Методика прогнозирования долговечности фанеры в строительных изделиях

Актуальность темы

Фанера, благодаря своей слоистой структуре, является высокопрочным конструкционным материалом, нашедшим широкое применение в строительстве и имеющим большую перспективу на будущее. Она является экономически выгодным материалом благодаря сокращению времени производства работ и существенной экономии деловой древесины, а так же обладает значительными преимуществами перед широко известными листовыми древесными композитами.

Эксплуатационные характеристики фанеры изучали многие отечественные и зарубежные учёные. Однако долговечность фанеры изучена недостаточно и не разработано надёжной методики её прогнозирования и общих рекомендаций по увеличению срока эксплуатации. В. М. Хрулёвым и его учениками предложен способ оценки долговечности клеевых соединений фанеры при ускоренном тепловом старении. Но он не учитывает вид напряжённого состояния и физико-химическую активность окружающей среды.

Актуальность данной работы связана с применением нового подхода к изучению закономерностей разрушения и деформирования, а также разработкой на его основе методики прогнозирования долговечности фанеры с учётом реальных условий эксплуатации. В основу предложенной методики положена термофлуктуационная концепция разрушения и деформирования, которая позволяет помимо нагрузки, воспринимаемой материалом, учитывать влияние температуры, климатических факторов, агрессивных сред, а так же времени их действия.

Работа выполнена в рамках гранта по проекту № 2.1.1/660 «Исследование многослойных композитных тонкостенных конструкции, подверженных термоэлектромеханическому нагружению, на основе геометрически точных трёхмерных конечных элементов оболочки» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 -2010 годы)».

Целью работы является разработка общей методики прогнозирования долговечности фанеры для строительных изделий в эксплуатационном диапазоне нагрузок и температур, а так же при дополнительном воздействии климатических факторов.

В соответствии с целью диссертационной работы определены следующие задачи:

1) с позиции термофлуктуационной концепции твёрдого тела изучить закономерности разрушения фанеры при различных видах нагружения в эксплуатационном интервале напряжений и температур;

2) с позиции кинетической концепции исследовать закономерности критического деформирования фанеры при различных видах нагружения в эксплуатационном интервале напряжений и температур;

3) изучить влияние жидких активных сред на прочность и долговечность фанеры;

4) исследовать влияние теплои фотостарения на прочность и долговечность фанеры;

5) изучить влияние климатических факторов (циклических температурно-влажностных воздействий) на константы, определяющие долговечность фанеры;

6) на основе исследованных физико-химических закономерностей разрушения и деформирования предложить способ повышения долговечности фанеры модификацией пропиткой.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) впервые выявлены термофлуктуационные закономерности разрушения и деформирования фанеры и определены физические и эмпирические константы, позволяющие прогнозировать её долговечность в широком диапазоне нагрузок и температур;

2) изучено влияние различных эксплуатационных факторов (жидких агрессивных сред, УФ — облучения, высокотемпературного старения и замораживания-оттаивания) на прочность и долговечность фанеры и получены 8 эмпирические поправки, учитывающие их неблагоприятное воздействие;

3) впервые с термоактивационных позиций изучен процесс водопоглощения фанеры до, и после старенияполученные значения физических констант позволили трактовать механизм структурных изменений в материале и прогнозировать скорость набухания в широком диапазоне температур эксплуатации;

4) по результатам дилатометрических и механических испытаний установлен единый механизм деструкции при термои фотостарении;

5) на основе полученных экспериментальных результатов разработана общая методика прогнозирования долговечности фанеры в реальных условиях эксплуатации;

6) предложены способы повышения прочности и долговечности фанеры, путём пропитки её жидкими органическими модификаторами.

На защиту выносятся:

1) экспериментальные результаты исследования влияния вида нагружения, УФ — облучения, высокотемпературного старения, агрессивных сред и температурно-влажностных воздействий на термофлуктуационные закономерности разрушения и деформирования фанеры, различных марок и толщины (количества слоёв);

2) экспериментально полученные значения физических констант и эмпирических коэффициентов определяющих долговечность фанеры;

3) уточнённая методика прогнозирования долговечности фанеры в строительных изделиях;

4) рекомендации по применению фанеры и повышению долговечности строительных изделий из неё.

Практическая ценность работы. Предложена методика прогнозирования долговечности фанеры в строительных изделиях различного назначения и впервые получена формула для прогнозирования долговечности верхней 9 обшивки клеефанерной панели. Даны рекомендации по выбору марки, количества слоёв и пропиточных материалов для повышения потенциального срока службы фанеры с учётом реальных условий эксплуатации.

Реализация работы. Результаты работы внедрены: в ООО Проектное Бюро «Наши Строители» (392 000, г. Тамбов, ул. Державинская, д. 16А, офис 405) и в учебный процесс Тамбовского государственного технического университета (392 000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106).

Достоверность подтверждается проведением экспериментов с необходимым количеством повторных испытаний на поверенном оборудовании, применением метода математического планирования эксперимента, статистической обработкой экспериментальных данных, сопоставлением результатов исследований с аналогичными данными других авторов.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства. Строительные материалы и конструкции» (Пенза 2005) — VI Международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (Пенза 2007)-международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза 2004) — десятых академических чтениях отделения строительных наук РААСН «Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики строительного материаловедения» (Казань 2006) — VI — VII Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (Тула 2006,2007).

Публикации. Основные положения и результаты диссертации отражены в 12 опубликованных работах, в том числе 3 статьи опубликованы в журналах из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определенных ВАК РФ.

Объём и структура и работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 147 наименований и содержит 174 страницы, в том числе 120 страниц машинописного текста, 27 таблиц, 85 рисунков и четыре приложения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Получены кривые длительного сопротивления разрушению фанеры. По сравнению с цельной древесиной, для фанеры марки ФСФ наблюдается повышение величины предела длительного сопротивления до 0,6 — 0,7 от временного сопротивления разрушению, что, по-видимому, связано со ступенчатым механизмом разрушения многослойного материала.

2. Установлено, что разрушение и деформирование фанеры происходит по термофлуктуационному механизму. При этом, в отличие от древесины и других древесных композитов (ДВП, ДСП, ламината и т. д), зависимости долговечности от напряжения и температуры образуют двойные семейства с площадками перехода. Сложный характер разрушения и деформирования в различных интервалах напряжений проявляется на величинах физических констант фанеры. При больших напряжениях (послойном разрушении) U0 близка к величине максимальной энергии активации смолы, тогда как при малых напряжениях (монолитном разрушении) она равна максимальной энергии активации целлюлозы. Температура полюса Тт в этих интервалах напряжений соответствуют критическим температурам разложения связующего и древесины. Значения структурно — механической константы у так же указывают на изменение характера разрушения фанеры при определенных граничных напряжениях. Полученные физические константы позволяют прогнозировать долговечность фанеры при разрушении поперечным изгибом и деформировании сжатием и пенетрацией.

3. Изучено влияние жидких агрессивных сред на прочность и долговечность фанеры. Наибольшая потеря прочности фанеры при максимальном набухании происходит в кислотах и щелочи, что приводит к расслоению образцов в кислотах и размягчению (короблению) в щелочи. Показано, что характер зависимостей долговечности от напряжения и температуры после воздействия жидкой среды сохраняется, но пропадает «переходная площадка», а в интервале больших напряжений дополнительный пучок вырождается в прямую. Выдержка в агрессивной среде приводит к существенному изменению болыиин.

141 ства физических констант фанеры и значительному снижению её долговечности. Для прогнозирования долговечности фанеры после воздействия агрессивных сред при разрушении поперечным изгибом получены физические константы и поправки.

4. Показано, что тепловое старение и УФ — облучение не оказывают существенного влияния на коэффициент линейного термического расширения фанеры. Он меньше, чем у древесины в 1,5−2 раза, т. е фанера ещё менее чувствительна к температуре, и ее применение так же не требует устройства температурных швов в крупногабаритных зданиях.

5. Структурные изменения в фанере, возникающие под действием старения, проявляются на её водопоглощении. Водопоглощение рассмотрено с термоактивационных позиций. Установлено, что после теплостарения и УФ — облучения в клеевой прослойке фанеры разрушенные связи рекомбинируют, что приводит к падению водопоглощения. Полученные значения констант позволяют прогнозировать скорость набухания фанеры до и после старения.

6. Установлено, что тепловое старение и УФ — облучение оказывают одинаковое влияние на прочность фанеры. В процессе длительного теплового старения (при + 50 °С) и УФ — облучения фанера упрочняется. При тепловом старении это можно объяснить доотверждением связующего, а при УФ — облучении — экранирующим эффектом (верхний шпон защищает и предохраняет полимерный слой от разрушения, а сама древесина после воздействия УФ — облучения становится прочнее).

7. Показано, что после длительных циклических температурно-влажност-ных воздействий меняется характер разрушения фанеры, что подтверждается величинами физических констант, полученных для прогнозирования её долговечности в условиях замораживания-оттаивания. Причиной разрушения при многократном замораживании-оттаивании, является расширение воды в порах древесины при замерзании. Так же насыщение водой и отрицательные температуры деструктируют связующее, разрушая химические связи.

Определены поправки для расчёта долговечности фанеры, позволяющие учитывать колебания температуры и влажности.

8. Для повышения эксплуатационных свойств фанеры, за счёт регулирования её структуры, предложен способ пропитки жидкими модификаторами. Прочность фанеры после пропитки эмукрилом М и эмульсией 252, с последующей термообработкой, возросла на 20%, что, связано, с реакцией полимеризации мономера внутри пор древесного шпона.

9. На основе приведенных исследований и полученных результатов разработаны технические условия и основные этапы методики прогнозирования долговечности фанеры в широком диапазоне основных эксплуатационных параметров (напряжения и температуры) и дополнительном воздействии климатических и физико-химических факторов. Определены поправки для расчёта долговечности фанеры, позволяющие учитывать колебания температуры, влажность и действие агрессивных сред. Даны рекомендации по повышению долговечности строительной фанеры. Получена формула для определения срока службы верхней обшивки клеефанерной панели. Приведены примеры расчёта долговечности фанеры в различных строительных изделиях.

1.8 Заключение.

Изучение отечественной и зарубежной литературы по испытаниям и применению фанеры в строительстве показывает, что фанера является одним из прогрессивных строительных материалов, нашедшим широкое применение в различных областях строительства и имеющим перспективу на будущее.

Ознакомление с работами проектных и строительных организаций, а так же накопленной опыт использования фанеры для строительных целей подтверждает значительные технико-экономические преимущества фанеры перед пиломатериалами и широко известными в настоящее время листовыми древесными композитами.

Практическое осуществление строительных конструкций из фанеры, натурные наблюдения за ними и испытания показывают, что фанера является исключительно удобным, прочным и экономичным материалом, применение которого намного сокращает время производства работ, уменьшает количество отходов на строительной площадке и позволяет переносить ряд производственных процессов на механизированные предприятия строительной индустрии.

При эксплуатации фанера способна выделять вредные вещества, в частности формальдегид. В связи с этим были разработаны различные мероприятия: применение добавок, защитных покрытий и безопасных связующих, а также использование модификаторов, которые позволяют уменьшить или полностью устранить его выделение.

В процессе изготовления и эксплуатации фанера находится под действием длительных нагрузок, которые приводят к ее деформированию и разрушению. При этом на нее действуют и другие факторы (температурно-влажностные, агрессивные среды, атмосферные воздействия, солнечная радиация и т. д.), что также сказывается на процессе разрушения фанеры. Так, повышенная температура способствует ускорению любых процессов и реакций, а агрессивные среды ослабляют связи в материале. Поэтому возникает необходимость в изучении фанеры.

Большое количество работ было посвящено изучению технологии производства фанеры [88 — 97], а в области кратковременных и длительных механических испытаний фанеры проведен небольшой объем исследований [45, 48, 87]. Основное внимание уделялось режимам склеивания [88], прочности клеевых соединений [47, 89], клеящим свойствам смол [90, 91], разработке технологии производства огнезащищенной фанеры [38, 92, 93], исследованиям влияния технологических факторов склеивания фанеры на величину внутренних напряжений [94]- изучалась зависимость между углами склейки и прочностью фанеры [41], получали фанеру равнопрочную во всех направлениях [41], использовали различные связующие для склеивания фанеры с регулирование давления прессования [95], совершенствовали технологию фанеры за счет снижения расхода сырья и повышения ее качества [96], а так же использования различных пород древесины [97].

По результатам приведенных исследований модно сделать вывод, что долговечность фанеры недостаточно изучена и нет надёжной методики её прогнозирования, а также единых рекомендаций по увеличению срока эксплуатации в строительных изделиях.

1.9 Постановка цели и задач работы.

В настоящее время для расчета и прогнозирования несущей способности строительных материалов, а так же изготовляемых из них, изделий и конструкций используются следующие методики:

— Феноменологическая, предлагающая непосредственное использование для анизотропных тел известных уравнений теории упругости, ползучести и т. д. При этом считается, что разрушение твёрдых тел является критическим событием, наступающим, когда действующие в материале напряжения достигают некоторой предельной величины.

— Теории деформирования и разрушения, базирующиеся на структурных представлениях. При этом применяются положения температурно-временной суперпозиции.

— Методика прогнозирования долговечности по законам кинетики старения. При этом изменение давления набухания непосредственно отражает потерю или образование внутриструктурных связей в материале. Установлено, что давление набухания изменяется по экспоненциальной зависимости под действием температуры, влаги и коррозионных агентов.

— Методика прогнозирования прочности строительных композиционных материалов с использованием полиструктурной теории. Согласно этой теории зависимость свойств композитных материалов на уровне микроструктуры может быть представлена в виде функции от степени наполнителя, его дисперсности и интенсивности взаимодействия с вяжущим.

Наибольшее распространение получила первая методика — предельных состояний, в которой используется понятие «предельной прочности» и «предельной деформации». Однако согласно кинетической концепции решающее действие в процессе разрушения и деформирования принадлежит не нагрузке, а тепловым флуктуациям. Поэтому при разработке методики прогнозирования долговечности фанеры целесообразно использовать представления и положения этой концепции. При этом необходимо учитывать анизотропность состава и структуры фанеры.

Целью работы является разработка общей методики прогнозирования долговечности фанеры для строительных изделий в эксплуатационном диапазоне нагрузок и температур, а так же при дополнительном воздействии климатических факторов.

В соответствии с целью диссертационной работы определены следующие задачи:

1) с позиции термофлуктуационной концепции твёрдого тела изучить закономерности разрушения фанеры при различных видах нагружения в эксплуатационном интервале напряжений и температур;

2) с позиции кинетической концепции исследовать закономерности критического деформирования фанеры при различных видах нагружения в эксплуатационном интервале напряжений и температур;

3) изучить влияние жидких активных сред на прочность и долговечность фанеры;

4) исследовать влияние теплои фотостарения на прочность и долговечность фанеры;

5) изучить влияние климатических факторов (циклических температурно-влажностных воздействий) на константы, определяющие долговечность фанеры;

6) на основе исследованных физико-химических закономерностей разрушения и деформирования предложить способ повышения долговечности фанеры модификацией пропиткой.

2 МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ.

Согласно поставленной цели и задачам, приведены основные виды воздействий и параметров для фанеры в строительных изделиях (таблица 2.1).