SPRAWOZDANIE

Z NAUKI O SUROWCU DRZEWNYM

Badanie mechanicznych i fizycznych właściwości drewna

Wstęp

„Drewno-surowiec otrzymywany ze ściętych drzew i formowany przez obróbkę w sortymenty różnego rodzaju” ; taki opis możemy znaleźć w każdej encyklopedii, ale czy wiemy co się pod nim kryje? Drewno otacza nas na co dzień, siedzimy na drewnianych krzesłach, posługujemy się narzędziami z drewnianymi trzonkami, podziwiamy drewniane rzeźby, gramy na instrumentach wykonanych z drewna, podróżujemy pociągami, które poruszają się po szynach znajdujących się na drewnianych podkładach… Takich przykładów możemy wymieniać bez liku, jednak nigdy nie zastanawiamy się nad tym, dlaczego drewno tyle wytrzymuje. A wydaje mi się, że warto. Ludzie od niepamiętnych czasów wykorzystywali drewno w większym lub mniejszym stopniu znając jego właściwości. W obecnych czasach, wraz z rozwojem techniki, wiedza człowieka poszerzyła również swoje horyzonty w tym kierunku. Drewno dzięki swoim właściwościom mechanicznym, fizycznym jak i chemicznym jest materiałem niezastąpionym, a zarazem pochodzi ze źródła odnawialnego i jest ekologiczne. Ludzie wykorzystują przydatność drewna poszczególnych gatunków do konkretnych celów. Nikogo więc nie dziwi, że z gatunków iglastych wykonujemy m.in. konstrukcje dachowe, stolarkę budowlaną, z buka robimy meble gięte, z olchy płoty, balustrady, budowle wodne, klon z falistymi włóknami jest pożądanym drewnem rezonansowym, orzech włoski wykorzystywany jest na osady do broni a lipa jako materiał rzeźbiarski. Specyficzne właściwości tego surowca zawiązane są z jego budową. Budowa drewna jest porowata, stanowi system połączonych z sobą skomplikowanych kapilar i dzięki temu ma dużą wytrzymałość przy małym ciężarze właściwym.

Cechy drewna:

• izolacja termiczna i elektryczna

• kurczenie, pękanie, paczenie; cechy nieporządne związane są z właściwościami higroskopijności. Kurczliwość i pęcznienie polegają na zwiększaniu lub zmniejszaniu się wymiarów w przedziale higroskopijności (0-30% wilgotności drewna)

• gęstość - na tą cechę zwraca się szczególną uwagę w budownictwie gdzie jest potrzebna lekka konstrukcja ale za razem o dobrych parametrach wytrzymałościowych.

• wytrzymałość na ściskanie - jest to 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 duże znaczenie przy niektórych konstrukcjach tj. słupy, stemple, konstrukcje inżynieryjne

• wytrzymałość na zginanie statyczne.

Cel badań

Celem przeprowadzonych badań było zbadanie właściwości fizycznych i mechanicznych 5 różnych gatunków drewna: sosny, brzozy, osiki, dębu i buka. Dla badanych próbek zostały pomierzone wymiary: styczny, promieniowy i podłużny. Badania odbyły się na próbkach w stanie powietrzno-suchych, po wysuszeniu w temperaturze 105ºC przez 24 godziny (próbki w stanie absolutnie-suchym) oraz na maksymalnie wilgotnych.

Badano następujące cechy i właściwości drewna :

• gęstość drewna (stosunek masy do objętości badanych próbek)

• zmianę długości na różnych przekrojach - określono na podstawie porównania próbek w dwóch stanach uwilgotnienia przez porównanie wymiarów liniowych, przekrojów poprzecznych, stycznych i promieniowych

• zmianę objętości - określono na podstawie porównania objętości próbek w dwóch stanach uwilgotnienia

• współczynnik kurczliwości - określono na podstawie porównania próbek w dwóch stanach uwilgotnienia przez porównanie wymiarów liniowych, przekrojów poprzecznych, stycznych, promieniowych jak również dla ich objętości; współczynnik skurczu jednostkowego i objętościowego

• wilgotność bezwzględną drewna powietrznie-suchego, iloraz masy wody zawartej w drewnie powietrznie-suchym do masy drewna absolutnie-suchego wyrażona w %

• wilgotność względną drewna powietrznie-suchego, iloraz masy wody zawartej w drewnie powietrznie-suchym do masy drewna powietrznie-suchego wyrażona w %

• ściskanie

• wytrzymałość - określa opór, jaki materiał przeciwstawia (wskutek swej wewnętrznej, międzycząsteczkowej spójności-siły kohezji) sile powodującej jego zniszczenie.

Metodyka badań

Dla poszczególnych próbek (za pomocą wagi technicznej) zważono ciężar, natomiast za pomocą suwmiarki pomierzono wymiary. Na podstawie tego obliczono dla różnego stopnia

zwilgocenia:

- objętość próbek,

- gęstość próbek.

• gęstość drewna

- wzór no objętość:

V= L * Ls * Lp [cm³]

L - długość próbki [mm]

Ls - wymiar styczny próbki [mm]

Lp - wymiar promieniowy próbki [mm]

- wzór na gęstość:

g = m / V [g/cm³]

m - masa [g]

V - objętość [cm³]

• zmiana długości (liczona oddzielnie dla przekroju promieniowego, stycznego

i długości)

Δ L = Lp - Lo [mm] Lp - długość próbki w stanie pokojowo-suchym [mm]

Lo - długość próbki w stanie absolutnie-suchym [mm]

• zmiana objętości

ΔV = Vp - Vo [cm³] Vp - objętość próbki w stanie pokojowo-suchym [cm³]

Vo - objętość próbki w stanie absolutnie-suchym [cm³]

• współczynnik skurczu jednostkowego (liczony oddzielnie dla przekroju promieniowego i stycznego badanych próbek)

KLw = (ΔL / Lo) * 100% [%] ΔL - zmiana długości [mm]

Lo - długość próbki w stanie absolutnie-suchym [mm]

• współczynnik skurczu objętościowego

KVw = (ΔV / Vo) * 100% [%] ΔV - zmiana objętości [cm³]

Vo - objętość próbki w stanie absolutnie-suchym [cm³]

• wilgotność bezwzględna

Wbez = [ ( Qp - Qo ) / Qo ] * 100% [%]

Qp - gęstość próbki w stanie pokojowo-suchym [g/cm³]

Qo - gęstość próbki w stanie absolutnie-suchym [g/cm³]

• wilgotność względna

Wwzg = [ ( Qp - Qo ) /Qp ] * 100% [%]

W drewnie powietrznie-suchym występuje woda konstrukcyjna i związana. Ilość wody związanej określono metodą suszarkowo - wagową. (Uprzednio te próbki zostały pomierzone oraz powarzone.) Polega ono na wysuszeniu drewna w temperaturze 103°C ±2°C. Po wyjęciu z suszarki próbki chłodzi się w eksykatorze z substancją higroskopijną do temperatury 20°C ± 2°C i waży z dokładnością do 0,001g. Po tym procesie próbki tracą wodę fizyczną (chemiczna jednak pozostaje). Następnie próbki zmierzono przy pomocy suwmiarki oraz zważono na wadze elektronicznej.

• wytrzymałość na ściskanie

została zbadana przez umieszczenie próbek w maszynie ściskającej w taki sposób, aby zapewniony został równomierny rozkład obciążeń na powierzchni przekroju. Próbka była poddawana działaniu tej siły do momentu zniszczenia. Wtedy to wskazówka na manometrze wykazywała spadek siły obciążającej.

• wytrzymałość na zginanie statyczne

Próbki zostały pomierzone suwmiarką oraz zważone na wadze technicznej. Próbki obciążono siłą skupioną, działająca na środku długości próbki, prostopadle do przekroju promieniowego. Napór wzrasta jednostajnie. Próbkę obciążano do chwil złamania. Siłę niszczącą odczytywano na siłomierzu.

Wnioski

Gęstość

Drewno powietrznie-suche jest to drewno w stanie możliwym do uzyskania poprzez długotrwałe suszenie na wolnym powietrzu. Gęstość drewna jest wielkością zmienną zależną od porowatości(gatunek drewna), wilgotności drewna, udziału drewna późnego, wieku drzewa i jego wysokości, położenia drewna w pniu jak również od siedliska z jakiego pochodzi surowiec. Największą rolę odgrywa wpływ gatunku drzewa i wilgotności na gęstość drewna. Poszczególne gatunki drewna mają odmienną budowę, a w ślad za tym zróżnicowaną porowatość i gęstość.

Gatunek	Gęstość naszych próbek	Gęstość tabelaryczna (literatura)	Różnica między gęstościami
Sosna	0,61	0,58	0,03
Brzoza	0,69	0,66	0,03
Osika	0,51	0,41-0,56	w granicach
Dąb	0,75	0,69	0,06
Buk	0,73	0,73	0

Porównując otrzymane gęstości dla naszych próbek z gęstościami przedstawionymi w literaturze

(Franciszek Krzysik „Nauka o drewnie”) możemy wyciągnąć pewne wnioski. Największa różnica między wynikami przypadła dla dębu, tutaj 0,06 g/cm³. Natomiast dla buka gęstości zgadzają się. Moim zdaniem te rozbieżności mogą wyniknąć z niedokładności pomiarów lub z powodu którejś z cech wymienionych powyżej mających wpływ na zmienność gęstości.

Gatunek	Gęstość naszych próbek	Gęstość tabelaryczna (literatura)	Różnica między gęstościami
Sosna	0,59	0,55	0,04
Brzoza	0,50	0,62	- 0,08
Osika	0,45	0,45	0
Dąb	0,7	0,66	0,04
Buk	0,7	0,69	0,01

W przypadku drewna w stanie absolutnie-suchym mamy do czynienia już z troszeczkę większymi rozbieżnościami. Najmniejsza różnica charakteryzuje osikę, natomiast największa brzozę.

Gęstość drewna mokrego wynosi — zależnie od rodzaju drewna — około 30%. Wilgotność

taką wykazuje drewno niedawno ścięte, drewno składowane w wodzie lub zraszane na

składowiskach lądowych (wilgotny stan ochronny).

Kurczliwość

Wartości liczbowe kurczliwości zależą od gatunku i gęstości drewna i mieszczą się w granicach:

- wzdłuż włókien 0,1-08%

- promieniowym 3-5%

- stycznym 6-13%

- zmiany objętości 7-22%.

Największy skurcz występuje na przekroju stycznym, potem promieniowym i dopiero na końcu na długości. Określa się to mianem anizotropii kurczliwości. W kierunku stycznym największy skurcz jednostkowy występuje u brzozy w 10,52%, a najmniejszy u sosny 2,11%. Na kierunku promieniowym do grupy gatunków bardziej kurczliwych należy brzoza 3,51%, najmniej kurczy się natomiast buk i osika 1,5%.

Na kierunku podłużnym skurcz jest najmniejszy i waha się od 0-0,88%. Największy skurcz objętościowy wykazuje brzoza.

Wyniki te prowadzą do następujących wniosków :

Skurcz drewna zależy od rodzaju drewna, rodzaju przekroju i gęstości drewna.

Zmiany w kierunku stycznym powodowane są dużymi zmianami wymiarów kolisto ułożonych warstw drewna późnego. Różnice kurczliwości na poszczególnych przekrojach są głównym powodem paczenia się drewna.

Wymiary i ciężar próbek w stanie maksymalnego uwilgotnienia zwiększyły się pod wpływem wchłonięcia wody w przedziale higroskopijnym. Proces ten jest odwrotnością procesu kurczenia się drewna przy wysychaniu, gdzie następuje ubytek cieczy. Przy pęcznieniu woda wysyca ściany komórkowe oraz zwiększa przestrzenie międzykomórkowe. Substancja drzewna może wchłonąć 25-30% wody osiągając tym samym punkt nasycenia włókien. Dalsze wchłanianie wody odbywa się poprzez zapełnianie wolnych przestrzeni.

Wskutek pęcznienia drewno zmienia swoje wymiary, najsilniej w kierunku stycznym (w porównania do drewna całkowicie suchego). Na kierunku stycznym w przedziale 9,52-15,71%, promieniowym jest ono znacznie mniejsze 4,04-6,03%.
Na kierunku podłużnym wartości są mniejsze i zamykają się w granicach 0,66-1%. Pęcznienie objętościowe osiąga wartości 16,63-23,91%.

Skurcz	Gat.	Sosna	Brzoza	Osika	Dąb	Buk
Wzdłuż włókien		0,4%	0,6%,		0,4%,	0,3%,
W kierunku promieniowym		3,3-4,0%	ok.5,3%	3,5%	3,5-4,7%	ok. 5,8%
W kierunku stycznym		7,5-8,0%	ok. 7,8%,	8,5%	7,7-10,0%	ok. 11,8%
Objętościowy		11,2-12,4%	13,7-14,2%	11,0-12,8%	12,2-15,0%	14,0- 17,9 -21,0%

Według literatury

Skurcz	Gat.	Sosna	Brzoza	Osika	Dąb	Buk
Wzdłuż włókien		0,66%	0,66%	0,66%	0,66%	0,66%
W kierunku promieniowym		4,14%	3,94%	3,45%	1,98%	3,94%
W kierunku stycznym		7,25%	8,87%	9,69%	7,65%	11,58%
Objętościowy		12,44%	13,91%	14,23%	10,89%	16,74%

Według naszych badań

Uzyskane wyniki są przybliżone do tabelarycznych przedstawionych dla konkretnych gatunków. Błędy mogą wynikać z niedokładności pomiarów lub błędów w pomiarach.

Natomiast biorąc pod uwagę uśrednione wartości skurczu (bez podziału na gatunki), nasze wyliczenia mieszczą się w ich przedziałach.

Wilgotność

Mianem drewna mokrego określa się drewno zawierające wodę wolną, a więc

drewno o wilgotności przekraczającej punkt nasycenia włókien. Wilgotność drewna

świeżo ściętego waha się, zależnie od gatunku drewna, między 50 a 150% wilgotności.

Drewno składowane w wodzie ma wilgotność wyższą niż drewno świeżo ścięte.

W naszym doświadczeniu drewno w stanie maksymalnie-mokrym osiągnęło wilgotność w granicach 60,99-146-78%, czyli mieści się w normach (podanych w literaturze dla drewna świeżo ściętego).

Drewno mokre traci pod wpływem przebywania na powietrzu część wilgoci i dochodzi

do stanu powietrznie-suchego. Jako wartość przeciętną dla stanu powietrznie-suchego przyjmuje się wilgotność 15%. W naszych warunkach, przy składowaniu drewna na powietrzu nie można osiągnąć wilgotności niższej od stanu powietrznie-suchego, a więc niższej niż 13%; dalsze obniżanie wilgotności osiąga się przez suszenie sztuczne. Wilgotność drewna powietrznie-suchego w naszym doświadczeniu jest troszeczkę mniejsza od danych książkowych i wynosi średnio 12,63%. Prawdopodobnie jest to wynik przetrzymywania próbek w pomieszczeniu ogrzewanym o podwyższonej temperaturze i suchym powietrzu.

Drewno powietrznie-suche- jego wilgotność ustala się, według danych z literatury, w granicach 8-13%. W naszym doświadczeniu wilgotność tych próbek wyniosła po uśrednieniu ok 10,1%. Dane te znajdują się w przedziale przedstawionym przez literaturę.

Wytrzymałość

Zauważono, że największą odpornością na działanie siły (zginanie statyczne) posiada w kolejności dąb, buk, brzoza, a najmniejszą osika i świerk.

Największą wytrzymałość z próbek długich wykazywały próbki suche (kolejno: brzoza, buk, dąb, sosna=osika), natomiast przy próbkach mokrych tendencja i uszeregowanie zmieniła się i uległa znacznemu zmniejszeniu (buk, dąb, brzoza, osika, sosna).

Wyniki otrzymane w doświadczeniu odbiegają od pewnego standardu przyjętego w podręcznikach, zapewne dzieje się tak, bo wyniki w literaturze są danymi uśrednionymi, podczas pomiarów również mogły zostać popełnione błędy. Prowadziliśmy badania na jednej małej nie reprezentatywnej próbie, natomiast dane tabelaryczne powstały na podstawie wielu pomiarów, różnych próbek…

Pomoce:

• Franciszek Krzysik „Nauka o drewnie”

• http://www.itd.poznan.pl/pl/index.php?id=38

• http://www.cdm-drewno.pl/files/Dokumenty/Sosna.htm

Str. 2 Właściwości mechaniczne drewna

Data utworzenia 2006-01-08 14:24 Data ostatniego wydruku 2005-12-16 18:09

2

---