загрузка...

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ АНКЕРНОЙ ПОЛИМЕРНОЙ КРЕПИ


Исследования по созданию и изучению свойств неметаллических анкеров, определению областей их рационального применения были начаты в СССР в 60-х годах прошлого века. Были разработаны непрерывные технологии изготовления анкерного стержня с однонаправленной арматурой из щелочестойкого стекловолокна мало-циркониевого состава марки Щ-15ЖТ, подробно изучены физико-механические свойства. Особое внимание уделялось изучению химической стойкости и долговечности стеклянного волокна и анкера на её основе.
Определена возможность получения стеклопластиковых анкеров со следующими показателями: временное сопротивление разрыву до 1500 МПа, начальный модуль упругости порядка 50000 МПа, плотность 1,8-2,0 т/м при весовом содержании стекловолокна 80%.
Расширение области рационального применения анкерной полимерной крепи, возможно за счет совершенствования высокопроизводительных методов изготовления и рационального применения армирующих волокон. В работе [1] предложена технология изготовления анкерной полимерной крепи плетельно- пултрузионным методом, приведено обоснование конструкции анкера и описан комплекс оборудования позволяющий освоить их серийный выпуск.
Для снижения повреждений композиционных материалов при пожарах проведены исследования влияния различных добавок в эпоксидные связующие и определено их влияние на горючесть материала [2] и изменение механических свойств композиционного материала [3]. В работе [4] проведена оптимизация конструкции анкерной полимерной крепи и обоснована равнопрочная его конструкция, позволяющая учесть все виды нагружения анкера. Все перечисленные исследования проводились с использованием стеклопластиковых армирующих волокон, на данный момент имеется целый ряд новых армирующих материалов, которые возможно применить для армирования анкеров.
Целью работы является подбор, и обоснование армирующих волокон для анкерной полимерной крепи и разработка технологии управления плетельно- пултрузионным процессом получения анкерной полимерной крепи с заданными характеристиками.
Перспективным армирующим материалом для армирования полимерных материалов являются базальтовые волокна. По инициативе Московского правительства в 2000 г. в ФГУП «НИЦ МАТИ» им. К.Э. Циолковского были возобновлены исследования по разработке базальтопластиковой арматуры повышенной долговечности.
В ООО «Технобазальт-инвест», г. Киев, налажено производство широкого спектра базальтовых волокон (БВ). Имеется ряд факторов подчеркивающих преимущества этих волокон: базальтовые волокна обладают характеристиками, по многим показателям превышающими стеклянные волокна и не намного уступающими углеродным волокнам; сырьевая база для производства базальтовых волокон доступна и практически не ограничена. базальтовые волокна обладают высокой теплостойкостью. Диапазон температур длительного применения от минус 2000С до плюс 6800С. Возможно кратковременное температурное воздействие до 1000 0С; базальтовые волокна обладают стойкостью к воздействию агрессивных средств, долговечностью, электроизоляционными свойствами. волокна обладают экстремальной твердостью: 8-9 по шкале Моха (Алмаз=10) имеется возможность производства материалов и изделий на основе БВ с применением различных технологий формовки, намотки, полтрузии и других технологий. удельная прочность базальтового волокна в 2.5 раза превышает прочность легированных сталей и в 1.3 раза прочность стекловолокна
Для оценки              упруго-прочностных              характеристик композиционного
материала на основе базальтовых волокон были проведены исследования на [5]: - образцах жгутового микропластика; кольцевых образцах диаметром 150 мм; образцах, изготовленных из плоских пластин.
Для сравнения были изготовлены такие же образцы на основе Е- стекловолокна.
В процессе проведения исследований физико-механических свойств материалов определялись следующие характеристики: плотность; разрушающее напряжение при растяжении; разрушающее напряжение при сжатии; разрушающее напряжение при изгибе; разрушающее напряжения при изгибе при температуре 100°С модуля упругости при растяжении;
Исследования проводились на разрывных машинах TiraTest 2300 и FPZ-10/1 с максимальной нагрузкой соответственно 10 и 1 тс. Погрешность измерений составляла ±1%.
Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1
Упруго-прочностные характеристики КМ

Характеристики

Единицы
измерения

Базальтопластик

Е-
стеклопластик

Плотность

г/см3

1,84

1,8

Прочность при растяжении

МПа

1216

784

Прочность при сжатии

МПа

309

223

Прочность при изгибе

МПа

600

491

Прочность при изгибе при температуре 100°С

МПа

369

266

Модуль упругости

ГПа

62

57

Коэффициент вариации

%

4,5

6,5

Сравнение характеристик, приведенных в таблице, показывает, что упругопрочностные характеристики композиционного материала на основе базальтового волокна на 15-20% выше, чем у стеклопластиков на основе Е- стекловолокна.
Снижение стоимости и расширение области рационального применения анкерной полимерной крепи возможно за счет рационального применения армирующих волокон и совершенствования высокопроизводительных методов изготовления. Одним из высокопроизводительных способов изготовления
заготовки для анкера полимерной трубя является плетельно-пултрузионный метод.
Структура плетеного слоя определяет эксплуатационные свойства анкера. Исследованию поведения жгутов в процессе плетения посвящена работа [6], в которой основное внимание уделено свободной поверхности жгутов при сходе их с оплеточного устройства, при расчете параметров слоя использовано допущение, что жгуты имеют прямоугольное или полигональное сечение. Эти допущения существенно снижают точность результатов. Полученные зависимости неоправданно сложны и неудобны для практических расчетов и управления технологическим процессом плетения.
С помощью плетения возможно получать полотняное и саржевое переплетение волокон, а также располагать внутри плетеного слоя осевую арматуру. Для анализа взаимосвязи технологических параметров плетения и получаемой структуры рассмотрим развертку полотняной структуры с осевой арматурой, длина которой равна шагу укладки волокон (рис.
1), эту структуру принято называть 3D.
Угол расположения жгутов к оси оплетаемого дорна определяется как:

(1)



Конструктивными параметрами плетельной установки является количество веретен каждого направления армирования N и средний диаметр движения веретен. Плетение осуществляется подготовленными жгутами равных параметров, укладываемыми в разных направлениях закрутки. Жгуты представляют собой переплетение волокон и при укладке на поверхность принимают размер, определяемый ограничивающими факторами и

предварительным натяжением. Расстояние между центрами уложенных жгутов одного направления определяется параметрами ячейки:



Из условия заданного расположения жгутов при плетении (B=const), получим взаимосвязь скорости перемещения оправки от текущего радиуса плетения на основании зависимостей (1), (2) и, проведя ряд преобразований, получим:
(3)
Средний диаметр движения веретен выбирается конструктивно исходя из необходимого количества веретен и их емкости, он всегда значительно больше оплетаемого дорна. В процессе плетения образуется свободная поверхность переплетения жгутов от оплеточного устройства до дорна. В свободной поверхности каждый оплеточный жгут является касательной к оплетаемой оправке. Угол наклона жгутов к оси дорна соответствует заданному углу армирования а. В работе [6] определены геометрические параметры свободной поверхности жгутов от конструктивного исполнения установки. Приведенные данные рассматривают идеализированный процесс плетения, не учитывающий способность плетеного слоя к самоукладке. При плетении, если расчетная ширина ленты оказалась меньше фактической, происходит смещение текущего сечения плетения в сторону оплеточного устройства.

Произведем анализ формы оплетающих жгутов для получения ограничивающих параметров слоя максимальной плотности, для этого проведем сечения оплеточного слоя, различной структуры, вдоль волокон одного из направлений армирования (рис. 2.)
/>

На рис. 2 изображена реальная форма сечения армирующих жгутов это эллипс с диагоналями оплеточных жгутов а и b, осевых ао и b0, b’ и bo’

обозначено увеличение сечения за счет неперпендикулярности плоскости сечения оси жгута. Соотношение диагоналей эллипса изменяется от натяжения жгутов. Определим соотношение диагоналей сечения из условия постоянства площади сечения жгута:
(4)
где Тх - размер в Тх жгута;
р - плотность жгута; 907 - степень наполнения жгута при гексагональной упаковке.
При плетении плотной 2D структуры шаг укладки жгутов должен равняться ширине сечения жгута. Введение жгутов осевой арматуры (3D) приводит к невозможности плотного прилегания жгутов одного направления. Поэтому минимальное расстояние между жгутами одного направления зависит от соотношения ширины осевых жгутов и оплеточных, а также угла армирования. В результате минимальную ширину жгута можно определить:
(5)

Проведем анализ влияния структуры армирования, ширины жгута и количества веретен каждого направления армирования на скорость перемещения дорна на оборот веретен (рис. 3, а) и на угол оплеточных слоев к оси (рис. 3, б). Для структуры 2D варьировалось количество веретен 1 - N=10 и 2 - N=20, для структуры 3D варьировалось соотношение оплеточных и осевых жгутов 3 - В0=В и 4 - В0=2В.



Полученные результаты на рис. 4 показывают практически одинаковый характер изменения подачи и угла армирования при изменении текущего радиуса дорна. Наибольшее влияние оказывают количество веретен и ширина

оплеточного жгута, меньшее - структура армирования и параметры осевых жгутов.
Выводы. На основании проведенных исследований видно целесообразность применения базальтового волокна в качестве армирующего материала для изготовления полимерных анкеров.
Замена стальных анкеров на полимерные позволяет значительно снизить вес конструкции, добиться химической стойкости к агрессивным средам, увеличивает продолжительность срока службы в 2-3 раза.
По затратам полимерные анкера выгоднее железных, в 3 раза, крепче, восстанавливают своё начальное положение после приложенной к ним нагрузки.
На основании полученной взаимосвязи геометрических параметров расположения волокон в плетеном слое от технологических параметров получена зависимость скорости движения дорна от параметров плетения для получения заданного расположения армирующих волокон. Используя реальную форму сечения оплеточных жгутов, определены ограничивающие факторы плетения.
Литература Чесноков А.В. Разработка новой конструкции анкерной полимерной крепи на основе высокопрочных жгутов и оборудования для ее изготовления / В. Чесноков, В.В. Чесноков, Л.Г. Косоногова, Ю.П. Должиков // Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород: материалы науч.-практ. конф. - Луганск: Восточноукраинского нац. ун-та им. В.Даля, 2006. - С. 163-170. Косоногова Л.Г. Понижение горючести полимерных материалов используемых в горных машинах и комплексах / Л.Г. Косоногова, А.В. Чесноков, В.В. Чесноков, Ю.П. Должиков // Проблемы горного дела и экологии горного производства / П.Н. Должиков, В.Д. Рябичев, Г.С. Левчинский и др. - Донецк: «Вебер», 2007. - Раздел 6.1. - С. 224-228. Косоногова Л.Г. Исследование влияния вводимых антипиренов и антистатиков на механические свойства полимерных композиционных материалов / Л.Г. Косоногова, А.В. Чесноков, В.В. Чесноков, В.Д. Рябичев // Проблемы горного дела и экологии горного производства / П.Н. Должиков, Д. Рябичев, Г.С. Левчинский и др. - Донецк: «Вебер», 2007. - Раздел 6.3. - С. 236-239. Чесноков А.В. Разработка равнопрочной конструкции анкерной полимерной крепи / А.В. Чесноков, В.В. Чесноков, Л.Г. Косоногова, Д.Г. Фрегер // Проблемы горного дела и экологии горного производства: матер. междунар. науч.- практ. конф. (6-7 июня 2008 г., г. Антрацит) - Донецк: Норд- Пресс, 2008. - С. 115-119. Потапов А.М. Композиционный материал на основе базальтовых волокон для изделий ракетно-космической техники / А.М. Потапов В.А., Коваленко В.Д. Прилепов // Композиционные материалы в промышленности: материалы Двадцать седьмой международной конференции, 26 мая - 30 мая 2008 г., Ялта - Киев: УИЦ «НАУКА. ТЕХНИКА. ТЕХНОЛОГИЯ», 2008. - С. 136-137. Фрегер Г.Ю. Основи технологи плетельно-пултрузшного формування виробiв iз полiмерних композит: моногр. / Г.Ю. Фрегер, G.G. Бакст, В.М. Пилипенко, Д.Г. Фрегер. - Луганськ: вид-во СНУ iм. В. Даля, 2002. - 160 с.
УДК 622.235

<< | >>
Источник: Неизвестный. Проблемы горного дела и экологии горного производства: Матер. IV междунар. науч.-практ. конф. (14-15 мая 2009 г., г. Антрацит) - Донецк. 2009

Еще по теме СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ АНКЕРНОЙ ПОЛИМЕРНОЙ КРЕПИ:

  1. Современное состояние, проблемы и перспективы Интернета
  2. СОЦИАЛЬНЫЙ ТУРИЗМ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ С. Г. Мурина
  3. Православное миссионерство в России сегодня: состояние, проблемы, перспективы
  4. КОНТРОЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И КАЧЕСТВА ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ АСУ ТП
  5. ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННАЯ СИСТЕМА КарНЦ РАН: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ А. Д. Сорокин, В. Т. Вдовицын
  6. Современные тенденции и перспективы развития психотерапии
  7. Тема 23. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОВРЕМЕННОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ 1.
  8. О СОСТОЯНИИ, БЛИЖАЙШИХ ПЕРСПЕКТИВАХ И ПРОБЛЕМАХ СДЕРЖИВАЮЩИХ РАЗВИТИЕ ИНВЕСТИЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В РЕСПУБЛИКЕ КАРЕЛИЯ И. В. Харламова
  9. Современные этнополитические процессы в России и перспективы их развития
  10. СЕКЦИЯ II. РЕЛИГИОЗНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ В РОССИИ И ЗА РУБЕЖОМ: ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОСТЬ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
  11. 4.3 Факторы условий применения модемов в России 4.3.1Факторы физического состояния каналов
  12. I. ПРОИЗВОДСТВО СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В СССР И ЗА РУБЕЖОМ. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ
  13. Глава 6 СОВРЕМЕННЫЕ ОГНЕТУШАЩИЕ ВЕЩЕСТВА И ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
  14. Современное состояние
  15. Современное состояние науки
  16. 2.2. ХАРАКТЕРИСТИКА СОВРЕМЕННЫХ СРЕДСТВ ПОРАЖЕНИЯ И ПОСЛЕДСТВИЯ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
  17. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ СТРОИТЕЛЬСТВА С ПРИМЕНЕНИЕМ ЖБИ И КОНСТРУКЦИЙ