CC BY
96
ДЕРЕВООБРАБОТКА
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ВОДОСТОЙКОСТИ ДРЕВЕСИНЫ
О.А. КИСЕЛЕВА, доц. Тамбовского ГТУ, канд. техн. наук,
В.П. ЯРЦЕВ, проф. Тамбовского ГТУ, д-р техн. наук
Древесина нашла широкое применение в строительстве. При использовании в несущих и ограждающих конструкциях в процессе эксплуатации она подвергается воздействию воды, УФ-облучения, повышенных и пониженных температур. В результате наблюдается значительное ухудшение физико-механических свойств древесины. Эффективным способом сохранения эксплуатационных параметров является модификация древесины различными полимерами и химическими веществами. Наиболее изученным и хорошо зарекомендовавшим себя модификатором является сера [1, 2]. Ее использование позволяет повысить прочность и водостойкость древесины.
В работах [1, 2], посвященных исследованиям влияния модификаторов на физико-механические характеристики древесины, не рассмотрены вопросы ее поведения во времени. В связи с этим основной задачей данной работы было изучение долговечности и длительной прочности (твердости) древесины до и после модификации.
В качестве модификаторов были взяты сера (твердое), парафин (пластичное) и керосин (жидкое). Пропитывали древесину следующим образом: керосином при комнатной температуре в течение 7 суток, жидким парафином - 60 мин, серой - 30 мин при температуре 130 °С. Далее образцы выдерживали при комнатной температуре в течение 3 ч и подвергали стандартным испытаниям на поперечный изгиб, скалывание, водопоглощение и разбухание. Кратковременные испытания на поперечный изгиб и скалывание проводили на универсальной разрывной машине ИР-5057. Водопоглощение по массе определяли после 1, 2 ч и 7 суток замачивания при температуре 20 ± 2 °С. За результаты всех
проведенных испытаний принимали среднее арифметическое не менее пяти измерений (табл. 1, рис. 1).
По данным табл. 1 видно, что применение модификаторов способствует значительному повышению водостойкости древесины. Так, водопоглощение парафинированной древесины после выдержки в воде 2 ч уменьшается в 6 раз, а 7 суток - в 3 раза. При применении серы оно соответственно снижается в 2,5 и 2 раза, а при пропитке керосином - в 3,5 раза [3].
Модифицирование древесины сказывается и на ее прочностных свойствах. Так, прочность парафинированных образцов увеличивается на 30 %, а при пропитке керосином - на 12-15 %. Следует также отметить, что твердость модифицированной древесины повышается сильнее: при применении серы и парафина на 20 %, а керосина - на 50 % [3].
Образцы модифицированной древесины были подвергнуты термостарению и УФ-облуче-нию. Оказалось, что при воздействии повышенной температуры (80 °С), независимо от ее продолжительности, испарение парафина из древесины не происходит. Кроме того, после термостарения в течение 14 ч твердость парафинированных образцов начинает расти, превышая первоначальную на 30 %. При дальнейшем прогреве твердость снижается и при термостарении в течение 20 ч падает до первоначальной.
Уф-облучение также оказывает влияние на прочностные свойства древесины, модифицированной керосином. В течение первых 10 ч она повышается на 20 %, затем в течение следующих 20 ч происходит ее резкое снижение. Дальнейшее облучение приводит снова к повышению прочности, и после 100 ч воздействия она составляет 120 % от первоначальной.
Т а б л и ц а 1
Физико-механические свойства модифицированной древесины (сосна 2-ого сорта)
Вид модификатора Предел прочности, МПа, при Твердость, МПа Водопоглощение, %, через
поперечном изгибе скалывании сжатии 1 час 2 часа 7 суток
- 104 6 55 20 35 40 100
Сера - 6 - 24 - 15,5 46,5
Парафин - 8 - 23,5 - 6,5 33,5
Керосин 116 - 63 31 10 - 29
84
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2007
ДЕРЕВООБРАБОТКА
о, МПа Н, МПа
Рис. 1. Зависимость прочности при скалывании (твердости) модифицированной древесины от времени: а) облучения; б) воздействия повышенной температуры (80 °С)
70 80 90 о, МПа
а
lgT,[c]
60 80 100 120 140 о, МПа
б
Рис. 2. Зависимости долговечности от напряжения при поперечном изгибе: а) для чистой [5]; б) модифицированной керосином древесины
В процессе эксплуатации материал находится под действием длительных нагрузок и температур. Поэтому для выявления поведения модифицированной древесины в условиях эксплуатации в режиме заданных напряжений и температур при двух видах нагружения (поперечном изгибе и пенетрации) проведены длительные испытания. В результате фиксировали время до разрушения или погружения индентора в тело до заданной глубины (1 мм). Полученные результаты в координатах lgx-с и lg0-H представлены на рис. 2 и 3.
На рис. 2 видно, что при модификации древесины керосином происходит изменение зависимости от обратного пучка (полученного для чистой древесины) к прямому. По-видимому, такое поведение связано с организацией более однородной структуры в модифицированной древесине. Для описания полученных эксплуатационных зависимостей используются следующие уравнения [5, 6]:
для обратного пучка
т = х* exp
m г
U 0*-у*а
RT
для прямого пучка
т = т exp
m г
U 0 - Yc RT
f t * Y
m -1
l T
f 1 - l T ''
Tm J
(1)
(2)
где xm, T U Y - физические константы;
xm*, Tm*, U0*, y* - эмпирические константы; с - напряжение;
Т - температура;
R - универсальная газовая постоянная
Долговечность модифицированной древесины при комнатной температуре выше, а при повышенной температуре ниже, чем у чистой древесины. По-видимому, это связано с активностью керосина.
Величины констант, входящих в уравнения (1-2), определены графоаналитическим способом и представлены в табл. 2.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2007
85
ДЕРЕВООБРАБОТКА
Таблица 2
Величины констант для чистой и модифицированной древесины
Вид материала Вид нагружения Tm (тт X с Tm (Tm'), К U0 (U0*), кДж/моль Y (у *), кДж/(моль-МПа)
Чистая древесина Пенетрация [8] 10-0-4 364 245 9,04
Поперечный изгиб 107 625 -131 -1,70
Древесина, модифицированная керосином Поперечный изгиб 10-4 408 448 3,05
Прямые lgx9-H при длительной пенет-рации модифицированной древесины нанесены на зависимость долговечности от твердости для чистой древесины (рис. 3), что описывается уравнением [6]
9 = 9 exp
т l
U 0 -YC RT
1 - T
t ,
(3)
где 9m, T U у - физические константы; с - напряжение;
Т - температура;
R - универсальная газовая постоянная.
10 20 30 Н, МПа
Рис. 3. Зависимости долговечности от твердости для чистой (1) и модифицированной древесины (2 - керосином, 3 -парафином)
На рис. 3 видно, что пропитка парафином и керосином соответственно в течение 60 мин и 7 суток приводит к повышению длительной твердости и деформационной долговечности древесины.
Для прогнозирования долговечности модифицированной древесины по экспериментальным данным определены поправки, позволяющие учитывать вид модификатора (табл. 3). Тогда уравнение (3) принимает следующий вид
9 = 9 exp
m l
U0 - Yc RT
f t ^
V Tm J
+ A .
(4)
Т а б л и ц а 3
Величины поправок для прогнозирования долговечности модифицированной древесины при пенетрации
Вид модификатора Парафин Керосин
Величина поправки, A 100,092Н-0,41 101-76
Таким образом, применение серы, керосина и парафина приводит к повышению прочности, долговечности и водостойкости древесины. В зависимости от условий эксплуатации ее можно рекомендовать для деревянных конструкций, работающих в условиях повышенной влажности, в качестве модификатора использовать любое из исследованных веществ; для несущих деревянных конструкций - керосин или парафин.
Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ для поддержки молодых российских ученых.
Библиографический список
1. Хрулев, В.М. Прочность и водостойкость древесины, пропитанной серой / В.М. Хрулев, С.М. Горбулев, С.М. Кондрашов и др. // Известия вузов. Строительство. - Новосибирск, 1985. - № 8. - С. 72-76.
2. Орловский, Ю.И. Пропитка древесины серой / Ю.И. Орловский, В.В. Панов, С.А. Манзий и др. // Известия вузов. Строительство. - Новосибирск, 1984. - № 6. -С. 76-80.
3. Тареева, Е.Ю. Влияние вида модификатора на физико-механические свойства древесины / Е.Ю. Тареева, Е.В. Васильева, М.А. Сашин и др. // Сборник материалов VI Международной научно-техн. конф. «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии». - Тула, 2005. - С. 55-56.
4. Киселева, О.А. Прогнозирование работоспособности древесностружечных и древесноволокнистых композитов в строительных изделиях: дис ... канд. техн. наук: 05.23.05 / О.А. Киселева. - Воронеж, 2003. - 205 с.
5. Ратнер, С.Б. Физическая механика пластмасс. Как прогнозировать работоспособность? / С.Б. Ратнер, В.П. Ярцев. - М.: Химия, 1992. - 320 с.
6. Ярцев, В.П. О долговечности и скорости деформирования при пенетрации древесины / В.П. Ярцев, О.А. Киселева, Е.Ю. Тареева и др. // Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций: Материалы IV международной науч.-техн. конф. - Волгоград: ВолгГА-СА, 2005. - Ч. I. - С. 129-132.
86
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2007
