Тамбовский государственный технический университет
Прогнозирование долговечности фанеры в ограждающих и несущих строительных конструкциях
Киселева О.А.
Фанера нашла широкое применение в строительных изделиях, ограждающих и несущих конструкциях. Одним из преимуществ данного материала является существенная экономия деловой древесины. В процессе эксплуатации она находится под действием длительных нагрузок, температур и внешних факторов (колебания температуры, агрессивные среды, УФ облучение и т.д.), которые приводят к деформированию и разрушению материала.
Для фанеры резко проявляется температурно-временная зависимость прочности, предела текучести и отсутствует безопасное напряжение (напряжение, при котором долговечность становится бесконечно большой). Поэтому для разработки методики прогнозирования её долговечности использована термофлуктуационная концепция разрушения и деформирования.
1. Изучены закономерности разрушения и деформирования фанеры марки ФСФ и ФК в широком диапазоне постоянных напряжений и температур.
Рис.1 Зависимость долговечности от напряжения (твёрдости), а) при поперечном изгибе для фанеры (ФК); б) при поперечном изгибе для фанеры (ФСФ); в) при пенетрации.
Полученные экспериментальные данные в координатах логарифм долговечности от напряжения (твёрдости) представлены на рисунке 1. Из рисунка видно, что зависимости представляют собой семейства веерообразных прямых и описываются уравнением 1.
где фm , U0, г, Tт - физические константы материала: фm - минимальная долговечность (период колебания кинетических единиц - атомов, групп атомов, сегментов), с; U0 - максимальная энергия активации разрушения, кДж/моль; г -- структурно-механическая константа, кДж/(мольхМПа); Тт - предельная температура существования твёрдого тела (температура разложения), К; R -- универсальная газовая постоянная, кДж/(мольхК); ф - время до разрушения (долговечность), с; у-- напряжение, МПа; Т-- температура, К.
По полученным зависимостям графоаналитическим способом были определены физические константы, значения которых представлены в таблице 1.
Таблица.1 Значение физических констант для фанеры
|
Интервал температур, 0С |
Интервал напряжений (твёрдости), МПа |
Физические константы |
|||||
|
фm, С |
Tт, К |
U0, кДж/моль |
г, кДж/(МПа х моль) |
||||
|
При поперечном изгибе |
|||||||
|
ФСФ |
14-40 |
60-80 |
10-0,88 |
369 |
633 |
7 |
|
|
80-100 |
10-1 |
303 |
3518 |
45 |
|||
|
40-80 |
60-80 |
10-0,4 |
431 |
486 |
5,6 |
||
|
80-100 |
10-1,1 |
400 |
790 |
8 |
|||
|
ФК |
20-80 |
110-130 |
10-2.75 |
1010 |
209 |
1,4 |
|
|
140-150 |
10-1,81 |
435 |
480 |
2,86 |
|||
|
При пенетрации[3] |
|||||||
|
ФК |
22-50 |
17,5-20 |
10-2,15 |
445 |
560 |
24 |
|
|
22-25 |
10-1,6 |
662 |
78 |
2,26 |
|||
|
После воздействия ортофосфорной кислоты в течении трёх дней |
|||||||
|
ФСФ |
20-40 |
17-40 |
10-0,63 |
323 |
1752 |
45 |
|
|
40-80 |
10-0,57 |
610 |
138 |
3,88 |
Экспериментально и теоретически установлен различный механизм разрушения [2]. Так при поперечном изгибе в интервале напряжений 60-80 МПа (ФСФ) и!40-155 МПа (ФК) происходит послойное ее разрушение, а в интервале напряжений 80-100 (ФСФ) и 100-130 МПа (ФК) фанера работает как монолитный материал. При пенетрации одновременно протекают два процесса деформирование (интервал твёрдости 17,5-20 МПа) и разрушение (интервал твёрдости 22-25МПа). Из табл. 1 видно, что при больших напряжениях при разрушении фанеры определяющим являются свойства смолы (связующего), а не древесного шпона.
2. Было изучено влияние агрессивных сред и воды на долговечность фанеры при поперечном изгибе в режиме заданных постоянных напряжений и температур. фанера температурный прочность деформирование
Установлено резкое снижение прочности для фанеры в кислотах и щёлочи. Минимальное воздействие оказывают растворитель и отработанное машинное масло. Вода, кислоты и щёлочь наибольшее влияние оказывают на связующее, а растворитель и отработка машинного масла - на древесину, следовательно, изделия из фанеры необходимо изолировать от контакта с водой, щёлочью и кислотами. Действие воды на долговечность фанеры учтено поправкой (Д = 8,437).
Проведены длительные испытания в натурных условиях при колебании температуры от 14 до 80°С. В результате определены поправки для уравнения 1,позволяющие учитывать действие данного фактора. Они равны в интервале напряжений > 135 МПаО.6 и <135 МПа- 1145 о- 12,64.
Исследовано влияние термостарения на прочность фанеры. В результате установлено, что после воздействия повышенных температур (50°С) в течение 200часов прочность фанеры повышается на 16% [4]. Такое поведение материала, по-видимому, связано с протеканием релаксационных процессов, способствующих залечиванию технологических дефектов.
Полученные данные позволяют прогнозировать долговечность фанеры в широком диапазоне эксплуатационных параметров (нагрузка, температура и время), с учётом неблагоприятных воздействий (агрессивная среда и климатические факторы).
Список литературы
Ратнер С. Б., Ярцев В. П. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособность? - М.: Химия, 1992. - 320 с.
Ярцев В.П., Киселёва О.А., Сашин М.А., Сузюмов А.В. Влияние структуры на механизм разрушения древесных композитов // Актуальные проблемы современного строительства: Материалы междунар. научно-техн. конф. - Пенза: ПГАСА, 2005. - С. 134-138.
Ярцев В.П., Киселёва О.А., Сузюмов А.В. Закономерности длительного деформирования древесных пластиков // Пластические массы. Синтез. Свойства. Переработка. Применение. - Москва, 2004. № 10. - С. 43-45.
Ярцев В.П., Киселёва О.А., Рындин В.О., Сузюмов А.В. Влияние температуры и влаги на старение древесных плит и фанеры //Композиционные строительные материалы. Теория и практика: Сб.научных трудов Международной научно - техн. конф. - Пенза, 2004. -- С.126-128.