АМЕРИКАНСКОЕ ОБЩЕСТВО ГРАЖДАНСКИХ ИНЖЕНЕРОВ
ОСНОВАНО В 1852 ГОДУ
ТРУДЫ
Доклад № 1168
ИСПЫТАНИЯ КРЕОЗОТИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ.
Автор: У. Б. Грегори, член Амер. о-ва гр. инж.
За последние несколько лет появилось немало публикаций, в которых обсуждается антисептическая обработка древесины. Свойства как обработанной, так и необработанной древесины были определены Лесной службой Министерства сельского хозяйства США, и благодаря ее исследованиям ценные знания стали доступны инженерам, занимающимся проектированием деревянных конструкций. Тем не менее, имеется весьма скудная информация о влиянии времени на креозотированную древесину, и по этой причине приведенные здесь результаты могут представлять интерес.
Испытуемый материал состоял из балок из южной сосны с поперечным сечением приблизительно 6 на 16 дюймов и длиной 30 футов. Для проведения испытаний каждая балка была разрешена на две части, каждая длиной около 15 футов. Этот материал находился в эксплуатации на железнодорожной эстакаде близ Нового Орлеана в течение 26 лет. Балки выбирались случайным образом для определения общего состояния эстакады. Древесина подвергалась воздействию атмосферных условий и интенсивному движению поездов с момента ее обработки до проведения испытаний. Годовое количество осадков в Новом Орлеане составляет около 60 дюймов, а влажность воздуха высока. Несмотря на эти условия, на каких-либо испытуемых образцах не наблюдалось признаков гниения. Технические условия, в соответствии с которыми производилась обработка древесины, были следующими:
Древесина.
Древесина для креозотирования должна быть представлена сосной болотной или южной. Предпочтительны поверхности заболони с двух или более сторон.
Сваи. — Сваи должны быть изготовлены из сосны болотной или южной, диаметром в комле не менее 14 дюймов. Они должны быть свободны от дефектов, снижающих их прочность, и быть относительно прямыми.
Сваи должны быть тщательно окорeны, без оставления на них внутреннего слоя коры. Используемое масло должно представлять собой так называемое креозотовое масло из Лондона (Англия) и быть высокого качества.
Обработка варьируется в зависимости от размеров пиломатериалов и времени их выдержки после рубки. Пиломатериалы больших и малых размеров не должны обрабатываться в одной партии, равно как и пиломатериалы с разной степенью воздушной сушки, или плотноволокнистая древесина совместно с крупно- или средневолокнистой.
Пиломатериалы должны подвергаться сначала воздействию острого пара, перегретого до 250–275 °F (от 121 до 135 °C), под давлением от 30 до 40 фунтов. Острый пар должен подаваться в цилиндры через перфорированные паровые трубы, а температура должна поддерживаться за счет использования перегретого пара в закрытых трубах внутри цилиндров.
Продолжительность пропаривания зависит от размеров пиломатериалов и времени их выдержки после рубки. Для сваи и крупных свежесрубленных лесоматериалов может потребоваться до 12 часов. После завершения пропаривания подача острого пара прекращается, перегретый пар поддерживается при температуре 160 °F (71 °C) или выше, а вакуум от 20 до 25 дюймов ртутного столба удерживается в течение 4 часов или дольше, если это необходимо по показаниям насосов.
Масляная обработка. — При поддержании температуры 160 °F цилиндры должны быть незамедлительно заполнены креозотовым маслом при максимально возможной температуре (около 100 °F). Масло должно находиться под давлением в диапазоне от 100 до 120 фунтов, причем опыт и измерения должны определять продолжительность масляной обработки, чтобы можно было ввести необходимое количество масла.
После введения требуемого количества масла подача перегретого пара отключается, масло выпускается, цилиндры быстро открываются с каждого конца, и древесина немедленно извлекается из цилиндра.
При монтаже лесоматериалов заболонная сторона должна быть обращена вверх, а тесание или распиловка лесоматериалов не допускаются, если этого можно избежать. Все распиленные поверхности пиломатериалов должны быть пропитаны горячим битумом, разбавленным креозотовым маслом. Головки свай при распиловке должны оперативно покрываться горячим битумом и маслом, даже если распил носит временный характер.
Методика испытаний.
Испытания проводились на машине Риле усилием 100 000 фунтов в Лаборатории экспериментальной инженерии Тулейнского университета штата Луизиана. Машина снабжена чугунной балкой для испытаний на поперечный изгиб. Расстояние между опорами составляло 12 футов. Метод опирания был следующим: каждый конец балки был снабжен стальным роликом, который опирался на чугунную балку испытательной машины, в то время как над роликом и непосредственно под испытываемой балкой находилась стальная пластина площадью 6 на 8 дюймов и толщиной 1 дюйм. Площадь была достаточно велика, чтобы распределить нагрузку и предотвратить сдвиг волокон древесины. Головка машины Риле имеет ширину 10 дюймов. Пластина толщиной 3/8 дюйма, шириной 6 дюймов и длиной 18 дюймов была помещена между головкой машины и испытываемой балкой.
Fig. 1.—DEFLECTON CURVES BEAM I
Fig. 2.—DEFLECTON CURVES BEAM II
ТАБЛИЦА 1. — Сводка результатов поперечных испытаний балок в Тулейнском университете, с 10 февраля по 2 марта 1909 г.
Number of beam. Top or butt of log. b h I Loads: S = Plc/4I d, Inches. E Weight, in pounds per cubic foot. Remarks.
Width, in inches. Height, in inches. I = bh3/12 Actual at elastic limit. Maximum. At elastic limit. Maximum. At elastic limit. E = Pl3/48dI
I B 6.28 15.94 2,120 22,000 45,900 2,975 6,200 0.41 1,575,000 50.2 Close-grained pine, long-leaf.
I T 6.00 15.69 1,934 20,000 38,000 2,915 5,540 0.465 1,383,000 47.5
II[A] T 6.37 15.81 2,098 20,000 43,450 2,722 5,918 0.380 1,562,000 40.5 Coarse loblolly, large knots.
II B 6.41 16.41 2,360 16,000 25,040 1,999 3,130 0.430 979,000 42.2
III T 5.88 15.68 1,871 24,000 45,130 3,608 6,785 0.535 1,489,000 40.4 Close-grained, long-leaf no knots.
III B 5.88 15.90 1,965 21,000 35,190 3,054 5,120 0.515 1,288,000 44.2
IV T 6.00 15.43 1,835 22,000 38,425 3,320 5,810 0.465 1,601,000 40.8 Loblolly, with knots.
IV B 6.12 15.87 2,032 22,000 35,500 3,090 4,983 0.660 1,017,000 41.5
V B 6.00 16.00 2,048 22,000 47,000 3,090 6,610 0.400 1,670,000 47.2 Long-leaf yellow pine.
V[A] T 6.00 15.87 1,999 14,000 22,050 1,998 3,145 0.315 1,382,000 42.1
VI[A] B 5.50 15.75 1,790 22,000 51,330 3,484 8,925 0.450 1,695,000 50.2 Long-leaf yellow pine.
VI[A] T 5.87 15.62 1,865 20,000 44,000 3,013 6,627 0.410 1,625,000 45.2
VII B 6.56 15.62 2,083 34,000 51,900 4,580 6,985 0.620 1,637,000 43.7 Long-leaf yellow pine.
VII[A] T 6.22 15.62 1,975 20,000 49,000 2,845 6,970 0.380 1,658,000 40.2
[A] Разрушение по продольному сдвигу.
Прогиб измерялся с обеих сторон каждой балки с помощью шелковых нитей, натянутых с каждой стороны от гвоздей, забитых примерно на 2 дюйма выше нижней кромки балки и непосредственно над роликами, которые образовывали опоры. Измерялось расстояние до этих нитей от небольшого деревянного бруска, прибитого гвоздями к нижней части балки по ее центру и выступающего по бокам. Эти измерения производились с точностью до сотых долей дюйма. Среднее арифметическое значение прогибов принималось за истинный прогиб для любой нагрузки.
Fig. 3.—DEFLECTON CURVES BEAM III
Fig. 4.—DEFLECTON CURVES BEAM IV
При вычислении различных величин, приведенных в таблице 1 (сводке результатов), нагрузка принималась сосредоточенной в центре балки. Хотя верно то, что нагрузка была распределена на длину около 12 дюймов из-за ширины головки машины и пластины между ней и испытываемой балкой, верно и то, что имелись такие неровности, как отверстия под болты и, в некоторых случаях, повреждения от износа, которые трудно было учесть. Следовательно, было сочтено достаточно точным считать нагрузку сосредоточенной. Помимо горизонтальных отверстий под болты, показанных на фотографиях, во всех балках через определенные интервалы имелись вертикальные отверстия под болты. Последние имели диаметр 7/8 дюйма и во всех случаях находились на достаточном удалении от центра длины балки, чтобы максимальный момент в уменьшенном сечении был относительно меньше, чем в центре балки. По этой причине поправка на эти отверстия не вносилась. Разрушенные балки часто показывали, что разрушение начиналось у некоторых из отверстий (особенно горизонтальных) или находилось под их влиянием.
Хотя некоторые тяжелые масла дегтеподобной консистенции сохранились, они обнаруживались только в заболонных частях сосны болотной и сосны ладанной (образцы II и IV). Воздействие в субтропическом климате в течение 26 лет привело к удалению более летучих фракций креозотового масла. Проникновение масла в заболонь казалось идеальным, в то время как у сосны ладанной оно варьировалось от доли дюйма до 1,5 дюймов. В ядровой древесине проникновение поперек волокон было очень незначительным. Лесоматериал был раскроен и отверстия были просверлены до обработки. Проникновение креозота вдоль волокон из отверстий часто составляло от 4 до 6 дюймов.
В Циркуляре 39 Лесной службы Министерства сельского хозяйства США под названием «Эксперименты по определению прочности обработанной древесины» приведены результаты большого количества испытаний креозотированных шпал, главным образом из сосны ладанной, из которого приводятся следующие выводы:
(1) Высокая степень пропаривания губительна для древесины. Степень пропаривания, при которой наносится явный вред, зависит от качества древесины, степени ее сушки, а также от давления (температуры) пара и продолжительности его воздействия. Для сосны ладанной предел безопасности составляет безусловно 30 фунтов в течение 4 часов или 20 фунтов в течение 6 часов. [Таблицы 3, 6 и 7.]
(2) Наличие хлористого цинка не ослабляет древесину при статическом нагружении, хотя имеются указания на то, что древесина становится хрупкой при ударных нагрузках. [Таблицы 3 и 4.]
Fig. 5.—DEFLECTON CURVES BEAM V
Fig. 6.—DEFLECTON CURVES BEAM VI
(3) Наличие креозота само по себе не ослабляет древесину. Поскольку он, по-видимому, присутствует только в порах клеток и не проникает в клеточные стенки, его действие может заключаться лишь в замедлении сушки древесины. [Таблицы 3, 4, 5 и 6.]
Fig. 7.—DEFLECTON CURVES BEAM VII
Сравнения.
Сравнение полученных результатов с испытаниями, проведенными на необработанной древесине, представляет интерес, и с этой целью цитируются таблицы 2 и 3 из Циркуляра 115 Лесной службы Министерства сельского хозяйства США, составленного У. Кендриком Хаттом, ассоциированным членом Американского общества гражданских инженеров. Испытания, проведенные автором, были выполнены на древесине, выращенной в Луизиане и Миссисипи, в то время как цитируемые испытания касались древесины, выращенной севернее. Количество испытаний было недостаточно для решения вопросов о средней прочности или других качествах. Тем не менее, можно видеть, что обработанная древесина возрастом 26 лет выгодно отличается от новой необработанной древесины.
Plate I, Fig. 1.—Specimen in Testing Machine, Showing Method of Support.
Plate I, Fig. 2.—End Views of Tested Timbers.
ТАБЛИЦА 2. — Прочность на изгиб крупных брусьев.
Loblolly Pine.
Reference number. Locality of Growth. Dimensions. Grade. Condition of seasoning. Number of tests. Moisture, per cent. Rings per inch. Specific gravity, dry. Weight per Cubic Foot, in Pounds. Fiber stress at elastic limit, in pounds per square inch. Modulus of rupture, in pounds per square inch. Modulus of elasticity, in thousands of pounds per square inch. Elastic resilience, in inch pounds per cubic inch. Number failing by longi- tudinal shear. Remarks.
Section, in inches. Span, in feet As tested. Oven dry.
1 South Carolina.
6 by 7
6 by 10
4 by 12
6 by 16
8 by 14
8 by 16
10 to 15.5 Square edge Green Average 42 48.0 5.7 0.50 46.2 31.2 3,150 5,580 1,426 0.45 7 Moisture above saturation point in all cases.
Maximum 92.1 11.7 0.60 56.8 37.5 5,210 8,460 1,920 0.99
Minimum 30.2 2.3 0.40 35.6 25.0 1,675 3,120 905 0.07
2 South Carolina.
6 by 7
4 by 12
6 by 10
6 by 16
8 by 16
10 by 16
10 to 16 Square edge Partially air dry. Average 18 27.7 5.0 0.50 40.0 31.2 3,380 5,650 1,435 0.45 0 Moisture from 25 to 30 per cent.
Maximum 29.2 8.2 0.55 43.7 34.4 4,610 8,090 1,880 0.76
Minimum 25.5 2.5 0.45 35.6 28.1 2,115 3,600 1,152 0.20
3 South Carolina.
6 by 7
4 by 12
6 by 10
6 by 16
10 to 15 Square edge Partially air dry. Average 19 21.0 5.6 0.50 37.5 31.2 2,970 5,690 1,340 0.39 2 Moisture less than 25 per cent.
Maximum 24.9 17.2 0.58 45.6 36.2 4,850 8,100 2,040 0.69
Minimum 15.0 2.7 0.41 31.2 25.6 1,730 2,910 906 0.10
4 Virginia. 8 by 8 6 to 16 Square edge Partially air dry. Average 12 22.4 4.8 0.46 35.6 28.8 3,260 5,180 1,180 0.51 0
Maximum 27.7 8.8 0.58 43.1 36.2 5,300 8,950 1,728 1.05
Minimum 17.8 2.5 0.37 30.0 23.1 1,280 2,180 606 0.13
5 Virginia.
8 by 8 6 to 15.5 Square edge Green Average 17 64.0 3.0 0.43 43.7 26.9 1,935 3,490 744 0.31 0 Very rapid growth; poor quality.
Maximum 100.5 4.0 0.51 51.9 31.9 3,185 4,720 1,193 0.78
Minimum 38.8 2.5 0.35 35.0 21.9 956 2,180 357 0.12
Long-Leaf Pine.
6 South Carolina. 6 by 8
10 by 16 15 Merchantable Partially air dry Average 25.0 13.7 0.58 45.6 36.2 3,800 7,160 1,560 0.53 9
Maximum 22 40.3 25.4 0.76 60.0 47.5 4,970 10,020 2,010 0.78
Minimum 17.3 6.2 0.50 39.4 31.2 2,220 5,450 1,190 0.21
7 Georgia. 10 by 12 15 Merchantable Partially air dry. Average 27.3 18.0 0.69 54.7 42.9 5,581 8,384 1,820
6 Excellent merchantable grade.
Maximum 22 34.5 29.0 0.79
49.4 9,600 11,410 2,920
Minimum 20.0 11.0 0.50
31.4 3,547 4,836 1,167
ТАБЛИЦА 3. — Сосна ладанная. — Испытания на изгиб балок, высушенных в различных условиях. (Сечение 8 на 16 дюймов; пролет 13,5–15 футов.)
Number of tests. Fiber stress at elastic limit, in pounds per square inch. Modulus of rupture, in pounds per square inch. Longitudinal shear at maximum load, in pounds per square inch. Modulus of elasticity, in thousands of pounds per square inch. Percentage of moisture. Rings per inch. Weight per cubic foot, oven dry, in pounds. Condition of seasoning.
Average 4 3,580 5,480 3644 1,780 23.2 9.4 33.7 Air dry, 3-1/2 months in the open.
Maximum 4,070 6,600 440 1,987 24.3 11.5 34.5
Minimum 3,090 5,000 327 1,530 21.5 8.0 32.5
Average 5 4,512 5,060 3383 1,685 20 7.7 33.9 Kiln dry, 6 days.
Maximum 5,840 7,320 488 1,790 22 10.2 38.0
Minimum 3,180 2,150 143 1,410 18 4.7 27.7
Average 12 4,331 6,721 4939 1,688
7.7
Air dry, 21 months under shelter.
Maximum 4,990 8,560 620 2,002
9.5
Minimum 3,110 5,160 380 1,398
5.5
Примечание. — Цифры, написанные в виде нижних индексов к цифрам продольного сдвига, указывают количество брусьев, разрушившихся таким образом.
Plate II.—Side Views of Tested Timbers.
ТАБЛИЦА 4. — Журнал нагрузки и прогиба. Балка I.
Date: February 26th, 1909.
l = 12 ft.; b (mean) = 6-9/32 in.;
h (mean) = 15-15/16 in.;
c = 7.97 in. Time = 1 hour. Date: February 24th, 1909.
l = 12 ft.; b (mean) = 6 in.;
h (mean) = 15.69 in.;
c = 7.84 in.
No. P Deflection, in Inches. P Deflection, in Inches.
Load, in pounds. Reading. Total deflection. Reading. Total deflection. Mean total deflection. Load, in pounds. Reading. Total deflection. Reading. Total deflection. Mean total deflection.
1 01.86 01.88 0 0 01.83 01.86 0 0 2 2,0001.920.051.900.020.035 2,0001.870.041.900.040.04 3 4,0001.960.101.940.060.080 4,0001.910.081.960.100.090 4 6,0001.990.131.980.100.115 6,0001.960.132.000.140.135 5 8,0002.030.172.020.140.155 8,0002.000.172.040.180.175 610,0002.050.192.060.180.18510,0002.040.212.080.220.215 712,0002.100.242.090.210.22512,0002.090.262.130.270.265 814,0002.130.272.130.250.26014,0002.140.312.180.320.315 916,0002.170.312.160.280.29516,0002.190.362.230.370.365 1018,0002.200.342.200.320.33018,0002.240.412.280.420.415 1120,0002.240.362.250.370.36520,0002.290.462.330.470.465 1222,0002.280.422.280.400.41022,0002.340.512.390.530.520 1324,0002.320.462.320.440.45024,0002.390.562.430.570.565 1426,0002.360.502.360.480.49026,0002.440.612.480.620.615 1528,0002.400.542.390.510.52528,0002.490.662.530.670.685 1630,0002.430.572.440.560.56530,0002.550.722.580.720.720 1732,0002.480.622.480.600.61032,0002.610.782.650.790.785 1834,0002.520.682.530.650.65534,000[B]2.680.852.700.840.845 1936,0002.560.702.560.680.69036,0002.740.912.780.920.915 2038,0002.610.752.620.740.74538,000 Broke. 2140,0002.650.792.670.790.790 2242,0002.700.842.730.850.845 2344,0002.750.892.770.890.890 37,500 lb., First Crack; 45,900 lb., Failed. At Elastic Limit: Load, 22,000 lb.; deflection, 0.41 in.; S, 2,975 lb.At Elastic Limit: Load, 20,000 lb.; deflection, 0.465 in.; S, 2,975 lb. Maximum: Load, 45,900 lb.; deflection,.....; S, 6,209 lb.Maximum: Load, 38,000 lb.; deflection,.....; S, 5,540 lb. E = 1,575,000 lb.E = 1,383,000 lb.
[B] Первая трещина.
ТАБЛИЦА 4. — (Продолжение.) — Журнал нагрузки и прогиба. Балка II.
Date: February 20th, 1909.
l = 12 ft.; b (mean) = 6.38 in.;
h (mean) = 15.81 in.;
c = 7.91 in. Time = 47.5 min Date: —
l = 12 ft.; b (mean) = 6.41 in.;
h (mean) = 16.41 in.;
c = 8.20 in.
No. P Deflection, in Inches. P Deflection, in Inches.
Load, in pounds. Reading. Total deflection. Reading. Total deflection. Mean total deflection. Load, in pounds. Reading. Total deflection. Reading. Total deflection. Mean total deflection.
1 01.65 01.68 0 0 01.86 01.87 0 0 2 2,0001.690.041.720.040.040 2,0001.910.051.920.050.05 3 4,0001.730.081.770.090.085 4,0001.980.121.980.110.115 4 6,0001.760.111.800.120.115 6,0002.050.192.020.150.170 5 8,0001.800.151.830.150.150 8,0002.070.212.080.210.210 610,0001.830.181.860.180.18010,0002.130.272.130.260.265 712,0001.870.221.900.220.22012,0002.180.322.180.310.315 814,0001.910.261.940.260.26014,0002.250.392.240.370.380 916,0001.950.301.980.300.30016,0002.300.442.290.420.430 1018,0001.980.332.020.340.33518,000[C]2.350.492.350.480.485 1120,0002.030.382.060.380.38020,0002.440.582.420.550.565 1222,0002.070.422.100.420.42022,0002.540.682.540.670.675 1324,0002.110.462.140.460.46025,040 Failed 1426,0002.150.502.180.500.500 1528,0002.180.532.220.540.535 1630,0002.230.582.260.580.580 1732,0002.270.622.300.620.620 1834,0002.320.672.350.670.670 1936,0002.370.722.400.720.720 2038,0002.420.772.450.770.770 2140,0002.480.832.500.820.825 2242,0002.530.882.560.880.880 2343,450Fracture. 2445,710Failed. At Elastic Limit: Load, 20,000 lb.; deflection, 0.38 in.; S, 2,722 lb.At Elastic Limit: Load, 16,000 lb.; deflection, 0.43 in.; S, 1,999 lb. Maximum: Load, 43,450 lb.; deflection,.....; S, 5,918 lb.Maximum: Load, 25,040 lb.; deflection,.....; S, 3,130 lb. E = 1,562,000 lb.E = 979,000 lb.