Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ сотояния вопроса, цель и задачи исследований 10
1.1. Строение древесины 12
1.2. Факторы разрушения древесины 13
1.3. Способы восстановлений деревянных балок в и пути их развития .. 19
1.4. Использование полимеров при восстановлении и ремонте деревянных конструкций 25
1.5. Характеристики и области применения полимерных материалов 31
1.6. Цель и задачи исследований 38
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование выбора физической и математической моделей древесно композитных консрукций 39
2.1 Выбор физической и математической модели древесины 39
2.2 Представление механических характеристик анизотропных материалов 42
2.3 Выбор физической и математической модели полимера 43
2.4 Расчет изгибаемых усиленных элементов деревянных конструкций 48
2.5 Расчет несущей способности импрегнированных полимерной композицией деревянных балок 50
2.6 Численные исследования напряженно-деформированного состояния импрегнированных полимерной композицией деревянных балок 55
2.7 Результаты численного исследования импрегнированных полимерной композицией деревянных балок 60
ГЛАВА 3. Основные методические положения выполнения экспериментальных исследований
3.1 Методика экспериментального исследования полимерных композиций на основе эпоксидной смолы ЭД-20 68
3.2 Объекты исследований 69
3.3 Методика и планирование эксперимента. Определение количества экспериментальных образцов полимерной композиции 72
3.4 Технология изготовления образцов для испытаний 79
3.5 Методика определения характеристик объектов исследований 79
3.5.1 Методика определения физико-механических и технологических характеристик полимерной композиции 80
3.5.2 Методика определения прочностных позонных характеристик деревянной балки 84
3.6 Статистическая обработка экспериментальных данных 87
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования прочностных параметров восстановленного деструктированного участка балки 90
4.1 Характеристика полимерной композиции 91
4.2 Определение физико-механических и технологических свойств полимерной композиции 91
4.2.1 Определение прочностных характеристик полимерных композиций при сжатии 94
4.2.2 Определение технологических свойств полимерной композиции.. 97
4.2.3 Определение адгезионной прочности полимерной композиции 98
4.3 Результаты исследования прочностных позонных характеристик деревянной балки 101
4.4 Сравнительный анализ результатов исследований 109
ГЛАВА 5. Технология восстановления деструктированных зон элементов деревянных конструкций полимерной композицией 114
5.1 Область применения полимерной композиции при восстановлении и ремонте деревянных конструкций 114
5.2 Технология восстановления работоспособности деструктированных опорных зон деревянных элементов 115
5.3 Подготовительный этап технологического процесса восстановления поврежденных участков элементов деревянных конструкций 116
5.4 Технология импрегнирования полимерной композицией деструктированных элементов деревянных конструкций 119
5.5 Проведение контроля операций по восстановлению участков балки с деструктированной древесиной 128
5.6 Техника безопасности при проведении ремонтных работ 130
5.7 Опытные работы с применением древесно-полимерных композиций при восстановлении памятников архитектуры 130
Выводы и рекомендации 135
Список литературы
- Способы восстановлений деревянных балок в и пути их развития
- Расчет изгибаемых усиленных элементов деревянных конструкций
- Методика и планирование эксперимента. Определение количества экспериментальных образцов полимерной композиции
- Определение прочностных характеристик полимерных композиций при сжатии
Способы восстановлений деревянных балок в и пути их развития
Находясь в периодически изменяющихся температурно-влажностных условиях, элементы деревянных конструкций в процессе эксплуатации изменяют свою влажность, загнивают. Деструкция деревянных элементов обычно сопровождается растрескиванием и расслоением древесины. Загниванию способствует загрязнение конструкций в процессе эксплуатации. Если их вовремя не отремонтировать, деревянные конструкции могут обрушиться.
При осмотре деревянных конструкций необходимо учитывать, что на поверхности элементов деструкция развивается при очень высокой влажности древесины, при отсутствии проветривания (рис.1.1а,б). Наиболее уязвимыми местами для деструкции деревянных конструкций являются опорные узлы и крепления [95].
Вначале деструкции древесина имеет высокую влажность и характерный грибной запах. На более поздней стадии верхние волокна темнеют, и в древесине появляются частые продольные, а затем и мелкие поперечные трещины.
Наличие вентиляции в междуэтажных перекрытиях имеет существенное значение для предупреждения увлажнения. При отсутствии вентиляционных розеток в углах помещения, особенно в случаях укладки пола без лаг, при увлажнении создаются благоприятные условия для развития дереворазрушающих грибов.
В чердачных перекрытиях наблюдаются случаи деструкции деревянных балок при недостаточной толщине утепляющего слоя — образуется конденсат, увлажняющий балки и накат. Причиной деструкции деревянных балок может быть также неправильная укладка пароизоляционного слоя в чердачном перекрытии, например, когда пароизоляционный слой у балок загнут кверху, из-за чего вдоль боковых поверхностей балок образовались пазухи, в которых происходит конденсация водяных паров (рис. 1.2) [53].
Деструкция наиболее быстро образуется и развивается: в сваях на участке изменения уровней воды и в местах сопряжения с грунтом; в ряжевых опорах в венцах, расположенных на участке изменения уровней воды; в соприкасающихся с землей заборных стенках, в опорных зонах деревянных балок. На деревянные конструкции в процессе эксплуатации воздействует целый ряд факторов окружающей среды (рис.1.4), приводя к их старению и разрушению. Можно выделить следующие факторы: огонь, климатические (УФ — излучение, влажность, ветровые нагрузки, кислород воздуха) и биологические (грибные поражения, поражения насекомыми, бактериями, водорослями). Биологические вредители Грибные поражения Грибные поражения возникают от воздействия на древесину деревоокрашивающих (грибные окраски) и дереворазрушающих (гнили) грибов. Грибы являются самыми безжалостными истребителями древесины в природе. Дереворазрушающие грибы — это обширная группа грибов, развивающихся на древесине, участвующих в ее разложении. Дереворазрушающая активность грибов определяется их способностью разлагать главную составляющую часть древесины - целлюлозу. Их условно делят на две группы: целлюлозоразрушающие, гидролизующие целлюлозу и другие полисахариды клеточных оболочек; лигнинразрушающие, гидролизующие лигнин и целлюлозу [138].
Для возникновения гниения необходимо начальное увлажнение древесины до появления в ее полостях капельно-жидкой влаги, последующее же увлажнение происходит в результате химического разложения древесины при участии гриба. Благоприятные условия для развития гниения древесины:
Возможность гниения исключена, если в сооружении поддерживается такой температурно-влажностный режим, при котором влажность древесины составляет не более 20%. При интенсивном воздухообмене древесина высушивается, что отрицательно сказывается на гниении.
Наиболее серьезную опасность для деревянных конструкций и элементов представляют домовые грибы, из которых особо следует выделить четыре вида: настоящий домовый гриб, белый домовый, пленчатый домовый гриб и шахтный или пластинчатый домовый гриб.
Деревоокрашивающие грибы — это группа грибов, которые первыми одновременно с плесневыми грибами или вслед за ними, заселяют срубленную древесинуи вызывают ее неестественное окрашивание во время хранения в лесу или на лесоскладах, часто встречаются на валежнике и сухостое, а некоторые виды и на растущих деревьях [138].
Гниение древесины В зависимости от особенностей процесса гниения, связанного с биологическими свойствами дереворазрушающих грибов и характером их воздействия на клеточные оболочки, различают два типа гниения: деструктивный, при котором разлагаются только полисахариды (целлюлоза, гемицеллюлоза и другие); коррозионный, при котором разлагаются полисахаридный комплекс клеточных оболочек и лигнин.
При деструктивном типе гниения разрушение клеток древесины грибами идет постепенно, не оставляя не затронутых разложением участков, в результате чего уменьшается объем и нарушается структура пораженной древесины. Деструктивная гниль характеризуется наличием на пораженных участках древесины продольных и поперечных трещин [138].
Расчет изгибаемых усиленных элементов деревянных конструкций
В последние годы полимеры находят широкое использование при восстановлении и ремонте деревянных конструкций в отечественной и зарубежной практике.
В Институте физики и технологии механической обработки древесины Федерального научно-исследовательского института лесного хозяйства и лесной промышленности (Германия г. Гамбург) разработан метод восстановления клееных деревянных конструкций с дефектными клеевыми швами. Метод заключается в том, что плохопроклеенные или расслоившиеся клеевые швы заполняют клеевой композицией на основе эпоксидной смолы, в которую добавляют целлюлозное волокно для повышения вязкости и снижения расхода клеевого состава.
Германская фирма "LompelBautensehutz" при ремонте деревянных строительных конструкций широко использует материалы, изготовленные на основе полимеров для решения следующих задач:
1. Упрочнение ослабленной древесины, например выветренной древесины, древесины или ослабленной деструкций, но частично сохранившей работоспособность и полностью сохранившей свою форму, путем пропитки жидкими составами на основе полимеров, известными под фирменным "Holzill". Жидкие химические составы "Holzin" различных марок изготавливают на основе эпоксидной смолы и полиуретанов, диаметр молекул которых позволяет проникать им в капиллярную систему древесины. Составы представляют собой низковязкие прозрачные жидкости, утверждающиеся внутри древесины, не образуя на поверхности древесины пленок.
Вследствие пропитки древесина приобретает необходимые сплошность и прочность, одновременно повышается ее стойкость к воздействию влаги, стойкость к атмосферным воздействиям и биостойкость [133].
2. Восстановление целостности и формы деревянных конструкций на отдельных участках, где они были утрачены вследствие образования усушечных трещин, выпадения сучков, деструкций, механической обработки (сверление отверстий, врубки и т.д.) или случайных механических повреждений, основанное на использование мастик "Holzan - Masse" и шпатлевок "Holzan-Fuller" в состав которых входят связующее полимер, соответствующий наполнитель и добавки. Мастики широко используют для восстановления деструктивных участков сопряжения стоек с обвязками в зданиях с деревянными каркасами.
3. Усиление сильно деструктированных участков деревянных конструкций протезами из армополимербетона. Усилению рекомендуется подвергать только балки прямоугольного поперечного сечения. Длина заменяемого на протез участка балки не должна превышать 100 см. Различают две разновидности концевых армополимербетонных протезов для балок перекрытий: с продольно вклеенной (рис.1.6,а) и с наклонно вклеенной в балку рабочей арматурой (рис.1.6,б). Использование той или иной разновидности концевого протеза обусловлено способом заделки конца балки в стену, т.е. наличием или отсутствием доступа сверла к торцу обрезанной балки для сверления продольно направленных отверстий под арматурные стержни [126].
Наклонно расположенные рабочие стеклопластиковые арматурные стержни, число которых также определяют статическим расчетом, вклеивают в наращиваемую здоровую древесину и в сквозные отверстия оставшейся части балки под углом не более 200 к горизонтали, причем каждый конец наклонного арматурного стержня должен быть вклеен в соответствующий деревянный элемент не менее чем на 400 мм, из которых на долю участка склеивания арматуры со здоровой древесиной должно приходиться не менее 145 мм. Кроме того, каждый наклонный арматурный стержень одним концом должен доходить до верхней кромки балки, а другим концом - до нижней кромки балки, касаясь опорной площадки стены.
Время производства ремонтных работ ограничивается жизнеспособностью эпоксидно-клеевого компаунда и зависит от его рецептуры. Она составляет около 40 мин при температуре +25 С0. Для отливки концевого протеза создают соответствующую опалубочную форму.
Недостатком такого метода восстановления является относительно высокий расход полимеров. Более экономичным по расходу полимеров представляется такое устройство концевого протеза балок перекрытий, когда обрезанный конец балки сращивается по длине с отрезком бруса такого же поперечного сечения, при помощи вклеенных в сращиваемые деревянные элементы стеклопластиковых арматурных стержней (рис. 1.6,в). Данный способ устройства протезов в Германии известен под названием " Holz - аn -HolzProthese". Усиление неповрежденных деревянных конструкций с недостаточной прочностью или жесткостью путем армирования стеклопластиковыми арматурными стержнями с использованием клеевых составов на основе полимеров.
4. Усиление не обладающих надлежащей несущей способностью узлов соединения элементов деревянных конструкций, а также разошедшихся и потерявших надлежащую плотность соединений деревянных элементов путем армирования, устройства армополимербетонных протезов различной конфигурации и т.д. Уже в 1983 г. в Германии с использованием метода концевых протезов из армополимербетона со стеклопластиковой арматурой были восстановлены сильно поврежденные биовредителями балки 300 общественных зданий [126].
Методика и планирование эксперимента. Определение количества экспериментальных образцов полимерной композиции
Как было сказано выше, отвержденные эпоксидные смолы обладают ценными технологическими свойствами и высокими физико-механическими показателями. Для понижения вязкости смолы добавляют к ней разбавитель. В качестве разбавителя предполагается использовать ацетон. Существенно улучшает механические свойства полимеров – пластификация. Пластификаторы снижают хрупкость, увеличивают гибкость, эластичность и относительное удлинение, а также повышают морозостойкость материала. Рядом исследователей было доказано, что введение небольшого количества пластификатора приводит к повышению механической прочности. Таким образом, составляющие полимерной композиции: разбавитель, пластификатор и отвердитель – варьируемые факторы. Эпоксидная смола-постоянный фактор.
Для решения поставленной задачи требуется исследовать различные факторы, для последующего использования найденных зависимостей в управлении исследуемыми процессами. Чтобы выявить влияние каждого из факторов, нужно задать ему не менее трех-четырех различных значений или вариантов. Но для этого необходимо провести весьма большое количество экспериментов. Так, например, для полного исследования влияния трех факторов, каждый из которых может принимать по пять значений, потребуется проделать 53 = 125 различных комбинаций экспериментов (не считая повторения каждого из опытов в идентичных условиях для получения устойчивых средних значений).
Такое количество экспериментов обычно провести не удается, и исследователи, как правило, вынуждены ограничиваться лишь незначительной их частью. Сокращения экспериментов чаще всего проводятся за счет [96]: а) исследования только части существенных факторов; б) уменьшения числа вариантов каждого из факторов; в) исследования влияния каждого из факторов только при некоторых частных значениях других факторов.
Однако можно так спланировать сочетание различных факторов, чтобы при минимальном числе опытов наиболее равномерно охватить всю площадь таблицы возможных сочетаний влияющих факторов. Для этого можно развить далее идею так называемого «латинского квадрата» [96].
Развивая дальше метод латинского квадрата, предлагаем искать зависимость результата от трех факторов и так планировать эксперимент, чтобы ни в одной строке и ни в одном столбце не было повторных сочетаний. На рис. 3.1 показан один из возможных планов такого сочетания трех факторов, каждый из которых может принимать пять значений. Такое планирование эксперимента позволяет сузить количество проводимых опытов со 125 до 25 при допустимом снижении точности интересующих нас зависимостей вторичных факторов прочности и деформативности от первичных факторов: o (отвердитель), p (пластификатор), r (разбавитель). Сокращение числа экспериментов, в свою очередь значительно ускорит исследование и позволит решить вопросы прочности и деформативности полимерной композиции в зависимости от каждого фактора в отдельности. Фактор o – учитывает влияние отвердителя на прочность клеевой вомпозиции, изменяется 10%; 12%; 14%; 16%; 18%. Фактор p – учитывает влияние пластификатора на прочность и жесткость полимерной композиции и изменяется П = 0%; 4%; 8%;12%; 16%.
Фактор r – учитывает влияние растворителя на прочность и деформативность полимерной композиции: 0%; 5%; 10; 15%; 20%. Требуется найти эмпирические формулы, которые охватывали бы влияние этих факторов. Изучение прочностных свойств полимерной композиции, на основе эпоксидной смолы ЭД-20 целесообразно проводить на образцах в форме призмы, размером 20х20мм и высотой 60 мм. В ходе исследований фиксировали значения деформации образцов от приложенной нагрузки (кН).
Произведем усреднение полученных значений результатов по каждому из первичных факторов. Нанося полученные средние значения величин на график (рис. 3.2.) получим зависимости результатов F от каждого из факторов в отдельности при средних значениях прочих факторов [96].
Выполнив усреднение теоретических прогибов по каждому из первичных факторов: o и r (табл.3.4), o и r (табл.3.5), и нанеся полученные средние значения величин на график (рис. 3.2), построим зависимость прочности Pср от каждого из факторов в отдельности при полученных значениях первичных факторов o, p, r. Полученная зависимость (рис.3.2.) показывает степень влияния каждого фактора на теоретический прочность полимерной композиции. Так наибольшее влияние оказывает разбавитель – r, затем пластификатор – p и наименьшее влияние на прогиб балок оказывает отвердитель – o.
Для определения влияния каждого фактора в отдельности на прочность полимерной композиции необходимо последовательно исключить влияние двух других факторов. Так, например, для определения влияния растворителя – r на теоретическую прочность полимерной композиции необходимо устранить влияние двух других факторов: o и p (рис.3.3). Устранение влияния фактора p выполним посредством деления данных таблицы 3.2. на усредненные значения прочности зависящих от этого фактора. Полученные результаты заносятся в аналогичную таблицу 3.3. Таблица 3.6 Устранение влияния фактора p (пластификатор)
Технология приготовления полимерной композиции холодного отверждения состоит из дозирования и перемешивания исходных компонентов в заданных процентных соотношениях и последовательности. Компоненты полимерной композиции взвешивали на лабораторных электронных весах MWP-3000 с точностью до 0,1 гр. Эпоксидную смолу совмещали с расчетным количеством отвердителя и перемешивали вручную в течение 2-3 мин. Затем вводили пластификатор и разбавитель и снова тщательно перемешивались в течение 3-5 мин каждый компонент соответственно. Перемешивание компонентов выполняли механическим способом. Затем смесь сливалась в открытые металлические формы, смазанные солидолом для лучшего отделения отвержденного образца от формы. Отверждение композиции происходило при комнатной температуре.
Определение прочностных характеристик полимерных композиций при сжатии
Сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон является одним из ее важнейших механических свойств.
Температура воздуха в помещении была в пределах 18 - 22оС, а относительная влажность составляла 50-60%.Температура и влажность окружающей среды определялась по спиртовому психрометру.
Кратковременные испытания деревянных образцовна сжатие проводились на испытательной машине МИ-50У.Образцы для испытаний на скалывание вдоль волокон также выпиливались из эксплуатируемого деревянного элемента деревянной конструкции (деревянная балка перекрытия).Взвешивали деревянные образцы на лабораторных электронных весах MWP-3000.
Проведена серия испытаний на скалывание вдоль волокон, включающая по 5 образцов «здоровой» и деструктированной древесины.За результаты испытаний принимали их среднее арифметическое значение. В ходе испытаний определены: разрушающая нагрузка, предел прочности. Получены следующие результаты показателей здоровой и ослабленной древесины: разрушающая нагрузка и предел прочности «здоровой» древесины 5,5 кН и 3,2 кН/см2 и деструктированной древесины - 0,89 кН и 0,59 кН/см2, соответственно.
Установлено, что прочностные показатели древесины, ослабленной деструкцией при испытании на скалывание вдоль волокон снизились: разрушающая нагрузка на 40-42%; предел прочности на 31-33% (рис.4.17…4.19). Испытания древесины импрегнированной полимерной композицией Третий этап заключается в изучении совместной работы древесина-полимерная композиция под нагрузкой. Оцениваются физико-механические свойства импрегнированной древесины при сжатии и скалывании вдоль волокон.Испытания на сжатие и скалывание импрегнированной древесины проводилось по методике, описанной в п. 4.4.1 и 4.4.2.
Экспериментально определено, что разрушающая нагрузка и предел прочность при сжатии вдоль волокон 20,8 кН и 4,16 кН/см2; при скалывании вдоль волокон - 7,2 кН и 1,5 кН/см2, соответственно.
Характер разрушения восстановленной древесины- пластический (рис.4.20 и 4.21). Это исключает возможность хрупкого разрушения балки от скалывания и раскалывания в приопорных участках, т.е. обеспечивает надежность работы конструкций на действие сдвигающих усилий в опорных сечениях, тем самым, повышая надежность конструкции против обрушения [77].
В ходе испытаний на сжатие вдоль волокон построены диаграммы «разрушающая нагрузка-нармальные сжимающие напряжения» (рис.4.22), «разрушающая нагрузка-относительные деформации» (рис.4.23), «напряжения-относительные деформации» (рис.4.24).
На основе экспериментальных исследований можно сделать заключение, что прочностные показатели восстановленной древесины при испытании на сжатие и скалывание вдоль волокон возрастают: разрушающая нагрузка на 22-24%; предел прочности на 15-17%. Выводы по главе 4. 1. Определена рациональная по компонентному составу полимерная композиция следующим составом: 5вес.ч. отвердителя,16 вес.ч. пластификатора, 10 вес.ч. отвердителя, к 100 вес.ч. эпоксидной смолы. Изучено влияние технологических добавок (пластификатора и разбавителя) на прочность и характер разрушения полимерной композиции. 2. Разработана и научно-обоснована рациональная по компонентному составу рецептура полимерной композиции на основе эпоксидной смолы для восстановления поврежденных участков опорных зон деревянных конструкций, которая позволяет модифицировать капиллярно-пористую структуру деструктированной древесины. 3. Экспериментально определены основные прочностные характеристики полимерной композиции: разрушающая нагрузка, предел прочности, адгезионная прочность при сдвиге и при изгибе. Выявлены характеры разрушения полимерных композиций при испытаниях на сжатие кратковременной нагрузкой. Пластическое разрушение происходит при введении пластификатора в состав полимерной композиции. 4. Приведено экспериментальное обоснование возможности применения восстановления работоспособности деструктированной древесины, путем ее импрегнирования. Установлено, что прочностные показатели импрегнированной древесины сопоставимы с показателями «здоровой» древесины. 5. На основе экспериментальных исследований определены значения прочностных и технологических свойств импрегнированной древесно-полимерной композиции. Установлено, что прочностные свойства импрегнированной древесины по сравнению с деструктивной возрастают: при сжатии в 3 раза, прочность при скалывании в 2,25 раза. Повышаются адгезионные характеристики и эксплуатационная надежность конструкций.
Направленное регулирование эксплуатационных свойств и возможности модификации эпоксидных смол обусловили их широкое применение в различных областях строительства. На основе экспериментальных данных по разработке и исследованию эпоксидно-диановых полимеров были определены и практически апробированы технологии и области их применения. Наибольшее применение клеевых композиций нашли в жилищном, промышленном, транспортном и гидротехническом строительстве, а также при эксплуатации зданий и сооружений [116].
Полимерная композиции на основе эпоксидных смол обладают малой усадкой, отверждаются без выделения вредных веществ, высокой адгезией, отличаются высокими механическими и диэлектрическими свойствами, воспринимают механическими нагрузки, объединяют элементы в конструкции в одно целое, защищают конструкции от влаги.
