Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Древесина является одним из важнейших строительных материалов. Различные породы древесины используются для изготовления строительных конструкций, отделочных материалов, мебели и т.д. Древесина обладает высокой прочностью при действии сжимающих и растягивающих напряжений. Показатели прочности данного материала зависят от направления механических сил по отношению к расположению волокон, а также изменяются при увлажнении и высушивании [1].

Длительное сопротивление древесины воздействиям нагрузок при естественных условиях влажности и температуры является основной характеристикой этого материала, определяющей его применение в строительных конструкциях [3].

Настоящая работа посвящена исследованию прочности древесины различных пород при выдерживании в условиях повышенной влажности.

В ходе работы была исследована прочность при сжатии вдоль и поперек волокон и при изгибе образцов девяти пород древесины (береза, красное дерево, сосна, ель, ясень, дуб, вяз, клен, липа). На каждый этап испытаний было изготовлено по 5 образцов размерами 1×1×3 см. Изготовление и подготовка образцов древесины к испытаниям соответствовали ГОСТ 16483.0 «Древесина. Методы испытаний. Общие требования». Исследования проводились на базе лаборатории строительных материалов и изделий ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева» и лаборатории микробиологического анализа отдела химико-биологических исследований НИИ химии ФГАОУ ВО «ННГУ им. Н.И. Лобачевского». Испытания на прочность проводились на прессе ПСУ-10 (10 т).

Древесина вследствие волокнистого строения отличается высокой прочностью при сжатии вдоль волокон и значительно меньшей – поперек волокон. При сжатии вдоль волокон деформация выражается в небольшом укорочении образца. Разрушение при сжатии начинается с продольного изгиба отдельных волокон, которое во влажных образцах из мягких и вязких пород проявляется как смятие торцов и выпучивание боков, а в сухих образцах и в твёрдой древесине вызывает сдвиг одной части образца относительно другой. В среднем для всех отечественных пород при влажности древесины 12 % предел прочности при сжатии вдоль волокон составляет около 50 МПа [1, 3].

На первоначальном этапе исследования было установлено, что средние значения прочности при сжатии вдоль волокон варьируются в пределах от 63,8 МПа (сосна) до 98 МПа (ясень).

Результаты исследования образцов древесины, выдерживаемых в условиях повышенной влажности на прочность при сжатии вдоль волокон, представлены на рис. 1.

Рис. 1. Изменение прочности при сжатии вдоль волокон образцов древесины различных пород при выдерживании в условиях повышенной влажности

Как видно из рис. 1, у образцов из березы, красного дерева и липы наблюдается снижение значения прочности при сжатии вдоль волокон в течение всего исследуемого периода. В целом за весь период испытаний данный показатель снизился на 8,2; 6,5 и 13,1 % соответственно.

У образцов из сосны и ели через месяц выдерживания в условиях повышенной влажности наблюдается увеличение исследуемого показателя на 12,9 и 13,9 % соответственно. Далее наблюдается снижение прочности, но и через 6 месяцев выдерживания значения исследуемого показателя превышают первоначальные: у сосны на 6,7 %, у ели на 4,2 %.

У остальных образцов на первоначальном этапе исследования наблюдается также незначительное повышение прочности. Так, у образов из ясеня прочность увеличилась на 3,1 %, дуба – 3,5 %, вяза – 1,9 %, клена – 0,3 %. Далее, как и у образцов из сосны и ели, наблюдается снижение исследуемого показателя. Через 6 месяцев прочность при сжатии вдоль волокон снизилась у образцов из ясеня на 9,9 %, дуба – 3,6 %, вяза – 4,1 %, клена – 12,9 % по сравнению с данными в начале исследования.

В целом за весь период исследования наибольшее изменение прочности при сжатии вдоль волокон по сравнению с первоначальными данными произошло у образцов из ясеня (около 10 %), клена и липы (более 12 %), а наименьшее – у образцов из ели, дуба и вяза (около 4 %).

Зависимость изменения прочности древесины при сжатии вдоль волокон от длительности выдерживания в условиях повышенной влажности можно выразить в виде уравнений регрессии. С помощью табличного процессора Excel было получено 5 уравнений регрессии. Результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1

Уравнения регрессии прочности древесины при сжатии вдоль волокон от длительности нахождения в условиях повышенной влажности

Из табл. 1 видно, что, согласно полученным коэффициентам детерминации R², зависимость прочности при сжатии вдоль волокон от длительности нахождения в условиях повышенной влажности для всех пород древесины наилучшим образом описывает параболическая (полиномиальная) функция.

Коэффициент а₁ показывает, насколько изменится прочность древесины при сжатии вдоль волокон при изменении длительности выдерживания на единицу времени, а коэффициент а₂ – ускорение, с которым данное изменение будет происходить. Таким образом, получается, что образцы из березы начнут терять свою прочность с самого начала нахождения в условиях повышенной влажности, а все остальные образцы первоначально несколько наберут прочность, но затем начнут ее терять с соответствующим коэффициенту а₂ ускорением.

Коэффициенты детерминации показывают, что полученные уравнения регрессии описывают вариацию значений прочности при сжатии вдоль волокон в условиях повышенной влажности для образцов из березы, красного дерева, клена и липы практически на 100 %, сосны – 91,2 %, ели – 93,7 %, ясеня – 78,8 %, дуба – 98,8 %, вяза – 85,6 %.

В местах врубок или соединений деревянных деталей с металлическими (под башмаками, болтами и др.) существенное практическое значение имеет прочность древесины при сжатии поперек волокон. За условный предел прочности при сжатии поперек волокон принимают напряжение, соответствующее пределу пропорциональности, т.е. максимальное значение напряжения на прямолинейном участке диаграммы. Условный предел в 6–10 раз меньше чем при сжатии вдоль волокон [1, 3].

До помещения образцов в условия повышенной влажности было установлено, что средние значения прочности при сжатии поперек волокон варьируются в пределах от 10,75 МПа (сосна) до 24,5 МПа (ясень).

Результаты исследования прочности образцов древесины, выдерживаемых в условиях повышенной влажности при сжатии поперек волокон, представлены на рис. 2.

Рис. 2. Изменение прочности при сжатии поперек волокон образцов древесины различных пород при выдерживании в условиях повышенной влажности

Как видно из рис. 2, у трех из девяти исследуемых образцов наблюдается снижение прочности при сжатии поперек волокон в течение всего периода исследования. У образцов из березы исследуемый показатель снизился на 12,5 %, из клена – на 13 %, из липы – на 18,5 % по сравнению с первоначальными данными.

Как и в предыдущем исследовании, образцы из сосны и ели через 1 месяц выдерживания показали рост прочности на 12,4 и 11,1 % соответственно. Затем пошло снижение показателя. Через 6 месяцев у образцов из сосны отмечается превышение первоначального значения прочности на 2,7 %, у образцов из ели данный показатель принял значение, равное первоначальному.

У остальных образцов древесины наблюдается незначительный рост прочности через 1 месяц выдерживания в условиях повышенной влажности (из красного дерева – 0,3 %, ясеня – 2,9 %, дуба – 3,4 %, вяза – 1 %) и снижение в последующий период. Через 6 месяцев прочность при сжатии поперек волокон у исследуемых образцов снизилась на 8,4; 12,2; 1 и 5 % соответственно по сравнению с первоначальными значениями.

В целом за весь период исследования наибольшее изменение прочности при сжатии поперек волокон по сравнению с первоначальными данными произошло у образцов из березы и ясеня (около 12 %), клена и липы (более 13 %), а наименьшее – у образцов из сосны, ели и дуба (от 0 до 3 %).

Таблица 2

Уравнения регрессии прочности древесины при сжатии поперек волокон от длительности нахождения в условиях повышенной влажности

Для описания зависимости прочности древесины при сжатии поперек волокон от длительности нахождения в условиях повышенной влажности также были получены уравнения регрессии (табл. 2).

На основе полученных результатов можно сделать вывод, что зависимость прочности образцов при сжатии поперек волокон от длительности нахождения в условиях повышенной влажности для образцов из березы можно описать с помощью двух функций – линейной и параболической (полиномиальной), а для всех остальных пород древесины наилучшей будет параболическая (полиномиальная) функция.

Коэффициент а1 показывает, насколько изменится прочность древесины при сжатии поперек волокон при изменении длительности выдерживания на единицу времени, а коэффициент а2 – ускорение, с которым данное изменение будет происходить. Как и в предыдущем исследовании, получается, что образцы из березы начнут терять свою прочность при сжатии поперек волокон с начала нахождения в условиях повышенной влажности, а все остальные образцы первоначально несколько наберут прочность, но затем начнут ее терять с соответствующим коэффициенту а2 ускорением.

Коэффициенты детерминации показывают, что полученные уравнения регрессии описывают вариацию значений прочности при сжатии поперек волокон в условиях повышенной влажности для образцов из березы, вяза, клена и липы практически на 100 %, красного дерева – 96,9 %, сосны – 79,6 %, ели – 90 %, ясеня – 75,8 %, дуба – 95 %.

При изгибе, особенно при сосредоточенных нагрузках, верхние слои древесины испытывают напряжение сжатия, а нижние – растяжения вдоль волокон. Примерно посередине высоты элемента проходит плоскость, в которой нет ни напряжения сжатия, ни напряжения растяжения. Эту плоскость называют нейтральной; в ней возникают максимальные касательные напряжения. Предел прочности при сжатии меньше, чем при растяжении, поэтому разрушение начинается в сжатой зоне. Видимое разрушение начинается в растянутой зоне и выражается в разрыве крайних волокон. Предел прочности древесины при статическом изгибе в зависимости от породы колеблется в пределах 70–150 МПа (при влажности 12 %). Увеличение влажности приводит к снижению предела прочности до 40–90 МПа (при влажности 30 % и выше) [1, 3].

На первоначальном этапе средние значения прочности при изгибе варьировались в пределах от 351 МПа (ель) до 801 МПа (ясень).

Результаты исследований прочности при изгибе образцов древесины, выдерживаемых в условиях повышенной влажности, представлены на рис. 3.

Рис. 3. Изменение прочности при изгибе образцов древесины различных пород при выдерживании в условиях повышенной влажности

Из рис. 3 видно, что у шести из девяти образцов древесины наблюдается снижение прочности при изгибе по сравнению с первоначальными значениями. За 6 месяцев у образцов из березы снижение произошло на 15,8 %, красного дерева – 11,8 %, сосны – 14,9 %, ясеня – 10,2 %, клена – 23 %, липы – 22,6 %.

У образцов из ели, дуба и вяза через 1 месяц после выдерживания наблюдается небольшой рост прочности при изгибе на 4,7; 1,6 и 2,7 % соответственно. Дальнейшее нахождение образцов в условиях повышенной влажности приводит к снижению исследуемого показателя. Через 6 месяцев данный показатель по сравнению с первоначальными данными снизился на 7,2 % у образцов из ели и на 7,4 % у образцов из вяза. Образцы из дуба показали незначительное снижение прочности при изгибе (1,2 %).

В целом за весь период исследования наибольшее изменение прочности при изгибе по сравнению с первоначальными данными произошло у образцов из клена и липы (около 23 %), а наименьшее – у образцов из дуба (1,2 %).

Для определения степени зависимости прочности древесины при изгибе от длительности нахождения в условиях повышенной влажности так же, как и в предыдущих исследованиях, были получены уравнения регрессии (табл. 3).

Таблица 3

Уравнения регрессии прочности древесины при изгибе от длительности нахождения в условиях повышенной влажности

Из результатов, представленных в табл. 3, следует, что для всех пород древесины, за исключением образцов из березы, наилучшей моделью для описания зависимости прочности при изгибе от длительности нахождения во влажных условиях является параболическая (полиномиальная) функция.

Из полученных уравнений видно, что для образцов из красного дерева, сосны и ясеня характерно снижение прочности при изгибе с начального этапа нахождения в условиях повышенной влажности. При этом у сосны и ясеня данное снижение будет проходить с отрицательным ускорением. Для всех остальных пород древесины характерны первоначальный набор прочности и последующее ее снижение с соответствующим коэффициенту а2 ускорением.

Также для образцов из красного дерева для описания подходит экспоненциальная модель. Согласно данной модели прочность при изгибе при выдерживании в условиях повышенной влажности будет иметь постоянный темп роста, равный минус 0,0422 МПа, т.е. равномерно снижаться.

Для образцов из березы наилучшей моделью для описания зависимости является степенная функция. Следовательно, с увеличением времени выдерживания образцов из березы в условиях повышенной влажности на 1 % прочность при изгибе снизится на 0,124 %.

Из полученных коэффициентов детерминации следует, что вариация значений прочности при изгибе от длительности нахождения в условиях повышенной влажности напрямую зависит у образцов из вяза и клена (R2 = 100 %), а также образцов из березы, красного дерева, ясеня и липы (более 98 %). У образцов из сосны данная вариация составляет 97 %, ели – 96,6 %. Наименьшую зависимость значений прочности при изгибе от длительности нахождения в условиях повышенной влажности показали образцы из дуба (R² = 72,3 %).

Из всех полученных зависимостей следует, что длительность нахождения в условиях повышенной влажности влияет наименьшим образом на изменение прочности при сжатии вдоль и поперек волокон образцов из ясеня, а прочности при изгибе – образцов из дуба.

На основе полученных результатов исследований можно сделать вывод, что из представленных образцов древесины наиболее прочными являются образцы из ясеня. Однако для применения в условиях повышенной влажности наиболее предпочтительными являются хвойные породы деревьев (сосна, ель), дуб и вяз. Применение березы, клена и липы в таких условиях без специальной защиты нецелесообразно.

Долговечную работу древесины в условиях повышенной влажности можно обеспечить за счет пропитки ее пористой структуры полимерными материалами [4, 5].

Работа выполнена в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 13-08-12097 «Исследование механизмов климатического старения и биодеструкции полимерных композитов на основе древесины методами динамической механической спектрометрии».

Рецензенты:

Калашников В.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Технология строительных материалов и деревообработки», Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, г. Пенза;

Монастырев П.В., д.т.н., профессор, директор института архитектуры, строительства и транспорта, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов.

Работа поступила в редакцию 23.09.2014.