Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса оценки и прогнозирования прочности, деформации древесно-цементных материалов и трёхслойных конструкций на их основе 23
1.1. Древесно-цементные теплоизоляционные материалы 23
1.2. Прочность и деформации древесно-цементных материалов 28
1.3. Методы прогнозирования прочностных и деформационных свойств древесно-цементных материалов 38
1.4. Факторы, влияющие на качество древесно-цементных материалов 51
1.5. Трёхслойные конструкции с теплоизоляционными слоями из древесно-цементных материалов и методы их расчёта 62
1.5.1. Трёхслойные конструкции с монолитной связью слоев 62
1.5.2. Трёхслойные деревянные конструкции 70
1.6. Выводы. Цель и задачи исследований 77
Глава 2. Теория прогнозирования прочности и деформации древесно-цементных материалов 81
2.1. Исходные представления 82
2.2. Постановка задачи 85
2.3. Метод условных моментов 88
2.4. Прочностные и деформационные свойства древесно-цементных материалов с минеральным наполнителем 92
2.4.1. Прочность и деформации материалов 92
2.4.2. Определение эффективных свойств компонентов древесно-цементного материала 103
2.4.3. Вычисление модулей упругости пористого древесно-цементного материала с минеральными добавками 106
2.5. Прочностные и деформационные свойства древесно-цементных материалов с трансверсально-изотропным заполнителем и изотропным вяжущим 108
2.5.1. Прочность и деформации материалов 108
2.5.2. Анализ зависимости упругих постоянных древесно-цементного материала от объёмного содержания компонентов 118
2.6. Влияние пористого цементного камня на свойства древесно-цементного материала 121
2.7. Оценка прочности древесно-цементных материалов
по разрушению компонентов 124
2.7.1. Напряжения и деформации в компонентах 124
2.7.2. Оценка прочности по разрушению одного компонента .130
2.7.3. Оценка прочности по полному разрушению древесно-цементного материала 132
2.8. Выводы по главе 135
Глава 3. Прочностные и деформационные свойства древесно-цементных материалов 137
3.1. Материалы и технология изготовления образцов 138
3.2. Подбор оптимальных соотношений компонентов 143
3.3. Прочностные свойства древесно-цементных материалов . 149
3.3.1. Прочность при сжатии 149
3.3.2. Призменная прочность при осевом сжатии 164
3.3.3. Прочность при осевом растяжении 167
3.4. Деформационные свойства древесно-цементных материалов . 169
3.4.1. Начальный модуль упругости и коэффициент Пуассона . 170
3.4.2. Усадка 176
3.5. Прочность сцепления фиброцементной массы
с древесными плитами 181
3.6. Выводы по главе 187
Глава 4. Трёхслойные конструкции с монолитной связью слоев 190
4.1. Теоретические исследования прочности и деформации .190
4.1.1. Сжатые стеновые конструкции 193
4.1.2. Изгибаемые панели-перемычки 198
4.2. Методика экспериментальных исследований 205
4.2.1. Опытные трёхслойные конструкции 205
4.2.2. Испытания стеновых конструкций и перемычек 210
4.2.3. Измерения при испытаниях конструкций 214
4.3. Анализ экспериментальных результатов 218
4.3.1. Прочность и деформации сжатых стеновых конструкций 218
4.3.2. Прочность, деформации и трещиностойкость панелей - перемычек 224
4.4. Оценка экспериментальных результатов с использованием разработанной методики расчёта и СНиП 2.03.01 - 84 233
4.4.1. Стеновые конструкции 234
4.4.2. Панели - перемычки 238
4.5. Выводы по главе 242
Глава 5. Трехслойные деревянные конструкции 244
5.1. Теоретические исследования прочности и деформации 244
5.1.1. Напряжённое состояние конструкций стен и перекрытий 245
5.1.2. Деформации конструкций стен 251
5.1.3. Деформации конструкции перекрытий 252
5.2. Методика экспериментальных исследований 261
5.2.1. Трёхслойные стеновые конструкции 262
5.2.2. Испытания стеновых конструкций на сжатие 265
5.2.3. Испытания использованной партии древесных плит и древесины каркаса 267
5.2.4. Трёхслойные конструкции перекрытий 274
5.2.5. Испытания конструкций перекрытий на изгиб 277
5.3. Анализ результатов испытаний стеновых конструкций на сжатие 280
5.3.1. Прогибы стеновых конструкции под нагрузкой 280
5.3.2. Напряжения в элементах составного поперечного сечения панелей стен 282
5.3.3. Прочность и характер разрушения 284
5.4. Анализ результатов испытаний панелей перекрытий на изгиб 290
5.4.1. Прогибы конструкций под нагрузкой 291
5.4.2. Напряжения в элементах составного поперечного
сечения панелей перекрытий 293
5.4.3. Прочность и характер разрушения 298
5.5. Сравнение опытных данных по прочности, деформациям с теоретическими по разработанной методике расчёта и СНиПИ-25-95 300
5.5.1. Стеновые конструкции 301
5.5.2. Конструкции перекрытий 306
5.6. Выводы по главе 313
Глава 6. Изготовление, разработка и применение трёхслойных конструкций с утеплителем из древесно-цементного материала 315
6.1. Трёхслойные конструкции с монолитной связью слоев 315
6.1.1. Технология изготовления монолитных стен 316
6.1.2. Разработка монолитных стеновых конструкций 324
6.2. Трёхслойные деревянные конструкции 330
6.2.1. Технология изготовления трёхслойных деревянных панелей 330
6.2.2. Разработка стеновых конструкций 334
6.2.3. Разработка конструкций перекрытий 338
6.3. Опытно-производственные работы по внедрению результатов исследований 342
6.4. Технико-экономические показатели внедрения результатов исследований 348
6.5. Выводы по главе 352
Заключение 354
Литература
- Методы прогнозирования прочностных и деформационных свойств древесно-цементных материалов
- Прочностные и деформационные свойства древесно-цементных материалов с минеральным наполнителем
- Подбор оптимальных соотношений компонентов
- Опытные трёхслойные конструкции
Введение к работе
Основной областью рационального применения древесно-цементных материалов, где наиболее эффективно используются их прочностные и деформационные свойства, является, прежде всего, малоэтажное строительство, где изделия из этих материалов используются во всех конструкциях, за исключением фундаментов.
Большое многообразие факторов, влияющих на качество древесно-цементных материалов, обуславливает широкий спектр их физико-механических свойств. Не касаясь физических свойств древесно-цементных материалов, а затрагивая только механические, следует отметить, что прочность и деформации древесно-цементного материала являются интегральными характеристиками, которые как итоговый результат испытаний, определяют не только поведение его при нагрузке, но важны для определения надёжности работы в условиях эксплуатации, оценки долговечности, трещиностоикости и других свойств материала.
Важнейшим фактором, определяющим высокую технико-экономическую эффективность применения древесно-цементных материалов, является наличие в стране богатой сырьевой базы самовозобновляющегося материала - древесины, отходов сельскохозяйственного производства (костры конопли, льна, стеблей хлопчатника, рисовой соломы, сечка камыша, тростника и др.), позволяющих широко организовать производство строительных изделий из них.
В практике применения древесно-цементных материалов в малоэтажном строительстве получили развитие принципиально новые направления: монолитные трёхслойные конструкции с теплоизоляционным древесно-цементным слоем и наружными слоями из конструкционных бетонов; трёхслойные конструкции с деревянным каркасом теплоизоляционным древесно-цементным слоем и обшивками из древесных плит (фанеры, цементностружечных плит, древесноволокнистых плит и др.).
Трёхслойные конструкции с теплоизоляционными слоями из древесно-цементных материалов с позиций восприятия комплекса воздействий, которым они подвергаются, более рациональны. В такой конструкции функции материалов разграничены, что позволяет полнее использовать потенциальные возможности отдельных материалов. Внутренний теплоизоляционный слой из древес-но-цементного материала в трехслойных конструкциях надежно защищен от возгорания и влагопоглощения, что повышает их долговечность и надежность в эксплуатации.
Развитие принципиально новых направлений в малоэтажном строительстве потребовало в процессе организации массового производства решения ряда научных и технических вопросов по повышению несущей способности стен, перекрытий, определению их прочностных и деформационных свойств, а также разработки специальных технологических приемов возведения монолитных стеновых конструкций и изготовления трёхслойных деревянных конструкций.
Проведенные в этом направлении отечественные и зарубежные исследования относятся к другим теплоизоляционным материалам среднего слоя. Отличие от работы аналогичных строительных конструкций в первую очередь определяется свойствами используемых древесно-цементных материалов, другими конструктивными решениями. Эти факторы имеют существенное значение, как для напряженно-деформированного, так и предельного состояния трёхслойных конструкций.
Основой дальнейшего развития и совершенствования качественных характеристик древесно-цементных материалов и трёхслойных конструкций на их основе является снижение материалоемкости конструкций. Выполнение этого требования прямо или косвенно связано с повышением несущей способности материалов, которая определяется такими свойствами, как жесткость, прочность, трещиностойкость, коррозионная стойкость и др.
Одним из факторов, реализующим направление по снижению материалоёмкости, является совершенствование методов расчёта сжатых и изгибаемых трёхслойных конструкций с монолитной связью слоев и трёхслойных деревянных конструкций, нормативная методика расчёта которых в первом случае не учитывает конструктивных особенностей трёхслойной монолитной панели, в частности панелей - перемычек, а во втором завышает расход высокосортной древесины на изготовление деревянного каркаса.
Знание точной картины напряженно-деформированного состояния позволяет использовать конструктивные приёмы, повышающие жесткость и несущую способность панелей. Одним из таких приемов для трёхслойных стеновых деревянных конструкций является соединение стоек каркаса с обвязками на шип. Применение шипового соединения вертикальной стойки и обвязки позволяет значительно снизить материалоемкость конструкции, по сравнению с типовыми.
Дальнейшее совершенствование трёхслойных конструкций также должно быть направлено на поиски путей повышения прочности, снижения средней плотности и деформаций, в первую очередь, древесно-цементных материалов, которые применяются в среднем слое, при обеспеченной прочности и надёжности конструкций в целом.
Все эти моменты нашли отражение в разработанных и исследованных древесно-цементных материалах и трёхслойных конструкциях на их основе настоящей работы.
Актуальность диссертационной работы определяется тем, что создание древесно-цементных материалов и трёхслойных конструкций на их основе с заданными прочностными и деформационными свойствами для реальных условий эксплуатации - это важная научно-прикладная задача, позволяющая выработать единый, обобщенный подход в решении таких практических вопросов, как разработка, проектирование трёхслойных конструкций с длительным сроком службы и изготовление их по существующей технологии.
Научное направление, развиваемое в диссертации, может быть сформулировано следующим образом: исследование механики процесса разрушения и характера напряжённо-деформированного состояния древесно-цементных материалов и трёхслойных конструкций с их применением на основе объединения механического и статистического подходов на базе механики твёрдого тела. Указанное научное направление было практически не разработано.
Целью диссертационной работы является создание и реализация научно обоснованного подхода расчёта, прогнозирования, целенаправленного конструирования или отбора материала, более аргументированная оценка прочностных и деформационных свойств древесно-цементных материалов и трёхслойных конструкций на их основе.
В соответствии с указанным выше научным направлением и сформулированными проблемами теории и практики прочности и деформации древесно-цементных материалов и трёхслойных конструкций на их основе в работе решались следующие основные задачи, которые автор выносит на защиту:
• исследовать закономерности изменения прочности и деформации древесно-цементных материалов в зависимости от упругих постоянных и прочностных свойств компонентов, составляющих материал с учётом их объёмных концентраций в нём;
• разработать метод подбора оптимального состава древесно-цементных материалов, позволяющий проводить как научные исследования, так и осуществлять оперативный, управляющий контроль технологических параметров для регулирования их составов;
• установить закономерности изменения напряженно-деформированного состояния, трещиностойкости трёхслойных стеновых конструкций и панелей — перемычек с монолитной связью слоев в зависимости от их конструктивного решения при продольном сжатии и изгибе от кратковременных силовых воздействий;
• установить закономерности изменения напряженно-деформированного состояния трёхслойных деревянных конструкций стен и перекрытий в зависимости от их конструктивного решения при продольном сжатии и изгибе от кратковременных силовых воздействий;
• разработать технологические основы производства трёхслойных конструкций с монолитной связью слоев и трёхслойных деревянных конструкций;
• разработать эффективные трёхслойные конструкции с теплоизоляционным древесно-цементным слоем монолитной связью слоев и деревянные.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
- осуществлен комплексный подход к процессу расчёта, прогнозирования прочности и деформаций древесно-цементных материалов, учитывающий особенности структуры, упругие постоянные, прочностные свойства компонентов, с учётом их объёмной концентрации в материале. Для построения теории прочности и деформации древесно-цементного материала использована модель стохастически неоднородной среды с применением методов теории случайных функций;
- изучены закономерности снижения упругих модулей древесно-цементного материала по мере увеличения концентрации заполнителя и пористости цементного камня. Установлено, что это снижение обусловлено большим различием в упругих показателях органического заполнителя и цементного камня, а также отрицательным воздействием экстрактивных веществ на прочность последнего;
- установлено экспериментально, что улучшение качества древесно-цементного материала, в связи с большим различием прочностных показателей компонентов, может быть достигнуто не за счёт увеличения расхода цемента, а путём введения тонкодисперсных минеральных наполнителей, что позволяет при некотором снижении прочности цементного камня увеличить его объём, снизить пористость и сблизить прочностные показатели матрицы и заполнителя;
- установлено влияние различных схем конструктивного решения несущих стен и перекрытий с древесно-цементным теплоизоляционным слоем на характер напряженно-деформированного состояния и несущую способность в условиях кратковременного нагружения;
- установлено влияние межслойного сдвига в сечениях монолитных трёхслойных конструкций на характер напряжённо-деформированного состояния и трещиностойкость, которое при определённом соотношении начальных модулей упругости бетонных слоев может быть существенным;
- изучены особенности работы несущих конструкций стен, перекрытий, перемычек с древесно-цементным теплоизоляционным слоем в условиях кратковременного нагружения и длительной эксплуатации.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в разработке и внедрении в производство трёхслойных конструкций с монолитной связью слоев и трёхслойных деревянных конструкций для жилых одноэтажных зданий, разработке и внедрении в производство технологии изготовления трёхслойных конструкций с монолитной связью слоев и трёхслойных деревянных конструкций. Разработаны рядом проектных институтов страны, при участии автора, 6 альбомов рабочих чертежей, в т.ч. 2 альбома рабочих чертежей трёхслойных конструкций и с их применением 4 альбома рабочих чертежей проектов жилых зданий, в основу которых положены научные разработки диссертационной работы.
Предложенный в работе метод подбора оптимального состава древесно-цементного материала используется научными и заводскими лабораториями страны.
Результаты исследований используются в учебном процессе при изучении дисциплины "Основы строительного дела".
Часть результатов, приведенных в диссертационной работе, выполнена согласно техническим заданиям организаций и использована при проектировании конструкций из древесно-цементных материалов, зданий гражданского назначения.
Достоверность математических моделей расчёта и прогнозирования прочности и деформации древесно-цементных материалов и трёхслойных конструкций на их основе подтверждались хорошей согласованностью теоретиче ских и экспериментальных исследований, соответствующим метрологическим обеспечением экспериментальных исследований, использованием современных методов статистической обработки, подтверждена исследованиями в лабораторных условиях и условиях производства.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения и шести глав, заключения, списка литературы и девятнадцати приложений.
В первой главе дан краткий обзор основных древесно-цементных теплоизоляционных материалов, результатов, полученных к настоящему времени при теоретическом и экспериментальном исследовании прочностных и деформационных свойств древесно-цементных материалов, позволяющих обосновать необходимости проведения комплекса исследований прочности, деформаций древесно-цементных материалов и трёхслойных конструкций на их основе, разработать трёхслойные конструкции стен, перекрытий (междуэтажных, чердачных, цокольных).
В ней проанализирован обширный материал по методам прогнозирования прочностных и деформационных свойств древесно-цементных материалов. Для объяснения напряженно-деформированного состояния бетона и подобных ему композиционных строительных материалов было предложено много теорий, которые условно можно разделены на три направления: феноменологическое, статистическое и структурное. Характерные размеры структурных элементов древесно-цементных материалов, с одной стороны, пренебрежимо малы по сравнению с размерами составного тела, а с другой - существенно превосходят молекулярные размеры. Такой материал моделируется сплошной средой, свойства которой являются случайными функциями координат, а физические и механические процессы в ней описываются стохастическими дифференциальными уравнениями.
Рассмотрены факторы, определяющие качество древесно-цементных материалов, к которым можно отнести: свойства исходных компонентов (качество органического заполнителя, вид минерализатора, вид и активность цемента);
состав исходных компонентов; технологические факторы (условия приготовления древесно-цементной смеси, метод формования, способ уплотнения и твердения); конструктивные особенности и вид отделки.
Представлен анализ перспективности применения трёхслойных конструкций с теплоизоляционными слоями из древесно-цементных материалов в малоэтажном строительстве, рассмотрены их основные типы - стеновые панели, панели перекрытий. Определены наиболее важные условия статической работы конструкций и проведён анализ методов расчёта их прочностных и деформационных свойств.
Вторая глава посвящена разработке теории расчёта и прогнозирования прочности, деформаций древесно-цементных материалов. Древесно-цементный материал имеет случайную или стохастическую структуру, характерными особенностями которой являются - дискретность включений частиц древесного заполнителя, цементного камня и пор, их хаотичное расположение в пространстве, а также случайная форма. Поэтому для адекватного описания напряженно-деформированного состояния в древесно-цементном материале были привлечены методы теории случайных функций.
Определить эффективные линейно-упругие постоянные древесно-цементного материала с учётом геометрических параметров, формы поперечного сечения органического заполнителя и его расположения позволило применение метода условных моментов. Даётся формулировка и приводится решение задач о прогнозировании напряженно-деформированного состояния древесно-цементных материалов с минеральным наполнителем, трансверсально-изотропным заполнителем и изотропным вяжущим с учётом пористости вяжущего вещества, базирующаяся на модели стохастической неоднородной упругой среды. Исследовано влияние пористого цементного камня на свойства древесно-цементных материалов и проведена оценка их прочности по разрушению одного компонента или по полному разрушению материала.
Полученные в этой главе расчётные численные величины прочностных и деформационных свойств древесно-цементных материалов оказались несколько выше экспериментальных. Это несоответствие следует объяснить тем, что принятая нами структурная модель древесно-цементного композита была несколько идеализирована. В ней не была учтена анизотропия заполнителя, его влаж-ностные и температурные деформации, адгезия минерального вяжущего к частицам органического заполнителя и снижение прочности цементного камня водорастворимыми веществами древесины.
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям прочностных и деформационных свойств древесно-цементных материалов, которые были проведены с целью подтверждения достоверности теоретических разработок, изложенных в главе 2. Одновременно в этих исследованиях ставились задачи: определить влияние расхода и соотношения компонентов смеси на физико-механические свойства древесно-цементных материалов при низком коэффициенте уплотнения (Купл-), равном 1,1 - 1,3; изучить необходимые для расчета и проектирования трёхслойных конструкций ряд физико-механических свойств, разработанных нами новых композиций древесно-цементных материалов и известных, которые к началу исследований не были изучены.
В результате экспериментальных исследований были определены численные показатели прочности и деформации древесно-цементных материалов при сжатии и растяжении, модули упругости, коэффициенты Пуассона, усадка, а также прочность сцепления древесно-цементных материалов с древесными плитами (фанера, цементностружечная и древесностружечная плита).
Методологически экспериментальные исследования проводились с применением методов математического планирования эксперимента и состояли из следующих этапов: определение главных влияющих факторов, уровней стабилизации и числа измерений для получения заданной точности эксперимента; составление планов многофакторных экспериментов и математическая обработка результатов исследований; сопоставление результатов исследований по качественным и количественным показателям; выбор оптимальных параметров исследуемой задачи
Результаты этой главы прошли широкую апробацию в лабораторных и производственных условиях и внедрены на ряде предприятий лесопромышленного и строительного комплексов.
В четвёртой главе представлены результаты разработки методов расчёта прочности, деформации трехслойных конструкций стен и панелей - перемычек с несущими наружными слоями из плотного бетона и средним утепляющим слоем из древесно-цементного материала и результаты экспериментальных исследований их напряженно-деформированного состояния кратковременной нагрузкой при продольном сжатии и изгибе.
На основании выполненного обобщения установлена возможность использования для расчета напряженно-деформированного состояния трехслойных конструкций с теплоизоляционным древесно-цементным материалом и монолитной связью слоев бетона разработанной расчётной модели. Сравнение экспериментальных данных, полученных при проведении испытаний трехслойных конструкций натуральных размеров, с расчётными данными подтвердили правильность выполненных расчетов. Экспериментальные данные находятся в пределах точности расчета. Одной из причин выявленных различий между фактическими и теоретическими напряжениями и прогибами может быть влияние деформаций сдвига в бетонных слоях.
Наиболее перспективным использованием изложенного в четвёртой главе материала можно считать расчёт и проектирование конструкций с наружными слоями из прочного бетона и средним слоем из бетона более деформационного или других утеплителей при работе их совместно с наружными слоями.
Установлено теоретическими и экспериментальными исследованиями, что по прочности, деформации и трещиностойкости удовлетворяют требованиям строительных норм разработанные и исследованные конструкции трёхслойных панелей с монолитной связью слоев бетона: наружные стеновые конструкции с оконным проёмом; внутренние стеновые конструкции с дверным про ёмом; внутренние стеновые конструкции без проёма. В схемах конструктивного решения разработанных трёхслойных панелей наиболее полно используются несущие свойства материалов.
Принятые для исследования размеры сечений трёхслойных конструкций правомерны при определённых величинах модулей упругости наружных и среднего слоев. При сохранении этих требований могут быть увеличены высоты сечений за счёт среднего утепляющего слоя, если определить требования к точности расчёта в 18%.
В целом же толщина наружных и внутренних бетонных слоев должна быть не менее определённой расчётом по прочности, поскольку древесно-цементный материал среднего слоя низкой прочности не оказывает существенного влияния на повышение несущей способности трёхслойных конструкций с монолитной связью слоев.
В пятой главе представлены результаты разработки методов расчёта прочности, деформации трёхслойных панелей с несущим деревянным каркасом, обшивками из древесных плит и теплоизоляционным материалом среднего слоя из фиброцементной массы.
Разработанная методика расчета прочностных и деформационных характеристик трехслойных деревянных конструкций стен и перекрытий с материалом среднего слоя из древесно-цементной массы позволяет по полученным аналитическим выражениям определять нормальные напряжения в продольных ребрах каркаса, обшивках, материале среднего слоя и деформаций трехслойных конструкций стен и перекрытий.
В результате теоретических и экспериментальных исследований установлен характер изменения напряженно-деформированного состояния трехслойных панелей стен при продольном сжатии и перекрытий при изгибе от действия кратковременной нагрузки. Исследованы конструкции стен и перекрытий натуральных размеров с древесно-цементным материалом среднего слоя, у которых обшивки из древесных плит соединены с деревянным каркасом посредством дискретных связей (гвоздей) или крепятся к каркасу клеегвоздевой запрессовкой.
Методика расчета панелей стен и перекрытий проверена и подтверждена экспериментально. Результаты сравнения расчетных данных с экспериментальными показали: при исследовании на продольное сжатие трехслойных панелей с материалом среднего слоя из фиброцементной массы, относительная ошибка по напряжениям не превышает 10,21%, а по деформациям - 16,10%; при исследовании на изгиб трехслойных панелей перекрытий с материалом среднего слоя из фиброцементной массы, относительная ошибка по напряжениям не превышает 11,26%, а по деформациям - 8,02%.
Разработанная методика расчета повышает надежность полученных результатов в сравнении с расчетом по строительным нормам: для стеновых панелей в среднем на 9,3%; для панелей перекрытий, у которых верхняя и нижняя обшивки соединены с каркасом посредством дискретных связей (гвоздей) в среднем на 15%, а для панелей перекрытий, у которых верхняя и нижняя обшивки крепятся к каркасу клеегвоздевой запрессовкой - в среднем на 12%.
Имеет место неравномерный характер распределения нормальных напряжений в обшивках по ширине конструкций. Нормальные напряжения концентрируются над ребрами, сохраняя пропорциональную зависимость по длине конструкций.
Наиболее перспективным использованием изложенного выше материала можно считать оптимальное проектирование серийных конструкций деревянных домов.
В шестой главе приведён технологический процесс возведения стен в сборно-монолитном домостроении предусматривающий: приготовление дре-весно-цементной смеси на строительной площадке; доставку раствора и бетона автотранспортом, либо приготовление их на строительной площадке; формование стеновых конструкций; твердение стеновых конструкций; подъём и монтаж стеновых конструкций.
Для возведении зданий с несущими монолитными стенами трёхслойной конструкции необходимо было разработать их оптимальные конструктивные решения и способ отделки. Наряду с общими требованиями, предъявляемыми к наружным стенам строительными нормами, конструктивные решения их должны обеспечить: восприятие стенами в период возведения (до набора древесно-цементным материалом прочности) части вертикальных и горизонтальных нагрузок от собственной массы конструкции; технологичность возведения конструкций, характеризуемую минимальными трудовыми ресурсами; создание выразительного архитектурного вида здания.
Приведён технологический процесс производства трёхслойных деревянных панелей с фиброцементной теплоизоляцией, который состоит из следующих основных операций: сортировка, выдерживание и разделка древесного сырья; подогрев древесного сырья до положительной температуры; изготовление древесной стружки; приготовление рабочего раствора химических добавок; дозировка компонентов и приготовление фиброцементной смеси; изготовление заготовок панелей; дозировка и укладка фиброцементной смеси в заготовки панелей; установка и крепление второго листа обшивки и укладка готовых панелей в пакеты; выдержка панелей до отгрузочной прочности; контроль технологического процесса производства панелей.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать технические решения и изготовить рабочие чертежи "Панели стеновые жилых зданий с деревянным каркасом и утеплителем фиброцементной массой" и "Панели перекрытий жилых зданий с деревянным каркасом и утеплителем фиброцементной массой".
Технологические процессы и разработанные трёхслойные конструкции стен и перекрытий апробированы в производственных условиях и внедрены на ряде предприятий.
Таким образом, как следует из краткого изложения структуры и содержания работы по главам, можно сделать следующее заключение.
В диссертации рассматриваются важные и пока недостаточно изученные проблемы расчёта и прогнозирования прочности и деформации древесно-цементных материалов, применяющихся в малоэтажном строительстве в качестве теплоизоляционного слоя: в монолитных трёхслойных конструкциях с наружными слоями из конструкционных бетонов; трёхслойных конструкций с деревянным каркасом и обшивками из древесных плит (фанеры, цементностру-жечных плит, древесноволокнистых плит и др.). Рассмотрены также проблемы расчёта прочности и деформации трёхслойных конструкций, технология их изготовления и конструктивная разработка.
Работа велась:
- По государственной научно-технической программе "Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья", 1995 - 2000 гг.
- По Федеральной целевой научно-технической программе "Исследование и разработка по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения":
1) проект "Разработать технологический регламент по выпуску индустриальных конструкций стеновых панелей, перекрытий и провести их статические испытания кратковременной нагрузкой", 2001 г.;
2) проект "Разработка технологии изготовления и конструктивных решений деревянных конструкций из мягколиственных пород древесины", 2002 -2003 гг.
- По программе "Конверсия и высокие технологии", раздел "Новые материалы и химические продукты", проект "Разработка новых экономичных це-ментно-древесных материалов", 1994 - 1999 гг.
- По Государственным заказам:
1) проект "Разработка технологии и обеспечивающих ее технических средств для индустриального производства деревянных панелей перекрытий с утеплителем из древесных отходов", 2001 г.;
2) проект "Совершенствование технологии и технических средств для ин дустриального производства деревянных стеновых панелей с утеплителем из гранулированных древесных опилок", 2002 г.;
3) проект "Разработка, изготовление и установка на испытания опытной партии стеновых ограждающих конструкций с утеплителем на основе древесных отходов для проведения натурных исследований", 2003 г.
- По грантам Минобразования РФ:
1. "Исследование процессов упруго-пластических зависимостей в древес- но-цементных композициях", 1998 - 2000 гг.;
2. "Построение теории прочности и деформативности древесно- цементных материалов", 2003 г.
- По заказам предприятий и организаций деревообрабатывающих и строительных комплексов, 1986 - 2002 гг.
1. Усовершенствование технологии производства цементностружечных плит, арболита и разработка опытных ограждающих конструкций их них на основе технических перевооружений цехов и унификации изделий (ВНПО "Со-юзнаучстандартдом", 1986 - 1987 гг.).
2. Разработать и исследовать панели перекрытий и покрытий с деревянным каркасом и утеплителем из фиброцементной массы для малоэтажных домов и зданий сельскохозяйственного назначения (ВНПО "Союзнаучстандар-тдом", 1988 г.).
3. Разработать трёхслойные панели перекрытий с обшивками из цементностружечных плит, деревянным каркасом и средним слоем из древесно-цементной смеси для малоэтажных домов" (г. Владимир, ВНИИПТИЭМ, 1989 г.).
4. Проведение исследований и оказание научно-технической помощи во внедрении монолитного усадебного домостроения из арболита в Агропромышленном комбинате "Кубань" Краснодарского края, 1987 - 1990 гг.
5. Определение расчётных характеристик арболита из биологически подготовленной дроблёнки даурской лиственницы (г. Якутск, ГРОПРОМСТРОЙ, 1990 г.).
В соответствии с основными научными направлениями, определенными в Московском государственном университете леса.
Работа проводилась с 1986 года на кафедре промышленного, гражданского строительства и безопасности жизнедеятельности Московского государственного университета леса. Автор выражает глубокую благодарность и признательность за помощь и консультации, полученные при выполнении данной работы, профессору А.С. Щербакову, профессору Л.П. Хорошуну, профессору Р.Н. Чепелеву, профессору М.Р. Короткиной, доценту B.C. Подчуфарову, доценту Н.В. Гренц, доценту В.И. Кучерявому, доценту Л.В. Гольцевой, доценту Л.В. Головановой, доценту A.M. Адамия, доценту И.М. Якушиной, канд. техн. наук А.В. Разумовскому, канд. техн. наук Е.Ф. Валуевой.
Часть работы была выполнена в институте ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя России и НИИЖБ Госстроя России.
Методы прогнозирования прочностных и деформационных свойств древесно-цементных материалов
Прочность и деформации древесно-цементного материала является интегральными характеристиками, которые зависит от свойств его компонентов, состава, условий приготовления и твердения древесно-цементнои смеси, условий эксплуатации.
В свою очередь, прочность как итоговый результат испытания определяет не только поведение древесно-цементного материала при нагрузке, но важна для определения надёжности его работы в условиях эксплуатации, оценки долговечности, трещиностойкости и других свойств материала.
Прочность и деформации древесно-цементных материалов и факторы, влияющие на эти характеристики, исследовали многие учёные: Г.А. Бужевич, В.М. Бутерин, П.И. Ваньков, Т.К. Ващилко, А.А. Гуревич, А.Н. Давидюк, А.В. Колесов, Г.Е. Колосов, В.И. Кучерявый, Е.Д. Маев, И.Х. Наназашвили, B.C. Подчуфаров, В.И. Савин, Б.А. Соколов, В.А. Цепаев, А.С. Щербаков и др. [28, 30, 35, 37, 85, 86, 111, 125, 135, 148, 163, 189, 190, 220, 232].
Большой интерес представляют результаты в области прочности древесно-цементных материалов зарубежных исследователей: Графа У., Кольмана Ф., Ланге X., Зандермана В., Саротока В., Шмитца Ж. и других [258, 263, 264, 270 -276]. Этими учёными проведены обширные теоретические и экспериментальные исследования по выявлению причин низкой прочности древесно-цементных материалов и предложены методы её повышения. Однако, часто они носят противоречивый характер и отличаются технологической сложностью.
Исследования [233], проведённые по выявлению влияния структуры арболита на его прочностные и деформационные свойства, позволили получить зависимости, приведённые на рис. 1.3 и 1.4. Обобщая результаты теоретических и экспериментальных исследований арболита, сделан вывод, что зависимость прочности арболита от факторов влияющих на неё можно записать в виде
Здесь Ra - прочность арболита, МПа; Я3 - прочность заполнителя при сжатии, МПа; Rn — активность цемента, МПа; Ц- расход цемента на 1 м3 арболита, кг; da - плотность арболита, равная YIY0 (У- удельная, Y0 - объемная масса арболи-та, кг/м ) , А - адгезия древесного заполнителя к цементному вяжущему, МПа; Аф.ч - коэффициент формы частиц древесного заполнителя; Э - содержание водорастворимых веществ в заполнителе, %; єу - усадка арболита, мм/м; Fy.n -удельная поверхность заполнителя, кг/м ; В - расход воды на 1 м арболита, кг; D - расход древесного заполнителя, кг.
Бужевич Г.А. [28] установил, что прочность лёгких бетонов RQ, имеющих крупнопористую структуру близкую к древесно-цементным материалам, зависит от марки цемента, цементно-водного отношения, прочности пористого за полнителя и может быть определена по формуле «„= «, 7-4 (L2) V Здесь Re - прочность бетона при сжатии, МПа; R4 — активность цемента, МПа; Ц/В - цементно-водное отношение; В - расход воды, кг/м ; к и А - опытные коэффициенты, которые Бужевич Г.А. связывает с объемной и удельной массой бетонной смеси к = Гсм-7удсм15Ш, (1.3) где усм и ууд, см - объёмная и удельна массы заполнителей смеси, кг/м3; A = 5-(B/rJ- d-4)
Кривая зависимости прочности при сжатии лёгкого бетона от расхода воды (рис. 1.5) имеет две ветви [16]. Левая (восходящая) показывает, что прочность лёгкого бетона при повышении расхода воды постепенно возрастает. Это объясняется увеличением удобоукладываемости бетонной смеси и плотности бетона. Правая (нисходящая) ветвь кривой свидетельствует о том, что после достижения наибольшего уплотнения смеси увеличение расхода воды приводит к возрастанию объема пор, образованных несвязанной цементом водой, и к понижению прочности бетона.
Разработанная Н.А. Поповым теория лёгких бетонов [157] основана на зависимости прочности лёгкого бетона главным образом от марки и расхода цемента при оптимальном количестве воды затворения, подобранном для применяемых цемента и заполнителей, и определяется по формуле Яб=к-Кц(Ц-Ц0), (1.5) где ЦиЦ0- расход цемента, кг/м ; к - опытный коэффициент. Из формул прочности лёгких бетонов следует выделить формулу Симонова М.З. [191] R6=k[c/(c + b + n)], (1.6) где к - коэффициент, зависящий от качества цемента и заполнителей; с, Ь,п- объем цемента, воды и воздушных пор в бетоне. Н.С. Годзиев [232] упрощает эту формулу, представляя её в виде Яб=кКчЦ. (1.7) Здесь R4 - активность цемента; Ц - расход цемента на 1 м ; к - опытный коэффициент для данного вида цемента. К формулам, связывающим прочность бетона с прочностью и деформацией растворной части и крупного заполнителя, относится формула Б.Г. Скрам-таева [193] f Е 1 + чр (1.8) R = R Лб раств -=± 1 F у - раств J где Е3 и Ераств - модули деформации крупного заполнителя и раствора; ср — относительный объём крупного пористого заполнителя в бетоне. Существуют еще целый ряд формул, отражающих связь прочности бетона с Rn, В/Ц, а также с прочностью и деформацией его составляющих компонентов.
Г.А. Бужевич [28], анализируя указанные формулы, отмечает, что все они имеют ограниченную область применения и, что к настоящему времени в теории, прочности бетонов нет универсального уравнения, учитывающего все факторы, влияющие на прочность бетона.
Прочностные и деформационные свойства древесно-цементных материалов с минеральным наполнителем
Наиболее используемый в строительстве теплоизоляционный древесно-цементный материал (фибролит, арболит) представляет собой трёхкомпонент-ный композит, состоящий из цементного камня, древесного заполнителя и пор (пустых или заполненных жидкостью). Если в цемент ввести минеральный наполнитель с другими свойствами, например золу, то такой композит следует рассматривать как четырёхкомпо-нентный материал. В связи с этим возникает вопрос о расчёте механических свойств древесно-цементных материалов с минеральными добавками, а также о механизме изменения свойств такого материала. Для расчета эффективных механических свойств необходимо решить задачу о деформированном состоянии всех компонентов с учетом их взаимодействия при воздействии однородной статической сжимающей или сдвигающей нагрузки.
Рассмотрим макрообъём или представительный объём четырехкомпо-нентного древесно-цементного материала, т.е. такой объём, размеры которого существенно превосходят размеры частиц органического заполнителя, пор, минерального вяжущего, наполнителя и расстояний между ними (рис. 2.1 а). Каждый компонент древесно-цементного композита имеет определённые модули упругости, которые в общем случае характеризуются тензором модулей упругости XiJmn (i,j, т, п =1, 2, 3, 4), имеющем четвертый ранг [168].
Если считать компоненты изотропными, то свойства каждого компонента характеризуются двумя постоянными Ламе Л, ju или постоянными К и pi, где К 2/ - модуль объемного сжатия, \i - модуль сдвига, причем К = Л + уС /и.
Древесно-цементный материал со случайно расположенными частицами компонентов можно рассматривать как материал, упругие характеристики которого Я, ju являются случайными функциями координат пространства х{, х2, х3 или сокращенно xt (i= 1, 2, 3).
Если на макрообъём древесно-цементного материала действуют нагрузки, то в каждой точке возникают напряжения, характеризуемые тензором (Ту, деформации, характеризуемые тензором Є у и перемещения, характеризуемые вектором ui. Их можно записать в виде матриц
Если в цемент ввести минеральный наполнитель с другими свойствами, например золу, то такой композит следует рассматривать как четырёхкомпо-нентный материал. В связи с этим возникает вопрос о расчёте механических свойств древесно-цементных материалов с минеральными добавками, а также о механизме изменения свойств такого материала. Для расчета эффективных механических свойств необходимо решить задачу о деформированном состоянии всех компонентов с учетом их взаимодействия при воздействии однородной статической сжимающей или сдвигающей нагрузки.
Рассмотрим макрообъём или представительный объём четырехкомпо-нентного древесно-цементного материала, т.е. такой объём, размеры которого существенно превосходят размеры частиц органического заполнителя, пор, минерального вяжущего, наполнителя и расстояний между ними (рис. 2.1 а). Каждый компонент древесно-цементного композита имеет определённые модули упругости, которые в общем случае характеризуются тензором модулей упругости XiJmn (i,j, т, п =1, 2, 3, 4), имеющем четвертый ранг [168].
Если считать компоненты изотропными, то свойства каждого компонента характеризуются двумя постоянными Ламе Л, ju или постоянными К и pi, где К - модуль объемного сжатия, \i - модуль сдвига, причем К = Л + уС /и. Для случая изотропных компонентов тензор модулей упругости имеет вид Лутн =Щдтп +M(8imSjn+Sindjm) ; (і, j, т, п =1, 2, 3), (2.47) где 8у - символ Кронекера, имеющий значение S(j = 1 при / =j и Sy = О при ІФ j. Тензор модулей упругости (2.47) можно представить также в виде матрицы
Древесно-цементный материал со случайно расположенными частицами компонентов можно рассматривать как материал, упругие характеристики которого Я, ju являются случайными функциями координат пространства х{, х2, х3 или сокращенно xt (i= 1, 2, 3).
Если на макрообъём древесно-цементного материала действуют нагрузки, то в каждой точке возникают напряжения, характеризуемые тензором (Ту, деформации, характеризуемые тензором Є у и перемещения, характеризуемые вектором ui. Их можно записать в виде матриц
Так как древесно-цементный материал представляет собой стохастически неоднородную упругую среду, т.е. модули упругости являются случайными функциями координат, то возникающие в ней напряжения Уу, деформации є у и перемещения щ также будут случайными функциями координат пространства. Зависимости между средними по макрообъему напряжениями ( тЛ и деформациями (etj) для макроизотропного материала имеют вид сгу = err SiJ+2ju є0. , (і, j = 1,2,3), (2.58) где X, ju - эффективные упругие постоянные Ламе. Средние по макрообъему напряжения и деформации определяются формулами и Av и Аи
Для определения эффективных упругих постоянных X, /л необходимо найти распределение напряжений и деформаций в макрообъеме при заданных макродеформациях, затем провести осреднение по макрообъему согласно формулам (2.58), (2.59). Эта задача весьма трудоемкая, её можно упростить, воспользовавшись свойством эргодичности случайных функций XiJmn, ст.., е... Согласно свойству эргодичности средние по объему (области определения) слу чайных функций равны их математическим ожиданиям в любой точке, т.е. статистическим средним, определяемым формулами
Здесь /( Уу),/(у) - плотности распределения вероятностей случайных функций Jtj, s{J, взятых в некоторой точке.
Как следует из теории случайных функций [38], для того чтобы напряжения (Ту и деформации удовлетворяли свойству эргодичности, они должны быть статистически однородны, т. е. плотности их распределения /(сГу),/(у) не должны зависеть от координат и размеры неоднородностей (включений и расстояний между ними) должны быть пренебрежимо малы по сравнению с размерами макрообъема. Эти условия для древесно-цементных композитных материалов выполняются.
Проведем статистическое осреднение соотношений (2.57) для древесно-цементного материала с неорганическими добавками, т.е. для четырехкомпо-нентного композита «Уу =Ъск$тп ектп , (2.61) /fc=l где ск - —- - относительное объёмное содержание -компонента Ли в макрообъеме композита; Яутп - тензор модулей упругости -компонента; єктп - средний тензор деформаций по / -компоненту.
Из (2.58), (2.61) следует, что для нахождения эффективных модулей упругости необходимо определить средние по компонентам деформации как функции макродеформации етп , т. е. средние деформации по всему макрообъему. Для решения этой задачи рассмотрим систему уравнений (2.52), (2.54), (2.57). Подставляя (2.57) в (2.52), а (2.54) в (2.57), получим дифференциальные уравнения равновесия в перемещениях
Подбор оптимальных соотношений компонентов
Изготовление древесно-цементного материала современными способами формования приводит к тому, что частицы заполнителя в продольном направлении располагаются почти в одной плоскости перпендикулярно направлению прессования. Достаточно плотная упаковка заполнителя может быть достигнута за счёт того, что соседние частицы должны быть близкими к параллельным. В связи с этим древесно-цементный материал можно разбить на некоторые объемы, в которых структуру приближенно можно представить моделью слоистого материала. Каждый слой древесно-цементного материала будет состоять из частиц заполнителя, ориентированных в одном направлении и расположенных в одной плоскости, и затвердевшего пористого цементного вяжущего.
Наличие в объеме многих слоев с различно направленными частицами заполнителя в плоскости приводит к тому, что в плоскости разориентации частиц свойства древесно-цементного материала будут изотропными, причем они будут отличаться от его свойств при направлении прессования, перпендикулярном плоскости разориентации. Механическая модель, соответствующая описанной структуре, схематически представлена на рис. 2.16. Каждый слой механической модели представляет собой однонаправленный древесно-цементный композит, а угол между направлением частиц заполнителя в п слое и осью хг равен срп. Локальная система координат «-го слоя выбрана так, чтобы ось х\" совпадала с направлением частиц заполнителя в этом слое, а ось ху - с осью хг, нормальной к плоскостям всех слоев. Материал и-го слоя будет трансвер-сально-изотропным с осью симметрии, направленной вдоль х\п . Аналогичным образом можно построить модель древесно-цементного материала с однонаправленным расположением частиц. В этом случае в каждом слое частицы будут иметь одно и то же направление (рис. 2.1 в).
Из экспериментальных исследований известно [232], что оптимальное отношение продольного размера частиц заполнителя к поперечному равно 10 ... 12. Вычисления, проведенные для аналогичных материалов, армированных однонаправленными короткими волокнами [217], показывают, что при отношении продольного размера частиц к поперечному, равному 10 и больше, макроскопические свойства можно вычислять по модели материала, армированного однонаправленными бесконечными частицами. Учитывая вышесказанное, приходим к следующей двухэтапной схеме вычисления макроскопических свойств древесно-цементного материала. На первом этапе определяются макроскопические свойства материала, армированного однонаправленными трансверсально-изотропными частицами по заданным свойствам заполнителя и пористого затвердевшего цементного вяжущего. На втором этапе определяются макроскопические свойства слоистого материала по известным свойствам слоев.
Рассмотрим элементарный объём древесно-цементного композита, состоящий из системы однонаправленных частиц и вяжущего. Пусть частицы заполнителя направлены вдоль оси хх (рис. 2.1 в). Приняв, что частицы заполнителя являются трансверсально-изотропными с плоскостью изотропии ххх2, а связующего - изотропным, тогда зависимости между напряжениями atJi деформациями Еу и температурой в можно записать в виде ц = Аг пЛ- + (Лі - Аг) + Аз зз у - Д у-; зз = Аз гг + Аз зз - Ръе спъ = 2А з; (2.109) (i, j, г = 1,2).
Здесь упругие постоянные Лтп и коэффициенты термического напряжения рт принимают значения Лтп, Рт и Лтп, /?„ соответственно для частиц органического заполнителя и цементного вяжущего. При этом, вследствие изотропии затвердевшего пористого цементного вяжущего, упругие постоянные и коэффициент термического напряжения в продольном и поперечном направлении будут равны между собой Аг = Аз = Л-2» Ai = Аз = 2 + 2/, AM = Mi Р\ Ръ - Pi (2.110) где Л2, //2 Рг соответственно постоянные Ламе и коэффициент термического напряжения цементного вяжущего.
Вследствие нерегулярности расположения частиц заполнителя термоупругие постоянные в (2.109) будут случайными функциями координат х1 и х2.
При воздействии на древесно-цементный композит однородных нагрузок и однородном нагреве возникающие в композите напряжения 7у и деформации у также будут случайными функциями координат х{ и х2.
Опытные трёхслойные конструкции
Сравнение эффективных свойств древесно-цементных материалов, полученных в результате теоретических и экспериментальных исследований, показывает, что экспериментальные значения лежат ниже расчётных. Это расхождение обусловлено тем, что древесно-цементные композиты содержат большое количество пор, которые существенно уменьшают его жесткостные и прочностные характеристики.
Определение эффективных свойств композиционных материалов на основе органического заполнителя и цементного вяжущего, ослабленного порами, проводится в два этапа. На первом этапе определяются макроскопические постоянные пористого цементного вяжущего, рассматривая поры как некоторый компонент с нулевыми модулями упругости. На втором этапе определяются макроскопические постоянные древесно-цементного материала по известным свойствам пористого цементного вяжущего и органического заполнителя.
Рассмотрим однонаправленный древесно-цементный материал с пористым изотропным вяжущим и трансверсально-изотропными частицами органического заполнителя, направленными вдоль оси д:3 (рис. 2.1 в).
Если рассматривать пористое цементное вяжущее как двухкомпонентный матричный композит с нулевой жесткостью включений, то исходя из формул (2.85), (2.86) и (2.135), получим зависимости эффективных модулей объёмного сжатия К", сдвига /л , термического коэффициента напряжения /Г и коэффициента линейного температурного расширения а от пористости р для изотропного пористого цементного вяжущего к._ 4K2ju2{l-pf . . (9K2+8ju2)M2(l-p)2 . 4ju2 + (ЪК2 - 4ц2 )р 9К2+ 8//2 - {ЪК2 - 4ju2 )р (2.137) 4//2+(3 2-4//2)p где р - пористость цементного вяжущего; 122 K2, ju2, /32, &2 модули объёмного сжатия и сдвига, коэффициент термического напряжения и линейного температурного расширения затвердевшего цементного вяжущего. Если перейти к модулям Юнга Е ,Е2 и коэффициентам Пуассона v ,v2, то зависимости будут следующими Е =Е2(1-р)2; v- = vi+miP; 1 + " 1 + " (2.138) (5v2-l)(l-3v2). _(1-5У2)(3-У2) fir, — ТЇІ г — . 2(7-5v2) 2(7-5v2) Согласно (2.137) эффективные термоупругие постоянные пористого изотропного цементного вяжущего определяются формулами 4(1- р)2К2м2 , _ (1-р)У2(9 2+8//2) . 2р ЪрК.+Щ-р) М2р 9 2+8//2-(3 2-4//2) л2р-к2р зм2р, -3рк2+4{1_р)М2 В случае, когда частицы органического заполнителя являются трансвер-сально-изотропными с плоскостью изотропии ххх2, зависимости между макронапряжениями, макродеформациями и температурой в пористом древесно-цементном материале согласно (2.129) имеют вид термических напряжений частиц органического заполнителя; с2р, А р, ju2p, Р2р - объёмное содержание и эффективные постоянные
Ламе, коэффициент термического напряжения пористого цементного вяжущего, определяемые по формулам (2.138), причём при жесткости цементного вяжущего больше жёсткости частиц органического заполнителя следует принимать 2m = cx(J\x-J\2) + 2c2pju2p; 2/2 = (4+4) + 2 ( +/ (2.142) S - С\ АА + 2с2рМ2р - Z у п + 2т
На основе полученных формул были исследованы зависимости упругих постоянных пористого древесно-цементного материала от объёмного содержания частиц заполнителя сх для различных значений пористости цементного вяжущего р. Численный анализ был проведён для древесно-цементных композитных материалов на основе древесного заполнителя с Ех = 6,0 ГПа; ц х= 2,2 ГПа; vx = 0,35; (2.143) цементного камня с Е2= 40,0 ГПа; v2=0,2. (2.144) Объёмное содержание компонентов в древесно-цементном композите изменялось в интервалах 0,3 р 0,5, 0,2 Cl 0,4. (2.145)
На рис. 2.11 приведены зависимости модулей Юнга Е , модулей сдвига ju коэффициентов Пуассона v от относительного объёмного содержания частиц заполнителя с, в композите для различных значений пористости цементного вяжущего р (1 - р = 0,3; 2 - р = 0,4; 3 - р = 0,5).
Анализ графиков, представленных на рис. 2.11 показывает, что по мере увеличения концентрации заполнителя в композиционном материале упругие характеристики последнего снижаются и тем сильнее, чем выше пористость цементного камня. Это снижение обусловлено большей разницей величин упругих показателей цементного камня и заполнителя. Подобные закономерности проявляются и в древесно-минеральных композитах с зернистым заполнителем [33, 213, 249], однако при использовании волокнистого заполнителя наблюдается различная степень влияния этих факторов на эффективные модули упругости в различных направлениях. Данные изменения наиболее отражаются на модулях упругости Е и сдвига ft , что объясняется низкими упругими показателями заполнителя в тангенциальном направлении.
Разрушение древесно-цементного композитного материала начинается с разрушения одного из компонентов или связей между ними, при этом вследствие неоднородности упругих свойств уровень напряжений и деформаций в компонентах будет различным. Поэтому прочность древесно-цементного материала зависит как от прочности частиц органического заполнителя, цементного вяжущего и связей между ними, так и от упругих характеристик компонентов.
