В статье рассматриваются вопросы повышения физико-механических свойств древесины. Особо отмечается усиление углеродным волокном, с выделением плюсов и минусов усиления деревянных балок полимерными композитами.
Ключевые слова: деревянная балка, полимерный композит, усиление, углеродное волокно.
Древесина — один из многочисленных строительных материалов, имеющий многовековую историю. Благодаря своим физико-механическим свойствам, древесина, как конструкционный материал, получила широкое распространение. К примеру, хвойные породы древесины, обладая средней плотностью 500 кг/м3 в 15,7 раза легче стали, а бетона в 4,8 раза, в результате чего снижаются материальные затраты при возведении зданий и сооружений. [4]
Среди основных достоинств древесины как конструкционного материала можно выделить следующие характеристики:
- высокая удельная прочность;
- простота и экономичность механической обработки;
- малый удельный вес;
- сейсмостойкость и восприятие динамических нагрузок;
- экологичность;
- химическая стойкость;
- архитектурная выразительность.
А основными недостатками являются анизотропия свойств и влияние пороков.
Благодаря богатому опыту проектирования и эксплуатации деревянных конструкций, как в нашей стране, так и за рубежом известно, что применение древесины в изгибаемых и сжато-изгибаемых элементах строительных конструкций наиболее эффективно при максимальном применении ее физико-механических свойств. [2]
Один из способов, позволяющий повысить физико-механические свойства древесины — модификация, к примеру, усиление композиционными материалами в виде лент, нитей, тканевых структур и т. д. Подобные полимерные композиционные материалы способны не только повысить физико-механические свойства конструкции в целом, но и выполнить протекторную защиту от внешнего воздействия: повышенная влажность, избыточная соленость и низкая температура.
К примеру, в случае армирования древесного материала из углеволокна на полимерной матрице и модификации сжатой зоны возможно достижение увеличения прочности и жесткости при снижении материалоемкости и монтажной массы конструкции с уменьшением влияния анизотропии свойств и пороков древесины на несущую способность.
При существующем многообразии армирующих волокон и полимерных связующих имеется возможность направленно регулировать различные характеристики:
- прочность;
- жесткость;
- уровень рабочих температур и т. д.
Одним из важнейших достоинств полимерного композита является возможность создания элемента конструкций с заранее заданными свойствами, которые бы полно могли отвечать характеру и условиям их работы. В таблице 1 представлены характеристики наиболее часто применяемых армирующих материалов и полимерных матриц.
Таблица 1
Характеристики различных армирующих материалов иполимерных матриц
|
Материал |
Прочность на растяжение, МПа |
Модуль упругости, ГПа |
Деформация удлинения% |
Плотность, т/м3 |
|
Стекловолокно «S» |
4585 |
85 |
3,5–4,7 |
2,48 |
|
Базальтовое волокно |
4100 |
110 |
3,5–4,7 |
2,8 |
|
Углеволокно (высокопрочное) |
4300–4900 |
230–240 |
1,9–2,1 |
1,8 |
|
Арамид |
3200–3600 |
124–130 |
2,4 |
1,44 |
|
Арматурная сталь класса А400 |
390 |
205 |
20–30 |
7,8 |
Одной из современных технологий усиления деревянной балки является усиление углеродным волокном, которое представляет собой наклеивание необходимого количества слоев при помощи эпоксидной смолы для того, чтобы обеспечить требуемый показатель жесткости (рис.1,2).
Рис. 1. Усиление деревянной балки углеродным волокном [9]
Данный способ усиления позволяет обеспечить конструкцию высокими прочностными характеристиками, компенсирующие выявленные пороки и повреждения. А также преимущество усиления деревянной конструкции при помощи полимерного композита заключается в следующем: относительная малая плотность, в результате чего габариты и нагрузка не увеличивается. Помимо этого, ПКМ обладают высокой устойчивостью к воздействию химически агрессивных сред. [6]
Преимущество полимерных композитов заключается и в следующем: сравнительно простой монтаж, что особенно важно при производстве работ конструкции в проектном положении при ограниченном доступе. [8]
Рис. 2. Усиление деревянной балки перекрытия полимерными композитами в здании гольф-клуба, Болгария [6]
Несмотря на огромное количество достоинств усиления деревянных конструкций, в частности, балок, полимерными композитами существуют и проблемы, связанные с этим:
– особенности анатомического строения древесины;
– отсутствие нормативной базы;
– более высокая стоимость ПКМ в отличие от традиционных материалов и т. д. [7]
В результате отсутствия нормативной базы и специальных руководств в области применения композитных материалов для усиления деревянных элементов строительных конструкций в отличие от железобетонных (СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила расчета»), развиваются исследования в данной области. [8]
При имеющихся многочисленных вариантах усиления деревянных конструкций, усиление полимерными композитами, например, армирование углеродным волокном, дает возможность повысить несущую способность и жесткость элемента деревянной конструкции без влияния на эстетичный вид и уменьшение полезного пространства помещения. Таким образом, изучение, создание и применение ПКМ очень перспективная и развивающаяся область современного материаловедения.
Литература:
- Бояджи А. А. Испытания клеедощатых деревянных балок с усилением полимерными композитными материалами. URL: https://www.researchgate.net/publication/331652744_ISPYTANIA_KLEEDOSATYH_DEREVANNYH_BALOK_S_USILENIEM_POLIMERNYMI_KOMPOZITNYMI_MATERIALAMI (дата обращения: 11.04.2020).
- Косов И. И. Применение древесины в качестве конструкционного материала в XXI веке. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/primeneniya-drevesiny-v-kachestve-konstruktsionnogo-materiala-v-xxi-veke (дата обращения: 10.04.2020).
- СП 64.13330.2017 Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25–80 (с Изменениями N 1, 2). URL: http://docs.cntd.ru/document/456082589 (дата обращения: 12.04.2020).
- Евсеенков К. А. Древесина, как конструкционный строительный материал//Дом из чистого дерева. — 2010. — № 3.
- Глухих В. Н. Усиление элементов конструкций наклейкой композиционных материалов в сжатой и растянутой зоне/Владимир Николаевич Глухих, Владимир Маркович Петров, Егор Вадимович Худаев//Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2017. — № 6(46). — C. 1273–1281. DOI: 10.21821/2309–5180–2017–9–6–1273–1281
- Полякова, Н. А. Современный способ усиления деревянных балок в объектах культурного наследия/Н. А. Полякова. — Текст: непосредственный, электронный// Молодой ученый. — 2019. — № 23 (261). — С. 63–65.URL: https://moluch.ru/archive/261/60463/ (дата обращения: 13.04.2020).
- Грибанов А. С. Усиление деревянных конструкций композитными материалами: существующий опыт, перспективы, проблемы реализации. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200113273 (дата обращения: 13.04.2020).
- СП 164.1325800.2014 Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200113273 (дата обращения: 13.04.2020).
- Грибанов А. С. Прочность и деформативность деревянных балок, армированных композитными материалами с локальной модификацией древесины сжатой зоны, 2018.
