутой зоне. При скалывании разрушение происходило единовременно, по всей ширине образца, в результате сдвига одной части образца относительно другой и носило хрупкий характер.

По результатам испытаний образцов на сжатие и растяжение установлено, что на уровне верхней границы области упругой работы КМ при Ос = 0,55опчс Для сжатия и при 0Р = 0,6оПчр для растяжения, где оПчс, оПчР - предел прочности материала на сжатие и на растяжение, относительная деформация материала составила ех =0,32%, еУ =0,35% при работе КМ на сжатие, £Х =1,0% при работе КМ на растяжение; при разрушении - ех = 0,68% и еУ =0,8% на сжатие, ех =1.98% на растяжение. Для сравнения: для древесины сосны относительные деформации при сжатии вдоль волокон на стадии, предшествующей разрушению, составляют 0,6-0,8%, при растяжении вдоль волокон - 0,8-1,5%. Такое соотношение деформационных характеристик клеев и древесины в соединении (в нашем случае - КМ и древесины) считается благоприятным /2/ и обеспечивает эффективную работу соединения.

Результаты испытаний образцов КМ представлены на графиках на рис. 2. Из рассмотрения графиков на рис. 2 видим, что после изготовления КМ по мере отверждения эпоксидной матрицы наблюдается увеличение упругих и прочностных характеристик материала (кривые 1 и 2 для модуля упругости, кривые 3, 4 и 5 - для предела прочности на рис. 2), что является характерным для эпоксидных клеевых составов /2/. Прочность на сжатие КМ (кривая 3 на рис. 2) за 10 суток отверждения эпоксидной матрицы составляет в среднем оХпч=58.8 МПа, оУпч = 49.98 МПа, что выше временного сопротивления древесины сосны сжатию вдоль волокон (ос пч =30-40 МПа), и стабилизируется за 30 суток отверждения материала, при этом прочность КМ достигает по оси X оХ пч =75,9 МПа, по оси У оУпч =73,5 МПа, а за 60 суток - оХпч =77,2^82,6 МПа и оУпч = 74,1^80,5 МПа. Интенсивность набора прочности КМ на сжатие (кривая

6 на рис.2) составляет в течение 10 суток с момента изготовления 5=5,9 МПа/сут, в течение следующих 10 суток (за период от 10 до 20 суток с момента изготовления КМ) - 1,4=1,7 МПа/сут, в течение следующих 10 суток (от 20 до 30 суток с момента изготовления КМ) - 0,33=0,6 МПа/сут, в течение следующих 30 суток (от 30 до 60 суток с момента изготовления КМ) - 0,12=0,14 МПа/сут. Модуль упругости КМ при сжатии (кривая 1 на рис.2) за 10 суток отверждения эпоксидной матрицы составляет в среднем Ех = 7741 МПа, Еу = 6359 МПа, что не превышает модуль упругости древесины сосны (Едр =10000 МПа), сопоставимая с которым величина достигается композиционным материалом за 30-40 суток холодного отверждения. После 10 суток холодного отверждения интенсивность роста модуля упругости КМ стабилизируется, составляет в среднем 102-116 МПа/сут и носит линейный характер. За 60 суток отверждения эпоксидной матрицы модуль упругости КМ при сжатии составляет Ех=13048 МПа, Еу = 12443МПа, что превышает модуль упругости древесины сосны (Едр =10000 МПа) в 1,24-1.3 раза.

Прочность КМ на растяжение оценивали по результатам испытаний образцов после 60 суток холодного отверждения эпоксидной матрицы. Прочность КМ на растяжение составила в среднем ох пч = 188,1 МПа, оУ пч = 173,55 МПа, что выше временного сопротивления древесины сосны, ели растяжению вдоль волокон (ор ш =100 МПа). Модуль упругости КМ при растяжении за 60 суток отверждения эпоксидной матрицы составил в среднем Ех = 13252 МПа, ЕУ = 12240 МПа, что превышает модуль упругости древесины сосны (Едр =10000 МПа) в 1,22-1.33 раза. Коэффициенты поперечной деформации КМ при растяжении составили р. ух = -0,165, р. ху = -0,131.

Прочность КМ на изгиб (кривая 4 на рис.2) за 10 суток отверждения эпоксидной матрицы составила в среднем ох пч = 158.4 МПа, оУ пч = 135.2 МПа, что выше временного сопротивления древесины сосны изгибу (оИпч =75 МПа), и стабилизируется за 30 суток отверждения матрицы, при этом прочность КМ достигает по оси X ох пч =179,7 МПа, по оси У 0упч=173,4 МПа, а за 60 суток - ох пч=187,5 МПа и Оупч=180,1 МПа. Интенсивность набора прочности на изгиб КМ (кривая 7 на рис.2) составила в течение 10 суток с момента изготовления 13,5=15,8 МПа/сут, в течение следующих 20 суток (от 10 до 30 суток с момента изготовления КМ) - 1,1=1,9 МПа/сут, в течение следующих 30 суток (от 30 до 60 суток с момента изготовления КМ) - 0,23=0,26 МПа/сут. Модуль упругости при изгибе КМ за 10 суток отверждения эпоксидной матрицы составил в среднем Ех = 10739 МПа, Еу = 8662 МПа (кривая 2 на рис.2), что соответствует модулю упругости при изгибе древесины сосны (Едр =10000 МПа). После первых 10-ти суток холодного отверждения интенсивность роста модуля упругости КМ стабилизировалась, составила в среднем 82-99 МПа/сут и носит линейный характер. За 60 суток отверждения эпоксидной матрицы модуль упругости КМ при изгибе составил Ех=14825 МПа, Еу = 13606 МПа, что превышает модуль упругости древесины сосны (Едр =10000 МПа) в 1,48-1.36 раза.

Прочность на скалывание КМ (кривая 5 на рис.2) за 10 суток отверждения эпоксидной матрицы составила в среднем тХпч=9,94=10.74 МПа, тУпч=9,93=10.14 МПа, что выше временного сопротивления древесины сосны скалыванию (тскпч=7 МПа), и стабилизировалась за 30 суток отверждения матрицы, при этом прочность композиционного материала достигла по оси X хХпч=14,4 МПа, по оси У хУпч=14,3 МПа, а за 60 суток - тХпч =15,54 МПа и тУпч = 15,5 МПа соответственно. Интенсивность набора прочности на скалывание КМ (кривая 8 на рис.2) составила в течение 10 суток с момента изготовления 0,99=1,1 МПа/сут, в течение следующих 20 суток (от 10 до 30 суток с момента изготовления КМ) - 0,18=0,208 МПа/сут, за следующие 30 сут. (от 30 до 60 сут. с момента изготовления КМ) - 0,04 МПа/сут.

Прочность и модуль упругости КМ в направлении оси X выше прочности и модуля упругости в направлении оси У. Разница между оХпч и оУпч за 10 суток отверждения матрицы составляет при сжатии и при изгибе 17,2-17,6%, при скалывании 0,1-5,9%; за 30 суток при сжатии и при изгибе - 3-4,3%, при скалывании 0,4%; за 60 суток при сжатии и при изгибе - 2,1-4%, при скалывании - 0.26%. Разница между Ех и ЕУ при сжатии и при изгибе за 10 суток отверждения матрицы составляет 21,7-24%, за 30 суток - 8,3-11,5%, за 60 суток - 4-8,9%. По мере набора прочности эпоксидной матрицей прочность КМ по двум основным направлениям армирования материала выравнивается, что объясняется упрочнением матрицы и адгезионных связей по границе раздела «матрица-стекловолокно».

Проведена статистическая обработка значений пределов прочности и модулей упругости КМ на сжатие, изгиб, скалывание для образцов, имеющих срок выдержки после изготовления 60 суток. Поскольку средние значения пределов прочности КМ в

направлении оси X (оХпч) и оси У (оУпч) отличались между собой не более чем на 4%, а средние значения модуля упругости КМ в направлении оси X (Ех) и оси У (ЕУ) отличались между собой не более чем на 8%, провели оценку достоверности разницы между свойствами материала в направлении оси X и в направлении оси У. Было установлено, что для рассматриваемых видов напряженного состояния не подтвердилась достоверность разницы между частными совокупностями значений оХпч и оУпч при сжатии, 0Хпч и оУпч при изгибе, хХпч и тУпч при скалывании, Ех и Еу при сжатии, Ех и Еу при изгибе. Указанные совокупности по каждому виду напряженного состояния объединили для статистической обработки, результаты которой представлены в табл. 1.

Оценивая экспериментальные данные по результатам статистической обработки видим, что изменчивость исследуемых свойств композиционного материала не превышает соответствующих показателей для древесины. Показатель точности исследований не превышает 5%, что говорит о достаточной надежности данных.

В табл. 1 так же представлены характеристики нормального распределения исследуемых свойств КМ - показатель асимметрии А, показатель эксцесса Э, ошибка показателя асимметрии тА и ошибка показателя эксцесса шэ. Поскольку выполняются неравенства А /шА < 3 и Э/ шэ < 3, распределение экспериментальных данных может быть описано законом нормального распределения, что позволяет определить значения нормативного Ян (с доверительной вероятностью по минимуму Рд=0,95) и расчетного Я' (с доверительной вероятностью по минимуму Рд=0,99) кратковременных сопротивлений КМ сжатию, изгибу и скалыванию, которые составили: для сжатия КНсж = 63,8 МПа, Я'сж = 57,7 МПа; для растяжения КНР = 145,3 МПа, Я'Р = 130,5 МПа; для изгиба Кни = 155,4 МПа, Я'и = 145,6 МПа; для скалывания Кнск = 11,65 МПа, Я'ск = 10,33 МПа. При этом коэффициент надежности по материалу составил уш 1,07=1,128, что соответствует известным данным для древесины, пластмасс и композиционных материалов / 1, 2, 5 /.

На основании проведенных испытаний и выполненных расчетов сделаны следующие выводы:

1. По результатам испытаний кратковременной статической нагрузкой образцов определены прочностные и упругие характеристики при сжатии, растяжении, изгибе и скалывании композиционного материала на основе стеклоткани и эпоксидной матрицы холодного отверждения.

2. Проведена оценка характера набора прочности и деформативности композиционного материала при сжатии, изгибе и скалывании по мере увеличения срока холодного отверждения эпоксидной матрицы. Прочность композиционного материала стабилизируется через 60 суток после изготовления КМ. Прочностные характеристики, сопоставимые по величине с соответствующими нормативными сопротивлениями древесины 2-го сорта, достигаются КМ через 44-100 часов после начала отверждения.

3. Статистической обработкой экспериментальных данных установлено, что распределение прочностных и упругих характеристик КМ может быть описано законом нормального распределения, на основании которого определены значения нормативных Ян (с доверительной вероятностью по минимуму Рд=0,95) и расчетных Я' (с доверительной вероятностью по минимуму Рд=0,99) кратковременных сопротивлений КМ сжатию, растяжению, изгибу и скалыванию.

Результаты статистической обработки обобщенных результатов испытаний композиционного материала на сжатие, растяжение, изгиб, скалывание

№ п/ п Показатели статистической обработки Ед. изм. Сжатие Растяжение Изгиб Скалывание

Модуль упругости Е Предел прочности О пч Модуль упругости Е Предел прочности О пч Модуль упругости Е Предел прочности О пч Предел прочности Тек пч

1. Статистики

1 Кол-во образцов, п ШТ. 20 20 14 14 27 27 23

2 Среднее арифм-е, М МПа 12737 78,44 12785 181,4 12460 178,9 14,85

3 Среднее квадр. откл-е, в МПа 1914 8,89 809,9 21,84 1897 14,27 1,94

4 Вариационный к-т, V % 15,0 11,3 6,33 12,1 15,2 8 13,06

5 Средн. ошибка ср. арифм., т МПа 428 1,99 224,6 6,06 365,1 2,747 0,404

6 Показатель точности, Р % 3,4 2,53 1,76 3,34 2,93 1,54 2,72

2. Характеристики нормального распределения

1 Показатель асимметрии, А - -0,03 -0,32 -0,098 - 0,274 1,19 0,167 -0,19

2 Ошибка пок. асим-и, тд - 0,548 0,548 0,68 0,68 0,471 0,471 0,51

3 Отношение А/тА - 0,0495 0,59 0,144 0,403 2,53 0,355 0,37

4 Показатель эксцесса, Э - -1,40 -0,639 - 1,27 -0,684 1,38 -0,529 -0,347

5 Ошибка пок. эксцесса, тэ - 1,095 1,095 1,36 1,36 0,943 0,943 1,022

6 Отношение Э/тэ - 1,276 0,584 0,938 0,51 1,472 0,563 0,339

Литература

1. Композиционные материалы: Справочник / Под ред. В.В.Васильева, Ю.М.Тарнопольского. -М.: Машиностроение, 1990.

2. Фрейдин A.C., К.Т.Вуба. Прогнозирование свойств клеевых соединений древесины. - М.: Лесн. пром-сть, 1980.

3.Тарнопольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1981.

4. A.C. № 421912 на изобретение «Устройство для испытания на сдвиг образцов фанеры». -Бюллетень № 12 . - ЦНИИПИ , 1974

5. Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП II-25-80) /ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко. - М.: Стройиздат, 1986.

Ключевые слова: композиционный материал, древесина, соединение, сжатие, растяжение, изгиб, скалывание, предел прочности, нормативное сопротивление, расчетное сопротивление, модуль упругости, коэффициент поперечной деформации.

Keywords: composite material, wood, compound, compression, tensile, bending, shear, tensile strength, resistance to the normative, the calculated resistance, modulus of elasticity, coefficient of transverse deformation

Рецензент: Турковский С.Б., доктор техн. наук, ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко

Email автора: nicklinkov@gmail.com