Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова
Якутск, Республика Саха (Якутия), Россия
Якутск, Республика Саха (Якутия), Россия
Россия
Якутск, Республика Саха (Якутия), Россия
В условиях арктических и северных регионов одними из перспективных строительных материалов можно рассматривать лед и снег. Это обосновывается их доступностью, простотой обработки, экологической безопасностью, отсутствием необходимости утилизации после завершения срока службы. Однако, лед имеет недостаточную прочность и проявляет высокую хрупкость, что ограничивает его широкое применение в этом качестве. Одним из эффективных методов повышения прочности льда является его армирование. Среди различных армирующих материалов базальтовые волокна выделяются благодаря своим высоким эксплуатационным характеристикам и экологичности. В рамках исследования рассмотрены перспективы применения ледового материала, усиленного дискретными базальтовыми волокнами, ‒ фиброльда. Рассчитывались структурные параметры наполнителя, а также прочностные характеристики фиброльда в зависимости от содержания волокон. Результаты прогнозирования свойств фиброльда продемонстрировали, что использование базальтовых волокон в качестве армирующего компонента позволяет увеличить прочность пресного льда на изгиб в 2–3 раза. Экспериментальные данные, полученные при изучении прочностных характеристик фиброльда в зависимости от концентрации наполнителя, подтверждают соответствие расчетным значениям. Кроме того, базальтовые волокна являются экологически безопасным материалом: их химический состав идентичен природному сырью, а при использовании композита в качестве ледового покрытия они не образуют вредных донных отложений после таяния. Полученные результаты указывают на перспективность применения фиброльда в качестве эффективного и экологичного материала для строительства, в частности, для создания ледовых переправ и других временных конструкций в условиях холодного климата
лед, упрочнение, волокна базальта, фибролед, прочностные свойства, химический состав, толщина донного отложения
Введение. За последние десятилетия наблюдается растущий интерес к Арктике, что связано с вопросами национальной безопасности, разработки минеральных и углеводородных ресурсов, а также с возможностью организации круглогодичного транспортного сообщения по Северному морскому пути. Понятно, что одним из необходимых условий освоения Арктики является наличие материалов, которые могут сохранять эксплуатационные свойства в холодном климате. Еще одно требование к таким материалам – учет незащищенности северной природы к антропогенному воздействию и стремление к минимизации экологических рисков.
Арктическая зона Российской Федерации отличается сложными условиями доступа, отсутствием круглогодичной наземной транспортной инфраструктуры и полной зависимостью объектов жизнеобеспечения и населения от северного завоза. Таким образом, ключевым условием активного освоения северных и арктических территорий является развитие на них дорожной инфраструктуры. В этих условиях особенно важно использовать местные, экономически эффективные и экологически безопасные материалы для строительства различных объектов и дорожного строительства, включая ледовые переправы.
В Республике Саха (Якутия) ледовые переправы работают пять месяцев в году, а паромные переправы доступны только в летне-осенний период. Таким образом, три-четыре месяца в году большая часть Якутии остается без транспортного сообщения. Поэтому продление сроков эксплуатации ледовых переправ становится жизненно важным для северных и арктических регионов.
В условиях арктических и северных регионов одними из наиболее перспективных строительных материалов можно рассматривать лед и снег. Это обосновывается их доступностью, простотой обработки, экологической безопасностью, отсутствием необходимости утилизации после завершения срока службы. Однако, несмотря на эти преимущества, лед имеет недостаточную прочность и проявляет высокую хрупкость при отрицательных температурах, что ограничивают широкое применение льда в этом качестве. Известно, что эффективным методом повышения прочности льда является его армирование: макроскопическое (деревянные жерди, настилы и другие конструкции, тросы из стали и других материалов, геосинтетические материалы), микроскопическое и способ химического модифицирования (поливиниловый спирт, высокомолекулярные соединения). Микроскопический подход заключается в упрочнении ледяной матрицы с помощью различных типов дисперсных [1‒3] и волокнистых наполнителей [4‒8], а также природных наполнителей растительного [9] и минерального происхождения [10‒13].
Предварительные исследования показали, что наиболее эффективными волокнистыми наполнителями в ледовой матрице являются базальтовые материалы, которые характеризуются высокими физико-механическими характеристиками, повышенной химической и биологической стойкостью, экологичностью, долговечностью, отличаются эффективными эксплуатационными свойствами в широком диапазоне температур, доступностью и невысокой стоимостью [12, 13]. Одним из преимуществ базальтовых волокон для армирования льда является их высокая смачиваемость водой, что превосходит аналогичные показатели волокон из полимерных материалов. Угол смачивания базальтового материала даже ниже, чем у стеклянных и углеродных волокон. Базальтовые волокна также показывают отличные эксплуатационные характеристики в условиях низких температур, что делает их особенно подходящими для использования в холодном климате.
Лед с добавлением наполнителей является композиционным материалом, состав, форму и распределение компонентов которого можно запроектировать заранее. Целью проведенных исследований стало проектирование структуры и свойств ледового материала, армированного хаотично расположенными дискретными волокнами базальта ‒ фиброльда. Для этого были выполнены расчеты механических характеристик фиброльда с позиций механики композиционных материалов и проведено их сравнение с экспериментальными результатами, полученными авторами в ходе изучения прочностных характеристик композиционного материала на основе льда с содержанием до 6 % (мас.) базальтовых волокон [12]. Кроме того, с целью уточнения экологических аспектов использования базальтовых волокон в качестве армирующего материала в ледовой матрице были проведены исследования химического состава базальтовых волокон и оценка толщины донного отложения при таянии ледового покрова, сформированного с использованием фиброльда.
Материалы и методы. Лед, усиленный хаотично расположенными дискретными волокнами, является двухкомпонентным хаотично-армированным композитом на основе коротких волокон. На основе положений механики композиционных материалов рассчитывались следующие хaрaктериcтики фиброльда: содержание вoлoкниcтoгo нaпoлнителя, плoтнocть композита, критичеcкая длина вoлoкoн, прoчнocть и мoдуль упругocти композита [14‒16].
Экспериментальные исследования прочностных свойств фиброльда проводились на образцах ледового материала в виде плиты, которые получали послойным намораживанием водопроводной воды при спокойном ее наливе в опалубку из пенополистирола с внутренними размерами: высота h = 100 мм, ширина b = 500 мм, длина L = 870 мм, в натурных условиях при естественно низких среднесуточных температурах –45 °С. Наполнитель представлял собой базальтовые волокна длиной 40 мм и диаметром 18 мкм. Содержание фибры равнялось 0,8/0,3; 2,0/0,75; 4,0/1,5 и 6,0/2,3 % (мас./об.). Первый и последний слои всех образцов представляли чистый лед высотой 1 мм. Наполнитель укладывали на замерзший нижний слой, равномерно распределяя по поверхности ледового слоя, и заливали необходимым количеством охлажденной пресной воды. Количество слоев и расстояния между слоями составляли 7, 9, 11, 15 и 10, 9, 7, 5 мм, соответственно, для разных содержаний фибры. Прочность на растяжение при изгибе определяли в натурных условиях при среднесуточных температурах -45 °С с использованием специальной установки (рис. 1) [12].
Рис. 1. Испытания фиброльда на трехточечный изгиб
Неармированные образцы льда разрушаются хрупко (рис. 2, а), а фибролед демонстрирует разрушение по вязкому механизму (рис. 2, б). Разрушение образцов чистого льда происходит путем быстрого продвижения хрупкой трещины, инициированной в области максимальных растягивающих напряжений, по всей ширине образца. В армированных образцах формируются множественные трещины в области максимальных растягивающих напряжений, дальнейшее разрушение происходит путем их медленного продвижения в направлении, нормальном сечению образца, и их объединения.
Рис. 2. Образцы льда после испытаний: а – неармированный лед; б – фибролед c содержанием
2,0/0,75 % (мас./об.) фибры соответственно
Для получения изображения базальтового материала и определения его химического состава использовался сканирующий электронный микроскоп JSM-7800F, оснащенный энергодисперсионным детектором.
Расчет толщины базальтового слоя на дне водоема, образующегося при таянии ледового покрова, сформированного с использованием фиброльда, проводился при допущении естественного весеннего таяния ледовой переправы шириной а и длиной b на водоеме с постоянной по глубине скоростью течения
. При таких допущениях выражение для вычисления толщины базальтового слоя на дне водоема имеет вид:
, (1)
где V – объем слоя льда, содержащего базальтовые волокна, м3; 
– скорость осаждения частиц базальта на дно водоема, м/c; δ – толщина слоя базальта после таяния льда.
Скорость осаждения частицы базальта диаметром d и плотностью ρ, падающей в жидкости с плотностью ρ0 и динамической вязкостью η0, под действием собственного веса, определяется по известной формуле Стокса:
. (2)
Основная часть. На основе многолетних данных Якутского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды ЯУГМС о толщине льда на реке Лена была построена зависимость толщины льда от года наблюдения с линией тренда (рис. 3). Метеорологический пост расположен в пригороде г. Якутска, измерение толщины проводилось ежегодно в конце марта.
Рис. 3. Толщина льда на р. Лена за 1970–2022 гг. наблюдения (пунктиром – линия тренда)
Анализ данных показывает, что наблюдается тенденция к уменьшению толщины льда.
Для корреляции наблюдаемой тенденции с динамикой изменения температуры была построена зависимость средней температуры в окрестности г. Якутска за период ледостава (ноябрь-март) за те же годы наблюдения (рис. 4).
Рис. 4. Средние температуры в период ледостава на р. Лена (25 ноября – 25 марта) в окрестности г. Якутска
за 1970–2023 гг. наблюдения (пунктиром – линия тренда)
Видно, что наблюдается тенденция к повышению среднесезонных температур в период ледостава на р. Лена.
На основании наблюдаемых трендов за многолетние наблюдения в изменении толщины льда и климатических температур можно выдвинуть предположение, что уменьшение толщины естественного льда на реке Лена вызвано явлениями, связанными с процессами глобального потепления. Этот фактор также может приводить к сокращению сроков эксплуатации ледовых переправ.
Прогнозирование физико-механических свойств композиционного материала на основе пресного льда и базальтовых волокон проводилось с применением условий аддитивности [14‒16, 18].
Плoтнocть фиброльда ρф oпределяется пo cледующей зaвиcимocти:
ρф = ρв ·vв + ρл(1 - vв), (3)
где ρв, ρл ‒ плoтнocть бaзaльтoвoгo вoлoкнa и плoтнocть льда, vв – объемная доля волокон.
При vв = 0,008, плoтнocти бaзaльтoвых вoлoкoн ρв = 2600 кг/м3 и плoтнocти пресного льда ρл = 1000 кг/м3 плoтнocть кoмпoзитa, вычисленная в соответствии с формулой (3), будет рaвнa ρф = 1012,8 кг/м3.
В композиционных материалах под действием растягивающей нагрузки дискретные волокна не разрушаются, а вытягиваются из матрицы, если их длина l меньше критической длины lкр, которая рассчитывается по формуле [16]:
lкр = dв sв/2t гр , (4)
где dв ‒ диaметр вoлoкнa; sв – предел прoчнocти вoлoкнa при рacтяжении; tгр – сдвиговая прочность границы раздела между волокном и матрицей. Сдвиговую прочность tгр можно определить с помощью зависимости:
tгр = sл cos45°, (5)
где sл ‒ прочность льда.
При прочности базальтовых волокон при растяжении sв = 3200 МПа, dв = 18 мкм и прочности льда при (-20°С) – (-40°С) sл = 1,5 МПа [17] критическая длина волокон базальта в матрице составляет lкр = 37 мм, т.е. в ледяном композиционном материале длина армирующих базальтовых волокон должна быть больше 37 мм.
При армировании матрицы непрерывными волокнами с содержанием vв прочность композиционного материала sк определяется из условия аддитивности:
sк = sм (1- vв) + sв vв. (6)
Прочностные свойства композиционных материалов, армированных дискретными волокнами, зависят от длины волокон. При l > lкр уравнение аддитивности для определения предела прочности фиброльда sф с использованием коэффициента эффективности, зависящего от расположения дискретных волокон в матрице K, имеет вид [18]:
sф = KR vвsв +sл (1 - vв), (7)
где K ‒ коэффициент эффективности, в случае хаотичного расположения волокон в матрице K = 1/6; R ‒ коэффициент, учитывающий распределение напряжений по длине волокон, R = 0,5. Расчеты по формуле (6) показывают, что введение базальтовых волокон в количестве 0,8 об. % в ледовую матрицу позволит увеличить прочность композиционного материала до sф = 3,5 МПа, т.е. в 2,3 раза. Если создавать фибролед, прочность которого в 4 раза превышает прочность пресного льда, то содержание базальтовых волокон в матрице должно составить 1,7 об. %.
Зависимость предела прочности на растяжение фиброльда sф от объемного содержания дисперсных волокон vв, построенная в соответствии с соотношением (6), приведена на рис. 5.
Рис. 5. Расчетная зависимость предела прочности на растяжение композиционного материала sф от объемного содержания армирующих волокон vв
Модуль упругости композиционного материала Eкм с армирующими волокнами, длина которых превышает критическую длину волокон, условие аддитивности имеет вид
Eкм = Eв·vв·(1-l/2lкр) + Eм·(1 - vв), (8)
где Eв, Eм ‒ модули упругости волокна и матрицы.
Для ледового композиционного материала с базальтовыми волокнами длиной l = 40 мм, принимая Eв = 70 ГПа, модуль упругости пресного льда при температуре -25 °С Eм = 10 ГПа [21] в соответствии с выражением (8) получаем значение Eкм = 10,2 ГПа при vв = 0,008 и Eкм = 11,3 ГПа при vв = 0,06.
Экспериментально полученная авторами зависимость предела прочности на растяжение при изгибе фиброльда sизг от содержания базальтового волокна vв, приведена на рис. 6 [12].
Видно, что прогнозируемые и экспериментально полученные прочностные характеристики фиброльда возрастают линейно в зависимости от содержания наполнителя.
В качестве сырья для производства базальтовых волокон используются базальтовые горные породы вулканического происхождения, состоящие из оксидов Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K и других элементов.
РЭМ ‒ изображение использованного базальтового материала приведено на рис. 7. Волокна ровные по длине, диаметром 18 мкм (рис. 7).
Элементный состав базальтового материала, определенный с использованием энергодисперсионного детектора, приведен в таблице 1.
Рис. 6. Экспериментальная зависимость прочности на растяжение при изгибе фиброльда sизг
от объемного содержания армирующих волокон vв [12]
Рис. 7. РЭМ-изображение базальтовых волокон
Таблица 1
Элементный состав базальтового материала
|
Элемент |
O |
Na |
Mg |
Al |
Si |
K |
Ca |
Fe |
|
Вес. % |
59,74 |
1,01 |
1,67 |
7,40 |
19,88 |
1,04 |
4,50 |
4,29 |
Из данных таблицы видно, что состав базальтового волокна полностью соответствует составу природного материала, т.е. технология производства не предусматривает применение каких-либо добавок.
Результаты проведенной оценки толщины базальтового слоя на дне водоема, образующегося при естественном таянии ледового покрова из фиброльда, показали следующее. При исходных данных d = 0,000018 м, ρ = 2600 кг/м3 , ρ0 = 1000 кг/м3, η0 = 1,3∙10-3 Па∙с, = 35 м3 , а = 7 м, b = 100 м, υр = 1 м/с, δ = 0,015 м, толщина базальтового слоя на дне водоема составит δ1 = 8,87 мм.
Учитывая, что при скорости течения реки на дне от 2‒3 см/c происходят процессы эрозии дна путем переноса частиц [19], можно ожидать, что при строительстве ледовой переправы через р. Лена из композиционного материала на основе льда и базальтовой фибры образовавшийся на дне слой из частиц базальта размером 18 мкм будет уноситься течением реки и не образует донных отложений.
Вывод. Прогнозирование характеристик композиционного материала, основанного на ледяной матрице и армированного хаотично расположенными дискретными базальтовыми волокнами, продемонстрировало высокую эффективность использования базальтовых волокон в качестве армирующей добавки. Введение таких наполнителей позволяет увеличить прочность на изгиб пресного льда в два-три раза. Экспериментальные данные, полученные при изучении прочностных характеристик композиционного материала на основе пресного льда и базальтовых волокон в зависимости от концентрации наполнителя, подтверждают соответствие расчетным значениям. Кроме того, выбранный наполнитель является экологически чистым материалом: химический состав базальтовых волокон аналогичен составу природного сырья, не содержит посторонних добавок, и при использовании этого композиционного материала в качестве ледового покрытия не образуются донные отложения после таяния. Упрочнение льда с добавлением базальтовых волокон объясняется высокой адгезией между наполнителем и матрицей, что связано с отличной смачиваемостью волокон водой, а также прочным механическим сцеплением армирующих волокон и матрицы при объемном расширении воды во время замерзания. Кроме того, добавление в воду волокнистых наполнителей приводит к образованию льда с мелкозернистой структурой, что также является механизмом упрочнения ледового композиционного материала.
1. Towel K.L.T., Matthews E.M., Smith E.A. Construction and structural analysis of an arched cellulose reinforced ice bridge for transportation infrastructure in cold regions. Cold Regions Science and Technology. 2022. Vol. 198. 103508. DOI:https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2022.103508.
2. Головин Ю.И., Самодуров А.А., Родаев В.В., Тюрин А.И., Головин Д.Ю., Разливалова С.С., Бузник В.М. Упрочнение поликристаллического льда наночастицами SiO2 // Журнал технической физики. 2023. Т. 93. Вып. 10. C. 1459‒1469. DOI:https://doi.org/10.61011/JTF.2023.10.56284.149-23.
3. Кобл Р.Л., Кингери У.Д. Искусственное упрочнение (армирование) льда / Лед и снег. М.: Мир, 1966. C. 94–116.
4. Lou X., Wu Y. Influence of temperature and fibre content on direct shear properties of plain ice and fibre-reinforced ice. Cold Regions Science and Technology. 2022. Vol. 194. Art. 103458. DOI:https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2021.103458.
5. Zhao Ch., Li T., Li W. Mechanical analysis of ice-compos¬ite and fiber strength by daily tools. Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2083. 022014. DOI:https://doi.org/10.1088/1742-6596/2083/2/022014.
6. Черепанин Р.Н., Нужный Г.А., Разомасов Н.А., Гончарова Г.Ю., Бузник В.М. Физико-механические свойства ледяных композиционных материалов, армированных волокнами РУСАР-С // Материаловедение. 2017. № 7. С. 38‒44.
7. Архаров И.А., Гончарова Г.Ю. Экспериментальное исследование ледовых структур, модифицированных полимерами // Холодильная техника. 2010. № 11. С. 46‒50.
8. Морозов Е.В., Воронин А.С., Книга С.В., Бузник В.М. Исследование ледовых композиционных материалов, армированных нанодисперсными волокнами оксида алюминия, методами ядерного магнитного резонанса // Материаловедение. 2021. № 8. С. 9‒18. DOI:https://doi.org/10.31044/1684-579X-2021-0-8-9-18.
9. Бузник В.М., Гончарова Г.Ю., Нужный Г.А., Черепанин Р.Н. Влияние растительных армирующих наполнителей на прочностные свойства композиционных материалов с ледяной матрицей // Материаловедение. 2018. № 9. C. 33‒40.
10. Syromyatnikova A.S., Bolshakov A.M., Kychkin A.K., Alekseeva A.V. Reinforcement of Composities Based on Fresh Ise with Natural Filers. Inorganic Materials: Applied Research. 2020. Vol. 11. No. 4. Pp. 955‒957. DOI:https://doi.org/10.1134/S2075113320040371.
11. Syromyatnikova A.S., Andreev Ya.M., Sibiryakov M.M., Ivanov A.R., Burnashev A.V., Prokop’ev L.A., Il’in G.Yu. Fracture laws for composite materials based on fresh ice during testing of bulky samples. Russian Metallurgy (Metally). 2023. No. 4. P. 199‒203. DOI:https://doi.org/10.1134/S0036029523040286.
12. Syromyatnikova A.S., Tikhonravova Ya.V., Mestnikov A.E., Syromyatnikov D.I., and Sibiryakov M.M. Effect of the Filler Content and the Crystallization Temperature on the Bending Strength and Structure of Fresh-Ice-Based Composite Materials // Russian Metallurgy (Metally). 2024. No. 5. Pp. 1215‒1220. DOI:https://doi.org/10.1134/S0036029524702240.
13. Buznik V.M., Goncharova G.Y., Grinevich D.V., Nuzhny G.A., Razomasov N.D., Turalin D.O. Strengthening of Ice with basalt materials. Cold Regions Sci. Technol. 2022. Vol. 196. No. 103490. DOI:https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2022.103490.
14. Коротеева Л.И., Шаронов А.В., Астахов П.А., Миронов Н.А., Сергеева А.В. Проектирование композиционных материалов с заданной структурой и свойствами // Пластические массы. 2016. № 5‒6. С. 15‒16.
15. Шульга А.В. Композиты. Ч. 1. Основы материаловедения композитных материалов. М.: НИЯУ МИФИ, 2013. 96 с.
16. Карпинос Д.М., Тучинский Л.И., Вишняков Л.Р. Новые композиционные материалы. Киев: Вища школа, 1977. 312 с.
17. Лавров В.В. Деформация и прочность льда. Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1969. 208 с.
18. Композиционные материалы: Справочник. Под ред. Карпиноса Д.М. Киев: Наукова думка, 1985. 592 с.
19. Короновский Н.В. Общая геология. М.: КДУ, 2018. 552 с.
