Оценка изменения предела выносливости материала ПКМ-свай под воздействием внешних гео-климатических факторов Крайнего Севера

ны прогнозированию характеристик сопротивления усталости слоистых ПКМ при наличии ограниченного объема испытаний [14]. Так, в настоящее время для этих целей используются такие модели с использованием различных диаграмм постоянной усталостной долговечности (ДПУД) как асимметричная диаграмма Гудмана; нелинейная асимметричная диаграмма Гербера; колоколообразная диаграмма Харриса; анизоморфные диаграммы Каваи [15-18], а также модели Вейбулла [19], Сендекиа [20] и Итохом [21]. Однако, как показывают результаты работы [14, 15], достичь приемлемой трудоемкости и точности получаемых результатов с применением данных моделей для прогнозирования характеристик сопротивления усталости ПКМ получается далеко не всегда. Поэтому в работе [14] предложен метод определения характеристик сопротивления усталости слоистых ПКМ с использованием нормализованных кривых усталости (НКУ). Данный метод позволяет исключить влияние на усталостную долговечность разную прочность волокон и матрицы, их объемную долю и способ укладки ПКМ, а также получать НКУ по результатам обработки экспериментальных данных по усталостной долговечности «образцов-прототипов», без привлечения данных по усталостной долговечности опытных образцов. Таким образом, зная изменение предела прочности ПКМ от воздействия внешних гео-климатических факторов, характерных для Крайнего Севера, и имея результаты по усталостной долговечности «образцов-прототипов», с использование НКУ можно спрогнозировать изменение усталостных свойств ПКМ во время эксплуатации. Поэтому целью настоящей работы являлась оценка изменения предела выносливости материала ПКМ-свай под воздействием внешних гео-климатических факторов крайнего севера. Для достижения данной цели решали следующие задачи:

Определить предел прочности и выносливости материала ПКМ-сваи.

Определить применимость нормализованных кривых усталости для прогнозирования предела выносливости материала ПКМ-сваи.

Построить нормализованные кривые усталости образцов ПКМ-сваи после моделирования их эксплуатации в условиях Крайнего Севера.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалом исследования являлись образцы прямоугольной формы с шириной измерительной базы 25 мм, вырезанные в осевом направлении по ГОСТ Р 54924-2017 из стеклопластиковой свайной трубы диаметром 219 мм и толщиной стенки 4 мм, изготовленной методом мокрой намотки. Перед проведением усталостных испытаний опытные образцы кондиционировались по ГОСТ 12423 в стандартной атмосфере 23/50, класс 2. Определение предела прочности при осевом растяжении осуществлялось по ГОСТ Р 54924-2017 при нормальной температуре. Испытания на усталость при циклическом растяжении проводилось по ГОСТ Р 57143—2016 с применением метода мягкого нагружения на машине Instron 8801. Частота нагружения равнялась 5 Гц, коэффициент асимметрии 0,1, максимальное напряжение: 80%, 70%, 60%, 50% и 40% от предела прочности. Верхний предел усталостного срока службы принимали равным 2000000 циклов. Уравнение аппроксимации получали при помощи ПО Excel. Прогнозирование характеристик сопротивления усталости опытных образцов ПКМ осуществлялось с применением аппроксимирующего уравнения Менделла, применяемого для диаграмм постоянной усталостной долговечности (ДПУД) и специального метода прогнозирования характеристик сопротивления усталости слоистых ПКМ с использованием нормализованных кривых усталости (НКУ) [14]. При прогнозировании влияния внешних гео-климатических факторов в уравнение кривой усталости подставляли измененное значение предела прочности ПКМ при растяжении с учетом коэффициента сохраняемости k.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ

В результате механических испытаний определено, что предел прочности при осевом растяжении опытных образцов стеклопластика (^3) равняется 206,5 МПа. Результаты усталостных испытаний приведены в таблице 1 и на рисунке 1.

Установлено, что предел выносливости при растяжении для стеклопластиковой свайной трубы находится в диапазоне от 60% (125 МПа) до 50% (105 МПа) от J, . Характерный механизм разрушения для всех образцов можно описать как образование множества трещин типа I вследствие разрушения матрицы вокруг армирующих волокон с последующим отрывом. Также определено, что полученная усталостная диаграмма описывается линейным уравнением Менделла (1) с величиной достоверности аппроксимации 0,9631.

^max = 215,91-17,228 lgN,                                 (1)

Тогда на основании полученных данных, уравнения кривых усталости Менделла и НКУ при растяжении опытных ПКМ примут следующий вид (таблица 2).

Таблица 1. Результаты испытаний на усталость при циклическом растяжении

Максимальное напряжение при усталостных испытаниях, МПа	165 (80% от oj	145 (70% от ов )	125 (60% от ов )	105 (50% от ов )	80 (40% от ов )
Количество циклов до разрушения, шт	1 344	6 524	244 596	2 000 000	2 000 000
	1 491	3 197	421 367	2 000 000	-
	1 568	10 651	742 485	-	-
	201	5 438	278 681	-	-
Медиана количества циклов до разрушения, шт.	1456	5981	35004	-	-

•       г»
	у = -17228 IgN + 215,91
• <э <	>ч      R3 = 0,9631
	‘-'ЯМ •

3         4         5         6

Количество циклов, IgN а)

i!__iainnBMKSL__ «л иммнн W лаишкишмш

Хч lUUT «ЛЯН я^П

б)

Рис. 1. Кривые усталости опытных образцов (а); характерный внешний вид образцов после испытания (б)

Таблица 2. Уравнения кривых усталости Менделла и нормализованных кривых усталости при циклическом нагружении

Тип нагружения	Уравнение кривой усталости Менделла	Уравнение нормализованной кривой усталости
Растяжение	oma% = 206,5-17,228 - lgN	o max = (1-0,083 - lgN) - 206,5

Результаты расчета оценки сопротивления усталости с использованием уравнения Менделла

(УМ) и НКУ приведены на рисунке 2.

а)

б)

Рис. 2. Результаты сравнения (а) и соотношение (б) фактической усталостной прочности и расчетной

Из результатов сравнения видно, что оба метода достаточно точно прогнозируют усталостные свойства стеклопластиковой свайной трубы (величина ошибки не превышает 15%). Так, фактический предел выносливости для опытного материала равен 107,4 МПа, а рассчитанный по УМ и методике НКУ 98 и 98,5 МПа соответственно. Однако использование уравнений Менделла, в отличие от НКУ, предполагает обязательное наличие кривой усталости рассматриваемых образцов, как минимум, для симметричного цикла нагружения, что делает использование НКУ более предпочти- тельным для построение прогнозной модели усталостных свойств ПКМ из-за отсутствия необходимости проводить испытания опытных образцов при различных коэффициентах асимметрии, а использовать имеющиеся данные «образцов-прототипов» [14].

Таким образом представляется возможным осуществлять прогноз изменения усталостной долговечности материала ПКМ-свай под воздействием гео-климатических факторов, характерных для Крайнего Севера. Так, в работе [22] определено, что под синергетическим воздействием УФ-излучения, температуры (+45оС) и влажности (90%) аналогичные образцы ПКМ теряют 10% от предела прочности при растяжении за 15 лет эксплуатации в условиях Ямало-Ненецкого АО (данное значение характерно для городов Надым, Новый Уренгой и Ноябрьск при вертикальной южной ориентации ПКМ). В таком случае прогнозная кривая усталости ПКМ под воздействием будет иметь следующих вид (рисунок 3).

По результатам работы [11] было определено, что изменение предела прочности «образцов-прототипов» после испытаний на водопоглощение по ГОСТ 4650-2014 (метод 1) на протяжении 2500 часов с защитным водоотталкивающим лаком ЭП-730 и без него составило 1% и 7% соответственно, что согласно работе [7] равняется 1 году эксплуатации материала ПКМ-сваи в сезонно-талом слое ММГ. При этом стоит учитывать, что сорбционная возможность ПКМ максимальная в начальные период с последующим снижением из-за необходимости обеспечения диффузионного переноса молекул воды во внутренние области материалов [23] до достижения равновесного влагосодержания [24]. Следовательно, и скорость изменения механических свойств ПКМ будет значительно снижаться при увеличении времени нахождения в водонасыщенной среде. Результат расчета изменения кривая усталости стеклопластика под воздействием влаги приведен на рисунке 3.

В работе [25] приведены результаты влияния термоциклического воздействия (переходов температуры через 0оС) на подобные образцы ПКМ. Определено, что после 250 термоциклов, что согласно работе [26] эквивалентно примерно 8,5 годам эксплуатации в условиях Крайнего Севера, опытные образцы ПКМ-сваи без защитного покрытия теряют 26% от предела прочности, а с защитным покрытием – 8%. Прогнозная кривая усталости ПКМ под термоциклическим воздействием приведена на рисунке 3.

В работе [27] определено, что подобный ПКМ теряет порядка 6% под воздействием холодного старения (при температуре -60оС). Результат расчета изменения усталостных свойств под данным воздействием приведен на рисунке 3.

а 145

----Влияние

УФ •температуры+влажности — Влияние водопотложения (без покрытия)

• -    - - Влияние водопотношения (с

покрытием)

• -    - -Влияние ТЦ(с покрытием)

—— Влияние ТЦ (без покрытия)

Влияние холодного старения

- 105

25    3    33    4    43    5    53    6    63    7

Количество циклов. IgN

Рис. 3. Влияние воздействия внешних гео-климатических факторов на усталостную долговечность материала ПКМ-сваи

Установлено, что наибольшее влияние на усталостную прочность ПКМ-сваи оказывает термоциклическое воздействие, даже при меньшем сроке эксплуатации ПКМ-сваи, а наименьшее – комплексное воздействие УФ-излучения, положительной температуры и влажности воздуха. При этом защитные покрытия в значительной степени уменьшают данное негативное воздействие внешних гео-климатических факторов. Количественное изменение предела выносливости материала ПКМ-сваи приведены в таблице 3.

Таблица 3. Изменение расчетного предела выносливости материала ПКМ-сваи

	Исходное состояние	Воздействие УФ-излучения, температуры и влажности	Водопоглощение		Термоциклическое воздействие		Холодное старение
			с покрытием	без покрытия	с покрытием	без покрытия
Предел выносливости, МПа	98,5	94,0	97,5	91,6	90,7	73,0	92,3

Видно, что предел выносливости материала ПКМ-сваи после термоциклического воздействия снизился на 26%, после холодного старения на 6,3%, а после комплексного воздействия УФ-излучением, температуры и влажности на 4,6%. При этом в работах [28, 29] обнаружен эффект повышения остаточной прочности образцов ПКМ после усталостных испытаний. Авторы связывают это с образованием дополнительных микротрещин в матрице, что приводит к изменению траектории фронта расслоения или его дробления на несколько лучей, что в свою очередь приводит увеличению упругой энергии для страгивания магистрального расслоения. Это в свою очередь означает увеличение таких характеристик ПКМ, как «сопротивление роста трещины» или «скорость высвобождения упругой энергии». Таким образом подобный эффект возможен и при усталостных испытаниях образцов ПКМ после воздействия на них внешних климатических факторов, (например, после воздействия УФ-излучения, термоциклирования и холодного старения), так как причиной деградации их структуры также является процесс микрорастрескивания матрицы, однако для его доказательства необходимо провести дополнительные исследования.

ВЫВОДЫ

В ходе настоящего исследования были проведены испытания стеклопластикового материала буроопускной ПКМ-сваи на усталость при циклическом растяжении и оценены методы прогнозирования характеристик сопротивления слоистых полимерных-композитных материалов. На основания полученных результатов были сделаны следующие выводы:

• 1.    Показана возможность использования нормализированный кривых усталости для прогнозирования характеристик сопротивления усталости слоистых ПКМ (величина ошибки данного метода по сравнению с фактическими значениями и рассчитанными с применением уравнения Менделла не превышает 15%), что позволяет использовать данный метод для оценки изменения усталостных свойств во время эксплуатации ПКМ-сваи в условиях Крайнего Севера, без использования фактических усталостных кривых для экспонированных образцов.

• 2.    В результате расчетов определено, что наибольшее влияние на усталостную прочность ПКМ-сваи оказывает термоциклическое воздействие (величина изменения предела выносливости составила 26%), а наименьшее – комплексное воздействие УФ-излучения, положительной температуры и влажности воздуха (величина изменения предела выносливости составила 4,6%). При этом защитные покрытия в значительной степени уменьшают данное негативное воздействие внешних гео-климатических факторов.