Определение физических свойств древесины

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ

3.1. Общие сведения

Качество применяемой в строительстве древесины определяется породой дерева, его физическим состоянием, свойствами, наличием пороков.

Положительные свойства древесины: сравнительно высокая прочность, небольшая плотность, низкая теплопроводность, высокая морозостойкость, легкость механической обработки.

К отрицательным свойствам древесины следует относить: неоднородность строения и обусловленная этим разница физико-механических показателей вдоль и поперек волокон; гигроскопичность и связанные с ней деформации и коробления, горючесть и способность загнивать в неблагоприятных условиях.

Все древесные породы классифицируются на хвойные и лиственные. Наибольшее распространение в строительстве имеют хвойные породы. К ним относят сосну, ель, пихту, лиственницу и кедр. В последние десятилетия большее применение находят и лиственные породы, такие как дуб, бук, береза, осина, липа, граб, ольха, вяз и др.

Древесину применяют для изготовления несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений, столярных изделий, опалубки, шпал, фанеры, древесноволокнистых и древесностружечных плит, устройства подмостей, и др.

3.2. Цель работы  

Изучение методов испытания древесины и оценка качественных показателей.

3.3. Порядок выполнения работы

3.3.1. Определение средней плотности древесины

Среднюю плотность древесины в состоянии естественной влажности определяют как в лаборатории, так и за ее пределами (в полевых условиях).

3.3.1.1. Определение средней плотности древесины

Изготавливают образец (3 шт) в форме прямоугольной призмы (рис. 9) сечением 20×20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм. Обмеряют его по осям симметрии и вычисляют объем. Затем образец взвешивают.

Среднюю плотность древесины при влажности ( W , % ) рассчитывают по формуле:

, г/см³ (27)

где V_w - объем образца, см³ при влажности W

m_w - масса образца , г при влажности W

Средняя плотность древесины при любой влажности обязательно пересчитывается на стандартную влажность (12 %) по формуле:

, г/см³ (28)

где К_о - коэффициент объемной усушки (см. п. 3). Также может быть принят для березы, бука, лиственницы - 0,6, а для прочих пород - 0,5.

W - влажность древесины, %

Результаты определения оформляют в табл. 17.

Таблица 17

Результаты определения средней плотности древесины

Порода	Номер образца	Размеры образца			Масса образца mw , г при фактической влажности, W ,		Плотность древесины, г/см3
		Толщина, а, см	Ширина, b, см	Длина, l, см			ρmw	ρm12%

3.3.1.2. Определение средней плотности древесины в полевых условиях

Изготавливают образец квадратного или круглого поперечного сечения и длиной 30…40 см. Измеряют длину образца. Затем образец 1 погружают вертикально в цилиндр 2 с водой (рис.10) и измеряют, выступающую над водой часть образца.

Среднюю плотность древесины при влажности ( W , % ) рассчитывают по формуле:

, г/см³ (29)

где Н - длина образца, см;

h - длина надводной части образца, см;

ρ_воды - плотность воды, 1 г/см ³.

3.3.2. Определение влажности древесины 

3.3.2.1. Определение абсолютной влажности древесины 

Изготавливают образец (3 шт) в форме прямоугольной призмы сечением 20×20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм. Затем его помещают в предварительно взвешенную ( m₁ ) вместе с крышкой металлическую бюксу, взвешивают ( m₂ ) и помещают в сушильный шкаф, где при температуре 103 2 °С высушивают до постоянной массы. После охлаждения взвешивают бюксу с образцом ( m₃ ) и вычисляют влажность древесины по формуле:

(30)

Результаты испытаний оформляются в виде табл. 18.

Таблица 18

Результаты определения влажности древесины

Порода древесины	Номер бюксы	Масса, г.			Влажность древесины, W, %
		m1	m2	m3

3.3.2.2. Определение равновесной влажности древесины

При длительном хранении древесины в условиях неизменной температуры и относительной влажности воздуха она приобретает равновесную влажность.

При настиле полов, оформлении стен из древесины с целью исключения ее дальнейшего коробления и усушки необходимо предварительное доведение древесины до равновесной влажности. Равновесную влажность можно определить по диаграмме Н.Н.Чулицкого (рис.11)с помощью психрометра (рис.12).

Сначала по психрометру определяют температуру сухого термометра 1 ( t_сух ), влажного термометра 2 ( t_вл ) и рассчитывают психрометрическую разницу ( t = t_сух – t_вл ). Затем по t и t_сух по психрометрической таблице 3 находят относительную влажность воздуха (, % ). И наконец по  и t_сух по диаграмме Н.Н.Чулицкого находят равновесную влажность древесины W, %.

Например, если с помощью психрометра удалось установить, что равновесная влажность воздуха составила 75 %, а его температура – 26 ^оС, то по диаграмме Чулицкого (рис.11) влажность древесины оказалась равной 14 %.

3.3.3. Определение усушки древесины

Усушка - это изменение линейных размеров и объема древесины при высыхании. Усушка древесины в радиальном, тангенциальном направлениях и вдоль волокон различна. Усушка древесины вызывает ее коробление.

Изготавливают образец (3 шт)в форме прямоугольной призмы сечением 20×20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм, таким образом, чтобы одна из сторон сечения была в радиальном направлении, а другая – в тангенциальном. На сторонах образца наносятся отрезки: размером "а" в тангенциальном направлении, размером "b" - в радиальном и размером и " " - в продольном (рис.13). Эти отрезки измеряются штангенциркулем с точностью до 0,1 мм. Затем образец кладут в бюксу, которую помещают в сушильный шкаф, где при температуре 103 2 °С высушивают до постоянной массы. После охлаждения производят замеры тех же отрезков ("а₁", "b₁", " ₁").

Линейные и объемную усушки вычисляют по формулам:

а) в тангенциальном направлении ( 31 )

б) в радиальном направлении ( 32 )

в) вдоль волокон ( 33 )

г) объемную усушку ( 34 )

Вследствие неоднородности строения древесина усыхает вдоль оси ствола (вдоль волокон) на 0,1…0,3 % (1…3 мм на 1 м), в радиальном направлении на 3...6 % ( 3 - 6 см на 1 м), в тангенциальном направлении на 6...12 % (6…12 см на 1 м). Объемная усушка составляет примерно 12…15 %.

Степень усушки древесины характеризуется коэффициентом объемной усушки ( K_о ), который определяется по формуле:

( 35 )

Результаты определения усушки заносят в табл. 19

Таблица 19

Результаты определения усушки древесины

Порода древесины

W,%

Размеры образца, мм

Усушка, %

Kv

a

b

ℓ

a1

b1

ℓ1

Уt

Уr

Уl

Уo

По величине объемной усушки древесные породы подразделяют на три группы: малоусыхающие, среднеусыхающие и сильноусыхающие. На практике показатели усушки древесины учитываются при распиловке сырых бревен с тем, чтобы после высыхания пиломатериалы и заготовки имели заданные размеры.

3.3.4. Определение содержания поздней древесины в годичном слое

Поздняя древесина более плотная, темная и прочная часть годового слоя. Чем сильнее развита в годовых слоях поздняя древесина, тем лучше материал.

На торцевом срезе древесины (рис.14) в радиальном направлении (перпендикулярно годовым слоям) наносят отрезок ℓ длиной 10-20 мм. С помощью измерительной лупы ЛИ-3 определяют толщину ( δ_i ) поздней части древесины каждого годового слоя на участке ℓ с точностью до 0,1 мм. Содержание поздней древесины ( m ) вычисляют по формуле:

(36 )

где - сумма толщин поздней древесины, мм на базовом отрезке;

ℓ - длина базового отрезка, мм.

Испытание проводят на трех образцах. Результаты определений заносят в табл. 20.

Таблица 20

Результаты определения поздней древесины

Номер образца	Порода древесины	Общая ширина древесины, Σ i , мм	База измерения, ℓ , мм	Содержание поздней древесины, m, %	Расчетные показатели при влажности 12%
					Прочность при сжатии, Rсж, МПа	Прочность при изгибе, Rизг, МПа	Средняя плотность, m , г/см3

По величине поздней древесины можно с достаточной точностью вычислить ее основные физико-механические свойства в зависимости от породы древесины, например:

Средняя плотность древесины:

ρ_{m 12%} = 0,012 m +0,276, г/см³ - для сосны; (37)

ρ_{m 12%} = 0,007 m +0,335, г/см³ - для дуба. (38)

Предел прочности при сжатии вдоль волокон:

R_{сж 12%} = 1,39 m + 20,7 , МПа - для сосны; (39)

R_{сж 12%} = 1,01 m + 6,37 , МПа - для дуба. (40)

 Приборы, инструменты, материалы: измерительная лупа типа ЛИ-3; измерительная линейка с ценой деления 0,5 мм; образцы древесины 30 х 30 х 10 мм; 20 х 20 х 30 мм; таблица с показателями физико-механических свойств древесины различных пород; весы с погрешностью взвешивания не более 0,01 г, технические; сушильный шкаф, обеспечивающий высушивание древесины при температуре 103 2°С; бюксы с притертыми крышками; номограмма Н.Н.Чулицкого; психрометр; штангенциркуль с погрешностью измерения не более 0,1 мм; влагомер ЭВ-2К.

Аттестационные вопросы

1. Назовите положительные и отрицательные свойства древесины.

2. В каком виде древесина используется в строительстве?

3. Как определить абсолютную влажность древесины?

4. Как определяется содержание поздней древесины в годичном слое

древесины?

5. Что такое равновесная влажность и как можно ее определить?

6. Как определить среднюю плотность древесины?

7. Как пересчитывается плотность древесины при любой влажности

на стандартную влажность?

8. Что такое усушка древесины и как она определяется?