Лабораторная работа № 2 Вопросы допуска к выполнению лабораторной работы

Лабораторная работа № 2
ВЛИЯНИЕ СТРОЕНИЯ И ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ
НА ЕЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Вопросы допуска к выполнению лабораторной работы
1. К какому классу строительных материалов относится древесина?
2. Отрицательные и положительные свойства древесины?
3. Какой микро- и макроструктурой обладает древесина?
4. Как Вы понимаете выражение: древесина – материал анизотропный?
5. Что такое поздняя и ранняя древесина?
6. Причины коробления изделий из древесины.
7. Причины загнивания изделий из древесины.
8. Что такое стандартная влажность?
9. Какие изделия и конструкции получают из древесины, их применение в строительстве.
10. Способы защиты древесины от загнивания.
11. Способы защиты древесины от возгорания.
Древесина представляет собой природный органический материал
волокнистого строения.
Многовековое применение ее в качестве строительного материала
обусловлено высокой прочностью в сочетании с низкой средней плотностью, хорошими акустическими и теплоизоляционными свойствами, легкостью обработки, декоративностью и дешевизной.
Однако при использовании древесины в строительстве необходимо
учитывать недостатки этого материала, зависящие от его строения и состава, такие как неоднородность свойств по разным направлениям (анизотропия), наличие природных пороков, гигроскопичность, приводящие к изменению размеров древесины, короблению и растрескиванию, загниванию
при эксплуатации во влажных условиях и возгоранию при действии огня.
Цель работы:
Студент должен приобрести
1. Навыки:
– проведения испытаний по определению влажности, плотности,
прочности древесины стандартными и ускоренными методами;
– определения прочности древесины расчетными методами.
2. Умения:
– устанавливать зависимости между влажностью древесины и ее
плотностью, прочностью, теплопроводностью;
– анализировать влияние строения древесины на ее механические
свойства;
– оценивать прочность ускоренных и расчетных методов определения свойств древесины по отношению к стандартным.
13
Используемые приборы и оборудование:
1. Психрометр
2. Эксикатор
3. Сушильный шкаф
4. Лабораторные весы
5. Гидравлический пресс
6. Металлические линейки
7. Штангенциркуль
Для выявления влияния влажности и строения древесины на ее физико-механические свойства в работе используют образцы одной породы в
виде прямоугольных призм с основанием 20х20 мм и длиной 30 мм.
Результаты всех испытаний заносят в табл. 1, 2, 3, 4 тетради лабораторных работ.
Таблица 1
Физические свойства древесины
№ образца
Влажность
W, %
Условия хранения
образцов
1
Высушивание до постоянной массы при
температуре (103 2)оС
2
Длительное хранение
в комнатных условиях
до равновесной влажности
Содержание в эксикаторе при влажности
воздуха 95 %
Длительное выдерживание в воде
3
4
Средняя плотность, кг/м3
срW
ср12
ср12
Коэффициент
теплопроводности ,
Вт/м·К
0
Таблица 2
Предел прочности древесины на сжатие
вдоль волокон при разной влажности
Предел прочности
при сжатии, МПа
Номер образца, влажность, %
1
W1 =
2
W2 =
W
12
ср12
14
3
W3 =
4
W4 =
Таблица 3
Определение физико-механических свойств древесины
различными методами
Средняя плотность, кг/м3
срW2
по погружению
стержня
по погружению
диска
Предел прочности на сжатие, МПа, определенный
по средней
плотности
по содержанию
поздней древесины
экспериментально,
ср12
Таблица 4
Предел прочности древесины при сжатии
вдоль и поперек волокон
Предел прочности при сжатии, МПа при равновесной влажности древесины, w2
вдоль волокон
поперек волокон
1. Определение влажности древесины
Вода, содержащаяся в древесине, может находиться в свободном состоянии (капиллярная), располагаясь между волокнами; физически связанном, адсорбируясь на стенках пор и капилляров из воздуха (гигроскопическая) и химически связанном, входя в состав целлюлозы. Древесина относится к гидрофильным материалам, легко впитывающим и отдающим воду
при изменении температуры и влажности окружающей среды. Изменение
влажностного состояния влияет на ее физические и механические свойства.
Насыщение древесины водой вызывает увеличение плотности, повышение электро- и теплопроводности, снижение прочности. Поэтому оценку
качества древесины в строительстве проводят только по показателям, пересчитанным на стандартную влажность 12 %.
Наибольший интерес для строителей представляет равновесная влажность, приобретенная древесиной в результате длительного нахождения на
открытом воздухе или в помещении.
Равновесную влажность можно определить двумя способами: по
стандартной методике, используя психрометр и номограмму, и ориентировочно по диаметру расплыва капли окрашенного ацетона, нанесенного на
торец стандартного образца.
15
%
Относительная влажность воздуха,
Температура воздуха, 0С
Рис. 1. Номограмма равновесной
влажности древесины
(2 – 28 – равновесная влажность
древесины, % )
По первому методу на номограмме
(рис. 1) находят точку пересечения
координат относительной влажности и температуры воздуха в лаборатории, которые были определены
при помощи психрометра. Ближайшая к точке пересечения наклонная
линия и будет определять равновесную влажность образца.
По второму методу на центр
поперечного сечения стандартного
образца № 2 с помощью пипетки
наносят каплю окрашенного ацетона. Полученный диаметр расплыва замеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях с точностью до
1 мм.
Используя табл. 5, определяют
равновесную влажность древесины W2.
Таблица 5
Определение равновесной влажности древесины
при помощи окрашенного ацетона
Средний диаметр
следа, мм
Равновесная
влажность, %
Средний диаметр
следа, мм
Равновесная
влажность, %
12 – 13
10
21 – 22
30
14 – 15
15
22 – 23
35
15
16
20
25
23 – 24
24 – 26
40
50
Образцы № 3, 4 до содержания их в соответствующих условиях хранения (табл. 1) должны быть высушены до постоянной массы.
Влажность образцов W3, W4 в процентах определяют по формуле
W
m1
m2
m2
100 ,
(1)
где m1 – масса образца, г; m2 – масса образца, предварительно высушенного
до постоянной массы, г.
16
2. Определение средней плотности и коэффициента
теплопроводности древесины
Для определения средней плотности каждый из четырех образцов
взвешивают с точностью не менее 0,01 г. Среднюю плотность древесины
при определенной влажности cpw, г/см3 рассчитывают по формуле
m
,
V
срw
(2)
где m – масса образца, г; V – объем образца, см3
Средняя плотность исследуемой древесины
ной влажности равна
cp12
=
cpw
+ 2,5(12-W),
cp12,
г/см3 при стандарт(3)
где cpw – средняя плотность древесины при влажности W, г/см3;
W – влажность древесины, %; 12 – стандартная влажность, %; 2,5 – поправочный коэффициент.
По результатам испытаний четырех образцов определяют среднее
значение средней плотности древесины при стандартной влажности 1cp12.
Влияние влажности древесины на теплопроводность косвенно оценивают по коэффициенту теплопроводности , Вт/м ºС, который рассчитывают для каждого образца по формуле Некрасова
1,16 0,0196 0,22
2
срw
(4)
– средняя плотность древесины при влажности W, г/см3.
Полученные данные заносят в табл. 1
На строительной площадке при отсутствии приборов и оборудования
среднюю плотность древесины можно ориентировочно определить по погружению в воду образца в виде стержня или диска.
В первом случае на плоскость образца прямоугольного сечения длиной не менее 12 см при помощи линейки наносят через сантиметр десять
делений. Подготовленный образец-стержень подвешивают на нити и погружают в цилиндр с водой (рис. 2). По уровню свободного погружения
образца определяют его среднюю плотность. Так, на рис. 2 средняя плотность равна 0,58 г/см3 или 580 кг/м3.
где
cpw
17
При погружении в воду диска используют образец-диск диаметром 510 см, длиной 3-6 см. Диск крепят на нити и свободно погружают в цилиндр с водой (рис.3). Замеряют диаметр диска (d), глубину погружения (t)
с точностью до 0,1 см.
Рассчитывают отношение t/d и по графику (рис.4) определяют среднюю плотность древесины.
Результаты определения средней плотности различными способами
заносят в табл. 3 и сравнивают с данными табл. 6.
Таблица 6
Физико-механические свойства основных пород древесины
при стандартной влажности
Средняя плотность,
кг/м3
при влажности
12 – 15 %
470 – 540
при сжатии вдоль
волокон
при статическом изгибе
поперек волокон
48
35
Ель
440 – 500
44
80
Осина
420 – 500
42
78
Береза
630 – 650
35
110
Дуб
700 – 720
58
108
Порода
дерева
Сосна
Предел прочности, МПа
18
3. Определение предела прочности древесины
при сжатии вдоль волокон
Предел прочности определяют на образцах сечением 20x20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм. Образцы замеряют с точностью до 0,1 мм. С целью исследования влияния влажности древесины на ее механические свойства предел прочности при сжатии вдоль волокон определяют на четырех
образцах с различной влажностью (табл. 1).
Испытуемый образец устанавливают торцевой поверхностью на плиту
гидравлического пресса, зажимают и равномерно подают нагрузку со скоростью 2500 – 5000 Н/мин до разрушения образца. Предел прочности w,
Н/мм2, МПа, при сжатии вдоль волокон образцов с различной влажностью
вычисляют по формуле
w
=
P
,
ab
(5)
где Р – разрушающая нагрузка, Н; a, b – размеры поперечного сечения, мм.
Значение w2 для образца № 2 с равновесной влажностью заносят в
табл. 4.
Предел прочности при сжатии вдоль волокон 12, МПа, пересчитывают на стандартную влажность 12 % по формуле
12= w /К12
W
,
(6)
где w – предел прочности образца с влажностью W, МПа; К12W – коэффициент пересчета, определяемый по табл. 7.
Таблица 7
W
при плотности
12,
кг/м3
Влажность, %
Коэффициент пересчета К12
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
1
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
2
1,485
1,393
1,321
1,240
1,172
1,108
1,048
1,000
0,945
0,898
0,849
3
1,480
1,386
1,315
1,235
1,170
1,105
1,046
1,000
0,947
0.899
0,850
4
1 ,475
1,380
1,308
1,230
1,168
1,103
1,045
1,000
0,948
0,900
0, 852
5
1,463
1,375
1,300
1,228
1,163
1,102
1,044
1,000
0,949
0,901
0,855
6
1,450
1,363
1,290
1,221
1,160
1,100
1,042
1,000
0,950
0,903
0,860
7
1,430
1,345
1,275
1,210
1,151
1,095
1,041
1,000
0,951
0,910
0,868
8
1,403
1,330
1,262
1,200
1,142
1 ,090
1,040
1,000
0,955
0,915
0,873
9
1,380
1,308
1,245
1,188
1,132
1,083
1 ,038
1,000
0,960
0,920
0,892
10
1,348
1,280
1,221
1,170
1,120
1,078
1,032
1,000
0,063
0,925
0,892
11
1,310
1,250
1,200
1,150
1,110
1,070
1,030
1,000
0,968
0,935
0,902
12
1,270
1,220
1,176
1,135
1,098
1,061
1,028
1,000
0,970
0,941
0,915
19
Продолжение табл. 7
1
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
2
0,803
0,768
0,725
0,690
0,655
0,625
0,600
0,570
0,550
0,525
0,503
0,480
0,460
0,444
0,428
3
0,808
0,770
0,730
0,695
0,660
0,630
0,605
0,580
0,556
0,533
0,512
0,490
0,470
0,452
0,432
4
0,810
0,775
0,735
0,700
0,670
0,638
0,611
0,582
0,561
0,540
0,520
0,500
0,480
0,464
0,446
5
0,815
0,780
0,741
0,708
0,680
0,645
0,620
0,595
0,570
0,550
0,530
0,510
0,490
0,475
0,460
6
0,820
0,783
0,751
0,720
0,685
0,655
0,631
0,608
0,595
0,560
0,542
0,525
0,508
С, 492
0,476
7
0,833
0,798
0,764
0,730
0,700
0,672
0,650
0,625
0,608
0,585
0,567
0,548
0,530
0,515
0,502
8
0,850
0,806
0,780
0,740
0,720
0,693
0,670
0,647
0,628
0,610
0,590
0,570
0,552
0,536
0,525
9
0,855
0,818
0,790
0,760
0,740
0,710
0,690
0,668
0,650
0,630
0,612
0,600
0,580
0,570
0,555
10
0,865
0,848
0,808
0,785
0,760
0,738
0,716
0,695
0,676
0,660
0,645
0,632
0,620
0,607
0,596
11
0,880
0,855
0,830
0,810
0,788
0,765
0,746
0,730
0,714
0,700
0,686
0,672
0,660
0,650
0,640
12
0,890
0,870
0,850
0,830
0,810
0,795
0,780
0,765
0,750
0,736
0,723
0,710
0,698
0,688
0,680
Примечание. Коэффициенты пересчета К12W для промежуточных значений
плотности определяют линейным интерполированием коэффициентов К 12W для смежных значений плотности.
Полученные результаты испытаний заносят в табл. 2, сравнивают с
данными табл. 6 и используют для построения графика зависимости прочности древесины от влажности.
4. Определение прочности древесины
неразрушающими методами
Древесина представляет собой растущий природный материал,
вещественно состоящий в основном из целлюлозы. Строение древесины зависит от температурно-влажностных условий роста и объема поступающих питательных веществ и оказывает существенное влияние на
ее свойства. Так средняя плотность зависит от породы дерева, его пористости, содержания ранней и поздней древесины. С увеличением
плотности прочность древесины возрастает.
Именно эти зависимости положены в основу эмпирических формул расчета прочности древесины при сжатии, которые были получены
в результате анализа большого объема экспериментальных данных.
На поперечном срезе ствола изучают годичные кольца, каждое из которых состоит из слоя ранней древесины (весна – лето), светлоокрашенной
пористой малопрочной и недолговечной, и слоя поздней древесины (лето –
осень), темного плотного прочного и водостойкого за счет насыщения
смолой. Чем больше в породе дерева поздней древесины, тем она плотнее
и прочнее.
20
Для определения процентного содержания поздней древесины на поперечном сечении образца № 2 наносят линию, перпендикулярную годовым кольцам, на ней выбирают отрезок не менее 20 мм, на котором с помощью штангенциркуля с точностью до 0,1 мм измеряют ширину поздней
древесины (темные участки) в каждом годичном слое (рис. 5). Все полученные величины суммируют и вычисляют по формуле содержание поздней древесины т, %
m
(a1
a2
an
... an )100
l
l
100,
(7)
где a1 , a2 , an – ширина поздней древесины в каждом годичном слое, мм;
l – расстояние между границами определения содержания поздней древесины, мм.
Рис. 5. Определение процентного содержания поздней древесины
Прочность древесины при сжатии вдоль волокон 12, кгс/см2, в зависимости от содержания поздней древесины при стандартной влажности
рассчитывают по формуле
(8)
12=Аm+В,
где т – содержание поздней древесины, %; А, В – коэффициенты, принимаемые по табл. 8.
Прочность древесины при сжатии вдоль волокон 12, МПа, в зависимости от средней плотности при стандартной влажности рассчитывают по
формуле
12=С
1
ср12
+D,
(9)
где 1 ср12 – среднее значение средней плотности древесины при стандартной влажности, г/см3; С, D – коэффициенты, принимаемые по табл. 8.
21
Таблица 8
Значение коэффициентов для определения прочности древесины
по процентному содержанию поздней древесины и средней плотности
Коэффициенты
Вид
испытания
Сжатие вдоль
волокон
А
лиственные
породы
3,2
В
хвойные
породы
6
лиственные
породы
300
С
68
хвойные
породы
300
D
61
–
10
Полученные значения записывают в табл. 3 и сравнивают с результатами испытания древесины разрушающим методом.
5. Определение влияния строения древесины
на ее прочность
Анизотропия древесины – неодинаковость свойств по разным направлениям – связана с ее строением, а именно с ориентацией волокон вдоль
ствола.
В зависимости от направления приложения усилия (вдоль или поперек
волокон) прочность древесины будет различна.
Для исследования влияния строения древесины на ее прочность при
сжатии три образца с равновесной влажностью сечением 20х20 мм и длиной поперек волокон 30 мм испытывают на сжатие по методике, изложенной в п. 3. Определяют среднее значение предела прочности при сжатии и
записывают его в табл. 4.
По данным табл. 1, 2 строят зависимости плотности, теплопроводности и прочности древесины на сжатие вдоль волокон от влажности.
Анализируя полученные данные, делают выводы по работе в соответствии с поставленными целями.
Контрольные вопросы для защиты выполненной лабораторной работы
1. Как определить среднюю плотность древесины?
2. От чего зависит средняя плотность древесины?
3. Как определить влажность древесины?
4. Как определить равновесную влажность древесины?
22
5. С какой целью при оценке свойств древесины введен показатель стандартной влажности?
6. Какое влияние оказывает влажность древесины на ее плотность, теплопроводность, прочность?
7. Какое влияние оказывает строение древесины на ее свойства?
8. Как содержание поздней древесины влияет на свойства древесины?
9. Как анизотропность древесины влияет на ее свойства?
10.Что такое эмпирические формулы? На основании каких данных их выводят?
11.Какие данные необходимо иметь для расчета прочности древесины неразрушающими методами?
Перечень ГОСТов, используемых при выполнении
лабораторной работы
1. ГОСТ 16483.0-89. Древесина. Общие требования к физикомеханическим испытаниям.
2. ГОСТ 16483.1-84. Древесина. Методы определения плотности.
3. ГОСТ 16483.7-71. Древесина. Методы определения влажности. С изменением № 3 от 19.02.88.
4. ГОСТ 16483.10-73. Древесина. Методы определения предела прочности при сжатии вдоль волокон. С изменением № 3 от 11.10.88.
5. ГОСТ 16483.18-72. Древесина. Методы определения числа годичных
слоев в 1 см и содержание поздней древесины в годичном слое.
23