С момента своего появления как разумного существа человек использовал имеющиеся доступные естественные природные материалы для устройства жилища, его обогрева, для изготовления простейших орудий труда, предметов мебели, добычи природной пищи на охоте и рыбалке, позднее – для строительства зданий и сооружений, мостов, военных и торговых судов, фортификационных сооружений, сохранившихся до наших дней. Наиболее широко использовалось в качестве строительного материала дерево.
Несколько сотен лет назад венецианские строители использовали российскую лиственницу для сооружения фундаментов стоящих и поныне дворцов, картинных галерей, музеев, соборов, жилых домов.
Свойства разбухания древесины при увлажнении издавна использовались человеком для изготовления герметичных винных бочек, судов, ёмкостей для воды, в качестве клиньев для разлома камней в каменоломнях.
Из истории известны случаи использования дерева для изготовления пушек сибирскими партизанами в годы гражданской войны. Прочности дерева хватало на производство 1–2 выстрелов, но и этого оказывалось достаточно, учитывая нехватку такого вооружения.
Одним из известных примеров современной истории нашей страны можно назвать строительство велотрека в Крылатском перед Олимпийскими Играми 1980-го года в Москве. Высокая стоимость зарубежного материала способствовала поиску отечественной древесины с требуемыми свойствами. Выбор был сделан в пользу лиственницы сибирской, из которой были получены радиальные пиломатериалы, уложенные в покрытие трека. Такие пиломатериалы были использованы для изготовления пола в каминном зале Санкт-Петербургской лесотехнической академии. После 15 лет эксплуатации пол находится в прекрасном состоянии.
Особенности природных материалов
Природа в процессе эволюции создала совершенные биологические конструкции, обладающие высокой прочностью (панцирь черепахи, кости скелетов животных и человека, прочные костные оболочки черепов, легкие и прочные конструкции костных скелетов птиц, мощные челюстные кости хищников и т.д.).
Человек в своей деятельности создаёт подобные искусственным путём и добивается максимальной прочности при минимальном весе конструкции.
В природе такие материалы формируются естественным путём. Наиболее прочные волокна костных тканей животных и человека, древесины и других материалов растительного происхождения совпадают по направлению с главными напряжениями и деформациями.
Изучая строение природных конструкций, человек создаёт материалы с наперёд заданными свойствами, необходимые для создания современных конструкций и сооружений. Примерами высокопрочных конструкций из дерева служат фанера, древесно-слоистые пластики, клееные балки из шпона, фермы, гнутоклееные конструкции. Наибольшее развитие получило создание композиционных материалов с использованием металлов, полимеров, стекловолокон, волокон углерода, бора и т.д. Композиционный материал, например, на основе алюминия, армированного волокнами бора диаметром 3–6 мкм, обладает прочностью конструкционных сталей при объёмном весе алюминия и применяется в авиа- и ракетостроении.
При проектировании изделий несущие нагрузку армирующие волокна должны быть сориентированы таким образом, чтобы их высокая прочность была оптимально использована с учетом геометрической формы изделия, выбранной при проектировании.
Армированные пластмассы состоят из смолы и волокнистого каркаса. Существует достаточно широкий выбор смол и волокнистых материалов, что позволяет получать композиционные материалы с довольно широким диапазоном свойств. Такие материалы отличаются от традиционных высокой удельной прочностью, антикоррозионной стойкостью.
Композиционные материалы наряду с целым набором положительных свойств имеют и серьезный недостаток – для их изготовления потребуются значительные капитальные затраты.
Повышение прочности и жёсткости конструкций при минимальном расходе материала можно наблюдать на примере костей скелета птиц, у которых костные ткани разнесены от центров сечений на периферию, т.е. для повышения их прочности и жёсткости природа сделала эти кости полыми, добившись при этом минимума расхода строительного материала.
Широкое применение в технике получают изделия, изготовленные из стеклопластиков, в том числе и намоточных, которые своим строением, цилиндрической анизотропией похожи на древесину с ее годичными слоями.
Наиболее широко распространённый в строительстве материал, которым является древесина, является предварительно напряжённой, созданной природой конструкцией, находящейся в соответствующем напряжённо-деформированном состоянии. Этому состоянию соответствуют размеры и формы сечений ствола дерева, оно проявляет себя в технологии производства изделий из древесины и в процессе эксплуатации готовых изделий.
На сегодня нет исследований, в которых изучалось бы влияние напряжённо-деформированного состояния, сформировавшегося в процессе роста дерева, на прочность и жёсткость изделий и заготовок из древесины, их качество. Неизвестным остаётся напряжённо-деформированное состояние каждой доски, выпиливаемой из бревна.
Одной из главных целей изучения свойств древесины как природного армированного материала является определение путей ее рационального использования с учетом анизотропии, которую необходимо оптимизировать в механических тканях опорных элементов живых организмов в процессе эволюционного развития.
Стеклопластики на основе эпоксидных олигомеров сочетают в себе высокую прочность с относительно небольшой плотностью, хорошую стойкость к динамическим нагрузкам и резким перепадам температур, высокую химическую стойкость. Тонкие высокопрочные стеклянные волокна обеспечивают прочность и жёсткость стеклопластика, а синтетическое связующее придаёт материалу монолитность, способствует более эффективному использованию прочностных свойств стеклянных волокон, защищает волокна от внешних воздействий, а также само воспринимает часть усилий, развивающихся в материале при работе под нагрузкой. Для более широкого использования изделий из эпоксидного стеклопластика в гражданском строительстве необходимо улучшение его теплофизических свойств. Авторы исследования [5] разработали связующее для конструкционного стеклопластика, эксплуатационная устойчивость которого сохраняется до температуры 200 °С.
Получение стекловолокнистых композиционных материалов обеспечивает высокую прочность и малый объемный вес изделия благодаря использованию высокопрочных стекловолокон и органического либо неорганического связующего. Недостаток эластичности стекловолокон требует поиска и применения для армирования композитов других волокнистых материалов. В практике могут быть использованы нити из углерода, бора, асбеста, базальта, керамики и некоторых известных металлов и их сплавов. Однако только армирование стекловолокнами обеспечивает высокую прочность и низкую стоимость изделия.
Совокупность этих качеств стекловолокнистых композитов делает их незаменимыми в строительстве. Самая высокая прочность у стеклянных волокон среди волокнистых материалов на разрыв составляет по данным [2] 1370–1500 МПа.
Одним из положительных качеств стеклопластиков является их низкая чувствительность к надрезам и другим концентраторам напряжений. По сравнению со стеклопластиками стальные сплавы при напряжениях близких к предельному (пределу текучести при растяжении) имеют более высокую чувствительность.
Известен технологический способ получения армированного композиционного материала путем намотки нитью, проволокой, лентой, тканью с пропиткой либо смачиванием смолистым веществом. Композиционные материалы, полученные намоткой, могут быть использованы в конструкциях гражданского и военного назначения. Из композиционных материалов могут изготавливаться корпуса турбин, обтекатели гребного винта, столбы для тентов, тепловые экраны, трубы и емкости для жидкостей, железнодорожные цистерны, цистерны-хранилища для кислот, щелочей, солей, нефти и др., баллоны высокого давления, корпуса аккумуляторов, корпуса лодок, автомобилей, понтоны, кожухи вентиляторов, рессоры для легковых и грузовых автомобилей, трубопроводы для химических жидкостей, опоры подвесных дорог и др. Не менее широким является перечень изделий военного назначения. Корпуса самолетов гражданской авиации на 80 % изготовлены из композиционных материалов.
В строительных материалах растительного происхождения необходимо учитывать начальные напряжения, сформировавшиеся в процессе роста. Это позволяет рационально использовать материал, сократить его неоправданные потери в технологии обработки, повысить его качество и прочность.
Для этого нужно шире использовать некоторые бионические принципы и закономерности. Например, принцип траекториального строения [5], когда наиболее прочные волокна материала расположены в нём в соответствии с геометрией поля перемещений по траекториям главных деформаций. Или принцип резильянса в конструктивных элементах, согласно которому строение материала должно обеспечивать им свойства накапливать максимальное количество энергии упругой деформации без разрушения. В костях человека и животных, в деревьях наиболее прочные волокна ориентированы вдоль направления главных напряжений.
Древесина, например, в направлении вдоль волокон проявляет свойства хрупкого материала, у которого прочность при растяжении и сжатии различна, следует ожидать, что напряжённо-деформированное состояние (НДС) в процессе роста позволяет, например, при ветровой нагрузке и раскачивании дерева уменьшить напряжение в его более слабой (сжатой) зоне и увеличить их в более прочной (растянутой). За счёт этого, в частности, повышается жизнестойкость деревьев.
Научные исследования В.Г. Темного [5] позволили установить «бионический принцип регулирования параметров НДС конструктивных систем», который определяет закономерность создания конструктивной материи на основе гармоничной связи внешних сил с внутренними, обеспечивая тем самым возможность получения конструкции с высокой работоспособностью и живучестью.
Пассивное регулирование параметров напряженно-деформированного состояния происходит за счёт использования физических свойств материала, за счёт изменения геометрии объекта при нагружении и разгрузке.
Активное регулирование параметров НДС происходит за счёт обратной связи, позволяющей перестроить геометрические схемы в соответствии с видом нагрузок, изменить плотность материала, модули упругости. В итоге обеспечивается оптимальный режим работы конструкции во времени. Для растущего дерева свойственны и активное и пассивное регулирование НДС, как и для всех объектов в живой природе. Композиционные материалы в числе других, в том числе и древесина в виде заготовок и готовых изделий, поддаются лишь пассивному регулированию. Получение математической модели напряженно-деформированного состояния, сформированного в процессе роста, например, дерева как растительного полимера и уже не изменяющегося во времени, позволит управлять параметрами НДС в заготовках и изделиях из композиционных материалов, предназначенных для строительства зданий и сооружений.
В механике деформируемого твердого тела известен метод фотоупругости, применяемый в исследованиях напряжений и деформаций в прозрачных и непрозрачных моделях реальных объектов из оптически активных материалов в проходящем либо отраженном луче поляризованного света. Метод позволяет получить интерференционную картину, на которой точки на изохромах – линиях одинакового цвета – характеризуются одинаковой величиной напряжения. Больший интерес в соответствии с названием данного исследования представляют другие линии, так называемые изоклины, характеризующие направление наибольшего главного напряжения. Таким образом, армирующие волокна в реальном объекте должны совпадать с изоклинами в модели этого объекта из оптически активных материалов, к которым относятся желатин, эпоксидная смола, некоторые полимеры. Высокой оптической активностью обладают модели из полиуретана. В зависимости от нагрузок, воспринимаемых элементами конструкций, с помощью моделирования и использования методов фотоупругости , применения лазерной техники, метода голографии можно наиболее рационально расположить армирующие волокна. В таком природном материале растительного происхождения, как древесина, направление наиболее прочных волокон фактически совпадает с направлением изоклин при моделировании.
Использование таких особенностей природных материалов при разработке композитов позволит получать новые материалы с наибольшей удельной прочностью.
При использовании композиционных материалов в строительстве предпочтение нужно отдавать материалам с продольным расположением армирующих волокон в деталях и конструкциях, работающих в условиях деформации изгиба – по аналогии со структурой древесины, но при этом обладающих гораздо большей прочностью и жесткостью.
Выводы
Использование волокнистой структуры в материалах в условиях максимальных конструктивных характеристик является велением времени. Армированные стеклопластики, например, имеют высокую прочность при малом весе вследствие использования высокой прочности стекловолокон, связанных органическим либо неорганическим связующим. Эти материалы обладают устойчивостью к химическим активным средам, хорошей атмосфероустойчивостью, отсутствием электропроводимости, хорошей технологичностью и одновременно с этим высоким отношением прочности к весу. Однако для их изготовления потребуются и большие капитальные затраты.
Волокна стеклопластика [4] можно ориентировать в изделиях в направлении наибольших напряжений, чем будет достигнута наибольшая прочность, как это происходит в природных материалах растительного происхождения.
Современные стальные сплавы чувствительны к надрезам при напряжениях близких к пределу текучести при растяжении. Стеклопластики являются очень ценным материалом в решении и этой проблемы.
Методами намотки стеклонитей и стеклоткани, например, могут быть изготовлены легкие высокопрочные декоративные строительные панели, столбы для осветительных фонарей, опорные колонны, перила, лестницы, трубы и цистерны для воды, обрешетка кровли зданий, корпуса вентиляторов и т.д.
Конструкционные пиломатериалы, получаемые из природного композиционного материала – древесины, находят все более широкое применение в промышленном и гражданском строительстве. Практика показывает, что значительный объем таких пиломатериалов используется в строительстве для изготовления несущих конструкций [3]. Применяются пиломатериалы разных сечений с необходимой прочностью, которая в значительной мере зависит от расположения волокон древесины по отношению к действующей нагрузке.