Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
1.1 Древесина - конструкционный строительный материал 10
1.1.1 Породы древесины, применяемые в строительстве 12
1.2 Структура и состав древесины (дефекты, влага в древесине) 14
Дефекты древесины 15
Влагав древесине 16
1.3 Физико-химические свойства древесины (плотность,
температурное расширение, теплопроводность,
химическая стойкость) 19
Физические свойства 19
Химическая стойкость древесины 20
1.4 Механические свойства 21
Механические характеристики древесины 21
Влияние влажности и температуры 25
Влияние времени нагружения. Предел длительного
сопротивления 26
1.4.4 Термофлуктуационные закономерности разрушения и
деформирования древесины 29
1.5 Повышение эксплуатационных параметров древесины
физико-химической модификацией 32
Модифицированная древесина в строительстве 32
Технологические основы модифицирования древесины 33
Пропиточные материалы (полимеры, мономеры,
продукты нефтеперегонки) 36
Пропитка серой 40
Модификация древесины полимерами 45
Древесина модифицированная полимером в
электростатическом поле 49
1.5.7 Влияние модифицирования на эксплуатационные
свойства древесины 11
1.5.8 Прогнозирование механических свойств
модифицированной древесины 60
Заключение 61
Цель и задачи работы 62
2 МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ 64
2.1 Объекты исследований 64
Выбор материалов 64
Выбор пропиточных материалов 64
Выбор агрессивных сред 66
2.2 Экспериментальное оборудование; образцы;
последовательность проведения испытаний 67
2.2.1 Испытания на кратковременную и длительную прочность
при поперечном и продольном изгибе 67
Испытания древесины на скалывание 70
Испытания на долговечность при сжатии и пенетрации 72
Определение коэффициента линейного
теплового расширения 73
Камера для сушки, УФ-облучения и теплового старения 75
Испытания на водопоглощение и разбухание 76
Изучение структуры древесины электронно-оптическим
методом 79
2.3 Обработка экспериментальных данных 79
2.3.1 Разброс экспериментальных результатов
при определении прочности и долговечности 79
2.3.2 Определение термофлуктуационных констант и
основных параметров работоспособности
при разрушении и деформировании 80
2.3.3 Определение термофлуктуационных констант
графоаналитическим дифференцированием 83
Статистическая обработка экспериментальных данных 86
Математическое планирование эксперимента 86
2.4 Выводы 91
3 ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ И ДЕФОРМИРОВАНИЯ
ДРЕВЕСИНЫ В ПОСТОЯННОМ РЕЖИМЕ 92
Влияние вида нагружения, температуры и агрессивной среды на предел длительного сопротивления древесины. Физическая природа предела длительного сопротивления древесины 92
Термофлуктуационные закономерности разрушения
древесины 96
Термофлуктуационные закономерности деформирования древесины при сжатии 100
Термофлуктуационные закономерности деформирования древесины при пенетрации 105
Выводы 109
4 ВЛИЯНИЕ МОДИФИКАЦИИ И ВНЕШНИХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ
ВОЗДЕЙСТВИЙ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ 111
Физические основы повышения работоспособности 111
Влияние твердых модификаторов (серы, парафина)
на работоспособность древесины 113
4.3 Влияние жидких органических модификаторов
(керосин, эмульсии) на работоспособность древесины 117
4.4 Термоактивационные закономерности
водопоглощения и набухания древесины 123
4.5 О сопротивлении древесины УФ-облучению,
тепловому старению и агрессивным жидкостям
до и после модификации 128
Влияние.УФ-облучения на прочность древесины 128
Влияние теплового старения на прочность древесины 129
Влияние агрессивных жидкостей на прочность
древесины 131
4.6 Влияние циклических температурно-влажностных
воздействий на работоспособность древесины
до и после модификации 136
4.7 Влияние модификации на тепловое расширение
древесины 139
4.8 Выводы 141
5 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ В
СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЯХ И КОНСТРУКЦИЯХ 143
Уточнение методики Ю.М. Иванова для определения долговечности и длительной прочности древесины 143
Определение работоспособности древесины с помощью диаграмм 148
Примеры прогнозирования работоспособности
древесины в строительных изделиях 151
5.4 Общие рекомендации по применению модифицированной
древесины в строительстве 154
5.5 Выводы 154
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 155
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 158
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Блок-схема программы "Konstanta" 170
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Блок-схема программы "Grafdifer" 171
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Оптические микрофотографии структуры
древесины 172
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Примеры использования модифицированной
древесины 177
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Акты внедрения 179
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из приоритетных направлений развития экономики нашей страны является жилищная программа. Решение этой программы связано с внедрением новых эффективных строительных материалов и изделий, которые должны отличаться экономичностью и высокими эксплуатационными свойствами. К таким материалам относится древесина и древесные композиты. В настоящее время, ведутся активные разработки по повышению их долговечности.
Древесина при нагрузках ниже предела длительного сопротивления и влажности до 20 % является долговечным конструкционным материалом. Однако часто в процессе эксплуатации строительные изделия из древесины подвергаются значительным силовым и влажностным воздействиям, что приводит к преждевременной потере их несущей способности. В условиях повышенных температур также наблюдается существенное снижение прочностных характеристик.
Влияние температуры и напряжения (выше предела длительного сопротивления) на долговечность (время до разрушения или критического деформирования) древесины можно учесть с позиций термофлуктуационной концепции механического поведения твердого тела.
Наиболее перспективным способом повышения долговечности древесины является ее модификация путем пропитки различными жидкими или твердыми веществами. Для выявления механизма взаимодействия модификатора и древесинного вещества целесообразно рассмотреть поведение модифицированной древесины в условиях длительного нагружения и вариации температуры.
Актуальность данной работы обусловлена необходимостью уточнения метода прогнозирования долговечности и длительной прочности древесины в нагруженных строительных изделиях и физического обоснования способа их повышения пропиткой специальными жидкостями.
Целью работы является разработка надежного метода прогноза и способа повышения долговечности и длительной прочности древесины в широком интервале нагрузок, температур и воздействии климатических факторов.
Исходя из этого, в работе поставлены следующие задачи:
исследование влияния различных эксплуатационных факторов на предел длительного сопротивления древесины;
исследование закономерностей разрушения и деформирования древесины в заданном интервале напряжений и температур при различных видах нагружения;
разработка новых модификаторов (физически активных жидкостей) и оптимальной технологии их пропитки древесины;
выявление аналитических зависимостей для расчёта физических и эмпирических констант древесины, определяющих ее долговечность и длительную прочность до и после модификации;
изучение влияние УФ-облучения, теплового старения и агрессивных жидкостей на константы, определяющие долговечность и длительную прочность древесины до и после модификации;
изучение влияния температурно-влажностных колебаний на прочность и долговечность модифицированной древесины;
уточнение методики Ю.М. Иванова для определения долговечности и длительной прочности древесины;
выдача рекомендаций по использованию предложенных модификаторов для строительных изделий из древесины для зданий с различными условиями эксплуатации.
Научная новизна работы состоит в следующем:
предложена гипотеза физической природы предела длительного сопротивления древесины;
разработаны новые модификаторы и технология их пропитки древесины;
выявлены термофлуктуационные закономерности разрушения и
деформирования древесины при разных видах нагружения до и после модификации и физико-химического воздействия;
- получены величины физических и эмпирических констант древесины
до и после модификации, определяющие ее долговечность и длительную
прочность;
- уточнена методика Ю.М. Иванова для прогнозирования долговечности
и длительной прочности древесины;
- получены поправки, учитывающие действие модификатора и неблаго
приятных факторов внешней среды на долговечность и длительную
прочность древесины.
Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечивается достаточной их воспроизводимостью; статистической обработкой с заданной вероятностью и необходимым количеством повторных испытаний; сопоставлением результатов, полученных разными методами, а также сравнение их с аналогичными результатами, полученными другими авторами. Достоверность теоретических положений проверялась экспериментальными результатами.
Практическое значение работы. Предложены новые органические модификаторы, существенно повышающие прочность, долговечность и водостойкость древесины в строительных изделиях. Уточнена методика Ю.М. Иванова, что позволило с высокой точностью прогнозировать долговечность и длительную прочность древесины до и после модификации и физико-химического воздействия внешней среды. Использование новых модификаторов и уточненной методики снижает расход древесины в промышленных и жилых зданиях на 20...30 %. Даны рекомендации по применению модифицированной древесины в зданиях различного назначения.
Внедрение результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в ОАО «Тамбовжилстрой» и ОАО «Там-бовхимпромстрой», а также в учебном процессе при чтении лекций и прове-
дении лабораторных работ по дисциплинам "Материаловедение. ТКМ.", "Конструкции из дерева и пластмасс".
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на IX...XI научных конференциях ТГТУ (Тамбов, 2004...2006 г.); восьмых академических чтениях РААСН " Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения" (Самара, 2004 г.); международной научно-практической конференции "Прогрессивные технологии развития" (Тамбов, 2004 г.); международной научно-технической конференции " Актуальные проблемы современного строительства " (Пенза, 2005 г.); IV международной научно-технической конференции "Надёжность и долговечность строительных материалов" (Волгоград, 2005 г.); VI международной научно-техн. конф. «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (Тула, 2005 г.); IV международной научно-технической конференции " Эффективные строительные конструкции: теория и практика " (Пенза, 2005 г.); международной научно-технической конференции "Композитные строительные материалы. Теория и практика" (Пенза, 2006 г.); десятых академических чтениях РААСН "Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики строительного материаловедения " (Казань, 2006 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 14 печатных трудов, среди них 12 статей (2 входящих в перечень ВАК), 1 тезисы докладов и методические указания к лабораторным работам.
Автор защищает:
результаты исследований по влиянию состава, вида нагружения, модификации пропиткой и внешней среды (УФ-облучения, теплового старения, агрессивных жидкостей и температурно-влажностных воздействий) на закономерности разрушения и деформирования древесины, а также константы, определяющие ее долговечность и длительную прочность;
гипотезу физической природы предела длительного сопротивления
древесины;
- новые виды органических модификаторов, повышающих прочность,
долговечность и водостойкость древесины;
- уточненную методику прогнозирования долговечности и длительной
прочности древесины;
- рекомендации по применению модифицированной древесины в строи
тельных изделиях и конструкциях зданий различного назначения.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введе
ния, пяти глав, основных выводов и содержит 182 страницы, включая 34 таб
лицы, 81 рисунок, список литературы из 118 наименований и 5 приложений.
Автор выражает благодарность научному консультанту к.т.н., доценту кафедры «Конструкции зданий и сооружений» Киселевой Олесе Анатольевне.
