Определение физических и механических свойств древесины

Древесина является важным строительным материалом благодаря ряду положительных свойств: высокой прочности при небольшой плотности, малой теплопроводности, легкости механической обработки. Наряду с этим материалы из древесины имеют и существенные недостатки: различие свойств в разных направлениях, способность к усыханию, разбуханию и возгоранию. Остановимся на некоторых свойствах древесины и методах их определения.

Влажность W (%) определяют путем измерения и сравнения масс влажного и высушенного образцов древесного бруска размером 20х20х30 мм по формуле

где m ₁ и m ₂ - массы влажного и сухого образцов.

Плотность древесины r₀(W) при произвольной влажности определяют для образцов такого же размера по формуле:

r₀(W) = m_w / V_w,

где m_w, V_w - масса и объем образца при влажности W. Массу находят, взвешиванием, объем – штангенциркулем. Стандартной называют плотность при W = 12%. Ее определяют из формулы

r₀(W) = r₀(12)/[1 + 0,005(12 - W)],

из которой видно, что при увеличении W плотность увеличивается.

Определение усушки и разбухания древесины. При высыхании древесины от 30% (точка насыщения волокон) уменьшаются ее линейные размеры и объем, Т.е. происходит усушка. Обратное явление - разбухание древесины. Для среза образца древесины поперек волокон различают радиальное (а) и тангентальное (в) направления (см. рис. на обороте).

Различное строение древесины вдоль волокон и поперек их определяют и различное влияние влажности на величину усушки и разбухания. Так, в среднем изменение размеров древесины составляет: по длине волокон 0,1 %, в радиальном направлении 3-6%, а в тангентальном 6-12%. Поскольку усушка вдоль волокон незначительна, ее обычно не определяют. Линейную усушку древесины поперек

волокон (радиальную и тангентальную) определяют

на образце с размерами 20х20х30 мм по формулам:

где а, b - размеры влажного образца, а ₁, b, - размеры высушенного образца.

Коэффициенты линейной усушки по тем же направлениям определяют по формулам:

К_р = Y_p/W, К _т = Y _т /W.

Линейное разбухание древесины определяют сравнением размеров образцов при обычной и высокой влажности (после вымачивания).

Предел прочности при сжатии R_w вдоль волокон при данной влажности древесины определяют на испытательной машине. Испытание ведут до разрушения образца. Величину R_w вычисляем по формуле

R_w = Р _mах/ аb, где

Р _mах - максимальная нагрузка. При увеличении W R_w уменьшается согласно выражению

R_w = R ₁₂ /[1 + 0,04(W – 12)]

Отсюда находят R ₁₂ (предел прочности при стандартной влажности 12%). Наряду с пределом прочности при сжатии для древесины определяют предел прочности на растяжение вдоль волокон (аналогично тому, как это делается для металлов) и предел прочности при изгибе: R _изг = 3 P _max l /2 bh ², где Р _mах (Н)-максимальная разрушающая нагрузка, 1 - расстояние между опорами, b и h - ширина и высота образца, мм. Формула для пересчета на влажность 12% имеет такой же вид, как и формула для предела прочности.

44. Теплофизические свойства и их определение

Теплопроводность – свойство материала передавать тепло от одного его участка к другому. Атомы тела, где Т выше, обладают большой энергией и передают ее соседним атомам, обладающим меньшей энергией. Это ведет к выравниванию температуры внутри материала. Теплопроводность называют стационарной, если вызывающая ее разность температур сохраняется неизменной. Введем обозначения:

Q – передаваемое количество теплоты;

A – поперечное сечение проводника тепла;

t – продолжительность процесса передачи тепла;

DT – разность температур на концах проводника тепла;

l – длина проводника тепла;

l – коэффициент теплопроводности материала проводника;

Тогда

Q = l× А × t ×D T / l

Единица СИ коэффициента теплопроводности l – Вт/м × К.

Отношение Q/t называют тепловым потоком, его единица измерения – Вт. Все материалы в зависимости от величины l подразделяются на хорошие проводники тепла (металлы), плохие проводники тепла (бетон, кирпич) и теплоизоляторы (дерево, пенопласт): l ³ 100; l ~ 1; l ~ 10^-2, соответственно.

Теплопроводность является одним из главных свойств для большой группы теплоизоляционных материалов, а также для материалов, применяемых для стен и покрытий зданий. Воздух является теплоизолятором (l = 2×10^-2). Поэтому одним из способов уменьшения l является увеличение пористости материала. Вода в порах увеличивает теплопроводность (l = 0,58), а лед еще сильнее (l = 2,3).

Метод определения l основан на пропускании потока тепла от источника с известной мощностью через испытуемый материал с известными А, l и измерении DT. На практике теплопроводность каменных материалов определяют

из формулы Некрасова

,

где d –относительная плотность материала.

График зависимости l(d) приведен на рисунке.

Теплоемкость – способность материала аккумулировать тепло при нагревании и выделять его при остывании. Если D Q – количество тепла, переданного телу массой,

D T – увеличение температуры тела, то теплоемкость С определиться из формулы

С = D Q/m ×DT

Как видно, C = D Q, когда m = 1 кг, DT = 1°С, т.е. теплоемкость – это количество тепла, которое необходимо сообщить 1 кг материала, чтобы повысить его температуру на 1°С. Ниже приведены некоторые материалы, а в скобках указана их теплоемкость: сталь (0,50), бетон (0,80), древесина (2,50). Теплоемкость воды – 4,20, поэтому с повышением влажности материалов их теплоемкость возрастает. Значения теплоемкости нужны для теплотехнических расчетов. Определяют теплоемкость на калориметрах.

45. Проблема «состав-строение-свойство».