Прочность и долговечность деревоклееных элементов после фотои термостарения Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

3/2011_МГСу ТНИК

ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ДЕРЕВОКЛЕЕНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОСЛЕ ФОТО- И ТЕРМОСТАРЕНИЯ

FIRMNESS AND DURABILITY OF GLULAM ELEMENTS AFTER A POTO- AND THERMOAGEING

Д.В. Антипов, В.П. Ярцев, O.B. Умнова D.V. Antipov, V.P. Jarcev, O.V. Umnova

ТГТУ

Рассмотрены вопросы кратковременной прочности клееной древесины (двух- и четырехслойной) в условиях фото- и термостарения. Получены значения физических констант уравнения Журкова при поперечном изгибе в условиях длительного УФ-облучения и термостарения.

Questions of short-term durability of glulam (two- andfour-layer) in the conditions of aphoto- and thermoageing are considered. Values of physical constants of the equation of Zhurkov are received at a cross-section bend in the conditions of a long Uf-irradiation and thermoageing.

В процессе эксплуатации клееные деревянные конструкции (КДК) могут подвергаться длительному воздействию повышенной температуры и УФ-облучения. В результате таких воздействий, конструкции меняют свои механические свойства [1]. Строительные нормы [2] не предусматривают учет термостарения и УФ-облучения. Изучение данного вопроса позволит проектировать КДК с большей надежностью.

Исследованию подвергались модели клееных балок при поперечном изгибе. Размер образцов составлял 300x10x20(h) мм. Образцы изготавливали двух- и четырехслойными с применением меламино-мочевино-формальдегидного клея производства AkzoNobel. Одну партию образцов помещали в установку искусственного фотостарения, где они подвергались электромагнитному облучению, создаваемому ртутно-кварцевой лампой ДРТ1000. Другую -помещали в термошкаф и выдерживали заданный промежуток времени при температуре 80 °С. Для термо- и фотосостаренных образцов определяли кратковременную прочность при изгибе с помощью рычажного устройства. Расчетная схема образцов представляет собой однопролетную шарнирно опираемую балку пролетом 280 мм, загруженную сосредоточенной силой в середине пролета.

После воздействия облучения наблюдали потемнение образцов с желтым оттенком, а поверхность становилась более шероховатой и сухой. Цвет клеевой прослойки не изменялся. После длительного термостарения наблюдали изменение цвета древесины и клеевой прослойки (клей становился коричневым). Экспериментальные зависимости разрушающих напряжений а, МПа, от полученной дозы излучения Di, кДж/м2, и времени действия повышенной температуры представлены на рис. 1.

При получении дозы до 2,96 кДж/м2 изменения прочности клееных образцов не происходит. Дальнейшее увеличение дозы облучения приводит к падению прочности, и при 11,1 кДж/м2 и выше она составляет около 84 % от первоначальной. Следует отметить, что для натуральной древесины после воздействия УФ- облучения [1] прочность на скалывание повышается.

ВЕСТМГСУ 3/2011

с;МПа

70

65 ВД

¿5

\

♦

i0

L5 D, кДж/м2

90

80

70

60

и, МП a

50

1 2

1

% Ч

0

20

40

60

SO

mo

Рнс 1 - Падение кратковременной прочности деревянных образцов после (а) УФ - оопучения и (¡5) термо старения: ^-KneiHBiejBv*спииныг; 2-четирехonofiHBix

Для термосостаренных четырехслойных образцов в течение 50 часов наблюдали падение прочности на 6 % относительно первоначальной. Для двухслойных образцов после 360 часов обогрева прочность составила 6 % от первоначальной. Для цельной древесины заметна иная зависимость [1]: прочность понижается непрерывно и после 288 часов обогрева составила 75 % от первоначальной.

Полученные результаты показывают, что влияние солнечной радиации и длительного термостарения необходимо учитывать при расчете прочности клееных элементов.

Для изучения влияния старения на долговечность изгибаемых элементов из клееной древесины образцы подвергали действию УФ- излучения (с дозой облучения D=21,7 кДж/м2) и термостарению (150 часов).

Для описания долговечности изгибаемых клееных деревянных элементов использовали уравнения кинетической концепции разрушения [1, 3, 4]. Примеры полученных экспериментальных данных представлены в виде графиков в координатах логарифма долговечности (lgr) от напряжения (с) и обратной температуры, 103/Г, см. на рис. 2, 3. Представленные на рис. 2 зависимости описываются обобщенным уравнением Журко-ва [3]:

0 -уст.

т = тт exp

R

(1)

3/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

где тт, и0, Xй Тт - термофлуктуационные физические константы материала: гт -минимальная долговечность (период колебания кинетических единиц - атомов, групп атомов, сегментов), с; и0 - максимальная энергия активации разрушения, кДж/моль; у - структурно-механическая константа, кДж/(мольхМПа); Тт - предельная температура существования твёрдого тела (температура разложения), К; Я - универсальная газовая постоянная, кДж/(мольхК); т- время до разрушения (долговечность), с; а - напряжение, МПа; Т - температура, К.

а)

М "и > < с \ л: "г_:

14 V \

\

30 10 ^\ тд Щ

Ч

Ь)

11 1(1 я

0

4

3

с

-2

1

„ ^ М

4} 7

!ЯПа

МПа

// ж Угт. К"1

и: 2 4 Й? 4

/ >

Рчг. 2 — Лтгт-рлгнлгй ^гггытлнпг* длует1 пггёнмз пврптцС* тп кпр ркпГг Дикйг^мнт-т 1 пгнАг.м ттп гл й УФ- обпучстп а) 7 аЬиснЫл ти ло!чрнф:л(1 дмгт-г счпотта пт нагфяэишщя щйгтнит^МпкиИтгп^ 1ЛОГ11]!14>Ыи ДОИПЩйЧПОСТКЛТ О^НЙЦСЙ твьпюоип/рм

[с]

12 10

Я 6 4 2

\

\

\ \ \ \

\\ч \ 4 -С

ш 50 °с \ 4 л \

\ 1 1 \ ■ * л.

С

I

2 3 4 5 я, МПа

Рн£!. 5 — 3 а! ис иио ста долгов гно с та о т напр.тженнш п;™ скаш:вани;1 термосостареншк двухслойны к клрчныя образце^

Константы, входящие в уравнение (1) определяли графоаналитическим методом [3]. Значения констант представлены в таблице 1.

ВЕСТНИК 3/2011

Таблица 1 - Значения физических констант клеедеревянных двуслойных элементов при поперечном изгибе образцов подверженных УФ- облучению и термостарению

Воздействия Интервал температуры ^m, c T, m K Uo, кДж/моль 7, кДж/(МПахмоль)

- 20...80 9,4610-5 - 100,5 1,1

УФ-облучение 20...80 3,72-10-4 427 533 7,25

Термостарение 20.50 4,07-10-2 332 3297 50,55

50.80 480 309 6,49

Из таблицы видно изменение всех констант для состаренной древесины: увеличение энергии активации U0 процесса разрушения, и структурно-механического фактора. у, снижение предельной температуры существования материала Tm и периода колебаний кинетических единиц rm. Следует отметить, что зависимость Igx - 103/Г термосо-старенных образцов имеет сложный характер, см. на рис. 2. Она состоит из двух участков, соответствующих интервалам температуры 20. ..50 °С и 50. ..80 °С. Это связано с фазовыми и структурными переходами возникающими в древесине и клеевой прослойке при силовых воздействиях.

Для расчета долговечности клееных деревянных элементов следует пользоваться уравнением 1 и величинами констант из таблицы 1. Это позволит при прогнозе долговечности учитывать в процессе эксплуатации КДК влияние облучения и теплового старения.

Список литературы:

1. Сашин М.А. Прогнозирование и повышение долговечности и длительной прочности древесины в строительных изделиях и конструкциях // Дисс... кан. техн. наук. - Воронеж ,2006. - 182 с.

2. СНиП II-25-80. Деревянные конструкции / Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 2002. - 30 с.

3. Ратнер С.Б. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособ-ность?/Ратнер С.Б., Ярцев В.П. - М.: Химия, 1992 - 320 с.

4. Ратнер С.Б. Прочность, долговечность и надежность конструкционных пластмасс/ С.Б. Ратнер, В.П. Ярцев. - М.: НИИТЭХИМ, 1983. - 74 с.

References:

1. Sashin M. A. Forecasting and increase of durability and long durability of wood in building products and designs//Diss... can. tech. sciences. - Voronezh, 2006. - 182 p.

2. SN&P II-25-80. Wooden designs / Gosstroy of Russia. - M: GUP TSPP, 2002. - 30 p.

3. Ratner S.B.Physical of the mechanic of plastic. How predict working capacity/Ratner С.Б., Jartsev V. P - M: Chemistry, 1992 - 320 p.

4. Ratner S.B.Durability, firmness and reliability of constructional plastic / of S.B.Ratner, V.P.Jartsev. - M: NIITEHIM, 1983. - 74 p.

Ключевые слова: УФ-облучение, термостарение, прочность, долговечность, деревоклееный элемент, энергия активации, силовой фактор, константа, период колебания кинетических единиц.

Keywords: ultraviolet radiation, termostarenie, strength, durability, derevokleenyj, activation energy, power factor, a constant periodfluctuations in kinetic units

E-mail авторов: [email protected], Jarcev21@,rambler.ru,Pf166@,yandex.ru.

Рецензент: Баронин Г. С. - д. т. н., профессор, директор Научно-образовательного центра

«Твердофазные технологии», ТГТУ