1. Введение
В смешанных лесах Дальнего Востока береза ребристая составляет свыше 30% всех лиственных пород. Суммарный запас ее в Хабаровском и Приморском краях – 532,6 млн. м3Missing Mark : sup или 52,4 и 47,6% соответственно. Однако установлено, что практически все хлысты имеют ложное ядро и примерно у 72% хлыстов имеется наличие гнилей разной степени развития, снижающих выход деловых сортиментов и делающих ее заготовку нерентабельной. Соотношение объема гнили к объему здоровой древесины хлыстов по группам диаметров березы ребристой показали, что она занимает от 4,6% для группы диаметров 16–22 см до 38,3% для группы хлыстов диаметром 56–62 см. Причем обычный торцовый срез бревна имеет набор всех стадий гнилей, расположенных в разных зонах древостоя, как правило, в следующей последовательности: I, II, III стадии.
Поэтому вовлечение пораженной гнилями древесины березы ребристой в качестве дополнительного ресурса в производство различной продукции является достаточно актуальным вопросом. В статье рассматривается возможность использования березы ребристой, пораженной гнилями I, II и III стадии, в производстве древесно-стружечных плит.
2. Методы и принципы исследования
В соответствии с поставленной целью были сформулированы задачи: обосновать выбор показателя механических свойств, позволяющего оценить качество древесины березы ребристой, пораженной гнилями I, II и III стадии; разработать методику испытаний для принятых показателей механических свойств древесины березы ребристой; провести анализ экспериментальных данных; разработать методику исследования некоторых механических свойств древесно-стружечных плит из березы ребристой с гнилями I, II и III стадии.
Возможность расширения допуска пораженной гнилями древесины березы ребристой можно проследить в какой-то степени по изменению на протяжении ряда лет требований ГОСТ 10632 к прочности древесно-стружечных плит на изгиб (табл. 1).
Сравнительные показатели механических свойств древесно-стружечных плит по различным ГОСТам
| Показатели | Номер нормативного документа | ||||
| ГОСТ 10632-70 | ГОСТ 10632-77 | ГОСТ 10632-89 | ГОСТ 10632-2007 | ГОСТ 10632-2014 | |
| Толщина, мм | 10…25 | 15…19 | 13…19 | 14…20 | 13…20 |
| Предел прочности, МПа, при статическом изгибе | 23,7 | 17,6 | 16 | 13 | 11 |
Предел прочности, МПа, при статическом изгибе 23,7 17,6 16 13 11лицы, можно отметить, что устанавливаемые ранее требования на прочность при изгибе обосновывались технической возможностью оборудования технологических линий, а не обобщенными функциональными требованиями потребителей плитных материалов. Однако в дальнейшем, в связи с развитием тенденции дифференцированного применения древесно-стружечных плит в мебельных конструкциях, эти требования постепенно снижались. Поэтому можно говорить о возможности, на наш взгляд, большего расширения допуска пораженной древесины, в частности, березы ребристой в производство древесно-стружечных плит.
О прочности древесины можно судить по следующим показателям
[1]
На наш взгляд, испытания на твердость – наиболее подходящий с технологической точки зрения метод испытаний. Твердость не является фундаментальным свойством материала, однако многочисленные экспериментальные исследования
[1][2]
Для определения снижения твердости древесины березы ребристой при воздействии на нее лигнин-разрушающих грибов применяли ГОСТ 16483.17-81
[3][4]
В зависимости от поверхности, на которой определялась твердость древесины, различали твердость торцовую, радиальную и тангенциальную
[1][3]
Сравнение полученных результатов статической твердости древесины березы ребристой и ее гнилей приведены в табл. 2.
Сравнительная характеристика статической твердости березы ребристой и ее гнилей
| Признаки макростроения древесины | Статическая твердость, МПа | |||||
| торцовая | радиальная | тангенциальная | ||||
| твердость | отклонение, % | твердость | отклонение, % | твердость | отклонение, % | |
| Заболонь | 30,5 | 0 | 25,5 | 0 | 23,9 | 0 |
| Здоровое ложное ядро | 37,1 | +21,64 | 26,8 | +5,10 | 24,8 | +3,77 |
| Гниль I стадии | 31,8 | +4,26 | 23,4 | -8,24 | 22,4 | -6,28 |
| Гниль II стадии | 28,2 | -7,54 | 20,7 | -18,82 | 18,8 | -21,34 |
| Гниль III стадии | 7,6 | -75,08 | 3,3 | -87,06 | 2,89 | -87,91 |
Из приведенных в таблице данных видно, что наибольшую твердость (в свежесрубленном состоянии) по всем плоскостям имеет здоровое ложное ядро. Твердость гнилей по мере увеличения стадии гнили снижается на 14,28, 23,99 и 79,51% соответственно для торцовой плоскости, на 12,69, 22,76 и 87,69% для радиальной плоскости и на 9,68, 24,19, 88,31% для тангенциальной поверхности.
Приведенная сравнительная характеристика различных элементов макростроения березы ребристой и ее гнилей показывает, что здоровое ложное ядро и гниль I стадии могут с успехом заменить заболонь, гниль II стадии имеет статическую твердость меньше в среднем на 20–25%. Учитывая данные табл. 1, можно говорить о целесообразности допуска всей такой древесины в производстве древесно-стружечных плит.
Гниль III стадии имеет показатель статической прочности примерно в 4–8 раз меньше, чем заболони. Однако, на наш взгляд, количество древесины с гнилью III стадии можно тоже увеличить.
Надо отметить, что древесина березы ребристой чаще всего поражается ложным трутовиком, дающим коррозионно-деструктивную гниль
[5]
Таким образом, твердость может вполне служить индикатором изменений внутренней структуры (качества) древесины. На этом показателе влияние дереворазрушающих грибов отражается наиболее заметно и быстро
[6]
Полученные выше результаты были использованы при отборе сырья для изготовления стружки. Гнили I и II стадии в сырье не ограничивались. Сырье с гнилью III стадии допускалось в объеме 30%.
В данной работе в качестве выходных функций приняли показатели: предел прочности
[7][8][9]
Анализ априорной информации, собранной при изучении состояния вопроса
[10]
Факторы, принятые постоянными
| Наименование | Значение |
| Вид связующего | КФ-МТ-15 (ТУ 6-06-12-88) |
| Содержание сухих веществ, % | 55 |
| Вид отвердителя | NH4Missing Mark : subCl |
| Содержание сырья с гнилью III стадии, % | 30 |
| Фракционный состав и размеры стружки | см. табл. 5 |
| Влажность сухой стружки, % | 2±1 |
| Давление прессования, МПа | 2,2 |
| Конструкция плиты | однослойная |
| Размеры плиты, мм | × |
| Плотность плиты, кг/м3Missing Mark : sup | 700 |
Уровни варьирования переменных факторов
| Название фактора | Обозначение | Уровень варьирования фактора | |||
| натуральное | нормализованное | нижний (-) | основной (0) | верхний (+) | |
| Температура плит пресса, °С | Т | 1 | 120 | 155 | 190 |
| Расход связующего, % | Q | 2 | 10 | 14 | 18 |
| Продолжительность прессования, мин/мм | t | 3 | 0,25 | 0,35 | 0,45 |
Характеристика линейных размеров стружки и ее фракционный состав показаны в табл. 5.
Фракционный состав и линейные размеры стружки
| Наименование | Состав по фракциям, % | ||||||||
| 4/20 | 2,5/20 | 5,5 | 4,5 | 3,75 | 3,25 | 1 | 0,25 | дно | |
| Древесные частицы из березы | 2,4 | 18,3 | 7,6 | 6,1 | 8,6 | 17,5 | 23,0 | 4,4 | 12,1 |
| Размеры древесных частиц, мм | длина – до 40; ширина – 3…12; толщина – до 0,65 | ||||||||
| Влажность древесных частиц, % | 2±1 |
Показатели прочности приводились к единой плотности 700 кг/м3Missing Mark : sup
[3]
Экспериментальные значения показателей выходных функций: предела прочности при статическом изгибе и при растяжении перпендикулярно пласти, а также план проведения эксперимента даны в табл. 6.
План проведения экспериментальных исследований и его результаты
| № опыта | Порядок реализации | 1 | 2 | 3 | Предел прочности при статическом изгибе | Предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти | ||||
| 1 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3 | |||||
| 1 | 1 | 1 | -1 | 0 | 10,66 | 11,30 | 11,35 | 0,39 | 0,43 | 0,42 |
| 2 | 13 | -1 | -1 | 0 | 6,04 | 6,55 | 6,50 | 0,05 | 0,04 | 0,02 |
| 3 | 12 | 1 | 1 | 0 | 13,04 | 13,83 | 13,83 | 0,42 | 0,39 | 0,38 |
| 4 | 6 | -1 | -1 | 0 | 7,82 | 8,63 | 8,65 | 0,38 | 0,38 | 0,37 |
| 5 | 2 | 1 | 0 | -1 | 13,54 | 13,78 | 14,36 | 0,38 | 0,41 | 0,45 |
| 6 | 4 | -1 | 0 | -1 | 4,58 | 3,94 | 4,83 | 0,02 | 0,03 | 0,03 |
| 7 | 8 | 1 | 0 | 1 | 11,54 | 11,69 | 11,77 | 0,43 | 0,42 | 0,44 |
| 8 | 9 | -1 | 0 | 1 | 10,27 | 10,12 | 10,39 | 0,46 | 0,48 | 0,47 |
| 9 | 5 | 0 | -1 | -1 | 9,10 | 9,33 | 9,60 | 0,29 | 0,31 | 0,31 |
| 10 | 10 | 0 | 1 | -1 | 13,01 | 13,53 | 13,47 | 0,39 | 0,39 | 0,40 |
| 11 | 3 | 0 | -1 | 1 | 9,22 | 8,55 | 9,53 | 0,33 | 0,36 | 0,36 |
| 12 | 11 | 0 | 1 | 1 | 11,07 | 12,06 | 11,98 | 0,42 | 0,47 | 0,51 |
| 13 | 7 | 0 | 0 | 0 | 12,64 | 12,38 | 12,92 | 0,44 | 0,46 | 0,47 |
3. Основные результаты
По результатам проведенных экспериментов были получены следующие уравнения регрессии:
– предел прочности при статическом изгибе
[LATEX_FORMULA]$\sigma_и(T, Q, \tau)=-83,65+0,64 T+1,49 Q+167,3 \tau-0,12 \cdot 10^{-2} T^2-0,04 Q^2-111,89 \tau^2-0,57 T \tau$[/LATEX_FORMULA]
– предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти
[LATEX_FORMULA]$\begin{aligned} & \sigma_{\mathrm{p}}(T, Q, \tau)=-4,96+0,04 T+0,11 Q+8,47 \tau-0,64 \cdot 10^{-4} T^2-0,22 \cdot 10^{-2} Q^2-4,32 \tau^2-2,51 \cdot 10^{-4} T Q-0,03 T \tau\end{aligned}$[/LATEX_FORMULA]
Проведенные исследования подтвердили также адекватность полученных зависимостей.
Иллюстрация данных зависимостей показана на рис. 1 и 2. При этом поверхности отклика построены для постоянного значения расхода связующего Q = 14%. Накладывая данное ограничение, сформировали соответствующие изображения поверхностей отклика от оставшихся факторов. Плоскости, отражающие нормативные значения соответствующих показателей для плит марки Р2 толщиной 13–20 мм, показаны на графиках:
Предел прочности при статическом изгибе
Предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти
Расчетные значения режима прессования древесно-стружечных плит
| Выходной параметр | Температура плит пресса,°С | Расход связующего, % | Продолжительность прессования, мин/мм | |||
| 1 | T | 2 | Q | 3 | t | |
| Предел прочности при статическом изгибе | -0,432 | 139,88 | -0,26 | 12,96 | 0 | 0,35 |
| Предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти | -0,4 | 141 | -0,212 | 13,152 | -0,39 | 0,311 |
На основании данных, приведенных в табл. 7, можно в первом приближении рекомендовать следующий режим прессования древесно-стружечных плит из березы ребристой с гнилями различных стадий: продолжительность прессования 0,30–0,35 мин/мм, расход связующего (по сухому остатку) 12,5–13,5%, температура плит пресса 140–145оMissing Mark : supС.
4. Заключение
Вопрос расширения объемов заготовки березы ребристой может быть в какой-то степени решен путем производства древесно-стружечных плит с увеличенным допуском пораженной гнилями древесины. Добавление в эксперименте 30% березы ребристой с гнилями III стадии позволило получить плиты с прочностью, соответствующей требованиям нормативов.
Исследования также показали, что в качестве индикатора для определения качества древесины может быть использован показатель статической твердости, который при соответствующей разработке может быть встроен в технологический процесс производства древесно-стружечных плит на участке подготовки сырья.
По результатам эксперимента можно рекомендовать следующий режим для производства древесно-стружечных плит из березы ребристой с гнилями различных стадий и ограничением объема сырья по III стадии в количестве 30%: температура плит пресса 140-145оMissing Mark : supС, расход связующего (по сухому остатку) 12,5-13,5%, продолжительность прессования 0,30-0,35 мин/мм.
Следует заметить, что после ряда технологических операций производства древесно-стружечных плит и горячего прессования никаких условий для сохранения жизнеспособности грибов в дальнейшем в плите нет
[11]