СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ЛЕДЯНОЙ МАТРИЦЫ
METHOD OF OBTAINING COMPOSITE MATERIAL BASED ON ICE MATRIX

Изобретение относится к области получения композиционных материалов, в которых матрицей выступает лед, а инструментом воздействия на его структуру и свойства являются наполнители (арматура) разного химического состава и морфологии. Данное изобретение может быть использовано для повышения физико-механических характеристик льда при строительстве ледяных переправ, дамб, сооружений и пр.
Лед использовался как строительный материал и даже велись исследования композиционных материалов на основе льда с натуральными растительными наполнителями, в частности, опилками, сообщения о которых были в середине прошлого столетия. При строительстве ледовых дорожных переправ используют искусственное намораживание льда, причем для увеличения выдерживаемой нагрузки в лед вмораживают различные армирующие компоненты (бревна, шпалы, ветки деревьев, стальные тросы и т.д.).
Известен способ усиления ледовых переправ при помощи стальных тросов (RU 2132898 C1, E01D 15/14, опубл. 10.07.1999 г.). В ледяном покрове по обеим сторонам от оси переправы устраивают канавки глубиной меньше толщины ледяного покрова, в которые укладывают стальные тросы. Недостатком данного способа является расположение тросов вверху (в сжатой зоне), что значительно уменьшает прочность переправы.
Известен способ получения многослойного ледового покрытия для керлинга, получаемого последовательным намораживанием слоев толщиной не более 1 мм, с использованием модифицированных высокомолекулярными соединениями растворов (RU 2364806 C1, F25C 3/02, опубл. 20.08.2009 г.), выбранный в качестве прототипа. Недостатком данного способа является отсутствие армирующего компонента, что значительно снижает прочность покрытия.
Техническая задача заявленного изобретения состоит в создании композиционного материала на основе ледяной матрицы, обладающего прочностью на изгиб, превышающей прочность чистого льда (неармированного материала) за счет использования наполнителей.
Технический результат состоит в повышении физико-механических характеристик, прочности на изгиб композиционного материала на основе льда, а также повышении деформационных характеристик.
Для достижения заявленного технического результата предложен способ получения композиционного материала на основе льда, включающий послойную наморозку слоев льда из воды в формах, при этом послойная наморозка слоев льда осуществляется при температуре от минус 10 до минус 17°С, толщина слоя льда при этом не превышает 1,2 мм, интервал времени между заливками не превышает 30 минут, в процессе наморозки слоев льда осуществляют армирование получаемого композиционного материала путем выкладки, по меньшей мере, двух слоев армирующего компонента, в качестве которого используют нити РУСАР-С по 5 или 25 нитей в слое, на поверхность намороженного слоя с дальнейшей заливкой нового слоя льда.
Предпочтительно, в качестве армирующего компонента используют стекловолоконную сетку в шесть слоев равномерно расположенных в объеме образца.
Предпочтительно, в качестве армирующего компонента используют стекловолоконные нити по 10 нитей в слое.
Предпочтительно, в качестве армирующего компонента используют углеродные нити по 10 нитей в слое.
Предпочтительно, в качестве армирующего компонента используют природные волокна в количестве 10 об. %.
Предпочтительно, послойную наморозку слоев льда проводят в формах, выполненных из металлических или полимерных материалов.
Послойная наморозка слоев льда осуществлялась в холодильной камере при температуре от минус 10 до минус 20°С, что позволяет провести достаточно быструю наморозку слоя без образования дефектов, при этом вода послойно заливалась в охлажденные формы, выполненные из металлических (например, алюминиевых сплавов, нержавеющих сталей и т.д.) или полимерных материалов, обеспечивающих необходимые размеры образцов, таким образом, чтобы жидкость равномерно покрывала поверхность, толщина единичного разливаемого слоя не превышала 1,5 мм, при большей толщине слоя возможно образовывание объемных дефектов в образце, что может снижать прочность материала. Интервал времени между заливками не превышал 30 минут и определялся временем, необходимым для полной кристаллизации залитого слоя. В процессе наморозки слоев льда осуществляли армирование получаемого композиционного материала путем выкладки армирующего компонента в заданном количестве на поверхность намороженного слоя с последующей заливкой методом описанным выше. Такой способ армирования позволяет повысить физико-механические характеристики образцов. Влияния армирующего компонента на прочность при изгибе композиционного материала оценивали по диаграмме нагружения, а именно по наличию скачкообразных падений нагрузок, возникающих вследствие разрушения (полного или частичного) материала, остаточной прочности (прочности после разрушения композиционного материала на основе льда) и деформации образцов материала в процессе испытания.
Примеры осуществления.
Пример 1. Получали композиционный материал на основе льда путем заливки слоев воды в алюминиевые формы, в объеме обеспечивающей толщину слоя льда не более 1,5 мм и последующую заморозку слоя льда охлаждением форм с водой в холодильных камерах при температуре от минус 10 до минус 20°С. Армирование материала проводили путем выкладки стекловолоконной сетки в два слоя. Полученный материал обладал прочностью на изгиб 3,44 МПа, при этом разрушение ледяной матрицы и армирующего компонента (стекловолоконной сетки) происходили одновременно, деформация составила 0,5 мм.
Пример 2. Получали композиционный материал на основе льда, армированный стекловолоконной сеткой в шесть слоев равномерно расположенных в объеме образца. Полученный материал обладал прочностью на изгиб 2,31МПа (разрушение ледяной матрицы), остаточная прочность составляла 3,46 МПа, общая деформация при этом составила 1,6 мм.
Пример 3. Получали композиционный материал на основе льда, армированный полимерными нитями РУСАР-С по 5 нитей в три слоя. Полученный материал обладал прочностью на изгиб 2,94 МПа (разрушение ледяной матрицы) остаточная прочность составляла 2,40 МПа, деформация составила 0,5 мм.
Пример 4. Получали композиционный материал на основе льда, армированный полимерными нитями РУСАР-С по 25 нитей в два слоя. Полученный материал обладал прочностью на изгиб 2,51 МПа (разрушение ледяной матрицы) остаточная прочность составляла 6,23 МПа, деформация составила 34,1 мм.
Пример 5. Получали композиционный материал на основе льда, армированный стекловолоконными полимерными нитями по 10 нитей в пять слоев. Полученный материал обладал прочностью на изгиб 2,33 МПа (разрушение ледяной матрицы) остаточная прочность составляла 5,45 МПа, деформация составила 12,5 мм.
Пример 6. Получали композиционный материал на основе льда, армированный углеродными нитями по 10 нитей в два слоя. Полученный материал обладал прочностью на изгиб 3,03 МПа (разрушение ледяной матрицы) остаточная прочность составляла 8,23 МПа, деформация составила 32,9 мм.
Пример 7. Получали композиционный материал на основе льда путем заливки слоев воды в алюминиевые формы, армированный льноволокном объемным содержанием - 10%. Полученный материал обладал прочностью на изгиб 6,32 МПа, при этом разрушение ледяной матрицы и армирующего компонента происходили одновременно, деформация составила 13,5 мм.
Пример 8. Получали композиционный материал на основе льда путем заливки слоев воды в алюминиевые формы, армированный волокнами люфы объемным содержанием - 10%. Полученный материал обладал прочностью на изгиб 3,04 МПа (разрушение ледяной матрицы) остаточная прочность составляла 1,09 МПа, деформация составила 7,8 мм.
Приложение к примерам осуществления
Пример 9. Получали композиционный материал на основе льда путем заливки слоев воды в алюминиевые формы, в объеме обеспечивающей толщину слоя льда не более 1,2 мм и последующую заморозку слоя льда охлаждением форм с водой в холодильных камерах при температуре от минус 10 до минус 17°С. Армирование материала проводили путем выкладки стекловолоконной сетки в два слоя. Полученный материал обладал прочностью на изгиб 2,89 МПа, при этом разрушение ледяной матрицы и армирующего компонента (стекловолоконной сетки) происходили одновременно, деформация составила 0,4 мм.
Пример 10. Получали композиционный материал на основе льда, армированный стекловолоконной сеткой в шесть слоев равномерно расположенных в объеме образца. Полученный материал обладал прочностью на изгиб 2,11 МПа (разрушение ледяной матрицы), остаточная прочность составляла 3,19 МПа, общая деформация при этом составила 1,6 мм.
Пример 11. Получали композиционный материал на основе льда, армированный полимерными нитями РУСАР-С по 5 нитей в три слоя. Полученный материал обладал прочностью на изгиб 2,73 МПа (разрушение ледяной матрицы), остаточная прочность составляла 2,35 МПа, деформация составила 0,4 мм.
Пример 12. Получали композиционный материал на основе льда, армированный полимерными нитями РУСАР-С по 25 нитей в два слоя. Полученный материал обладал прочностью на изгиб 2,40 МПа (разрушение ледяной матрицы), остаточная прочность составляла 5,89 МПа, деформация составила 31,4 мм.
Пример 13. Получали композиционный материал на основе льда, армированный стекловолоконными полимерными нитями по 10 нитей в пять слоев. Полученный материал обладал прочностью на изгиб 2,25 МПа (разрушение ледяной матрицы), остаточная прочность составляла 5,08 МПа, деформация составила 12,3 мм.
Пример 14. Получали композиционный материал на основе льда, армированный углеродными нитями по 10 нитей в два слоя. Полученный материал обладал прочностью на изгиб 2,98 МПа (разрушение ледяной матрицы) остаточная прочность составляла 7,3 МПа, деформация составила 15,5 мм.
Пример 15. Получали композиционный материал на основе льда путем заливки слоев воды в алюминиевые формы, армированный льноволокном объемным содержанием - 10%. Полученный материал обладал прочностью на изгиб 5,07 МПа, при этом разрушение ледяной матрицы и армирующего компонента происходили одновременно, деформация составила 12,5 мм.
Пример 16. Получали композиционный материал на основе льда путем заливки слоев воды в алюминиевые формы, армированный волокнами люфы объемным содержанием - 10%. Полученный материал обладал прочностью на изгиб 2,65 МПа (разрушение ледяной матрицы), остаточная прочность составляла 1,01 МПа, деформация составила 6,7 мм.