В основе изучения целостности и разрушения при сушке конструкции пиломатериалов, включая лиственничные, лежит оценка соотношения предела их прочности и действующих на них разрушающих напряжений. Для сохранения целостности конструкцию необходимо либо упрочнять, либо снижать действующие напряжения.

Источник публикации и ссылка для цитирования – Зарипов Ш.Г. Систематизация факторов, влияющих на образование трещин в лиственничных пиломатериалах при сушке // Лесн. журн. 2018. № 3. С. 127–136. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.3.127

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время разработано достаточно большое количество феноменологических моделей, объясняющих разрушение пиломатериалов при сушке. В подавляющем большинстве моделей изучается развитие напряжений первого рода, уравновешиваемых в пределах больших объемов древесины, соизмеримых с объемами сортимента [4, 7, 11 и др.]. Такой подход позволяет установить влияние изменения количества связанной влаги на возникновение растягивающих напряжений в высушиваемых пиломатериалах. Однако при этом не учитываются особенности деформирования отдельных элементов древесины лиственницы в определенных температурно-временных интервалах.

Решение проблемы целостности доски при сушке усложняется переменными значениями действующих растягивающих напряжений и прочности самой древесины, которые наблюдаются на фоне деструктивных процессов. Поэтому целостность пиломатериалов при сушке может быть обеспечена при всестороннем учете факторов, оказывающих влияние на возникновение трещин.

Ранее проведенные исследования показали [6, 12], что при простом механическом воздействии на связи такого полимерного материала, как древесина, ей придается широкий набор свойств: от свойств высоковязкой жидкости до свойств, присущих хрупкому стеклу. Поэтому при изменении характера поведения имеющейся совокупности цепей в определенных температурно-временных интервалах следует ожидать протекания различных деформационных процессов.

Следовательно, при изучении процессов образования трещин необходимо учитывать физическое состояние древесины, которое зависит от ее температуры и влажности, скорости воздействия напряжений растяжения, а также дополнительное растягивающее воздействие на определенный элемент древесины, связанное с недопущением такого явления, как поперечное коробление.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Нами был проведен комплекс экспериментальных исследований, который позволил установить основные стадии разрушения древесины лиственницы при конвективной сушке: от зарождения магистральной трещины в виде микротрещины до ее затухания (рис. 1).

Развитие магистральной трещины происходит за счет образования новых микротрещин, которые формируются путем разрушения сердцевинных лучей с некоторым смещением их относи­тельно друг друга (рис. 2). 

Были проведены механические испытания образцов лиственничных пиломатериалов на разрывной машине ИР-100. Факторы и пределы варьирования: температура нагрева древесины t_д = 20, 50, 75°С; скорость нагружения υ_н = 0,1; 1,0 кН/с; влажность древесины W_д ≈ 5; ≥ 30%. Выходные параметры – модули упругости при растяжении в тангенциальном и радиальном направлениях. 

Результаты проведенных механических испытаний позволили получить численные значения модуля упругости древесины лиственницы при растяжении в тангенциальном и радиальном направлениях (рис. 4).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для более полного представления о причинно-следственной связи между кинетикой сушки и физико-механическими свойствами древесины представим последнюю в виде некоторой полимерной композиции [10], строение которой подобно строению взаимопроникающих сеток, где углеводы образуют сетку за счет водородных связей и сил физического взаимодействия, но отличается тем, что сетки углеводов и лигнина соединены валентными связями. Тогда пространственная структура матрицы – это суперпозиция трех сеток [9], которые образуются водородными связями и силами физического взаимодействия (Н-сетка); валентными связями между лигнином и нецеллюлозными углеводами (ЛУ-сетка); за счет структуры лигнина (Л-сетка).

Предложенная полимерная композиция позволяет объяснить цикличность разрушения древесины лиственницы при растяжении поперек волокон. Приведенные на рис. 5 графики (1, 2) «деформация–разрушение» указывают на то, что разрушение образца является многоцикличным процессом. Каждый цикл состоит из двух периодов. Цифры на графике указывают на реперные точки периодов цикла.

Вначале происходит пластическое деформирование при постоянном значении растягивающих сил (горизонтальный участок: 1–1m; 2–2m, … , 13–13m), что указывает на своеобразное «вытягивание» связей путем «разворачивания» клубка определенной группы макромолекул до некоторого предельного значения.

По достижении предельного значения пластической деформации сетки, растягивающая сила начинает воздействовать на узлы сетки (вертикальные отрезки: 1m–2, 2m–3, … ,13m–14), происходит натяжение связей без деформирования (упругое растяжение), что приводит к разрушению узла сетки. Следующий цикл растяжения соответствует сопротивлению более длинных, по сравнению с предыдущими, связей. Разрушение этих связей осуществляется по аналогичной схеме.

Суммарное относительное удлинение рабочей части испытуемого образца при растяжении как в радиальном, так и в тангенциальном направлении (независимо от температуры и влажности древесины, а также скорости нагружения) не превышает 1%, что указывает на линейность связи между напряжениями растяжения σ_р и относительными деформациями ε. Такая зависимость характерна для упругих тел и подчиняется закону Гука [6]: σ_р = Е ^. ε, где Е – модуль упругости.

Таким образом, одна из причин появления трещин в лиственничных пиломатериалах – ограниченная деформативность древесины. Поэтому необходимо изучить факторы, оказывающие влияние на образование трещин в начальный период сушки, когда древесина лиственницы при растяжении имеет минимальную жесткость – Е ^. F (где F – площадь поперечного сечения конструкции) [1].

Для этого обратимся к результатам экспериментальных исследований (рис. 4). Основной вывод, который следует из анализа этого рисунка: модуль упругости древесины лиственницы при растяжении в радиальном направлении превышает аналогичный показатель в тангенциальном направлении в 1,67–2,50 раза независимо от физического состояния древесины.

Кроме того, полученные данные свидетельствуют, что прочность древесины лиственницы во многом определяется жесткостью такого элемента композиции, как сердцевинный луч. Объем сердцевинных лучей составляет порядка 10–11% всего объема древесины [8]. Следовательно, располагаясь по радиусу ствола бревна, сердцевинные лучи обусловливают ее жесткость при растяжении поперек волокон.

Так, в досках, которые получены при реализации смешанной схемы распиловки бревен (рис. 3), наличие сердцевинных лучей существенно снижает прочность древесины лиственницы. Такой эффект (рис. 1, 2) объясняется более низкой жесткостью сердцевинных лучей в поперечном сечении тангенциальной зоны годичного слоя по сравнению с клеточными стенками поздней древесины.

В радиальных пиломатериалах сердцевинные лучи выступают в качестве армирующих элементов, повышающих жесткость древесины лиственницы при растяжении. В результате выполняется основное условие сохранения целостности доски в начальный период сушки [σ] ≥ σ_р (где [σ] – предел прочности) [14].

Две следующие группы факторов также зависят от особенностей структуры древесины лиственницы. Однако их влияние проявляется на определенных стадиях сушки через такой показатель, как распределение связанной влаги по сечению доски. При этом необходимо учитывать, что удаление влаги является одним из составляющих процесса экстракции [5]. Следовательно, процесс сушки древесины лиственницы сопровождается ее деструкцией [15], интенсивность которой во многом зависит от температуры материала.

Начальная стадия сушки характеризуется неравномерной усушкой поверхностных слоев доски, что является первопричиной возникновения растягивающих напряжений из-за наличия перепада влажности ΔW_г, таблица 1.

В течение 16–23 ч сушки ΔW_г = 9,0–12,1%, что создает наиболее благоприятные условия для возникновения трещин в поверхностном слое доски и повышает вероятность выполнения условия [σ] < σ_р.

При равных значениях ΔW_г удельная усушка тангенциальной зоны поверхностного слоя доски превышает аналогичный показатель в радиальном направлении в 1,84–2,2 раза [7, 8]. В результате наблюдается повышение нереализованной усушки, являющейся основным фактором формирования значительных растягивающих напряжений. Повышенное значение нереализованной усушки в тангенциальной зоне поверхностного слоя доски фиксируется на фоне минимальной жесткости Е^.F → min) сердцевинного луча, что является вторым фактором. Поэтому тангенциальная зона поверхностного слоя лиственничной доски – это своеобразный концентратор напряжений. Таким образом, эта зона поверхности доски отличается высокой вероятностью образования трещин в начальный период сушки.

В специальной литературе [2, 3, 6, 13 и др.] значительное внимание уделяется влиянию на образование трещин в полимере такого фактора, как скорость нагружения.

Как видно из представленных на рис. 4 графиков, скорость нагружения не изменяет структуру материала. Она устанавливает характер отклика системы на интенсивность действующих сил. Поэтому влияние скорости нагружения на жесткость древесины лиственницы следует рассматривать в совокупности с такими параметрами, как температура и влажность древесины [16].

Из полученных данных видно, что при температуре древесины 34–36°С (тангенциальное растяжение) и 41°С (радиальное растяжение) влияние скорости усыхания на жесткость древесины лиственницы ничтожно мало. Такая зависимость прослеживается независимо от влажности древесины.

На заключительной стадии сушки наблюдается относительно равномерное распределение связанной влажности по сечению доски. В результате ΔW_г → min (см. таблицу). Как следствие, происходит формирование поперечного коробления. При сушке в зажатом состоянии поверхностные слои лиственничной доски испытывают дополнительные растягивающие напряжения (σ_доп) из-за недопущения коробления [4].

Рис. 6 иллюстрирует трещину в доске смешанной распиловки, которая сушилась в свободном состоянии, что привело к поперечному короблению. При этом σ_доп → 0. В результате трещина, которая образовалась в начальный период сушки, ограничилась глубиной 10 мм. Проведенные опыты показали, что при сушке пиломатериалов в зажатом состоянии глубина трещины много выше того значения, которое указано на рис. 6, за счет действия дополнительных напряжений.

ВЫВОДЫ

1. Образование трещин при сушке лиственничных пиломатериалов – многофакторное явление, которое возникает в равной степени как в период повышенного перепада связанной влажности, так и в период ее выравнивания.

2. Древесина лиственницы характеризуется низкой деформативностью при растяжении поперек волокон, что позволяет относить ее к упругим телам.

3. Выделяются три группы факторов, влияющих на формирование трещин в лиственничных пиломатериалах. Основная группа связана непосредственно со структурой древесины лиственницы (с наличием концентратора напряжений в виде сердцевинных лучей), две другие связаны со структурой опосредованно и проявляются при определенном распределении связанной влаги по сечению доски.

Шакур Зарипов, д.т.н., доц.

Филиал Сибирского государственного аэрокосмического 
университета им. Академика М.Ф. Решетнева

Библиографический список