ЛАБОРАТОРНЕ  ЗАНЯТТЯ   № 9

 

Тема:  ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ  ВЛАСТИВОСТІ  ДЕРЕВИНИ

 

Мета роботи:  ознайомитися з фізичними та механічними властивостями

                         деревини. Визначити густину деревини, міцність при стисканні

                         вздовж та впоперек волокон, при вигині.

Прилади і матеріали: зразки деревини, прес, вода, технічні терези з різноважками, штангенциркуль.

ТЕОРЕТИЧНА   ДОВІДКА

Фізичні властивості

Вологість – гігроскопічна (у стінках клітини), капілярна (у міжклітинному просторі). При висиханні спочатку випаровується капілярна, а потім гігроскопічна волога.

За  вмістом вологи деревина буває:

·        мокра W = 100% і вище;

·        свіжо зрубана W = 35 – 100% ;

·        повітряно суха W = 15 – 20%;

·        кімнатно суха W = 8 – 13%;

·        абсолютно суха W = 0%, маса постійна;

·        нормальна W = 12% - стандартна вологість деревини.

Рівноважна вологість – вологість, якої набуває деревина, внаслідок тривалого перебування на повітрі зі сталими температурою і вологістю.

Точка насичення волокон – стан, коли вологість деревини відповідає граничній кількості гігроскопічної вологи (23 – 31%). До точки насичення волокон лінійні розміри залишаються сталими. Зі зміною вологості деревини відбуваються процеси усихання, розбухання, короблення.

Усихання – зменшення лінійних розмірів та об’єму деревини при видаленні з неї гігроскопічної вологи. Усихання щільних (важких) порід більше, ніж м’яких порід. Воно поділяється на:

·        лінійне, яке визначають впоперек волокон у тангентальному і радіальному напрямках, вздовж волокон усихання незначне;

·        об’ємне усихання становить близько 12 – 15% і визначається за формулою:

,

де         а, в – розміри поперечного перерізу при певній вологості; 

        а0,  в0  – розміри перерізу в абсолютно сухому стані.

Розбухання – збільшення розмірів та об’єму сухої деревини чи виробів з неї при зволоженні до досягнення границі гігроскопічної вологи – точки насичення волокон (стінки деревних клітин потовщуються, розбухають).

Короблення – процес, що виникає внаслідок неоднакового усихання у різних напрямках. Усихання деревини у тангентальному напрямку більше, ніж у радіальному. Щоб запобігти коробленню і розтріскуванню дерев’яних виробів, слід використовувати дерево такої вологості, яка відповідала б умовам експлуатації.

Теплопровідність залежить від породи, напрямку волокон, вологості. Наприклад, сосна при вологості 15% має коефіцієнт теплопровідності l = 0,17 Вт/мК впоперек волокон; l = 0,35 Вт/мК вздовж волокон; дуб при вологості 15% - l = 0,45 Вт/мК вздовж волокон; l = 0,22 впоперек волокон. При підвищенні вологості теплопровідність зростає.

Механічні властивості

Міцність – здатність чинити  опір зовнішнім впливам. Залежить від породи деревини, наявності вад, вологості, місця визначення по стовбуру. Міцність при стиску визначається на призмах розмірами 20 х 20 х 30 мм при вологості 12% і 15%. Міцність деревини вздовж волокон у 4 – 6 разів вища за міцність упоперек  волокон. При  підвищення вологості від 0 до 30% міцність деревини знижується, але подальше підвищення вологості на міцність не впливає.

Границю міцності перераховують на вологість 12% за формулою:

,

де   R12 – границя міцності при 12% вологості;

       RW - границя міцності при певній вологості W;

       a  -   поправний коефіцієнт на вологість, становить 0,05 для берези,

                сосни, кедра, модрини; і a = 0,04 для дуба, ялини, ялиці і решти

                листяних порід.

Міцність при розтягу вздовж волокон у 20 – 30 разів вища, ніж впоперек волокон, у 2 – 3 рази вища, ніж міцність при стиску. Ці показники близькі до цих же характеристик сталі, склопластиків, але вади деревини  (сучки, тріщини) не дають можливості реалізувати цю властивість і знижують міцність. Для хвойних порід міцність мало залежить від вологості. Міцність при розтягу  листяних порід знижується з ростом вологості.

Міцність при вигині більша від границі міцності при стиску вздовж волокон і нижча від границі міцності при розтягу і становить близько 50 – 100 МПа, тому дерево застосовують для виготовлення згинальних елементів (балок, крокв, брусів тощо).

Міцність при сколюванні вздовж волокон 3 – 13 МПа, впоперек волокон у 3 – 4 рази менше.

Твердість (статична) відповідає навантаженню, яке потрібне для втискання у поверхню зразка половини стандартної металевої кульки на глибину 5,64 мм (площа відбитка становитиме 1 см2). На торці твердість завжди більша, ніж у радіальному чи тангентальному напрямку. За твердістю деревина поділяється на 3 групи:

·        м’яка – торцева твердість 35 – 50 МПа (сосна, ялина, ялиця, вільха);

·        тверда – торцева твердість 50 – 100 МПа (дуб, граб, клен, ясен, каштан, береза);

·        дуже тверда – торцева твердість понад 100 МПа (самшит, кизил).

Зі зростанням твердості у деревини наростає зносостійкість, але утруднюється обробка.

ХІД  РОБОТИ

1.     Визначення густини деревини

 

Підготувати зразки деревини – призми розмірами 20 х 20 х 30 мм (вздовж волокон  більша сторона 30 мм). Вологість деревини має становити 12 ± 1%.

Зразки зважити на технічних терезах з точністю до 0,001 г.

Визначити розміри зразків з точністю до 0,1 мм.

Визначити середню густину зразків деревини з точністю до 5 кг/м3.

Якщо вологість деревини не становить 12%, то густину визначають при даній вологості, а пізніше перераховують на вологість 12% за формулою

r12 = rW / KW12 ,

        де KW12– коефіцієнт перерахунку, який приймається за таблицями

                        довідників [4,  с. 122, т. 23].

Дані вимірювань та розрахунки внести до таблиці 9.1. Зробити висновки.

Таблиця 9.1

№

 

 

 

Порода деревини

 

Вологість,

 %

 

Розміри зразка, см

Маса зразка, г

Густина

a

b

h

rW, г/см3

r12 ,

г/см3

r12, кг/м3

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.     Визначення опору деревини стиску вздовж волокон

Зразки деревини (призми розмірами 20 х 20 х 30 мм) виміряти перед проведенням випробувань з точністю до 0,1 мм.

Визначити вологість  деревини.

Визначити площу поперечного перерізу.

Випробовувати зразки на пресі. Дані записати до таблиці 8.2.

Визначити   границю міцності при стисканні зразків з точністю до 0,5 МПа.

Виконати перерахунок міцності на вологість 12%. Дані записати до таблиці 9.2.

Зробити висновки.

Таблиця 9.2.

№

 

 

 

 

Порода деревини

Вологість, %

Поперечний переріз

Руйнівне навантаження

Границя міцності при стиску

а, см

в, см

А, см2

кгс

Н

RW

R12

кгс/см2

МПа

МПа

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.     Визначення опору деревини стисканню впоперек волокон

Зразки деревини (призми розмірами 20 х 20 х 30 мм) виміряти перед проведенням випробувань з точністю до 0,1 мм.

Визначити вологість  деревини.

Визначити площу поперечного перерізу.

Випробовувати зразки на пресі.  Зразок помістити в машину так, щоб навантаження було прикладене до тангентальної площини при радіальному стиску. Навантажувати рівномірно зі швидкістю 1000±200 Н/хв.  Одночасно має працювати і пристрій запису навантаження у масштабі до 50 Н/мм і деформації зразка у масштабі до 0,001 мм/мм. Дані записати до таблиці 8.3.

Визначити   границю міцності при стисканні зразків з точністю до 0,5 МПа.

Виконати перерахунок міцності на вологість 12%. Дані записати до таблиці 9.3.

Зробити висновки.

Таблиця 9.3

№

 

 

 

 

Порода деревини

Вологість, %

Поперечний переріз

Руйнівне навантаження

Границя міцності при стиску

а, см

в, см

А, см2

кгс

Н

RW

R12

кгс/см2

МПа

МПа

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.     Визначення границі міцності деревини при вигині

Підготувати зразки у вигляді балок завдовжки 300 мм, поперечним перерізом 20 х 20 мм.

Зразки виміряти перед випробуваннями   з точністю   до 0,1 мм.

Визначити вологість  деревини.

Визначити площу поперечного перерізу.

Випробовувати зразки на пресі.  Зразок помістити в машину так, щоб навантаження було прикладене у двох точках на третині відстані між опорами, або навантажити в одній точці посередині між опорами.

Навантажувати рівномірно зі швидкістю 1000±200 Н/хв.  Одночасно має   працювати   і   пристрій   запису   навантаження   у   масштабі до 50 Н/мм і деформації зразка у масштабі до 0,001 мм/мм. Дані записати до таблиці 9.4.

Визначити границю міцності при вигині зразків, точність 1 МПа.

Виконати перерахунок міцності на вологість 12%. Дані записати до таблиці 9.4.

Зробити висновки.

 

 

 

 

 

Таблиця 9.4.

№

 

 

 

 

Порода деревини

Вологість, %

Поперечний переріз

Руйнівне навантаження

Границя міцності при стиску

а, см

в, см

А, см2

кгс

Н

RW

R12

кгс/см2

МПа

МПа

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.     Загальний висновок :

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1.     Які переваги та недоліки деревини як будівельного матеріалу вам відомі?

2.     Як вологість матеріалу впливає на його  міцність?

3.     Які зразки деревини застосовують для визначення границі міцності при стисканні та вигині?

4.     Якими приладами користуються при випробуваннях деревини?

5.     Як визначити вологість деревини?

6.     Як перейти від міцності при певній вологості  до вологості 12%?