CC BY
54
ДЕРЕВООБРАБОТКА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ, ВЫЗЫВАЮЩИХ СУШИЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ
В.П. ГАЛКИН, доц. каф древесиноведения МГУЛ, канд. техн. наук
Первопричина возникновения сушильных напряжений заключается в усушке древесины. В связи с перепадами влажности между поверхностью и внутренними зонами доски наблюдается усушка наружных слоев, сдерживаемая более влажными внутренними. Возникающие при этом напряжения от недопущенной усушки называют влажностными. При сушке под воздействием растягивающей нагрузки поверхностные слои приобретают остаточную (замороженную) деформацию удлинения. Поэтому в конце сушки, когда влажность в материале станет достаточно равномерной, удлиненные поверхностные слои будут сжатыми вследствие усушки внутренних зон доски. Представляло интерес исследование влажностных и остаточных деформаций, а также прочности и жесткости древесины при изменении влажности и температуры.
Для выполнения таких исследований была сконструирована экспериментальная установка, с помощью которой можно определить:
- модуль упругости древесины;
- предел прочности в направлении поперек волокон;
- несиловые влажностные деформации - свободную усушку;
- деформации от стеснения усушки;
- деформативность древесины при ее нагружении в условиях регулируемой в широком диапазоне влажности и температуры окружающего воздуха.
Установка оснащена электронным измерителем влажности древесины Sh 0401 производства ЗАО Научная электроника.
Экспериментальная установка представлена на рис. 1.
Исследования проводили в тангенциальном направлении поперек волокон на образцах древесины ясеня сечением (3 - 4) х 17 мм и длиной рабочей части 30 мм. Образец находился в захватах горизонтального нагружающего устройства, расположенного внутри климатической камеры (на рис. 1 камера снята и видна на втором плане). Климатическая камера оснащена увлажнителем, нагревательным устройством, психрометром и вентилятором с регулируемой скоростью вращения. По высоте камера разделена горизонтальной перегородкой. В нижней части смонтирован вентилятор, создающий вертикально-горизонтальную схему циркуляции воздуха.
Рис. 1. Экспериментальная установка
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2010
229
ДЕРЕВООБРАБОТКА
Рис. 2. Образец для измерения деформации в тангенциальном направлении
-•-Т = 60 С —Т = 70 С — Т = 80 С
Рис. 3. Влияние температуры на тангенциальную усушку древесины ясеня
На пути воздушного потока расположена электрическая спираль и сверху над перегородкой психрометр. Нижний воздуховод образуется, когда камера устанавливается на горизонтальную станину экспериментальной установки. В процессе эксперимента направление циркуляции совпадает с плоскостью испытуемого образца и таким образом воздух омывает его поверхность снизу и сверху. Внутри камеры находится емкость, которая может заполняться водой. В этом случае образец оказывается погруженным в воду. Таким образом, можно высушивать, увлажнять и нагружать образец, не прерывая процесс измерения деформаций. Нагружение образца можно осуществлять, создавая натяжение с помощью микрометрического винта, либо используя съемные грузы. Величина нагрузки, приложенной к образцу, измеряется тензометрическим силоизмерителем. Для регулирования температуры и влажности используется двухканальный измеритель - регулятор ТРМ202 производства фирмы «ОВЕН». Текущие значения силы и температуры сухого и смоченного термометра отображаются на дисплее и могут выводиться на ПК по RS-485. Деформация образца измеряется индикатором часового типа ИЧ-10 с ценой деления 0,002 мм.
Внешний вид образцов и структурные направления показаны на рис. 2.
Ранее, на поперечных срезах древесины толщиной 500 мкм, нами было показано, что зависимость усушки от влажности представлена двумя диапазонами: начальным - нелинейным и при влажности менее 15 % - диапазоном линейной усушки. При увеличении температуры наблюдалось сокращение нелинейного участка зависимости усушки от влажности. Однако установить температурные зависимости усушки не удалось в связи с ограничением максимальной температуры на уровне 50 °С. Поэтому предстояло исследовать зависимость усушки от влажности при более высокой температуре.
Для экспериментов использовали образцы, полученные последовательными резами из одной заготовки. Усушку измеряли при стабильных значениях температуры 60, 70 и 80 °С. Начальная влажность образцов составляла около 100 %. Эксперименты выполняли по следующей методике. В камере создавали насыщенное состояние воздуха и требуемую температуру. Потом влажность воздуха в камере снижали, чтобы показания смоченного термометра отличались на 2 °С, и выдерживали образец до тех пор, пока не стабилизируется его влажность. Затем ступенчато, через 1 °С продолжали снижать показания смоченного термометра, каждый раз выдерживая образец до тех пор, пока показания влагомера не станут постоянными. В первой серии опытов, при возникновении усушки, эксперимент прекращали, выкалывали из образца центральную часть размером 10-12 мм и весовым методом уточняли влажность древесины. Другие эксперименты выполняли до тех пор, пока увеличивается усушка, при заданной температуре, а далее постепенно повышали температуру до 103 °С, добиваясь полной усушки древесины. Полученные зависимости влияния температуры на тангенциальную усушку ясеня приведены на рис. 3.
Наличие двух диапазонов на зависимости усушки от температуры древесины объясняется следующими причинами. Нелинейность в начале усушки возникает в результате наличия воды микрокапиллярной конденсации. При увеличении температуры ослабевают капиллярные силы удерживаю-
230
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2010
ДЕРЕВООБРАБОТКА
щие воду, в результате чего снижается значение влажности начала усушки. Силы адсорбционного взаимодействия древесины с водой больше капиллярных и практически не зависят от температуры.
На основании результатов выполненных исследований получено аналитическое описание зависимости усушки от текущей влажности древесины, включающее 2 диапазона. Начальный диапазон термозависимой усушки от WHK до 15 % и диапазон усушки, не зависимой от температуры, от 15 % и менее. Зависимость усушки от влажности определяется следующими выражениями
0 npu W > WnH
РЧ
0,75pmax •WT
W
+ 0,75pn
ПН
(1)
npu 15 < WT < WnH
Pmax(1 - 0,05 WT ) nPU W < 15%
В свою очередь, значение WnH определяется выражением
WnH = 20 + 0,125(100 - t°C). (2)
Дифференциальный коэффициент усушки Кр определяется выражением
К
в
вМАХ / 20 при W < 15% <0,25 •вмнх /(W -15%) при 15% < W < WnH
(3)
Проведенные исследования показывают, что древесина содержит около 20-23 % адсорбционной воды. Нелинейный участок зависимости усушки от влажности древесины возникает в результате наличия воды микрокапиллярной конденсации.
Для определения модуля упругости и предела прочности использовали сухие образцы, влажностью около 6 % и влажностью около 100 %. Эксперименты выполняли на трех температурных уровнях: 20, 60 и 80 °С. Определение предела прочности древесины выполняли на образцах, которые предварительно фрезеровали по ширине, формируя зону разрушения для исключения краевого эффекта, вызываемого обжатием образца в захватах. Модуль упругости рассчитывали по величине нагрузки и деформации образцов, которые нагружали с помощью микрометрического винта. Предел прочности определяли
по максимальным напряжениям, предшествующим разрушению.
На основании выполненных исследований с линеаризацией зависимости модуля упругости и предела прочности от температуры и влажности древесины были получены следующие выражения:
'[-21,8 + (0,148-г°С)]-Жг +
Е = \
+(902 - 6,6t°C) npu0<W< WnH [-21,8 + (0,148-Г°С)]-^яя +
+(902 - 6,6t°C) при W > WnH
(4)
®ПР '
[-0,394 + (0,0024 • t°C)] • WT + +(14,9 - 0,09t°C) npu 0 < W < WnH [-0,394 + (0,0024 • t°C)] • WnH + +(14,9 - 0,09t°C) npu W > WnH
(5)
где WT- текущая влажность древесины;
WnH- влажность предела насыщения клеточных стенок древесины.
Выводы
Разработана экспериментальная установка, позволяющая определять модули упругости и пределы прочности древесины, несиловые влажностные деформации, деформации от стеснения усушки, деформатив-ность древесины при ее нагружении в условиях регулируемой влажности и температуры окружающего воздуха, поведение древесины при повышенной температуре и влажности окружающей среды.
Установлены зависимости усушки и предела насыщения клеточных стенок от температуры древесины.
Получены графические зависимости, отражающие влияние повышенной температуры на тангенциальную усушку древесины ясеня.
Установлены более точные зависимости, позволяющие рассчитывать усушку и коэффициент усушки в зависимости от влажности древесины.
Получены выражения, позволяющие определять модуль упругости и предел прочности ясеня в тангенциальном направлении поперек волокон, в зависимости от температуры и влажности древесины.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2010
231
