Материаловедение, экспертиза и стандартизация. Учебное пособие
.pdfстержни) располагают в бетоне так, чтобы возникающие в железобетоне растягивающие усилия воспринимались арматурой, а сжимающие усилия передавались на бетон.
Железобетонные конструкции подразделяются на монолитные и сборные. Бетонирование монолитных железобетонных конструкций производят на месте строительства. Сборные железобетонные конструкции монтируют иа строительстве из отдельных элементов, изготовленных иа заводах или полигонах.
В строительстве широко применяются конструкции из напряженно-армированного (преднапряженного) железобетоны. Предварительное сжатие бетона посредством натяжения арматуры достигается следующим образом: вначале производят натяжение арматуры, а затем бетонирование, а после затвердения бетона средства натяжения удаляют. Вследствие прочного сцепления бетона с арматурой в железобетоне создаются взаимно уравновешенные усилия растяжения в арматуре и сжатия в бетоне. Напряженно-армированный бетон широко применяется в транспортном строительстве (струнобетонные шпалы, пролетные строения мостов, трубы, опоры контактной сети и т.д.).
Строительные растворы по виду вяжущего подразделяются на цементные, известковые, гипсовые и смешанные. По назначению растворы делят на растворы для каменных кладок, отделочные растворы (растворы для обычных штукатурок, декоративные растворы), специальные растворы (гидроизоляционные растворы для гидроизоляционной штукатурки, тампонажные растворы) и другие.
Асбестоцементные материалы и изделия. Асбестоцементными называются материалы
иизделия, получаемые формованием смесей, состоящих из цемента, асбеста и воды с последующим затвердеванием.
По назначению асбестоцементные изделия подразделяются на плоские кровельные плитки, плоские облицовочные плиты, профилированные листы, вентиляционные короба, трубы
имуфты. По способу изготовления различают асбестоцементные изделия прессованные и непресованные, по окраске – естественного (серого) цвета и окрашенные.
Плоские плиты, пресованные и непресованные, имеют офактуренную окрашенную или неокрашенную лицевую поверхность и применяются для облицовки стен, фасадов зданий и панелей в санитарно-технических узлах. Профилированные (волнистые) асбестоцементные листы изготовляют различных размеров и профилей. Применяют их в основном для покрытия кровель.
Трубы и муфты асбестоцементные применяют для устройства канализации, для водостоков и вентиляционных каналов, мусоропроводов, прокладки подземных кабелей и проводов.
Асбестоцементные изделия обладают высокой водонепроницаемостью, морозостойкостью, прочностью и долговечностью.
Процесс получения асбестоцементных изделий складывается из следующих этапов: расщепление (распушка асбеста на тончайшие волокна), приготовление асбестоцементной массы, отфильтровывание из разжиженной массы тонкого асбестоцементного полотна и формование из него листов или труб, придание изделиям нужных размеров, формы и плотности путем резки, выгибания и прессования, твердение изделий в пропарочных камерах и утепленных складах до приобретения ими требуемой прочности.
51
Теплоизоляционные материалы и изделия. Теплоизоляционными называются материалы и изделия, применяемые в жилых, производственных и других зданиях, а также в тепловых установках, трубопроводах с целью уменьшения теплообмена с окружающей средой. Теплоизоляционные материалы характеризуются пористым строением, малым объемным весом и небольшой теплопроводностью,
По строению теплоизоляционные материалы подразделяются на рыхлые, жесткие, гибкие. По исходному сырью различают теплоизоляционные материалы органические и неорганические, а по oбъемному весу в сухом состоянии разделяют на марки. В качестве рыхлых теплоизоляционных неорганических материалов используют минеральную и стеклянную вату, вспученные перлит и вермикулит, гранулированные доменные и котельные шлаки.
Минеральную вату получают из расплавов некоторых горных пород или металлургических и топливных шлаков. Основными ее достоинствами являются малый объемный вес, низкий коэффициент теплопроводности, огнестойкость и малая гигроскопичность.
Стекловату получают из расплавленного стекла. Она обладает примерно теми же свойствами, что и минеральная вата.
Вспученные перлит и вермикулит получают быстрым обжигом вулканических стекол (перлита и др.) и вермикулита, что приводит к значительному увеличению их объема. Неорганические рыхлые материалы применяют для теплоизоляционных засыпок, а некоторые из них используются для получения гибких и жестких теплоизоляционных материалов (маты, войлок минеральный и др.), которые также используются для теплоизоляции.
Корганическим теплоизоляционным материалам и изделиям относятся древесноволокнистые плиты, камышитовые плиты из прессованного камыша, скрепленного поперек стеблей рядами проволоки, плиты и сегменты из пористых пластмасс.
Древесноволокнистые и камышитовые материалы в сравнении с неорганическими более гигроскопичны, легко подвергаются загниванию при увлажнении, легко возгораемы. Пористые пластмассы (поропласты) применяются для теплоизоляции поверхностей промышленного оборудования и трубопроводов при нагреве в эксплуатационных условиях до 60ºС.
Кгибким теплоизоляционным органическим материалам относятся строительный войлок„получаемый из грубой шерсти и отходов шерстяных производств, пакля, гофрированный картон, маты из пористого полиуретана. Эти материалы применяют для тех же теплоизоляционных целей.
Битумы и материалы на их основе. Битумы являются органическим веществом. Технические битумы подразделяются на природные и искусственные (нефтяные), получаемые при переработке нефти. Нефтяные битумы получают в виде остатка после отгонки из смолистых нефтей бензина, керосина и части масел. С течением времени при хранении и в эксплуатационных условиях под действием солнечного света и кислорода воздуха состав и свойства битумов изменяются, битумы стареют (повышается хрупкость и твердость).
Нефтяные битумы по назначению подразделяются на дорожные, строительные и кровельные, а по показателям основных свойств – на марки. Битумные и дегтевые связующие (дегтями называют густую темную массу, образующуюся при нагревании без доступа воздуха твердых видов топлива – каменных углей и сланцев) применяют для асфальтовых растворов и
52
бетонов, кровельных и гидроизоляционных материалов, а также мастик, антикоррозионных лаков и т.п.
Для асфальтовых растворов в качестве связующего используется смесь нефтяного битума с измельченными минеральными добавками (известняки, шлаки и т.п.). От асфальтовых растворов асфальтобетоны отличаются присутствием в их составе крупного заполнителя, в качестве которого преимущественно применяется щебень из плотных пород, с которым битумы дают наиболее прочное сцепление. Асфальтобетон применяется для покрытий автодорог, в транспортном и гидротехническом строительстве.
На основе битумов и дегтей и их смесей изготовляют кровельные и гидротехнические материалы.
Рубероид – рулонный материал, получаемый пропиткой кровельного картона нефтяным битумом с мелкой минеральной посыпкой одной стороны. Посыпку производят для предотвращения слипания слоев и повышения атмосферостойкости. Рубероид применяют для покрытия скатных и пологих кровель.
Толь – рулонный материал, получаемый пропиткой и покрытием кровельного картона дегтями. Толь с крупнозернистой или песочной посыпкой используется для устройства кровель, гидроизоляции фундаментов.
Пергамин – рулонный материал, получаемый пропиткой картона нефтяным битумом. Гидроизол – материал, получаемый пропиткой асбестового картона нефтяным битумом и
используется для гидроизоляции подземных и других сооружений, а также для защитных противокоррозионных покрытий трубопроводов.
1.9. Топливо и смазочные материалы Виды топлива. Условное топливо. Все виды топлива по своему происхождению
делятся на природные (первичные) и искусственные (вторичные). Естественным топливом называют горючие вещества, образовавшиеся в природе и используемые без предварительной специальной переработки. Топливо, подвергнутое предварительной переработке, называется искусственным.
По агрегатному состоянию топливо делится на твердое, жидкое и газообразное. Некоторые топлива могут находиться в различных агрегатных состояниях. Например, природный газ часто перевозят и хранят в сжиженном виде.
По своему назначению топливо часто подразделяется на энергетическое и технологическое. Все виды топлива являются энергетическими, т.е. их можно сжигать для получения тепловой или электрической энергии. Технологические топлива отличаются определенными свойствами, которые делают их пригодными для использования в определенных технологических процессах. Например, для выплавки чугуна используют литейный кокс.
Ресурсы природного топлива делят на возобновляемые (древесина, торф) и невозобновляемые (уголь, горючие сланцы, нефть, природный газ).
Наиболее важным показателем топлива является теплота сгорания, т.е. количество теплоты в джоулях, выделяемое при полном сгорании 1 кг твердого и жидкого и 1 м3 газообразного топлива. Топливо имеет различную теплоту сгорания. На практике часто
53
возникает необходимость сравнения тепловой ценности различных топлив и решения вопроса о равноценной замене одного топлива другим. Такие задачи возникают при установлении норм расхода топлива, при определении потребности в нем и т.д. Для этих целей используют понятие об условном топливе и эквивалентах взаимозаменяемости топлив. За эталон принимают условное топливо, имеющее теплоту сгорания натурального топлива 7000 ккал/кг (29307 кдж/кг).
Относительную тепловую ценность различных топлив определяют с помощью калорийных топливных эквивалентов. Калорийный топливный эквивалент представляет отношение теплоты сгорания натурального топлива к теплоте сгорания условного топлива. Для пересчета натурального топлива в условное заданное количество натурального топлива умножают на численное значение его эквивалента. Для определения количества натурального топлива по заданному количеству условного топлива последнее делится на численное значение эквивалента натурального топлива.
К природным твердым видам топлива относят уголь (бурый, каменный, антрацит), древесину, торф, горючие сланцы. Бурый уголь содержит 60-75% углерода и теплоту сгорания 6300÷16000 кдж/кг. Бурые угли используют почти исключительно как энергетическое топливо. Выгоднее всего их сжигать в пылевидном состоянии на электростанциях и в крупных котельных. Некоторые бурые угли содержат большое количество горного воска и используются для его получения. Каменные угли содержат от 75 до 90% углерода, антрацит содержит 90-96% углерода.
Дрова используются для коммунально-бытовых нужд. Теплота сгорания древесного топлива зависит от породы древесины. Теплота сгорания сухой древесины дуба в среднем составляет 15000 кдж/дм3, березы – 11000, сосны 7500. Влажность резко снижает теплоту сгорания.
Торф состоит из органической массы – не вполне разложившиеся растительные остатки и продукты их разложения. Средняя теплота сгорания торфа 11000-13000 кдж/кг. Торф используют как топливо для электрических станций, коммунально-бытовых предприятий. Из него получают этиловый спирт, воск, деготь, битумы и др.
Горючие сланцы содержат 60-80% углерода, теплота сгорания 6000-10000 кдж/кг. При сжигании сланцев образуется золы 40-60% от веса и около 70% от объема сланцев. Зола используется для производства вяжущих веществ и строительных материалов.
Жидкое топливо имеет значительные преимущества по сравнению с твердым: высокая теплота сгорания – 39000-45000 кдж/кг, низкое содержание влаги и минеральных веществ, удобство хранения и транспортирования, возможность полной механизации и автоматизации процесса горения, большая универсальность при сжигании в различных топочных устройствах и камерах сгорания. Все виды искусственного жидкого топлива в зависимости от области их применения делят на карбюраторное, дизельное и топливо для реактивных двигателей.
Карбюраторное топливо предназначается для двигателей внутреннего сгорания с карбюратором и искровым зажиганием. Основным показателем качества карбюраторного топлива является его детонационная стойкость (антидетонационные свойства). Детонацией называется ненормальная работа двигателя, обусловленная детонационным сгоранием, т.е. таким сгоранием, при котором пламя распространяется со скоростью, примерно в 100 раз
54
превышающей нормальную. Детонация приводит к перегреву двигателя, перегоранию колец, прогopанию поршней и клапанов. Склонность топлива к детонационному горению характеризуется октановым числом.
Определение октанового числа сводится к сравнению испытываемого бензина с эталонными топливами.
Дизельное топливо – топливо для двигателей с воспламенением от сжатия. Важнейшими показателями дизельного топлива является цетановое число, содержание серы и др.
Жидкое котельное топливо – тяжелые продукты переработки нефти, каменных углей и т.д. Мазут топочный является основным видом жидкого котельного топлива.
Кгазообразному топливу относятся природные и искусственные газы. Теплота сгорания основного компонента природных газов – метана – составляет более 35000 кдж. Наиболее высокой теплотой сгорания обладает сжиженный газ (около 105000 кдж). Природные газы добывают из чисто газовых месторождений либо вместе (попутно) с нефтью (попутные газы). Теплота сгорания природных газов чисто газовых месторождений составляет 33000-35000 кдж, попутных газов – 40000-58000 гдж/м3. Природный газ используется для технологических целей
–в доменном и мартеновском производстве, при производстве стекла, цемента, для отопления котельных установок промышленных предприятий, электростанций, для коммунально-бытовых нужд.
Кчислу искусственных (производных) горючих газов относятся: газообразные продукты, получаемые в процессе термического разложения твердого и жидкого топлива (коксовый, нефтяные газы и др.); газы, получаемые в процессе безостаточной газификации твердого топлива (генераторные газы); газообразные побочные продукты металлургического и других производств.
В настоящее время широко используют сжатые и жидкие углеводородные газы. Сжатые газы применяют в двигателях внутреннего сгорания, для сварки и резки металлов, в стеклодувном производстве, в быту и т.д. Особенно большое применение находят сжиженные газы. Они используются в двигателях внутреннего сгорания, в калильных газовых печах (плавильных, для отжига, закалки и др.), в быту и т.д. Сжиженные газы в основном состоят из пропана, бутана, а также небольших количество этапа, этилена, пропилена и др.
Смазочные материалы. Смазочные материалы по происхождению делят на растительные, животные, нефтяные. Основная масса смазочных материалов нефтяного происхождения.
По назначению различают масла для двигателей внутреннего сгорания, в том числе для автомобилей и тракторов (автотракторные) и дизелей (дизельные), индустриальные, для специальных механизмов (трансмиссионные, судовые), поршневых паровых машин, паровых и водяных турбин, воздушных компрессоров и т.п.
По физической природе смазочные материалы делятся на жидкие и консистентные.
Кжидким смазочным материалам относят: индустриальные масла, автотракторные, дизельные, турбинные, компрессорные, осевые и трансмиссионные масла.
В настоящее время широко применяются синтетические масла, получаемые из различных видов сырья — парафина, угля, ряда неорганических материалов. Синтетические смазочные масла обладают многими ценными свойствами, которых не имеют масла, получаемые из нефти.
55
Особенно ценен их температурный предел работоспособности, который у минеральных масел составляет лишь 220ºС, в то время как у фтороуглеродистых масел доходит до 500ºС.
Консистентные смазки – мазеподобные или полутвердые продукты, представляющие собой смеси минеральных масел с различными мылами и другими загустителями. По назначению консистентные смазки делятся на антифрикционные, защитные (предназначены для предохранения металлических поверхностей от коррозии и порчи деталей и механизмов при длительном хранении; наиболее распространенным из этих смазок является технический вазелин) и уплотнительные (для герметизации сальников, резьбовых соединений, кранов и т.ц.). Они должны надежно герметизировать и быть инертными к окружающей среде (бензину, воде, агрессивным газам).
1.10. Необходимость создания прогрессивных материалов и экономическая эффективность их применения на железнодорожном транспорте
Материалы, которые предназначены для использования в высокотехнологичных изделиях, иногда условно определяют термином «прогрессивные» материалы. Под высокими технологиями обычно имеются в виду устройства или изделия, работа которых основана на использовании сложных современных принципов. К числу таких изделий относится различное электронное оборудование, в частности цифровые видео-аудио камеры, компьютеры, оптико-волоконные системы, а также космические спутники, изделия аэрокосмического назначения и ракетных технологий.
Прогрессивные материалы представляют собой типовые материалы, но с улучшенными показателями свойств, а также новые материалы, обладающие выдающимися характеристиками. Эти материалы могут быть металлами, керамикой или полимерами, при этом их стоимость обычно очень высока. К числу прогрессивных материалов также относятся полупроводники, биоматериалы и вещества, которые носят называние «материалов будущего». Это так называемые «умные» материалы и изделия нанотехнологии, которые предназначены, например, для изготовления лазеров, интегральных схем, магнитных хранителей информации, дисплеев на жидких кристаллах и оптических волокон.
Полупроводники по электрическим свойствам занимают промежуточное положение между электропроводящими материалами (металлами и металлическими сплавами) и изоляторами (керамикой и полимерами). Кроме того, электрические характеристики полупроводников крайне чувствительны к присутствию минимальных количеств посторонних атомов, концентрацию которых необходимо контролировать вплоть до уровня очень малых областей. Создание полупроводниковых материалов сделало возможным разработку интегральных систем, которые произвели революцию в электронике и компьютерной технике (даже если не упоминать изменения в нашей жизни) в течение трех последних десятилетий.
Биоматериалы используют для создания имплантатов для тела человека, которые призваны заменить больные или разрушенные органы или ткани. Материалы этого типа не должны выделять токсичных веществ и должны быть совместимыми с тканями человека. Металлы, керамика, полимеры и полупроводники – могут быть использованы в качестве биоматериалов.
«Умными» (или интеллектуальными) материалами называют группу новых искусственно
56
разрабатываемых веществ, которые оказывают существенное влияние на многие современные технологии. Определение «умные» означает, что эти материалы способны чувствовать изменения в окружающей среде и отзываться на эти изменения заранее определенным образом – качество, присущее живым организмам. Концепция «умных» материалов также была распространена на сложные системы, построенные как из «умных», так и традиционных веществ.
Вкачестве компонентов умных материалов могут использоваться некоторые типы датчиков (распознающих входящие сигналы), а также исполнительные системы, играющие роль отвечающих и адаптивных устройств. Последние могут использоваться для изменения формы, положения, собственных частот или механических характеристик как ответа на изменение температуры, интенсивности освещенности, напряженности электрического или магнитного полей.
Вкачестве активаторов обычно используют материалы четырех типов: это сплавы с памятью к изменению формы, пьезоэлектрические виды керамики, магнитострикционные материалы и электрореологические/электромагнитные жидкости.
Сплавы «с памятью» – это металлы, которые после деформирования возвращаются в исходную форму, если изменилась температура.
Пьезоэлектрические виды керамики расширяются и сжимаются в ответ на изменение электрического поля (или напряжения); если же их размеры изменяются, то это приводит к возбуждению электрического сигнала. Поведение магнитострикционных материалов аналогично реакции пьезоэлектриков, но только как реакция на изменение магнитного поля. Что касается электро- и магнитореологических жидкостей, то это такие среды, которые претерпевают огромные изменения вязкости в ответ на изменение электрического или магнитного поля, соответственно.
Материалы (устройства), используемые в качестве датчиков, могут быть оптическими волокнами, пьезоэлектриками (к их числу относятся некоторые полимеры) и микроэлектромеханическими устройствами, аббревиатура MEMS.
Примером «умных» устройств может служить система, используемая в вертолетах для того, чтобы снизить шум в кабине, создаваемый при вращении лопастей. Пьезоэлектрические датчики, встроенные в лопасти, отслеживают напряжения и деформации; сигнал передается от этих датчиков к исполнительному механизму, который с помощью компьютера генерирует «антишум», гасящий звук от работы винтов вертолета.
Примеров наноматериалов могут являться углеродные нанотрубки. В будущем появится все больше и больше областей, в которых проявятся достоинства нанотехнологичных материалов.
Несмотря на то, что за последние несколько лет был достигнут огромный прогресс в области материаловедения и технологии применения материалов, необходимость в создании еще более совершенных и специализированных материалов остается.
Большие затраты энергии связаны с перевозками. Уменьшение веса транспортирующих устройств (автомобилей, самолетов, поездов и т.д.), также как и увеличение температуры, при которой работают двигатели, будет способствовать более эффективному потреблению энергии. Для этого требуется создать высокопрочные легкие инженерные материалы, равно как и
57
материалы, которые могут работать в условиях повышенных температур. Также существует необходимость в новых экономически обоснованных источниках энергии и в более эффективном использовании существующих источников1.
Развитие альтернативных источников энергии, развитие современных информационно-управляющих систем, технологий передачи и аккумулирования энергии, обусловливает необходимость совершенствования разработки и поиска энергосберегающих решений и энергоэффективных технических средств в холдинге «РЖД», их апробации и введения в промышленную эксплуатацию при сокращении продолжительности каждого из этапов инновационного процесса без потери качества.
Это требует дальнейшего развития разработок в области управления движением поездов по энергооптимальным графикам, совершенствования конструкции подвижного состава, инфраструктуры, устройств тяговой сети и стационарной энергетики, применения новых инновационных материалов, новых (более точных) средств учета расхода топлива на тяговом подвижном составе, а также формирования среди персонала среды борьбы за экономию энергоресурсов.
Создание энергоэффективного комплекса в сфере перевозочной деятельности ориентировано на минимизацию доли топливно-энергетической составляющей в себестоимости транспортно-логистических услуг, сокращение издержек и потерь при осуществлении основной деятельности, повышение производительности труда работников компании.
Помимо этого, приобретает ценность разработка методик расчета эффективности применения прогрессивных материалов, а также методик оценки взаимосвязей между производством таких материалов и его влиянием на окружающую среду. Необходимо проводить расчет и анализ затрат на всех стадиях жизненного цикла разрабатываемого материала.
Таким образом, для характеристики различных сторон проекта, связанного с применением прогрессивных материалов, высоких технологий, используются виды эффекта, характерные инновационному проекту: экономический, технический, научно-технический, социальный и экологический (рисунок 1.2).
Эффективность инновационных проектов влияет на эффективность хозяйственной деятельности транспортной компании в целом вследствие использования их результатов в производственном или управленческом процессе, либо продажи их результатов сторонним компаниям. Факторами, влияющими на эффективность инновационных проектов, являются:
–увеличение доходов (выручки) вследствие использования инноваций;
–экономия текущих расходов;
–сокращение капитальных вложений, в том числе уменьшение расходов на реализацию научно-технических проектов.
Увеличение доходов происходит по инновационными проектам, направленным на:
–повышение производительности подвижного состава и улучшение его использования во времени;
–увеличение доли на рынке транспортных услуг;
1 Каллистер-мл У.Д., Ретвич Д. Дж. Материаловедение от технологии к применению (металлы, керамики, полимеры)
58
–увеличение пропускной и провозной способности;
–увеличение объема оказываемых ОАО «РЖД» транспортно-логистических услуг;
–увеличение экспортных возможностей;
–получение объектов интеллектуальной собственности, права на использование которых на возмездной основе могут быть предоставлены сторонним организациям.
59
Рисунок 1.3 – Формирование экономической эффективности инновационного проекта2
2 Терешина Н.П., Подсорин В.А. Управление инновациями на железнодорожном транспорте: учеб. для вузов
60