автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Прогнозирование и повышение долговечности и длительной прочности древесины в строительных изделиях и конструкциях

На правах рукописи

САШИН Максим Александрович

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ В СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЯХ И КОНСТРУКЦИЯХ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж 2006

Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом университете

Научный руководитель;

доктор технических наук, профессор Ярцев Виктор Петрович

Официальные оппоненты:

советник РААСН, доктор технических наук, профессор

Кориеев Александр Дмитриевич

кандидат технических наук, доцент Ушаков Игорь Иванович

Ведущая организация ОАО "Тамбовгражданироект", г. Тамбов

Защита состоится 27 октября 2006 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летсш Октября, д. 84, ауд.3220.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета.

Автореферат разослан " ЯХ, " сентября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.В, Власов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 позиции термофлуктуацион-иой 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 и1 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 прочное™ 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 неблагоприятных 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 сравнением 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 ОЛО «Тамбовжилстрой» и ОАО «Тамбовхимпромстрой», а также в учебном процессе при чтении лекций и проведении 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 " (Пета,

2005 г.); IV международной научно-технической конференции "Надежность 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-техн. конф. «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза,

2006 г.); десятых академических чтениях РААСН "Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики стро отельного 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 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 се долговечность и длительную прочность;

- гипотезу физической природы предела длительного сопротивления древесины; ■

- новые виды органических модификаторов, повышающих прочность, долговечность и водостойкость древесины; 1" • \

- уточненную методику прогнозирования долговечности и дл№ейьн6йн г" прочности древесины; •• ':<| 1' ' ' ' '!,>'" "'•' '' ! 11'

- рекомендации по применению мод и фй цирой ан но й древ ее и н Ы' в * стр р й-телънйх изделиях и конструкциях' зданий различного назначения.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и содержит 182 страниц машинописного текста, включая 34 таблицы, 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели исследований и основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе проведён анализ литературных данных по теме диссертации. " : - ■ !

Древесина как конструкционный материал наиболее широкое распространение получила в строительстве. Эксплуатационные свойства древесины во многом определяются неблагоприятными воздействиями окружающей среды (температуры, УФ-облучения, воды и других активных жидкостей или газов). В развитие теоретических представлений о механических и физико-химических свойствах древесины большой вклад внесли работы И.П. Кулибина, Д.И. Журавского, В.Г. Шухова, Г.Г. Карлсена, Ф.П. Белянкина, A.M. Иванова, В.А. Иванова, В.Ф. Иванова, Ю.М. Иванова, В.М. Коченова, П.А. Дмитриева, В.М. Хрулева, ГО.В. Слицкоухова, Б.А. Освенского и др.

Механические свойства древесины, как и других органических строительных материалов, проявляют резкую температурно-временную зависимость. С повышением температуры и времени эксплуатации прочностные параметры падают, а деформационные растут.

Для древесины экспериментально установлена величина «безопасного напряжения» или предела длительного сопротивления ниже которого разрушения не происходит. В отличие от пластмасс, для которых эта величина установлена только теоретически, у древесины она составляет 0,5.;,0,6 от кратковременного сопротивления.

С термофлуктуационных позиций разрушение древесины изучали Ю.М. Иванов с сотрудниками. Предложенный ими метод прогнозирования долговечности и длительной прочности требует уточнения, поскольку уравнение Журкова, которым они пользовались, в чистом виде не описывает процесс разрушения древесины.

Существует несколько способов повышения прочности и долговечности древесины. Одним из наиболее эффективных является способ физико-химической модификации пропиткой. Наиболее весомый вклад в развитие этого способа внесли работы В.М. Хрулева с сотрудниками.

Рассмотрены основные виды известных пропиточных материалов: жидких (полимеров, мономеров, продуктов нефтеперегонки) и твердых

(серы, парафина). Проанализировано их влияние на эксплуатационные свойства древесины. Широкое применение жидких модификаторов сдерживается отсутствием информации по их влиянию на длительные механические характеристики. Известно, что долговечность и длительная прочность полимеров и мономеров значительно меньше древесины. Поэтому возникает необходимость изучения поведения'модифицированной древесины в условиях длительного нагружения и вариации температур.

Во второй главе описаны исследуемые материалы, экспериментальные установки и другие методические вопросы. ;

Исследования проводили на образцах из сосны 1-го и 2-го сорта, которые вырезали по шаблонам дисковыми пилами из фугованных досок влажностью 12 % и дополнительно шлифовали до полного устранения поверхностных дефектов.

Образцы пропитывали жидкими модификаторами при комнатной и повышенной температуре по определений технологии в специальных емкостях.

Для проведения длительных и кратковременных механических испытаний при разных видах нагружения (поперечном и продольном изгибе, скалывании, ценгральном сжатии и пенетрации) использовали одно- и многопозиционные стенды, универсальную разрывную машину ИР 505750 и установку рычажного типа. Повышенные температуры создавали ТЭНами и накладными термокамерами, замеряли термопарами и контактными термометрами, регулировали потенциометрами и термореле.

Кратковременные механические испытания проводили по стандартным методикам в режиме заданной скорости нагружения, длительные — в режиме заданных постоянных напряжений и температур.

Структуру модифицированной древесины изучали с помошью оптического (Neofon 2) и электронного (ПЭМ 125-К) микроскопов при 500, 1000 кратном увелнчениии.

Описана методика испытаний после термостарения, УФ-облучення, жидких агрессивных сред и циклических темнературно-влажностных воздействий (замораживания-оттаивания и замачивания-высушивания). Термическое расширение древесины изучали на линейном оптическом дилатометре.

Изложены способы обработки экспериментальных результатов, приведены формулы для расчета долговечности (прочностной и деформационной) й скорости пснстрацнн, методика расчета физических и эмпирических констант при разрушении и деформировании.

Экспериментальные данные подвергали статистической обработке'по программам <<Konstanta.exe», «Graffdiffer.exe», «Excel 2000», сЪгласно ГОСТ 14359-69*. ' ' "

Для сокращения количества длительных механических испытаний использовали методику математического планирования эксперимента, разработанную Буниной Л.О. для блочных термопластов.

В третьей главе изучены закономерности разрушения и деформирования древесины при разных видах нагружения (центральном поперечном и продольном изгибе, скалывании, сжатии, пенстрации) в широком диапазоне постоянных напряжений и температур. Исследования основаны на термофлуктуационной концепции, согласно которой время до разрушения или критической деформации (долговечность /) для ряда органических строительных материалов описывается обобщенным уравнением Журкова-Алексацдрова, физически рбоснованным и экспериментально подтверждённым Ратнером С.Б. и Ярцевым В,П.:

' - С ехр

я \ *)

О)

где при разрушении /„,=*,„„ при деформировании Ъ„=0т - минимальная долговечность (период колебания, кинетических единиц - атомов, групп атомов, сегментов); 1/о - максимальная энергия активации разрушения (размягчения); у - структурно-механическая константа; Тт — предельная температура существования твёрдого тела (термостойкость или теплостойкость); <7— напряжение; 7*-температура; Я — универсальная газовая постоянная.

Предел длительного сопротивления связан с механизмом разрушения клеток древесины (трахеид), которые представляют собой многослойные оболочки соединенные межклеточным веществом. Межклеточное вещество по своему строению является бездефектным высокопрочным материалом разрушающимся по атермическому механизму. При напряжениях выше предела длительного сопротивления межклеточное вещество разрушается по всему объему древесины, Атермический механизм его разрушения подтверждается независимостью предела длительного сопротивления от температуры (рисунок I). После распада межклеточного вещества основное древесинное вещество разрушается по термофлуюуационному механизму, что проявляется в резкой температурно-временной зависимости прочности древесины при напряжениях выше предела длительного сопротивления. В этом случае экспериментальные результаты представляют собой семейство веерообразных прямых, сходящихся в полюс (рисунок 2). Полученные зависимости не описываются уравнением (1). Они образуют полюс не при малых, а при больших значениях долговечности. Для описания такой зависимости Ярцевым В.П. предложена формула

i = fmexp

TT* *

RT

-1

(2)

где C=(xm* или On,*)> i/o*, / и Tm ct, MITa

- эмпирические константы.

120

о *

ш,

1

А - 16 °С; о —18

- 45 °С; а - 50 °С;

- 100 °с

0 2 4 6 8 Igt, [с]

Рисунок 1 — Влияние температуры на кривые длительного сопротивления неподсечпой сосны при продольном (1) и поперечном (2) изгибе

Кинетическая концепция и поведение констант в формулах (1)...(2) позволяет прогнозировать долговечность древесины в реальных условиях эксплуатации. В лабораторных условиях изучение долговечности образцов из сосны 2-ого сорта проводили при разрушении поперечным изгибом и

_ Igt. [с]

\ ■ ■ 1 ♦ щ -16 "С - 50 °С - — 70 вС -100°С -

Na &

75 . 80 85 90 95 о, МПа

Рисунок 2 —: Зависимости долговечности от напряжения и температуры

для сосны при поперечном изгибе

скалыванием в режиме заданных постоянных напряжений (сг) и температур (7). Пример полученных экспериментальных результатов представлен на рисунке 2. Установлено, что вид нагружения не оказывает влияния на характер зависимости Igt-ст.

Величины констант, входящие в уравнение (2), определяли графоаналитическим способом на ЭВМ, по программе «Konstanta.exe», написанной в «Delphi 6». Они приведены в таблице 1. Как видно из таблицы при изменении вида нагрузки резко меняются две константы — Uq при скалывании увеличивается приблизительно в 1,5 раза, а у* уменьшается почти в 13 раз. Это связано с видом нагружения и деформационными процессами. При поперечном изгибе образцы перед разрушением существенно деформируются, а деформирование древесины (как природного полимера) сопровождается перемещением сегментов, требующим одновременного разрыва нескольких десятков ван-дер-ваальсовых связей. Константы (т,„\ Тм") при изменении вида нагружения древесины практически не меняются (таблица 1).

Таблица 1 - Значения эмпирических констант сосны 2-го сорта

Вид нагрузки Эмпирические константы Параметры работоспособности

* с Т * J in J к U0\ кДж/ моль У, кДж/ (МПах моль) т, с а, МПа

Поперечный изгиб 107 160 -131 -1,7 106'6 92

Скалывание Ю7 200 -80 -21,6 10г'8 5

Примечание — долговечность рассчитана при напряжении 80 М бе), 8 МПа (при скалывании) и температуре 20 °С; прочность - п ности Ю5 с и температуре 20 °С. Па (при изги-гри долговеч-

Из уравнения (2) согласно сгшо-тсмпературно-временной эквивалентности можно получить выражение для длительной прочности

1

(3)

По формулам (2), (3) можно рассчитать долговечность и длительную прочность древесины в заданном диапазоне нагрузок, температур и времени эксплуатации. Рассчитанные значения приведены в таблице 1. ;

Изучение длительного деформирования древесины проводили при центральном сжатии. При данном виде нагрузки процесс деформирования происходит в чистом виде (без разрушения). Зависимости в координатах

10 %) представляют собой семейства прямых, описываемых уравнением (1) (рисунок 3). Значения физических констант рассчитанных по этой зависимости представлены в таблице 2.

Из таблицы видно, что величина Тт близка начальной температуре разложения целлюлозы. Большое значение предэкспоненты (<9т) связано с размером сегмента макромолекулы древесины, а маленькое значение энергии активации Цц — с их небольшим количеством перемещаемых за один раз. Следовательно, деформация 10 % для древесины не является критической. Таблица 2 - Величины физических констант при деформировании древесины

Вид нагружения Константы Параметры работоспособности

с 7* 1 т-г К и0, кДж/ моль Г> кДж/ (мольх МПа) х, с а, МПа

сжатие, 10% 566 120 4,08 103,6 2,2

пенетрация 10-0,4 630 244,6 9,04 107-5 8

Примечание - долговечность рассчитана при напряжении 2 МПа и температуре 20 °С; предел ползучести - при времени нагружения 103 с и температуре 20 °С.

ГТенетрация (внедрение твердого инородного тела) вызывает в материале сложное напряженное состояние. При этом одновременно протекает два процесса — деформирование и разрушение, которые усложняются изменением напряжения по мере увеличения глубины вдавливания. Для выявления механизма поведения древесины при внедрении стального инден-тора в виде сферы 0 10 мм, процесс пенетрации также рассматривали с термофлуктуационных позиций. При заданных постоянных температурах и нагрузках получены зависимости времени погружения индентора в древесину на 1 мм. Результаты испытаний, также как и при сжатии, описываются уравнением (1). Значения констант приведены в таблице 2. Из табли-

^9-ст (для заданной деформации

1 2 За, МПа Рисунок 3 - Зависимость времени достижения заданной деформации сжатием (10 %) от напряжения

цы видно, что за счет изменения вида напряженного состояния и доли разрушения все величины констант- изменяются при пенетрации: Vо и / увеличиваются более чем в два раза, Тт почти на 70 градусов, а &т уменьшилась на 0,7 порядка. ^,

Также как и при разрушении, при деформации можно рассчитать деформационную долговечность и длительный «предел текучести» при заданных параметрах эксплуатации. В таблице 2 приведены рассчитанные значения указанных параметров при сжатии и пенетрации.

Скорость деформирования древесины можно оценить по тангенсу угла наклона отдельных участков кинетической кривой (рисунок 4). Однако эта величина меняется во времени и зависит от температуры. Так, для большинства древесных материалов с повышением температуры скорость деформации растет, а для ее оценки необходимо использовать ве- : личину, постоянную в течение всего процесса и независящую от температуры. Это возможно с термоактивационных позиций.

Испытания проводили при сжатии и пенетрации в режиме постоянных нагрузок п температур. Пример полученных зависимостей в координатах глубина погружения (относительная деформация) от времени представлен на рисунке 4. Обработку экспериментальных результатов проводили методом графоаналитического дифференцирования с помощью программы «Graffdifer.exe».

Исходя из закона Аррениуса и полученных результатов графоаналитического дифференцирования скорость деформирования древесины можно описать уравнениями ' '

- при пенетрации

— при сжатии

Ь, мм

Рисунок 4 -Зависимость глубины погружения индентора от времени действия нагрузки для сосны 2-го сорта при температуре 50 °С.

У.= *«.(*) ехр

(4)

(5)

где V - скорость деформирования; ут(д) - предельная начальная скорость; и0(д> ~ максимальная энергия активации деформирования; у(д) -структурно-механнческая константа; Тт(а) - температура размягчения; V'*т(а)> Vо(<))> У*(д) и Тт(д) ~ эмпирические константы.

Константы входящие в уравнения (4) и (5) представлены в таблице 3. Они отражают скорость процесса деформирования, а не время его протекания. Подставив значения констант в уравнения (4) и (5) можно рассчитать скорость деформации при заданной постоянной нагрузке и температуре (таблица 3).

Таблица 3 - Значения констант скорости деформирования древесины

Вид нагруже-ния мм/с К ^О(д)-, кДж/мОль ■ . ,1 п - Гт кДж/ (мольх Н) ЫК мм/с

сжатие 276 -.4*7 -15,3 -1,78

пенетрация 10-" 337 58 - ■ г 0,094 -2,75

Примечание: скорость деформирования рассчитана при температуре 290 К и нагрузке 2 МПа (при сжатии) и 40 Н (при пенетрации). - . -

. л.; • - .

В четвёртой главе рассмотрено ¿влияние модификации пропиткой, физико-химических н климатических факторов на долговечность и длительную прочность древесины.

Для повышения работоспособности древесины необходимо направлено регулировать константы — увеличивать С/о» Тт и уменьшать у. Результаты исследований Ярцева В,П. с сотрудниками полимерных строительных материалов показали, что этого можно добиться выбором способа переработки и регулированием его технологических параметров, подбором состава материалов и воздействием внешней активной среды. Для древесины основным способом повышения работоспособности является модификация пропиткой жидкими веществами. В качестве модификаторов В.М. Хрулевым с сотрудниками предложены различные вещества, среди которых наибольшее применение нашли расплавленная сера, парафин и мономеры ряда термо- и реактопластов.

С термофлуктуационных позиций изучено влияние пропитки на долговечность и длительную прочность древесины при поперечном изгибе и пенетрации. В качестве модификаторов использовали серу, парафин, керосин, эмульсии (эмукрил М и эмукрил С). Последние используются для повышения долговечности абразивных материалов. Полученные экспериментальные результаты показали, что вид зависимости после модификации сохраняется, а ее влияние можно учесть поправками (таблица 4).

Следует отметить, что после пропитки керосином в заданном интервале температур происходит изменение направленности семейства вееро-

образных прямых ^т-ст от.обратного пучка (до модификации) к прямому (после модификации).

Таблица 4 - Величины поправок для прогнозирования долговечности мо-

Вид модификатора Величина поправки, Д

; при пенетрации при поперечном изгибе

Парафин 10-й,0973<гЮ,5395 —

Керосин ИГ1'76 —

Эмукрил С |0О,О487Н-4,6)45 jQ0.232a-22.64

Структурные исследования на оптическом и электронном микроскопах при 1000 кратном увеличении показали, что полимерные эмульсии (эмукрил С и М) при пропитке заполняют в древесине клеточные пустоты, образуя после полимеризации сложный каркас из полимерной арматуры (рисунок 5). Это приводит к существенному увеличению прочности строительных изделий из модифицированной древесины. Керосин при пропитке древесины проникает в стенки клеток, делая структуру древесинного вещества более однородной, что и приводит к изменению характера темпе-ратурно-временной зависимости прочности.

ш

Рисунок 5 - Оптические микрофотографии структуры древесины

(увеличение X 1000 крат); а) исходной, б) модифицированной эмукрилом С, в) пропитанной керосином

С термоакгивационных позиций также рассмотрены процессы водо-поглощения и набухания древесины. Скорость водопоглощения (набухания) зависит от времени и температуры, и при заданных параметрах эксплуатации ее можно рассчитать по уравнению Аррениуса

и' - м>0 ехр

яту-

(6)

где № - скорость набухания, %/с; и-'о - предэкспоненциальный множитель, %/с; Е — энергия активации водопоглощения кДж/моль, Я. - универсальная газовая постоянная, кДж/(мольхК); Г-температура, К.

Испытания древесины до и после модификации проводили в пресной воде при постоянных температурах. Скорость водопоглощения (набухания) резко падает после модификации. По результатам построены кинетические кривые в координатах прибыль массы (изменение объема) от времени выдержки в воде. Константы, входящие в уравнение (6), определяли методом графоаналитического дифференцирования. Полученные значения позволяют по уравнению (6) прогнозировать скорость водопоглощения в широком диапазоне температур.

Исследования влияния жидких активных сред на прочность древесины проводили после выдержки разное время в воде, растворителе (Р-4), щелочи (каустической соде), серной, азотной и ортофосфорнон кислотах. Испытания подтвердили результаты ряда авторов, что древесина обладает значительной химической стойкостью. Во всех средах на 14 сутки она сохраняет более 50 % первоначальной прочности. Исключение составляет 10 % серная кислота, в которой происходит полная потеря прочности древесины. Модификация древесины существенно снижает негативную роль агрессивных сред, что и подтвердили микроструктурные исследования. Влияние активных сред иа длительную прочность можно учитывать с помощью функциональных зависимостей ага с = сг (таблица 5).

Таблица 5 - Влияние агрессивных сред на длительную прочность древе сины

Жидкая среда Функциональные зависимости напряжения от длительности действия активных сред для

Растворитель 87,785 0,99998*

Отработка машинного масла -2,4921п(0+104,69

Водопроводная вода -4,175*1п(0+91,83

Солёная вода (концентрация 30%) -2,143-1п(1)+96,708

Каустическая сода (концентрация 10 %) -6,1994-1п(0+122,37

Ортофосфорная кислота 83,1140,99998'

Азотная кислота (концентрация 10 %) 87,180,99997'

Серная кислота (концентрация 10 %) (1,045-10*7)12-0,00528г+63,96

Влияние УФ-облучения на прочность древесины изучали при скалывании после заданного времени воздействия лампами ПРК. Результаты испытаний показали, что облучение оказывает положительное влияние на

прочность древесины до и после модификации. Так уже после 5... 10 часов воздействия она повышается на 10...25 %, затем у натуральной древесины прочность стабилизируется, а у модифицированной падает. После 30 часов облучения модифицированной древесины и 150 часов облучения натуральной - прочность снова повышается, и достигает 130 % от первоначальной. Падение прочности после 10 до 30 часов облучения, по-видимому, связано с фотохимическими процессами в модификаторах, что подтверждается изменением цвета на микрофотографиях структуры образцов.

Тепловое старение древесины проводили при постоянной температуре в течение 12 суток (рисунок 6). Из рисунка видно, что в первые часы прогрева наблюдается резкое снижение прочности. Затем процесс замедляется, а через 288 часов прочность древесины составляет 75 % от первоначальной, что совпадает со значениями рассчитанными по формуле (3) (80 %). Введение модификатора (парафина) практически не влияет на тепловое старение древесины.

В процессе эксплуатации древесина подвержена воздействию многократного замораживания-оттаивания и замачивания-высушивания, а также находится при постоянном колебании температуры и влажности. В течение суток в среднем температура может изменяться на 7... 10 °С, в течение года до 100 °С, а влажность на десятки процентов. Циклическим воздействиям подвергали древесину до и после модификации. Результаты кратковременных испытаний показали, что после 50 циклов замораживания-отгавания прочность древесины уменьшилась на 20 %, а после 30 циклов замачивания-высушивания осталась неизменной. Следовательно, причиной разрушения древесины, как и многих других строительных материалов, является расширение воды, содержащейся в порах. Их заполнение гидрофобным модификатором приводит к увеличению стойкости древесины к циклическим температурно-влажностным воздействиям.

Влияние колебаний температуры и влажности на долговечность древесины до и после модификации изучали в натурных условиях при поперечном изгибе в режиме заданных постоянных напряжений. Полученные результаты показали, что в натурных условиях зависимости долговечности от длительной прочности сохраняют линейный характер. Экспериментальные прямые были нанесены на зависимости долговечности от напря-

а,МПа

ч.

•

О 50 100 200 Тстг,ч

Рисунок 6 — Влияние времени теплового старения при 100 °С на прочность образцов сосны.

жения для постоянных температур и влажности (рисунок 2), которые описываются уравнением (2). Для расчета долговечности в режиме переменных температур и влажности определены поправки (таблица 6). Они представляют собой функциональные зависимости от напряжения. Таблица 6 — Определение поправки для перехода от лабораторных испытаний к натурным для сосны 2-ого сорта

Напряжение сг, МПа Средняя температура, Г, К Долговечность по формуле (2), тт> с Истинная дол^ говеч-ность, тэ, с Ат~ тт-хэ, с Поправка, Атср. с

В интервале температур от плюс 12 до плюс 27 "С

80 291 Ш6,6 10*5 Ю1'14 10О,1О7о-7,41

85 290 104-1 10иа

90 290 102,у

95 289 ю4-50 101'8 Ю^о

100 289 10^* 10°'°

Испытания на термическое расширение показали, что дилатометрическая кривая модифицированной древесины спрямляется. Это, по-видимому, связано со стабилизацией структуры древесины. Коэффициент линейного термического расширения после модификации практически не меняется.

В пятой главе уточнена методика Иванова Ю.М. для определения долговечности и длительной прочности древесины с учетом реальных условий эксплуатации и даны практические рекомендации по применению модифицированной древесины в строительных изделиях.

Для определения долговечности и длительной прочности древесины Ивановым Ю.М. с сотрудниками была построена обоб-

100 ^о =~юо% о-1

Ъ. *-5

N

-<—I—I—I—(—I—1—Л—|—I—1—|—ь

50

т/Т-ч.

0-7

«ч

__15

1еА

Рисунок 7. График длительной прочности древесины и фанеры. 1 - опытные точки (фанера) для среза вдоль волокон наружных слоев шпона (влажность 8 %); 2 -тоже (влажность 30 %); 3 - срез поперек волокон (8 %); 4 - тоже (30 %); 5 - скалывание в плоскости фанерного листа (8 %); 6 — растяжение вдоль волокон наружных слоев шпона (8 %); 7 - растяжение поперек волокон клееной древесины

щениая зависимость в координатах а-Ц^ (рисунок 7). Авторы считали, что прямая отсекает, на оси ординат отрезок сг0 равный 103 %, а на оси абсцисс ^=1ёА=17,1. За 100 % они принимали кратковременную прочность по данным машинных испытаний (ствг), в процессе которых в течение времени Ц напряжение возрастает от 0 до сгвр. При детальном изучении метода Иванова Ю.М. возникает ряд вопросов: какова физическая основа объединения всех экспериментальных результатов в обобщенную зависимость; почему предельная долговечность (1§А при сг=0) не зависит от вида материала (древесина или фанера), вида нагружен ля; количества влаги, ориентации волокон; как учитывается различие структуры исследованных материалов; почему ничего не сказано о пределе длительного сопротивления древесины; как учесть температуру эксплуатации в диапазоне (- 50^-+50 °С).

Ответы на эти вопросы получены в данной работе. Экспериментальные результаты показали, что ^А и а (структурный коэффициент) зависят от вида древесного материала и вида нагружения. Следовательно, нет физической основы для объединения экспериментальных данных на рисунке 7.

При расчете ^А и а в определенном диапазоне температур Ивановым Ю.М. с сотрудниками предложено использовать уравнение Журкова С.Н., которое в чистом виде не реализуется для органических строительных материалов. Более того, как показали наши исследования для древесины экспериментальные зави-

симости описываются эмпирическим уравнением (2), что связано с ориентацией волокон целлюлозы. ,Для фанеры появляется излом в области больших напряжений. :

Основываясь на полученных результатах, —прогнозировать долговечность и длительную прочность древесины рекомендуется в следующей последовательности:

1) В зависимости от структуры древесного материала выбирает-

18 16 14 12 10 8 6

[с]

0 -50

54-

60

70

№

90

100

120

-30

-10 . ,10

30-

Рисунок 8 , - Диаграмма для определения работоспособности древесины (сосны 2-ого сорта) при поперечном'изгибе

ся вид зависимости ^(ст, Т) и описывающее ее уравнение.

2) По упрощенной методике расчитываются константы, входящие в данное уравнение.

3) Определяются условия эксплуатации (температуры, нагрузки, концентраторы напряжений, агрессивные среды, климатические факторы и т.д.).

4) При заданных основных параметрах эксплуатации (сг, Гит) рассчитывается теоретическая долговечность или длительная прочность, которые также можно определить с помощью диаграмм (рисунок 8), построенных на основании метода математического планирования эксперимента.

5) С помощью эмпирических поправок, учитывающих дополнительные воздействия на материал, определяется реальная долговечность древесины в строительных изделиях.

Приведены примеры использования модифицированной древесины в строительных изделиях и конструкциях для зданий различного назначения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании термофлуктуационных представлений о разрушении и деформировании твердых тел уточнена методика прогнозирования долговечности и длительной прочности древесины, разработанная Ивановым Ю.М.. Показаны возможности повышения работоспособности древесины путем модификации пропиткой жидкими веществами.

2. Исследовано влияние температуры, вида нагруження, агрессивных воздействий на предел длительного сопротивления древесины. Предложена гипотеза его физической природы: явление возникновения предела длительного сопротивления связано с атермическим механизмом разрушения межклеточного вещества, которое по своему строению является бездефектным высокопрочным материалом. При напряжениях выше предела длительного сопротивления межклеточное вещество разрушается по всему объему древесины. После распада межклеточного вещества основное древесинное вещество разрушается по термофлуктуационному механизму.

3. Исследованы закономерности разрушения и деформирования древесины (сосны 2-ого сорта) при различных видах нагружения (поперечный изгиб, скалывание, центральное сжатие и пенстрация).Полученные экспериментальные результаты при разрушении имеют вид «обратного пучка» и описываются эмпирическим уравнением, предложенным Ярцевым В.П.' Зависимости времени и скорости деформирования древесины при сжатии и пенетрации в режиме заданных постоянных нагрузок и температур также представляют собой семейства веерообразных прямых в виде «прямого или обратного» пучка. Выявлены уравнения, связывающие долговечность (предельное время экс-

плуатации) с напряжением и температурой. Получены величины физических и эмпирических констант материала, входящих в данные уравнения.

4. Изучено влияние модификации пропиткой различными веществами (сера, парафин, керосин, эмукрил С, эмукрил М и др.) на долговечность, скорость деформации, кратковременную и длительную прочность и структуру древесины. Показано существенное увеличение долговечности и длительной прочности древесины после модификации. По результатам м икр о оптических структурных исследований дана трактовка механизма повышения этих параметров работоспособности.;

5. С термоактивационных позиций в широком диапазоне температур исследованы закономерности водопоглощення древесины до и после модификации. Показано, что после модификации водопоглощенне снижается в сотни раз. Рассмотрено влияние воды и других жидких агрессивных сред на прочностные характеристики и долговечность древесины.

6. Исследовано влияние УФ-облучения и теплового старения на прочность, долговечность и скорость деформации древесины до и после модификации. Результаты испытаний показали, что облучение оказывает положительное влияние на прочность древесины. После 200 ча-сбв облучения лампами ПРК прочность повысилась более чем на 3'0%. При тепловом старении после прогрева в течение 288 часов при 100 °С прочность древесины падает на 25 %.

7. Изучено влияние циклических и ангармонических колебаний температуры и влажности на прочность, долговечность и скорость деформаций древесины до и после модификации. Установлено, что после тёмпературно-влажностных воздействий не происходит изменения вида зависимости долговечности от напряжения и температуры. Для расчета долговечности и длительной прочности древесины определены поправки в виде функциональных зависимостей, позволяющие учитывать влияние модификации, агрессивных воздействий, колебаний температуры и влажности.

8. Дилатометрическими испытаниями установлено, что модификация древесины приводит к стабилизации ее структуры. При этом коэффициент линейного термического расширения практически не меняется.

9. Полученные аналитические зависимости и значения, входящих в них ; констант показали существенную погрешность методики Иванова

Ю.М. при прогнозировании долговечности и длительной прочности древесины. Уточненная методика позволяет выполнить прогноз с высокой достоверностью для строительных изделий из древесины в реальных условиях эксплуатации. Приведень! конкретные примеры рас, л чета- долговечности и длительной прочности древесины до и тШсле -ьмодификации. ' ■ '' '■ ' ' ; '" ;

■Ч

Основные положения диссертации опубликованы

в следующих работах

1 Сашин М.А. Влияние модификаторов на свойства древесины / Сашин М.А., Киселева O.A. // IX науч. конф. ТГТУ: Пленарные докл. и краткие тезисы. - Тамбов, 2004. - С. 227. Лично автором выполнено 0,5 с.

2 Сашин М.А. Прочность и химическая стойкость модифшдировалной древесины (статья) / Сашин М.А., Киселева O.A., Ярцев В.П. И Труды ТГТУ: Сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. — Тамбов, 2004. Вып. 16. - С. 10 -13. Лично автором выполнено 1,3 с.

3 Киселева O.A. Термофлуктуационные закономерности разрушения древесины / Киселева O.A., Ярцев В.П., Сашин М.А. // Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения: Восьмые академические чтения отделения строительных наук РААСН. - Самара,

2004. - С. 223-225. Лично автором выполнено 1 с.

4 Киселева O.A. Прогнозирование работоспособности древесины под воздействием различных факторов / Киселева O.A., Сашин М.А, Ярцев В.П. Я Прогрессивные технологии развития. Сб. науч. статей по матер, междунар. научно-праюгич, конф. - Тамбов: Изд-во БМА, 2004. - С. 247249. Лично автором выполнено 1 с.

5 Киселева O.A. Влияние структуры на механизм разрушения древесных композитов / Киселева O.A., Ярцев В.П., Сашин М.А., Сузюяюв A.B. // Актуальные проблемы современного строительства: Материалы междунар, научно-техн. конф. - Пенза: ПГАСА, 2005. - С. 134-138. Лично автором выполнено 1,2 с.

6 Ярцев В.П. О долговечности и скорости деформирования при пснст-рации древесины / Ярцев В.П., Киселева O.A., Тареева Е.Ю., Сашин М.А. // Надёжность и долговечность строительных материалов и конструкций: Материалы IV международной науч.-техн. конф. — Волгоград: ВолгГАСА,

2005. Ч. I. -С. 129-132. Лично автором выполнено 1 с.

7 Тареева Е.Ю. Влияние вида модификатора на физико-механические свойства древесины / Тареева Е.Ю.» Васильева Е.В., Сашин М.А., Ярцев В.П., Киселева O.A. // Сборник материалов VI Международной научно-техн. конф. «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии». — Туда, 2005. — С. 55-56. Лично автором выполнено 0,4 с.

8 Киселева O.A. Долговечность и водостойкость деревянных конструкций / Киселева O.A., Сашин М.А., Ярцев В.П. Н Эффективные строительные конструкции: теория и практика: Сб. ст. IV Международной науч.-техн. конф. - Пенза, 2005. - С. 209-212. Лично автором выполнено 1,3 с.

9 Киселева O.A. Влияние модификации пропиткой на гидрофизические свойства древесины / Киселева O.A., Сашин М.А., Ярцев В.П. // Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики строительного материаловедения: Десятые академические чтения отделения строительных наук РААСН. - Казань, 2006, - С- 220-221. Лично автором выполнено 0,7 с.

10 Киселева O.A. О технологических режимах модификации древесины пропиткой / Киселева O.A., Сашин М.А., Ярцев В.П. // Фундамент, и приклад, исследов., инновационные технолог., профессион. образов.: сборник трудов XI науч. конф. ТГТУ. - Тамбов, 2006. - С. 110-114. Лично автором выполнено 1,7 с.

11 Yartsev V.P. La prévision sôlidité et déformation de la capacité de travail du bois et des composites de bois / Yartsev V.P., Kiseleva O.A., Sashin M.A. // Вестник Тамбовского государственного технического университета (входит в перечень ВАК). Тамбов, 2006. Том 12. № IA. С. 145-153. Лично автором выполнено 3 с.

12 Киселева O.A. Определение физико-механических характеристик древесины /Киселева O.A., Ярцев В.П., Сашин М.А. // Методические указания к лабораторным работам - электронная, 2006. 23 с. ' '

13 Плотникова Е.Е. Влияние технологического режима пропитки на механические свойства древесины / Плотникова Е.Е., Сашин М.А., Киселева O.A., Ярцев В.П. // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: Сб; статей Международной научно-техн. конф. Пенза, 2006: С. 185-188. Лично автором выполнено 1 с.

14 Киселева O.A. Влияние жидких агрессивных сред на несущую способность древесных композитов / Киселева O.A., Ярцев В.П., Сашин М.А., Сузюмов A.B. // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века (входит в перечень ВАК). М., 2006. № 6. С. 84-86. Лично автором выполнено 0,8 с.

Подписано в печать 19.09.2006 Формат 60 х 84 / 16. Гарнитура Times New Roman. Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем: 1,16 усл. печ. л.; 1,25 уч.-изд. j

Тираж 130 экз. Заказ 489.

Издательско-полиграфическиЙ центр Тамбовского государственного технического университета 392000, Тамбов, ул. Мичуринская, 112.

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Древесина - конструкционный строительный материал.

1.1.1 Породы древесины, применяемые в строительстве.

1.2 Структура и состав древесины (дефекты, влага в древесине).

1.2.1 Дефекты древесины.

1.2.2 Влага в древесине.

1.3 Физико-химические свойства древесины (плотность, температурное расширение, теплопроводность, химическая стойкость).

1.3.1 Физические свойства.

1.3.2 Химическая стойкость древесины.

1.4 Механические свойства.

1.4.1 Механические характеристики древесины.

1.4.2 Влияние влажности и температуры.

1.4.3 Влияние времени нагружения. Предел длительного сопротивления.

1.4.4 Термофлуктуационные закономерности разрушения и деформирования древесины.

1.5 Повышение эксплуатационных параметров древесины физико-химической модификацией.

1.5.1 Модифицированная древесина в строительстве.

1.5.2 Технологические основы модифицирования древесины.

1.5.3 Пропиточные материалы (полимеры, мономеры, продукты нефтеперегонки).

1.5.4 Пропитка серой.

1.5.5 Модификация древесины полимерами.

1.5.6 Древесина модифицированная полимером в электростатическом поле.

1.5.7 Влияние модифицирования на эксплуатационные свойства древесины.

1.5.8 Прогнозирование механических свойств модифицированной древесины.

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 7 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 неблагоприятных 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 проведении 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 строительных изделиях и конструкциях зданий различного назначения. Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и содержит 182 страницы, включая 34 таблицы, 81 рисунок, список литературы из 118 наименований и 5 приложений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании термофлуктуационных представлений о разрушении и деформировании твердых тел уточнена методика прогнозирования долговечности и длительной прочности древесины, разработанная Ивановым Ю.М. Показаны возможности повышения работоспособности древесины путем модификации пропиткой жидкими веществами.

2. Исследовано влияние температуры, вида нагружения, агрессивных воздействий на предел длительного сопротивления древесины. Предложена гипотеза его физической природы: явление возникновения предела длительного сопротивления связано с атермическим механизмом разрушения межклеточного вещества, которое по своему строению является бездефектным высокопрочным материалом. При напряжениях выше предела длительного сопротивления межклеточное вещество разрушается по всему объему древесины. После распада межклеточного вещества основное древесинное вещество разрушается по термофлуктуационному механизму.

3. Исследованы закономерности разрушения и деформирования древесины (сосны 2-ого сорта) при различных видах нагружения (поперечный изгиб, скалывание, центральное сжатие и пенетрация). Полученные экспериментальные результаты при разрушении имеют вид «обратного пучка» и описываются эмпирическим уравнением, предложенным Ярцевым В.П. Зависимости времени и скорости деформирования древесины при сжатии и пенетрации в режиме заданных постоянных нагрузок и температур также представляют собой семейства веерообразных прямых в виде «прямого или обратного» пучка. Выявлены уравнения, связывающие долговечность (предельное время эксплуатации) с напряжением и температурой. Получены величины физических и эмпирических констант материала, входящих в данные уравнения.

4. Изучено влияние модификации пропиткой различными веществами (сера, парафин, керосин, эмукрил С, эмукрил М и др.) на долговечность, скорость деформации, кратковременную и длительную прочность и структуру древесины. Показано существенное увеличение долговечности и длительной прочности древесины после модификации, по результатам микрооптических структурных исследований дана трактовка механизма повышения этих параметров работоспособности.

5. С термоактуационных позиций в широком диапазоне температур исследованы закономерности водопоглощения древесины до и после модификации. Показано, что после модификации водопоглощение снижается в сотни раз. Рассмотрено влияние воды и других жидких агрессивных сред на прочностные характеристики и долговечность древесины.

6. Исследовано влияние УФ-облучения и теплового старения на прочность, долговечность и скорость деформации древесины до и после модификации. Результаты испытаний показали, что облучение оказывает положительное влияние на прочность древесины. После 200 ч облучения лампами ПРК прочность повысилась более чем на 30 %. При тепловом старении после прогрева в течение 288 ч при 100 °С прочность древесины падает на 25 %.

7. Изучено влияние циклических и ангармонических колебаний температуры и влажности на прочность, долговечность и скорость деформации древесины до и после модификации. Установлено, что после темпера-турно-влажностных воздействий не происходит изменения вида зависимости долговечности от напряжения и температуры. Для расчета долговечности и длительной прочности древесины определены поправки в виде функциональных зависимостей, позволяющие учитывать влияние модификации, агрессивных воздействий, колебаний температуры и влажности.

8. Дилатометрическими испытаниями установлено, что модификация древесины приводит к стабилизации ее структуры. При этом коэффициент линейного термического расширения практически не меняется.

9. Полученные аналитические зависимости и значения, входящих в них констант показали существенную погрешность методики Иванова Ю.М. при прогнозировании долговечности и длительной прочности древесины. Уточненная методика позволяет выполнить прогноз с высокой достоверностью для строительных изделий из древесины в реальных условиях эксплуатации. Приведены конкретные примеры расчета долговечности и длительной прочности древесины до и после модификации.

1. Конструкции из дерева и пластмасс / Под ред. Карлсена Г.Г. и Слицко-уховаЮ.В. -М.: Стройиздат, 1986. 538 с.

2. Некрасов А.С. Эффективность комплексного использования дерева в строительстве / Некрасов А.С., Голубев В.К. М.: Стройиздат, 1985. -334 с.

3. Прокофьев А.С. Конструкции из дерева и пластмасс. Общий курс / Прокофьев А.С. -М.: Стройиздат, 1996. 217 с.

4. Лисенко JLM. Дерево в архитектуре / Лисенко Л.М. М. 1984. - 120 с.

5. Химерик Т.Ю. Использование отходов деревообрабатывающей промышленности в строительстве / Химерик Т.Ю., Долгий Э.М., Томин Г.С.- Киев.: Будивэльнык, 1989. 98 с.

6. Хрулев В.М. Производство конструкций из дерева и пластмасс / Хрулев В.М.-М, 1989.-200 с.

7. Гетц К.Г. Атлас деревянных конструкций / Гетц К.Г., Хоор Д., Мелер К. -М.: Стройиздат, 1982. 320 с.

8. Хрулев В.М. Деревянные конструкции и детали / Хрулев В.М. М. 1995.236 с.

9. Перелыгин Л.М. Древесиноведение: учеб. / Перелыгин Л.М. М.: Лесн. пром-сть., 1969. - 316 с.

10. Наназашвили И.Х. Важнейшая экономическая задача увеличение объемов глубокой переработки древесины / Наназашвили И.Х. // Строительные материалы. - М. 2003. - № 7. - С. 35-36.

11. Ашкенази Е.К. Анизотропия древесины и древесных материалов / Аш-кенази Е.К. -М.: Лесн. пром-сть, 1978. 224 с.

12. Боровиков A.M. Справочник по древесине / Боровиков A.M., Уголев Б.Н./ под ред. Уголева Б.Н. М.: Лесн. пром-сть, 1989. - 236 с.

13. Любовиц Г. Разрушение. в кн.: Разрушение неметаллов и композиционных материалов / Любовиц Г. - М.: Мир, 1976. - 469 с.

14. Иванов Ю.М. Исследования физических свойств древесины / Иванов Ю.М., Баженов В.А. М.: Изд-во АН СССР, 1959. - 239 с.

15. Леонтьев H.JI. Влияние влажности на физико-механические свойства древесины / Леонтьев Н.Л. М.: Госбумиздат, 1962. - 114 с.

16. ГОСТ 21126-75. Методы ускоренных испытаний на долговечность и сохраняемость в агрессивных средах (общие положения). М.: Госстандарт СССР, 1982 - 74 с.

17. Химия древесины / Пер. с финского под ред. Иванова М.А. М.: Лесная пром-сть, 1982. - 400 с.

18. Леонтьев Н.Л. Упругие деформации древесины / Леонтьев Н.Л. Л.: Гослесбумиздат, 1952. - 120 с.

19. Древесина, показатели физико-механических свойств: рук. техн. материалы / Ком. стандартов, мер и измерительных приборов. М: Стан-дартиздат, 1962. - 74 с.

20. Белянкин Ф.П. Деформативность и сопротивляемость древесины как упруго-вязкопластического тела / Белянкин Ф.П., Яценко Ф.П. Киев: Изд-во АН УССР, 1967 г. - 198 с.

21. Планида В.Е. Определение предела пластического течения древесины методом релаксации / Планида В.Е., Огарков Б.И. // Записки ВСХИ. -Воронеж: 1959 Т. XXVIII. - Вып.2. - С. 361-365.

22. Алимов С.А. Исследование длительной прочности и деформативности цельной и клееной древесины лиственных пород / Алимов С.А. // Автореферат дис. . канд. техн. наук. М, 1966 - 20 с.

23. Иванов Ю.М. О методе оценки длительной прочности древесины и фанеры / Иванов Ю.М., Лобанов Ю.А. // ИВУЗ: Строительство. Новосибирск, 1977,-№9.-С25-30.

24. Wood L.W. Relation of Strength of Wood to Duration of Load / Wood L.W. // Forest Products Lab. USA, NR 1916. - XII-1951.

25. Madsen B. Duration of load tests for wood in tension perpendicular to grain / Madsen B. // Forest Products Journal. 1975. - v.25. - № 8. - P. 48-54.

26. Иванов Ю.М. Длительная прочность древесины при растяжении поперек волокон / Иванов Ю.М., Славин Ю.Ю. // ИВУЗ: Строительство. Новосибирск, 1986. - № 10. - С. 22-26.

27. Мартынов К.Я. Комплексная защита древесины в строительных изделиях и конструкциях / Мартынов К.Я.- Новосибирск: Наука. Сиб. из-дат. Фирма РАМ, 1996. 162 с.

28. Чулицкий Н.Н. Исследование факторов и характеристик режимов сушки древесины / Чулицкий Н.Н. // Тр. ВИАМ М.: ВИАМ, 1934. - Вып. 13.-164 с.

29. Справочник конструктора строителя. - Киев: ГСИ УССР, 1965. - 816 с.

30. Иванов Ю.М. О физико-механических испытаниях модифицированной древесины / Иванов Ю.М. // Пластификация и модификация древесины. -Рига, 1970.-С. 17-25.

31. Хрулев В.М. Обработка древесины полимерами / Хрулев В.М., Рыков Р.И. Улан-Удэ: Бурят. Кн. Изд-во, 1984. - 144 с.

32. Шутов Г.М. Стабилизация размеров древесины, модифицированный фурфуролацетоновым мономером ФА / Шутов Г.М. // Модификация древесины синтетическими полимерами. БТИ: Минск, 1973. - С. 124128.

33. Хрулев В. М. Состав и структура композиционных материалов / Хрулев В.М., Тентиев Ж.Т., Курдюмова В.М. / Под общ. Ред. Хрулева В.М. -Бишкек: Полиглот, 1997. 124 с.

34. Хрулев В.М. Модифицированная древесина в строительстве / Хрулев В.М. -М.: Стройиздат, 1986.- 112 с.

35. Хрулев В. М. Новые концепции в теории и технологии композиционных древесно-полимерных материалов / Хрулев В.М., Машкин Н.А./ Изв. вузов. Строительство. Новосибирск, 1999. - № 7. - С. 61-64.

36. Машкин Н.А. Эксплуатационная стойкость модифицированной древесины в строительных изделиях / Машкин Н.А.// Изв. вузов. Строительноство. Новосибирск, 1999. -№ 6. - С. 59-63.

37. ГОСТ 16483.35-77 (СТ СЭВ 1137-78) Древесина. Метод определения радиального и тангенциального разбухания. М.: Изд-во стандартов, 1978.-6 с.

38. ГОСТ 16480.36-80 (СТ СЭВ 1138-78) Древесина. Метод определения объемного разбухания. М.: Изд-во стандартов, 1981. - 8 с.

39. ГОСТ 16483.14-72. Древесина. Методы определения разбухания. М.: Изд-во стандартов, 1973. - 4 с.

40. ГОСТ 16483.20-72. Древесина. Метод определения водопоглощения.-М.: Изд-во стандартов, 1973. 4 с.

41. Хрулев В.М. Технология и свойства композиционных материалов для строительства. Уфа, 2001. - 154 с.

42. Хрулев В.М. Стойкость пропитанной серой древесины в условиях переменного увлажнения / Хрулев В.М., Машкин Н.А., Горетый В.В., Клы-пута Г.Н. // Изв. вузов. Строительство. Новосибирск, 1995. - № 9. - С. 49-51

43. Машкин Н.А. Атмосферостойкость модифицированной древесины для шахтостроения в условиях западной Сибири / Машкин Н.А. // Изв. вузов. Строительство и архитектура. Новосибирск, 1994. - № 1. - С. 4651

44. Машкин Н.А. Технология модифицирования древесины в паркетном производстве / Машкин Н.А., Полубоярова Н.Ф. // Строительные материалы.-М, 2001.-№ 8.-С. 16-18

45. Хрулев В.М. Свойства модифицированной древесины, пропитанной полимером в электростатическом поле / Хрулев В.М., Токтогожаев М.А., Романова Н.Г. // Изв. вузов. Строительство и архитектура. Новосибирск, 1991.-№7.-С. 66-70

46. Хрулев В. М. Оценка старения модифицированной древесины измерением давления набухания / Хрулев В.М., Машкин Н.А.// Изв. вузов. Лесной журнал. 1983 - № 4. - С. 91-96.

47. Хрулев В. М. Водо- и влагостойкость древесины, пропитанной серой / Хрулев В.М., Горетый В.В. и др. // Изв. Вузов. Строительство. Новосибирск, 1988. - № 12. - С.63-66.

48. Глухов В.И. Радиационное модифицирование древесины сополимером стирола с акрилонитрилом. / Глухов В.И., Ширяева Г.В., Карнов В Л.// Пластические массы. М., 1972 - № 11 - С. 28-30.

49. Цвиковски Т. Композиционные материалы на основе древесины и полиэфирной смолы / Цвиковски Т.// Пластические массы. М., 1982 - № 7 - С.50-51.

50. Czvikovszky Т. Polymer Sei. / Czvikovszky Т. 1976. - V.C. № 16. - P. 2973.

51. Шустерзон Г.И. Влияние газообразного сероводорода на свойства цельной и клееной древесины. / Шустерзон Г.И. // Изв. вузов. Строительство. Новосибирск, 1976. - № 9 - С. 93-95.

52. Соломатов В.И. Полиструктурная теория композиционных строительных материалов / Соломатов В.И., Выровай В.Н., Бобрылев А.Н. и др. / Под ред. Хрулева В.М. Ташкент: ФАМ, - 1993. - 345 с.

53. Орловский Ю.И. Пропитка древесины серой / Орловский Ю.И., Панов В.В., Манзий С.А., Манзий В.П. // Изд. вузов. Строительство. Новосибирск, 1984 - № 6 - С. 74-76.

54. Комплексная защита древесины // Строительные материалы. М., 2003. №5.-С. 35.

55. Крашенинникова Н.Н. Эффективные средства био- и огнезащиты древесины / Крашенинникова Н.Н. // Строительные материалы. М., 2003. №5.-С. 44-45.

56. Кривцов Ю.В. Состав для огнезащиты большепролетных несущих деревянных клееных конструкций / Кривцов Ю.В., Цугель В.Д., Гришин И.А. // Строительные материалы. М., 2003. № 5. - С. 46.

57. Славик Ю.Ю. Защитно-декоративные лакокрасочные акриловые составы для деревянных конструкций и изделий / Славик Ю.Ю., Гусаров

58. Е.Ф. 11 Строительные материалы. М., 2003. № 5. - С. 38-39.

59. Покровская Е.Н. Гидрофобизация древесных материалов фосфор- и кремнийорганических соединениями / Покровская Е.Н., Котенева И.В. // Строительные материалы. М., 2003. № 5. - С. 40-41.

60. Ярцев В.П. Механические испытания жёстких пенопластов при дополнительном утеплении зданий. Лаб. работы / Ярцев В.П., Андрианов К.А. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2002. - 20 с.

61. ГОСТ 16483.3-84. Древесина. Метод определения предела прочности при статическом изгибе. М.: Изд-во стандартов, 1984. - 6 с.

62. Ярцев В.П. Прогнозирование работоспособности полимерных материалов в деталях и конструкциях зданий и сооружений: Учеб. пособие. / Ярцев В.П. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2001. 149 с.

63. ГОСТ 16483.5-73. Древесина. Метод определения предела прочности при скалывании вдоль волокон. М.: Изд-во стандартов, 1973. - 8 с.

64. ГОСТ 15173-70. Пластмассы. Метод определения среднего коэффициента линейного термического расширения. М.: Изд-во стандартов, 1970. -6с.

65. Киселева О.А. Определение физико-механических характеристик древесины /Киселева О.А., Ярцев В.П., Сашин М.А. // Методические указания к лабораторным работам электронная, 23 с.

66. Соломатов В.И. Полимерные композиционные материалы в строительстве / Соломатов В.И., Бобрышев А.И., Химмлер К.Г. / Под ред. Солома-товаВ.И. -М.: Стройиздат, 1988.-308 с.

67. Соломатов В.И. Статистические закономерности разброса значений долговечности и необратимость разрушения полимерных композитов / Соломатов В.И., Бобрышев А.Н., Прошин А.П. // ИВУЗ: Строительство. Новосибирск, 1983. № 2. - С. 20-25.

68. Ратнер С. Б. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособность? / Ратнер С. Б., Ярцев В. П. -М.: Изд-во "Химия", 1992. -320 с.

69. Ратнер С.Б. Пути перехода от испытаний образца к прогнозу работоспособности деталей из пластмасс / Ратнер С. Б., Ярцев В. П. // Обзор, инф-Серия "Пластические массы и синтетические смолы." М.: НИИТЭ-ХИМ, 1982.-40 с.

70. Ратнер С.Б. Физико-химические основы сопротивления пластмасс механическому воздействию / Ратнер С. Б., Ярцев В. П. // Обзор, инф. Серия "Производство и переработка пластических масс и синтетических смол." М.: НИИТЭХИМ, 1985. - 40 с.

71. Ярцев В.П. Закономерности термофлуктуационного разрушения высо-конаполненных резиновых смесей и резин / Ярцев В. П. // Каучук и резина-Москва, 1989. -№>3,- С. 17-20.

72. Ратнер С.Б. Термофлуктуационные закономерности истирания полимеров / Ратнер С. Б., Ярцев В. П. // Теория трения, износа и проблемы стандартизации: Сб. Приокское кн. Изд-во. Брянск, 1978. - С. 150-162

73. Лурье Е.Г. Термоактивационные закономерности износа полимеров / Лурье Е.Г. // Дис. . канд. техн. наук, М.: НИФХИ им. Л.Я. Карпова, 1966.- 180 с.

74. Ярцев В.П. Прочность и долговечность цементно-стружечных плит / Ярцев В.П. // Вестник ТГТУ. Тамбов, 2000. - Том 6. - № 1. - С. 137147.

75. Дементьев А.Г. Физические особенности кинетики деформации пено-пластов / Дементьев А.Г., Тараканов О.Г. // Механика композитных материалов. Рига, 1986. - № 3. - С. 519-523.

76. Мадорский С. Термическое разложение органических полимеров / Ма-дорский С. -М.: Из-во "Мир", 1967. 328 с.

77. Справочник машиностроителя. Изд. 3-е пер. и доп. / Под ред Ачеркана Н.С. -М.: ГНИТИМЛ., 1963. ТI. - 420 с.

78. Бунина Л.О. Исследование взаимосвязи предельных параметров деформирования кристаллических полимеров / Бунина Л.О. // Дис. . канд. физ.-матем. наук. -М.: НИФХИ, 1974. 184 с.

79. Андрианов К.А. Применение математического планирования эксперимента к определению механической долговечности пенополистирола ПСБ-с / Андрианов К.А. // VI Научная конференция ТГТУ. Тамбов: Издательство ТГТУ, 2001. - С. 48-54.

80. Налимов В.В. Статистические методы планирования экспериментальных результатов / Налимов В.В., Чернова Н.А. М.: Наука, 1965. - 339 с.

81. Фишер Статистические методы для исследований / Фишер М.: Гос-статиздат, 1958. - 307 с.

82. Вентцель Е.С. Теория вероятности: 5-е изд. / Вентцель Е.С. М.: Высш. шк, 1998. 576 с.

83. Бартенев Г.М. Строение и механические свойства неорганических стекол / Бартенев Г.М. М.: Стройиздат, 1966. - 216 с.

84. Бартенев Г.М. Прочность и разрушение высокоэластичеких материалов / Бартенев Г.М, Зуев Ю.С. М.: Химия, 1964. - 320 с.

85. Бартенев Г.М. Физика полимеров / Бартенев Г.М, Френнель С.Я. / Под ред. Ельяшевича A.M. Л.: Химия, 1990. - 442 с.

86. Мирзоев Р.Г. Основы конструирования и расчета деталей из пластмасс и технологической оснастки для их изготовления / Мирзоев Р.Г. и др. -М.-Л.: Машиностроение, 1972. С. 20-21.

87. Ярцев В.П. Влияние вида напряженного состояния, температуры и жидких сред на предел длительного сопротивления древесины / Ярцев В.П. // Вестник ТГТУ Тамбов, 2000. - Том 6. - № 1. - С. 137-147.

88. Иванов Ю.М. О методе оценки длительной прочности древесины и фанеры / Иванов Ю.М., Лобанов Ю.А. // ИВ УЗ: Строительство. -Новосибирск, 1977. № 9. - С. 25-30.

89. Иванов Ю.М. Длительная прочность древесины при растяжении поперек волокон / Иванов Ю.М., Славин Ю.Ю. // ИВУЗ: Строительство. Новосибирск, 1986. - № 10. - С. 22-26.

90. Киселева О. А. Прогнозирование работоспособности древесностружечных и древесноволокнистых композитов в строительных изделиях / Киселева О. А. // Дис. канд. техн. наук. Воронеж, 2003. - 205 с.

91. Ярцев В. П. Длительная прочность реактопластов с волокнистыми наполнителями различной природы / Ярцев В. П. // Вестник машиностроения.-М., 1981. -№ 8. -С. 43-44.

92. Ярцев В.П. Физико-технические основы работоспособности органических материалов в деталях и конструкциях / Ярцев В.П. // Дис. . д-ра техн. наук. Воронеж, 1998. - 350 с.

93. СНиП П-25-80. Деревянные конструкции. Нормы проектирования. М.: Стройиздат, 1982.-49 с.

94. Кац М.С. Кинетическая природа микротвёрдости полимеров / Кац М.С., Регель В.Р., Санфирова Т.П., Слуцкер А.И. // Механика полимеров. -Рига, 1973.-№ 1.- С. 22-28.

95. Киселёва О.А. Закономерности деформирования пенетрацией древесностружечных плит / Киселёва О.А., Ярцев В.П. // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: Сб. науч. трудов междунар. научно техн. конф. - Пенза, 2003. - С. 90 - 93.

96. Киселева О.А. О технологических режимах модификации древесины пропиткой / Киселева О.А., Сашин М.А., Ярцев В.П. // XI науч. конф. ТГТУ: Статьи. Тамбов, 2006. - С.

97. Тагер А.А. Физикохимия полимеров .М.: "Химия"Д978. 543 с.

98. Химическая модификация древесины. Рига, Зинатне, 1975. - 196 с.

99. Сашин М.А. Влияние модификаторов на свойства древесины / Сашин М.А., Киселева О.А. // IX науч. конф. ТГТУ: Пленарные докл. и краткие тезисы. Тамбов, 2004. - С. 227. Лично автором выполнено 0,5 с.

100. Сашин М.А. Прочность и химическая стойкость модифицированной древесины (статья) / Сашин М.А., Киселева О.А., Ярцев В.П. // Труды ТГТУ: Сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. Тамбов, 2004. Вып. 16. - С. 10 -13. Лично автором выполнено 1,3 с.

101. Химия древесины: Сб. статей / Ред.кол. Сергеева В.Н. и др. Рига: Зинатне, 1973.-Вып. 14.-154 с.

102. Киселева О.А. Долговечность и водостойкость деревянных конструкций / Киселева О.А., Сашин М.А., Ярцев В.П. // Эффективные строительные конструкции: теория и практика: Сб. ст. IV Международной науч.-техн. конф. Пенза, 2005. - С. 209-212.

103. Прессованная древесина и древесные пластики в машиностроении. Справочник под.ред. Ганина А.Г. М.: Машиностроение, 1965. - 148 с.

104. ГОСТ 21126-75. Методы ускоренных испытаний на долговечность и сохраняемость в агрессивных средах (общие положения). М.: Госстандарт СССР, 1982 - 74 с.

105. Киселева О.А. Влияние жидких агрессивных сред на несущую способность древесных композитов / Киселева О.А., Ярцев В.П., Сашин М.А., Сузюмов А.В. // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. М., 2006. № 6. С. 84-86.

106. Регель В. P. Кинетическая природа прочности твердых тел / Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э.Е. М., 1979. - 560 с.