Влияние температурно-влажностного состояния

древесины на показатели её механических свойств (6 ч)

Древесина широко используется как конструкционный материал. Из нее изготавливаются различные конструкции и изделия, которые в процессе эксплуатации подвергаются различным механическим воздействиям. Температурно-влажностные условия, при которых эксплуатируются деревянные конструкций, могут быть различными. Поэтому, для создания надежных и долговечных деревянных конструкций необходимо знать, как изменяются механические свойства древесины при изменении её температуры и влажности.

 

Цель работы

Изучить влияние положительной и отрицательной температуры, количества связанной и свободной влаги, содержащейся в древесине на её механические свойства.

 

Содержание работы

У древесины, имеющей различную начальную температуру и влажность, производится определение следующих показателей физико-механических свойств: предел прочности при сжатии вдоль волокон, предел прочности при статическом изгибе, ударная вязкость.

 

Оборудование, приборы, инструменты, материалы

Для выполнения лабораторной работы используют следующие приборы: технические весы первого класса точности, штангенциркуль. Определение механических свойств древесины выполняют с использованием разрывной машины марки Р-5 и маятникового копра. Проведение исследований выполняют на образцах, изготовленных из древесины хвойных пород, размеры которых определены ГОСТ 16483.10-73*, ГОСТ 16483.3-84, ГОСТ 16483.4-73. Для создания низкой температуры образцов древесины используется морозильная камера «Бирюса -14».

Порядок выполнения работы

4.1 Определениепредела прочности древесины при сжатии вдоль волокон

4.1.1 Для проведения опытов используют образцы древесины со средними размерами 20´20´30 мм, последний размер вдоль волокон, (рисунок 4.1), имеющие различную влажность: ниже и выше предела насыщения клеточных стенок (W_пн) и температуру: (+ 20) ⁰С и (– 20) ⁰С.

4.1.2 Образцы следует промаркировать. Штангенциркулем измерить их точные размеры в поперечном сечении: в радиальном (в) и тангенциальном (а) направлениях. Точность измерения должна быть (± 0,1)мм. На технических весах определить массу образцов с точностью (± 0,01)г. Все данные заносят в таблицу 4.1.

4.1.3 Испытания выполняют на разрывной машине марки Р-5. Испытываемый образец устанавливают в центре площадки с шаровой опорой, расположенной на нижнем захвате машины.

4.1.4 Путем нажатия кнопки «пуск», а затем «вверх» создается нагрузка на образец до его разрушения. После этого нажимается кнопка «стоп» и «вниз». При расстоянии между захватами, достаточном для удаления образца с испытательной площадки, нажимается кнопка «стоп».

4.1.5 На шкале силоизмерителя фиксируется нагрузка (Рmax) c точностью (± 5) кгс, которую выдержал образец до разрушения.

4.1.6 После проведения испытаний разрушенные образцы высушивают в сушильном шкафу до абсолютно сухого состояния. Снова взвешивают. Рассчитывают влажность образцов при проведении испытаний. Все результаты записывают в таблицу 4.1.

 

Рисунок 4.1 – Образец древесины для определения предела прочности

при сжатии вдоль волокон

 

Таблица 4.1 – Характеристика образцов и результаты испытаний

Маркировка образца	Порода	Масса образца, г	Влажность образца, %	Температура образца, ^0С	Размер образца, мм	Максимальная нагрузка, кгс	Предел прочности при сжатии вдоль волокон, МПа
началь- ная	после высушивания	a	b	[σ]w	[σ]12

 

4.1.7 Предел прочности при сжатии вдоль волокон, кгс/см², рассчитывают по формуле

, (4.1)

где Рmax -максимальная нагрузка, кгс;

a - размер образца в тангенциальном направлении, см;

b - размер образца в радиальном направлении, см.

Для перевода полученной величины предела прочности древесины из размерности кгс/см² в МПа, используют следующее соотношение: 1 кгс/см² = 0,1 МПа.

4.1.8 Полученное значение предела прочности древесины при сжатии вдоль волокон при установленном значении начальной влажности (таблица 4.1) следует пересчитать для значения влажности 12 %. Пересчет выполняют по следующей формуле

 

[σ]₁₂ = [σ]_w [ 1 + a(W – 12)], (4.2)

 

где σ_w - предел прочности образца при сжатии вдоль волокон с влажностью в момент испытании, кгс/см²;

a - поправочный коэффициент на влажность, принятый для данного вида испытаний;

W - влажность образца в момент испытания, %.

В соответствие с ГОСТ 16183.10-73 поправочный коэффициент на влажность a принимают равным 0,04.

4.1.9 По внешнему виду образцов, которые были использованы при проведении опытов, необходимо определить характер разрушения древесины. Типичный характер разрушения древесины при сжатии вдоль волокон приведен на рисунке 4.2.

При испытаниях мало прочной древесины, а также древесины с высокой влажностью, наблюдается только смятие образцов у торцов. В остальных случаях образуется косая складка на тангенциальной поверхности образца (рисунок 4.2 а, б). Изменения микроскопического строения происходят, как правило, только в зоне разрушения, а в остальном объеме образца древесина остается неповрежденной.

 

4.2 Определение предела прочности древесины при статическом изгибе

4.2.1Для экспериментов используют образцы древесины со средними размерами 20×20×300 мм (последний размер вдоль волокон), имеющих различную начальную влажность (выше и ниже W_пн) и температуру (-20) ^оС и (+ 20) ^оС.

 

 

А б

а - косая складка; б - встречные косые складки с продольным расколом

 

Рисунок 4.2 - Типичные виды разрушения образца при сжатии вдоль

волокон

 

4.2.2 Перед проведением экспериментов образцы маркируют. С помощью штангенциркуля на середине каждого образца определяют его точные размеры в поперечном сечении, точность измерений (±0,1) мм. На технических весах с точностью (± 0,01) г определяют их начальную массу. Все полученные характеристики образцов записывают в таблицу 4.2.

 

Таблица 4.2 – Характеристика образцов и результаты вычислений

Маркировка образца	Порода	Масса образца, г	Влажность образца, %	Температура образца, ^0С	Размер образца, мм	Максимальная нагрузка, кгс	Предел прочности при статическом изгибе, МПа
началь- ная	после высушивания	h	b	[σ]w	[σ]12

 

4.2.3 Испытания выполняют на разрывной машине марки Р-5. Схема расположения образца и направление приложения нагрузки приведены на рисунке 4.3. Испытания всех образцов должны проводиться либо в тангенциальном (рисунок 4.3), либо в радиальном направлении.

 

Рисунок 4.3 Схема испытаний древесины на статический изгиб

 

4.2.4 После установки образца на опоры приспособления для проведения испытаний, нажимается кнопка «пуск», «вверх».

4.2.5 Создается нагрузка на образец до его разрушения. На шкале силометра фиксируется нагрузка (Р_max), которую выдержал образец.

4.2.6 Нажатием кнопки «стоп», «вниз» производится разъем захватов машины.

4.2.7 Предел прочности при статическом изгибе, МПа, для каждого исследуемого образца, вычисляют по формуле

 

σ_w = , (4.3)

 

где Р_max - максимальная нагрузка, которую выдерживает образец без разрушения, кгс;

L - расстояние между опорами, (в соответствии с ГОСТ16483.3-84 L = 24 см);

b - ширина образца, см;

h - высота образца (радиальное или тангенциальное направление), см.

Вычисленные значения предела прочности записывают в таблицу 4.2.

4.2.8 Сразу же после проведения испытаний образцы помещают в сушильный шкаф, где при температуре (103 ± 2) ⁰С высушивают до абсолютно сухого состояния.

4.2.9 После высушивания вычисляют влажность образцов в момент проведения испытания. Результаты записывают в таблицу 4.2.

4.2.10 Полученное значение предела прочности древесины при установленном значении начальной влажности (таблица 4.2) следует пересчитать для значения влажности 12 %. Пересчет выполняют по формуле (4.2). При выполнении расчетов значение коэффициента a следует принять равным 0,04. Результаты вычислений записывают в таблицу 4.2.