Прогнозирование прочности и долговечности строительной фанеры.

Аннотация: В данной работе исследованы закономерности прочностной и деформационной долговечности фанеры в широком диапазоне нагрузок и температур. Получены значения физических и эмпирических констант, определяющих ее долговечность. Изучено влияние различных эксплуатационных факторов на величины констант, что позволяет прогнозировать долговечность фанеры.

Фанера нашла широкое применение в строительных изделиях, ограждающих и несущих конструкциях. Одним из преимуществ данного материала является существенная экономия деловой древесины. Поэтому продажа фанеры увеличивает свои темпы с каждым годом. В процессе эксплуатации изделия из фанеры могут находиться под действием кратковременных или длительных нагрузок, температур и других внешних факторов (агрессивные жидкие и газообразные среды, УФ-облучение и т.д.), которые приводят их к предельному состоянию (критическому деформированию или разрушению).

Для фанеры резко проявляется температурно-временная зависимость прочности (предела текучести), поэтому для разработки методики прогнозирования ее долговечности необходимо использовать термофлуктуационную концепцию разрушения и деформирования твердых тел.

При нагружении древесины различными постоянными нагрузками экспериментально полученная кривая длительного сопротивления имеет асимптотический характер. Для фанеры характер зависимости сохраняется, однако величина предела длительного сопротивления существенно больше чем у древесины. Повышение предела длительного сопротивления у фанеры, по-видимому, связано с многослойной структурой материала и ступенчатым механизмом его разрушения.

Фанеру различной слоистости (на фенолоформальдегидной и карбомидоформальдегидной смолах) испытывали на долговечность (время до разрушения или достижения заданной деформации) при поперечном изгибе и пенетрации в режиме заданных постоянных напряжений и температур. Экспериментально полученные зависимости логарифма долговечности от напряжения (твердости) (рис. 1) описываются уравнением

  где τm ,U0, γ и Тm – физические константы материала: τm – минимальная долговечность (период колебания кинетических единиц – атомов, групп атомов, сегментов), с; U0 – максимальная энергия активации разрушения, кДж/моль; γ – структурно-механическая константа, кДж/(моль МПа); Тm – предельная температура существования твердого тела (температура разложения), К; R – универсальная газовая постоянная, кДж/(моль К); τ – время до разрушения (долговечность), с; σ – напряжение (твердость), МПа; T – температура, К.

Слоистое строение композита приводит к сложному механизму разрушения и деформирования. Так, в интервале напряжений (130…160 МПа) наблюдается послойное разрушение, а в интервале напряжений (90...130 МПа) фанера работает как монолитный материал. При пенетрации одновременно протекают два про- цесса: критическое деформирование (интервал твердости 17,5…20 МПа) и разрушение (интервал твердости 22…25 МПа), что подтверждается микрофотографиями испытанных образцов.

Влияние количества слоев на долговечность и механизм разрушения исследовано для фанеры ФК (рис. 2). Напомним, что для исследования использовалась трехслойная фанера 3 мм и трехслойная фанера 4 мм, пятислойная фанера 5 мм и 6мм, семислойная фанера 9 мм и 8мм, девятислойная фанера 10 мм и 12 мм. Из рисунка видно, что зависимость долговечности от напряжения при разном количестве слоев имеет характер параллельных прямых, что указывает на постоянство константы γ, определяющей физическую структуру фанеры. Нелинейное падение долговечности композита с увеличением количества слоев, по-видимому, связано с кинетикой деструкции клеевой прослойки и увеличением количества дефектов в шпонах.

Графоаналитическим способом для всех исследованных материалов определены физические константы, значения которых представлены в табл. 1.

Из таблицы видно, что при больших напряжениях разрушение фанеры определяется физическими свойствами смолы (клея), а не древесного шпона. Это отражается на величинах всех констант (см. табл. 1). В интервале напряжений более 130 МПа U0 близка к величине максимальной энергии активации смолы, а в интервале менее 130 МПа – к энергии активации разрушения целлюлозы. Значения остальных констант подтверждают изменение механизма разрушения фанеры при определенных граничных напряжениях: происходит увеличение τm , γ и уменьшение Тm . Для фанеры ФСФ характерны большие величины энергии активации, что вызвано явлением кратности – одновременно происходит разрушение не одной, а нескольких химических связей.

С увеличением количества слоев, величины энергии активации U0 и структурно-механической константы γ увеличиваются, а температуры полюса Тm падают (табл. 2). Увеличение U0, по-видимому, связано с количеством клея определяющего кинетику его термодеструкции. Увеличение γ связано с ростом вероятности образования дефектов в массе шпона, что и приводит к снижению однородности структуры.

При пенетрации фанеры (см. табл. 1) в области малых нагрузок (< 20 МПа) определяющими являются деформационные процессы. Это проявляется в значениях всех констант: так энергия активации (в 7 раз), структурно-механическая константа (в 10 раз) больше, а температура полюса (в 1,5 раза) меньше аналогичных констант при напряжениях более 20 МПа. Величины констант U0, γ и Тm в области больших напряжений (> 20 МПа) близки значениям констант, определяющим процесс разрушения. Это подтверждает ведущую роль процесса разрушения при пенетрации в области напряжений выше 20 МПа.

Таблица 1.

Физические константы фанеры при разных видах нагрузки.

В процессе эксплуатации фанера часто подвергается дополнительным внешним воздействиям (жидких агрессивных сред, атмосферной влаги, термо- и фото- старению). Исследование влияния жидких агрессивных сред на прочность и долговечность фанеры показало следующее. Фанера стойка к действию органического растворителя и машинного масла и резко снижает прочность в кислотах и щелочи. При взаимодействии со щелочью вначале происходит изменение цвета и размягчение материала, а затем и его коробление. При воздействии кислот происходит расслоение образцов, то есть разрушение клеевых прослоек.

Таблица 2.

Значения физических констант при поперечном изгибе

 Следует отметить, что характер зависимостей долговечности от напряжения и температуры до и после воздействия среды сохраняется, однако наблюдается изменение величин всех физических констант, что и приводит к падению долговечности фанеры. Значения физических констант после воздействия кислоты представлены в табл. 1. Из нее видно, что воздействие ортофосфорной кислоты приводит к падению энергии активации, а также структурно-механической константы в интервале температур более 40 °С. Уменьшение величин констант (отсутствие явления кратности) для фанеры, по-видимому, связано с частичным разрушением связей от воздействия кислоты. При проведении длительных испытаний в натурных условиях действие атмосферной воды и колебания температуры на долговечность фанеры можно учесть с помощью поправки и тогда уравнение для долговечности примет вид

где Δ – поправка, учитывающая действие дополнительных внешних факторов.

Величина поправки в интервале напряжений >135 МПа (составила 0,6), а в интервале напряжений <135 МПа (определяется по формуле Δ = 1145σ – 12,64).

Исследование влияния циклов замораживания–оттаивания на долговечность и механизм разрушения фанеры показало, что после 60 циклов зависимость логарифма долговечности от напряжения, также описывается уравнением (1). Характер данной зависимости упростился: нет изломов, то есть во всем диапазоне напряжений материал работает как монолитный. Это, по-видимому, связано с нарушением связей между полимером и древесным шпоном, что также подтверждается увеличением коэффициента теплового расширения (в 1,5 раза). Отрицательное действие замораживания–оттаивания на коэффициент теплового расширения проявляется уже на 30 цикл (табл. 3)

Таблица 3.

Влияние замораживания–оттаивания на коэффициент линейного термического расширения фанеры, 1/ °С

После многократного замораживания–оттаивания величины трех констант (τm, U0 и γ) падают. Снижение предэкспоненты τm связано с колебанием частиц меньшего размера, то есть произошло разрушение связей и размер кинетических единиц уменьшился. Падение энергии активации U0 и структурно-механической константы γ объясняется снижением энергетического барьера за счет увеличения расстояния между частицами под действием воды, а также возникновением концентраторов напряжений при ее замерзании. Такое поведение констант приводит к падению прочности и долговечности фанеры.

Существенное влияние на долговечность фанеры оказывают термо- и фото- старение. Тепловое старение (при +80 °С) и УФ-облучение образцов проводилось в течение 10…200 ч. После заданного времени воздействия образцы испытывались на прочность (твердость) и долговечность. Результаты испытаний представлены в табл. 4 и 5

Таблица 4.

Влияние старения на механические характеристики фанеры марки ФК

  Таблица 5

Поправки, учитывающие влияние термо- и фотостарения на долговечность фанеры марки ФК

Из табл. 4 видно, что термо- и фотостарение приводит к росту прочности и твердости фанеры. Причем наиболее существенное влияние оказывает теплостарение. Повышение прочности композита под воздействием повышенных температур, по-видимому, связано с доотверждением связующего, а при действии УФ- облучения наличием древесного шпона, выполняющего защитную функцию.

В табл. 5 приведены поправки, учитывающие влияние старения на долговечность фанеры.

Полученные результаты позволяют прогнозировать прочность, долговечность и деформативность фанеры в широком диапазоне нагрузок и температур при дополнительных неблагоприятных воздействиях (агрессивной среды, климатических факторов, старения).

В.П. Ярцев, О.А. Киселева, А.В. Сузюмов
Кафедра «Конструкции зданий и сооружений», ГОУ ВПО «ТГТУ»