Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego

w Warszawie

SPRAWOZDANIE Z NAUKI O SUROWCU DRZEWNYM

Temat: Badanie mechanicznych i fizycznych właściwości drewna

1. Wstęp

Drewno jako materiał użytkowy stosowane jest od czasów, gdy człowiek zdał sobie sprawę z jego istnienia. Wraz z upływem czasu i postępem cywilizacyjnym poszerza swoje spektrum zastosowania. Po mimo rozwoju nowych technologii, zastosowania surowców syntetycznych, nadal jest surowcem wielce pożądanym. Próba zastąpienia drewna innymi surowcami wynika przede wszystkim z oszczędności tego cennego i deficytowego surowca. Dzięki swoim właściwościom mechaniczny , fizycznym jak również chemicznym jest materiałem niezastąpionym. Odpowiednie zapoznanie się z pewnymi właściwościami drewna pozwala człowiekowi od czasów starożytnych na twórcze i mądre jego zastosowanie.

Odmienne właściwości fizyczne i mechaniczne drewna w stosunku do innych materiałów są związane z budową drewna przez co znajduje szereg zastosowań. Budowa drewna jest porowata , stanowi system połączonych z sobą skomplikowanych kapilar i dzięki temu ma dużą wytrzymałość przy małym ciężarze właściwym.

Bardzo charakterystyczną cechą drewna jest niska przewodność cieplna i akustyczna . Cechy nieporządne drewna są związane z właściwościami higroskopijności , związane są z tym : kurczenie , pękanie , paczenie. Na zastosowanie drewna do różnych celów mają wpływ jego cechy. Warto tutaj wymienić gęstość (stosunek masy do objętości), na tą cechę zwraca się szczególną uwagę gdy potrzebna jest lekka konstrukcja o dobrych parametrach wytrzymałościowych (drewno o niskiej gęstości).

Negatywną cechą drewna jest kurczliwość i pęcznienie polegające na zwiększaniu lub zmniejszaniu się wymiarów w przedziale higroskopijności (0-30% wilgotności drewna). Im większa jest kurczliwość drewna tym większa jest jego skłonność do paczenia i pękania (F. Krzysik ). Ta negatywna cecha drewna ogranicza jego wykorzystanie i musimy uwzględniać jej wpływ przy konstrukcjach drewnianych.

Kolejną cechą drewna jest wytrzymałość na ściskanie tj. opór jaki materiał stawia działaniu sił ściskających powodujących odkształcenie lub ziszczenie materiału. Miarą wytrzymałości na ściskanie jest naprężenie wyrażane w Kg/cm², przy którym następuje zniszczenie próbki. Wytrzymałość na ściskanie ma durze znaczenie przy niektórych konstrukcjach tj. słupy, stemple, konstrukcje inżynieryjne. Pośrednią rolę dogrywa ta cecha w przemyśle meblarskim - gięcie drewna .

Równie ważna cechą jest udarność (stosunek ilości pracy potrzebnej do zniszczenia próbki do powierzchni jej przekroju). Udarność charakteryzuje wytrzymałość drewna na obciążenia dynamiczne. Odporność na uderzenia odgrywa dużą rolę w drewnie przeznaczonym na wozy, koła, konstrukcje lotnicze, śmigła, wagony, podkłady kolejowe, części maszyn itp. Czyli wszędzie gdzie drewno narażone jest na siły dynamiczne .

Inną ważną cechą jest wytrzymałość na zginanie statyczne. Dość istotna jest ta cecha jeżeli chcemy wykorzystać drewno jako materiał nośny np. dźwigary mostowe. Drewno okresowo poddawane jest większym lub mniejszym obciążeniom statycznym.

2. Cel , zakres i metody przeprowadzonych badań.

2.1. Cel.

Celem przeprowadzonych badań było zbadanie niektórych właściwości fizycznych i mechanicznych 5 różnych gatunków drewna. Wymiary badanych próbek przedstawiały się następująco: 20mm x 20mm x 30mm. Próbki reprezentowały trzy grupy drewna:

• drewno iglaste(Św),

• drewno liściaste pierścieniowo naczyniowe(Db),

• drewno liściaste rozpierzchło naczyniowe (Bk, Brz, Os).

2.2. Zakres badań obejmował następujące cechy:

• gęstość drewna powietrznie suchego ,

• pęcznienie całkowite i jednostkowe drewna,

• wilgotność bezwzględna i wilgotność względna drewna maksymalnie wilgotnego,

• współczynnik pęcznienia jednostkowego,

• wytrzymałość na zginanie statyczne w poprzek włókien,

• wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien,

• kurczliwość,

• anizotropia.

2.3. Metodyka badań:

Dla poszczególnych próbek za pomocą suwmiarki pomierzono dokładne wymiary, na podstawie których obliczono dla różnego stopnia uwilgocenia:

- objętość próbek,

- gęstość próbek,

- pęcznienie jednostkowe i całkowite.

Zmierzono także za pomocą wagi technicznej ciężar objętościowy próbek w różnym stanie nawilgocenia. Pozwoliło to na obliczenie wilgotności względnej i bezwzględnej badanych próbek dla drewna maksymalnie wilgotnego. Dla próbek obliczono także średnią szerokość słoja.

- gęstość drewna została zbadana uproszczoną metodą stereometryczną. Wymiary badanych próbek 20 x 20 x 30mm. Wymiar długości (l) równoległy do przebiegu włókien. Szerokość (s) równoległy do kierunku stycznego, wymiar grubości równoległy do kierunku promieniowego. Dokładność pomiarów wszystkich wymiarów próbek była do 0,1mm. Masa próbek została określona na wadze z dokładnością do 0,001g. Do obliczania objętości używaliśmy następujący wzór:

V= L*A*B/1000cm³ V - objętość próbki w cm³

L - długość próbki w mm

A - szerokość próbki w mm

B - grubość próbki w mm

Wzór na gęstość:

g = m*V [g/cm³] g - gęstość wyrażana w g/cm³

m - masa w gramach

V - objętość próbki w cm³

- wytrzymałość na ściskanie została zbadana przez umieszczenie badanych próbek w maszynie ściskającej w taki sposób, aby kierunek działania siły obciążającej był równoległy do przebiegu włókien i podłużnej osi próbki, w ten sposób zapewniony został równomierny rozkład obciążeń na powierzchni przekroju poprzecznego, próbka była obciążana do momentu zniszczenia. Wskazówka na manometrze wykazywała spadek siły obciążającej. Wytrzymałość obliczaliśmy stosując wzór:

Rcw = F/A Rcw - wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien

F - siła niszcząca [N]

A - pole przekroju odniesienia [m²]

- wytrzymałość na zginanie statyczne przeprowadzono dla próbek o wymiarach 2 x 2 x30 cm. Próbki pomierzono suwmiarką oraz zważono na wadze technicznej. Rozstaw podpórek maszyny wynosi 24 cm. Próbki obciążono siłą skupioną, działająca na środku długości próbki, prostopadle do przekroju promieniowego. Próbkę obciążano do chwil złamania. Siłę niszczącą odczytywano na siłomierzu. Wytrzymałość obliczaliśmy stosując wzór:

Rgw = 3*F*l/2b*h² F - graniczna wartość siły niszczącej

l - rozstaw próbki (0,24m)

b - szerokość próbki (wymiar promieniowy)

h - wysokość próbki, wymiar styczny

3. Analiza wyników

1. Tabela zawiera informacje dotyczące drewna powietrznie suchego (X_p)

Gatunek	Masa	Kierunek styczny Sf	Kierunek promieniowy Pr	Długość Dł	Objętość Vo	Gęstość	Liczba słoi n	Średnia szerokość słoja
Św	5.204	19.5	19.9	30.0	11.64	0.45	9	2.1
Db	7.666	19.1	19.5	30.0	11.17	0.69	13	1.4
Bk	8.173	20.3	20.3	30.0	12.36	0.66	7	2.5
Brz	7.750	18.9	18.9	30.1	11.15	0.70	10	1.8
Os	5.724	19.6	19.6	30.3	11.76	0.49	6	2.9

Zauważono różnice w wartościach gęstości drewna powietrznie suchego. Największą gęstością charakteryzują się Db i Brz (ok. 0,70 g/cm³), następnie Bk (0,66 g/cm³), najmniejszą natomiast gęstością charakteryzuje się Św i Os (odpowiednio 0,45 i 0,49 g/cm³). Widzimy także, że najcięższą próbką okazał się Bk, Brz i Db, a najlżejszą natomiast Św. Kolejność ciężaru jest taka sama jak gęstości, co jest logiczną kontynuacją tego, że gęstość zależy od ciężaru właściwego.

Tabela zawiera także informacje na temat średniej szerokości słoja rocznego, Najszerszym słojem charakteryzuje się drewno Os (2,9 mm), najmniejszym natomiast Db (1,4 mm). Wyniki te jednak mogą nie być dokładne dla gatunku, gdyż są określone na podstawie jednej tylko próbki i w miejscu wybranym w sposób nielosowy.

2. Tabela gęstości drewna w stanie powietrznosuchym na podstawie pomiarów grupy.

Gatunek	Wg badań	Wg Krzysika	Zakres od-do
Św	0,51 0,52 0,45 0,43 0,44 0,59	0,35 - 0,75	0,43 - 0,59
Db	0,72 0,73 0,69 0,70 0,73 0,65	0,43 - 0,86	0,65 - 0,73
Bk	0,69 0,71 0,66 0,63 0,68 0,66	0,54 - 0,81	0,63 - 0,71
Brz	0,62 0,60 0,70 0,59 0,65 0,69	0,51 - 0,83	0,59 - 0,69
Os	0,49 0,50 0,49 0,49 0,45 0,47	0,41 - 0,56	0,45 - 0,50

Gęstość określana w czasie badań dla danych próbek poszczególnych gatunków mieści się w zakresie danych podawanych w literaturze, nawet dla drewna powietrznie suchego, gdzie gęstość gatunku według Krzysika podawana jest dla 15% wilgotności. Wyniki badań gęstości mieszczą się w zakresach literaturowych mimo, że wilgotność badanych próbek mogła być inna niż 15%.

3. Tabela-wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien i na zginanie statyczne w poprzek włókien na kierunku stycznym.

Drewno suche

Gatunek	Wymiary	Masa	Siła N	RCW
Św	20,3 x 20,1 x 30,0	6,484	25,200	61,76 MPA
Db	19,8 x 19,1 x 30,9	8,425	24,600	65,05 MPA
Bk	20,0 x 19,3 x 30,5	8,300	27,200	70,47 MPA
Brz	20,3 x 19,1 x 30,2	8,742	33,800	87,17 MPA
Os	20,9 x 19,9 x 30,4	6,042	24,600	59,15 MPA

Drewno mokre

Gatunek	Wymiary	Masa	Siła N	RCW
Św	20,9 x 21,8 x 30,3	14,828	9,000	19,75 MPA
Db	20,7 x 21,4 x 30,4	15,126	11,800	26,64 MPA
Bk	21,5 x 23,1 x 30,2	17,504	14,600	29,40 MPA
Brz	21,0 x 21,2 x 30,3	15,967	12,000	26,95 MPA
Os	20,8 x 21,9 x 30,4	15,662	9,400	20,64 MPA

Drewno długie

Gatunek	Wymiary			Masa	Siła N	RCW
		pr	st				dł
Św	20,4	20,0	300,8	56,583	2,350	98,83 MPA
Db	19,6	19,4	299,8	85,847	2,250	109,81 MPA
Bk	19,8	19,6	300,9	76,803	2,600	123,05 MPA
Brz	20,0	19,8	300,2	78,915	2,900	133,15 MPA
Os	19,9	19,7	300,7	59,258	2,150	100,22 MPA

Zauważono, że największą odpornością na działanie siły niszczącej posiada Brz i Bk, a najmniejszą Os i Św. Taką odporność wykazywały próbki suche, natomiast przy próbkach mokrych tendencja i uszeregowanie pozostało takie same lecz wartości uległy zmniejszeniu.

Próbki wykazały dość małe zróżnicowanie w odporności na zginanie statyczne. Największą siłę niszczącą zniosła Brz, najmniejszą zaś odporność wykazała Os.

ąb 114,33Kpa.

4. Tabela pęcznienie całkowite i jednostkowe drewna maksymalnie wilgotnego (Ym)

Gatunek	ΔL0			KL0			ΔV0	KV0	αL0			αV0
		pro	st	pop	pro	st			pop				pro	st	pop
		mm	mm	mm	%	%	%	cm^3	%	%	%	%	%
Św	1,0	2,3	0,3	5,0	11,8	1,0	2,17	18,6	16,7	39,3	3,3	62,0
Db	1,2	2,3	0,4	6,2	12,0	1,3	2,30	20,6	20,7	40,0	4,3	68,0
Bk	1,2	2,8	0,2	5,9	13,8	0,7	2,64	21,4	19,7	46,0	2,3	71,3
Brz	1,4	2,3	0,2	7,1	12,2	0,7	2,34	21,0	23,7	40,7	2,3	70,0
Os	1,0	2,3	0,1	5,1	11,7	0,3	2,09	17,8	17,0	39,0	1,0	59,3

Próbki zostały poddane kąpieli wodnej do stanu maksymalnego uwilgotnienia. Wymiary i ciężar próbek zwiększyły się , proces ten jest odwrotnością suszenia, w którym drewno zmniejszało swoje wymiary.

Największym pęcznieniem charakteryzuje się kierunek styczny, niezależnie od gatunku, .najmniejszym zaś kierunek poprzeczny.

W tabeli obliczono także współczynnik pęcznienia jednostkowego który największy jest dla Bk, a najmniejszy dla Os i Św.

5. Tabela-Wilgotność bezwzględna i względna drewna maksymalnie wilgotnego.

Gatunek	Wbm %	Wwm %
Św	184,9	64,9
Db	97,3	49,3
Bk	114,2	53,3
Brz	106,0	51,5
Os	173,6	63,5

Największą wilgotnością bezwzględną drewna maksymalnie wilgotnego charakteryzuje się Św 184,9%, następnie Os 173,6% , najmniejszą zaś Db 97,3%. Jeżeli chodzi o wilgotność względną to rozkład wartości jest podobny z tym, że oscyluje w granicach 49.3 - 64,9%.

6.Tabela-kurczliwość na podstawie pomiarów grupy.

Gat.	KL0 styczny	KL0 promieniowy	KV0
Św	9,6 12,4 11,8 11,3 11,2 4,1	6,1 6,7 5,0 4,5 4,6 6,7	16,3 20,3 18,6 17,0 16,6 11,8
Db	10,2 10,4 12,0 11,6 10,5 12,6	5,2 4,6 6,2 6,6 5,7 6,2	16,7 16,2 20,6 19,7 17,5 20,4
Bk	13,8 13,4 13,8 15,2 15,2 14,1	4,9 4,9 5,9 4,9 5,0 6,1	20,8 19,0 21,4 21,3 21,7 21,3
Brz	11,4 10,3 12,2 10,6 11,5 11,3	5,6 4,5 7,1 7,5 8,1 7,8	18,6 16,4 21,0 19,3 21,7 19,6
Os	11,7 9,3 11,7 10,8 10,7 11,2	3,6 6,4 5,1 4,5 4,7 4,1	16,2 17,1 17,8 16,1 16,6 17,1

W miarę zbliżone wyniki możemy zaobserwować tylko na przekroju promieniowym. Na przekroju stycznym i dla ogólnej wartości skurczu wyniki nie są już tak zbliżone jak w przypadku przekroju promieniowego i rozbieżności są dużo większe.

7. Tabela-Anizotropia

.

	Według badań [%]	Według literatury F.Krzysik [%]
W kierunku promieniowym	3,6-8,1	3-5
W kierunku stycznym	9,6-15,2	6-13
Zmiany objętości	16,1-21,7	7-22

5. Dyskusja wyników.

Wyniki otrzymane w doświadczeniu odbiegają od pewnego standardu przyjętego w podręcznikach, zapewne dzieje się tak, bo wyniki w literaturze są danymi uśrednionymi, podczas pomiarów mogły zostać popełnione błędy, mała nie reprezentatywna próba, zróżnicowanie właściwości drewna w obrębie gatunku, a nawet osobnika (cechy próbki zależne od siedliska, na którym rosło drzewo, miejsce pobrania próbki z drzewa, wad drewna próbki itd.). Takie są główne przyczyny niezgodności wyników, inne zostaną przytoczone w tekście.

Niektóre wyniki są zbliżone do tych z literatury i w przybliżeniu odzwierciedlają różnice w gęstości między poszczególnymi gatunkami w ich obrębie w zależności od szerokości słojów lub stopnia uwilgotnienia.

Na podstawie gęstości w stanie powietrzno suchym badane drewno możemy podzielić na: drewno ciężkie - Bk, Db; umiarkowanie ciężkie - Brz; drewno lekkie - Św i bardzo lekkie - Os.

Drewno wykazuje największą wytrzymałość wzdłuż włókien, w kierunku stycznym i promieniowym wytrzymałość jest wielokrotnie niższa. Wytrzymałość drewna wzrasta w miarę wzrostu gęstości oraz wzrostu udziału drewna późnego.

Uzyskane wyniki mogą służyć jedynie do porównania wytrzymałości poszczególnych gatunków. Nie mogą mieć natomiast zastosowania praktycznego, bo mimo wszystko nieznacznie odbiegają od danych modelowych.

Surowiec drzewny z gatunków cięższych charakteryzuje się większym rozmiarem pęcznienia i jest to zależność praktycznie liniowa.

Wytrzymałość dynamiczna drewna na ściskanie jest w istotnym stopniu uzależniona od wilgotności drewna.

Najlepszym surowcem odpornym na ściskanie jest drewno dębowe, a jego wysokonaturalna trwałość sprawia, że jest to najlepszy gatunek na różnego rodzaju podpory i słupy przenoszące duże obciążenia.

W elementach konstrukcyjnych, w których wymagana jest duża wytrzymałość w stosunku do małej masy najlepszym surowcem jest drewno pochodzące z brzozy.

Brzoza jako gatunek o wytrzymałości wysoce konkurencyjnej z dębem zasługuje na większe zainteresowanie jako doskonały surowiec drzewny.

6. Wnioski.

W praktyce drewno o najniższej gęstości wykorzystujemy do produkcji płyt wiórowych . W przemyśle chemicznym wykorzystuje się drewno o dużej gęstości, ponieważ wraz z jej wzrostem rośnie wydajność otrzymywanych z niej produktów. Nadmierna wilgotność jest na ogół cechą nie pożądaną i obniża wartość surowca - możliwość jego obróbki. Wilgotność drewna zmienia się w czasie wraz ze zmianą warunków otoczenia (higroskopijność), należałoby odpowiednio obrabiać klepkę parkietową tak by grubość klepki zawierała się w wymiarze stycznym. Dotyczy to gatunków o dużym pęcznieniu i kurczliwości. Wilgotnością max należy kierować się przy wyborze drewna do budowli związanych bezpośrednio ze środowiskiem wodnym. Najlepiej wykorzystywać tu gatunki ciężkie, twarde o jednolitej i spoistej strukturze, które nie osiągają wysokiej wartości wilgotności max (Db). Różnice kurczliwości drewna na różnych przekrojach są przyczyną jego paczenia się. Największe zastosowanie znajduje drewno o najniższej kurczliwości. Drewno o nieco większej kurczliwości nadaje się na słupy, kopalniaki. Drewno silnie paczące się trzeba wolno suszyć i stosować w miejscach, w których panują warunki wyższych wilgotności (np. kopalnia). Nie zaleca się stosowania w warunkach zmiennej wilgotności (drewno silnie pracuje). Kurczliwość jest czynnikiem na który trzeba zwracać uwagę podczas układania podług, parkietów i boazerii. Drewno przesuszone po obróbce należy umieścić na pewien okres w miejscu gdzie będzie eksploatowane. Celem tego jest wyrównanie poziomu wilgotności między drewnem a środowiskiem. Tego typu działanie zapobiegnie paczeniu się i powstawaniu luk między poszczególnymi elementami. Czasami podwyższona wilgotność a wraz z nią pęcznienie drewna jest cechą pożądaną np. przy produkcji beczek.

Odporność drewna na ściskanie jest cechą, która ma największy wpływ przy wyborze drewna konstrukcyjnego. Topola ma najmniejszą gęstość i najniższą odporność na ściskanie co dyskwalifikuje ją jako surowiec konstrukcyjny. Świerk- znajduje szczególne zastosowanie w przemyśle papierniczym, jako surowiec służący do wyrobu celulozy i ścieru, oraz do budowy instrumentów muzycznych. Doskonały materiał stolarski. Dąb- jako twardy surowiec używany do wykończeń w budownictwie-parkiety, boazerie, schody, do produkcji oklein, forniru, beczek winnych. Osika - na sklejki, płyty, do wyrobu zapałek. Brzoza - na sklejki, okleinę, płyty wiórowe, doskonały materiał stolarski do wyrobu mebli i innych rzeczy codziennego użytku. Buk - drewno bardzo wartościowe, szerokie zastosowanie na okleiny, parkiety, węgiel drzewny, sklejki i dość modne meble gięte.

7. Literatura:

„Poradnik Użytkowania Lasu”- Praca zbiorowa Warszawa 2000

11

---