Древесные композиты занимают широкую область в строительстве. Их можно использовать для устройства чернового и чистового пола, подвесного потолка, обшивок стен, в качестве элементов конструкций. Одним из недостатков, сдерживающих их применение в неотапливаемых зданиях и на улице, является высокое водопоглощение, которое также негативно сказывается на прочности материалов. В древесине и, соответственно, древесных композитах различают свободную (капиллярную) и физико-химически связанную (гигроскопическую) влагу. Именно наличие гигроскопической влажности приводит к набуханию материала и впоследствии к снижению его прочности. Капиллярная влага на прочности не сказывается, но может вызвать процесс гниения [1]. Повышенная температура способствует ускорению поглощения влаги и увеличению величины падения прочности.
УДК 674.8
О.А. КИСЕЛЕВА, канд. техн. наук, доцент кафедры «Конструкции зданий и сооружений», Тамбовский государственный технический университет
Ключевые слова: древесно-волокнистые плиты, прочность, водопоглощение, набухание, сушка
Keywords: fiberboard, strength, water absorption, swelling, drying
Удаляется из древесного материала свободная влага довольно легко, при этом изменение объема (размеров) древесины не наблюдается. Самым простым способом удаления данного вида влаги является атмосферная сушка, заключающаяся в выдерживании древесного материала в помещении с нормальной влажностью или на улице в теплое время года под навесом. Гигроскопическая влага находится в стенках клеток древесины, и вывести ее оттуда сложно [2]. Чаще всего ее удаление осуществляется в процессе технологической сушки.
В процессе сушки древесина способна полностью восстанавливать свою прочность, а древесные композиты – нет. Почему же это происходит? Вода, проникая в древесные композиты, приводит к нарушению их структуры и, следовательно, к ухудшению физико-механических свойств. Но даже если древесно-волокнистые плиты защищены от прямого контакта с водой, они все равно подвержены негативному влиянию влаги, т.к. способны поглощать ее из окружающей среды. Это связано с условиями изготовления плит. При прессовании древесные частицы приближаются друг к другу. Клеевые связи между древесными частицами препятствуют их отходу друг от друга, фиксируя тем самым приобретенные ими при прессовании форму и размеры. При нахождении в воде эти связи ослабевают, а также имеет место распрессовка древесных частиц. Кроме того, поглощаемая древесными частицами вода проникает в пространство между молекулами и раздвигает их, благодаря чему древесные частицы набухают, меняют форму и размеры [3].
В связи с этим актуальными являются вопросы влияния воды на свойства древесных композитов, чему и посвящена данная статья.
В ходе выполнения экспериментов было проведено две серии испытаний. Первая серия образцов подвергалась непрерывному воздействию влаги. Замачивание в воде осуществлялось в периоды от 30 мин. и до 90 дней, после чего образцы подвергались высушиванию в течение от 1 ч и до 60 дней. Вторая серия образцов подвергалась циклическому воздействию влаги. Замачивание в воде в течение 30 мин. и 2, 12, 24 ч чередовалось с высушиванием образцов в течение 2, 4 и 6 ч.
Для каждой партии образцов продолжительность замачивания и высушивания была постоянной.
Температура сушки в первом и во втором случае менялась в диапазоне 20-60°С. В процессе испытаний фиксировали изменение влажности, толщины образцов, а также их прочность при поперечном изгибе. Полученные результаты представлены на рис. 1-4.
На рис. 1 показаны результаты по влиянию непрерывного замачивания на свойства ДВП. Наиболее сильное снижение прочности ДВП наблюдается в первые 24 ч замачивания, при этом теряется порядка 80% их прочности. Затем процесс стабилизируется, и после 90 суток потеря составляет 87% [4]. Однако утрата прочности – процесс обратимый: при испарении влаги происходит ее частичное восстановление. Например, при сушке в течение 24 ч падение прочности составит после 24 ч замачивания 87%, а при сушке 7 дней восстанавливается порядка 50% прочности. При длительности замачивания более 40 дней негативное действие воды в материале усиливается, и потеря прочности после 90 дней замачивания с продолжительностью сушки 7 дней составляет 57%, т.е. в образцах восстановилось порядка 30% прочности.
(–––––– непрерывное замачивание, – – – – циклическое замачивание)
Объяснить такое поведение материала можно, проследив, как меняется влажность древесно-волокнистых плит. Наибольшее увеличение влажности также наблюдается в первые 7 дней воздействия воды (она достигает 35% для сушки в течение 24 ч и 82% – в течение 1 ч). Из этого следует, что влага заполняет не только поры в древесно-волокнистых плитах, но и проникает в стенки клеток самих древесных волокон. Параллельно наблюдается набухание образцов и существенное падение их прочности. При более длительном замачивании – до 90 дней – процесс замедляется, но не прекращается, и влажность образцов достигает 90% после сушки в течение 1 ч и 54% после сушки в течение 24 ч. При этом увеличение влажности образцов не сопровождается процессом их набухания. Следовательно, предел гигроскопической влажности уже достигнут в течение первых 7 дней замачивания, и вода заполняет полости клеток наполнителя [4].
При циклическом замачивании падение прочности наиболее интенсивно происходит в первые 10 циклов (рис. 2а). При этом в зависимости от длительности замачивания (10 мин. или 2 ч) прочность падает на 72-77%.
Дальнейшее увеличение количества циклов замачивания-высушивания практически не сказывается на прочности древесно-волокнистых плит, и уже через 100 циклов она составляет 16-22% от первоначальной.
Из вышесказанного следует, что наиболее опасным для ДВП является циклическое замачивание.
В работе [5] было изучено влияние циклического замачивания на прочность древесно-стружечных плит. В результате было установлено, что для данного вида древесного пластика наиболее опасен следующий режим замачивания. Образцы из ДСП замачивали 1 ч, а затем высушивали в течение 7 ч и т.д. После 30 циклов замачивания-высушивания по данному режиму прочность древесно-стружечных плит снизилась на 69%, а при непрерывном замачивании в течение 30 ч материалом было потеряно только 33% прочности.
Как же влияет продолжительность замачивания на свойства ДСП? При замачивании в течение 10 мин. изменение влажности происходит во всем диапазоне циклов (рис. 2б). При увеличении времени замачивания значительный рост влажности образцов происходит в течение первых 20 циклов, затем процесс стабилизируется и падение прочности замедляется. Причем величина влажности при продолжительности замачивания 30 мин. и 2 ч практически одинакова.
Сопоставив полученные результаты, можно сделать следующий вывод. Рост гигроскопической влажности в древесных плитах происходит в течение первых 10 циклов при замачивании с продолжительностью 30 мин. и более. При дальнейшем увеличении длительности замачивания и количества циклов влага проникает только в полости клеток древесного материала или поры композита. При продолжительности замачивания 10 мин. нарастание гигроскопической влажности происходит в течение 20 циклов.
Повышение температуры снижает прочность древесины. Кратковременное воздействие не слишком высокой температуры дает обратимые изменения. А вот с повышением температуры или длительности ее воздействия в материале начинают протекать процессы старения, сказывающиеся не только на его структуре, но и на механических свойствах [6]. Поэтому технологическая сушка нежелательна, но, несмотря на это, для сокращения продолжительности операции прибегают к сушке при повышенной температуре. При этом исследованиями было установлено, что температура сушки не должна превышать 60°C [2]. Так, предел прочности холодной сухой древесины выше предела прочности горячей сырой древесины в 15-20 раз. Для других показателей механических свойств древесины характер изменения аналогичен, однако абсолютные значения показателя и их соотношения могут колебаться в широких пределах.
В процессе сушки образцы древесных плит способны частично восстанавливать свою прочность (рис. 3 и 4), т.к. происходит удаление гигроскопической влаги независимо от вида замачивания (циклического или непрерывного). Особенно интенсивно процесс протекает в первые 7 дней. При непрерывном замачивании от 30 мин. до 20 ч прочность ДВП составляет соответственно 90% и 44% от первоначальной, а при циклическом – 77%.
Низкие значения прочности плит при длительном замачивании объясняются содержанием в них гигроскопической влаги.
Рассмотрим более подробно, как происходит восстановление прочности ДВП. При незначительной сушке от 1 до 4 ч ее восстановление практически не наблюдается, т.е. в это время из образцов удаляется только капиллярная влага. С увеличением продолжительности сушки до 24 ч восстанавливается порядка 20% прочности, что говорит о начале испарения гигроскопической влаги. С дальнейшим ее повышением до 7 дней восстанавливается уже от 30% до 60% прочности. При сушке свыше 7 дней наблюдается замедление процесса для образцов с небольшим содержанием гигроскопической влаги, и после сушки в течение 60 суток прочность ДВП составляет 93% от первоначальной. Для образцов, подвергшихся замачиванию в течение 20 ч, прочность продолжает восстанавливаться и достигает 82% от первоначальной.
При циклическом замачивании большая часть гигроскопической влаги удаляется из образцов на 7-е сутки. При дальнейшей их сушке прочность восстанавливается незначительно – на 7% за 30 дней, достигая величины 80% от первоначальной [7].
Интенсивное испарение влаги происходит в течение первых 3 дней сушки (влажность составляет 4% от первоначальной), при этом испаряется преимущественно капиллярная влага. В последующие 4 дня удаляется гигроскопическая влага, завершение процесса происходит на 7-е сутки. Полностью удаление всей влаги (и гигроскопической, и капиллярной) завершается к 60 дням, при этом влажность образцов превышает первоначальную всего лишь на 1%.
При циклическом замачивании (с режимом сушки после каждого цикла в течение 7 ч) водопоглощение образцов составляет 82%. Как и в предыдущем случае, к 7 дням сушки его величина стабилизируется и составляет не более 1%. Падение прочности ДВП в данном случае происходит в первые 10 циклов замачивания. При этом теряется до 64% прочности плит. Увеличение продолжительности сушки до 7 дней приводит к восстановлению прочности, величина которой увеличивается в 2 раза. При дальнейшем увеличении продолжительности сушки восстановление прочности незначительное. Такое поведение материала говорит об удалении гигроскопической влаги из древесного наполнителя. При этом полного восстановления прочности не происходит.
В отличие от натуральной древесины, которая при сушке почти полностью восстанавливает первоначальные размеры, для ДВП характерно сохранение набухания. Так, после сушки в течение 7 дней после непрерывного замачивания набухание образцов составляет 10%. Такое поведение материала объясняется тем, что при данной продолжительности сушки гигроскопическая влага не была полностью удалена. После 10 циклов замачивания-высушивания с продолжительностью сушки 7 дней набухание образцов составляет 26%, а 30 дней – 13%. Объяснить данный факт можно наличием в материале остаточной деформации и распресовкой материала. Поглощаемая древесными частицами вода проникает в пространство между молекулами и раздвигает их, из-за чего древесные частицы набухают, а клеевые связи между ними ослабевают [7].
С увеличением температуры сушки величина остаточной прочности увеличивается с 68% (атмосферная сушка) до 84% (сушка при 40°С). При дальнейшем повышении температуры сушки до 60°С в материале возникают процессы теплового старения, ослабляющие полимерные связи, поэтому остаточная прочность падает до уровня 75% от первоначальной.
После атмосферной сушки при 20°С образцов, подвергшихся циклическому действию воды (продолжительность замачивания 12 и 24 ч), остаточная прочность составила 59%. В данном случае повышение температуры сушки до 40°С и 60°С приводит к снижению остаточной прочности до величины 35% от первоначальной. Данный факт потери прочности вызван тем, что в материале связи уже ослаблены и негативное действие теплового старения начинает проявляться быстрее [8].
Продолжительность сушки при температуре 40°С и 60°С практически не влияет на прочность древесно-волокнистых плит, подвергшихся действию как непрерывного замачивания, так и циклического, т.е. испарение влаги протекает быстрее, и достаточно несколько часов (4) для завершения процесса. Таким образом, для древесно-волокнистых плит наиболее эффективна атмосферная сушка. Ускорить процесс сушки (до 4 ч) в данном случае можно с помощью повышения ее температуры до 40°С, но при этом теряется порядка 20% остаточной прочности.
Проследим, как влияет температура воды на процессы замачивания и потерю прочности. Наиболее сильное снижение прочности наблюдается при замачивании древесно-волокнистых плит в воде при температуре 60°С. После двух циклов замачивания-высушивания прочность снижается уже на 71%, затем наступает полная стабилизация процесса, в то время как при замачивании в воде при температуре 20°С теряется только 49% прочности, после чего падение прочности замедляется. При этом после 10 циклов прочность ДВП снижается уже на 76-85%. С чем же связано такое поведение материала?
Предел гигроскопичности плит достигается уже ко 2-му циклу замачивания-высушивания при температуре 60°С (общая влажность образцов составляет 69%). Влажность же образцов, выдерживаемых в воде при температуре 20°С и 40°С, составляет 20-22%, поэтому падение прочности замедлилось, но не прекратилось.
Выводы:
Сопоставив полученные результаты по изменению прочности и влажности образцов, можно сделать следующие выводы. Рост прочности образцов в процессе их атмосферной сушки вызван испарением гигроскопической влаги из стенок клеток наполнителя и говорит о сохранении связей «полимер – древесина», т.е. вода действует в большей степени на наполнитель, а не материал в целом.
Библиографический список
1. Рыбьев И.А. Строительное материаловедение: учебное пособие для строительных вузов. – М.: Высшая школа, 2004, – 701 с.
2. Расаев А.И. Сушка древесины: учебник для профтехучилищ. – М.: Высшая школа, 1980, – 181 с.
3. Мерсов Е.Д. Производство древесно-волокнистых плит: учебник. – М.: Высшая школа, 1989, – 232 с.
4. Киселева О.А., Груздева Е.А., Белякова Д.С. Влияние воды на прочность и долговечность древесно-волокнистых плит // Безопасность строительного фонда России: материалы международных академических чтений РААСН. – Курск, 2011, с. 242-247.
5. Киселева О.А. Влияние режима замачивания при циклическом действии воды на механические свойства ламинированных древесно-волокнистых плит / О.А. Киселева, Е.А. Груздева // Materialy VIII Miedzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Aktualne problem nowoczesnych nauk – 2012». Volume 48. Budownictwo i architektura. Fizyczna kultura i sport. – Prezemysl: Nauka i studia, с. 44-46.
6. Киселева О.А., Ярцев В.П. Физические основы работоспособности строительных материалов из древесины / Монография. – Тамбов, 2007, – 240 с.
7. Груздева Е.А. Влияние продолжительности сушки на механические свойства ламинированных древесно-волокнистых плит // Труды ТГТУ: Сб. науч. ст. магистрантов. – Тамбов. 2011. Вып. 24, с. 12-13.
8. Киселева О.А. Влияние режима сушки на свойства древесно-волокнистых плит // Вестник науки и образования Северо-Запада России. – Калининград. Т. 3, №1, 2017, http://vestnik-nauki.ru/
