Влияние длительности воздействия и степени агрессивности жидких химически активных сред на кратковременную прочность деревянных балок

The effect of duration of exposure and the degree of aggressiveness of liquid chemically active environments on a short-term durability of wooden beams

Alexander Erofeev

candidate of technical Sciences, associate Professor, Tambov state technical University, Russia, Tambov

Sergey Skvortsov

undergraduate group MST-21 the master's program “Theory and design of buildings and structures”, Tambov state technical University, Russia, Tambov

Pavel Mukhortov

student of group of BST-profile 32 "CBC", Tambov state technical University, Russia, Tambov

Аннотация. Рассматривается влияние времени действия 14-% раствора соляной кислоты и ацетона на прочность деревянных балок. Показано, что действие указанных сред сильно влияет на прочность при поперечном изгибе деревянных балок, также сделаны выводы о причинах влияния.

Abstract. Discusses the impact of the duration of a 14% solution of hydrochloric acid and acetone on the strength of wooden beams. It is shown that the effect of these environments strongly influences the strength at a bending wooden beams, also made conclusions about the causes of influence.

Ключевые слова: деревянные балки; химически агрессивные среды; кратковременная прочность.

Keywords: wood beams; the chemically aggressive environment; short-term durability.

В настоящее время в качестве конструкций, которым предстоит работать в условиях действия на них агрессивных сред, все чаще по объективным причинам выбирают деревянные конструкции. В связи с этим, необходимо понимать, как длительность воздействия и степень агрессивности жидких химически активных сред влияет на прочность деревянных балок.

Для оценки влияния степени агрессивного воздействия на кратковременную прочность деревянных балок по СП 28.13330.2012 «Защита строительных конструкций от коррозии» [1] были выбраны два раствора разной степени агрессивности. В качестве сильноагрессивной среды, в которой производилось замачивание в течение определенного времени, использовался 14 % раствор неорганической соляной кислоты. Для сравнения в качестве слабоагрессивной среды была выбрана органическая жидкая среда – ацетон.

Испытания при разрушении поперечным изгибом проводились по стандартной методике. Образцы выдерживались при заданной температуре в течение требуемого времени, которое определялось термостатированием, затем они помещались на испытательную секцию установки. При проведении кратковременных испытаний 6 образцов каждого вида ступенчато нагружались до их полного разрушения. В процессе экспериментов фиксировалась максимальная разрушающая нагрузка, выдерживаемая материалом.

Для испытаний были взяты образцы цельного и составного сечения Закономерности влияние времени действия агрессивной среды на прочность наглядно представлены на рисунке 1.

а)                                                                     б)

Рисунок 1. Влияние времени выдержки образцов в ацетоне и растворе соляной кислоты HCl на прочность. а – цельного сечения; б – составного сечения

Из графика, представленного на рисунке 1, а, для балок цельного сечения видно, что при замачивании в 14 % растворе соляной кислоты наблюдается резкое падение прочности деревянных балок в первые часы проведения эксперимента. Кратковременная прочность для образцов, которые находились под воздействием соляной кислоты в течении одного часа, составила 50,29 МПа, что соответствует 17 % потере несущей способности относительно прочности деревянных балок при той же температуре 20 ºС, но без воздействие жидких агрессивных сред (σ=60,58 МПа) [2]. Для образцов, замачиваемых в течении: двух часов кратковременная прочность составила 45,16 МПа, что соответствует 25,5 % потере несущей способности; 24 часов – 38,09 МПа, 37,1 % потеря несущей способности. После 24 часов падение несущей способности стабилизируется и на 7-ые сутки кратковременная прочность составила 33,11 МПа, что соответствует 45,3 % потере несущей способности.

При замачивании деревянных балок в ацетоне так же замечено резкое падение прочности в первые часы проведения эксперимента. Кратковременная прочность для образцов, которые находились под воздействием ацетона в течение одного часа, составила 57,38 МПа, что соответствует 5,3 % потере несущей способности [3]. Для образцов, замачиваемых в течении двух часов кратковременная прочность составила 54,89 МПа, что соответствует 9,4 % потере несущей способности. Для 24 часов – 50,67 МПа, 16,4 % потеря несущей способности. После 24 часов падение несущей способности стабилизируется и на 7-ые сутки кратковременная прочность составила 45,52 МПа, что соответствует 24,8 % потере несущей способности.

Для деревянных балок составного сечения без специальных связей можно наблюдать аналогичную картину падения кратковременной прочности образцов, что видно из графика, представленного на рисунке 1, б.

При испытаниях в 14 % растворе соляной кислоты HCl в течении одного часа напряжение составило 56,22 МПа, что соответствует 24,4 % потере несущей способности относительно прочности деревянных балок при той же температуре 20 ºС, но без воздействие жидких агрессивных сред (σ=74,39 МПа – получена интерполяцией из таблицы 3). Для 2-х часов – 53,03 МПа, потеря несущей способности – 28,7 %. Для 24-х часов – 41,35 МПа, потеря несущей способности – 44,4 %. Для 7-ми суток – 30,29 МПа, потеря несущей способности – 59,3 %.

При испытаниях в ацетоне в течении одного часа напряжение составило 65,19 МПа, что соответствует 12,4 % потере несущей способности. Для 2-х часов – 61,17 МПа, потеря несущей способности – 17,8 %. Для 24-х часов – 57,92 МПа, потеря несущей способности – 22,1 %. Для 7-ми суток – 50,41 МПа, потеря несущей способности – 32,2 %.

Таким образом, можно сделать вывод, что воздействие сильноагрессивной жидкой среды, в качестве которой выступал 14 % раствор неорганической соляной кислоты HCl, оказывает значительное влияние на физико-механические свойства древесины и за 7 суток прямого воздействия потеря несущей способности деревянных балок приблизительно составляет 50 % от первоначальной. Падение прочности древесины под воздействие соляной кислоты связана с взаимодействием неорганической соляной кислоты НСl с основными органическими веществами древесины: целлюлозой, лигнином и гемицеллюлозой, что вызывает разрушение межклеточного слоя [4]. О таком воздействии 14 % раствора соляной кислоты HCl так же свидетельствует изменение цвета древесины образцов с естественного светлого на более темный цвет, что отчетливо видно на рисунке 2.

а)                                                                б)

Рисунок 2. Воздействие 14% раствора HCl на деревянные балки. а – образец до замачивания; б – образец после замачивания

Воздействие слабоагрессивной среды – ацетона в течении тех же 7-ми суток вызывает потерю несущей способности приблизительно 25–30%. Воздействие же ацетона на цвет древесины образцов сосны второго сорта никак не проявилось.

В результате испытаний так же было выявлено, что образцы составного сечения были подвержены большему коррозионному воздействию со стороны жидких агрессивных сред, чем образцы цельного сечения. Это можно объяснить прежде всего тем, что площадь пропитки таких образцов больше, а геометрические размеры высоты каждого из двух элементов сечения относительно образцов цельного сечения меньше в два раза. Это способствует более быстрому коррозионному воздействию на деревянные балки.