Влияние водопоглощения на свойства древесины в полимерцементном композиционном материале Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

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»

[email protected]

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.