Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Разработка и обоснование комплексного подхода к созданию строительных материалов для малоэтажного домостроения 16
1.1. Анализ современного состояния и перспективы малоэтажного деревянного домостроения в России 16
1.2. Объективные преимущества использования в домостроении материалов из древесины 24
1.2.1. Социально-экономические предпосылки использования древесины в строительстве 24
1.2.2. Достоинства и недостатки основных видов строительных материалов из древесины 27
І.З.Древесиноведческие и технологические проблемы создания строительных материалов для деревянного домостроения 30
1.3.1. Особенности использования малоценной древесины и вторичных древесных ресурсов в деревянном домостроении 30
1.3.2. Технологические и организационно-технические аспекты производства клееных материалов из древесины 32
1.3.3. Актуальность задачи определения теплотехнических показателей клееного бруса 37
1.3.4. Анализ направлений использования тонкомерной древесины в строительстве 38
1.3.5. Проблемы использования древесно-стружечных плит в строительстве 41
1.3.6. Экологические аспекты создания строительных материалов из древесины 43
1.4. Обоснование и разработка комплексного подхода к созданию строительных материалов из низкокачественной древесины и отходов деревообработки 47
1.4.1. Актуальность решения проблемы использования низкокачественной древесины и отходов деревообработки в производстве строительных материалов 47
1.4.2. Обоснование эффективности ресурсосбережения в производстве строительных материалов для деревянного домостроения
1.4.3. Цель и задачи ресурсосбережения. Общая концепция решения проблемы 54
1.5. Выводы по состоянию вопроса 59
Глава 2. Теоретические основы обеспечения эксплуатационных свойств строительных материалов для деревянного домостроения 61
2.1. Теоретические основы проектирования теплозащиты зданий из клееного бруса на основе математической модели теплопроводности 61
2.1.1. Теоретические основы теплопроводности клееных материалов из древесины 61
2.1.2. Физико-математическая постановка задачи теплопроводности древесины 67
2.1.3. Анализ сучковатости древесного сырья для производства клееного бруса 80
2.1.4. Математическая модель для расчета коэффициента теплопроводности клееного бруса с учетом размеров и количества сучков 85
2.1.5. Методика оценки влияния диаметра и количества сучков на коэффициент теплопроводности клееного бруса 90
2.1.6. Оценка значимости влияния диаметра сучков на теплопроводность клееного бруса 92
2.1.7. Оценка значимости влияния количества сучков на теплопроводность клееного бруса 93
2.1.8. Моделирование коэффициента теплопроводности бруса с учетом вероятностных законов распределения сучков в лам елях 94
2.1.9. Применение метода конечных элементов для решения задачи теплопроводности клееного бруса 99
2.1.10. Решение задачи теплопроводности клееного бруса на основе метода конечных элементов в среде T-FLEX 106
2.2.Теоретические предпосылки создания конкурентоспособных строительных материалов на основе склеивания древесины 114
2.2.1. Теоретические основы применения фурановых смол в производстве клееных материалов 114
2.2.2. Разработка принципов производства древесных композитов из тонкомерного сырья и отходов деревообработки 120
2.3.Теоретические основы создания строительных материалов из мягколиственной древесины 122
2.3.1. Древесиноведческие особенности применения мягколиственной древесины 122
2.3.2. Моделирование качественных показателей клееной древесины 127
2.4. Применение теории золотого сечения при проектировании параметров клееного бруса 130
2.5.Выводы и рекомендации по результатам теоретических исследований 133
Глава 3. Экспериментальные исследования теплопроводности клееного бруса 135
3.1.Разработка методики контроля теплофизических параметров ограждающих конструкций 135
3.1.1. Анализ способов определения теплопроводности конструкционных материалов 135
3.1.2. Разработка принципиальной схемы установки 144
3.1.3. Методика проведения исследований 147
3.2.0собенности определения коэффициента теплопроводности 149
3.3. Погрешность определения коэффициента теплопроводности 152
3.4. Решение задачи автоматизации процесса определения коэффициента теплопроводности древесины 154
3.5. Результаты экспериментальных исследований по обоснованию режимов проведения опытов 160
3.5.1. Проверка работы установки на эталонном материале 160
3.5.2. Определение необходимого числа дублированных опытов 161
3.5.3. Оценка влияния мощности нагревательного элемента на точность вычисления коэффициента теплопроводности 163
3.6. Исследование влияния количества слоев в брусе на коэффициент его теплопроводности 164
3.6.1. Оценка влияния количества ламелей 164
3.6.2. Определение коэффициента теплопроводности трехслойного и пятислойного бруса
3.7. Проверка сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований 168
3.8. Выводы по результатам исследований теплопроводности клееного бруса 169
Глава 4. Экспериментальные исследования процессов создания новых видов строительных материалов из древесины 171
4.1.Экспериментальное обоснование конструктивных и технологических параметров строительных материалов из тонкомерной и низкокачественной древесины 171
4.1.1. Экспериментальное обоснование способа склеивания заготовок в производстве клееного бруса 171
4.1.2. Сравнительный анализ упругих деформаций в древесине 174
4.1.3. Экспериментальное обоснование конструктивных параметров склеиваемых заготовок 177
4.1.4. Экспериментальное определение прочностных свойств клееного бруса из заготовок маломерных сечений 179
4.2.Разработка оптимальных технологических режимов производства экологически безопасной фанеры на основе фурановых смол 182
4.2.1. Экспериментальная оптимизация режимов производства фанеры на основе фурфурол-ацетонового полимера 182
4.2.2. Исследование свойств фанеры в оптимальной области 184
4.2.3. Анализ результатов исследования прочности при скалывании 186
4.2.4. Анализ результатов исследования разбухания фанеры 189
4.2.5. Анализ результатов исследования водопоглощения фанеры 192
4.2.6. Выводы и рекомендации по внедрению результатов исследования эксплуатационных свойств на основе фурановой смолы 195
4.3.Исследование системы обеспечения древесным сырьем профильных деревообрабатывающих предприятий 197
4.3.1. Обоснование эффективности применения комплексного подхода к созданию строительных материалов на этапе первичной обработки древесного сырья 197
4.3.2. Исследование динамики размерно-качественных показателей древесного сырья 204
4.3.3. Исследование размерно-качественной составляющей системы сырьевого обеспечения деревообрабатывающих производств 210
4.3.4. Исследование статистической устойчивости и расчет прогнозных значений размерно-качественных показателей фанерного сырья 218
4.4.Выводы и рекомендации по результатам экспериментальных исследований 231
Глава 5. Разработка состава и режимов производства древесных композитов на основе отходов деревообработки 235
5.1.Экспериментальное обоснование структуры и состава древесных композитов с добавкой стружки отходов 235
5.1.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 235
5.1.2. Методика двухфакторного дисперсионного анализа в исследовании эксплуатационных показателей древесных композитов 236
5.1.3. Результаты первого этапа эксперимента 240
5.1.4. Анализ результатов второго этапа эксперимента 245
5.1.5. Результаты третьего этапа эксперимента 251
5.2.Исследование показателей качества конкурентоспособных древесных композитов на основе форматированных частиц типа Eurostrips 257
5.2.1. Цель, задачи и методика экспериментальных исследований 257
5.2.2. Результаты экспериментальных исследований 259
5.2.3. Анализ результатов исследований 262
5.2.4. Рекомендуемые технологические параметры процесса создания древесных композитов 270
5.3.Выводы и рекомендации по результатам исследований 271
Глава 6. Реализация комплексного подхода к созданию строительных материалов для деревянного домостроения 274
6.1.Разработка рекомендаций по совершенствованию управления поставками древесного сырья на ОАО «Фанплит» г. Кострома 274
6.2.Результаты опытно-промышленных испытаний по выпуску клееной фанеры на основе фурановой смолы 276
6.2.1. Условия проведения испытаний 276
6.2.2. Ход испытаний 277
6.2.3. Результаты испытаний 279
6.3.Техническое обоснование норм расхода при переработке осинового пиловочного сырья 280
6.4.Реализация комплексного подхода к переработке мягколиственной древесины в условиях производства деталей для строительства 284
6.5 Разработка конструкции и принципов производства эффективных строительных материалов с использованием низкокачественных пиломатериалов 289
6.5.1. Разработка конструктивных параметров клееного бруса на основе концепции ресурсосбережения 289
6.5.2. Расчет годовой программы производства бруса 292
6.5.3. Расчет потребности в сырье и материалах 293
6.5.4. Расчет основного технологического оборудования 295
6.5.5. Расчет потребности электроэнергии, тепла, воды и сжатого воздуха на технологические нужды 296
6.5.6. Сравнительная характеристика вариантов изготовления клееного бруса 297
6.5.7. Технологический процесс производства клееного бруса из ламелей разного сорта 298
б.б.Опытно-промышленные испытания по производству клееного бруса с
внутренними ламелями из низкосортной древесины 300
6.6.1. Технические условия на готовую продукцию 300
6.6.2. Условия проведения испытаний 301
6.6.3 .Результаты испытаний 305
6.7.Технология производства бруса из маломерной древесины 306
6.8.Разработка рекомендаций по использованию маломерной хвойной древесины для производства строительных материалов 310
Глава 7. Экономическая эффективность комплексного подхода к созданию строительных материалов для деревянного домостроения 315
7.1.Обоснование экономической эффективности управления поставками древесного сырья 315
7.2.Технико-экономическое обоснование производства фанеры на основе фурановой смолы 317
7.3.Экономическая эффективность производства материалов строительного назначения из мягколиственной древесины 323
7.4.Расчет возможного снижения затрат на отопление домов 324
7.5. Обоснование эффективности производства клееного бруса внутренними ламелями из низкосортной древесины 329
7.5.1. План производства и реализации продукции 329
7.5.2. Финансовый план 330
7.5.3. Калькуляция статей расходов и доходов 331
7.5.4. Основные технико-экономические показатели проекта 332
7.5.5. Расчет экономии затрат при производстве клееного бруса с внутренними ламелями из низкосортной древесины в ООО «Продрев» г. Кострома 333
7.6. Экономическая эффективность производства клееного бруса из маломерной древесины 334
7.7. Обоснование экономической эффективности комплексного подхода при производстве строганных погонажных изделий 3 7.7.1. Расчет потребности в сырье и выхода готовой продукции 336
7.7.2. Ожидаемый доход от реализации продукции 337
7.7.3. Обоснование прибыли от внедрения предлагаемого технологического варианта производства погонажных изделий 338
7.8.Комплексный подход к оценке эффективности использования древесных ресурсов в домостроении 339
7.8.1. Методика комплексной оценки на основе теории функции желательности 339
7.8.2. Алгоритм и программа расчета обобщенного критерия 343
7.8.3. Реализация методики комплексной оценки для обоснования эффективного варианта использования отходов деревообработки в
производстве строительных материалов 345
Основные выводы и рекомендации 349
Список использованных источников
- Объективные преимущества использования в домостроении материалов из древесины
- Методика оценки влияния диаметра и количества сучков на коэффициент теплопроводности клееного бруса
- Результаты экспериментальных исследований по обоснованию режимов проведения опытов
- Исследование статистической устойчивости и расчет прогнозных значений размерно-качественных показателей фанерного сырья
Введение к работе
Актуальность работы. На сегодняшний день значительные объемы древесины используются в строительном комплексе: при изготовлении оконных и дверных блоков, деталей интерьеров и внутренней отделки, в виде несущих конструктивных элементов зданий и сооружений, складов и цехов промышленных предприятий, спортивно-зрелищных сооружений, а также для строительства жилых домов. Насущные требования повышенной комфортности, экологические приоритеты, технико-экономические преимущества и другие факторы обусловливают увеличение спроса на строительные материалы из древесины, в том числе – получаемые в результате механической и механо-физической обработки. Возросший интерес к таким материалам объясняется наличием значительных сырьевых ресурсов, превосходством древесины перед другими строительными материалами по ряду эксплуатационных показателей, а также общей неудовлетворённостью населения России своими жилищными условиями.
Традиционно основным поставщиком материалов и деталей для деревянного домостроения являлись предприятия лесопромышленного комплекса, особенностью современного состояния сырьевой базы которого является существенное снижение запасов качественной древесины в промышленно освоенных районах и увеличение в составе насаждений доли мягколиственной и малоценной древесины с невысокими потребительскими свойствами. Использование таких видов древесных ресурсов для нужд домостроения с одной стороны является проблемным ввиду малой изученности вопросов создания на их основе современных материалов с заданным комплексом эксплуатационных свойств. С другой стороны, повышение эффективности использования мягколиственной, маломерной, низкокачественной древесины и отходов деревообрабатывающих предприятий является стратегической задачей развития производств по углубленной переработке древесины, реализация которой способствует решению комплекса насущных экономических, социальных и экологических вопросов. В этой связи возникает необходимость разработки научных основ получения современных материалов для деревянного домостроения, исследовании размерно-качественных показателей древесного сырья, разработки новых подходов к созданию импортозамещающих материалов с заданным комплексом эксплуатационных свойств, обоснования рациональных технологических режимов производства новых видов продукции и комплексной экономической оценки эффективности внедрения результатов исследований.
С учетом всего выше изложенного определена актуальность решения насущной проблемы повышения эффективности использования потенциала всех видов древесных ресурсов в производстве строительных материалов для домостроения и ее значимость для народного хозяйства.
Степень разработанности проблемы в научной литературе.
Различным аспектам сырьевого обеспечения различных производств, теории и практики ресурсосбережения уделяется достаточно большое внимание в работах В.А. Афанасьева, В.И. Кожухова, О.В. Козлова, В.А. Васильева, В.И. Данилина, В.Н. Лившица, Н.К Моисеевой, О.Г. Туровца, С.Г. Фалько, Р.А. Фатхутдинова, Дж. Уайли, E. Deming, K. Ishikava, M. Porter и др. В частности, основы обеспечения качества и конкурентоспособности продукции, а также эффективности применения инновационных технологий изложены в работах А.И. Баскина, Г.И. Варданяна, М.П. Гордона, М.А. Матушкина, О.А. Новикова, и др. Среди зарубежных исследователей отмечаются работы Д. Доблера, А. Вильямса, Р. Баллоу, З. Барди, Д. Ламберта, Дж.Стока и др. В области комплексного использования древесного сырья известны работы М.И. Брика, Ф.И. Коперина, И.Ф. Коперина, Г.М. Михайлова, В.Д. Никишова, М.В. Гомоная, С.П. Бойкова, Э.М. Лаутнера, Н.П. Рушнова, И.И. Карпунина, В.В. Коробова и др. Проблемы создания материалов строительного назначения из древесины и вопросы их применения в деревянном домостроении рассмотрены в работах М.В. Афанасьева, Н.А. Бурдина, В.Н. Волынского. Л.М. Ковальчука, Ю.Б. Левинского, Н.А. Машкина, В.М. Хрулева и др. Однако в них рассматривались лишь отдельные виды материалов, предлагаемые технические решения имели ограничения по сфере применения, отсутствовал комплексный подход к решению проблемы повышения эффективности переработки древесных ресурсов.
На основании проведенного анализа научных трудов российских и зарубежных ученых следует вывод, что в настоящее время в отечественной науке недостаточно разработана современная системная методология управления процессами создания новых конкурентоспособных материалов, в том числе строительных. При этом устойчивое развитие экономики России, организация и функционирование строительного комплекса в условиях развития концепции доступного жилья требуют создания теоретической базы и обоснованных методологических подходов к решению проблемы надежного обеспечения строительства эффективными и доступными строительными материалами, что и определяет выбор темы диссертационной работы.
Цель настоящих исследований заключается в дальнейшем развитии научных основ получения строительных материалов из низкосортной древесины и отходов деревообработки на основе комплексного подхода, в качестве основного элемента которого использованы принципы ресурсосбережения.
Данная цель соответствует паспорту специальности 05.23.05 - Строительные материалы и изделия пунктам 1,3,7,8; программным направлениям в сфере жилищного строительства и углубленной переработки древесины. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решались следующие задачи, отражающие ее логику:
теоретически обосновать и выполнить всестороннее исследование сырьевой составляющей системы производства строительных материалов из древесины;
обосновать и разработать комплексный подход к решению проблемы повышения эффективности использования древесного сырья с позиций программных решений Правительства РФ;
разработать ресурсосберегающие технологии производства конкурентоспособных клееных материалов для домостроения;
выполнить исследования по развитию основ рационального использования значительного потенциала мягколиственных пород и маломерной древесины при производстве продукции для деревянного домостроения;
провести оценку эффективности внедрения ресурсосбережения на деревообрабатывающих предприятиях при использования низкокачественной и маломерной древесины;
провести производственные испытания и внедрение основных результатов исследований, а также выполнить оценку эффективности внедрения принципов ресурсосбережения в производстве строительных материалов из древесины.
Объектом исследования являются строительные материалы из древесины и древесных отходов.
Предметом исследования являются методы и способы создания конкурентоспособных строительных материалов с требуемыми эксплуатационными свойствами.
Методологической основой диссертационного исследования послужили методы системного анализа и синтеза; методы дисперсионного и регрессионного анализа, математической статистики, экспериментальной оптимизации; основные положения теории анизотропии, прочности и теплопроводности древесины.
Информационная база исследования включает научные источники в виде монографической литературы, публикаций в периодической печати, материалов научных конференций, web-сайтов Интернета. В числе информационных источников использованы законодательные и нормативные акты РФ по вопросам строительства, статистические материалы органов государственной статистики по результатам практической деятельности строительной отрасли и деревообрабатывающего комплекса. В основу диссертации положены результаты собственных расчетов и анализа проблем деревянного домостроения и его ресурсов.
Научная гипотеза, выносимая на защиту: Рациональное использование маломерной, мягколиственной древесины и отходов деревообработки с целью получения конкурентоспособных строительных материалов с требуемыми эксплуатационными свойствами обеспечивается комплексом организационно-технических решений взаимосвязанных задач от исследования потенциала древесных ресурсов до разработки ресурсосберегающих технологий их переработки с учетом региональных, социальных и экологических аспектов.
Научная новизна работы заключается в научной разработке комплексного решения насущной проблемы использования древесных ресурсов в сфере деревянного домостроения:
разработаны методологические принципы комплексного подхода к производству конкурентоспособных строительных материалов из древесины, базирующегося на древесиноведческих и технологических особенностях переработки маломерной, мягколиственной, низкокачественной древесины и отходов деревообработки, эколого-экономических аспектах решаемой проблемы, тенденциях развития деревянного домостроения;
с учетом целевой направленности предложены новые подходы к созданию импортозамещающих, низкотоксичных и доступных строительных материалов как из основного – водостойкая низкотоксичная фанера, клееный брус; так и из дополнительного древесного сырья, в т.ч. из низкотоварной древесины и отходов деревообрабатывающих производств - комбинированный клееный брус, древесные композиционные материалы;
получены новые данные о размерно-качественных показателях древесного сырья, установлены тенденции их изменения и показана высокая сходимость прогнозных и фактических значений этих показателей;
выведены аналитические зависимости параметров сучковатости березового фанерного сырья от размеров лесоматериалов;
разработаны составы древесных композиционных материалов на основе отходов фанерного и деревообрабатывающего производств с заданными эксплуатационными свойствами;
впервые установлена взаимосвязь основных эксплуатационных свойств водостойкой низкотоксичной фанеры на основе фурановой смолы и технологических режимов ее производства; получены регрессионные модели, позволяющие прогнозировать параметры основных эксплуатационных свойств нового вида продукции;
представлена физико-математическая постановка задачи теплопроводности многослойных неоднородных материалов из древесины и выполнено ее решение на основе метода конечных элементов в программной среде Т-Flex;
на основании изучения закономерностей процессов теплопроводности древесины впервые предложена математическая модель, отражающая взаимосвязь теплопроводности с наличием сучков в наружных и внутренних слоях клееной древесины;
впервые определены значения коэффициента теплопроводности новых клееных материалов и установлена его зависимость от особенностей макроструктуры древесины;
с учетом анализа известных методов обоснован новый способ контроля эффективной теплопроводности материалов из массивной клееной древесины с учетом ее сучковатости, предусматривающий автоматизацию процесса контроля теплофизических параметров;
теоретически и экспериментально обоснована возможность создания комбинированного клееного бруса из древесины сосны и осины; с учетом особенностей физико-механических свойств этих древесных пород выявлена взаимосвязь конструктивных размеров отдельных слоев бруса с его эксплуатационной прочностью;
обосновано и экспериментально подтверждено присутствие синергетического эффекта при производстве клееной массивной древесины, склеиваемой из заготовок малых сечений по принципу «золотого сечения», тем самым определена возможность расширения сырьевой базы для создания перспективного вида материалов для деревянного домостроения;
в области создания древесных композитов строительного назначения впервые выявлены закономерности, устанавливающие взаимосвязь основных эксплуатационных свойств и технологических режимов производства, а также свойства нового вида плитного материала из отходов фанерного производства – шпона-рванины, аналога импортным плитам Europlay.
Практическая значимость работы. В диссертации изложен научно обоснованный комплексный подход к созданию строительных материалов с требуемыми эксплуатационными свойствами из маломерной, мягколиственной, низкокачественной древесины и отходов деревообработки, внедрение которого вносит существенный вклад в развитие экономики страны.
Определен состав и рациональные технологические режимы производства низкотоксичной водостойкой фанеры с требуемыми эксплуатационными свойствами. Обоснованы параметры клееного бруса, обеспечивающие высокую эффективность его использования в строительстве деревянных домов в средней климатической зоне. Разработан состав и определены значения основных технологических параметров производства древесных композитов строительного назначения, удовлетворяющих нормативным показателям качества.
Разработана методика оценки теплопроводности древесины, рекомендованная к применения как для оценки теплофизических свойств строительных материалов из древесины, так и готовых изделий или конструкций.
Результаты работы прошли промышленные испытания в ОАО «Фанплит» (г. Кострома), применяются при разработке проектных решений на АООТ «Костромалеспроект», приняты к внедрению на ряде предприятий Костромской обл. (ЗАО «Кологривлес», ООО «Тайга», ООО «Островский лес» и др.) и используются в учебном процессе. Основные идеи и научные положения диссертационного исследования, разработанные режимы производства конкурентоспособных клееных материалов, применяемые методы, программный продукт, нормативы расхода древесного сырья для производства строительных материалов и др. организационно-технические решения рассматриваемой проблемы получены в ходе выполнения госбюджетных и хоздоговорных работ, выполняемых по договору с Минэкономики РФ (16-НИ-99. № ГР 01.200 100 716), Минпромнауки РФ (30- НИ-20 № ГР 01. 200. 2 02 810), гранту Минобразования и науки РФ (4 – ГР – 01 № ГР 01. 200. 1 13 518; 4.7-БФ-07 № ГР 0 120. 0 8 00137). Результаты проведенных исследований послужили основой для разработки и внедрения в производственный процесс следующих нормативных и методических документов:
-
-
Технологический регламент на производство водостойкой фанеры на основе фурановых смол. - Кострома, 2001. - 32 с.
-
Рекомендации по организации переработки маломерной и мягколиственной древесины на предприятиях Костромской области. – Кострома, 2007. – 14 с.
-
Методическое руководство по определению теплопроводности клееного бруса. – Кострома, 2008. – 12 с.
Результаты работы внедрены в учебный процесс путем: издания учебных пособий и методических рекомендаций по дисциплинам «Комплексное использование древесины», «Основы строительного дела»; использования программного обеспечения «Научная оценка эффективности использования древесных ресурсов» и методики исследования теплопроводности клееного бруса в соответствии с учебными планами для студентов очной и заочной форм обучения II, IV, V курсов специальности 250403 «Технология деревообработки» в ходе лабораторных работ, при выполнении научных исследований, в курсовом и дипломном проектировании.
Достоверность научной гипотезы, выводов и рекомендаций обеспечивается: современными средствами научных исследований; применением общепринятых методов оптимизации, дисперсионного и регрессионного анализа, использованием фундаментальных положений теории анизотропии, прочности и теплопроводности древесины; применением методов математической статистики и современных достижений вычислительной техники; удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов с данными, полученными экспериментальным путем; результатами промышленной апробации.
Апробация работы. Основные результаты и теоретические положения диссертационной работы отражены в докладах автора на следующих конференциях: международной научно-практической конференции «Деревянные клееные конструкции – будущее ХХI века» (НТОБумдревпром, г. Москва, 2003г.), IV Международном симпозиуме «Строение, свойства и качество древесины» (г. Санкт–Петербург, С-ПбГЛТА, 2004 г.), первом региональном форуме "Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (г.Кострома, 2005г.), международных научно-практических конференциях: в Архангельском лесотехническом институте (г. Архангельск, 1989, 1991г.г.), Марийском государственном техническом университет (г.Йошкар-Ола, 2001г.), Брянской государственной инженерно-технической академии (г. Брянск, 2000-2011 г.г.), Костромском государственном технологическом университете (г. Кострома, 1992-2008 г.г.), Всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные проблемы лесного комплекса» (г.Вологда, ВГТУ, 2002, 2007, 2009, 2010 .гг., г. Екатеринбург, УГЛТУ, 2005 г. ), XVI международной научно-технической конференции «Информационная среда вуза» (г. Иваново, ИГАСУ, 2009 г.), XV Академических чтениях РААСН «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (г. Казань, Каз ГАСУ, 2010 г.)
Под руководством автора подготовлены и защищены две диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 77 работ, в т.ч. - 4 монографии, 3 учебных пособия, 15 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 патента.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, общих выводов, библиографического списка и приложений, работа изложена на 385 страницах машинописного текста, содержит 134 рисунка, 96 таблиц, списка использованных источников из 331 наименования, 7 приложений.
Объективные преимущества использования в домостроении материалов из древесины
В России и за рубежом накоплен достаточно большой опыт использования отходов древесины в производстве строительных материалов [38; 155; 171; 174; 181; 198; 206; 221; 222; 266; 286; 317; 320; 330]. Очевидно, что более полное их использование для нужд строительства позволит сократить дефицит строительных материалов, снизить стоимость строительства и затраты, связанные с ликвидацией отходов. Кусковые отходы от де ревообработки, лесопиления и лесозаготовок, стружка, опилки, кора, а также некоторые отходы производства лесохимической промышленности -прекрасное сырье для производства различных конструкционно-теплоизоляционных и отделочных строительных материалов для устройства стен, перекрытий полов, кровли, а также других деталей стандартного домостроения. С применением и без применения клеев могут быть изготовлены клееные панели, щиты и плиты, реечные плиты, щитовой паркет, торцовые щиты, дверные коробки, кровельная и штукатурная дрань, кровельная плитка и гонт, заготовки для столярного производства.
Производство прессованных изделий и материалов из измельченных отходов древесины позволяет решить проблему утилизации всех древесных отходов, независимо от их породного состава. Прессованием можно получать изделия, детали и узлы сложной формы с одновременной отделкой строганым и лущеным шпоном, синтетическими пленками, порошками и другими материалами, что увеличивает прочностные показатели и улучшает товарный вид готовых изделий.
В композиционных материалах в качестве наполнителя используют отходы других производств (опилки, дробленку, крошку, стружку, кору и др.). Это позволяет создать реальные условия перевода деревообрабатывающих предприятий на работу по малоотходным и безотходным технологиям. Наиболее перспективным направлением использования низкокачественного сырья и древесных отходов является производство технологической щепы для производства древесно-волокнистых плит (ДВП) и ДСтП.
К сожалению, недостаточно эффективно пока используются мягкие отходы деревообработки - не более чем на 30% от общего объема [80]. Большая часть вывозится на свалки либо бесконтрольно сжигается. В российском деревообрабатывающем производстве проблема утилизации мягких отходов находится на начальной стадии решения из-за целого ряда причин, главными из которых являются: низкие инвестиционные возмож ности отечественных предприятий, изношенное оборудование, устаревшие технологии.
При существующем подходе одним из основных потребителей стружки и опилок является плитное производство. Потребление 1 млн м2 плит, изготовленных из древесных отходов, сберегает 54 тыс. м3 деловых пиломатериалов [24]. ДВП изготавливают из древесины или древесных отходов с добавлением специальных составов. ДСтП производят из специальной стружки путем горячего прессования с добавлением связующих веществ. Развивается производство таких строительных материалов из измельченной древесины, как цементно-стружечные плиты, арболит, песча-но-опилочный бетон, стеклодробленочный строительный материал, ксилолит и пр.
С технологической точки зрения, имеется целый ряд направлений использования вторичных древесных ресурсов, но практически удается реализовать лишь небольшую их часть. Поэтому одной из актуальных задач, решение которой будет способствовать повышению эффективности производства материалов для деревянного домостроения, является обоснованный выбор направления их переработки [156; 266].
В последние годы все больше строительных и столярных изделий производится из клееной древесины. Это вызвано тем, что клееная древесина обладает несомненными преимуществами по сравнению с массивной. Ее изготавливают из досок, которые предварительно проходят обработку в сушильных камерах для достижения определенного процента влажности. После чего высушенные доски сортируются (из них вырезаются дефекты), склеиваются по длине на зубчатый шип, строгаются и склеиваются под мощным гидравлическим прессом по пласти. После необходимой для отверждения клея выдержки полученным заготовкам на четырехстороннем строгальном станке придается требуемый профиль.
В качестве исходного сырья чаще всего используют хвойные породы деревьев. Например, клееный брус создается, как правило, из однородных материалов сосны или из смешанных, когда внутренние ламели изготовлены из сосны или ели, а внешние - из лиственницы, практически не поддающейся гниению и имеющей красивую фактуру поверхности. Материал, полученный путем склеивания досок, практически не дает усадки и не подвержен деформации. Обычно склеивают не более пяти ламелей, что дает возможность получить брус толщиной в 200 мм. При изготовлении несущих конструкций с большим сечением склеивают несколько десятков ламелей. Кроме того, технология производства клееного бруса позволяет получить брус большого поперечного сечения, а также большей длины, используя в качестве сырья стандартную деловую древесину. Поэтому производить клееный брус больших сечений и большой длины оказывается проще аналогичного из цельной древесины. И, что очень важно, нет необходимости использовать в производстве высококачественное сырье, поскольку из напиленных досок убираются все бракованные участки, а оставшиеся части сращиваются и склеиваются [74; 75; 210; 250].
Клееная древесина используется в промышленном и гражданском строительстве в качестве несущих элементов. В загородном домостроении чаще всего применяется клееный стеновой брус. Высокая пожаростойкость является одним из неоспоримых преимуществ такого материала. Прекрасные акустические свойства позволяют использовать клееные конструкции при строительстве концертных залов, музыкальных студий. Японцы, являющиеся мировыми лидерами по использованию клееного бруса, применяют его для возведения зданий с высокой сейсмостойкостью [292].
Методика оценки влияния диаметра и количества сучков на коэффициент теплопроводности клееного бруса
Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме по ГОСТ 7076-99 [55]. Сущность метода заключается в создании стационарного теплового потока, проходящего через плоский образец определенной толщины и направленного перпендикулярно к лицевым (наибольшим) граням образца, измерении плотности этого теплового потока, температуры противоположных лицевых граней и толщины образца. Расположение образца - горизонтальное или вертикальное. При этом тепловой поток через испытываемый образец считают установившимся (стационарным), если значения термического сопротивления образца, вычисленные по результатам пяти последовательных измерений сигналов датчиков температур и плотности теплового потока, отличаются друг от друга менее чем на 1%, при этом эти величины не возрастают и не убывают монотонно. За результат испытания принимают среднеарифметические значения термического сопротивления и эффективной те-плопроводости всех испытанных образцов.
Метод калориметрического определения коэффициента теплопередачи по ГОСТ 31166-2003 [69]. Метод определения приведенного коэффициента теплопередачи (или сопротивления) ограждающей конструкции заключается в измерении по площади испытываемого участка температур, С, внутреннего teH и наружного tHap воздуха (не менее чем в 100 мм от поверхности конструкции), средней по участку плотности теплового пото-ка q, Вт/м , измеренной по расходу тепловой энергии, выделенной электронагревателем, который размещен в специальном теплоизолированном ящике (далее по тексту - приборе), прижатом к поверхности испытываемого в условиях стационарной (квазистационарной) теплопередачи ограждения, с последующим расчетом термических характеристик. Средняя плотность теплового потока q определяется при достижении стационарного (квазистационарного) температурного режима в системе ограждение - прибор по электрическим характеристикам постоянного тока, проходящего через электронагреватель, при условии равенства (отсутствия перепада) температур на поверхностях стенки прибора.
Метод определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций по ГОСТ 26254-84 [65]. Метод определения сопротивления теплопередаче, основанный на создании в ограждающей конструкции условий стационарного теплообмена и измерении температуры внутреннего и наружного воздуха, температуры поверхностей ограждающей конструкции, а также плотности теплового потока, проходящего через нее.
Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции определяют при испытаниях в лабораторных условиях в климатических камерах, в которых по обе стороны испытываемого фрагмента создают температурно-влажностный режим, близкий к расчетным зимним условиям эксплуатации, или в натурных условиях эксплуатации зданий и сооружений в зимний период.
Метод определения сопротивления теплопередаче для оконных и дверных блоков по ГОСТ 26602.1-99 [66]. Данный метод заключается в создании постоянного во времени перепада температур по обеим сторонам испытываемого образца, измерении температур воздуха и поверхнстей участков образца, а также теплового потока (или тепловой мощности на его создание), проходящего через образец при стационарных условиях испытания, и последующем вычислении значений термического сопротивления и сопротивления теплопередаче.
Измерения температуры и теплового потока при испытаниях в климатической камере проводят единовременно при помощи дистанционных приборов и аппаратуры. Нахождение людей и не используемой при испытаниях измерительной аппаратуры в климатической камере во время проведения измерений не допускается.
Определение теплопроводности, основанное на методах нестационарного потока тепла, также представляет интерес с точки зрения сокращения затрат времени на проведение опытов.
Метод зонда. Этот метод [67] заключается в следующем. Зондами (рис. 3.2) диаметрами 1 и 3 мм определяют теплопроводность на образцах и изделиях, зондами диаметром 5 мм - только на изделиях. Для определения теплопроводности изготавливают образцы материала в виде бруска размером не менее 50x50x200 мм или цилиндра диаметром не менее 50,0 мм и длиной не менее 200 мм для зонда диаметром 1 мм, размером не менее 65x65x250 мм - для зонда диаметром 3 мм. Образцы с введенными в них зондами размещают в термокамере, устанавливая каждый образец на две неметаллические опоры. Расстояние между соседними образцами и поверхностями рабочего объема термокамеры должно быть не менее 1 см. При определении теплопроводности в изделиях их следует размещать в закрытом помещении, не подвергающемся воздействию сквозняков и прямых солнечных лучей. Образцы и изделия с зондами должны быть выдержаны при заданной температуре измерений не менее 2 ч для теплоизоляционных материалов и 4 ч - для других материалов. Теплопроводность определяют не менее чем на двух образцах или изделиях и на одном изделии в случае размещения в нем двух зондов.
Одновременно с пуском секундомера на зонд подают ток нагрева. Значение тока нагрева должно выбираться таким образом, чтобы за время измерений (12 мин) прирост температуры зонда не превышал: 5 К - при определении теплопроводности влажных материалов или при определении теплопроводности при температуре ниже 280 К; 15 К - в остальных случаях. За время испытаний силу тока измеряют не менее пяти раз с интервалом не менее 5 с.
Результаты экспериментальных исследований по обоснованию режимов проведения опытов
Для проверки теоретических положений, представленных в разделе 2.3, были проведены сравнительные исследования эксплуатационных свойств заготовок для производства клееного бруса, склеенных из сосны (тип 1), и комбинированных - из сосны и осины (тип 2). Проводились испытания образцов на расслаивание, скалывание вдоль волокон и раскалывание. Образцы для испытаний изготавливались согласно общепринятым правилам. Сырьём служили осиновые и сосновые бруски, которые склеивали меламино-мочевино-формальдегидным клеем Каскомин 1242 с отвер-дителем 2542. Удельный расход клея составлял 0,40 кг/м при односторон-нем нанесении и 0,25 кг/м на каждую сторону при двустороннем нанесении. Давление запрессовки образцов во всех случаях принимали 1 МПа. Заготовки склеивали по двум схемам (рис. 4.1). Время выдержки в запрессованном состоянии - 10 часов. Время доотверждения - 5 дней. Варьируемыми факторами являлись: схема склеивания образцов и способ нанесения клея. Результаты эксперимента представлены в табл. 4.1.
Анализ полученных данных показал, что предел прочностной характеристики и стойкости к расслаиванию образцов, склеенных из сосны и осины, ниже, чем только из сосны, но при двустороннем нанесении клея его показатели соответствуют нормативным требованиям [62].
Для оценки значимости влияния варьируемых факторов (расположение годичных колец и способ нанесения клея) на качество склеивания был выбран метод двухфакторного дисперсионного анализа. Результаты обработки экспериментальных данных сведены в табл. 4.2-4.3, в которых приняты следующие условные обозначения дисперсий: S 2 - фактора А (рас 172 AB положение годичных колец); S - фактора В (способ нанесения клея); S - взаимодействия между факторами; S 2 - остаточная; S 2 - объединённая (дисперсия взаимодействия между факторами и остаточной дисперсией);
Выборочный коэффициент детерминации определялся из зависимостей = ff; і=Ь (4-2) Табличное значение критерия Фишера FT определялось для условий: 9 = 0,01;/7=1;/2=8. Исследования показали, что оба фактора значимы: прочность и стойкость заготовок для производства клееного бруса зависят и от расположения годичных колец в смежных слоях, и от способа нанесения клея, причём в большей мере - от способа нанесения клея. Для обеспечения высоких эксплуатационных свойств клееного бруса, склеиваемого из сосны и осины, следует рекомендовать расположение годичных колец сердцевиной наружу (рис. 4.1 а) и двустороннее нанесение клея. Экспериментальное обоснование влияния конструктивных параметров склеиваемых заготовок на качество клеевого соединения представлено ниже (см. 4.1.3).
Поскольку одной из причин снижения качественных показателей клеевого соединения является рост и разница внутренних напряжений в смежных слоях клееной древесины вследствие изменения ее влажности в процессе эксплуатации, либо - обусловленные различием физико-механических свойств (усушки и разбухания) древесины разных пород, были проведены экспериментальные исследования с целью улучшения эксплуатационных показателей клееной древесины путем обоснования рациональных конструктивных параметров изделий и совершенствования технологического процесса.
Указанные методы рекомендованы для цельной древесины. Для анализа упругих деформаций в клееной древесине был использован метод, суть которого заключается в следующем.
Подготавливались образцы из цельной древесины и двухслойной клееной. Для склеивания использовалась смола КФН-66Ф, в качестве от-вердителя хлористый аммоний в количестве 1%. Из цельной и клееной древесины было выпилено по четыре образца сечением 40x150x10 мм. В каждом образце на расстоянии 1/8, 1/4, 1/3, 1/2 ширины образца были сделаны пропилы до середины сечения. В клееных образцах пропилы сделаны до клеевого шва (см. рис. 4.2).
Все образцы имели начальную влажность 6%. Затем увлажнялись до 12,7% и 17,4%. После чего высушивались до влажности 9,5% и 2,8%. На каждом этапе изменения влажности проводились замеры изменения величин а; и а2 (см. рис. 4.2). Измерения проводились с помощью микроскопа БМИ-1, с ценой деления 0,005 мм. По результатам измерений были построены графики (см. рис. 4.3-4.4).
Из рис. 4.3 видно, что деформации в поверхностных слоях при изменении влажности больше, чем в средних слоях. Объяснить это можно тем, что клеевой шов препятствует движению слоев находящихся с ним в контакте. Таким образом, клеевой шов является концентратором напряжений.
Анализируя рис.4.4 можно сделать вывод, что внутренние напряжения в цельной древесине при движении от середины сечения образца к краю уменьшаются. При сравнении деформации в цельной и клееной древесине, видно, что в клееных образцах изменения деформаций выражены в большей степени, чем в цельных образцах. Особенно это заметно на 1/3 и 1/2 ширины образца. Поэтому для повышения долговечности клееной конструкции и снижения внутренних напряжений, необходимо обоснованно назначать размеры склеиваемых элементов [76; 106].
Исследование статистической устойчивости и расчет прогнозных значений размерно-качественных показателей фанерного сырья
В ходе исследований установлено, что факторы влияют незначимо на прочность на растяжение плит перпендикулярно пласти, однако выборочные коэффициенты детерминации говорят о большем влиянии фактора В.
Незначимость влияния факторов на данный прочностной показатель объясняется тем, что основное сопротивление разрыву перпендикулярно пласти оказывают клеевые прослойки. Учитывая, что размер стружки оказывает влияние на число клеевых связей, можно констатировать следующий факт - сочетание уровней факторов а4Ь2 даёт неожиданно высокую в сравнении с остальными условиями прочность на разрыв перпендикулярно пласти. Внешний вид образцов представлен на рис. 5.9.
Для третьего этапа эксперимента характерны те же зависимости по разбуханию ДСтП по толщине, что и для второго. Однако меньший фракционный размер древесных частиц в наружных слоях приводит к большему разбуханию (рис. 5.10). Это объясняется особенностями осмолення стружки наружных слоев: при том же самом весе стружки, а, следовательно, и том же весе связующего число стружек больше, а значит больше общая площадь поверхности осмолення. Это даёт меньшее количество клеевых контактов на единицу площади стружек, а, следовательно, меньшую прочность и большее разбухание по толщине.
Целью данных экспериментальных исследований являлось обоснование рациональных технологических параметров производства конкурентоспособных древесных композитов на основе отходов фанерного производства. В качестве аналога принят зарубежный плитный материал из древесных крупноформатных частиц Eurostrips, получаемых по специально разработанной технологии [36]. Поскольку для России подобные материалы являются новыми и в литературе отсутствуют сведения об использовании для их изготовления отходов фанерного производства, то были проведены исследования влияния основных технологических факторов на эксплуатационные свойства нового вида строительных материалов.
Экспериментальные исследования проводились по В-плану второго порядка. Диапазоны варьирования переменных факторов представлены в табл. 5.22, уровни постоянных факторов - в табл. 5.23. В качестве выходных величин приняты следующие показатели качества древесных композитов на основе отходов фанерного производства: У] - разбухание плит по толщине за 24 часа, %; У2 - прочность плит при статическом изгибе, МПа.
Сходимость экспериментальных значений и вычисленных по полученным регрессионным моделям для нового вида древесных композитов с наружными слоями из частиц типа Eurostrips показана в табл. 5.26.
Значения выходных величин, средние по эксперименту и вычисленные по регрессионной модели N X, х2 Хз Разбухание по толщине, Ps, % Прочность на изгиб аи, МПа Среднее арифметическое по опыту, У і У] , вычисленное по уравнению Среднее арифметическое по опыту,
Для детального анализа результатов исследований и определения рациональных технологических параметров процесса создания материалов с требуемым комплексом эксплуатационных свойств были построены двумерные графики (рис.5.14-5.19).
Анализ графических зависимостей показывает, что прочность плит при статическом изгибе растет с увеличением расхода связующего в наружных слоях при большинстве возможных сочетаний уровней температуры и удельной продолжительности прессования и обусловлена увеличением влияния когезионной прочности в структуре древесного композита.
При минимальной температуре прессования и максимальной удельной продолжительности прессования увеличение расхода связующего в наружных слоях не дает значимого изменения прочности композита. Некоторое уменьшение прочности материала - в пределах среднего рассеяния в эксперименте, то есть, обусловлено влиянием случайных факторов. Это объясняется особенностями структуры древесного композита.
В отличие от древесно-стружечных плит, наружные слои данного композита состоят из крупноразмерных форматированных частиц, контактирующих по всей пласти (подобно слоям шпона в фанере). В результате длительного воздействия давления прессования при недостаточной температуре происходит выдавливание части недоотвержденного связующего на кромки и поверхность композита. Эта особенность характерна и для процесса производства фанеры. С увеличением температуры прессования прочность композитов растет, причем максимальных значений достигает при большей норме расхода связующего и максимальной продолжительности прессования. При меньшей продолжительности прессования не достигается необходимое соотношение степени поликонденсации связующего и условий выхода образующейся при прессовании парогазовой смеси.
Похожие диссертации на Научные основы получения конкурентоспособных строительных материалов из низкосортной древесины и древесных отходов
-
