Для определения прочностных и деформативных характеристик были проведены натурные испытания образцов. Для этого были изготовлены деревянные бруски с размерами 50 × 50 × 200 (h) мм из сосны второго сорта.
Процесс термообработки древесины производится в специальной вакуумно-сушильной камере, в которой материал плавно нагревается в течение нескольких часов до температуры 170–190 °C (в безвоздушной среде) и находится в таком состоянии в течение 5–6 часов, в зависимости от сорта и твердости древесины, что приводит к изменению свойств древесины. Древесина приобретает темный оттенок, сравнимый с коричневым или шоколадным цветом, который усиливает естественные узоры и текстуру дерева (рис. 1).
Рис. 1. Общий вид образцов: а – брусок 50 × 50 × 200 мм из термообработанной сосны; б – брусок 50 × 50 × 200 мм из стабилизированной сосны; в – брусок 50 × 50 × 200 мм из термообработанной и стабилизированной сосны
Fig. 1. General view of the specimens: a – 50 × 50 × 200 mm block of thermally treated pine; b – 50 × 50 × 200 mm block of stabilized pine; c – 50 × 50 × 200 mm block of thermally treated and stabilized pine
Пропитка жидкими термоотверждающими полимерами (состав фирмы 100TERM) для стабилизации древесины аналогично термообработке производится при помощи вакуумирования в специальной камере в течение нескольких часов (рис. 2а). При отсутствии вакуумной камеры древесину можно оставить погруженной в состав в течение нескольких недель. Полимеры проникают в поры древесины, а затем запекаются в печи при температуре 100–120 °C, в зависимости от применяемого полимера (рис. 2б). Полимер также подчеркивает узор и текстуру дерева, для большей контрастности в полимер можно добавлять различные красители.
Рис. 2. Оборудование для стабилизации: а – вакуумный шкаф; б – сушильный шкаф
Fig. 2. Equipment for stabilization: a – vacuum chamber; b – drying oven
Далее выполнено определение фактического модуля упругости модифицированной древесины (термообработанной, стабилизированной полимером, термообработанной и стабилизированной полимером) на основе испытаний на 4-точечный изгиб брусков размерами 30 × 30 × 200 мм в соответствии с ГОСТ 16483.9-73 [
Проведенные испытания образцов показали значения определяемых характеристик, близкие к значениям, приведенным в СП 64.13330.2017 [
Далее были выполнены испытания образцов, которые производились на гидравлическом прессе П-500 (рис. 3а). Нагружение образцов производилось непрерывно со скоростью 5 кН/мин. Для равномерного распределения нагрузки на торец образца устанавливалась дополнительная оснастка (рис. 3а). Для определения нормальных напряжений сжатия на поверхность образцов наклеены тензорезисторы, подключенные к комплекту для тензометрии (рис. 3а). Испытания проводились до полного разрушения образцов (рис. 3б, в). Методика проведения испытаний аналогична [
Рис. 3. Испытание деревянных образцов на сжатие: а – образец в прессе П-500; б – общий вид разрушения термообработанного образца; в – общий вид разрушения термообработанного и стабилизированного образца
Fig. 3. Compression testing of wooden specimens: a – specimen in the P-500 press; b – general view of the failure of a thermally treated specimen; c – general view of the failure of a thermally treated and stabilized specimen
Графики относительных деформаций сжатия образцов представлены на рис. 4, согласно которому упругая стадия работы термообработанных материалов доходит до 115 кН. Внешний вид графиков говорит о хрупкости полученного материала, что подтверждается характером разрушения образцов (рис. 3в).
Рис. 4. Относительные деформации образцов
Fig. 4. Relative deformation of the specimens
Согласно результатам натурных испытаний, образцы были замоделированы в программном комплексе (ПК) ANSYS. Методика моделирования образцов, а также возможность применения ПК ANSYS описаны в [
Рис. 5. Объемная конечно-элементная модель образца в ПК ANSYS: а – общий вид, схема нагружения; б – сетка элементов
Fig. 5. Three-dimensional finite element model of the specimen in ANSYS software: a – general view, loading scheme; b – element mesh
Далее представлены результаты расчета в ПК ANSYS: перемещения и напряжения сжатия (рис. 6).
Рис. 6. а – Вертикальные напряжения сжатия при нагрузке 25 кН в ПК ANSYS; б – вертикальные перемещения при нагрузке 25 кН в ПК ANSYS
Fig. 6. a – Vertical compressive stresses at a load of 25 kN in ANSYS software; b – vertical displacements at a load of 25 kN in ANSYS software
На основе результатов натурных испытаний и компьютерного моделирования образцов построены графики распределения вертикальных напряжений сжатия σy (рис. 7). Как отмечено ранее, специфика оборудования предполагает нагружение образца до величины 5 кН, что отображено на рис. 7.
Рис. 7. Графики распределения вертикальных напряжений сжатия σy образцов
Fig. 7. Distribution of vertical compressive stresses σy in the specimens
Согласно рис. 7, установлена сходимость результатов натурных испытаний и компьютерного моделирования для упругой стадии работы материла (до 120 кН), что подтверждает правильность создания объемной конечно-элементной модели образцов.