Строительные материалы ЛР / 6. ЛР_№ 5 - Исследование влияния влажности на свойства древесины

53

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

5 Исследование влияния влажности на физические и механические свойства древесины

5.1 Общие сведения

Под древесиной понимают лишенные коры стволы, ветви и корни хвойных и лиственных деревьев и кустарников, состоящие из ткани волокон, образованных природным высокомолекулярным веществом – целлюлозой (С2Н10О5)n.

Инженерные строительные конструкции и сооружения выполняют в основном из древесины хвойных пород (сосна, ель, лиственница). Эти породы обладают высокой механической прочностью и стойкостью против загнивания.

Твердые лиственные породы (дуб, бук, граб) в конструкциях применяют только для изготовления мелких соединительных деталей. Березовая древесина идет на изготовление клееной фанеры и слоистых пластиков.

Мягкие лиственные породы (осина, ольха, тополь) используют для изготовления малоответственных элементов временных зданий и сооружений.

Свойства древесины изучают в трех направлениях на соответствующих разрезах ствола (рисунок 5.1):

–поперечном (торцевом), проходящем под прямым углом к продольной оси ствола;

–радиальном, проходящем вдоль ствола через его ось;

–тангентальном, проходящем по хорде вдоль ствола, но не через серд-

цевину.

1– поперечный (торцевой); 2 – радиальный; 3 – тангентальный

Рисунок 5.1 – Основные разрезы ствола

54

Влажность древесины оказывает существенное влияние на ее физикомеханические свойства. Древесина содержит свободную (в полостях клеток и межклеточном пространстве) и связанную (в клеточных стенках между волокнами целлюлозы) влагу. Наличие связанной влаги в древесине обусловлено ее гигроскопичностью (способностью поглощать водяные пары из окружающего воздуха). Полости же клеток и межклеточное пространство могут заполняться водой только при непосредственном с ней контакте. Состояние древесины, при котором в ней содержится максимальное количество связанной влаги, а свободная влага отсутствует, называют пределом гигроскопичности (точкой насыщения волокон). Предел гигроскопичности при температуре 20 ºС у большинства древесных пород составляет примерно 30 %. Повышение влажности древесины от 0 до 30 % вызывает ее набухание, т.е. увеличение линейных размеров и объема, а уменьшение влажности в этом интервале обуславливает обратный процесс, называемый усушкой.

Вследствие разницы значений усушки древесины относительно годичных слоев (поперек 3 - 5 %, параллельно 6 - 10 %) происходит поперечное коробление пиломатериалов и заготовок. В процессе сушки древесины из-за неравномерного удаления влаги возникают внутренние напряжения, приводящие к растрескиванию изделий и появлению наружных и внутренних трещин радиального направления.

Правила определения свойств древесины регламентированы рядом государственных стандартов. Испытания проводят на специально изготовленных и подготовленных образцах. Их количество зависит от цели контроля и вида проводимых испытаний.

В настоящей лабораторной работе испытывают три серии образцов древесины разной влажности (по три образца в каждой), выдержанных перед испытаниями в течение 48 ч в различных условиях:

1 серия в помещении учебной лаборатории с постоянной температурой и влажностью;

2 серия в эксикаторе с притертой крышкой на полке, установленной над водой;

3 серия в емкости с водой.

5.2 Определение влажности

Влажность древесины W, % – масса воды, выраженная в процентах массы древесины в абсолютно сухом состоянии.

Влажность древесины, определяют по методике ГОСТ 16483.7 по потере массы образцов при высушивании до постоянной массы.

Аппаратура:

весы аналитические с погрешностью взвешивания не более 0,001 г;

бюксы с притертыми крышками;

сушильный шкаф, обеспечивающий высушивание древесины при температуре (103 ± 2) °С;

55

эксикатор с гигроскопическим веществом (хлористым кальцием). Проведение испытаний. Определение влажности производят параллель-

но с определением других свойств древесины. Форма и размеры образцов должны соответствовать требованиям, установленным государственными стандартами на испытания конкретных видов.

Пустые бюксы взвешивают (m1). В них помещают подготовленные образцы и определяют массу бюкс с образцами (m2).

Затем образцы в бюксах со снятыми крышками помещают в сушильный шкаф, предварительно нагретый до температуры (103 ± 2) °С. Образцы высушивают до постоянной массы (m3). Высушивание проверяют повторными взвешиваниями. Для древесины мягких пород первое взвешивание выполняют не ранее чем через 6 ч после начала высушивания, а для древесины твердых пород – не ранее 10 ч. Повторные взвешивания выполняют через 2 ч. Перед взвешиванием бюксы с образцами закрывают крышкой, извлекают из сушильного шкафа, охлаждают в эксикаторе с гигроскопическим веществом и взвешивают. Считают, что образцы высушены до постоянной массы, если разница между двумя последними результатами взвешивания будет не более 0,001 г.

Влажность отдельных образцов древесины рассчитывают с точностью до 0,1 % по формуле

где m1 – масса пустой бюксы, г;

m2 – масса бюксы с образцом до высушивания, г; m3 – то же, после высушивания, г.

Среднее значение влажности древесины W вычисляют как среднее арифметическое значение влажности отдельных образцов в серии с округлением до

1 %.

5.3 Определение средней плотности

Среднюю плотность древесины ρ, кг/м3, определяют по методике ГОСТ 16483.1 и рассчитывают по формуле

где m масса образца, г; V объем образца, см3.

Среднюю плотность древесины определяют:при ее фактической влажности ρw;

56

в абсолютно сухом состоянии (после высушивания до постоянной массы) ρ0;

при стандартной влажности, равной 12 % ρ12.

Аппаратура:

штангенциркуль с погрешностью измерения не более 0,1 мм;

аппаратура для определения влажности по 5.2.

Проведение испытаний. Среднюю плотность древесины определяют путем испытания образцов, имеющих форму прямоугольных призм с основанием размерами 20×20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм (рисунок 5.2).

Рисунок 5.2 – Внешний вид образцов для определения средней плотности древесины

Размеры поперечного сечения (а - в радиальном, b - в тангентальном направлениях) и длину вдоль волокон l измеряют по осям симметрии образцов. Для этого на торцах и боковых поверхностях образцов карандашом наносят диагонали и измеряют расстояние между точками их пересечения. С использованием полученных результатов измерений вычисляют объем влажных образ-

цов Vw.

Определяют массу пустых бюкс (m1). В них помещают измеренные образцы и определяют массу бюкс с образцами (m2).

Образцы в бюксах с открытыми крышками высушивают в сушильном шкафу при температуре (103 ± 2) °С до постоянной массы и охлаждают. Определяют массу бюкс с образцами, высушенными до постоянной массы (m3). Рассчитывают массу влажных (mw) и абсолютно сухих (mо) образцов:

57

Определяют размеры образцов, высушенных до постоянной массы (lо, bо и aо). Измерения производят, как и для влажных образцов, по осям их симметрии.

С использованием полученных результатов измерений вычисляют объем образцов в абсолютно сухом состоянии Vо.

По результатам испытаний отдельных образцов по формуле (5.2) с точностью до 5 кг/м3 рассчитывают среднюю плотность древесины при фактической влажности ρw и в абсолютно сухом состоянии ρо.

Результаты взвешиваний, измерений и вычислений заносят в таблицу 5.1. Средние значения средней плотности древесины при фактической влажности w и в абсолютно сухом состоянии о вычисляют как средние арифме-

тические значения плотности отдельных образцов в серии. Средние значения средней плотности округляют до 10 кг/м3.

Влажность древесины в отдельных образцах и средние значения влажно-

сти W рассчитывают по правилам, изложенным в 5.2.

Средние значения средней плотности и влажности древесины отдельных серий приводят в таблице 5.2.

Для образцов каждой серии определяют среднюю плотность древесины

59

Таблица 5.2 − Средняя плотность древесины

Значения коэффициента K12w при влажности образцов ниже предела гигроскопичности принимают по таблице 5.3 в зависимости от породы древесины.

5.4 Определение предела прочности древесины при сжатии вдоль волокон

Предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон Rwсж , МПа, опре-

деляют по методике ГОСТ 16483.10.

Аппаратура:

гидравлический пресс с погрешностью измерения нагрузки не более 1 %;

приспособление для испытаний на сжатие;

60

штангенциркуль с погрешностью измерения не более 0,1 мм;

аппаратура для определения влажности по 5.2.

Проведение испытаний. Испытывают образцы в форме прямоугольных призм с основанием размерами 20×20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм. Штангенциркулем на середине длины образцов измеряют размеры их поперечного сечения а и b. Затем образцы поочередно помещают в приспособление со съемной шаровой опорой таким образом, чтобы усилие было направлено вдоль волокон древесины. Приспособление с образцом устанавливают между плитами гидравлического пресса. Нагружать образец следует равномерно с постоянной скоростью так, чтобы его разрушение произошло через (1 ± 0,5) мин. после начала нагружения. Максимальную нагрузку Р, Н, фиксируют.

Деформированный образец после испытания помещают в предварительно взвешенную бюксу, взвешивают вместе с бюксой и высушивают в сушильном шкафу до постоянной массы. По полученным результатам по 5.2 рассчитывают влажность отдельных образцов в момент испытания и среднее значение влаж-

где Rwсж предел прочности при сжатии вдоль волокон образца с влаж-

ностью W в момент испытания, МПа; Р – разрушающая нагрузка, Н;

a и b – размеры поперечного сечения образца, мм.

Значения Rwсж древесины отдельных образцов округляют до 0,5 МПа.

Результаты проведенных испытаний и расчетов заносят в таблицу. 5.4. Средние значения предела прочности при сжатии при фактической влаж-

ности Rwсж вычисляют как средние арифметические значения предела прочности при сжатии отдельных образцов серии.

С использованием значений W и Rwсж для каждой серии образцов определяют предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон при стандарт-

61

Таблица 5.4 − Результаты механических испытаний образцов древесины

62

где – поправочный коэффициент на влажность, равный 0,04 для всех древесных пород;

K1230 – коэффициент пересчета, равный 0,400 для березы и лиственницы;

0,445 для граба, груши, ели, ореха, осины, тополя; 0,450 для бука и сосны; 0,475 для клена; 0,550 для акации, дуба, липы и ольхи.

Средние значения влажности W , предела прочности при сжатии Rwсж , а также расчетные значения предела прочности при сжатии при стандартной

5.6 Определение предела прочности древесины при статическом изгибе

Предел прочности древесины при статическом изгибе определяют по методике ГОСТ 16483.3.

Аппаратура:

пресс гидравлический с погрешностью измерения нагрузки не более 1 %;

приспособление для испытаний на изгиб;

штангенциркуль;

аппаратура для определения влажности по 5.2;

пила-ножовка.

Проведение испытаний. Испытывают образцы в форме прямоугольных призм с поперечным сечением 20×20 мм и длиной вдоль волокон 300 мм.

На середине длины образца штангенциркулем замеряют ширину b и высоту h.

Образец располагают на двух опорах приспособления для испытания на изгиб (рисунок 5.3).

Расстояние между центрами опор l = 240 мм. Образец с приспособлением устанавливают на нижнюю плиту гидравлического пресса так, чтобы изгибающее усилие было направлено по касательной к годичным кольцам (тангентальный изгиб). Нагружение образца осуществляют через опору, установленную в середине пролета. Испытание ведут с постоянной скоростью до разрушения об-