Rozprawa naukowa nr 485

Optymalne wykorzystanie drewna na cele konstrukcyjne wymaga obszernej wiedzy m.in. o kształtowaniu się i zmienności jego parametrów mechanicznych. Uzależnione są one bowiem od wielu czynników. Do ich podstawowych determinant zalicza się szeroko pojętą strukturę drewna oraz jego wilgotność. Zagadnienia te podjęto w wielu opracowaniach, traktują one jednak zwykle odrębnie o każdym z nich. Nieliczne prace sugerują natomiast, że wpływ wilgotności drewna na parametry wytrzymałościowe uwarunkowany jest jego strukturą.  W szczególności wpływ ten może zależeć głównie od ułożenia łańcuchów celulozy w ścianie komórkowej.

[fragment książki]

Wprowadzenie. Drewno konstrukcyjne, oprócz wymaganej odpowiedniej wytrzymałości i trwałości, powinno charakteryzować się wysoką sztywnością, a więc małymi odkształceniami zapewniającymi trwałość formy. Specyfiką drewna jest jego higroskopijność i wiążące się z nią odkształcenia wilgotnościowe, a także znaczący wpływ zmian wilgotności ścian komórkowych na jego paramety mechaniczne. Wymagania, jakie stawia się drewnu konstrukcyjnemu, w zakresie parametrów mechanicznych i odkształceń wilgotnościowych istotnie uwarnnkowane są jego ultrastrukturą – głównie kątem nachylenia mikrofibryli w pokładzie S₂ wtórnej ściany komórkowej (MFA). Łatwo mierzalna gęstość drewna, parametr często stosowany w praktyce do oceny przydatności drewna do tego zastosowania, nie zawsze jest dobrym odzwierciedleniem tych wymagań. Współczesne metody badań drewna (np. kompleksowa metoda SilviScan) pozwalają natomiast na szybką jego ocenę na podstawie m.in. ultrastruktury. W celu interpretacji uzyskiwanych wyników tych badań potrzebna jest jednak szeroka wiedza w tym zakresie. Mając to na względzie, wykonano niniejszą pracę, której głównym celem było bliższe poznanie wilgotnościowych i ultrastrukturalnych uwarunkowań kształtowania się parametrów mechanicznych drewna sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) rozciąganego podłużnie, zarówno doraźnie, jak i długotrwale. Celem pracy było w szczególności zweryfikowanie hipotezy, że wpływ wilgotności na parametry mechaniczne drewna uwarunkowany jest jego ultrastrukturą.

Metody. Przeprowadzono badania kształtowania się wytrzymałości, modułu sprężystości i odkształcenia niszczącego rozciąganego podłużnie drewna wczesnego i późnego, zależnie od wilgotności ścian komórkowych i MFA. Zbadano również pełzanie drewna przy stałej niskiej i wysokiej jego wilgotności, a także pełzanie mechaniczno-wilgotnościowe w warunkach jego nawilżania i powrót poodkształceniowy, w zależności od MFA. Do badań użyto mikrotomowych, prostopadłościennych, skrawanych stycznie i promieniowo próbek o długości mierzonej wzdłuż włókien równej 90 mm i o przekroju 10 x 0,25 mm. Rozciąganie doraźne przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej, a długotrwałe (pełzanie) przy użyciu prototypowej pełzarki laboratoryjnej. Pomiarów MFA dokonano metodą bezpośrednią, po wcześniejszej wizualizacji przebiegu mikrofibryli w ścianach komórkowych.

Wyniki. Wykazano, że wytrzymałość i moduł sprężystości rozciąganego wzdłuż włókien drewna wczesnego są praktycznie niezależne od wilgotności ścian komórkowych. Wytrzymałość i moduł sprężystości drewna późnego wyraźnie obniżają się natomiast wraz ze wzrostem jego wilgotności w przedziale higroskopijnym. Odkształcenia w momencie zerwania drewna wczesnego są tym większe, im wyższa jest jego wilgotność. W przypadku drewna późnego nie zaobserwowano wyraźnego wpływu zawartości w nim wody związanej na ten parametr. Wpływ wilgotności na parametry wytrzymałościowe drewna zdeterminowany jest przeciętnymi wartościami MFA. Uwidacznia się on głównie w przypadku niskich wartości, tzn. do ok. 14°. Wytrzymałość i moduł sprężystości drewna o wyższych przeciętnych wartościach MFA są praktycznie stałe i niezależne od jego wilgotności. Wzrost MFA od 10° do 18° powoduje liniowy wzrost całkowitego pełzania rozciąganego podłużnie drewna w zakresie wartości naprężenia, pod wpływem których drewno zachowuje się w sposób liniowo lepko-sprężysty. Dla wyższych wartości MFA odkształcenia są większe, niż wynikałoby to z liniowej aproksymacji tej zależności dla kątów mieszczących się w przedziale 10-18°. Intensywność pełzania właściwego drewna rozciąganego wzdłuż włókien, w warunkach stałej wysokiej jego wilgotności, rośnie wraz ze wzrostem MFA. W przypadku drewna o stałej niskiej wilgotności nie zawsze daje się zauważyć taką prawidłowość. Względna podatność na pełzanie drewna, w warunkach działania stałego naprężenia podczas rozciągania i wzrostu jego wilgotności w zakresie higroskopijnym, jest w zakresie MFA do 18° praktycznie niezależna od tych wartości. W przypadku wyższych wartości MFA obserwuje się wzrost względnej podatności na pełzanie ze wzrostem MFA. W analizowanym przedziale MFA relacja pomiędzy udziałem odkształceń powrotnych natychmiastowych, drewna uprzednio nawilżanego w trakcie rozciągania podłużnego, a udziałem sprężystego odkształcenia natychmiastowego w odkształceniu całkowitym wynosi przeciętnie 0,8. Zmniejszanie się udziału odkształceń powrotnych natychmiastowych w odkształceniach całkowitych oraz wzrost udziału odkształceń trwałych w odkształceniach całkowitych wraz ze wzrostem MFA świadczą o reorientacji mikrofibryli podczas mechaniczno-wilgotnościowego pełzania drewna.

Wstęp

1. Geneza zagadnienia

2. Przegląd literatury
2.1. Informacje ogólne
2.2. Zmienność kąta nachylenia mikrofibryli
2.3. Wpływ kąta nachylenia mikrofibryli na właściwości mechaniczne drewna

3. Cel i zakres pracy

4. Metody badań
4.1. Dobór kształtu i wymiarów próbek
4.2. Sposób wykonania próbek
4.3. Sposób przeprowadzenia prób rozciągania
4.4. Sposób pomiaru kąta nachylenia mikrofibryli

5.  Wyniki badań i ich analiza
5.1. Doraźne rozciąganie
5.2. Pełzanie i powrót poodkształceniowy

6. Podsumowanie i wnioski

Literatura

Introduction. Construction timber should be characterised by high strength and durability but also high stiffness ensuring low deformations and stability of the forms made of it. Wood is hygroscopic so it is subject to moisture-related deformations and moisture-related changes in its mechanical parameters. The mechanical parameters of wood and moisture-related deformations are closely dependent on its ultrastructure, mainly the arrangement of microfibrils in the S₂ layer of the secondary cell wall measured by the microfibril angle (MFA). Easy to measure wood density that has been often used for evaluation of wood properties is not always sufficient for this purpose. Contemporary methods of wood examination, e.g. the SilviScan method, permit easy evaluation of wood applicability based on the wood ultrastructure, however, interpretation of results needs vast knowledge in the area. In view of the above, the study presented in this work was undertaken to better understand the dependence of mechanical parameters of Scots pine (Pinus sylvestris L.) wood under tensile stress along the grains applied for a short or long period, on moisture content and ultrastructural features. In particular, the aim of the study was to verify the hypothesis that moisture content influence on the mechanical parameters of wood depends on its ultrastructure.

Methods. The changes in the wood strength, modulus of elasticity and strain at break were measured for the earlywood and latewood under tensile stress as a function of moisture content and MFA. Measurements were also made of wood creep at a constant low or high moisture content, mechano-sorptive creep upon moistening and post-deformation recovery as a function of MFA. The measurements were performed on microtome, rectangular samples cut in tangential direction or in radial direction, of 90 mm (L) in length along the grains and cross-section 10 x 0.25 mm. Temporary tensile stress was applied on a test machine, while the long-term tensile stress (creep) was applied on a prototype laboratory creep-testing machine. MFA were measured by the direct method after visualisation of microfibrils in cell walls.

Results. The strength and modulus of elasticity of earlywood under tensile stress along the grains are practically independent of the moisture content. For latewood these parameters considerably descrease with increasing moisture content in the hygroscopic range. The values of strain at failure for earlywood increase with its moisture content, while for latewood no·dependence of this parameter on moisture content was noted. The effect of moisture content on the mechanical parameters of wood measured upon tensile stress depends on the mean MFA values and is the most pronounced for MFA up to about 14°. The strength and modulus of elasticity of wood samples showing higher mean MFA values are practically independent of its moisture content. An increase of MFA from 10 to 18° causes a linear increase in the total creep of wood under tensile stress along the grains of the values from the range in which wood shows viscoelastic behaviour. For higher MFA the strains are greater than those following from linear approximation of the relation established for MFA from the range 10-18°. The intensity of specific creep of wood under tensile strength along the grains at a constant high moisture content increases with increasing MFA. For the wood at a constant low moisture content such a relation is not always noticeable. Relative wood compliance to creep under constant tensile stress and rowing moisture content in the hygroscopic range, is practically independent of MFA varying in the range up to 18°. For higher MFA values the relative compliance to creep increases with increasing MFA. In the analysed range of MFA, the ratio between the contribution of instantaneous recovery strain of wood earlier moistened upon tensile stress and the contribution of elastic instantaneous strain in the total strain is on average of 0.8. It has been proved that a decrease in the contribution of instantaneous recovery strain in the total strain and an increase in the contribution of permanent strain in the total strain with increasing MFA is the evidence of microfibril reorientation upon mechano-sorptive creep of wood.