Зависимость упругих постоянных древесно-цементного материала от объемного содержания компонентов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ

ЗАВИСИМОСТЬ УПРУГИХ ПОСТОЯННЫХ ДРЕВЕСНО-ЦЕМЕНТНОГО МАТЕРИАЛА ОТ ОБЪЕМНОГО СОДЕРЖАНИЯ КОМПОНЕНТОВ

В.И. ЗАПРУДНОВ, проф. каф. геодезии и строительного делаМГУЛ, д-р техн. наук

[email protected] ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса» 141005, Московская обл., Мытищи-5, ул. 1-я Институтская, д. 1

В статье приведены исследования зависимости эффективных упругих постоянных древесно-цементных композитных материалов от объемного содержания компонентов и проведено их сравнение с экспериментальными данными. Приведены зависимости прочности при сжатии, модулей упругости и модулей сдвига от объёмного содержания частиц заполнителя и вяжущего в композите. Расчётная прочность, расчётный модуль упругости и расчётный модуль сдвига древесно-цементного материала исследованы в зависимости от объёмного содержания древесного заполнителя с = 190 кг/м3, с = 170 кг/м3, с = 150 кг/м3 и относительного расхода цемента с2 изменявшегося от 0,50 до 0,58 для марок цемента М400 и М500. Упругие постоянные компонентов древесно-цементного композита имели значения: трансверсально-изотропные частицы древесной дроблёнки E =6,0 ГПа, v =0,3; изотропный цементный камень E2 =40,0ГПа, v2=0,25 и E2 =50,0ГПа, v2=0,2. Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы: у древесно-цементных композитов значения прочности при сжатии, модулей упругости и модулей сдвига возрастают с увеличением объёмного содержания частиц заполнителя и вяжущего; чем выше марка вяжущего, тем больше величина эффективных упругих постоянных древесно-цементных композитных материалов. Предложенный метод расчёта однонаправленных трансверсально-изотропных древесно-цементных композитов достаточно точен и обеспечивает достоверные результаты. Это позволяет использовать его при составлении алгоритмов и пакетов прикладных программ для расчёта свойств древесно-цементных композитов и выбора оптимальной структуры материала.

Ключевые слова: древесно-цементный материал, эффективные упругие постоянные.

С помощью полученных в работе [1] выражений (2.129), (2.134) для вычисления зависимости между средними напряжениями, деформациями и температурой в трансверсально-изотропном древесно-цементном материале были исследованы зависимости эффективных упругих постоянных древесно-цементных композитных материалов от объемного содержания компонентов и проведено их сравнение с экспериментальными данными.

(аи } = Кг {Егг) + ^13 (8зз )^и+ 2^66 (8и ) - Pi >

(ст33 у = А,13 (е^ ) + Я3з (е33) — Р30,

(<*И ) = 2^44 (е*з ) ) (k> h г — 1) 2).

(1)

или

(сти ) = (**-»!*) (е„ ) 5Н + 2т {еы) + 2Гу'*(е33 ) 5Н - Р^05и; ст33) = 2* V (е„) + (Е'* + 4Гv'*2) (e33) - PJ0;

Ди) = 2ц*(е*3). (2)

Для проведения теоретических исследований необходимо задать значения с1, E1, v1, с2, E2, v2, с3 - соответственно относительные объемные содержания, модули упругости, коэффициенты Пуассона частиц органического заполнителя, цементного вяжущего.

Для древесно-цементного материала, упрочненного частицами древесной дроблен-ки хвойных пород, результаты теоретических исследований иллюстрируются графиками, представленными на рис. 1-4. Приведены зависимости прочности при сжатии, модулей упругости и модулей сдвига от объемного содержания частиц заполнителя с1 и вяжущего с2 в композите. Упругие постоянные компонентов древесно-цементного композита имели значения: трансверсально-изотроп-

Рис. 1. Расчетная прочность древесноцементного материала в зависимости от относительного объемного содержания компонентов для марок цемента а - М400; б - М500 при: 1 - с1 = 190 кг/м3;

2 - с1 = 170 кг/м3; 3 - с1 = 150 кг/м3 Fig. 1. The estimated strength of wood-cement

material, depending on the relative volume of components for brands and cement - M400; b - M500 with 1 - с1 = = 190 kg / m3; 2 - с1 = 170 kg / m3;

3 - с1 = 150 kg / m3

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015

21

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ

к

н

о

о

U

р.

с

-Q

^"1

fct

о

600

550

500

450

о) 1 ! / /

/ V / S /

/ / / / /

/ / / / / г

03

С

Q-

е

>>

л

ч

ч

о

400

0,50 0,52 0,54 0,56 0,58 Относительный объём цемента, с2

625

575

525

475

425

б) / / г / /

■У у /

/ / / / /

/ / / / /

0,50 0,52 0,54 0,56 0,58 Относительный объём цемента, с2

300

се 275 С

250

225

200

175

а)

( / / г / /

/ ч / 2>. /

/ t У /

А / / у

300

.275

2 250

5

CQ

П

О

Й 225

О

^ 200

175

б) / / /

/ / / /

V / У г

/ / / / '

/ / /

0,50 0,52 0,54 0,56 0,58 Относительный объём цемента, <г 2

0,50 0,52 0,54 0,56 0,58 Относительный объём цемента, с2

Рис. 2. Расчетный модуль упругости древесно-цементного материала в зависимости от относительного объемного содержания компонентов для марок цемента а - М400; б - М500 при: 1 - с1 = 170 кг/м3; 2 - с1 = 150 кг/м3

Fig. 2. Estimate the modulus of elasticity of wood-cement material, depending on the relative volume of components for brands and cement a - M400; b - M500 with: 1 - с1 = 170 kg/m3; 2 - с1 = 150 kg/m3

Рис. 3. Расчетный модуль сдвига древесно-цементного материала в зависимости от относительного объемного содержания компонентов для марок цемента а - М400; б - М500 при: 1 - с1 = 170 кг/м3; 2 - с1 = 150 кг/м3

Fig. 3. Estimate the shear modulus of wood-cement material, depending on the relative volume of components for brands and cement a - M400; b - M500 with: 1 - с1 = 170 kg/m3; 2 - с1 = 150 kg/m3

ные частицы древесной дробленки E1 = 6,0 ГПа, v1 = 0,3; изотропный цементный камень Е2 = 40,0 ГПа, v2 = 0,25 и Е2 = 50,0 ГПа, v2 = 0,2.

Рис. 4. Расчетный модуль упругости древесно-цементного материала в зависимости от относительного объемного содержания частиц органического заполнителя с1 для марок цемента: 1 - М500; 2 - М400 Fig. 4. Estimate the modulus of elasticity of wood-cement material, depending on the relative volume content of organic filler particles с1 to cement grades: 1 - M500; 2 - M400

Результаты теоретических исследований позволяют сделать следующие выводы. У древесно-цементных композитов значения прочности при сжатии, модулей упругости и модулей сдвига возрастают с увеличением с и с2. Чем выше марка вяжущего, тем больше величина эффективных упругих постоянных древесно-цементных композитных материалов.

При увеличении относительного объема органического заполнителя с1 уменьшаются значения модулей упругости (рис. 4). Предложенный метод расчета однонаправленных трансверсально-изотропных древесно-цементных композитов достаточно точен и обеспечивает достоверные результаты. Это позволяет использовать его при составлении алгоритмов и пакетов прикладных программ для расчета свойств древесно-цементных композитов и выбора оптимальной структуры материала.

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ.

22

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ

1.

2.

3.

4.

5.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10. 11.

Библиографический список

Запруднов, В.И. Эффективные свойства древесно-цементных композитов В.И. / Запруднов // Вестник МГУЛ

- Лесной вестник. - 2013. - № 5(97). - С. 203-205. Запруднов, В.И. Напряженно-деформированное состояние трехслойных деревянных конструкций с материалом среднего слоя из фиброцементной массы / В.И. Запруднов, А.С. Щербаков // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2012. - № 4(87). - С. 99-103.

Запруднов, В.И. Методы расчета и прогнозирования прочности и деформации древесно-минерального композита / В.И. Запруднов, А.С. Щербаков // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2012. № 4(87). - С. 97-99. Запруднов, В.И. Принципы построения теории прочности и деформативности древесно-минерального композита / В.И. Запруднов, А.С. Щербаков // Вестник МГУЛ

- Лесной вестник. - 2012. - № 3(86). - С. 130-132. Запруднов, В.И. Трехслойные конструкции с древесноцементными теплоизоляционными слоями / В.И. Запруднов. - М.: МГУЛ, 2006. - 322 с.

6. Санаев, В.Г. Описание деформаций и микроразрушений в условиях упруговязкопластической среды / В.Г. Санаев, Б.М. Рыбин, В.И. Запруднов // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2012. № 3(86). - С. 92-96.

7. Щербаков, А.С. Прочность и деформации древесно-цементного композита / А.С. Щербаков, В.И. Запруднов // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2013. № 5(97). - С. 200-203.

8. Хорошун, Л.П. Прогнозирование эффективных свойств пьезоактивных композитных материалов / Л.П. Хорошун, Б.П. Маслов, П.В. Лещенко. - Киев: Наукова думка, 1989. - 206 с.

9. Хорошун, Л.П. Вычисление упругих свойств арболита / Л.П. Хорошун, А.С. Щербаков // Сб. научн. тр. МЛТИ. - 1976. - Вып. 93. - С. 161-168.

10. Хорошун, Л.П. Прочность и деформативность арболита / Л.П. Хорошун, А.С. Щербаков. - Киев: Наукова думка, 1979. - 192 с.

11. Zaprudnov V.I. Predicting mechanical properties of wood-cemented materials. Wood Structure and Properties '10 187 edited by J. Kudela & R. Lagana, pp. 187-189 2010, Arbora Publishers, Zvolen, Slovakia

THE RELATIONSHIP BETWEEN ELASTIC CONSTANT OF SAWDUST CEMENT MATERIALS AND COMPONENT VOLUME CONTENT

Zaprudnov V.L, Prof. MSFU, Dr. Sci. (Tech.)

[email protected]

Moscow State Forest University (MSFU) 1st Institutskaya St., 1, 141005, Mytischi, Moscow Region, Russia

The article shows the dependence of the effective elastic constant materials of sawdust cement on the volume content and compares it with the experimental data. The article exemplifies the dependance of compression strength, breaking strength factor and shear modulus of elasticity on volume content of the filling particles and power of cementation in a composite. The estimated values of strength, elasticity and shear modules were studied depending on woodfiller rate (CI=190 kg/m3, CI=170 kg/m3, Cj =150 kg/ m3) and on cement consumption ratio C2 varied from 0,50 to 0,58 for M400 and M500 cement marks. The values of sawdust cement composite’s elastic constant were varied: for sawdust transverse isotropic particles they were EI =6,0 hPa, vI=0,3; for isotropic cement stone - EI =40,0 hPa, vI=0,25 andEI =50,0 hPa, vI=0,2. The analysis made leads to the following conclusions: the compression strength, breaking strength factor and shear modulus of elasticity raise with the increase of volume content of filling particles and power of cementation; the higher the filling grade, the higher the effective elastic constant of sawdust cement composite materials is. The proposed technique for unidirectional transverse isotropic sawdust cement composites’ calculation is precise enough to give the authentic results. It is to be used in algorithms and software applied for sawdust cement composites properties’ calculations and optimal material structure choose.

Key words: sawdust cement material, effective elastic constant

References

Zaprudnov VI. Effektivnye svoistva drevesno-tsementnykh kompozitov. [Effective properties of wood-cement composites]. Moscow state forest university bulletin - Lesnoy vestnik, 2013. № 5 (97). pp. 203-205.

Zaprudnov V.I., Shcherbakov A.S. Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie trekhsloinykh derevyannykh konstruktsii s materialom srednego sloya izfibrotsementnoi massy [The stress-strain state of the three-layer wooden structures with the material of the middle layer of fiber cement mass]. Moscow state forest university bulletin - Lesnoy vestnik, 2012. № 4 (87). pp. 99-103. Zaprudnov VI., Shcherbakov A.S.Metody rascheta iprognozirovaniyaprochnosti ideformatsiidrevesno-mineral’nogo kompozita [Methods of calculation and prediction of strength and deformation of wood and mineral composite]. Moscow state forest university bulletin - Lesnoy vestnik, 2012. № 4 (87). pp. 97-99.

Zaprudnov V.I., Shcherbakov A.S. Printsipy postroeniya teorii prochnosti i deformativnosti drevesno-mineral’nogo kompozita [Principles of construction of the theory of strength and deformability of wood and mineral composite]. Moscow state forest university bulletin - Lesnoy vestnik 2012. № 3 (86). pp. 130-132.

Zaprudnov VI. Trekhsloinye konstruktsii s drevesno-tsementnymi teploizolyatsionnymi sloyami [Three-layer construction with wood-cement thermal insulation layers]. Moscow: MSFU, 2006. 322 p.

Sanaev V.G., Rybin B.M., Zaprudnov VI. Opisanie deformatsii i mikrorazrushenii v usloviyakh uprugovyazkoplasticheskoi sredy [Description of deformations and microfracture under elastoviscoplastic environment]. Moscow state forest university bulletin - Lesnoy vestnik, 2012. № 3 (86). pp. 92-96.

Shcherbakov A.S., Zaprudnov VI. Prochnost’i deformatsii drevesno-tsementnogo kompozita [Strength and deformation of wood-cement composite]. Moscow state forest university bulletin - Lesnoy vestnik 2013. № 5 (97). pp. 200-203.

Khoroshun L.P., Maslov B.P., Leshchenko P.V. Prognozirovanie effektivnykh svoistv p’ezoaktivnykh kompozitnykh materialov [Prediction of the effective properties of composite materials piezoactive]. Kiev: Science. Dumka, 1989. 206 p.

Khoroshun L.P., Shcherbakov A.S. Vychislenie uprugikh svoistv arbolita [The calculation of the elastic properties of arbolita] Proc. Scien. tr. Mosk. Forestry Inst. 1976. Vol. 93. pp. 161-168.

Khoroshun L.P., Shcherbakov A.S. Prochnost’i deformativnost’arbolita [Strength and deformability arbolita]. Kiev, Naukova Dumka, 1979. 192 p.

Zaprudnov VI. Predicting mechanical properties of wood-cemented materials. Wood Structure and Properties '10 187 edited by J. Kudela & R. Lagana, pp. 187-189 2010, Arbora Publishers, Zvolen, Slovakia

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015

23