Анизотропия свойств стеклопластиков на ровинге и ее влияние на конструктивные решения стеклопластиковых дымовых труб и заглубленных резервуаров

В качестве армирующего наполнителя для стеклопластика используют ткани из стекловолокна с различным переплетением волокон, первичные крученые и некрученые нити, рубленные волокна или ровинг, представляющий собой некрученую прядь из нитей непрерывного стекловолокна. Наполнители оказывают существенное влияние на свойства стеклопластиков, особенно на прочность, ударную вязкость, теплостойкость и пр. [1,2].

В производстве крупногабаритных изделий из стеклопластиков методом мокрой намотки в основном рекомендуется применение ткани полотняного и сатинового переплетения из-за простоты технологической оснастки и высоких прочностных характеристик материала в изделии как в кольцевом направлении, так и по образующей [3]. Однако при одинаковой массе стоимость ткани на 30 % выше, чем ровинга, при намотке в стационарных условиях можно одновременно наматывать большое количество его прядей, поэтому применение ровинга экономически оправдано. Но применение ровинга обуславливает преимущественное армирование в кольцевом направлении и более существенную анизотропию, величина и проявление которой требуют оценки и учета при проектировании изделий.

Нами проведена работа по оценке возможности применения намоточного полиэфирного стеклопластика на ровинге для конструкций заглубленных резервуаров большого диаметра и стволов дымовых труб при температурах до 200 °C, для чего были изучены механические характеристики материалов в разных направлениях, зависимость модуля упругости от температуры, и характер проявления этих свойств в исследуемых конструкциях.

Были выполнены испытания образцов стеклопластика, вырезанных из оболочек, намотанных ровингом с двумя прослойками ткани ТР-04, основой ориентированной по образующей, с использованием полиэфирной смолы Polylight в качестве связующего. Испытания проводились на изгиб, растяжение и сжатие в кольцевом направлении и по образующей.

Кроме того, были проведены исследования температурной зависимости образцов стеклопластика, намотанного ровингом, с использованием теплостойкой эпоксивинилэфирной смолы DERAKANE 470 НТ-400 в качестве связующего. У производителя данной смолы имеется информация о свойствах эпоксидных винилэфирных смол и стеклопластика на их основе, в том числе о температуре тепловой деформации смолы [4]. Однако нет данных об изменении свойств стеклопластика в зависимости от температуры и направления армирования.

Испытание и обработка результатов проводились согласно [1, 5, 6, 7]. Коэффициент армирова ния образцов, определенный выжиганием связующего, составил 70 %. При испытании на изгиб разрушение образцов происходило с расслоением по вмотанной стеклоткани. Межслойный сдвиг проявляется также при разрушении в результате растяжения и сжатия (рис. 1).

На рис. 2 приведена характерная диаграмма работы образца на изгиб и выделенный линейный участок.

Сводные данные о рекомендуемых нормативных и расчетных характеристиках намоточного полиэфирного стеклопластика на смоле Polylight и ровинге, а также их сопоставление с характеристиками стеклопластика на тканевой основе (по данным [3]) приведены в табл. 1, 2.

Для оценки зависимости упругих свойств от температуры образцы стеклопластика нагревались в термокамере, позволяющей поддерживать постоянную температуру, где измерялся их прогиб при нагружении и разгрузке. Испытания проводились при температурах 25, 120, 150, 160, 180, 200 °C и при промежуточных охлаждениях до 25 °C. После

3,0    6,0 9Д ИД 15,0   18,0   21,0    24,0   37,0 ЗОД

Прогиб, мм

Рис. 2. Диаграмма работы образца на изгиб

Теория расчета строительных конструкций

Таблица 1

Напряженное состояние	Нормативные / расчетные сопротивления для стеклопластика на полиэфирной смоле, МПа		Соотношение характеристик ровинг/ткань
	на ровинге (по результатам испытания)	на тканевой основе (справочно)
Сжатие в кольцевом направлении	153/38	100/25	1,5
Сжатие по образующей	45/11	80/20	0,56
Растяжение в кольцевом направлении	230* / 57*	180/45	1,3
Растяжение по образующей	76/19	100/25	0,76
Изгиб в кольцевом направлении	190/47	165/41	1,15
Изгиб по образующей	63/16	110/28	0,57

* Прогнозируемая величина (пропорционально прочности при изгибе).

Таблица 2

Напряженное состояние Нормативные / расчетные модули упругости для стеклопластика на полиэфирной смоле, МПа Соотношение характеристик ровинг/ткань на ровинге (по результатам испытания) на тканевой основе (справочно) Изгиб в кольцевом направлении 23902 / 8764 21000/7700 1,14 Изгиб по образующей 12170/4462 12000 / 4400 1,01 чего рассчитывался модуль упругости при разных температурах £(/), а также модуль упругости до нагрева £нач и после нагрева £посл при температуре 25 °C.

Средние значения модуля упругости при температуре 25 °C:

• -    изгиб в кольцевом направлении

£ = 29 726 МПа ;

• -    изгиб по образующей

£90 =13 595 МПа.

На рис. 3 представлен график, показывающий повышение модуля упругости образцов после цикла нагрев-охлаждение. Такое изменение показывает, что полимеризация образцов была не полной и продолжилась при нагревании.

Результаты изменения модуля упругости с ростом температуры представлены на рис. 4. Из анализа графиков рис. 4 следует, что при тем пературе выше 180 °C даже у стеклопластика на теплостойкой смоле DERAKANE 470 НТ-400 происходят структурные изменения в материале.

Проявление анизотропии стеклопластика оценивалось на примере заглубленных резервуаров (вертикальных и горизонтальных диаметром до 3,6 м при заглублении до 10 м) и стволов дымовых труб, в последнем случае и с учетом изменения свойств при нагреве.

Расчет вертикальных резервуаров производился на потерю устойчивости в кольцевом направлении как для короткой оболочки, подкрепленной по торцам согласно [8].

Горизонтальные емкости рассчитаны по методике расчета подземных трубопроводов из ПКМ [9, с. 125-127]. Подкрепляющее действие торцов на устойчивость стенки в кольцевом направлении учитывалось исходя из отношения длины оболочки к длине окружности подобно сводчатым По-

1,50 —                   -           ----------------.........——

1-14        1,15         1301,07

1,00    -   - 1,00

0,50 .......-............-..........-......-.........................................-...................................-................-................................................-..............................................

0,00 ~..............................................................................................-.................................-..............-........-----------------------------------------------------------------

• -          150        160        180200

Температура термообработки, °C

Рис. 3. Повышение модуля упругости после термообработки (в долях к первоначальному значению)

а)

Рис. 4. Относительная зависимость: а - ЕД)/Е„ач от температуры; б - E(t)/Enocn от температуры;

Температура, °C

б)

— в кольцевом направлении; по образующей

крытиям [10, с. 226]. Предельное значение относительной деформации вертикального диаметра трубы принято 3 %.

В результате расчета определена требуемая толщина стенки резервуара. Наличие ребер жесткости позволяет ее уменьшить за счет возрастания критических напряжений.

По результатам расчета установлено, что относительное снижение характеристик стеклопластика в направлении образующей не приводит к увеличению толщины стенок оболочек, поскольку для вертикальных резервуаров определяющим условием является устойчивость стенки в кольцевом направлении, для горизонтальных - величина овализации при запасе по устойчивости.

При исследовании образцов стеклопластика в интервале температур 25-200 °C все образцы показали схожее относительное изменение кратковременного модуля упругости. При повышении температуры модуль упругости стеклопластика, намотанного ровингом, особенно сильно снижается в направлении образующей, поэтому у краев воспринимающих осевые усилия оболочек, где косое армирование ровингом не осуществимо, обязательно выполнение дополнительного осевого армирования тканью.

По результатам испытаний и расчетов сделаны следующие выводы:

• 1.    Для исследованных образцов характерна значительная анизотропия: прочность в кольцевом направлении в 3 раза превышает прочность в направлении образующей, модуль упругости в кольцевом направлении в 2 раза превышает модуль упругости в направлении образующей.

• 2.    Прочность стеклопластика на ровинге в кольцевом направлении в 1,3 раза выше прочности стеклопластика на тканевой основе.

• 3.    Прочность стеклопластика на ровинге по образующей составляет около 0,6 от прочности стеклопластика на тканевой основе.

• 4.    Модули упругости стеклопластика на ро

• 5.    Снижение характеристик стеклопластика в направлении образующей не приводит к увеличению толщины стенок заглубленных резервуаров.

• 6.    Повышение температуры существенно снижает модуль упругости стеклопластика, намотанного ровингом, особенно в направлении образующей, что следует учитывать при проектировании дымовых труб.

винге и ткани в обоих направлениях практически совпадают.