Прогнозирование работоспособности древесностружечных и древесноволокнистых композитов в строительных изделиях
На правах рукописи
КИСЕЛЕВА Олеся Анатольевна ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫХ И ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИТОВ В СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЯХ 05.23.05 – строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Воронеж 2003
Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом университете
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Ярцев Виктор Петрович
Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Харчевников Виталий Иванович кандидат технических наук, доцент Ушаков Игорь Иванович Ведущая организация "Тамбовгражданпроект"
Защита состоится 3 июля 2003 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу:
394006, г. Воронеж, ул. XX-летия Октября, д. 84, ауд. 20, корпус 3.
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета.
Автореферат разослан "" 2003 г.
Ученый секретарь диссертационного совета В.В. Власов Подписано в печать 21.05. Формат 60 84 / 16. Гарнитура Times New Roman.
Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем: 1,16 усл. печ. л.;
1,25 уч.-изд. л.
Тираж 100 экз. С. Издательско-полиграфический центр Тамбовского государственного технического университета 392000, Тамбов, Советская, 106, к.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Древесные пластики нашли широкое применение в строительных изделиях, ограждающих и несущих конструкциях. Одним из преимуществ данных материалов является сущест венная экономия деловой древесины. Кроме того, древесностружечные (ДСП) и древесноволокнистые плиты (ДВП) обладают хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами, а также высокими меха ническими характеристиками.
В древесных композитах наблюдается высокая неоднородность распределения компонентов по объему. Такое строение осложняет изучение их механических характеристик.
В настоящее время при проектировании строительных конструкций используется эмпирический метод предельных состояний, а все осложнения учитываются поправочными коэффициентами. Это приводит к многократному запасу прочности и деформативности материала. При изучении прочно стных и деформационных характеристик древесных композитов неизученным остается вопрос их ра боты во времени под действием длительных нагрузок и температур. Для древесностружечных и дре весноволокнистых плит резко проявляется температурно-временная зависимость прочности, предела текучести и отсутствует безопасное напряжение (напряжение, при котором долговечность становится бесконечно большой).
Для разработки методики прогнозирования длительной прочности и долговечности древесных композитов необходимо использовать термофлуктуационную концепцию разрушения и деформирова ния, развитие которой обязано, в первую очередь, фундаментальным работам школы С.Н. Журкова.
Она рассматривает тепловое движение атомов как решающий фактор процесса механического разру шения, а роль нагрузки заключается в уменьшении энергии связей.
Согласно термофлуктуационной концепции и принципа температурно-временной-силовой экви валентности для каждого материала существуют три границы работоспособности: силовая (проч ность или предел текучести), временная (долговечность), и температурная (термостойкость или теп лостойкость). Повышение или понижение одной из них компенсируется изменением любой из двух других.
Актуальность данной работы обусловлена применением нового подхода к изучению закономер ностей разрушения и деформирования, а также прогнозированию основных параметров работоспо собности древесных композитов, связанным с изучением поведения констант материала, опреде ляющих эти параметры. Предложенный метод позволит кроме нагрузки, действующей на конструк цию или материал, учитывать влияние температуры и времени их действия, а также наличие допол нительных факторов (концентраторов напряжения, климатических воздействий и агрессивных сред).
Работа выполнена в рамках научно-технической программы "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" подпрограммы "Архитектура и строитель ство" по теме "Прогнозирование и повышение надежности и долговечности древесных плит в строи тельных конструкциях" (шифр темы по программе – 02.03.228).
Целью работы является разработка методики прогнозирования работоспособности древесных композитов в строительных изделиях в широком диапазоне напряжений и заданном интервале темпера тур.
Исходя из этого, в работе поставлены следующие задачи:
исследование закономерностей разрушения и деформирования древесноволокнистых и древесност ружечных плит различной плотности и твердости в широком интервале напряжений и температур при раз личных видах нагружения;
выявление аналитических зависимостей для расчета физических и эмпирических констант мате риалов, определяющих основные параметры их работоспособности: прочности (предела текучести), долговечности и термостойкости (теплостойкости);
исследование влияния состава (дисперсности и размера наполнителя, количества связующего, на личия облицовки) на физические и эмпирические константы и основные параметры работоспособности древесных композитов;
изучение влияния концентраторов напряжений на закономерности разрушения и работоспособ ность древесных плит;
изучение влияние климатических факторов на константы, определяющие работоспособность древесных композитов;
изучение влияния воды и агрессивных сред на работоспособность древесных композитов;
разработка методики прогнозирования работоспособности древесных композитов;
выдача рекомендаций по использованию вида и марки плит для конкретных строительных изде лий и конструкций.
Научная новизна работы состоит в следующем:
выявлены термофлуктуационные закономерности разрушения и деформирования древесноволок нистых и древесностружечных плит при разных видах нагружения;
впервые получены величины физических констант древесных композитов, определяющих их ра ботоспособность при разрушении и деформировании;
получены экспериментальные результаты по влиянию концентраторов напряжения, агрессивных сред и климатических факторов на закономерности разрушения древесных плит, величины физических и эмпирических констант, определяющих их работоспособность;
получены поправки, учитывающие изменение температуры и влажности в процессе эксплуатации, а также действие многократного замачивания и замораживания-оттаивания на работоспособность дре весных композитов;
разработана методика прогнозирования основных параметров работоспособности древесных ком позитов в строительных изделиях и конструкциях в широком диапазоне эксплуатационных параметров (времени, напряжений и температур).
Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечивается проведением экс периментов с достаточной воспроизводимостью;
статистической обработкой с заданной вероятностью и необходимым количеством повторных испытаний;
сопоставлением результатов полученных разными методами, а также сравнение их с аналогичными результатами, полученными другими авторами. Дос товерность теоретических решений проверялась их сравнением с экспериментальными результатами.
Практическое значение работы. Разработана методика прогнозирования работоспособности (дол говечности, длительной прочности или текучести, термостойкости или теплостойкости) древесных композитов при разных видах нагружения в широком диапазоне основных эксплуатационных парамет ров и при наличии различных осложняющих факторов. Ее внедрение позволит снизить материалоем кость конструкций (сокращает расход древесных плит на 20 … 30 %), повысить их надежность. Даны рекомендации по применению древесностружечных и дре весноволокнистых плит в конкретных строительных изделиях, несущих и ограждающих конструкциях.
Внедрение результатов. Теоретические разработки и результаты экспериментальных исследова ний использованы на предприятии ОАО "Тамбовстройпроект" и ОАО "СМП-534". Ряд положений ис пользуются в учебном процессе Тамбовского государственного технического университета при изуче нии дисциплин "Строительные материалы", "Конструкции из дерева и пластмасс".
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на:
II и III международных научно-технических конференциях "Надежность и долговечность строи тельных материалов" (Волгоград, 2000 и 2003);
VI–VII научных конференциях ТГТУ (Тамбов, 2001–2002);
IV международной конференции "Теплофизические измерения в начале XXI века" (Тамбов, 2001);
седьмых академических чтениях РААСН "Современные проблемы строительного материаловедения" (Белгород, 2001);
международной научно-технической конференции "Компози ционные строительные материалы" (Пенза, 2002);
международной научно-технической конферен ции "Эффективные строительные конструкции" (Пенза, 2002);
IV международной научно практической конференции "Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии горо дов" (Пенза, 2002).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 печатных трудов, среди них 12 ста тей, 3 тезиса докладов и методические указания к лабораторным работам.
Автор защищает:
результаты исследований по влиянию состава (дисперсности и размера наполнителя, количества связующего, наличия облицовки) ДСП и ДВП, вида нагружения и наличия концентратора напряжений на закономерности разрушения и деформирования древесных плит, а также физические и эмпирические константы, определяющие их работоспособность;
результаты исследований по влиянию агрессивных сред и климатических факторов на работоспо собность древесных композитов;
результаты исследований по влиянию вида материала (ДСП и ДВП) и его плотности на коэффици ент линейного термического расширения;
методику прогнозирования работоспособности древесностружечных и древесноволокнистых плит в несущих и ограждающих строительных конструкциях;
рекомендации по применению древесностружечных и древесноволокнистых плит в несущих и ог раждающих строительных конструкциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и содержит 208 страниц машинописного текста, включая 48 таблиц, 85 рисунков, список лите ратуры из 148 наименований и 3 приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели исследований и основные положения, которые выносятся на защиту.
В первой главе проведен анализ литературных данных.
В строительстве среди древесных пластиков наибольшее распространение получили древесностру жечные и древесноволокнистые плиты. Они применяются для внутренней отделки помещений, устрой ства чистых полов, а также в качестве элементов несущих и ограждающих конструкций (щитовые две ри, панели покрытия, стеновые панели, опалубка, стойки и т.д.).
Изучением физико-механических свойств древесностружечных и древесноволокнистых плит за нимались такие ученые, как В.Д. Бекетов, Е.Д. Мерсов, И.Г. Корчаго, С.Л. Ребрин, И.А. Отлев, Г.М.
Шварцман, В.М. Хрулев, В.И. Харчевников, Е.М. Разиньков, А.А. Поздняков и др.
При изучении прочностных характеристик древесных плит получены предельные значения прочности при различных видах нагружения (поперечный изгиб, сжатие, растяжение, пенетрация и т.д.). Показано, что данные материалы отличаются большой анизотропией механических свойств.
Деформирование плит изучалось при поперечном изгибе от совместного действия нагрузки, тем пературы и влажности. При этом для прогноза срока службы В.М. Хрулевым и С.М. Кондрашовым получены уравнения в зависимости от уровня нагружения, температуры и относительной влажности.
Изучалось также деформирование ДСП при переменном циклическом увлажнении и высушивании.
В процессе изготовления и эксплуатации древесностружечные и древесноволокнистые плиты на ходятся под действием длительных нагрузок, которые приводят к их деформированию и разруше нию. При этом на них действуют и другие факторы (температурно-влажностные, агрессивные среды, атмосферные воздействия, солнечная радиация и т.д.), что также сказывается на процессе разруше ния. Необходимо отметить, что в некоторых работах были предприняты попытки изучения длитель ной прочности древесины и фанеры. Однако авторы использовали ошибочные представления о неиз менности или отсутствии ряда физических констант.
Большое количество работ посвящено изучению водопоглощения ДСП и ДВП. Здесь основное внимание уделялось набуханию и разбуханию плит, механизму проникновения влаги и характери стикам водостойкости. При этом остается неизученным влияние воды на механизм разрушения дре весных композитов. Изучены и другие физические свойства древесных пластиков.
Э.М. Гусейновой приводятся данные по влиянию климатических факторов на предел прочности при статическом изгибе. В.М. Хрулевым и К.Я. Мартыновым получены уравнения для ускоренного старения древесностружечных плит на карбомидном и фенолоформальдегидном связующем. Однако для прогнозирования работоспособности наибольший интерес представляет их влияние на длитель ную прочность и долговечность плит.
Во второй главе описаны методические вопросы.
В качестве объектов исследований взяты древесноволокнистые и древесностружечные плиты раз личной плотности (ДВП – мягкое, твердое и сверхтвердое;
ДСП плотностью 650, 700, 800 и 850 кг/м3).
Для проведения длительных и кратковременных испытаний при разных видах нагружения ис пользовали шестипозиционный стенд, установку рычажного типа, а также разрывную машину Р-50. Линейное термическое расширение древесных плит определяли с помощью оптического дила тометра.
Изучено влияние размеров и дисперсности наполнителя древесностружечных плит на величину разброса прочности, а также влияние различных факторов (вида предельного состояния, вида нагруз ки, длительности испытаний, наличия концентраторов напряжений) на разброс значений долговечно сти. Установлено, что для ДСП наблюдается разброс прочности в 2–4 раза, а долговечности – более двух порядков. Уменьшить величину разброса для композитных материалов сложно. Поэтому при прогнозировании прочности и долговечности древесных композитов его величину необходимо учи тывать.
Изложены методики определения физических и эмпирических констант при разрушении и де формировании, а также приведены формулы для расчета основных параметров работоспособности (долговечности, прочности (предела текучести), термостойкости (теплостойкости)) и скорости про текания деформационных процессов.
При исследовании долговечности древесностружечных плит использована методика математиче ского планирования эксперимента, разработанная Л.О. Буниной для термопластов. Ее применение позволяет получить необходимую информацию при минимальном количестве испытываемых образцов. Для получения надежных результатов экспери ментальные данные подвергались статистической обработке по программам Konstanta и Graffdiffer.
В третьей главе изучены закономерности разрушения (или деформирования) древесных ком позитов при разных видах нагружения (поперечном изгибе, сжатии и пенетрации) в широком диапазоне постоянных напряжений и температур. Исследования основаны на термофлуктуаци онной (кинетической) концепции.
Развитие кинетической концепции обязано, в первую очередь, фундаментальным работам школы С.Н. Журкова. Она рассматривает тепловое движение атомов как решающий фактор процесса механи ческого разрушения. При этом долговечность t описывается обобщенной формулой Журкова, физиче ски обоснованной и экспериментально подтвержденной С.Б. Ратнером и В.П. Ярцевым:
( ), U T Tm 1 (1) t = t m exp 0 R где при разрушении tm = m, при деформировании tm = m – минимальная долговечность (период колеба ния кинетических единиц – атомов, групп атомов, сегментов);
U0 – максимальная энергия активации разрушения (размягчения);
– структурно-механическая константа;
Tm – предельная температура существования твердого тела (термостойкость или теплостойкость).
При нагружении в теле одновременно возникают два процесса: деформирование и разрушение.
Они протекают с разной скоростью, и обнаруживается тот процесс, для реализации которого требу ется меньше времени. Оба процесса имеют термофлуктуационную природу и описываются одним и тем же уравнением.
Часто формула (1) не оправдывается. Зависимости принимают вид параллельных прямых, которые не сходятся в полюс. В этом случае реализуется формула, полученная Л.О. Буниной, U exp ( ), = * exp (2) RT где *, U – эмпирические константы;
– структурно-силовой фактор.
Наблюдаются также и случаи обращения пучка прямых. Они сходятся в полюс не при предельно высокой, а при предельно низкой температуре. Для описания такой зависимости В.П. Ярцевым пред ложена формула U 0 * Tm * * * T 1, (3) t = t m exp RT где tm = (m или m), U0, и Tm – эмпирические константы.
Концепция Журкова о механизме разрушения твердых тел и формулы (1)–(3) дают основу для прогнозирования работоспособности древесных композитов в соответствии с принципом темпера турно-временной силовой эквивалентности. Из формул (1)–(3) можно выразить силовой параметр ( = f (t, T)) и температурный (T = f (t, )).
Изучено влияние состава (дисперсности и размера наполнителя, количества связующего, наличия облицовки) на закономерности разрушения древесных композитов. Для этого при поперечном изгибе в режиме заданных постоянных напряжений и температур проведены длительные испытания древесност ружечных и древесноволокнистых плит различной плотности с разными размерами наполнителя. В процессе испытаний фиксировали время разрушения. В результате получены зависимости в координа тах lg. Пример показан на рисунке 1. Для расчета констант зависимости перестраивали в координа ты lg103/. При этом вид зависимости не меняется.
Для древесностружечных плит плотностью 650, 700 и 850 кг/м3 зависимости представляют собой семейства веерообразных прямых, сходящихся в точку (полюс) (рисунок 1, а), и описываются уравне нием (1). Увеличение однородности и ориентации наполнителя в древесных плитах приводит к измене нию характера зависимостей, отражающих процесс разрушения при длительном действии постоянных нагрузок и температур. Наблюдается переход от "прямого пучка" (древесностружечные плиты) к парал лельным прямым (ДСП с мелкой стружкой) и далее к "обратному пучку" (твердые древесноволокни стые плиты) (рисунок 1). Последнее, по-видимому, связано с технологической ориентацией.
а) в) б) lg, [с] lg, [с] lg, [с] – 16 °С –16 °С –18 °С 5 5 – 40 °С –40 °С –40 °С 4 –60 °С – 70 °С –60 °С 4 –90 °C –90 °C 2, МПа 8 10 12 14 - -2, МПа 5 7 9, МПа 12 14 16 - - Рисунок 1 – Зависимость долговечности от напряжения при поперечном изгибе для древесных плит плотностью:
а – 700 (ДСП);
б – 800 (ДСП с мелкой стружкой);
в – 850 (ДВП) кг/м По полученным зависимостям графоаналитическим способом по программе Konstanta определены физические и эмпирические константы, значения которых представлены в таблице 1.
Для всех испытанных материалов предэкспонента m значительно больше периода колебаний ато мов в твердом теле 10–12 с. Это объясняется тем, что они имеют сложный состав (путь трещины увели чивается за счет огибания частиц наполнителя). Температура полюса Тm для большинства древесност ружечных плит соответствует критической температуре разложения фенолоформальдегидной смолы.
Для твердых ДВП предельная температура – эмпирический параметр.
Для древесностружечных плит величина U0 указывает на разрыв химических связей и близка энергии активации разрушения целлюлозы. Исключение составляет ДСП плотностью 800 кг/м3, для которого энергия активации близка величине U0 фенолоформальдегидной смолы. Величина зависит от качества и однородности стружки. Для твердых древесноволокнистых плит эмпирические кон станты U0* и имеют отрицательное значение.
Таблица 1 – Значения физических и эмпирических констант при поперечном изгибе Физические и эмпирические константы Плот Мат Дисперсность Вид m (*, m*), c кДж/(МПа ность U0 (U, U0*), Tm, (Tm*), K кДж/моль, 1/МПа е- древесной зависи, моль) ( ), риал стружки мости кг/м Разнородная стружка высо 10- 650 571 194 12,8 – кой дисперсно сти Однородная стружка высо 10-2,9 700 213 11,3 – кой дисперсно сти ДС Однородная П стружка низ 109, 800 – 70 – 2, кой дисперсно сти Разнородная стружка 10- 850 (включая об- 454 255 21,6 – зол) высокой дисперсности 101,8 400 230 … – – 10-0,5 385 150 9, ДВ П 850 105,85 182 –115 –9, – – 950 – 263 –588 –32 – Для мягких ДВП характерен сложный механизм разрушения: при малых напряжениях опреде ляющим является послойное разрушение отдельных фрагментов плиты, а при больших она работает монолитно, что сказывается на величинах максимальной энергии активации и других физических констант. Так, при малых напряжениях U0 близка величине максимальной энергии активации фено лоформальдегидной смолы, тогда как при больших напряжениях она равна максимальной энергии активации целлюлозы.
Изучено влияние направления силового воздействия на сопротивление разрушению ДСП. Дли тельные испытания проводили при поперечном изгибе в широком диапазоне постоянных нагрузок и температур. При этом нагрузку прикладывали перпендикулярно и параллельно плоскости плиты.
При изменении направления силового воздействия константа m меняется несущественно. Предель ная температура Tm падает на 100 °С. Пропорционально изменяются величины U0 и (приблизитель но на 30 %).
Изучено влияние вида нагружения (поперечный изгиб, сжатие и пенетрация) на закономерности разрушения древесностружечных плит. При сжатии и пенетрации для ДСП плотностью 700 и кг/м3 так же, как и при поперечном изгибе, зависимости в координатах lg имеют вид "прямого пучка". Исключение составляет ДСП плотностью 800 кг/м3 с минимальным размером наполнителя, для которого зависимости представляют собой "обратный пучок".
В таблицах 1 и 2 приведены значения физических и эмпирических констант, входящих в уравне ния (1)–(3).
Таблица 2 – Влияние вида нагружения на величины констант Физические и эмпирические константы Плот кДж/(МПам Вид Вид U0 (U0*, U), кДж/моль Tm (Tm), K m (m*), c ность нагруже- зависи (*), оль) ДСП, ния мости кг/м 10-0, Сжатие 368 474 41, 700 Пенетра 10-1,2 435 223 6, ция 10- 850 Сжатие 465 186 11, 6, Сжатие 10 189 –7 –5, 800 Пенетра 105,75 215 –70 –6, ция Из таблиц 1 и 2 видно, что вид нагрузки существенно влияет на величины некоторых прочност ных констант. Так для ДСП плотностью 850 кг/м3 изменение вида нагрузки приводит к изменению только структурно-механической константы. Тогда как при сжатии ДСП плотностью 700 кг/м3 про исходит изменение всех констант. Величина максимальной энергии активации U0 увеличивается бо лее чем в два раза по сравнению с поперечным изгибом, а Tm падает и соответствует температуре размягчения фенолоформальдегидной смолы. Такое поведение констант ДСП плотностью 700 кг/м объясняется превалирующей ролью деформационных процессов. Для ДСП плотностью 800 кг/м3 также наблюдается изменение всех констант, что, в первую очередь, связано с изменением вида зависимости.
При пенетрации древесных плит наблюдается сложное переплетение двух процессов: разруше ния и деформирования. Для ДСП плотностью 700 кг/м3 их роль приблизительно одинакова, а для ДСП плотностью 800 кг/м3 на них еще наклады вается влияние концентраторов напряжений в вершине индентора.
На работоспособность ДВП большое влияние оказывает их плотность, а ДСП – размеры, дис персность и качество наполнителя, а также наличие облицовочного слоя. Кроме того, твердые дре весностружечные плиты лучше использовать в изделиях, работающих при сжатии, а облицованные – при поперечном изгибе.
На работу древесных плит немалое влияние оказывает наличие концентраторов напряжений, ко торые приводят к существенному снижению несущей способности. Для крепления данных материа лов чаще всего используют соединения на гвоздях или шурупах. При сквозной забивке гвоздя в изде лия на основе древесины в нижней их части происходит выкалывание слоя. Для древесностружечных плит при dгв = 4 мм оно достигает недопустимо больших величин. В связи с этим перед забивкой гвоздя в древесностружечных плитах рекомендуется сверлить отверстия диаметром больше на 1 мм dгв.
Для выявления влияния ослаблений на несущую способность древесных плит при поперечном из гибе в режиме заданных постоянных напряжений и температур были проведены длительные испытания на образцах, имеющих концентратор напряжений (отверстие диаметром 5 мм).
При введении концентратора напряжений для всех исследуемых материалов зависимости lg и lg103/Т имеют вид "обратного пучка". Такое поведение древесных плит, по-видимому, связано с из менением структуры материала в результате его ориентации (технологической или вокруг дефекта в процессе его образования).
Как видно из таблицы 3, при введении концентратора напряжений происходит не только измене ние характера зависимостей, но и изменение констант. Создание концентратора напряжений в ДСП при положительных температурах приводит к незначительному увеличению длительной прочности и долговечности, а в ДВП – к их существенному снижению.
Полученные данные позволяют прогнозировать работоспособность древесностружечных и дре весноволокнистых плит при разных видах нагрузки, а также при наличии концентратора напряжений в широком диапазоне напряжений, температур и времени эксплуатации.
Таблица 3 – Влияние концентратора напряжений на величины констант Физические и эмпирические кон станты Вид Плот кДж/(моль Матер зави U0 (U*0, U), Tm (T*m), K кДж/моль m (*m,*), ность, иал си МПа) (*), кг/м мости с 108 –33 800 – ДС П 850 –208 –36 106, 850 –129 –13,6 ДВП 950 –100 –8 ост, % В процессе эксплуатации материал подвергается различным силовым воздействиям, из которых определяющим является сжатие. Как отмечается А.А.
Аскадским, основной характеристикой сопротивления сжимающим нагрузкам является модуль деформации (упругой, полной и остаточной). В данной работе рассматривается влияние заданной полной деформации на остаточную (рисунок 2), а также влияние температуры и скорости нагружения на основные деформационно- силовые параметры ДСП. Установлено, 10 max, % 0 2 4 6 кг/м3 наибольшее влияние оказывает что на ДСП плотностью ДСП плотностью 700 кг/м3 – скорость нагружения, а на Рисунок 2 – Зависимость остаточ температура. ной деформации от полной для Изучены закономерности деформирования ДСП (3, 5, 7, 10 %) древесностружечных плит при длительном сжатии. Вид полученных зависимостей / аналогичен зависимостям, представленным на рисунке 1. Следует отметить, что при изменении процента деформации наклон прямых lg плавно изменяется.
Таблица 4 – Величины эмпирических и физических констант при различных степенях деформации Величины физических и эмпириче Плот- ских констант ность Деформа U0 (U0*), (*), ДСП, ции, % m Tm кг/м3 кДж/мол кДж/(моль * (m*), с (Tm ), K ь МПа) 10–1, 3 588 115 38, –1, 5 10 454 193 37, –1, 700 7 10 417 276 36, –1, 10 10 417 334 32, –0, 35 (разр.) 10 368 474 41, 7, 800 3 10 238 –1 –86, 107, 5 235 –1 – 7 10 238 –1 –27, 7, 10 10 208 –1 –9, 6, 19 (разр.) 10 189 –7 –5, Из таблицы 4 видно, что при деформировании древесностружечные плиты ведут себя по разному, что связано с составом и структурой плит. При увеличении процента деформации для ДСП плотностью 700 кг/м3 константы m и остаются постоянными, Tm падает, а U0 растет. Для ДСП плотностью 800 кг/м3 эмпирические константы m*, Tm*, U0* не меняются, а * падает. Следует отметить, что при предельной деформации (разрушении) древесностружечных плит меняются значения всех констант.
М.С. Кацем и Г.М. Бартеневым были предприняты попытки изучения деформирования при пенетрации полимеров с позиции кинетической концепции. По аналогичной методике нами по лучены зависимости скорости деформирования сжатием древесностружечных плит от обратной температуры (рису нок 3).
б) а) lgv0, [%/c] lgv0, [%/c] -1 - - -2 5,05 МПа 7,5 МПа 3, 2, 4, -3 - 1, 1, - - 4 103/T, K- 4 103/T, K-1 1 2 1 2 Рисунок 3 – Зависимость логарифма скорости деформирования от обратной температуры для ДСП плотностью, кг/м3:
а – 700;
б – Так же, как и закономерности времени разрушения (или деформирования), они представляют собой семейство веерообразных прямых сходящихся в точку, и имеют вид "прямого пучка" для ДСП плотностью 700 кг/м3 и "обратного" для ДСП плотностью 800 кг/м3. Для описания получен ных зависимостей уравнение вида Аррениуса было преобразовано по аналогии с обобщенной формулой Журкова и приняло вид:
U 0( д ) ( д ) 1 T ;
– для прямого пучка (4) v = vm ( д ) exp T RT m ( д ) U 0( д ) д ) Tm ( д ) 1, ( – для обратного пучка v = vm( д ) exp (5) T RT где vm(д) – начальная кажущаяся скорость деформирования материала;
U0(д) – максимальная энергия ак тивации скорости;
(д) – структурно-механический фактор;
Tm(д) – предельная температура существова ния твердого тела;
vm(д), U0(д), (д) и Tm(д) – эмпирические константы.
Полученные данные позволяют по уравнениям (4), (5) прогнозировать скорость деформирования сжатием в широком диапазоне заданных параметров эксплуатации (прочности и температуры экс плуатации).
В четвертой главе выявлено влияние скорости нагрева и плотности на термическое расширение, а также влияние различных факторов на работоспособность древесных плит.
Для древесностружечных и древесноволокнистых плит высокой плотности, а также древесины ко эффициенты термического расширения практически совпадают. Так, для ДСП плотностью 850 кг/м 10- равен 3,68 1/°С, 3 -6 - для ДВП плотностью 850 … 950 кг/м – 3,14 … 3,88 10 1/°С и древесины – 3,96 10 1/°С. Установ лено, что зависимость коэффициента термического расширения от плотности для исследованных мате риалов едина, что позволяет определять величину для любого древесного пластика, зная его плот ность.
Исследовано влияние жидких агрессивных сред на механические свойства древесных композитов Наибольшая потеря прочности древесных плит происходит в воде, а также: ДСП в растворе кислот, ДВП в растворе щелочей. Аналогичные результаты приведены С.Л. Ребриным. Незначительное влияние на прочностные свойства древесных плит оказывают растворитель (ацетон и Р-4), бензин и машинное масло. Наличие в воде соли NaCl (35 %) способствует уменьшению набухания ДСП на 25 %, а ДВП на 60 % и приводит к уменьшению падения прочности на 14 %.
Изучены закономерности набухания ДСП во времени при различных постоянных температурах в пресной и соленой воде. Они описываются уравнением вида Аррениуса. Характеристики набухания (предэкспоненциальный множитель и энергия активации набухания), входящие в данное уравнение, за висят от вида материала (его плотности, структуры) и состава воды.
Влияние циклического воздействия воды (как наиболее распространенной среды) изучено с термо флуктуационной позиции разрушения для древесностружечных плит. Характер зависимости времени разрушения от напряжения после воздействия воды сохраняется, однако при этом наблюдаются изме нения величин всех констант. Так U и значительно уменьшаются, а увеличивается. Существенное изменение структурно-силового фактора, по-видимому, связано с пластифицирующим (размягчаю щим смолу) действием воды. При этом количество дополнительных связей в материале уменьшается, что также приводит к падению *. Такое поведение констант приводит к значительному снижению ра ботоспособности материала.
Изучено влияние суточных колебаний температуры в интервалах (от плюс 13 до минус 7 °С и от плюс 5 до минус 25 °С) и влажности на долговечность древесностружечных плит. В результате, опреде лена поправка для перехода от лабораторных испытаний при постоянных температурах к реальным ус ловиям эксплуатации. Для ДСП плотностью 800 кг/м3 она составила 102,57 с.
Исследовано влияние циклов замачивания и замораживания, МПа 12 оттаивания на прочность ДСП при разных видах нагружения.
Установлено, что уже после 20 циклов прочность образцов со ставляет 22 % от первоначальной. Кроме того, для ДСП зависи мость при циклическом замачивании без замораживания (до циклов) совпадает с зависимостью при многократном заморажи вании-оттаивании (рисунок 4). Следовательно, потеря прочно 2 сти прежде всего вызвана влиянием воды при положительной 04 8 12 16 20 24 N, циклы температуре. Действие замораживания начинает проявляться Рисунок 4 – Влияние на прочность ДСП только после 10 циклов. На основе полученных данных был оп плотностью 800 кг/м3 циклов замачивания (1) ределен срок службы древесностружечных плит в режиме мно и замораживания–оттаивания (2) гократного замораживания-оттаивания. Для ДСП плотностью 800 и 850 кг/м3 он составляет 3–4 года.
Определена поправка, позволяющая учитывать влияние многократного замораживания-оттаивания на прочностную долговечность древесностружечных плит. Для ДСП плотностью 800 кг/м3 после циклов попеременного замораживания-оттаивания она составляет 1010,64 с.
Исследовано влияние циклов замораживания-оттаивания (0, 5, 12, 20) на закономерности деформи рования пенетрацией и деформационную работоспособность материалов. Установлено, что воздействие многократного замораживания-оттаивания приводит к изменению характера зависимостей, что отража ется на величинах физических и эмпирических констант. Неизменной остается только одна константа Tm(д). Поведение остальных констант (U0(д), (д) и lgvm(д)) зависит от вида материала. Для ДСП плотно стью 800 кг/м3 с увеличением количества циклов значения lgvm(д) падают, а U0(д) и (д) растут. Для ДСП плотностью 850 кг/м3 значения (д) падают, а lgvm(д) и U0(д) увеличиваются.
Полученные данные позволяют прогнозировать работоспособность древесных композитов в реаль ных условиях (при воздействии агрессивных сред и климатических факторов).
В пятой главе приводится методика прогнозирования работоспособности древесных компози тов. Она включает в себя два случая.
1. Прогнозирование долговечности:
определяется характер зависимостей разрушения (или деформирования) и описывающие их уравнения;
для материала в конкретном изделии или конструкции определяется характер силового воздейст вия, т.е. вид действующего статического нагружения;
определяются напряжения, возникающие в материале, устанавливается температура эксплуата ции Т, а также внутренние и внешние факторы, влияющие на lg, [c] работоспособность (концентраторы напряжения, 28 0 МПа агрессивные среды, 24 климатические факторы и т.д.);
при параметрах и Т по уравнениям (1)– установленных 20 (3) рассчитывается 16 4 теоретическая долговечность материала (время его работы до потери формы или 12 разрушения) (долговечность также можно определить по диаграмме, 8 9 образец которой представлен на 4 рисунок 5);
с помощью поправок 0 11 определяется реальная долговечность – материала с учетом 30 T, °C изменения вида нагружения, влияния –50 –30 –10 концентраторов напряжений, климатических факторов, агрессивной среды.
Рисунок 5 – Диаграмма для определения 2. Прогнозирование длительной прочности древесных плит.
работоспособности ДСП плотностью Прогнозировать прочность целесообразно в тех случаях, когда 850 кг/м при поперечном изгибе необходимо подобрать сечение изделия или элемента конструкции. При этом расчет ведется в следующей последовательности:
определяется вид нагрузки, действующий на материал;
необходимо задаться долговечностью и температурой эксплуатации;
по диаграммам или уравнениям, вытекающим из уравнений (1)–(3), определяется длительная прочность материала;
по полученным значениям напряжения подбирается сечение изделия или элемента конструкции.
В работе приведены примеры прогнозирования работоспособности древесных композитов в строи тельных изделиях и конструкциях (конструкция пола, несъемная опалубка и панель покрытия), на ос новании которых в зависимости от различных условий эксплуатации были определены сроки службы (долговечность) древесных композитов. Полученные результаты представлены в таб лице 5.
Разработаны рекомендации по применению древесностружечных и древесноволокнистых плит в строительных изделиях и конструкциях:
1 Из исследуемых видов древесностружечных плит ДСП плотностью 850 кг/м3 (с крупной стружкой) предпочтительнее в конструкции пола по сплошному подстилающему слою, а ДСП плотностью 800 кг/м3 (с мелкой стружкой) – по лагам. Второй материал при поперечном из гибе работает лучше.
2 Для производства несущих элементов конструкций и опалубки рекомендуется применять твер дые или сверхтвердые древесностружечные плиты, изготовленные из не содержащей обзола крупной стружки низкой дисперсности. Из исследованных материалов данному условию соответствуют только два (ДСП плотностью 700 и 650 кг/м3 {с крупной стружкой}).
3 В несъемной опалубке долговечность и длительная прочность выше у облицованного ДСП. При этом облицовочный слой препятствует воздействию влаги и агрессивных сред.
4 Для обшивки панелей покрытия целесообразнее использовать твердые древесноволокнистые плиты. Такая панель дешевле и имеет меньшую массу.
5 Древесностружечные плиты лучше работают при отрицательных температурах, а древесново локнистые – при положительных. Это необходимо учитывать при проектировании конструкций, рабо тающих в условиях крайнего севера.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1 С позиции кинетической (термофлуктуационной) концепции исследованы закономерности разрушения и деформирования древесных композитов в широком диапазоне заданных постоян ных напряжений и температур. Выявлены аналитические зависимости, связывающие основные параметры работоспособности – время эксплуатации, напряжение и температуру. Получены ве личины физических и эмпирических констант материалов, входящие в данные зависимости и оп ределяющие эти параметры.
2 Экспериментально изучено влияние состава (дисперсности и размера наполнителя, коли чества связующего, облицовки) на закономерности разрушения древесных композитов. Установ лено, что уменьшение дисперсности наполнителя в ДСП и его технологическая ориентация в ДВП приводит к изменению вида зависимостей долговечности от напряжения и температуры ("прямой пучок" – параллельные прямые – "обратный пучок"). Для мягких ДВП в исследован ном диапазоне нагрузок и температур происходит изменение механизма разрушения, что прояв ляется в поведении физических констант.
3 Теоретически и экспериментально изучено влияние вида нагружения (поперечный изгиб, сжатие и пенетрация) на закономерности разрушения и деформирования древесностружечных композитов плотностью 700 и 800 кг/м3. Установлен различный механизм их разрушения при из гибе и сжатии, что отражается на величинах констант, определяющих работоспособность. Пока зано, что при пенетрации древесностружечных плит одновременно протекают два процесса: раз рушение и деформирование. Для ДСП плотностью 700 кг/м3 их роль приблизительно одинакова, а для ДСП плотностью 800 кг/м3 на них еще накладывается влияние концентратора напряжений в вершине индентора.
4 Экспериментально изучено влияние концентратора напряжений на закономерности раз рушения древесных композитов. Установлено, что для всех исследованных материалов зависимо сти долговечности от напряжения и температуры имеют вид "обратного пучка". Такое поведение древесных композитов, по-видимому, связано с изменением их структуры в результате ориента ции (технологической или вокруг дефекта в процессе его образования).
5 Показано, что величина квазиупругой (обратимой) деформации для ДСП зависит от пол ной и составляет порядка 2 … 5 %. На величину остаточной деформации влияют величина сту пенчатой нагрузки, длительность ступеней нагружения и температура. Зависимости скорости де формирования ДСП в широком диапазоне заданных постоянных напряжений и температур пред ставляют собой семейства веерообразных прямых в виде "прямого" или "обратного" пучков. Для их описания предложены уравнения (4) и (5). При изменении процента деформации для исследо ванных материалов вид зависимости не меняется. Константы, отражающие минимальную долго вечность m и предельную температуру размягчения Tm, практически не меняются. Поведение ос тальных двух констант (максимальной энергии активации деформирования и структурно механической константы) зависит от вида материала.
6 Исследовано влияние агрессивных сред и воды на прочностные характеристики и законо мерности разрушения и деформирования древесных композитов. Показано, что циклическое воз действие воды приводит к изменению всех физических и эмпирических констант, а также суще ственному снижению работоспособности ДСП. Установлено, что наличие соли NaCl в воде снижа ет набухание ДВП на 25 %, ДСП на 60 % и приводит к уменьшению падения прочности на 14 %.
7 Изучено влияние климатических факторов (колебания температуры и влажности, циклов замачивания–высушивания и замораживания–оттаивания) на прочностные и деформационные характеристики, закономерности разрушения и деформирования древесных композитов. Установ лено, что после замораживания–оттаивания происходит изменение вида зависимости долговечно сти от напряжения и температуры при деформировании пенетрацией. Для долговечности древесно стружечных плит определены поправки, позволяющие учитывать изменение температуры и влаж ности ( = 102,56 … 102,58 с) и действие многократного замораживания-оттаивания (после 20 циклов – = 1010,64 с).
8 Установлена единая зависимость коэффициента термического расширения от плотности для всех исследованных материалов, что позволяет определять величину для любого древесно го композита, зная его плотность.
9 Полученные аналитические зависимости и величины, входящих в них констант, позволя ют прогнозировать прочность, долговечность и термостойкость древесных плит при заданных параметрах эксплуатации. Разработана методика прогнозирования работоспособности (долговеч ности, прочности и термостойкости) в широком диапазоне эксплуатационных параметров (вре мени, напряжений и температур). Даны рекомендации по применению древесностружечных и древесноволокнистых плит в строительных изделиях, несущих и ограждающих конструкциях.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1 Ярцев В.П. Закономерности разрушения твердой древесностружечной плиты в ограждаю щих конструкциях / В.П. Ярцев, О.А. Киселева // Надежность и долговечность строительных ма териалов и конструкций: Материалы II междунар. науч.-техн. конф. – Волгоград, 2000. – Ч. 2. – С. 42–44.
2 Киселева О.А. Влияние различных факторов на механизм разрушения ДСП / О.А. Киселева // VI научная конференция ТГТУ: Тез. докл. – Тамбов, 2001. – С. 204–205.
3 Ярцев В.П. Влияние дисперсности наполнителя на работоспособность древесностружечных плит различной плотности при поперечном изгибе и сжатии / В.П. Ярцев, О.А. Киселева // Совре менные проблемы строительного материаловедения: Материалы седьмых академических чтений РААСН. – Белгород, 2001. – Ч. 2. – С. 425–428.
4 Ярцев В.П. Прогнозирование прочности, долговечности и термостойкости нагруженных в постоянном режиме древесных плит / В.П. Ярцев, О.А. Киселева // Известия вузов. Строительство. – Новосибирск, 2002. – № 1–2. – С. 141–144.
5 Киселева О.А. Прочность и долговечность древесностружечных плит / О.А. Киселева, В.П.
Ярцев // Труды ТГТУ: Сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. – Тамбов, 2001. Вып. 10. – С. 14– 18.
6 Андрианов К.А. Определение начальной и предельной температуры разложения органиче ских утеплителей по механическим испытаниям / К.А. Андрианов, О.А. Киселева, В.П. Ярцев // Теплофизические измерения в начале XXI века: Тез.
докл. Четвертой междунар. теплофиз. шк. / ТГТУ. – Тамбов, 2001. – Ч. 1. – С. 70–72.
7 Киселева О.А. О разбросе прочности и долговечности древесностружечных плит / О.А. Ки селева, В.П. Ярцев // Композиционные строительные материалы: Теория и практика: Сб. науч.
тр. Междунар. науч.-техн. конф. – Пенза, 2002. – С. 169–172.
8 Киселева О.А. К вопросу о закономерностях деформирования пенополистирола и древесно стружечной плиты при сжатии / О.А. Киселева, К.А. Андрианов, В.П. Ярцев // Труды ТГТУ: Сб.
науч. ст. молодых ученых и студентов. – Тамбов, 2002. – С. 10-14.
9 Киселева О.А. Закономерности деформирования твердой древесностружечной плиты / О.А.
Киселева, В.П. Ярцев // Эффективные строительные конструкции: теория и практика: Сб. ст.
Междунар. науч.-техн. конф. – Пенза, 2002. – С. 316–321.
10 Киселева О.А. Исследование механизма разрушения и деформирования древесных пласти ков / О.А. Киселева, В.П. Ярцев // VII научная конференция ТГТУ: Пленарные докл. и тез. стен довых докл. – Тамбов, 2002. – Ч. 1. – С. 73–74.
11 Ярцев В.П. Влияние концентратора напряжений на прочность и долговечность древесных пластиков / В.П. Ярцев, О.А. Киселева // Пластические массы. – М., 2002. – № 11. – С. 18–19.
12 Киселева О.А. Влияние направления силового воздействия на физические константы, опре деляющие долговечность древесностружечных плит / О.А. Киселева, В.П. Ярцев, А.А. Миронов // Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов: Сб. материалов IV Меж дунар. науч.-практ. конф. – Пенза, 2002. – C. 118–120.
13 Физико-механические испытания строительных композитных материалов: Метод. указ. к лаб. раб. / Сост.: В.П. Ярцев, О.А. Киселева. – Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2003. – 24 с.
14 Kiseleva О.А. Influence of fluctuations in temperature on longevity of chip boards / О.А. Kiseleva, А.А. Mironov, V.P. Yartsev // Transactions of the TSTU: Four-Language Scientific-Theoretical and Ap plied Multidisciplinary Journal. – Tambov, 2003. – T. 9. № 1. – P. 91–94.
15 Киселева О.А. Прогнозирование долговечности древесных плит в строительных изделиях и конструкциях / О.А. Киселева, В.П. Ярцев // Надежность и долговечность строительных материа лов и конструкций: Материалы III междунар. науч.-техн. конф. – Волгоград, 2003. – Ч. II. – С. 12– 15.
16 Киселева О.А. Влияние плотности на термическое расширение древесных плит / О.А. Кисе лева, В.П. Ярцев // Актуальные проблемы современного строительства: Сб. тр. / ПГАСА. – Пенза, 2003. – Ч. 2. – С. 63–66.
Таблица 5 – Прогнозируемая долговечность древесных композитов Прогнозируе мая Вид мате Вид долговечность,, риала Вид конст Т, °С Структура, годы нагруз- (плотно рукции МПа ки стью, кг/м3) I I I III I V Однородная Без 30 … 6 Строительные ДСП (800) стружка низкой на- – –30 8 изделия дисперсности груз ки Разнородная стружка высо- 30 … 5 ДСП (850) – –30 0 кой дисперсно сти 30 … – – 50 – ДВП (850) –30 Разнородная стружка высо- дн 20 – – ДСП (650) кой дисперсно я сти Однородная Пол по лагам 3, ДСП (800) 20 – – стружка низкой м дисперсности ин Разнородная стружка высо- 5 2 ДСП (850) 20 – 4 0 кой дисперсно сти Однородная 30 … стружка высо ДСП (700) – – кой дисперсно- –25 сти 3, Опалубка … "Velox" 0, Однородная Попере 30 … 4 Ра ДСП (800) стружка низкой – чный –25 5 зр д дисперсности изгиб н я Однородная 30 … 5 ДСП (800) стружка низкой – –25 0 дисперсности 1, Опалубка из … Разнородная ДСП 0, стружка высо- 30 … 4 ДСП (850) – кой дисперсно- –25 8 сти 30 … Панель ДВП (850) – – 2 – –25 покрытия:
верхняя об- 30 … ДВП (950) – – 9 40 – шивка – ДВП (850) – 20 – – – нижняя 2, обшивка ДВП (950) – 20 – – – П р и м е ч а н и я: I – без воздействия внешних факторов;
II – при влиянии концентра тора напряжений (отверстия диаметром 5 мм);
III – при циклическом (20 циклов) действии воды;
IV – с учетом климатических факторов.