ВЛИЯНИЕ АГРЕССИВНОЙ СРЕДЫ НА ПРОЧНОСТЬ И УПРУГОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ ИЗГИБЕ

Стородубцева Т.Н.¹, Томилин А.И².

¹Доктор технических наук, доцент; ²аспирант, Воронежская государственная лесотехническая академия

ВЛИЯНИЕ АГРЕССИВНОЙ СРЕДЫ НА ПРОЧНОСТЬ И УПРУГОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ ИЗГИБЕ

Аннотация

В статье приведены результаты исследований по определению длительного действия агрессивной среды - воды на величины пределов прочности и модулей упругости при изгибе образцов из древесины с их представлением экспоненциальными функциями.

Ключевые слова: древесина, упругость, прочность, изгиб.

Storodubtseva T.N.¹, Tomilin A.I.²,

¹Doctor of Technical Sciences, associate professor; ²Postgraduate, Voronezh State Forest Technical Academy

EFFECTS OF AGGRESSIVE ENVIRONMENT ON STRENGTH AND RESILIENCE OF WOOD FLEXURAL 

Abstract

The results of studies to determine the long-acting-aggressive environment - water quantity limits and strength of the flexural modulus of the wood samples with their representation of the exponential functions.

Keywords: wood, strength, elasticity, flexural strength.

Древесина – один из древнейших природных материалов, применяемых человеком. Ее потребляют все отрасли народного хозяйства. Она прочна и легка, имеет хорошие теплоизоляционные свойства, способность без разрушения поглощать работу при ударных нагрузках, гасить вибрации/

Способность к поглощению влаги — отрицательное свойство древесины. Высушенная древесина в изделиях «дышит», изменяя содержание связанной воды при колебаниях температуры и относительной влажности окружающего воздуха. Будучи помещенной, в очень влажную среду, она сильно увлажняется, что ухудшает ее физико-механические характеристики и приводит  к  ряду  других нежелательных явлений. Изучали, как изменяется абсолютная влажность древесины сосны в течение 60 суток, выдержки в воде (согласно  ГОСТ 16483.7 – 71) образцах в виде кубиков с размерами 30х30х30 мм, (табл. 1).

Таблица 1 – Изменение массы образцов от времени выдержки в воде

Сутки	0/1	2/3	6/10	20/30	40/50	60
Масса, г	13,47/ 20,93	21,67/ 22,17	23,78/ 24,38	25,86/ 26,70	27,56/ 28,60	29,57

 

Используя данные, табл. 1, можно подсчитать, что на конец второго месяца экспозиции в воде она достигла 120 %, а на 20 сутки – 91 %. Для более крупных образцов на те же сутки абсолютная влажность равнялась 59 % [1, рис. 1], т.е. она зависит от их объема.

Были проведены эксперименты по определению прогибов и пределов прочности образцов из древесины сосны, с размерами поперечного сечения 20х30 и длиной – 300 мм на чистый изгиб. Для  определения  модулей  упругости  использовали  машины МР–5 и Р–5. Средняя скорость нагружения с помощью ручного привода равнялась 4,5…5,0 МПа в мин. Абсолютные деформации замеряли индикатором часового типа с ценой деления 0,001 мм.

При определении модуля упругости при чистом изгибе схемы нагружения и установки индикатора позволяли измерять деформации в центре зоны чистого изгиба пролетом l=100 мм.

По найденным прогибам определяли ее модули упругости E×10⁴, МПа, а по разрушающей нагрузке – пределы прочности σ, МПа, строили графики зависимости влажности и названных характеристик от времени их выдержки в воде [1].

Из графиков работы [1, рис. 1] видно, что древесина сосны очень быстро набирает влажность, которая сильно влияет как на ее прочностные характеристики, так и на упругие характеристики. Прочность падает уже на первые сутки, но когда образцы набрали влажность 25…30 %, она начинает незначительно увеличиваться. Значения модулей упругости также снижаются до тех пор, пока образцы не набрали влажность 41,97 %, после чего их величины практически стабилизируются. Представляло интерес представить полученные экспериментальные зависимости с помощью экспоненциальных функций и построить теоретические кривые, что и было сделано с применением ЭВМ (рис. 1 и 2, табл. 2 и 3).

Данные таблиц 2 и 3 показывают, что полученные функции хорошо аппроксимируют экспериментальные, о чем говорят низкие значения сумм квадратов отклонений.

Таблица 2 – Ззначения предела прочности  (σ, МПа) образцов древесины в  зависимости от времени выдержки в воде, сутки

Сутки	Экспериментальные данные	Теоретические данные	Разность отклонения	Квадрат разности отклонений
	МПа
1	2	3	4	5
0	23,16	23,1552	0,004797	0,000023
1	12,95	13,08103	-0,13103	0,017169
2	12,25	11,95034	0,299655	0,089793
3	11,93	11,72985	0,200146	0,040058
6	11,43	11,67063	-0,24063	0,057903
10	10,73	11,67002	-0,94002	0,883638
20	12,48	11,67002	0,809984	0,656074
			∑=0,002909	∑=1,744658

 

Экспериментальными исследованиями и проведенным анализом проведенных экспериментов и научных публикаций, посвященных влиянию физических факторов на прочностные и упругие характеристики древесины, установлено:

– древесина, являющаяся природным композитом, очень чутко реагирует  на  воду,  проникающую  в  нее  различными путями, особенно если она высушена, как это имеет место при использовании ее в качестве армирующего заполнителя   древесностекловолокнистого   композиционного   материала   на

Таблица 3 – Значения модуля упругости (Е×10⁴, МПа) образцов древесины  в зависимости от времени выдержки в воде, сутки

Сутки	Экспериментальные данные, Еэ	Теоретические данные, Ет	Разность отклонения, Еэ-Ет	Квадрат разностей отклонений, (Еэ-Ет)2
	х104, МПа
1	2	3	4	5
0	1,215	1,228346779	-0,013346779	0,000178137
1	0,853	0,779063028	0,073936972	0,005466676
2	0,586	0,613678806	-0,027678806	0,000766116
3	0,468	0,53067412	-0,06267412	0,003928045
6	0,421	0,432430065	-0,011430065	0,000130646
10	0,416	0,397803062	0,018196938	0,000331129
20	0,403	0,385511389	0,017488611	0,000305852
			∑= - 0,00551	∑=0,011107

 

ФАМ [2]. При увлажнении ухудшаются физико-механические характеристики древесины, кроме того, она склонна к разбуханию в процессе водопоглощения. Следует учитывать также, что давление стесненного набухания древесины сосны, заключенной в полимерную оболочку, может вызвать ее разрушение, если древесина не подвергнута соответствующей обработке [3];

– видно, что под действием воды прочность начинает падать на 10 сутки, но когда древесина сосны набрала влажность 25…30 %, она стабилизируется. Модуль упругости почти равномерно снижаются до тех пор, пока древесина сосны не набрала влажность 41,97 %, после чего его величина стабилизировалась;

– полученные результаты использованы при выборе растворов для гидрофобизирующей пропитки древесины, высушенной до 8..12 %, до предела насыщения, равного 30 %, с целью предохранения ее от набухания и гниения.

– водопоглощение материалов, создаваемых на основе смолы ФАМ, осуществляется за счет диффундирования молекул воды в пространство между звеньями молекул полимера, в результате чего  возникает пластифицирующий эффект, снижающий их прочность и жесткость до 50 % и более. Действие воды вызывает набухание полимерной матрицы и стесненное набухание древесины заполнителя, поэтому для защиты разработанных материалов необходимо использовать два направления – уплотнение микро- и макроструктуры композитов путем модификации составов и их гидрофобизации.

Литература

1. Стородубцева, Т.Н. Применение гидрофобизирующих и модифицирующих составов для пропитки древесного армирующего заполнителя [Текст] / Т.Н. Стородубцева, В.И. Харчевников, А.И. Томилин, К.В. Батурин. – «Лесотехнический журнал», Воронеж. – 2012. – № 2. – С. 36-46.
2. Стородубцева, Т.Н. Композиционный материал на основе древесины для железнодорожных шпал: Трещиностойкость под действием физических факторов [Текст] : моногр. / Т.Н. Стородубцева.– Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2002.– 216 с.
3. Харчевников, В.И. Стекловолокнистые полимербетоны из древесных отходов [Текст] / В.И. Харчевников, Л.Н. Стадник, Т.Н. Стородубцева и др. // Лесн. пром-сть. – 1993. – № 3.– С. 19.