Самыми важными частями моста сегодня считаются его опорные элементы, на которые приходится основная нагрузка от транспорта, ветра и перепадов температур. Чаще всего для их создания используют тефлон, который снижает трение между деталями и предотвращает их износ. Однако его свойства заметно меняются при разных температурах. При низких значениях материал становится более жестким, что сокращает срок службы конструкции и требует более частых ремонтов, а при нагреве сильнее деформируется. И хотя существуют новые композиты, до сих пор не известно, как они поведут себя при реальных нагрузках и температурах. Ученые Пермского Политеха впервые комплексно изучили современные износостойкие материалы для опорных частей моста. Они нашли наиболее перспективный аналог, который позволяет снизить внутреннее напряжение на 15% больше, по сравнению с традиционным тефлоном, а также дольше сохраняет эластичность в морозы. Его использование сделает мосты надежнее, продлит срок их службы и сократит затраты на ремонты.
Мостовые конструкции ежедневно испытывают колоссальные нагрузки: вес транспорта, ветер и постоянные температурные перепады. Любая неисправность в них не только ставит под угрозу безопасность людей и движение транспорта, но и приводит к дорогостоящим ремонтам и простоям.
Одними из самых уязвимых элементов любого моста являются его опорные части, которые соединяют пролеты с основаниями. Они гасят вибрации от проезжающего транспорта и равномерно распределяют нагрузку по всей конструкции.
Внутри опорных частей находятся специальные скользящие слои из полимерных материалов — тонких пластин, которые разделяют стальные детали, не давая им соприкасаться друг с другом и снижая трение. Благодаря этому поверхности не изнашиваются, а конструкция выдерживает сильные нагрузки без разрушения. Именно от состояния этого тонкого слоя зависит, сколько мост прослужит без капитального ремонта и будет ли безопасным для движения.
Для опорных элементов инженеры и конструкторы до сих пор используют тефлон — синтетический полимер, который также применяется во многих отраслях промышленности. Он устойчив к влаге, а также солям и кислотам, которые попадают с осадками и противогололедными реагентами. Тем не менее, под нагрузкой тефлон медленно деформируется, из-за чего скользящий слой утончается и теряет свою форму. При нагреве он начинает расширяться, что может привести к заклиниванию деталей, а уже при +14°C и ниже становится жестким и хрупким, теряя эластичность.
Все это уменьшает долговечность конструкции и требует более частых ремонтов. Средний срок службы опорной части составляет от 25 до 50 лет, однако при неправильной эксплуатации он может сократиться до 15–25 лет. При этом чем раньше изнашиваются элементы конструкции, тем чаще требуются замены, каждая из которых обходится от 2 до 10 миллионов рублей. В стоимость входят не только сама деталь моста, но и подъем пролетного строения, перекрытие движения, работа техники и персонала. А если речь идет о капитальном ремонте всех опорных частей, расходы могут достигать уже миллиардов рублей.
Сегодня специалисты разрабатывают новые полимерные материалы для промышленности: их упрочняют с помощью радиации, добавляют специальное углеродное волокно или другие наполнители, повышающие жесткость и износостойкость. Однако у инженеров нет точных данных, как эти составы ведут себя при разных температурах и нагрузках.
Сейчас проектировщики не знают, какой полимер станет наилучшей альтернативой традиционным решениям. Поэтому даже создавая современные составы, их не рискуют применять в ответственных конструкциях, а продолжают использовать проверенный, но устаревающий тефлон.
Ученые Пермского Политеха впервые комплексно изучили современные износостойкие материалы для опорных частей моста. Они нашли наиболее перспективный аналог, который снизит внутреннюю нагрузку конструкции на 15%, а также сохраняет эластичность до -9°C, тогда как тефлон становится хрупким уже при +14°C. Это позволяет использовать новые составы, повышая надежность мостов и увеличивая их срок службы без дорогостоящих ремонтов.
Исследователи изучили ряд современных композитов: радиационно-модифицированные составы с разными наполнителями и с углеродным волокном. Для сравнения они использовали классический тефлон, который сегодня почти всегда используется в опорных частях и считается традиционным решением.
Затем ученые провели испытания образцов из этих материалов. Их закрепили на специальной промышленной установке и прикладывали нагрузку, то усиливая, то ослабляя ее. Это нужно, чтобы воссоздать условия работы моста, по которому постоянно ездят машины. Одновременно образцы нагревали и охлаждали от -40°C до +80°C, имитируя реальные климатические условия в разных регионах страны.
В ходе испытаний мы фиксировали, как меняются жесткость и вязкость при нагреве и охлаждении, чтобы понять, при каких температурах разные составы сохраняют свои свойства, а при каких становятся хрупкими. На основе этих данных мы установили, как составы реагируют на нагрузку и изменение температуры. Это позволяет заранее узнать, насколько деформируется слой скольжения в реальности и когда начнет разрушаться, — рассказала Анна Каменских, инженер кафедры «Вычислительная математика и механика» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Чтобы проверить поведение материалов в самой конструкции, исследователи создали компьютерную модель опорной части моста. Туда по очереди "встраивали" каждый из исследованных композитов и смотрели, что происходит при изменении температур: где возникают самые сильные нагрузки, как деформируется скользящий слой, как распределяется давление.
Наилучшие результаты показал композит на основе радиационно-модифицированного тефлона с углеродным волокном. По сравнению с традиционным материалом он снижает интенсивность напряжений в среднем на 15%. То есть такой полимерный слой будет испытывать меньшие внутренние нагрузки и медленнее изнашиваться, — отметил Юрий Носов, старший преподаватель кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ.
При этом он сохраняет эластичность при более низких температурах: переход в хрупкое состояние происходит на 20–25 градусов ниже, чем у классического тефлона. Это значит, что такой состав будет надежно работать в более суровых условиях, не теряя своих свойств, что особенно важно для регионов с холодным климатом.
Исследование показало, что новый состав не просто заменяет тефлон, а превосходит его по ключевым характеристикам. Он не только повышает износостойкость опорной части конструкции, но и работает в более широком диапазоне температур. Таким образом, даже в более сложных условиях использование композита с углеродным волокном поможет увеличить срок службы мостов и сократить затраты на их частые ремонты.
Статья опубликована в журнале «Polymers». Исследование выполнено при поддержке гранта РНФ № 25-29-00638.
Источник: Минобрнауки России
Изображение на обложке: разработано Magnific
