close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

399. Испытания древесины

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»
Кафедра технологии строительных материалов, изделий и конструкций
ИСПЫТАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ
Методические указания к выполнению лабораторных работ
по дисциплине «Строительные материалы»
для студентов, обучающихся по направлению
270800 «Строительство»
Воронеж 2012
УДК 666.97 (07)
ББК 38.3я7
Составитель А.И. Макеев
Испытания древесины [Текст] : метод. указания к выполнению лаб.
работ / Воронежский ГАСУ; сост. А.И. Макеев. – Воронеж, 2012. – 29 с.
Содержат краткие теоретические сведения о достоинствах и недостатках
древесины как строительного материала. Раскрывают методику испытаний древесины для определения параметров ее структуры и наиболее важных эксплуатационно-технических характеристик.
Предназначены для студентов, обучающихся по направлению 270800.62
«Строительство».
Ил. 9. Табл. 11. Библиогр.: 13 назв.
УДК 666.97 (07)
ББК 38.3я7
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Воронежского ГАСУ
Рецензент – О.В. Артамонова, к.х.н., доц. кафедры физики и химии
Воронежского ГАСУ
2
ВВЕДЕНИЕ
Методические указания разработаны в соответствии с рабочей программой дисциплины «Строительные материалы» подготовки бакалавров по
направлению 270800.62 «Строительство» и направлены на овладение учащимися знаний основных эксплуатационно-технических характеристик древесины и навыков ее испытаний.
Настоящие методические указания предназначены для проведения лабораторных работ по курсу «Строительные материалы», раздел «Природные
лесные материалы». Выполнению лабораторной работы должна предшествовать самостоятельная подготовка студента на основе изучения лекционного
материала и рекомендуемой литературы /1 – 4/. Лабораторные работы являются активной формой обучения, способствуют развитию навыков творческой и самостоятельной работы студентов, позволяют закрепить теоретические знания по курсу.
К лабораторным работам допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности и ответившие на контрольные вопросы преподавателя.
Отчет по выполненной работе должен содержать основные теоретические сведения, описание приборов и оборудования, расчетные формулы, р езультаты экспериментов в виде таблиц, выводы.
Общие теоретические сведения. Древесина – продукт растительного
происхождения, представляющий собой совокупность вторичных тканей
(проводящих, механических и запасающих), состоящих из клеток, стенки которых образуют древесинное вещество. По своему химическому составу древесина слагается из 55…80 % целлюлозы (природный углеводный полимер
кристаллической структуры), 20…30 % лигнина (природный углеводный
ароматический полимер аморфной структуры) и 2…4 % экстрактивных веществ (низкомолекулярные минеральные соединения щелочноземельных металлов) /1…3/.
Древесина – один из древнейших строительных материалов, актуальность применения которого в строительстве и сегодня также высока, о чем
свидетельствует возросший в последние годы интерес к этому природному
конструкционному материалу. Это обусловлено рядом положительных качеств древесины: возобновляемостью как строительного ресурса, высокой
прочностью при сравнительно небольшой плотности (малом весе), низкой
теплопроводности, легкостью механической обработки, экологичностью.
Россия занимает первое место в мире по величине лесных массивов (пятая
часть мировых запасов). Свойства древесины характеризует комплекс показателей, куда входят внешний вид, цвет, текстура, плотность, пористость,
влажность, усушка, прочность, твердость, способность удерживать металлические крепления. Эксплуатационно-технические свойства основных применяемых в строительстве пород древесины представлены в прил. 1 и 2.
3
Цель работы - изучить основные эксплуатационно-технические свойства древесины, ознакомиться с методикой их оценки, провести испытания
пород древесины по этим показателям с сопоставлением полученных данных
со справочными значениями.
Приборы, инструменты, материалы: Микроскоп инструментальный
по ГОСТ 8074 или лупа измерительная по ГОСТ 25706; металлическая линейка по ГОСТ 427 с погрешностью измерений не более 0,5 мм; весы аналитические с погрешностью взвешивания не более 0,001 г; сушильный шкаф,
обеспечивающий высушивание древесины при температуре 103 2°С; бюксы с притертыми крышками; эксикаторы с безводным хлористым кальцием
или серной кислотой концентрацией не ниже 94 %; психрометр; скоба индикаторная по ГОСТ 11098 с индикатором часового типа или микрометр типа
МК по ГОСТ 6507; штангенциркуль с погрешностью измерения не более
0,1 мм; приспособления для проведения испытаний на сжатие, изгиб и скалывание;
испытательный пресс с усилием 5…10 тс; таблица с показателями физикомеханических свойств древесины различных пород.
1. Определение содержания поздней древесины в годичном слое
Годичные слои представляют собой ежегодный прирост древесины.
Они состоят из клеток, образовавшихся за один вегетативный период. На поперечном разрезе древесины слои расположены в виде концентрических колец, на радиальном разрезе они образуют параллельные полосы, идущие в
одном направлении, на тангенциальном – извилистые сходящиеся линии
(рис. 1). Каждый годичный слой состоит из ранней и поздней древесины.
Ранняя древесина образуется весной, поздняя –
концу лета и отличается более темным цветом.
Дело в том, что клетки поздней древесины мельче
и имеют утолщенные стенки, благодаря чему
поздняя древесина более плотная и прочная. Соответственно, чем больше в годичном слое поздней древесины, тем выше механические свойства
породы.
Для определения содержания поздней древесины на торцевом срезе образца в форме прямоугольной призмы основанием 20 20 мм и длиРис. 1. Разрезы ствола:
ной вдоль волокон от 10 до 20 мм по радиальному
1- поперечный (торцовый);
направлению (перпендикулярно годичным сло2 – радиальный;
3 - тангенциальный
ям) отмечают границы крайних целых годичных
слоев на участке, равном примерно 20 мм, и измеряют расстояние l между отметками с погрешностью не более 0,5 мм
(рис. 2). В каждом годичном слое между отметками с помощью инструмен4
тального микроскопа или измерительной лупы измеряют ширину поздней
зоны i с погрешностью не более 0,1 мм.
Содержание поздней древесины т с
i
точностью до 1 % вычисляют по формуле:
,
где
мм.
l
Рис. 2. Схема определения содержания поздней древесины
12%
i–
(1)
общая ширина поздней древесины,
По содержанию поздней древесины
можно приблизительно оценить ее свойства
по эмпирическим формулам [4].
Например, среднюю плотность, прочность при сжатии вдоль волокон и прочность при статическом изгибе сосны при
стандартной влажности вычисляют по формулам (2…4):
= 0,012m + 0,276,
(2)
Rсж12% = 1,39m + 20,7,
(3)
Rизг 12% = 1,4m + 56.
(4)
m
Результаты измерений и расчетов заносят в табл. 1
Результаты определения содержания поздней древесины
Номер Общая
База изобразца ширина
мерений l,
поздней
мм
древесины
i, мм
Таблица 1
Содержание Расчетные показатели при
поздней
влажности W = 12 %
12%
древесины
Rсж12%, Rизг 12%,
,
m
m, %
МПа
МПа
кг/м3
Содержание поздней части в древесине, предназначенной для изготовления несущих строительных конструкций, должно быть не менее
20 %.
2. Определение влажности древесины
Влажность древесины – это содержание в ней влаги в процентах по отношению к массе абсолютно сухой древесины. Влага, содержащаяся в древе5
сине, делится на связанную и свободную. Связанной или гигроскопической
называют влагу, содержащуюся в стенках клеток. Эта влага поглощается
древесиной непосредственно из воздуха. Состояние древесины, при котором
клеточные стенки максимально насыщены водой, а в полостях клеток находится только воздух, называется пределом гигроскопичности. Для большинства пород влажность, соответствующая пределу гигроскопичности при комнатной температуре и относительной влажности воздуха 99,5 %, составляет
30 % по массе. Свободная или капиллярная вода содержится в полостях клеток, сосудах и межклеточных пространствах древесины. Состояние древесины, при котором возникает равновесие между влажностью клеточных стенок
и свободной влагой в полостях клеток, называется пределом насыщения клеточных стенок.
Влажность древесины существенно влияет на ее физические и механические свойства. Увеличение содержания связанной влаги приводит к разбуханию древесины, увеличению ее плотности и снижению прочности. Свободная вода не влияет на разбухание и прочность древесины, но может изменять другие физические свойства. Например, по мере увеличения влажности
сверх предела гигроскопичности древесина становится тяжелее, возрастают
ее тепло- и электропроводность. В ряде случаев от влажности зависит пригодность древесины для тех или иных строительных целей
В зависимости от влажности различают древесину:
- сплавную (длительное время находившуюся в воде) влажностью более 100 %;
- свежесрубленную влажностью 50…100 %;
- воздушно-сухую (долгое время хранившуюся на воздухе) влажностью
15...20 %;
- комнатно-сухую (долгое время хранившуюся в помещении) влажностью 8…12 %
- абсолютно-сухую влажностью около 0 %.
Для определения влажности образцы древесины в форме призм сечением 20 20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм помещают в бюксы и взвешивают с точностью до 0,001 г. Бюксы со снятыми крышками помещают в сушильный шкаф с температурой 103 2 С. Высушивание проверяют повторным взвешиванием бюксов, при этом первое взвешивание при высушивании
мягких пород выполняют не ранее чем через 6 ч после начала высушивания,
а при высушивании твердых пород – не ранее 10 ч. Повторные взвешивания
выполняют через каждые 2 ч. Высушивание считается законченным, когда
разность между двумя последними взвешиваниями будет не более 0,001 г. по
окончании высушивания бюксы с образцами закрывают крышками и охлаждают до комнатной температуры в эксикаторе с хлористым натрием или
серной кислотой, после чего взвешивают.
Влажность древесины W в процентах вычисляют с округлением до
0,1 % по формуле
6
,
(5)
где m0 – масса бюксы (с крышкой), г; m1 – масса бюксы с образцом до высушивания, г; m2 – масса бюксы с образцом после высушивания, г.
Результаты испытаний и расчетов заносят в табл. 2.
Результаты определения влажности древесины
Номер
бюксы
пустой
бюксы
с образцом
до высушивания
Масса, г
с образцом
испаривпосле высу- шейся воды
шивания
абсолютно
сухой древесины
Таблица 2
Влажность
древесины,
%
В тех случаях, когда результаты испытаний древесины не требуется
приводить к стандартной влажности, допускается определять ее влажность
по приведенной выше методике, но без помещения в бюксы.
3. Определение равновесной влажности древесины
Древесина как капиллярно-пористое тело находится в процессе постоянного влагообмена с окружающей средой. При изменении температуры и
относительной влажности окружающей среды в древесине развиваются процессы сорбции (влагопоглощения) или десорбции (влагоотдачи), сопровождающиеся изменением связанной влажности древесины и, соответственно, ее
свойств. Если параметры окружающей среды после их изменения стабилизируются, процессы сорбции или десорбции с течением времени останавливаются – состояние клеточных стенок древесины приходит в равновесие с температурно-влажностным состоянием среды. Влажность древесины в таком
состоянии называют равновесной влажностью.
Из этого следует, что любая древесина, достаточно долго хранящаяся
при неизменных температуре и относительной влажности воздуха, приходит
в состояние равновесной влажности, причем каждому конкретному сочетанию температуры и относительной влажности соответствует свое значение
равновесной влажности. На основании экспериментов составлены эмпирические зависимости равновесной влажности от температуры и влажности во здуха, из которых наибольшее распространение получила номограмма проф.
Н.Н. Чулицкого (прил. 3). Используя данную номограмму, можно определить
влажность древесины, не прибегая к испытаниям по п. 2, при условии, что
древесина находится в этих условиях достаточно длительное время (напр имер, изделия толщиной до 20 мм приобретают равновесную влажность через
2…3 сут).
7
Температуру и влажность воздуха определяют с помощью психрометра, состоящего из двух стеклянных термометров (спиртовых или ртутных),
резервуар одного из которых (влажного) обернут хлопчатобумажной тканью,
опущенной в воду (рис. 3). Принцип действия психрометра основан на физическом свойстве жидкости (в данном случае – воды) испаряться со снижением ее температуры за счет потери жидкостью части энергии, поскольку ее
покидают наиболее «энергичные» молекулы. Это
приводит к возникновению разности между показаниями сухого и влажного термометра (психрометрическая разность). Чем ниже влажность
окружающего воздуха, тем интенсивнее будет
протекать процесс испарения и тем больше будет
психрометрическая разность.
По показаниям психрометра определяют
температуру сухого tcyx и влажного tвл термометра,
рассчитывают психрометрическую разность
t = tcyx – tвл, С, и по психрометрической таблице
Рис. 3. Схема психрометра: (прил. 3) находят относительную влажность воз1 – «сухой» термометр;
духа , %. По значениям и tcyx по номограмме
2 – «влажный» термометр;
устанавливают равновесную влажность древесины
3 – резервуар с водой;
Wравн, %.
4 - ткань
Равновесную влажность при температуре
tcyx = 20 2 С и влажности = 65 5 % называют нормализованной, так как
именно этими параметрами характеризуются нормальные комнатные условия
эксплуатации изделий из древесины. Этим условиям соответствует равновесная влажность Wравн = 12 %, поэтому 12 % принято в качестве стандарта и все
свойства древесины оценивают в состоянии ее нормализованной влажности.
Выдерживание древесины до нормализованной влажности называют кондиционированием. С практической точки зрения, кондиционирование древесины необходимо для предотвращения усушки, коробления и растрескивания
деревянных изделий. При испытаниях древесины, находящейся в ином влажностном состоянии, ее свойства приводят к нормализованной влажности при
помощи поправочных коэффициентов, характеризующих степень изменения
показателя данного свойства на 1 % и установленных эмпирическим путем.
4. Определение плотности древесины
Плотность древесины оказывает существенное влияние на ее свойства,
особенно прочностные. Чем выше плотность древесины, тем она прочнее.
Так как древесинное вещество состоит в основном из целлюлозы, за истинную плотность древесины и принимают плотность целлюлозы – 1,53 г/см3.
Древесина является капиллярно-пористым телом, в котором поры, образованные межклеточным пространством и полостями клеток, занимают больше
8
половины объема (до 80 %). Объемная доля пор (пористость) зависит как от
породы дерева, так и от условий его произрастания, поэтому средняя плотность древесины колеблется в широких пределах (прил. 1 и 2).
Помимо этого, средняя плотность одной и той же древесины изменяется в зависимости от ее влажности – при увеличении влажности плотность
растет. В связи с этим, при испытаниях древесины помимо средней плотности в момент испытаний (отношение массы образца в естественном состо янии к его объему), в ряде случаев определяют также:
- плотность абсолютно сухой древесины как отношение массы образца
в абсолютно сухом состоянии к его объему;
- парциальную плотность как отношение массы образца в абсолютно
сухом состоянии к его объему при влажности меньше предела насыщения
клеточных стенок;
- базисную плотность как отношение массы образца в абсолютно сухом
состоянии к его объему при влажности, равной или больше предела насыщения клеточных стенок.
Среднюю плотность древесины определяют на образцах в форме прямоугольной призмы с основанием 20 20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм.
Как правило, образцы предварительно кондиционируют (приводят в состояние нормализованной влажности по п. 3). Образцы взвешивают с погрешностью не более 0,01 г и измеряют штангенциркулем по осям симметрии с погрешностью не более 0,1 мм.
Среднюю плотность каждого образца при влажности W в момент испытаний mW, кг/м3 (г/см3) вычисляют по формуле
,
(6)
где mW – масса образца при влажности W, кг (г);
aW, bW, lW – размеры образца при влажности W, м (см).
Результаты вычислений округляют до 5 кг/м3 (0,005 г/см3).
В случае, когда после кондиционирования нормализованная влажность
образцов отличается от 12 %, среднюю плотность пересчитывают на влажность 12 % по формуле
,
(7)
где K – коэффициент объемного разбухания, принимаемый ориентировочно
равным 0,85 mW (при измерении средней плотности в г/см 3).
Если перед испытаниями образцы не кондиционировались, плотность
древесины пересчитывают на влажность 12 % по формуле
9
,
(8)
где KW12 – коэффициент пересчета. Для образцов с влажностью, равной или
меньшей предела насыщения клеточных стенок, KW12 принимается по таблицам справочников (прил. 4). Для образцов с влажностью больше предела
насыщения клеточных стенок KW12 рассчитывают по формулам:
для древесины белой акации, бука, граба и лиственницы
,
(9)
.
(10)
для остальных пород
Результаты испытаний и расчетов заносят в табл. 3.
Таблица 3
Результаты определения средней плотности древесины
№
обр. Масса, г
Размеры, см
aW
bW
lW
Объем,
см3
W, %
K
(KW12 )
Плотность, г/см3 (кг/м3 )
m
текущая
W
средняя
m
12%
При необходимости плотность древесины в абсолютно сухом состоянии 0, кг/м3 (г/см3), определяют после высушивания образцов по п. 2 и вычисляют по формуле
,
(11)
где m0 – масса образца в абсолютно сухом состоянии, кг (г);
a0, b0, l0 – размеры образца в абсолютно сухом состоянии, м (см).
Парциальную плотность пW, кг/м3 (г/см3), рассчитывают по формуле
.
(12)
Для определения базисной плотности древесины высушенные образцы
вымачивают в воде до прекращения изменения размеров. Базисную плотность б, кг/м3 (г/см3), рассчитывают по формуле
10
,
(13)
где amax, bmax, lmax – размеры образца при влажности, равной или больше предела насыщения клеточных стенок, м (см).
5. Определение плотности древесины в полевых условиях
В случае, когда весовое оборудование недоступно (в полевых условиях),
среднюю плотность древесины определяют с помощью закона Архимеда, погружая образец в сосуд с водой. Для этого изготавливают образец в форме
продолговатого стержня постоянного квадратного или круглого поперечного
сечения (рис. 4). Длину образца измеряют и для приближенной оценки плотности размечают на 10 равных частей, после чего опускают вертикально в
сосуд с водой (рис. 4). По количеству делений погрузившейся в воду части образца
определяют его среднюю плотность. Для более точной оценки средней плотности выступающую над водой часть образца измеряют и рассчитывают среднюю плотность
древесины в состоянии естественной влажности mW, кг/м3 (г/см3) по формуле
,
(14)
Рис. 4. Схема определения средней
плотности древесины в полевых
условиях
где Н – длина образца, м (см);
h – длина надводной части образца, м (см);
ρв – плотность воды (1 г/см3).
Результаты испытаний заносят в табл. 4.
Таблица 4
Результаты определения средней плотности древесины в полевых условиях
Номер
Длина
опыта образца, см
Высота выступающей над водой
части, см
Средняя плотность,
г/см3 (кг/м3)
текущее
среднее
Можно определить среднюю плотность древесины по бревну. В этом
случае сталкивают бревно или отпиленный от него диск толщиной 10…15 см
в воду и по его погружению ориентировочно оценивают среднюю плотность
по графику (рис. 5).
11
Рис. 5. Схема определения средней плотности древесины по бревну
6. Определение усушки древесины
Как уже отмечалось, древесина, являясь капиллярно-пористым телом,
находится в состоянии постоянного влагообмена с окружающей средой. Испарение из древесины свободной влаги приводит только к уменьшению ее
веса, а вот испарение связанной влаги, которая находится в клеточных оболочках, приводит к уменьшению их толщины и уменьшению поперечных
размеров клетки под действием сил капиллярного стяжения. В результате
уменьшение влажности древесины ниже предела гигроскопичности сопровождается уменьшением ее линейных размеров и объема. Это явление называется усушкой.
Поскольку клетки в основном ориентированы продольно ствола,
наибольшая усушка древесины наблюдается в поперечных направлениях.
Поперек волокон в тангенциальном направлении усушка составляет 6...12 %,
а в радиальном в 1,5…2 раза меньше – 3...6 %. Причины этого различия могут быть связаны с разной жесткостью древесины в радиальном и тангенциальном направлении. Продольная усушка значительно меньше и составляет
0,1...0,3 %. Значения усушки для разных пород древесины представлены в
прил. 5.
Усушка является отрицательным свойством древесины, так как неравномерные деформации усушки в разных направлениях сопровождаются возникновением внутренних напряжений и являются причиной растрескивания
и коробления пиломатериалов и деревянных изделий. Чтобы избежать усушки в период эксплуатации в помещениях, влажность изделий и конструкций
из древесины должна быть близкой к равновесной (6...10 %). При распиловке
бревен на доски предусматривают припуски на усушку с тем, чтобы после
высыхания пиломатериалы и заготовки имели заданные размеры.
Для определения усушки древесины изготавливают образцы в форме
прямоугольной призмы с основанием 20 20 мм и высотой вдоль волокон от
12
10 до 30 мм, выпиливая их так, чтобы на торцовой поверхности годичные
слои располагались параллельно одной паре противоположных граней и перпендикулярны другой (рис. 6).
Образцы погружают в сосуд с дистиллированной водой температурой 20 5 С и выдерживают до прекращения изменения размеров, измеряя
образцы микрометром, штангенциркулем или индикаторной скобой через каждые трое суток. Поперечное сечение каждого образца измеряют посередине радиальной и тангенциальной поверхности, а
Рис. 6. Образец для опре- длину – по расстоянию между двумя центральными
деления усушки древесины рисками на торцовых поверхностях с точностью до
0,01 мм. Вымачивание прекращают, когда разница
между двумя последовательными измерениями будет не более 0,02 мм (это
означает, что образцы находятся в состоянии, соответствующем пределу гигроскопичности).
Различают полную усушку и усушку при уменьшении влажности до
нормализованной (равновесной). Для определения последней водонасыщенные образцы выдерживают при постоянных заданных температуре и относительной влажности воздуха до достижения равновесной влажности (кондиционируют), измеряя их через каждые 6 ч. Кондиционирование прекращают,
когда разница между двумя последовательными измерениями будет не более
0,02 мм. Допускается контролировать кондиционирование методом последовательного взвешивания по п. 2 (до постоянной массы).
Затем образцы высушивают (доводят до абсолютно сухого состояния) в
сушильном шкафу до постоянных размеров при температуре 103 2 °С, измеряя через каждые 2 ч. Допускается контролировать сушку образцов методом
последовательного взвешивания по п. 2 (до постоянной массы). После этого
образцы охлаждают до комнатной температуры в эксикаторе с гигроскопическим веществом (с относительной влажностью воздуха около 0 %).
Полную (максимальную) линейную усушку в процентах вычисляют по
формулам:
для радиального направления
;
(15)
;
(16)
для тангенциального направления
для направления вдоль волокон
13
,
(17)
где rmax, tmax и lmax – радиальный, тангенциальный и продольный размеры образцов в водонасыщенном состоянии, мм;
rmin, tmin и lmin – радиальный, тангенциальный и продольный размеры образцов в абсолютно сухом состоянии, мм.
Результат округляют с точностью до первого десятичного знака.
Помимо линейной усушки, вычисляют также полную объемную усушmax
ку Уv , %, по формуле
,
(18)
и коэффициент объемной усушки Kv у в процентах на 1 % влажности по формуле
,
(19)
где Wп – предел насыщения клеточных стенок древесины, %, принимаемый
равным 30 %.
Значение коэффициента объемной усушки округляют с точностью до
второго десятичного знака.
Результаты испытаний и вычислений заносят в табл. 5.
Таблица 5
Результаты определения полной усушки древесины
Номер
образца
Размеры образца, мм
в водонасыщенном
в абсолютно сухом
состоянии
состоянии
rmax
tmax
lmax
rmin
tmin
Полная усушка, %
Уrmax
Уtmax
Уlmax
Уvmax
К vу
lmin
При необходимости определяют также усушку древесины при уменьшении ее влажности до нормализованной в процентах по формулам:
для радиального направления
;
(20)
;
(21)
для тангенциального направления
14
для направления вдоль волокон
,
(22)
по объему
,
(23)
где r, t и l – радиальный, тангенциальный и продольный размеры образцов
при нормализованной влажности, мм.
Результаты округляют с точностью до первого десятичного знака и заносят в табл. 6.
Таблица 6
Результаты определения усушки древесины
при уменьшении ее влажности до нормализованной
№
образца
Размеры образца, мм
в водонасыщенном при нормализовансостоянии
ной влажности
rmax
tmax
lmax
r
t
Усушка при кондиционировании, %
Уr
Уt
Уl
Уv
l
7. Определение разбухания древесины
При увлажнении сухой древесины происходят деформации, противоположные усушке – разбухание. Молекулы связанной воды, конденсируясь в
стенках клеток, попадают в промежутки между микрофибриллами. Это вызывает утолщение клеточных стенок и, как следствие, увеличение древесины
в размерах. Одновременно ослабляются силы взаимодействия между микрофибриллами, что приводит к уменьшению прочности материала. Тем не менее, разбухание, как правило, менее опасно, чем усушка, а в ряде случаев играет положительную роль, обеспечивая плотность соединений досок в судах,
лодках, деревянных трубах и бочках.
Разбухание древесины определяют на таких же образцах, что и усушку
(рис. 6). Образцы высушивают (доводят до абсолютно сухого состояния) в
сушильном шкафу до постоянных размеров при температуре 103 2 °С, измеряя через каждые 2 ч. Допускается контролировать сушку образцов методом
последовательного взвешивания по п. 2 (до постоянной массы). После этого
образцы охлаждают до комнатной температуры в эксикаторе с гигроскопическим веществом (с относительной влажностью воздуха около 0 %). По окончании высушивания образцы измеряют тем же образом, что и при определении усушки (см. п. 6).
15
Для определения разбухания при увеличении влажности до нормализованной (равновесной) образцы кондиционируют, выдерживая их при постоянных заданных температуре и относительной влажности воздуха до достижения постоянных размеров, измеряя их через каждые 6 ч. Кондиционирование прекращают, когда разница между двумя последовательными измерениями будет не более 0,02 мм. Допускается контролировать кондиционирование методом последовательного взвешивания по п. 2 (до постоянной массы).
Для определения максимального разбухания образцы погружают в сосуд с дистиллированной водой температурой 20 5 С и выдерживают до прекращения изменения размеров, измеряя образцы через каждые трое суток.
Вымачивание прекращают, когда разница между двумя последовательными
измерениями будет не более 0,02 мм.
Максимальное линейное разбухание в процентах вычисляют по формулам:
для радиального направления
;
(24)
;
(25)
,
(26)
для тангенциального направления
для направления вдоль волокон
где rmax, tmax и lmax – радиальный, тангенциальный и продольный размеры образцов в водонасыщенном состоянии, мм;
rmin, tmin и lmin – радиальный, тангенциальный и продольный размеры образцов в абсолютно сухом состоянии, мм.
Результат округляют с точностью до первого десятичного знака.
Помимо линейного разбухания, вычисляют также полную объемную
усушку Рv max, %, по формуле
,
(27)
и коэффициент объемного разбухания Kv р в процентах на 1 % влажности по
формуле
,
16
(28)
где Wп – предел насыщения клеточных стенок древесины, %, принимаемый
равным 30 %.
Значение коэффициента объемного разбухания округляют с точностью
до второго десятичного знака.
Результаты испытаний и вычислений заносят в табл. 7.
Таблица 7
Результаты определения максимального разбухания древесины
Номер
образца
Размеры образца, мм
Максимальное разбухание,
%
в водонасыщенном
состоянии
в абсолютно сухом
состоянии
rmax
rmin
tmax
lmax
tmin
Уrmax
Уtmax
Уlmax
К vр
Уvmax
lmin
При необходимости определяют также разбухание древесины при увеличении ее влажности до нормализованной в процентах по формулам:
для радиального направления
;
(29)
;
(30)
,
(31)
для тангенциального направления
для направления вдоль волокон
по объему
,
(32)
где r, t и l – радиальный, тангенциальный и продольный размеры образцов
при нормализованной влажности, мм.
Результаты округляют с точностью до первого десятичного знака и з аносят в табл. 8.
Таблица 8
17
Результаты определения разбухания древесины
при увеличении ее влажности до нормализованной
№
образца
Размеры образца, мм
в водонасыщенном
состоянии
rmax
tmax
lmax
Разбухание
при кондиционировании, %
при нормализованной влажности
r
t
Рr
Рt
Рl
Рv
l
8. Определение предела прочности при сжатии вдоль волокон
Древесина обладает высокой прочностью при действии сжимающих и
растягивающих напряжений, и по прочности на сжатие соответствует высокопрочным бетонам, а по прочности на растяжение и на изгиб – намного превосходит их. При этом, как уже отмечалось в предыдущих пунктах, прочностные характеристики древесины находятся в прямой зависимости от содержания поздней древесины, пористости и влажности. Кроме этого, прочность древесины как ярко выраженного анизотропного материала зависит от
направления механических сил по отношению к расположению волокон.
Анизотропия является следствием медленно развивающейся оптимизации (упорядочения) микро- и макроструктуры в условиях роста дерева и максимального сопротивления ствола механическим нагрузкам с выделением
упрочняющих (армирующих) волокон в его тканях. Эти волокна ориентированы по направлению действия главных напряжений и сочетаются с более
податливыми волокнами ранней древесины (см. п. 1). Следствием этого является то, что максимальное сопротивление древесина оказывает растяжению
вдоль волокон - прочность древесины при растяжении вдоль волокон
(60…170 МПа) в среднем в 2,5 раза превосходит соответствующий предел
прочности при сжатии. В свою очередь, прочность древесины при сжатии
вдоль волокон (40…60 МПа) в 3…6 раз больше, чем прочность при сжатии
поперек волокон.
Предел прочности при сжатии вдоль волокон определяют на образцах в
форме прямоугольной призмы основанием 20 20 мм и длиной вдоль волокон
30 мм. Размеры сечения образцов измеряют штангенциркулем на середине
длины с погрешностью не более 0,1 мм. Образец помещают в приспособление для испытания на сжатие (рис. 7). Приспособление устанавливают на
опорную плиту пресса и нагружают до разрушения образца. По шкале пресса
устанавливают разрушающую нагрузку. После испытаний определяют влажность образцов по п. 2.
Предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон в состоянии
естественной влажности RсжW, МПа, вычисляют по формуле
18
,
(33)
где Pр – разрушающая нагрузка, Н (кгс);
a и b – размеры поперечного сечения
образца, м (см).
Полученные значения пересчитывают на стандартную влажность 12 %
Rсж12% , МПа, по формуле
,
(34)
Рис. 7. Схема приспособления для ис- где
- поправочный коэффициент, равпытаний образцов древесины на прочный 0,04;
ность при сжатии вдоль волокон:
W – влажность образца в момент ис1- шаровая опора; 2 – образец;
пытаний, %.
3 – пуансон; 4 – корпус; 5 – колпачок
Результаты вычислений округляют
до 0,5 МПа и заносят в табл. 9.
Таблица 9
Результаты определения прочности древесины при сжатии вдоль волокон
Номер
образца
Размеры
сечения
a b, см
Разрушающая
нагрузка Рр ,
кгс
Влажность
древесины
W, %
Предел прочности при сжатии, МПа
RсжW
Rсж12%
текущее
среднее
9. Определение предела прочности древесины при статическом
изгибе
Прочность древесины при изгибе составляет около 70 % прочности при
растяжении и примерно в 1,8 раза превышает прочность при сжатии вдоль
волокон.
Предел прочности древесины при статическом изгибе определяют на
образцах в форме прямоугольной призмы с поперечным сечением 20 20 мм
и длиной вдоль волокон 300 мм. Размеры сечения образцов измеряют штангенциркулем на середине длины с погрешностью не более 0,1 мм. Образец
помещают на нижнюю плиту гидравлического пресса так, чтобы изгибающее
усилие было направлено по касательной к годичным слоям (тангенциальный
изгиб) и с помощью специальных приспособлений нагружают до разрушения
по схеме, представленной на рис. 8. По шкале пресса устанавливают разрушающую нагрузку с погрешностью не более 1 %.
Предел прочности древесины при статическом изгибе в состоянии
естественной влажности Rизг W, МПа, вычисляют по формуле:
19
,
Рис. 8. Схема испытания образцов
древесины на прочность
при статическом изгибе
(35)
где Pp – разрушающая нагрузка, Н (кгс);
l – расстояние между центрами опор,
мм (см);
h – высота образца, мм (см);
b – ширина образца, мм (см).
Полученные значения приводят к
прочности при стандартной влажности
Rизг 12% , МПа, по формуле
,
(36)
где
- поправочный коэффициент, равный 0,04;
W – влажность образца в момент испытаний, %.
Результаты испытаний и вычислений округляют до 1 МПа и заносят в
табл. 10.
Таблица 10
Результаты определения прочности древесины при статическом изгибе
Номер
образца
Размеры
сечения
b h, см
Разрушающая
нагрузка Рр ,
кгс
Влажность
древесины
W, %
Предел прочности при изгибе, МПа
Rизг W
Rизг 12%
текущее
среднее
10. Определение предела прочности древесины при скалывании
вдоль волокон
Особенностью древесины является то, что у нее очень низкая сопротивляемость скалыванию. Именно по этой причине не удается реализовать
высокую прочность древесины на растяжение, поскольку разрушение растянутых элементов будет происходить не от разрыва, а от скалывания и смятия
в местах их крепления. Поэтому древесину используют в основном в изгибаемых и сжимаемых конструкциях (балках, стойках, настилах) и реже – в растягиваемых элементах (затяжках стропильных ферм).
Форма и размеры образца для испытания на скалывание вдоль волокон
представлены на рис. 9, а. Штангенциркулем измеряют толщину образца и
длину скалывания и образец помещают в приспособление (рис. 9, б), установленное на нижней плите пресса. Сжимающую нагрузку на образец передают через нажимную призму с шаровой опорой до разрушения образца. По
шкале пресса устанавливают разрушающую нагрузку с погрешностью не более 10 %.
20
Рис. 9. Схема образца (а) и приспособления (б) для испытания древесины на прочность
при скалывании вдоль волокон:
1 – корпус; 2 – пружина; 3 – подвижная планка; 4 – ролики; 5 – нажимная призма с шаровой опорой
Предел прочности древесины при скалывании вдоль волокон в состоянии естественной влажности RскW, МПа, вычисляли по формуле:
,
(37)
где Pp – разрушающая нагрузка, Н (кгс);
b – ширина образца, мм (см);
l – длина скалывания, мм (см);
Полученные значения приводят к прочности при стандартной влажности Rск12% , МПа, по формуле
,
(38)
где
- поправочный коэффициент, равный 0,03;
W – влажность образца в момент испытаний, %.
Результаты испытаний и вычислений округляют до 1 МПа и заносят в
табл. 11.
Таблица 11
Результаты определения прочности древесины
при скалывании вдоль волокон
Номер
образца
Размеры плоскости скалывания b l, см
Разрушающая
нагрузка Рр , кгс
Влажность
древесины
W, %
21
Предел прочности
при скалывании, МПа
RскW
Rск12%
текущее
среднее
Аттестационные вопросы
1. Назовите положительные и отрицательные свойства древесины как строительного материала.
2. Какие древесные породы наиболее часто применяются в строительстве и
почему?
3. С какой целью определяется содержание поздней древесины? Опишите
методику определения содержания поздней древесины.
4. В каком виде влага может содержаться в древесине? Что называется пределом гигроскопичности древесины?
5. Как влияет влажность на свойства древесины? Опишите методику определения влажности древесины.
6. Что такое равновесная влажность древесины? Как и для чего ее определяют?
7. Опишите методику оценки плотности древесины в лабораторных и полевых условиях.
8. Как пересчитывается плотность древесины при любой влажности на
стандартную влажность?
9. Что такое усушка древесины и как она определяется?
10. Что такое разбухание древесины и как оно определяется?
11. Как влияет направление нагрузки на механические свойства древесины
и почему?
12. Как определяют предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон?
13. Как определяют предел прочности древесины при статическом изгибе?
14. Как определяют предел прочности древесины при скалывании вдоль
волокон?
15. В каких строительных конструкциях и деталях наиболее целесообразно
использовать древесину?
22
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ
ЛИТЕРАТУРЫ
1. Микульский, В.Г. Строительные материалы (материаловедение и
технология) [Текст] : учеб. пособие / В.Г. Микульский, Г.И. Горчаков, В.В.
Козлов, В.Н. Куприянов, Л.П. Орентлихер, Р.З. Рахимов, Г.П. Сахаров, В.М.
Хрулев. – М.: ИАСВ, 2002. – 536 с.
2. Попов, К.Н. Оценка качества строительных материалов [Текст] :
учеб. пособие / К.Н. Попов, М.Б. Каддо, О.В. Кульков; Под общ. ред. К.Н.
Попова. – М.: Высш. шк., 2004. – 287 с.
3. Попов, Л.Н. Лабораторные работы по дисциплине «Строительные
материалы и изделия» [Текст] : учеб. пособие / Л.Н. Попов, Н.Л. Попов. – М.:
ИНФРА-М, 2003. – 219 с.
4. Черкасов, С.В. Материаловедение [Текст] : лаб. практикум /
С.В.Черкасов, Л.Н.Адоньева; Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т. - Воронеж,
2009. - 88 с.
5. ГОСТ 16483.0-89. Древесина. Общие требования к физикомеханическим испытаниям.
6. ГОСТ 16483.1-84. Древесина. Метод определения плотности.
7. ГОСТ 16483.3-84. Древесина. Метод определения предела прочности
при статическом изгибе.
8. ГОСТ 16483.5-73. Древесина. Метод определения предела прочности
при скалывании вдоль волокон.
9. ГОСТ 16483.7-71. Древесина. Методы определения влажности.
10. ГОСТ 16483.10-73. Древесина. Методы определения предела прочности при сжатии вдоль волокон.
11. ГОСТ 16483.35-88. Древесина. Метод определения разбухания.
12. ГОСТ 16483.37-88. Древесина. Метод определения усушки.
13. ГОСТ 23431-79. Древесина. Строение и физико-механические свойства. Термины и определения.
23
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Осредненные физико-механические свойства и признаки
древесины хвойных пород
(при стандартной влажности 12 %)
Порода
Плот- Предел
прочности,
Отличительные признаки
*
ность, МПа ,
кг/м3
при
при
при
сжатии стати- скаческом лываизгибе нии**
Сосна европей- 500
49
86
7,5 Ядро от красноватого до буроватого цвеская
та; заболонь желтовато-белая; на всех
срезах резко различимы годичные слои;
легко режется и колется; издает запах
смолы, скипидара
Кедр сибирский 435
42
74
6,6 Цвет розоватый; ядро и заболонь схожи
(сосна кедровая)
с сосновыми, но менее резко отличаются
друг от друга; на поперечном срезе годовые слои хорошо различаются, на
остальных срезах различаются менее отчетливо; красивая текстура
Лиственница си- 660
65
112
9,9 Ядро от красно-бурого до бурого; забобирская
лонь желтовато-белая; на всех срезах годовые слои хорошо видны; издает запах
смолы; тяжело пилится, хорошо колется;
легко растрескивается при высыхании;
твердая (ногтем не царапается)
Ель обыкновен- 445
45
80
6,9 Цвет желтовато-белый; ядра нет; годоная
(европейвые слои более тонкие, чем у сосны;
ская)
ранняя древесина имеет рыхлое строение; на продольных распилах попадаются пустоты, заполненные смолой; легко
растрескивается
Пихта сибирская 375
39
69
6,4 Цвет белый или желтовато-сероватый;
ядра нет; годичные слои слабо видны,
так как слой поздней древесины очень
узок; легко распиливается; чертится ногтем; текстура неясная, мутноватая
Примечания:
*
- при приложении нагрузки вдоль волокон;
**
- вдоль волокон в радиальном направлении
24
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Осредненные физико-механические свойства и признаки
древесины лиственных пород
(при стандартной влажности 12 %)
Порода
Плот- Предел
прочности,
Отличительные признаки
*
ность, МПа ,
кг/м3
при
при
при
сжатии стати- скаческом лываизгибе нии**
Дуб
690
58
108
10,2 Ядро темно-бурого или желтоватокоричневого цвета; заболонь неширокая
(до 4 см) белая или светло-желтая; хорошо видны годичные слои, в которых
поздняя древесина составляет более
50 %; режется трудно, колется легко;
слабо коробится и растрескивается
Ясень обыкно- 680
59
123
13,9 Ядро светло-бурое; заболонь широкая
венный
белая или слегка розоватая; годичные
слои хорошо видны на всех разрезах;
легко режется, колется трудно; коробится и растрескивается незначительно
Бук
670
56
109
11,6 От желтоватого до красноватого цвета;
ядра нет; годичные слои хорошо видны;
твердая, легко колется и обрабатывается
Береза
650
55
110
9,3 Белого цвета с желтоватым оттенком;
ядра нет; годичные слои почти не видны;
режется посредственно, колется трудно;
коробится и растрескивается незначительно
Осина
495
43
78
6,3 Белого цвета с зеленоватым оттенком;
ядра нет; годичные слои плохо различимы; мягкая; усыхает умеренно и мало
растрескивается; плохо стругается, легко
раскалывается
Липа
495
46
88
8,6 Белого цвета с розоватым оттенком; ядра
нет; годичные слои почти не заметны;
мягкая; хорошо режется, обрабатывается
и колется
Примечания:
*
- при приложении нагрузки вдоль волокон;
**
- вдоль волокон в радиальном направлении
25
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Определение равновесной влажности древесины
Номограмма Н.Н. Чулицкого
Психрометрическая таблица
Показания
Относительная влажность , %, при разности показаний сухого и влажного
сухого тертермометров t, °С
мометра
t сух, °С
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12
100
89
78
68
57
48
38
29
20
11
13
100
89
79
69
59
49
40
31
23
14
6
14
100
89
79
70
60
51
42
34
25
17
9
15
100
90
80
71
61
52
44
36
27
20
12
16
100
90
81
71
62
54
46
37
30
22
15
17
100
90
81
72
64
55
47
39
32
24
17
18
100
91
82
73
65
56
49
41
34
27
20
19
100
91
82
74
65
58
50
43
35
29
22
20
100
91
83
74
66
59
51
44
37
30
24
21
100
91
83
75
67
60
52
46
39
32
26
22
100
92
83
76
68
61
54
47
40
34
28
23
100
92
84
76
69
61
55
48
42
36
30
24
100
92
84
77
69
62
56
49
43
37
31
25
100
92
84
77
70
63
57
50
44
38
33
26
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
Коэффициент пересчета плотности древесины
на стандартную влажность*
Влажность
W, %
5
6
7
8
9
10
11
12
13
KW12
0,980
0,972
0,983
0,977
0,986
0,981
0,989
0,985
0,992
0,989
0,995
0,993
0,997
0,996
1,000
1,000
1,002
1,004
KW12
Влажность
W, %
1,005
1,007
1,007
1,010
1,009
1,014
1,011
1,01 7
1,013
1,020
1,014
1,023
1,016
1,026
1,018
1,029
1,019
1,031
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Влажность
W, %
23
24
25
26
27
28
29
30
KW12
1,020
1,034
1,021
1,036
1,022
1,039
1,023
1,041
1,024
1,043
1,025
1,046
1,025
1,048
1,026
1,050
* Прим.: в верхней ячейке - для пород белая акация, береза, бук, граб и лиственница,
в нижней – для остальных пород.
27
ПРИЛОЖЕНИЕ 5
Полная усушка древесины разных пород
Усушка, %, в направлении
Вид древесины
продольном тангенциальном радиальном
Афзелия
0,2
4…4,5
2…3
Бальсовое дерево 0,6
3…5
2…3
Береза
0,6
3…5
2…3
Бук белый
0,5
10…12
6…7
Бук лесной
0,3
8…12
6…9
Вишня
Вяз
Груша
Дуб
Ель
Клен
Лимб
0,3
0,3
0,4
0,4
0,3
0,5
0,2
7…8
8
7…9
8…10
6…8
5…8
4,5…7,5
4…5
4,5
4…5
4…5
3…4
3…4
3…6
Лиственница
Орех
Пихта
Сосна (обычная)
Сосна смолистая
Тик
Ясень
0,3
0,5
0,1
0,4
0,2
0,4
0,2
7…8
8…12
7…9
6…8
7…7,5
4,5…6
7…8
3…5
5…6
3…4
3…4
4…5
2…3
4…5
28
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение…………………………………..………………………………….
1. Определение содержания поздней древесины в годичном слое……….
2. Определение влажности древесины……………………………………...
3. Определение равновесной влажности древесины………………………
4. Определение плотности древесины……………………………………...
5. Определение плотности древесины в полевых условиях………………
6. Определение усушки древесины…………………………………………
7. Определение разбухания древесины……………………………………..
8. Определение предела прочности при сжатии вдоль волокон………….
9. Определение предела прочности древесины при статическом изгибе…
10. Определение предела прочности древесины при скалывании вдоль
волокон………………………………………………………………………..
Аттестационные вопросы……………………………………………………
Библиографический список рекомендуемой литературы…………………
Приложение 1. Осредненные физико-механические свойства и признаки древесины хвойных пород (при стандартной влажности 12 %)………
Приложение 2. Осредненные физико-механические свойства и признаки древесины лиственных пород (при стандартной влажности 12 %)…...
Приложение 3. Определение равновесной влажности древесины……….
Приложение 4. Коэффициент пересчета плотности древесины на стандартную влажность………………………………………………………….
Приложение 5. Полная усушка древесины разных пород………………..
3
4
5
7
8
11
12
15
18
19
20
22
23
24
25
26
27
28
ИСПЫТАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ
Методические указания к выполнению лабораторных работ
по дисциплине «Строительные материалы»
для студентов, обучающихся по направлению
270800 «Строительство»
Составитель: к.т.н, доц. Алексей Иванович Макеев
Отпечатано в авторской редакции
Подписано в печать 28.06.2012. Формат 60 84 1/16. Уч.-изд. л. 1,8.
Усл.-печ. л. 1,9. Бумага писчая. Тираж 350 экз. Заказ № 326.
Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Воронежского ГАСУ
394006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84
29
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
8
Размер файла
779 Кб
Теги
древесины, 399, испытаний
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа