Физико-механические свойства

Понятие о равновесной и стандартной влажности, пределе гигроскопической влажности
Влажность древесины выражается в (%) по отношению к массе сухой древесины. В древесине различают гигроскопическую влагу, связанную в стенках клеток, и капиллярную влагу, которая свободно заполняет полости клеток и межклеточное пространство.
Влажность, которую приобретает древесина в результате длительного нахождения на воздухе или помещении с постоянной температурой и влажностью (гигроскопическое равновесие) называют равновесной.
Равновесная влажность зависит от температуры и относительной влажности окружающего воздуха. При хранении на воздухе под навесом древесина имеет равновесную влажность 15...18 %. При хранении древесины внутри помещения - 5...8 %. Свежесрубленная древесина может содержать влаги от 35 до 120%.

Стандартной принято считать 12%-ю влажность. Понятие стандартной влажности необходимо для обеспечения возможности сравнения результатов испытаний древесины при определении средней плотности, прочности и т.д. Влажность древесины, при которой стенки клеток насыщены водой (предельное содержание гигроскопической влаги), а полости и межклеточные пространства свободны от воды, называют пределом гигроскопической влажности. Для древесины различных пород она колеблется от 23 до 35% (в среднем 30%) от массы сухой древесины.

Усушка и разбухание
Колебания влажности волокон древесины влекут за собой изменение размеров и формы досок, брусьев и других изделий из древесины.
При увлажнении сухой древесины до достижения ею предела гигроскопической влажности стенки древесины утолщаются, разбухают, что приводит к увеличению размеров и объема деревянных изделий.

1– вдоль волокон;
2 – в радиальном направлении;
3 – в тангенциальном направлении;
4 – объемное разбухание

Рисунок – Влияние влажности древесины на разбухание
Вследствие неоднородности строения древесина усыхает в различных направлениях неодинаково

Вдоль оси ствола (вдоль волокон) линейная усушка для большинства древесных пород составляет 0,1…0,3% (1…3мм на 1 м); в радиальном направлении – 4…6 %(4…6мм на 1 м), а в тангенциальном направлении – 8 …10% (8…10мм на 1 м).Это сопровождается возникновением внутренних напряжений в древесине, что вызывает ее коробление и растрескивание. Коробление деревянных изделий является следствием разницы в усушке древесины в тангенциальном и радиальном направлении и неравномерности высыхания.
Для предотвращения коробления и растрескивания деревянных изделий используют древесину с той же равновесной влажностью, которая будет в условиях эксплуатации. Чтобы защитить древесину от последующего увлажнения, ее покрывают красками, лаком и эмалями

Плотностьдревесины
Истинная плотность древесины изменяется незначительно, так как древесина всех деревьев состоит в основном из одного вещества – целлюлозы. В связи с этим истинную плотность древесины можно принять равной 1,54 г/ см³.
Средняя плотность древесины разных пород и даже одной и той же породы зависит от многих факторов, связанных с условиями роста дерева. У большинства древесных пород плотность сухой древесины меньше 1000 кг/м³, т.е. меньше плотности воды. С изменением влажности средняя плотность древесины меняется, поэтому принято сравнивать плотность древесины при одной и той же стандартной влажности, равной 12 %.

Механические свойства. Определение предела прочности древесины при сжатии вдоль волокон (ГОСТ 16483.10-73. Древесина. Метод определения предела прочности при сжатии вдоль волокон).

Все механические свойства древесины как анизотропного волокнистого материала в большей степени зависит от того, под каким углом к волокнам направлена сила, наличие пороков, породы дерева, его плотности, влажности. Для определения предела прочности при сжатии древесины вдоль волокон перед испытанием вычисляют площадь поперечного сечения образца-призмы F(см²), измеряя его размеры посередине длины с погрешностью не более 0,1мм. Образец помещают строго по центру плиты пресса (в приспособление для испытания на сжатие) и нагружают равномерно с такой скоростью, чтобы он разрушился через (1,0±0,5 )мин после начала нагружения (см. рисунок 5). Разрушающую нагрузку P измеряют с погрешностью не более 1 %.

Рисунок – Определение предела прочности древесины при сжатии вдоль волоконПредел прочности образца при сжатии вдоль волокон R_cж^W (МПа) при влажности Wв момент испытанияопределяют по формуле

R_cж^W = (P/F)·10 (МПа)

где:

P – разрушающая нагрузка, кН.

F – площадь поперечного сечения образца, см².

Результат вычисляют и округляют до 0,5 МПа.

Предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон вычисляют как среднее арифметическое значение результатов испытаний не менее чем трех образцов.

Для пересчета предела прочности древесины при сжатии вдоль волокон к стандартной влажности (12 %) используют формулу

R_cж¹² =R_cж^W· [1+ α·(W -12)] (МПа),

где:

R_cж^W– предел прочности образца древесины при сжатии вдоль волокон с влажностью W в момент испытания, МПа;

W – влажность образца древесины в момент испытания, %.

α = 0,04 – поправочный коэффициент на влажность, показывающий, насколько изменяется прочность при изменении влажности на 1 %.

Определение предела прочности при местном смятии поперек волокон (ГОСТ 16483.2-70. Древесина. Метод определения условного предела прочности при местном смятии поперек волокон).

В лабораторных условиях испытания проводят на образцах в виде прямоугольных призм с основанием 20х20 мм и длиной вдоль волокон 60 мм. Образец укладывают на центр плиты пресса тангенциальной или радиальной поверхностью кверху. Усилие на образец передается через пуансон (металлическая накладка), устанавливаемый крестообразно на образец. Ширина рабочей площадки пуансона, вдавливаемой в древесину – 20 мм. Из-за того, что ребра пуансона закруглены (R = 2 мм), расчетная ширина принимается 18 мм.

а - образец до испытания; б - образец после испытания.

Рисунок – Внешний вид образца древесины при определении условного предела прочности при местном смятии поперек волокон

Таким образом, площадь, воспринимающая нагрузку при испытании F = (1,8хb)см², где b – ширина образца, см.

В лабораторной работе за разрушающее усилие P_усл(кН) принимают усилие, при котором деформации начинают расти непропорционально, пуансон войдет в образец на 2…4 мм, а на торцах образца появятся первые трещины (см. рисунок 7).

Значение напряжений соответствующее разрушающей нагрузке, принимают за условный предел прочности древесины при местном смятии поперек волокон.

По найденному P_усл рассчитывают условный предел прочности образца при смятии поперек волокон R_cм^W(МПа) по формуле

R_cм^W = (Р_усл /F)·10 (МПа),

где:

R_cм^W – условный предел прочности образца древесины при местном смятии поперек волокон с влажностью W в момент испытания, МПа;

P_усл – разрушающее усилие, соответствующее условному пределу прочности при местном смятии поперек волокон, кН;

F – площадь образца, воспринимающая нагрузку, см².

Условный предел прочности древесины при местном смятии поперек волокон вычисляют как среднее арифметическое значение результатов испытаний не менее чем трех образцов.

Для пересчета условного предела прочности при местном смятии поперек волокон к стандартной влажности (12 %) используют формулу:

R_cм¹² = R_cм^W·[1+ α ·(W -12)] (МПа),

где:

R_cм^W – условный предел прочности образца древесины при местном смятии поперек волокон с влажностью W в момент испытания, МПа;

α = 0,035 – поправочный коэффициент на влажность, показывающий, насколько изменяется прочность при изменении влажности на 1 % (для всех пород древесины).

W – влажность образца древесины в момент испытания, %.

Определение предела прочности при статическом изгибе (ГОСТ 16483.3-84. Древесина. Метод определения предела прочности при статическом изгибе).

Сущность метода заключается в определении максимальной нагрузки при разрушении образца и вычислении предела прочности при изгибе.

Образцы изготавливают в форме прямоугольной призмы с поперечным сечением 20х20 мм и длиной вдоль волокон 300 мм. Затем образец помещают в испытательную машину (см. рисунок а) и нагружают по схеме (см. рисунок б).

А)

Б)

Рисунок – Испытание древесины при статическом изгибе

Для этого используют приспособление, обеспечивающее изгиб образца приложением нагрузки к его боковой поверхности в середине расстояния между центрами опор. Радиус закругления опор и нагружающего ножа должен быть 30 мм. Скорость нагружения образца (1350±150)Н/мин. Образец доводят до разрушения и определяют максимальную нагрузку P_разр (Н) с погрешностью не более 1 %.

Предел прочности при статическом изгибе образца R_изг^W(МПа) вычисляют по формуле:

R_изг^W = 3·Рразр·l/(2·b·h²) (МПа),

где:

R_изг^W – предел прочности образца древесины при статическом

изгибе с влажностьюW в момент испытания, МПа

P_разр – разрушающая нагрузка, Н;

l = 240 мм – расстояние между центрами опор;

b, h – соответственно ширина и высота образца, мм.

Прочность древесины при статическом изгибе находят как среднее арифметическое значение результатов испытаний не менее чем трех образцов.

Для пересчета предела прочности при статическом изгибе к стандартной влажности (12 %) используют следующую формулу:

R_изг ¹² = R_и^W · [1+ α·(W -12)] (МПа),

где:

R_изг ^W– предел прочности образца древесины при статическом изгибе с влажностьюW в момент испытания, МПа

W – влажность образца древесины в момент испытания, %.

α = 0,04 – поправочный коэффициент на влажность, показывающий, насколько изменяется прочность при изменении влажности на 1 % (для всех пород древесины).