Прогнозирование прочности, деформативности и долговечности строительной фанеры

Машиностроение. Строительство. Материаловедение. Металлообработка

УДК 630.381.2

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ, ДЕФОРМАТИВНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ СТРОИТЕЛЬНОЙ ФАНЕРЫ

В.П. Ярцев, О.А. Киселева, А.В. Сузюмов

Кафедра «Конструкции зданий и сооружений», ГОУ ВПО «ТГТУ» Представлена членом редколлегии профессором В. И. Коноваловым

Ключевые слова и фразы: деформативность; долговечность; композиты; предел длительного сопротивления; физические и эмпирические термофлуктуа-ционные константы.

Аннотация: Исследованы закономерности прочностной и деформационной долговечности фанеры в широком диапазоне нагрузок и температур. Получены значения физических и эмпирических констант, определяющих ее долговечность. Изучено влияние различных эксплуатационных факторов на величины констант, что позволяет прогнозировать долговечность фанеры.

Фанера нашла широкое применение в строительных изделиях, ограждающих и несущих конструкциях. Одним из преимуществ данного материала является существенная экономия деловой древесины. В процессе эксплуатации изделия из фанеры могут находиться под действием кратковременных или длительных нагрузок, температур и других внешних факторов (агрессивные жидкие и газообразные среды, УФ-облучение и т.д.), которые приводят их к предельному состоянию (критическому деформированию или разрушению).

Для фанеры резко проявляется температурно-временная зависимость прочности (предела текучести), поэтому для разработки методики прогнозирования ее долговечности необходимо использовать термофлуктуационную концепцию разрушения и деформирования твердых тел [1].

При нагружении древесины различными постоянными нагрузками экспериментально полученная кривая длительного сопротивления имеет асимптотический характер [2]. Для фанеры характер зависимости сохраняется, однако величина предела длительного сопротивления существенно больше чем у древесины. Повышение предела длительного сопротивления у фанеры, по-видимому, связано с многослойной структурой материала и ступенчатым механизмом его разрушения.

Фанеру различной слоистости (на фенолоформальдегидной и карбомидо-формальдегидной смолах) испытывали на долговечность (время до разрушения или достижения заданной деформации) при поперечном изгибе и пенетрации в режиме заданных постоянных напряжений и температур. Экспериментально полученные зависимости логарифма долговечности от напряжения (твердости) (рис. 1) описываются уравнением

Рис. 1. Зависимость долговечности фанеры марки ФК:

а - от напряжения при поперечном изгибе:  - 20 °С; д - 50 °С; • - 80 °С; б - от твердости (при глубине внедрения индентора 1 мм):  - 22 °С; д - 40 °С; • - 55 °С

где тт ,Щ, У и Тт - физические константы материала: тт - минимальная долговечность (период колебания кинетических единиц - атомов, групп атомов, сегментов), с; Ц - максимальная энергия активации разрушения, кДж/моль; у -структурно-механическая константа, кДж/(моль-МПа); Тт - предельная температура существования твердого тела (температура разложения), К; Я - универсальная газовая постоянная, кДж/(моль-К); т - время до разрушения (долговечность), с; ст - напряжение (твердость), МПа; Т - температура, К.

Слоистое строение композита приводит к сложному механизму разрушения и деформирования. Так, в интервале напряжений (130... 160 МПа) наблюдается послойное разрушение, а в интервале напряжений (90...130 МПа) фанера работает как монолитный материал [3]. При пенетрации одновременно протекают два процесса: критическое деформирование (интервал твердости 17,5.20 МПа) и разрушение (интервал твердости 22.25 МПа) [4], что подтверждается микрофотографиями испытанных образцов

Влияние количества слоев на долговечность и механизм разрушения исследовано для фанеры марки ФК (рис. 2). Из рисунка видно, что зависимость долговечности от напряжения при разном количестве слоев имеет характер параллельных прямых, что указывает на постоянство константы у, определяющей физическую структуру фанеры. Нелинейное падение долговечности композита с увеличением количества слоев, по-видимому, связано с кинетикой деструкции клеевой прослойки и увеличением количества дефектов в шпонах.

Графоаналитическим способом для всех исследованных материалов определены физические константы, значения которых представлены в табл. 1.

Из таблицы видно, что при больших напряжениях разрушение фанеры определяется физическими свойствами смолы (клея), а не древесного шпона. Это отражается на величинах всех констант (см. табл. 1). В интервале напряжений более 130 МПа Ц близка к величине максимальной энергии активации смолы, а в интервале менее 130 МПа - к энергии активации разрушения целлюлозы. Значения остальных констант подтверждают изменение механизма разрушения фанеры при определенных граничных напряжениях: происходит увеличение тт , у и уменьшение Тт . Для фанеры марки ФСФ характерны большие величины энергии ак-

тивации, что вызвано явлением кратности - одновременно происходит разрушение не одной, а нескольких химических связей [3].

С увеличением количества слоев, величины энергии активации Пэ и структурно-механической константы у увеличиваются, а температуры полюса Тт падают (табл. 2). Увеличение Пэ, по-видимому, связано с количеством клея определяющего кинетику его термодеструкции [5]. Увеличение у связано с ростом вероятности образования дефектов в массе шпона, что и приводит к снижению однородности структуры.

При пенетрации фанеры (см. табл. 1) в области малых нагрузок (< 20 МПа) определяющими являются деформационные процессы. Это проявляется в значениях всех констант: так энергия активации

(в 7 раз), структурно-механическая константа (в 1о раз) больше, а температура полюса (в 1,5 раза) меньше аналогичных констант при напряжениях более 20 МПа. Величины констант По, у и Тт в области больших напряжений (> 20 МПа) близки значениям констант, определяющим процесс разрушения. Это подтверждает ведущую роль процесса разрушения при пенетрации в области напряжений выше 20 МПа [4].

Рис. 2. Зависимость долговечности от напряжения при поперечном изгибе для фанеры марки ФК различной слоистости:

- 3 слоя; д - 5 слоев,

• - 7 слоев; о - 9 слоев

Таблица 1

Физические константы фанеры при разных видах нагрузки

Марка Вид нагрузки Температура, °С Напряжение, МПа Физические константы

Тт , с Т , т ’ к и0, кДж/моль % кДж МПа • моль

ФСФ Поперечный изгиб < 40 < 80 > 80 10-0,88 10-1 369 303 633 3518 7 45

> 40 < 80 > 80 10-0,4 10"и 431 400 486 790 5,6 8

ФК Поперечный изгиб - < 130 > 130 10-2,75 10-1,81 1010 435 209 480 1,4 2,86

Пенетрация - < 20 > 20 10-2,15 10-1,6 445 662 560 78 24 2,26

ФСФ* Поперечный изгиб < 40 > 40 - 10-0,63 10-0,57 323 610 1752 138 45 3,88

ФСФ** - - 10-1,45 394 455 5,1

После воздействия ортофосфорной кислоты в течение трех дней. После 60 циклов замораживания-оттаивания.

Значения физических констант при поперечном изгибе

Марка фанеры Количество слоев Интервал температур, °С Физические константы

Тт , с 3 и0, кДж/моль ь л о , Д а и ^

ФК 3 2 О 6 О 10-0,18 444 297,5 2,44

5 о ю о 10-0,29 395 371 3,73

^ т, с

Рис. 3. Зависимость долговечности от напряжения для фанеры марки ФСФ при поперечном изгибе после воздействия ортофосфорной кислоты в течение 3 суток

В процессе эксплуатации фанера часто подвергается дополнительным внешним воздействиям (жидких агрессивных сред, атмосферной влаги, термо- и фотостарению). Исследование влияния жидких агрессивных сред на прочность и долговечность фанеры показало следующее. Фанера стойка к действию органического растворителя и машинного масла и резко снижает прочность в кислотах и щелочи. При взаимодействии со щелочью вначале происходит изменение цвета и размягчение материала, а затем и его коробление. При воздействии кислот происходит расслоение образцов, то есть разрушение клеевых прослоек [6].

Следует отметить, что характер зависимостей долговечности от напряжения и температуры до и после воздействия среды сохраняется (рис. 3), однако наблюдается изменение величин всех физических констант, что и приводит к падению долговечности фанеры [6]. Значения физических констант после воздействия кислоты представлены в табл. 1. Из нее видно, что воздействие ортофосфорной кислоты приводит к падению энергии активации, а также структурно-механической константы в интервале температур более 40 °С. Уменьшение величин констант (отсутствие явления кратности) для фанеры, по-видимому, связано с частичным разрушением связей от воздействия кислоты. При проведении длительных испытаний в натурных условиях действие атмосферной воды и колебания температуры на долговечность фанеры можно учесть с помощью поправки и тогда уравнение для долговечности примет вид

+1ёг

где Д - поправка, учитывающая действие дополнительных внешних факторов.

Величина поправки в интервале напряжений >135 МПа (составила 0,6), а в интервале напряжений <135 МПа (определяется по формуле Д = 1145с - 12,64) [6].

Исследование влияния циклов замораживания-оттаивания на долговечность и механизм разрушения фанеры показало, что после 60 циклов зависимость логарифма долговечности от напряжения, также описывается уравнением (1). Характер данной зависимости упростился: нет изломов, то есть во всем диапазоне напряжений материал работает как монолитный. Это, по-видимому, связано с нарушением связей между полимером и древесным шпоном, что также подтверждается увеличением коэффициента теплового расширения (в 1,5 раза). Отрицательное действие замораживания-оттаивания на коэффициент теплового расширения проявляется уже на 30 цикл (табл. 3).

После многократного замораживания-оттаивания величины трех констант (тт, Ц и у) падают. Снижение предэкспоненты тт связано с колебанием частиц меньшего размера, то есть произошло разрушение связей и размер кинетических единиц уменьшился. Падение энергии активации и0 и структурно-механической константы у объясняется снижением энергетического барьера за счет увеличения расстояния между частицами под действием воды, а также возникновением концентраторов напряжений при ее замерзании. Такое поведение констант приводит к падению прочности и долговечности фанеры.

Существенное влияние на долговечность фанеры оказывают термо- и фотостарение. Тепловое старение (при +80 °С) и УФ-облучение образцов проводилось в течение 10...200 ч. После заданного времени воздействия образцы испытывались на прочность (твердость) и долговечность. Результаты испытаний представлены в табл. 4 и 5 [8].

Из табл. 4 видно, что термо- и фотостарение приводит к росту прочности и твердости фанеры. Причем наиболее существенное влияние оказывает теплоста-рение. Повышение прочности композита под воздействием повышенных темпера-

Таблица 3

Влияние замораживания-оттаивания на коэффициент линейного термического расширения фанеры, 1/ °С

Материал Количество циклов замораживания-оттаивания

0 30 60

Фанера марки ФСФ 1,483 10-6 2,324-10-6 2,287-10-6

Таблица 4

Влияние старения на механические характеристики фанеры марки ФК

Вид воздействия Вид нагрузки Остаточная прочность (твердость) образцов (%) после теплового старения в течение часов

10 20 40 80 120 200

Тепловое старение Поперечный 144 124 118 114 112 103

УФ-облучение изгиб 117 - 115 113 112

Тепловое старение Пенетрация 96 171 178 168 164 164

УФ-облучение - 107 118 - 121 121

Поправки, учитывающие влияние термо- и фотостарения на долговечность фанеры марки ФК

Внешнии фактор Фанера при напряжении, ст

более Х МПа менее Х МПа

Теплостарение - 40 часов 0,156ст - 24,41 0,038ст - 5,15

УФ-облучение - 50 часов 0,134ст - 9,99 0,202ст - 15,39

Примечание. При УФ-облучении Х = 80 МПа, а при термостарении Х = 130 МПа.

тур, по-видимому, связано с доотверждением связующего [8], а при действии УФ-облучения наличием древесного шпона, выполняющего защитную функцию.

В табл. 5 приведены поправки, учитывающие влияние старения на долговечность фанеры.

Полученные результаты позволяют прогнозировать прочность, долговечность и деформативность фанеры в широком диапазоне нагрузок и температур при дополнительных неблагоприятных воздействиях (агрессивной среды, климатических факторов, старения).

Список литературы

1. Ярцев, В.П. Физико-технические основы работоспособности органических материалов в деталях и конструкциях : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.23.05 / В.П. Ярцев. - Воронеж, 1998. - 42 с.

2. Ярцев, В.П. Влияние вида напряженного состояния, температуры и жидких сред на предел длительного сопротивления древесины / В. П. Ярцев // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2003. - Т. 9, № 4. - С. 718-721.

3. Киселева, О. А. Прогнозирование долговечности фанеры в ограждающих и несущих строительных конструкциях / О.А. Киселева, А.В. Сузюмов, В.П. Ярцев // Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики строительного материаловедения : материалы десятых академ. чтений РААСН. - Казань, 2006. - С. 222-224.

4. Киселева, О. А. Закономерности длительного деформирования древесных пластиков при одноосном сжатии и пенетрации / О.А. Киселева, В.П. Ярцев,

A.В. Сузюмов // Пластические массы. - 2005. - № 4. - С. 43-45.

5. Влияние жидких агрессивных сред на несущую способность древесных композитов / О.А. Киселева [и др.] // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2006. - № 6. - С. 84-86.

6. Ратнер, С.Б. Влияние стабилизирующих добавок и термического расширения на сопротивление термопластов механическому разрушению / С.Б. Ратнер,

B.П. Ярцев // Доклады Академии наук СССР. - 1974. - № 6, Т. 216. -

C. 1335-1338.

7. Киселева, О.А. Влияние климатических воздействий на прочностную и деформационную работоспособность древесных пластиков / О.А. Киселева, В.П. Ярцев, А.В. Сузюмов // Пластические массы. - 2006. - № 2. - С. 35-37.

8. Киселева, О. А. Влияние термо- и фотостарения на срок службы древесных плит и фанеры в конструкциях одноэтажных жилых зданий / О.А. Киселева, В.П. Ярцев // Труды XIII Международного семинара Азиатско-Тихоокеанской академии материалов «Строительные и отделочные материалы. Стандарты XXI века». Т. 2. - Новосибирск, 2006. - С. 185-187.

Forecasting of Strength, Deformation Ability and Durability of Construction Veneer

V.P. Yartsev, O.A. Kiseleva, A.V. Suzyumov

Department “Construction of Buildings and Structures”, TSTU

Key words and phrases: composites; deformation ability; durability; limit of prolonged resistance; physical and empirical thermo-fluctuation constants.

Abstract: The paper studies the regularities of the strength and deformation durability of veneer in a wide range of loads and temperatures. The values of physical and empirical constants, determining its durability are produced. The influence of various operation factors on the constants values is studied, thus enabling to forecast the durability of veneer.

Prognostizierung der Festigkeit, der Deformation und der Nutzungsdauer des Baufurniers

Zusammenfassung: Es sind die GesetzmaBigkeiten der Festigkeits- und Defor-mationshaltbarkeit des Furniers im breiten Umfang der Belastungen und der Temperatu-ren untersucht. Es sind die Bedeutungen der physischen und empirischen Konstanten, die ihre Haltbarkeit bestimmen, erhalten. Es ist den Einfluss verschiedener Betriebsfak-toren auf die GroBen der Konstanten studiert, was die Haltbarkeit des Furniers vorher-zusagen zulasst.

Prevision de la rigidite, de la deformabilite et de la durabilite de la feuille du placage

Resume: Sont etudiees les regularites de la durabilite de rigidite et de deformabilite de la feuille du placage dans une large gamme des charges et des temperatures. Sont obtenues les valeurs des constantes physiques et empiriques definissant sa durabilite. Est etudiee l’influence de differents facteurs d’exploitation sur les grandeurs des constantes ce qui permet de prevoir la durabilite de la feuille du placage.