CC BY
32
ний в древесине при сушке [Текст] / П. В. Акулич, К. Е. Милитцер // ИФЖ. -1998. - Т. 71. - № 3. - С. 404-411.
5. Perre, P. A physical and mechanical model able to predict the stress field in wood over a wide range of drying conditions [Text] / P. Perre, J. Passard // Drying Technology Journal. - 2004. - Vol. 22. -N. 1-2. - pp. 27-44.
6. Кристенсен, P. Введение в теорию вязкоупругости [Текст] / Р. Кристенсен. -М. : Мир, 1974.-338 с.
7. Rodic, J. Mechanics of wood and composites [Text] / J. Rodic, A. Jayne // Van No-
straind Reinhold. New York. - 1982. - 712 p.
8. Сегерлинд, Л. Применение метода конечных элементов [Текст] / Л. Сегерлинд. - М. : Мир. - 1979. - 378 с.
9. Соколовський, Я. I. АлгортМше та програмне забезпечення системи моделюван-ня та анашзу процесу сушшня кап|тярно-пористих Marepianiß [Текст] / Я. I. С^Н^лОйсь-кий, I. М. Крошний // В1сник Й^ищЬ^
ушверситету Комп'ютерш технологи. - Jlbßi полггехшки, 2012<«ч№
ального
«Львшська * 1пол1техн1ка»: науки »чнформацшш
¿О
С*
№Ж
ВО JIbBiBCbKOi
.-С. 306-315.
Б01: 10.12737/4523 УДК 630*812: 666.974
ВЛИЯНИЕ ВОДОИОГ ЛОЩЕНИЯ ЙЧСМШСТВА ДРЕВЕСИНЫ В ПОЛИМЕРЦЕМЕНТНОМ КС) МТТш Ш и 101111 ОМ МАТЕРИАЛЕ
доктор технических наук, доцент, пройцсотр^афедры промышленного транспорта, строительства Т. И. Стородубцева
аспирант кафедры промышленное^транспорта, строительства и геодезии А. И. Томилин ФГБОУ ВПО «Ворон^ска^сосударственная лесотехническая академия»
lmara-tns@yandex.ru
Весьма актуальньЛцвйастоящее время является использованиекомпозиционных материалах отходо^Сесного комплекса, промышленное^»* смыжого хозяйства и т. д.
X аштажт и к и разрабатываемых К0мпрз^г0в/10лучены с применением фор-мшгиауот! о сопротивлении материалов, т.е. тГяоеделах справедливости закона Р. Гука, ш который эта наука опирается.
Исследованы зависимости основных механических характеристик полимерце-ментной матрицы композиционного материала от содержания в ней структурообразующих компонентов древесного компози-
ционного материала - модифицирующих наполнителей (графитовая мука, мука из пиритовых огарков), замедлителя реакции кристаллизации (глицерин) бензолсульфокисло-ты (БСК) и армирующих заполнителей (стек-лосетка и кусковые отходы переработки древесины - щепа), которые вводили в ее состав вначале порознь, а затем одновременно. В подавляющем большинстве случаев эти зависимости были представлены графоаналитическими моделями в виде полиномов третьей степени и построенными с их использованием кривыми, что подтверждалось минимальными значениями сумм квадратов
отклонении и возможностью количественно и качественно оценить физический смысл процессов при формировании микро- и макроструктуры, включая армирование, композиционного материала (КМ).
Так, свободный член полиномов представляет собой значение характеристики иолимерцементной матрицы, снижение ее величины в начале наполнения - нарушение ее структуры и появление очагов концентрации напряжений, последующее повышение - оптимизация структуры нового композита. Основные зависимости приведены в табл. 1 и на рис. 1.
С их помощью возможно нахождение экстремальных значений характеристик, выявление зоны благоприятных свойств композитов.
В результате сделаны следующие выводы:
- введение в базовый состав полимер-цементной матрицы графитовой и пир вой муки повышает прочностные и у^р; ги характеристики КМ, а также вд кость, однако увеличение содег ¡яви» графитовой муки в смеси приведи гак бы к 'смазке" частиц структур" Фвержденного композита, их «сколыад ш> под нагрузкой. Такой же э&Ае^в^Жблю дается и ПрИ введении гли
- ро щепы ной
ното ДМ и снижении его массы. С этим связана необходимость ее высушивания до влажности 7...8 %, что, кроме этого, обеспечивает пропитку древесины полимером, который, проникая в поры древесины в процессе отливки, отверждается в ней, за-
щищая от гниения.
В результате исследований выявлено наличие синергетических эффектов, обеспечивающих формирование прочной структуры конечных композитов; введение модифицирующих и армирующих компонентов в состав полимерной песчаной матрицы, а также их гидрофобизация, пс^^^ **
§Ь1
шение прочности при изгибе, почт раза, предельная растяжимость раз и снижение величины м^д сти материала и его массьгв
ва
адЦать и» упруго-•/2,0 раза.
мшрующего заполнителя -акшЪчается в повышении изгиб-нооти древесного полимерцемент-
Стремление со^да$ритВ,"Тз композиционном материале деяч^о |^йестные вяжущие (цемент, известь, сЬца^ и древесину в единый моноли^не привело к созданию высокопрочны^ ^долговечных композитов. Общие |Ё^чишя несовместимости отвержден-'ральных вяжущих и древесины в том, что эти материалы склонны асыщаться водой, которая может вызвать гниение древесины, инициировать выделение ею веществ (сахара), способных инги-бировать процесс отверждения, например, цементного теста, а также разрушить любую матрицу под действием вызванного ею давления стесненного набухания.
Для увеличения характеристик изгиба предлагается применять армирующие каркасы из древесины любых пород. Прокладки выполняют в деревянном каркасе ту же роль, что наклонная стальная арматура в железобетонных элементах, т.е. они должны препятствовать возникновению трещин в направлении главных растягивающих напряжений, возникающих в элементах конструкций из древесного полимерцементно-го КМ под действием технологических и эксплуатационных факторов [1].
О 12 3^5 Рис. 1. График
12 13 % 15 16 17 18 Щепа, Тости характеристик композиционного материала от содержания щепы
В связи с эт%мХ были проведены эксперименталыш^1сслед0вания по определению упршчЛ^ярактеристик древесины некоторьжлисавенных и хвойных пород с учет^м^ниэЬтропии ее свойств на сжатие вдаль и поперек волокон, а также на гстЭсдчёский изгиб.
В соответствии с ГОСТ 16483.11-72 и ОСТ 16483.10-72 нами были проведены экспериментальные исследования по определению пределов прочности (а, МПа) образцов древесины на сжатие вдоль и поперек волокон. По полученным резуль-
татам (табл. 1) с использованием ПЭВМ были построены графики зависимости пределов прочности от влажности образцов (число образцов в серии равнялось двадцати - каждой породы древесины сосны, ели, лиственницы, березы, дуба) - показатели пределов прочности можно сравнивать только при одинаковой влажности древесины. Кроме влажности на показатели механических свойств древесины оказывает влияние и продолжительность действия нагрузок [2, 3].
Проанализировав данные табл. 1, мы
Таблица 1
Результаты испытания на прочность образцов древесины хвойных и лиственных пород,
выдержанных в воде в течение 80 суток
Порода древесины Характеристика Время выдержки образцов в воде ч
0 2 24 144 1920
Влажность W, % 12 30 50 100 150
Хвойные, предел прочности с, МПа - вдоль (поперек) волокон
Ель 45,0 (9,0) 19,0 (6.0) 18,5 (5,5) 17,5 (5,0) 1 (4 7,0 1,5)
Лиственница 61,5 (П.5) 25 (7.5) 23,5 (7.0) 23 (6.0) (|
Сосна 52,0 (10,0) 17,0 (6.5) 16,5 (5.0) 16 (4. и ь* К5 1.0)
Лиственные, предел прочности с, МПа - вдоль (поперек) волокон V)
Дуб 55,5 (10.0) 30 (7.0) 27,5 (6.5) ГчМ / 24,5 (5.5)
Береза 54,0 (Ю.5) 26,5 (7.0) 22,5 (6.5)^^ Ь (6.0) 21,0 (4.5)
(елЪц^го
сделали вывод, что наибольшими пределами прочности по сравнению с другими породами обладают образцы лиственницы, а наименьшими ели (при влажности 12 %);><% наибольшими - образцы дуба, наименьшр*^^ 'Ч1 ми - липы, ели и сосны (при влажности (XV лее 30 %). С увеличением содержш&гаш! занной воды в древесине, ее
снижается.
Нами были построены графики зависимости предела прочн^п^образцов древесины при сжатии волокон и условного предела этих же пород древесины при 1сжЯ|ии поперек волокон от влажности образцов, из которых следовало, что п^ц^^Гпрочности резко уменьшаются пгаиуйеличении влажности образцов древесины/12 % до 45...50 % [4]. Дальнейшее увеличение влажности слабо влияет на изменение этой характеристики, что позволило сделать следующий вывод. Нет смысла длительное время выдерживать образцы в
воде ^^елЦ^" определения пределов проч-но/ТЙ пр^сжатии вдоль и поперек волокон.
^Повад^очно лишь выдержать их в воде в \ечение 2 ч до предела насыщения водой """О.. .45 % (табл. 1) и провести испытания.
Далее в соответствии с ГОСТ 16483.973 были определены модули упругости (Е, ГПа) образцов древесины, выше названных пород, результаты испытаний приведены в табл. 2.
Значения модулей упругости снижаются до тех пор, пока образцы не набрали 50 % влажности, после чего эта величина практически стабилизируется. Посредством пакета для всестороннего статистического анализа 81а1т81:юа 8.0 найдена модель одной из кривых графика зависимости Е-\У (рис. 2, 3) и определена ее статистическая значимость.
Получены итоги регрессии первой, второй и третьей степени для зависимой переменной Е [5]: каждая последующая лучше
Таблица 2
Результаты испытаний по определению модуля упругости при статическом изгибе образцов древесины, выдержанных в воде в течение 6 суток
Порода
Влажность W, %
12
30
50
100
Модуль упругости при статическом изгибе Е, ГПа
<2>
Сосна
12,4
8,4
5,6
4,6
Ель
9.8
6,0
4,8
Г/Т7
Лиственница
14,2
10.5
5,4
Береза
14,3
10.9
6,0
9/
Дуб
12,5
8,7
5,3
Липа
9.1
5,7
4,6
4,4
Рис. 2. Теоретическая экспериментальные диаграмме ра
и
(2) на - Ш
Рис. 3. Теоретическая кривая (1) и экспериментальные значения (2) на диаграмме рассеяния Е - АУ
прогноза уменыпает-
Ькяюффнцпентов множествен-
предыдущей (оцшб^ ся). Значе!
ной детаршЩадйи позволяют сделать вывод о вьш#мго1уролее 90 %) детерминированно-ез^ьтативного признака Е в модели с рным признаком W. Оценим статистическую надежность полученного уравнения множественной регрессии с помощью общего ^-критерия, который проверяет нулевую гипотезу о статистической незначимости параметров построенного регрессионного уравнения и
СГ
показателя тесноты связи {Но: ао = а1=а2=0 (■ао - свободный член, а/, а2 - коэффициенты), Я = 0 - коэффициент множественной детерминации).
Фактическое значение /^-критерия Фишера - ¥р (3, 9) = 163,74. Сравним его с табличным значением ^-критерия, определяемым с использованием табл. 3 по заданным уровню значимости (а = 0,05) и числу степеней свободы 1 = т = 3 и df.2 = п - т - 1 = 13 - 3 - 1 = 9), Fm = 3,86. Поскольку Fр > Fm , то гипотеза Н0 отвергается. Так как вероят-
ность случайного значения Fр значительно меньше 5 % (р < 0,000001), то с вероятностью более чем 95 % принимается альтернативная гипотеза.
Таким образом, признается статистическая значимость регрессионного уравнения, его параметра и показателя тесноты
связи Я.
Регрессионная модель одной из кривых графика зависимости Е-Ж позволяет определить любое значение модуля упругости Е в интервале наших испытаний (степень полинома - третья).
Найденные коэффициенты регрессионной модели статистически значимы и надежны, что позволило считать эту конкретную древесину (образцы изготовлены из древесины, произрастающей на территории Воронежской области) действительно орто-тропным телом и использовать полученные постоянные в обобщенном законе Р. Гука^ при определении толщины полимеру оболочки из древесного полимерцем^ го композиционного материала, ной защищать ее от проникнове ы.
Библиографии
1. Стородуб
-
Композицион-Шове древесины для
Л4
О
фнал.
зотропия дре-
железнодорожных шпал: Трещиностой-кость под действием физических факторов [Текст] : монография / Т. Н. Стородубцева. - Воронеж : Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2002. - 216 с.
2. Стородубцева, Т. Н. Применение гидрофобизирующих и модифицирующих составов для пропитки древесного ар^-рующего заполнителя [Текст] / Т. Н.1 дубцева, В. И. Харчевников, А. И? К. В. Батурин // Лесотехнически Воронеж, 2012. - № 2. -
3. Ашкенази, Е^К АТЙ весины и древесньиеч^атЬйгалов [Текст] / Е. К. Ашкенази. : Лесн. пром-сть, 1978.-224 с^Ч
4. Жп^евЬиков, В. И. Упругие харак-териагаси д^гевесины сосны - армирующего/заполнителя композиционных материа-
Г основе полимерного и цементного жующего [Текст] / В. И. Харчевников, . Н. Стородубцева // Изв. вузов. «Лесной журнал». - 2002. - № 6. - С. 52-59.
5. Лукьянова, Н. Ю. Статистика: Корреляционно-регрессионный анализ статистических связей на персональном компьютере [Текст] : метод, указан, к практ. занят. / Н. Ю. Лукьянова. - Калининград : Изд-во КГУ, 1999.-35 с.
