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.
