Warszawa 2000-01-08
Paweł Matusiak[Author ID0: at Thu Nov 30 00:00:00 1899
]
Roman Miszczuk[Author ID1: at Mon Jul 2 00:57:00 2001
]
,
SPRAWOZDANIE Z NAUKI O SUROWCU DRZEWNYM
Temat: Badanie mechanicznych i fizycznych właściwości drewna .
Drewno to surowiec pozyskiwany przez człowieka ze ściętych drzew, następnie jest poddawane obróbce. 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. Według Krzysika „Nauka o surowcu drzewnym”:(...spełnia tym samym warunek lekkości i w wartościach względnych jest równie wytrzymała jak stal....).
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 ogranicz 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[Author ID2: at Thu Jan 20 12:02:00 2000
]G[Author ID2: at Thu Jan 20 12:02:00 2000
]/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 wieszam[Author ID2: at Thu Jan 20 12:01:00 2000
] [Author ID2: at Thu Jan 20 12:02:00 2000
]większym[Author ID2: at Thu Jan 20 12:01:00 2000
] lub mniejszym obciążeniom statycznym.
-->2. Cel , zakres i metody przeprowadzonych badań.[Author ID2: at Thu Feb 24 18:04:00 2000 ]
Celem przeprowadzonych badań było zbadanie niektórych właściwości fizycznych i mechanicznych różnych gatunków drewna. Wymiary badanych próbek przedstawiały się następująco: 20mmx20mmx30mm. Próbki reprezentowały trzy grupy drewna:
drewno iglaste(So, Jd)
drewno liściaste pierścieniowo naczyniowe(Db)
drewno liściaste rozpierzchło naczyniowe (Bk, Brz, Tp)
Zakres badań obejmował następujące cechy: gęstość drewna powietrznie suchego i absolutnie suchego, skurcz całkowity i jednostkowy drewna, pęcznienie całkowite i jednostkowe drewna, udział substancji drzewnej, porowatość, wilgotność bezwzględna i wilgotność względna drewna powietrznie suchego i maksymalnie wilgotnego, współczynnik pęcznienia jednostkowego, wskaźnik nasycenia drewna powietrznie suchego, wytrzymałość na zginanie statyczne i udarność, wilgotność maksymalna drewna , wytrzymałość na zginanie statyczne, wytrzymałość na ściskanie przy danej wilgotności, wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien przy wilgotności w=12%;
Metodyka badań:
- gęstość drewna została zbadana uproszczoną metodą stereometryczną. Wymiary badanych próbek 20x20x30mm. 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 z dokładnością do 0,001g.Do obliczania objętości używaliśmy następujący wzór:
V= a*b*l/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
- skurcz badano przez porównanie wymiaru drewna powietrznie suchego z wymiarami drewna absolutnie suchego ( różnica wymiarów).
- paczenie badano porównując wymiary drewna maksymalnie wilgotnego z wymiarami drewna absolutnie suchego (różnica wymiarów).
- 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]
- udarność ma charakter próby dynamicznej, w której zniszczenie próbki następuje pod wpływem siły działającej w formie uderzenia. Badania wykonywano z użyciem młota wahadłowego, próbkę układano na podpórkach o rozstawie 24 cm, młot uderzał w próbkę w połowie długości w kierunku stycznym, łamiąc ją. Część energii młota była zużywana na złamanie próbki, przez co ramie młota przesuwało wskaźnik podziałki o inną wartość, następnie odczytywano ilość energii zużytej do wykonania pracy. Udarność obliczaliśmy stosując wzór:
U = A/b*h A - praca zużyta do zniszczenia próbki
b - szerokość próbki (wymiar promieniowy)
h - wysokość próbki, wymiar styczny
- wytrzymałość na zginanie statyczne przeprowadzono dla próbek o wymiarach 2x2x30 cm. 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:
Rg = 3*F*l/b*h2 F - graniczna wartość siły niszczącej
l - rozstaw próbki
b - szerokość próbki (wymiar promieniowy)
h - wysokość próbki, wymiar styczny
-->3. Analiza wyników[Author ID2: at Thu Feb 24 18:04:00 2000 ]
Gęstość :
- w zależności od gatunku: największą gęstość ma drewno Brz , najmniejszą natomiast Tp. Pozostałe gatunki kształtowały się pośrednio w tabeli wyników.
- W zależności od wilgotności: gęstość poszczególnych gatunków w stanie powietrznie suchym, gdzie wilgotność bezwzględna dla poszczególnych gat. 6,75do 7,7. a względna 6,3 do7,3% , ma większą wartość , niż w momencie , gdy drewno znajdowało się w stanie absolutnie suchym. Wraz ze zmianą wilgotności znacznie zmienia się gęstość drewna.
- W zależności od udziału drewna późnego : Zależność gęstości od udziału w słojach drewna późnego przeprowadziliśmy tylko dla gat. pierścieniowo- naczyniowych jakimi są Db i gat. iglaste. W przypadku badanych gatunków widać udział drewna późnego i wpływ tej cechy na gęstość. W przypadku Db udział drewna późnego wynosił71,18% , a gęstość przyjmuje wartość 6,87 g/cm3 . Gęstość ta jest znacznie większa od gatunków 9iglastych, w których udział drewna późnego jest dużo niższy. Wpływ udziału drewna późnego na gęstość jest jeszcze bardziej widoczny jeżeli porównamy dwie próbki tego samego gatunku. Jednak w naszym przypadku wystąpiła anomalia, która prawdopodobnie mogła być spowodowana warunkami siedliskowymi. W normalnych warunkach wraz ze wzrostem udziału drewna późnego powinna wzrastać również gęstość. Jest to wynikiem tego, że drewno wczesne jest zbudowane z cienkościennych komórek o dużym świetle, więc jego gęstość jest niska. Natomiast drewno późne jest zbudowane z komórek grubościennych o małym świetle, a co za tym idzie ma większą gęstość od drewna wczesnego. Wynika z tego, że zwiększony udział drewna późnego w znacznym stopniu wpływa na gęstość.
- Kurczenie się i pęcznienie drewna (kurczliwość): kurczenie się drewna polega na zmniejszeniu się jego wymiarów (desorpcja) podczas wysychania, w przedziale higroskopijnym, tzn. od punktu nasycenia włókien do 0% wilgotności (stanu bezwodnego). Pęcznienie jest odwrotne do kurczenia i oznacza absorpcję wody przez drewno w przedziale higroskopijnym. W praktyce kurczenie i pęcznienie są wielkościami równymi i odwracalnymi [F.Krzysik „Nauka o drewnie” Warszawa 1975]. Największym skurczem i pęcznieniem spośród charakteryzowanych gatunków wykazała się Brz (jednostkowy 4,9) na drugim miejscu znalazł się Db(4,7). Należy wyjaśnić jedną rzecz , stwierdzono poprzedni, że skurcz i pęcznienie są równe co do wielkości . Różnice pomiędzy wartościami skurczu i pęcznienia w obrębie jednej próbki wynika z tego , że skurcz mierzony był dla próbki przechodzącej ze stanu powietrznie suchego do stanu absolutnie suchego, a pęcznienie ze stanu absolutnie suchego do stany maksymalnej wilgotności. Porównując skurcz i pęcznienie jednostkowe na poszczególnych przekrojach próbek zauważyć można, że przyjmują one różne wartości. Zjawisko takie nazywamy anizotropią . Największe zmiany możemy zaobserwować w kierunku równoległym do przebiegu włókien(przekrój podłużny). Mniej widoczne zmiany na kierunku promieniowym, a najmniejsze na kierunku stycznym. W przybliżeniu można stwierdzić, że anizotropia wyraża się stosunkiem 1:10:20 (p. podłużny: p. promieniowy: p. styczny) . W przypadku gat. iglastych im większa gęstość tym większa jest wartość kurczliwości.
- Udarność: największą udarnością charakteryzowała się w naszych badaniach Brz - 127,47KJ/m2 , równie wysoką udarnością wykazał się Bk - 91,03KJ/m2. najmniejszą natomiast Jd - 36,63KJ/m2 . Również niski wynik osiągnęły próbki Tp i Db. Próbki o wysokiej udarności miały zarazem wysoką gęstość Brz- ,0756 g/cm3
-
Porównanie skurczu obliczanego ze wzoru KY=Yo-Ym/Ym
KV- skurcz całkowity w % wymiaru drewna wilgotnego, Yo- wartość danego wymiaru drewna w stanie absolutnie suchym, Ym- wartość danego wymiaru drewna w stanie maksymalnego uwilgotnienia;
Gatunek |
KL promieniowy |
KL styczny |
KV |
|||
|
Wg wzoru |
empiryczne |
Wg wzoru |
empiryczne |
Wg wzoru |
empiryczne |
So1 |
6,1 |
5,11 |
11,5 |
9,14 |
19,5 |
15,01 |
So2 |
5,6 |
5,41 |
13,5 |
9,69 |
21,4 |
15,96 |
Jd |
3,6 |
5,0255 |
7,8 |
8,99 |
12,49 |
14,81 |
Db |
6,2 |
6,35 |
7,4 |
11,37 |
20,9 |
18,73 |
Bk |
5,3 |
5,538 |
7,4 |
9,91 |
19,6 |
16,32 |
Brz |
10 |
6,65 |
12,8 |
11,9 |
25,3 |
19,6 |
Tp |
4,5 |
3,8 |
10,8 |
6,8 |
17,7 |
11,2 |
W miarę zbliżone wyniki możemy zaobserwować tylko na przekroju promieniowym dla gatunków iglastych, Na przekroju stycznym i dla ogólnej wartości skurczu obliczonej wzorami empirycznymi wyniki nie są już tak zbliżone jak w przypadku przekroju promieniowego i rozbieżności są dużo większe.
-->4 . Dyskusja wyników:[Author ID2: at Thu Feb 24 18:04:00 2000 ]
Gęstość:
Gatunek |
Drewno powietrznie suche[g/cm3] |
Drewno absolutnie suche[g/cm3] |
||
|
Wg badań |
Wg Krzysika |
Wg badań |
Wg Krzysika |
So1 |
0,552 |
0,33-0,89 |
0,538 |
0,3-0,86 |
So2 |
0,581 |
0,33-0,89 |
0,570 |
0,3-0,86 |
Jd |
0,549 |
0,35-0,75 |
0,529 |
0,32-0,71 |
Db |
0,687 |
0,43-0,86 |
0,669 |
0,39-0,83 |
Bk |
0,600 |
0,54-0,81 |
0,583 |
0,49-0,88 |
Brz |
0,714 |
0,51-0,83 |
0,700 |
0,46-0,80 |
Tp |
0,411 |
0,41-0,56 |
0,400 |
0,37-0,52 |
Gęstość określana w czasie badań dla danych próbek poszczególnych gatunków mieści się w zakresie danych podawanych przez literaturę, 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 niż15%.
Kurczliwość:
W kierunku |
Promieniowym% |
Stycznym% |
Podłużnym% |
Objętości% |
||||
|
|
|
|
|
||||
Gatunek |
Wg badań |
Wg Krzysika |
Wg badań |
Wg Krzysika |
Wg badań |
Wg Krzysika |
Wg badań |
Wg Krzysika |
So1 |
6,1 |
2,6-6,1 |
11,5 |
6,1-9,8 |
1,0 |
0,1-0,6 |
19,5 |
11-13 |
So2 |
5,6 |
2,6-6,1 |
13,5 |
6,1-9,8 |
1,3 |
0,1-0,6 |
21,4 |
11-13 |
Jd |
3,6 |
3,8 |
7,8 |
7,6 |
0,7 |
0,1 |
12,49 |
11,7 |
Db |
6,2 |
4,0 |
7,4 |
7,8 |
1,0 |
0,4 |
20,9 |
12,6 |
Buk |
5,3 |
5,8 |
7,4 |
11,8 |
0,7 |
0,3 |
19,6 |
17,6 |
Brz |
10 |
5,3 |
12,8 |
7,8 |
1,0 |
0,3 |
20,3 |
14,2 |
To |
4,5 |
5,2 |
10,8 |
8,3 |
1,7 |
0,3 |
17,7 |
14,3 |
Dane z literatury i z badań są rozbieżne ponieważ nasze badania były prowadzone na jednej partii próbek o określonych cechach, natomiast dane z literatury oparte są na dużym materiale empirycznym. Różnica może też być przyczyną różnych warunkach laboratoryjnych.
Anizotropia
Skurcz |
F. Krzysik [%] |
Według badań [%] |
Wzdłuż włókien |
0,1-0,8 |
0,7-1,7 |
W kierunku promieniowym |
3-5 |
3,6-10 |
W kierunku stycznym |
6-13 |
7,4-13,5 |
Zmiany objętości |
7-22 |
12,49-25,3 |
Granice anizotropii zostały przekroczone nieco w stosunku do zakresów literaturowych. Różnice mogą wynikać z niedokładności pomiarów i sprzętu.
Wytrzymałość na zginanie statyczne.
[Mpa] |
Wg Z. Laurowa |
Wg badań |
So1 |
87,0-85,2 |
118,3 |
So2 |
87,0-85,2 |
129,85 |
Jd |
55,5-50,2 |
102,4 |
Db |
108,5-102,2 |
131,6 |
Bk |
97,2-94,0 |
145,51 |
Brz |
97,2-94,0 |
170,8 |
Tp |
69,3-67,3 |
74,2 |
Udarność.
KJ/m2 |
Wg F. Krzysik |
Wg badań |
So1 |
70 |
95,83 |
So2 |
70 |
75,76 |
Jd |
60 |
36,63 |
Db |
76 |
63,78 |
Bk |
100 |
91,03 |
Brz |
140 |
127,47 |
Tp |
80 |
64,75 |
Wyniki badań przyjmują wartości niższe niż w literaturze (z wyjątkiem sosny). Wytrzymałość drewna na zginanie statyczne zależy od wilgotności, gęstości, położenia próbki na przekroju podłużnym strzały oraz właściwości strukturalnych drewna . Podobnie jest w przypadku udarności.
Ściskanie wzdłuż włókien przy wilgotności 12% .
[Mpa] |
Wg Z. Laurowa |
Wg badań |
So1 |
46,1-41,3 |
51,10 |
So2 |
46,1-41,3 |
37,7 |
Jd |
39,2-34,8 |
48,05 |
Db |
56,0-52,0 |
49,2 |
Bk |
46,1-41,3 |
33,9 |
Brz |
46,1-41,3 |
51,16 |
Tp |
39,2-34,8 |
31,84 |
Wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien. Dane z badań odbiegają od danych z literatury zarówno w dół jak i w górę. Różnice te mogą wynikać stąd, że przy naszych badaniach wzięto tylko pod uwagę wilgotność próbki a pominięto wpływ miejsca skąd pobrano próbkę, żywiczność, udział drewna późnego, gęstości, temperatury. Cechy te na pewno mają wpływ na otrzymane wyniki.
W praktyce drewno o najniższej gęstości wykorzystujemy do produkcji płyt wiórowych z domieszką drewna bukowego. 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 dyskwalifikuje je jako surowiec konstrukcyjny. Największy zastosowanie w Polsce ma drewno sosnowe i to nie tylko nie ze względu na duży udział tego gatunku w lasach. Sosna wąsko słoista posiada bardzo dobre właściwości techniczne. Wykonuje się z niej kopalniaki, słupy teletechniczne, podkłady kolejowe (po impregnacji). Ponadto drewno sosny użytkowane jest w przemyśle meblarskim, papierniczym, w budownictwie, na sklejki, okleiny i opał. Dąb jako twardy surowiec używany do wykończeń w budownictwie, do produkcji oklein, forniru, beczek winnych. Topola - na sklejki, płyty; Brz - na sklejki, okleinę, płyty wiórowe; Jd - wykorzystywana jest jako surowiec do budowy mostów i budowli będących po wpływem wody; Bk - drewno bardzo wartościowe, szerokie zastosowanie na okleiny, parkiety, sklejki i dość modne meble gięte.
-->6. Literatura:[Author ID2: at Thu Feb 24 18:04:00 2000 ]
F. Krzysik „Nauka o drewnie” Warszawa 1975
M. Kubiak, Z. Laurow „Surowiec drzewny” Warszawa 1994