- 1 -

,,Fizyczne i mechaniczne właściwości drewna,,

WSTĘP

Dzięki swoim właściwościom fizycznym ,mechanicznym i chemicznym drewno można uznać za surowiec niezastępowalny ,a konsekwencją skomplikowanej budowy tego surowca jest wielostronne wykorzystanie w wielu gałęziach przemysłu.

CEL BADAŃ

Celem badań jest określenie fizycznych i mechanicznych właściwości drewna. Do badań użyto 7 próbek drewna ,dla których wcześniej określono wymiary (prostopadłościan o wymiarach : styczny i promieniowy 20 mm ,podłużny 30 mm) w warunkach powietrzno-suchych. Użyte gatunki to :So (szeroko i wąskosłoista) ,Jd ,Db ,Bk ,Brz ,Tp.

Badano następujące cechy i właściwości drewna :

-gęstość drewna powietrznie-suchego i absolutnie suchego

-skurcz całkowity i jednostkowy drewna

-udział substancji drzewnej

-porowatość drewna

-wilgotność bezwzględną i względną drewna powietrznie-suchego i maksymalnie uwilgotnionego

-współczynnik pęcznienia jednostkowego

-wskaźnik nasycenia drewna powietrznie-suchego (Bp)

-wytrzymałość na zginanie statyczne (Rg) i udarność (U)

-wilgotność maksymalną drewna (Wm)

-wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien przy danej wilgotności W (Rcw)

-wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien przy wilgotności W=12% (Rcw)

Właściwości fizyczne o największym znaczeniu praktycznym zostały zaszeregowane w następujące grupy :

1)decydujące o wyglądzie zewnętrznym drewna-barwa ,połysk ,rysunek

2)dotyczące masy drewna i jej zmian-gęstość drewna i substancji drzewnej ,porowatość drewna

3)decydujące o stosunkach wodnych w drewnie ,jego wilgotności-wilgotność ,higroskopijność ,nasiąkliwość ,przesiąkliwość

4)właściwości cieplne drewna-przewodnictwo cieplne ,pojemność cieplna ,przenikliwość

5)akustyczne właściwości drewna-przewodzenie ,tłumienie i rezonans dźwiękowy

6)elektryczne właściwości drewna-przewodzenie i oporność

7)właściwości elektro-magnetyczne

8)właściwości piroelektryczne-zdolność gromadzenia ładunków

9)przenikliwość drewna w stosunku do gazów

METODYKA BADAŃ

Wilgotność drewna. W drewnie powietrznie-suchym występuje woda konstrukcyjna i związana. Jlość wody związanej określono metodą suszarkowo-wagową. Polega ono na wysuszeniu drewna w temperaturze 103°C ±2°C. Przebieg suszenia należy sprawdzić przez ważenie kontrolne ,które wykonuje się nie wcześniej niż po 6 godz. (drewno miękkie) lub po dziesięciu (drewno twarde). Po wyjęciu z suszarki próbki chłodzi się w eksykatorze z substancją higroskopijną (CaCO3) do temperatury 20°C ± 2°C i waży z dokładnością do 0,001g (0,1%). Po tym procesie próbki tracą wodę fizyczną (chemiczna jednak pozostaje). Metoda ta jest prosta do wykonania ,pozwala oznaczyć każdą wilgotność drewna z dużą dokładnością. Tak określono wilgotność bezwzględną-masę wody w drewnie odnoszono do masy próbki w stanie absolutnie suchym. Gdyby odnieść masę wody w drewnie do masy próbki wilgotnej ,otrzymamy wilgotność względną.

Następnie próbki zmierzono przy pomocy suwmiarki oraz zważono na wadze elektronicznej.

Wilgotność maksymalna drewna (Wm) to suma wilgotności kapilarnej i higroskopijnej.

Określono trzy stopnie Wm :

-Wm1-oparta na wilgotności higroskopijnej i gęstości drewna absolutnie suchego

-Wm2-oparta na gęstości względnej

-Wm3-oparta na gęstości drewna absolutnie suchego i pęcznieniu jednostkowym objętościowym

Gęstość drewna określono jako stosunek masy drewna do jego objętości [g/cm3] w różnych stanach wilgotności. Jest to wielkość zmienna zależna od porowatości, wilgotności drewna, udziału drewna późnego.

Skurcz całkowity i jednostkowy określono na podstawie porównania próbek w dwóch stanach uwilgotnienia-drewna absolutnie suchego i powietrznie-suchego. Przez porównanie wymiarów liniowych ,przekrojów poprzecznych ,stycznych i promieniowych drewna absolutnie suchego z odpowiednimi wymiarami drewna powietrznie-suchego określono skurcz liniowy drewna. W wyniku porównania objętości próbek drewna absolutnie suchego i powietrznie-suchego otrzymano skurcz objętościowy. Dzięki zestawieniu wymiarów próbek drewna maksymalnie uwilgotnionego i absolutnie suchego otrzymano pęcznienie całkowite i jednostkowe. Na podstawie gęstości drewna absolutnie suchego ,czyli objętości substancji drzewnej  w ogólnej objętości danej próbki otrzymano procentowy udział substancji drzewnej.

Porowatość jest wartością przeciętną, określającą objętość porów w ogólnej objętości próbki (w tym przypadku drewna absolutnie suchego). Porowatość zależy od gęstości drewna : ze wzrostem gęstości maleje porowatość i odwrotnie. Elementem uzupełniającym porowatość drewna jest udział substancji, czyli w przypadku zmniejszenia porowatości udział substancji drzewnej rośnie. Im większy jest udział substancji drzewnej, tym gęstość jest większa.

Wskaźnik nasycenia jest stosunkiem wilgotności drewna do maksymalnej możliwości wchłonięcia wilgoci (czyli pojemności wodnej). Wo dniesieniu do drewna powietrznie- suchego jest to stosunek jego wilgotności bezwzględnej do pojemności wodnej.

Wytrzymałość na zginanie statyczne określono poprzez wykonanie próby maszyną probierniczą, gdzie siła naporu ma charakter statyczny. Siła ściska poprzecznie w stosunku do przebiegu włókien w kierunku stycznym do przebiegu słojów, w środku odległości między podporami. Napór wzrasta jednostajnie tak, aby przed zniszczeniem próbki upłynęłó 90±30 sekund. Badano wartość siły, przy jakiej próbka uległa destrukcji. Wytrzymałość obliczono wzorem empirycznym na podstawie granicznej wartości siły niszczącej [MPa], rozstawu podpór (240 mm), szerokości próbki (wymiaru promieniowego i jej wysokości (wymiaru stycznego).

Udarność czyli wytrzymałość na działanie sił dynamicznych (charakteryzuje gęstość lub kruchość) określono wykonując próbę, gdzie działająca siła miała charakter dynamiczny. Maszyna probiercza-młot wahadłowy, podparty w odległości 240 mm. Uderzenie młota nastąpiło w środek odległości między podporami, w poprzek włókien. Zadziałano tutaj jednostkowym dużym przyłożeniem siły. Udarność obliczono wzorem empirycznym, na podstawie pracy potrzebnej do zniszczenia próbki, odczytanej z maszyny, wymiaru próbki w kierunku promieniowym i kierunku stycznym. Wynik podano    w [J/m3]. Wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien (Mpa) przeprowadzono na próbkach prostopadłościennych. Siła działająca o charakterze statycznym skierowana była wzdłuż włókien, równolegle do podłużnej osi próbki powietrznie- suchej. Czas działania siły przed zniszczeniem próbki wynosi 90±30 sekund. Wytrzymałość tą wyliczono wzorem, empirycznie. Wartości tak otrzymane przeliczono na wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien przy wilgotności bezwzględnej 12%. Do tego celu wykorzystano współczynnik a redukujący tą wytrzymałość przy zmianie wilgotności o 1% o 0,04 (a=0,04). Na podstawie pomiarów i obliczeń dokonanych na komputerze określono szerokość pasa przyrostu słojów rocznych, szerokość pasa drewna późnego w tychże pięciu słojach, a w wyniku tego udział drewna późnego w słoju.

1. Drewno powietrznie-suche (Xp)

Drewno powietrznie-suche o stanie możliwym do uzyskania poprzez długotrwałe suszenie na wolnym powietrzu.

Wilgotność drewna powietrznie-suchego na podstawie badań waha się na poziomie 7,69-9,60 (wilgotność bezwzględna) i 7,14-8,76 (wilgotność względna). Mierząc i ważąc próbki uzyskano objętość i gęstość drewna, którą przedstawiono w załączniku nr 1. Otrzymane wyniki wskazują, że największą gęstością charakteryzuje się Bk (0,75 g/cm3), najmniejszą natomiast Tp (0,42 g/cm3).

Gęstość drewna zależy od różnych czynników m.in. od :

-budowy anatomicznej (udział drewna późnego w stosunku do drewna wczesnego, gdzie dobrym przykładem mogą być próbki So, różniące się gęstością o 0,07 g/cm3 i w przypadku których UDP (udział drewna późnego) w ogólnej ilości drewna wynosi :dla So sz =34,70%, dla So w =35,00%.

-wieku drzewa i jego wysokości

-siedliska z jakiego pochodzi drzewo

-wilgotności drewna (gęstość jest tym większa, im większa jest jego wilgotność).

Przy drewnie absolutnie suchym gęstość drewna Bk wynosi 0,48 g/cm3 natomiast w drewnie o maksymalnym uwilgotnieniu 0,98 g/cm3.

Na podstawie wykresu nr 2 (załącznik nr 2) można uchwycić pewną prawidłowość, a mianowicie u gatunków iglastych zmiana szerokości słoja rocznego ma większy wpływ na gęstość niż u gatunków liściastych, przy czym szerokość słoja i gęstość u iglastych są mniejsze niż u liściastych.

2. Drewno absolutnie suche (Xo)

Największy skurcz występuje na przekroju stycznym, potem promieniowym i dopiero na końcu na podłużnym. Określa się to mianem anizotropii kurczliwości. W kierunku stycznym największy skurcz jednostkowy występuje u So w 3,03%  najmniejszy u So sz 1,25%. Na kierunku promieniowym do grupy gatunków wyraźnie bardziej kurczliwych należy Jd 2,04%, najmniej kurczy się natomiast Tp 0,75% i Bk 0,78%.

Na kierunku podłużnym skurcz jest najmniejszy i waha się od 0-1,85%. Największy skurcz objętościowy wykazuje So w i Bk (6,29-15,95).

Wyniki te prowadzą do następujących wniosków :

Skurcz drewna zależy od :

-rodzaju drewna, rodzaju przekroju, 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.

Mniejsze wartości skurczu obserwuje się w przypadku gatunków szerokosłoistych oraz u gatunków o mniejszej gęstości.

Udział substancji drzewnej w drewnie jest względnie zbliżony do gatunków iglastych, wyłączając So sz (uzależniony od szerokości słojów i udziału drewna późnego). Wśród liściastych dużo odmiennością charakteryzuje się Tp o porowatości przekraczającej 70% (73,33%) w stosunku do innych liściastych wynosi (różnica nawet o 20%)

3. Drewno maksymalnie uwilgotnione (Xm)

Próbki zostały poddane długotrwałej kąpieli wodnej celem zbadania ich właściwości w stanie maksymalnej wilgotności.

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). Zmiana zawiera się w przedziale 14,12% Bk i 7,85% So sz. Na kierunku promieniowym jest ono znacznie mniejsze 4,47% So sz i 7,90% Brz.
Na kierunku podłużnym wartości są mniejsze i zamykają się w granicach0,30% Db i 2,26% So sz. Pęcznienie objętościowe osiąga wartości 31,00% Bk i 14078% Tp. Jeśli porówna się wykresy z załączników 5 i 6 łatwo dojść do stwierdzenia, że im większa wartość wilgotności maksymalnej, tym mniejsza wartość pęcznienia.

Pęcznienie i kurczenie drewna wykazuje w zależności od kierunku, na którym się odbywa, różne wartości. Zjawisko to określane jest mianem anizotropii. Tak jak w przypadku skurczów związanych z przesychaniem drewno najwyraxniej zmienia swoje wymiary na kierunku stycznym, a najsłabiej na podłużnym. Samo zjawisko pęcznienia trwa w przypadku stałego dostępu wody do drewna jedynie do pewnego progu, za którym stoi wilgotność graniczna błon (30% wilgotności, przy której drewno osiąga maksymalne rozmiary). Dokładna wartość wilgotności granicznej zależy od gatunku i wynosi 22-35% . Powyżej wilgotności granicznej wchłaniana woda wnika w mikroskopowe pory drewna i nie powoduje zmian w objętości próbek. Pęcznienie więc może mieć praktyczne zastosowanie przy produkcji pojemników wymagających szczelności np. beczki.

4. Wilgotność maksymalna drewna

Wilgotność tą obliczono za pomocą trzech wzorów. Każdy z nich uwzględnia nieco inne wartości, a mianowicie :

-jeden ze wzorów uwzględnia wilgotność higroskopijną, którą przyjęto w zakresie od 28-35%, drugi wykorzystuje tzw. względną gęstość, ostatni natomiast opracowano na bazie pęcznienia maksymalnego drewna. Wartości wilgotności maksymalnej obrazuje załącznik nr 6. Otrzymane wartości potwierdzają podział na gatunki twarde (Bk, Db, Brz)osiągające mniejszy poziom i miękkie (iglaste i Tp). Gatunki ciężkie o spójnej strukturze nie osiągają wysokich wartości wilgotności maksymalnej.

5. Wytrzymałość statyczna i dynamiczna drewna.

Jako własności mechaniczne należy rozumieć zdolność drewna do przeciwstawiania się działaniu sił zewnętrznych, powodujących przejściowe i trwałe odkształcenia lub w ostateczności zniszczenie drewna. Badania obejmowały odporność drewna na zginanie statyczne, udarność oraz ściskanie wzdłuż włókien.

a)ściskanie wzdłuż włókien

Określenie tego rodzaju wytrzymałości jest bardzo istotne przy  

Konstruowaniu budowli, rusztowań, stosowaniu jako stemple kopalniane. W załączniku nr 7 widać, że wysokie wartości wytrzymałości osiągają gatunki  twarde i o dość dużej gęstości, dobrze wypada tutaj Bk, a gorzej np. Tp co dyskwalifikuje ją jako surowiec do budowy obiektów obciążeniowych. Dużą wartość przedstawia So stosowana w kopalniach, posiada ona bowiem wartości ostrzegawcze (wydaje dźwiek podczas ściskania)

b) udarność

Znaczne obciążenie wytrzymałości na udarność powodują wady drewna (sęki, pęknięcia, pęcherze żywiczne) oraz wady obróbki-zacięcia. Udarność jest ważnym elementem oceny drewna stosowanego jako podkłady kolejowe, elementy pojazdów i maszyn, bądź jako trzonki narzędzi. Dużą wartością charakteryzowała się So, Brz, Db.

c)wytrzymałość na zginanie statyczne

Drewno charakteryzuje się dość dużą wytrzymałością na ten czynnik, przy stosunkowo niskiej gęstości właściwej. Badanie wytrzymałości na zginanie statyczne jest obok badań na ściskanie wzdłuż włókien najczęściej wykonywaną próbą.

Dużą wartość osiąga Bk, Brz, Db.

Wpływ na uzyskaną wytrzymałość mają przede wszystkim gęstość drewna oraz udział drewna późnego (w przypadku So)

DYSKUSJA WYNIKÓW

I. 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.

Tabela nr 1-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

II. Wilgotność drewna powietrznie-suchego

Wg Krzysika wynosi 13-22% w naszym doświadczeniu jest mniejsza 7,14-8,76% prawdopodobnie jest to wynik przetrzymywania próbek w pomieszczeniach ogrzewanych o podwyższonej temperaturze i suchym powietrzu.

III. Skurcz całkowity –Tabela nr 2-w literaturze skurcz był liczony dla drewna wilgotnego, w doświadczeniu skurcz liczono względem drewna absolutnie suchego, stąd dość znaczna rozbieżność wyników (zaniżenie)

IV. Wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien [Mpa]

Tabela nr 3-uzyskane wyniki mogą służyć jedynie do porównania wytrzymałości poszczególnych gatunków. Nie mogą mieć natomiast zastosowania praktycznego, bo mimo wszystko nieznacznie odbiegają od danych modelowych.

V. Wytrzymałość na zginanie statyczne

Tabela nr 4-podobnie jak wyżej nasze wyniki są zmienne niż podaje literatura, można by je uznać reprezentacyjne.

W praktyce drewno o najniższej gęstości Tp wykorzystywane jest do produkcji płyt wiórowych z drewnem Bk jako domieszka. W przemyśle chemicznym wykorzystuje się drewno o dużej gęstości, ponieważ wraz z jej wzrostem rośnie wydajność otrzymywanych z drewna produktów. Przy wykorzystywaniu nadmierna wilgotność zależnie od stanu higroskopijnego drewna jest na ogół cechą wybitnie niepożądaną, często obniża wartość surowca drzewnego i możliwość jego obróbki. W warunkach zmiennej wilgotności należałoby odpowiednio klepkę parkietową, tak aby grubość klepki zawierała się w wymiarze stycznym, szczególnie gatunki o dużym pęcznieniu i dużej kurczliwości. Wilgotnością maksymalną należy kierować się wybierając drewno do budowli wymagających stałego kontaktu z wodą. Lepiej wykorzystać tu gatunki ciężkie, twarde, o jednolitej i spójnej strukturze, które nie osiągną wysokich wartości wilgotności maksymalnej. Różnice kurczliwości drewna na różnych przekrojach są przyczyną jego paczenia. Największe zastosowanie znajduje drewno o najniższej kurczliwości (stolarstwo, meblarstwo). Drewno o nieco większej kurczliwości nadaje się na słupy, kopalniaki. Drewno silnie paczące się trzeba suszyć wolno i stosować w miejscach gdzie nie zmienia się często wilgotność. Kurczliwość jest czynnikiem, na który trzeba zwracać uwagę układając podłogę, parkiet, boazerię. Drewno sezonowane na powietrzu, po obróbce, należy składować przez pewien okres w pomieszczeniach, gdzie ma być stosowane (metodę tą stosowali od dawna górale). Ma to na celu ustabilizowanie wilgotności. Po takim zabiegu mamy większą pewność, że w podłodze nie będziemy mieli szpar. Można tego nie robić wówczas w pomieszczeniu o niższej wilgotności ze względu na skurcz układamy drewno ciaśniej, lub luźniej w pomieszczeniu o większej wilgotności. Anizotropia powoduje, że korzystniej jest układać parkiet w ,,jodełkę,, . Dzięki małemu znikomemu pęcznieniu drewna w kierunku podłużnym klepki nie wypychają się. Pomimo, iż wilgotność drewna obniża jego, to niektóre sprzęty wykonane z drewna, wykorzystywane w kontakcie z wodą uszczelniają się (wcześniej wspomniana beczka, czy też łodzie, wiadra). Wytrzymałość na ściskanie jest doskonałym sprawdzianem technicznej wartości drewna. Określenie tego rodzaju wytrzymałości jest bardzo ważne przy konstruowaniu stropów, dźwigarów, rusztowań, drewnianych mostów itp. Tp mającą najmniejszą gęstość i najmniejszą odporność dyskwalifikujemy z grona materiałów przydatnych do wyżej wym. konstrukcji inżynierskich. Niesamowitą cechą So są właściwości ostrzegawcze, a mianowicie wydaje ona dźwięki w momencie pękania co może być znakiem dla górników pracujących w kopalniach. Zastosowanie drewna So w Polsce jest duże, wynika to z dużego udziału monokultur w lasach. Szczególnie dobre właściwości ma So w, wykonuje się z niej kopalniaki, słupy teletechniczne i energetyczne, podkłady kolejowe (po zakonserwowaniu olejem kreozolowym), ponadto stosowana jest ona w meblarstwie (trend zaproponowany przez skandynawów-IKEA), budownictwie, do produkcji papieru, sklejki, oklein i opału. Wyjątkowo dobre okazy Brz są wykorzystywane na tzw. sklejkę lotniczą. Ponadto drewno ma zastosowanie tam gdzie żaden inny materiał nie zdałby egzaminu-niektóre części promu kosmicznego Columbia narażone szczególnie na obdarcia.

Jd wykorzystywana jest jako surowiec do budowy mostów, budowli będących pod wpływem wody. Db wykorzystywany jako trwały surowiec wykończeniowy w budownictwie, do produkcji oklein (Db z P.Romnickiej Db z okolic krotoszyna), forniru, beczek winnych oraz garbników naturalnych. Tp można polecić na płyty , zapałki, a Brz na okleiny papierówkę, płyty wiórowe i do kominka na opał. Bk można polecić na okleinę, parkiet, płyty, fornir i sklejki.

Literatura i materiały użyte w sprawozdaniu :

*Wykłady i ćwiczenia z nauki o surowcu drzewnym

*M.Kubiak, Z.Laurow - ,,Surowiec drzewny,,

*Franciszek Krzysik - ,,Nauka o drewnie,,