CC BY
0
ТЕХНОЛОГИИ И МАШИНЫ ЛЕСНОГО ДЕЛА FORESTRY TECHNOLOGIES AND MACHINES
Научная статья УДК 674.038.19
https://doi.Org/10.25686/2306-2827.2023.3.67
Физико-механические свойства дуба красного (Quercus rubra L.), произрастающего в условиях Республики Марий Эл
В. Ф. Краснова, В. Г. Красновм, Е. С. Шарапов, А. С. Торопов
Поволжский государственный технологический университет,
Российская Федерация, 424000, Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3 KrasnovV G@volgatech.netH
Введение. Процесс деградации дубрав заставляет учёных лесоводов искать перспективные древесные породы для обеспечения потребностей в сырье деревообрабатывающих предприятий. Одной из таких древесных пород является дуб красный (Quercus rubra L.), который устойчив к вредоносным патогенам, сосудистой и некрозно-раковой патологии, к низким температурам, отличается быстротой роста. Для промышленного использования дуба красного необходимо изучить влияние природно-климатических и лесорастительных условий на свойства древесины. Цель исследования — оценить физико-механические свойства древесины дуба красного, произрастающего в условиях Республики Марий Эл. Объекты и методы исследования. Объектом исследования является дуб красный, произрастающий в лесах Республики Марий Эл. Плотность древесины определялась согласно ГОСТ 16483.1-84, коэффициенты усушки — ГОСТ 16483.37-88, коэффициент разбухания — ГОСТ 16483.35-88, торцовая твёрдость — ГОСТ 16483.17-81, прочность при сжатии вдоль волокон — ГОСТ 16483.10-73. Результаты. Плотность древесины дуба красного в условиях Республики Марий Эл составляет 675,5+3,53 кг/м3, что выше, чем плотность древесины, произрастающей в Чехии (654 кг/м3), но меньше, чем у древесины, произрастающей в Канаде (760 кг/м3) и штате Миссисипи (756 кг/м3). У дуба красного при повышении плотности увеличивается торцовая твёрдость и предел прочности при сжатии вдоль волокон древесины. Торцовая твёрдость древесины дуба красного изменяется в пределах 66,3+0,58Н/мм2, аналогично дубу черешча-тому. Показатель предела прочности при сжатии вдоль волокон древесины дуба красного варьирует от 58,3+0,35МПа, что соответствует дубу черешчатому. Предел прочности при сжатии (а12) от плотности древесины (р12) описывается уравнением о12 = 16,295+0,063р12, стандартная ошибка аппроксимации (SEE) составляет 2,86 %, коэффициент детерминации (R2=0,41). Коэффициент усушки древесины дуба красного в тангенциальном направлении меньше, чем у основных древесных пород и составил 0,22 %, коэффициент усушки в радиальном направлении — 0,16 %, а коэффициент объёмной усушки — 0,40 %. Коэффициент разбухания в тангенциальном направлении также меньше, чем у основных древесных пород и составил 0,25 %, коэффициент разбухания в радиальном направлении — 0,16 %, коэффициент объёмного разбухания — 0,45 %. Заключение. Для древесины дуба красного применимы все способы раскроя, так как показатели предела прочности при сжатии вдоль волокон и торцовой твёрдости данной породы не зависят от протяжённости по радиусу ствола и направления сторон света. Древесина дуба красного будет меньше подвержена изменению линей-ныхразмеров при изменении влажности по сравнению с дубом черешчатым.
Ключевые слова: интродуцент; плотность древесины; коэффициенты усушки; коэффициент разбухания; торцовая твёрдость; прочность при сжатии вдоль волокон
© Краснова В. Ф., Краснов В. Г., Шарапов Е. С., Торопов А. С., 2023.
Для цитирования: Краснова В. Ф., Краснов В. Г., Шарапов Е. С., Торопов А. С. Физико-механические свойства дуба красного (Quercus rubra L.), произрастающего в условиях Республики Марий Эл // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер: Лес. Экология. Природопользование.
2023. № 3 (59). С. 67-77. https://doi.Org/10.25686/2306-2827.2023.3.67
Введение. Дуб красный (Quercus rubra L.) произрастает на северо-востоке США и юго-востоке Канады в различных природных условиях. Данная порода является быстрорастущей, а деревья достигают высоты от 20 до 27 м с диаметром ствола до 100 см и более. В оптимальных условиях дуб красный может расти до 500 лет [1].
На территорию России дуб красный был завезён в последние годы XIX века для озеленения населённых пунктов. С наступлением осени листва дуба красного окрашивается в яркие красные оттенки, за что он и получил своё название. Древесина этой породы является ценной и имеет благородную текстуру.
В условиях европейской части России дуб красный является древесной породой, устойчивой к таким вредоносным патогенам, как мучнистая роса, сосудистые и некрозно-раковые патологии. Также дуб красный менее чувствителен к атмосферным влияниям, хорошо выдерживает зимние температуры, но в молодом возрасте длительные периоды низких температур могут вызвать его подмерзание. По показателям морозостойкости дуб черешчатый уступает дубу красному. В связи с этим в некоторых регионах страны вместо дуба черешчатого стали высаживать дуб красный, который в будущем может занимать достаточно большой объём в лесном фонде Среднего Поволжья [2].
Плотность древесины является важной характеристикой древесины и влияет на качество пиломатериалов. Данный показатель имеет тесную связь с основными механическими свойствами древесины [3-5]. Показатель плотности в целлюлозной промышленности является важнейшим экономическим показателем выхода целлюлозы.
В работе [6] представлены результаты исследования прироста и плотности древесины дуба черешчатого (Q. robur) и дуба красного (Q. rubra), произрастающих на месте бывшего карьера по добыче угля на территории Чешской Республики. Дуб красный в данных условиях имеет большой средний прирост (4,91 мм) по сравне-
нию с робинией псевдоакацией (4,31 мм) и ясенем обыкновенным (3,98 мм). Диаметр дуба черешчатого на высоте 1,3 м варьирует в пределах 21,5 - 25 см, а диаметр дуба красного - от 23 до 27,5 см. Средняя высота дуба красного 16,0 м, а дуба черешчато-го - 13,5 м. Возраст данных древесных пород 35 лет.
Авторы данной работы подтверждают увеличение плотности древесины от центра ствола к его периферии. Наименьшее значение дуба красного выявлено вблизи сердцевины (647 кг/м3), а самые высокие значения были выявлены вблизи коры -661 и 662 кг/м3. У дуба черешчатого минимальные значения были выявлены в центральной части ствола - 693 кг/м3, а самые высокие значения были в периферийной части ствола и варьировали от 716 до 720 кг/м3.
Авторы работы отмечают, что среднее значение плотности древесины дуба красного составляет 654 кг/м3, а древесины дуба черешчатого - 707 кг/м3.
В статье [7] представлены результаты исследования вариации плотности древесины северного дуба красного в зависимости от условий произрастания. Средняя плотность древесины дуба, произрастающего в естественных насаждениях возле Хейвлок (Havelock), составила 760 кг/м3, а плотность дуба красного, произрастающего на плантации возле Сент-Анисе (Saint-Anicet, Канада), составила 734 кг/м3.
В работе [8] представлены результаты исследования плотности древесины дуба черешчатого, дуба скального и дуба австрийского, произрастающих на территории Словении. Плотность древесины дуба черешчатого и дуба скального в заболони составила 634 кг/м3, а в сердцевине -658 кг/м3, а для дуба австрийского - 776 и 767 кг/м3 соответственно.
В справочнике по древесине А. М. Боровикова и Б. Н. Уголева1 приведены фи-
1 Боровиков А. М, Уголев Б. Н. Справочник по древесине: Справочник/ Под ред. Б. Н. Уголева. М.: Лесная промышленность, 1989. 296 с.
зико-механические свойства древесины различных видов дуба. В работе также рассмотрены цвет, блеск, текстура, влажность древесины и свойства, проявляющиеся при её изменении. Плотность древесины дуба араксинского при 12 % влажности составила 800 кг/м3, коэффициент разбухания в радиальном направлении 0,16, в тангенциальном направлении 0,25, объёмный коэффициент - 0,43. Для дуба восточного -700 кг/м3, 0,14; 0,23; 0,39; для дуба грузинского - 780 кг/м3, 0,17; 0,26; 0,45; для дуба каштанолистного - 785 кг/м3, 0,24; 0,36; 0,62 и для дуба черешчатого - 690 кг/м3, 0,2; 0,3 и 0,52 соответственно.
Результаты исследованния физико-механических свойств древесины дуба красного и белого, произрастающих в условиях штата Миссисипи, приведены в работе [9]. В данных природно-климатических условиях плотность древесины дуба красного изменяется от 571 до 853 кг/м3, в среднем 699 кг/м3. Плотность древесины белого дуба меняется от 599 до 887 кг/м3, средний показатель -756 кг/м3. Удельный вес древесины дуба красного составлял 0,65, дуба белого - 0,71.
Цель исследования - оценить физикомеханические свойства древесины дуба красного, произрастающего в условиях Республики Марий Эл.
Задачи исследования:
1) определить плотность древесины дуба красного;
2) рассчитать коэффициенты усушки и разбухания;
3) определить торцовую твёрдость и предел прочности при сжатии вдоль волокон древесины дуба красного.
Объекты и методы. Объектом данного исследования выбран дуб красный, произрастающий в лесах Республики Марий Эл.
Плотность древесины определялась согласно ГОСТ 16483.1-84.
Плотность (pw) каждого образца при влажности W в момент испытания вычисляют в килограммах на кубический метр или в граммах на кубический сантиметр по формуле:
Pw =
a... * b, * l V..
w w w
mw mw
(1)
где mw - масса образца при влажности W, кг (г); aw, bw, lw - размеры образца при влажности W, м (см); Vw - объём образца при влажности W, м3 (см3).
При пересчёте плотности древесины к нормализованной влажности 12 % используют формулу:
P12 = Kw , (2)
K12
где K1w2 - коэффициент пересчёта при влажности образцов < 30 %, определяется по таблице в ГОСТ 16483.1-84.
Методика определения водопоглощения, коэффициентов усушки и разбухания. При подготовке образцов измеряли линейные размеры и взвешивали массу образцов после погружения в воду. Коэффициенты усушки и разбухания определяются по ГОСТ 16483.37-88 и ГОСТ 16483.35-88.
Определение механических свойств. Определение торцовой твёрдости древесины дуба красного проводилось в соответствии с ГОСТ 16483.17-81. При определении статической твёрдости определяли величину нагрузки при внедрении пуансона в древесину. Статическая твёрдость определялась как отношение величины нагрузки к площади проекции отпечатка (рис. 1).
Статическую твёрдость (HW) образца при влажности (W) в момент испытания при заглублении 5,64 мм вычисляют в Н/мм2 по формуле:
H.=Л, (3)
nr
где F - нагрузка при вдавливании пуансона в образец, Н; r - радиус полусферы пуансона, мм.
При радиусе полусферы 5,64 мм выражение nr2 равно 100 мм2. Статическая твёрдость была пересчитана на 12 % влажность.
Рис.1. Образцы после испытания Fig.1. Samples after testing
Методика определения предела прочности при сжатии вдоль волокон древесины дуба красного. Определение прочности при сжатии вдоль волокон осуществлялось по межгосударственному ГОСТ 16483.10-73.
Предел прочности каждого образца (aW) в МПа вычисляли по формуле:
P
а w=-гЬ (4)
a * b
где Pmax - максимальная нагрузка, Н; a, b -
размеры поперечного сечения образца, мм.
Вычисление выполняется с округлением до 0,5 МПа.
Полученные значения предела прочности при сжатии вдоль волокон пересчитали на 12 % влажность.
Для оценки достоверности различий между данными вычисляли показатель наименьшей существенной разности (НСР) по формуле:
НСР = tst • (2• s2/n)05, (5)
где значение критерия tst берём из соответствующей таблицы для степеней свободы ошибки; s2 - среднеквадратическое отклонение; n - количество измерений.
Результаты и их обсуждение. Обобщённые результаты исследования основных физико-механических свойств древесины дуба красного, произрастающего в условиях Республики Марий Эл, представлены в табл. 1.
Таблица 1. Среднестатистические показатели физико-механических свойств древесины дуба красного
Table 1. Statistical averages of physical and mechanical properties of red oak wood
Физико-механические свойства N x тх G V, % Р, %
Плотность, р12, кг/м3 131 675,50 3,530 40,44 6,0 0,52
Коэфф. усушки в радиальном направлении, % 32 0,16 0,004 0,02 13,2 2,34
Коэфф. усушки в тангенциальном направлении, % 32 0,22 0,006 0,03 15,5 2,78
Коэфф. объёмной усушки, % 32 0,40 0,007 0,04 10,6 1,87
Коэфф. разбухания в радиальном направлении, % 32 0,16 0,004 0,02 13,4 2,68
Коэфф. разбухания в тангенциальном направлении, % 32 0,25 0,007 0,04 14,5 2,89
Коэфф. объёмного разбухания, % 32 0,45 0,009 0,05 11,7 2,07
Торцовая твёрдость древесины при 12,0 % влажности, Н/мм2 244 66,30 0,580 9,08 13,7 0,90
Предел прочности при сжатии вдоль волокон 12,0 % влажности, МПа 131 58,30 0,350 3,99 6,8 0,60
Примечание: N - количество образцов; x - среднее значение; тх - ошибка среднего; G - среднее квадратическое отклонение; V- коэффициент изменчивости; p - точность опыта.
Исследования показали, что наибольшая изменчивость выявлена в следующих показателях: коэффициент усушки в тангенциальном направлении (V=15,5 %), коэффициент разбухания в тангенциальном направлении (V=14,5 %) и торцовая твёрдость древесины (V=13,7 %), в связи с чем, необходимо выявить, от каких факторов зависит изменчивость вышеперечисленных показателей.
Если сравнивать значение плотности древесины, произрастающей в Чешской Республике (654 кг/м3) [4], нужно отметить, что полученное нами значение превышает этот показатель и варьирует в пределах 675,5±3,53 кг/м3, но оно меньше, чем у древесины, произрастающей в Ка-
наде (760 кг/м3) [5] и штате Миссисипи (756 кг/м3) [8].
Зависимость статической твёрдости (H12) от плотности древесины (р12) описывается уравнением H12=17,521+0,138р12,
стандартная ошибка аппроксимации (SEE)
составляет 7,76 %, коэффициент детерми-
2
нации (R =0,56) (рис. 2, В). При повышении плотности увеличивается торцовая твёрдость древесины дуба красного.
Показатель предела прочности при сжатии вдоль волокон древесины дуба красного варьирует от 58,3±0,35 МПа, что соответствует показателю дуба черешчатого. Также этот показатель не зависит от протяжённости по радиусу ствола и сторон света.
Рис. 2. Зависимость физико-механических свойств древесины дуба от разных факторов:
А — влияние расстояния от сердцевины на статическую твёрдость древесины; Б — влияние расстояния от сердцевины растущих деревьев на плотность древесины и предел прочности при сжатии вдоль волокон; В — зависимость статической твёрдости от плотности древесины;
Г — зависимость предела прочности при сжатии вдоль волокон от плотности древесины Fig. 2. Dependence of the physical and mechanical properties of oak wood on various factors:
A — influence of the distance from the heartwood on the static hardness of wood; B — influence of the distance from the heartwood of growing trees on the density of wood and its ultimate strength in compression parallel to grain; С — dependence of static hardness on wood density; D — dependence of the ultimate strength in compression parallel to grain on wood density
Взаимосвязь предела прочности при сжатии (о12) и плотности древесины (р12) описывается уравнением
о12 = 16,295 + 0,063 • р12, (6)
стандартная ошибка аппроксимации (SEE) составляет 2,86 %, коэффициент детерминации (R2=0,41) (рис. 2, Г).
Показатели коэффициента усушки и разбухания древесины дуба красного приведены в табл. 1. Коэффициент усушки древесины дуба красного в тангенциальном направлении меньше, чем у основных древесных пород [10] и составил 0,22 %, коэффициент усушки в радиальном направлении - 0,16 %, а коэффициент объёмной усушки - 0,40 %. Коэффициент разбухания в тангенциальном направлении также меньше, чем у основных древесных пород [10] и составил 0,25 %, коэффициент разбухания в радиальном направлении - 0,16 %, коэффициент объёмного разбухания - 0,45 %.
Торцовая твёрдость древесины дуба красного изменяется в пределах 66,3±0,58 Н/мм2, что соответствует показателю дуба черешчатого. В результате обработки экспериментальных данных получены графики зависимости торцовой твёрдости по радиусу ствола (рис. 2, А). Исследования по-
казали, что стандартная ошибка аппроксимации статической твёрдости (SEE) составляет 7,76 %, коэффициент детерминации (R2=0,27) и описывается уравнением
Я12 = 56,152 + 0,248 • L, (7)
где L - расстояние от сердцевины растущего дерева (рис. 2, А).
В работе проведены исследования торцовой твёрдости древесины по направлениям сторон света (табл. 2).
В результате статистической обработки цифрового материала установлено, что в исследовании есть достоверные различия между средними арифметическими значениями отдельных вариантов на 5,0 % уровне значимости (Бфак. > Екр.0,05). Таким образом, исследования показали, что направление сторон света не влияет на торцовую твёрдость древесины дуба красного (10,4 %), а зависит от иных прочих факторов (89,6 %). Результаты оценки достоверности различий торцовой твёрдости по вариантам опыта отражены в табл. 3. Приведённые данные показывают, что все варианты достоверно отличаются по торцовой твёрдости древесины. Наиболее значительные различия показателя торцовой твёрдости древесины дуба красного выявлены между западной и северной сторонами.
Таблица 2. Результаты дисперсионного анализа влияния направления сторон света на средние значения торцовой твёрдости древесины дуба красного
Table 2. Results of the variance analysis of the influence of the cardinal directions on the mean values of end hardness of red oak wood
Дисперсия Сумма квадратов Число степеней свободы Средний квадрат Значение критерия Фишера* Доля влияния фактора, %
Между группами 2 182,4 3 727,5 10,4
Внутри группы 18 726,5 230 81,4 8,93 89,6
Общая 20 908,9 233 100
Примечание: критическое значение критерия Фишера при Р = 0,05 равно 2,64.
Таблица 3. Результаты оценки достоверности различий торцовой твёрдости между вариантами однофакторного опыта
Table 3. The results of assessing the reliability of differences in end hardness between the variants of the single factor experience
Вариант опыта Среднее значение Различия между вариантами опыта
II III IV
I (юг) 68,76 2,91 5,6 2,82
II (север) 65,85 - 8,51 5,73
III (запад) 74,36 - - 2,78
IV (восток) 71,58 - - -
НСР05 1,67* - - -
Примечание: * HCP05 = 1,98 * (2 * 81,4/230)0,5 = 1,67.
Зависимость влияния направления сторон света на значение предела прочности древесины при сжатии вдоль волокон приведена в табл. 4.
Исследования показали, что варианты опыта достоверно отличаются по средним арифметическим значениям на пятипроцентном уровне значимости (Рф акт. Ркрит.(0,05) 2,68), но направле-
ние сторон света не влияет на прочность при сжатии вдоль волокон древесины дуба красного (8,6 %), а зависит от иных прочих факторов (91,4 %).
Результаты оценки достоверности различий предела прочности при сжатии вдоль волокон по вариантам опыта приведены в табл. 5.
Приведённые данные показывают, что II и III варианты достоверно не отличаются от I и II. Третий вариант существенно отличается от I, IV - от I, II и III. Наиболее значимые различия показателя предела прочности при сжатии вдоль волокон между северной и восточной сторонами.
Зависимость плотности древесины от предела прочности при сжатии вдоль волокон приведена на рис. 2, Г. При повышении плотности увеличивается предел прочности при сжатии вдоль волокон древесины дуба красного.
Использование стандартных разрушающих методов определения физико-механических свойств древесины является ресурсозатратным процессом. Для оперативного определения внутреннего состояния древесины в растущих деревьях было выборочно использовано мобильное устройство для измерения сопротивления сверлению IML RESI PD-400 и новое стандартное тонкое буровое сверло (IML System GmbH, Вислох, Германия) длиной 400 мм. Применение данного метода исследования позволило установить наличие сердцевинной гнили и пустот в исследуемых деревьях дуба красного. При этом сам параметр сопротивления сверлению может быть использован для косвенного определения (прогнозирования) плотности и других физико-механических свойств древесины [11-13].
Таблица 4. Результаты дисперсионного анализа влияния направления сторон света на значение предела прочности при сжатии вдоль волокон, МПа
T able 4. Results of the variance analysis of the influence of the cardinal directions on the value of the ultimate strength in compression parallel to grain, MPa
Дисперсия Сумма квадратов Число степеней свободы Средний квадрат Значение критерия Фишера* Доля влияния, %
Между группами 176,6 3 58,9 - 8,6
Внутри группы 1 888,2 127 14,9 3,96 91,4
Общая 2 064,8 130 - - 100
Примечание: * критическое значение критерия Фишера при Р = 0,05 равно 2,68
Таблица 5. Результаты оценки достоверности различий предела прочности при сжатии вдоль волокон между вариантами однофакторного опыта
Table 5. The results of assessing the reliability of differences in ultimate strength in compression parallel to grain between the variants of the single factor experience
Вариант опыта Среднее значение Различия между вариантами опыта
II III IV
I (юг) 58,97 0,53 1,58 2,61
II (север) 59,50 - 0,53 3,14
III (запад) 57,39 - - 1,03
IV (восток) 56,36 - - -
НСР05 0,96* - - -
Примечание: * HCP05 = 1,98 * (2 * 14.92/127)0,5 = 0,96.
Выводы
1. Плотность древесины дуба красного, произрастающего в условиях Республики Марий Эл, варьирует в пределах 675,5±3,53 кг/м3. Установлена закономерность изменения плотности древесины по радиусу ствола.
2. Коэффициент усушки древесины дуба красного в тангенциальном направлении меньше, чем у основных древесных пород и составляет 0,22 %, коэффициент усушки в радиальном направлении -0,16 %, а коэффициент объёмной усушки -0,40 %. Коэффициент разбухания в тангенциальном направлении также меньше, чем у основных древесных пород и составляет 0,25 %, коэффициент разбухания в радиальном направлении - 0,16 %, коэффициент объёмного разбухания - 0,45 %. Следовательно, древесина дуба красного меньше подвержена изменению линейных размеров
при изменении влажности по сравнению с дубом черешчатым.
3. Торцовая твёрдость древесины дуба красного изменяется в пределах 66,3±0,58 Н/мм2, что соответствует показателям дуба черешчатого. Показатель предела прочности при сжатии вдоль волокон древесины дуба красного варьирует от 58,3±0,35 МПа, что соответствует показателям дуба черешчатого. Следовательно, для древесины дуба красного применимы все способы раскроя, так как показатели предела прочности при сжатии вдоль волокон и торцовой твёрдости данной породы не зависят от протяжённости по радиусу ствола и направления сторон света.
4. Дальнейшая работа будет направлена на исследование применения метода измерения сопротивления сверлению для прогнозирования свойств древесины в растущих деревьях дуба красного.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Vansteenkiste D, De Boever L., Van Acker J. Alternative processing solutions for Red oak (Quercus rubra) from converted forests in Flanders, Belgium // Proceedings of the COST Action E44 Conference on Broad Spectrum Utilization of Wood at BOKU Vienna, Austria, June 14-15, 2005. Universitat fur Bodenkultur Wien, 2005, Pp. 13-26. https://doi.org/1854/3246
2. Скуратов И. В, Крюкова Е. А. Оценка
устойчивости видов, гибридов и форм рода Quercus к эколого-патологическим факторам для защитного лесоразведения // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 1. URL:
https://science-education.ru/ru/article/view?id=8204 (дата обращения: 14.07.2023).
3. Полубояринов О. И. Плотность древесины. Л.: ЛТА, 1973. 76 с.
4. Niemz P., Sonderegger W. Untersuchungen zur Korrelation ausgewahlter Holzeigenschaften un-tereinander und mit der Rohdichte unter Verwendung von 103 Holzarten [Analysis of the correlation between selected wood properties among each other and the density of 103 wood species]. // Schweizer-ische Zeitschrift fur Forstwesen. Vol. 154 Iss. 12. Pp. 489-493. DOI: 10.3188/szf.2003.0489
5. Волынский В. Н. Взаимосвязь и изменчивость физико-механических свойств древесины. Монография. 2-е изд. Архангельск: АГТУ, 2006. 196 с.
6. Zeidler. A., Boruvka V. Wood Density of Northern Red Oak and Pedunculate Oak Grown in
Former Brown Coal Mine in the Czech Republic // BioResources. 2016. Vol. 11. № 4. Pp. 9373-9385. DOI: 10.15376/biores. 11.4.9373-9385
7. Consequences of faster growth for wood density in northern red oak (Quercus rubra Liebl.) / A. Genet, D. Auty, A. Achim et al. // Forestry. 2013. Vol. 86. Iss. 1. Pp. 99-110. DOI: 10.1093/forestry/cps057
8. Merela M., Cufar K. Mechanical properties of sapwood versus heartwood, in three different oak species // Drvna industrija. 2013. Vol. 64. № 4. Pp. 323-334. DOI: 10.5552/drind.2013.1325
9. Carmona M., Seale D. R., Franga F. J. N
Physical and Mechanical Properties of Clear Wood from Red Oak and White Oak // BioResources.
2020. Vol. 15. № 3. Pp. 4960-4971. DOI:
10.15376/biores.15.3.4960-4971
10. Уголев Б. Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. Изд. 3-е перераб. и доп: М.: МГУЛ, 2001. 340 с.
11. Prediction of modulus of elasticity in static bending and density of wood at different moisture contents and feed rates by drilling resistance measurements / E. Sharapov, C. Brischke, H. Militz et al. // European Journal of Wood and Wood Products. 2019 Vol. 77. № 3. Pp. 833-842, DOI: 10.1007/s00107-019-01439-2
12. Non-destructive modeling using a drilling resistance tool to predict wood basic density of standing
trees in a eucalypts plantation in North Sumatra, Indonesia / K. P. Singh, I. Z. Siregar, J. I. M. Abad et al. // Biodiversitas: Journal of Biological Diversity. 2022. Vol. 23. No. 12, Pp. 6218-6226. DOI: 10.13057/bio-div/d231217
13. Application of resistance drilling to genetic studies of growth, wood basic density and bark thickness in Eucalyptus globulus / H. Nickolas, D. Williams, G. Downes et al. // Australian Forestry. 2020. Vol. 83. Iss. 3. Pp. 172-179. DOI: 10.1080/00049158.2020.1808276
Статья поступила в редакцию 14.06.2023; одобрена после рецензирования 17.07.2023;
принята к публикации 11.09.2023.
Информация об авторах
КРАСНОВА Валентина Феликсовна - кандидат технических наук, доцент кафедры деревообрабатывающих производств, Поволжский государственный технологический университет. Область научных интересов - процессы раскроя низкокачественной древесины на пилопродукцию; прогнозирование выхода пилопродукции из круглых лесоматериалов. Автор 60 научных публикаций, в том числе четырёх учебных пособий и 13 патентов. ORCID: https://orcid.org/0009-0004-4349-2049; SPIN-код: 9674-2622
КРАСНОВ Виталий Геннадиевич - доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры лесных культур, селекции и биотехнологии, Поволжский государственный технологический университет. Область научных интересов - выращивание лесопосадочного материала, искусственное лесовосстановление. Автор 160 научных публикаций, в том числе шести учебных пособий, монографии и 25 патентов. ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0742-0393; SPIN-код: 3179-8907
ШАРАПОВ Евгений Сергеевич - доктор технических наук, профессор кафедры строительных конструкций и водоснабжения, Поволжский государственный технологический университет. Область научных интересов - неразрушающий контроль физико-механических свойств древесины и рациональное использование древесных ресурсов леса. Автор 120 научных публикаций. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6500-5377; SPIN-код: 4400-2367
ТОРОПОВ Александр Степанович - доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, Поволжский государственный технологический университет. Область научных интересов - ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств. Автор 200 научных публикаций. ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4414-2505; SPIN-код: 9954-3204
Вклад авторов:
Краснова В. Ф. - методология исследования, проведение эксперимента, анализ полученных результатов, подготовка исходного текста.
Краснов В. Г. - информационный поиск, проведение статистического анализа и редактирование текста.
Шарапов Е. С. - научное руководство, проведение статистического анализа.
Торопов А. С. - научная консультация, окончательное утверждение версии для публикации.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
Scientific article UDC 674.038.19
https://doi.Org/10.25686/2306-2827.2023.3.67
Physical and Mechanical Properties of Red Oak (Quercus Rubra L.)
Growing in the Republic of Mari El
V. F. Krasnova, V. G. KrasnovB, E. S. Sharapov, A. S. Toropov
Volga State University of Technology,
3, Lenin Sq., Yoshkar-Ola, 424000, Russian Federation KrasnovV G@volgatech.netH ABSTRACT
Introduction. Degradation of oak forests makes forestry scientists look for promising tree species to meet the raw material needs faced by woodworking enterprises. One of these species is red oak (Quercus rubra L.) which is resistant to harmful pathogens, vascular and necrotic and cancerous diseases, low temperatures, and characteristically exhibits a high growth rate. For the industrial use of red oak, it is necessary to study the influence of natural, climatic and forest growth conditions on the properties of its wood. The goal of the study is to evaluate the physical and mechanical properties of the wood of red oak growing under the conditions of the Republic of Mari El. Objects and methods. The object of the study is red oak that grows in the forests of the Republic of Mari El. Wood density was determined in compliance with GOST 16483.1-84, the shrinkage coefficients - with GOST 16483.37-88, the swelling coefficient - with GOST 16483.3588, end hardness - with GOST 16483.17-81, and compressive strength parallel to grain - with GOST 16483.10-73. Results and discussion. The density of red oak wood growing in the Republic of Mari El is 675.5±3.53 kg/m3, which is greater than the wood density of red oak growing in the Czech Republic (654 kg/m3), but less than that of red oak growing in Canada (760 kg/m3) and in the state of Mississippi (756 kg/m3). With an increase in the density of red oak wood, the end hardness of the wood rises within the range of 66.3±0.58 N/mm1 2, as in the case of English oak. The values of ultimate strength in compression parallel to grain in red oak wood vary within 58.3 ± 0.35 MPa, corresponding with that of English oak. The ultimate strength in compression parallel to grain (o12) in relation to wood density (p12) is described by the equation o12 = 16.295+0.063 p12, where the standard error of estimate (SEE) is 2.86% and the coefficient of determination R2 is 0.41. The coefficient of tangential shrinkage in red oak wood was lower than that of the main tree species and amounted to 0.22%; the radial shrinkage coefficient was 0.16%, and the coefficient of volumetric shrinkage was 0.40%. The coefficient of swelling in the tangential direction was also lower than that of the main tree species and amounted to 0.25%; the coefficient of swelling in the radial direction was 0.16%, and the coefficient of volumetric swelling was 0.45%. Conclusion. For red oak wood, all cutting methods are applicable, since the values of ultimate strength in compression parallel to grain and the values of end hardness of this species do not depend on the length along the radius of the trunk or the cardinal directions. Red oak wood will be less prone to change in linear dimensions with changes in humidity compared to English oak.
Keywords: introduced species; wood density; coefficients of shrinkage; coefficient of swelling; end hardness; compressive strength parallel to grain
REFERENCES
1. Vansteenkiste D, De Boever L., Van Acker J. Alternative processing solutions for Red oak (Quer-cus rubra) from converted forests in Flanders, Belgium. Proceedings of the COST Action E44 Conference on Broad Spectrum Utilization of Wood at BOKU. Vienna, Austria, June 14—15, 2005. Wien: Universitat fur Bodenkultur, 2005. Pp. 13-26. DOI: https://doi.org/1854/3246/
2. Skuratov I. V., Kryukova E. A. Otsenka ustoy-chivosti vidov, gibridov i form roda Quercus k ekologo-patologicheskim faktoram dlya zashchitnogo lesorazvedeniya [Assessment of stability of types, hybrid and sort Quercus forms to ekologo-pathology factors in forest reclamation]. Sovremennyye problemy
nauki i obrazovaniya [Modern Problems of Science and Education]. 2013. No 1. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=8204 (reference date: 07.14.2023). (In Russ.).
3. Poluboyarinov O. I. Plotnost' drevesiny [Density of wood]. Leningrad: LTA Publ., 1973. 76 p. (In Russ.).
4. Niemz P., Sonderegger W. Untersuchungen zur Korrelation ausgewahlter Holzeigenschaften unterei-nander und mit der Rohdichte unter Verwendung von 103 Holzarten [Analysis of the correlation between selected wood properties among each other and the density of 103 wood species]. Schweizerische Zeitschrift fur Forstwesen. Vol. 154. Iss. 12. Pp. 489-493. DOI: https://doi.org/10.3188/szf.2003.0489 (In Germ.)
5. Volynsky V. N. Vzaimosvyaz' i izmenchivost' fiziko-mekhanicheskikh svoystv drevesiny [Interrelation and variability of physical and mechanical properties of wood]. Monografija, 2-e izd. [Monograph, 2nd ed.] Arkhangelsk: ASTU Publ., 2006. 196 p. (In Russ.).
6. Zeidler. A., Boravka V. Wood density of northern red oak and pedunculate oak grown in former brown coal mine in the Czech Republic. BioResources. 2016. Vol. 11. Iss. 4. Pp. 9373-9385. DOI: 10.15376/biores.11.4.9373-9385
7. Genet A., Auty D., Achim A. et al. Consequences of faster growth for wood density in northern red oak (Quercus rubra Liebl.). Forestry. 2013. Vol. 86. Iss. 1. Pp. 99-110. DOI: 10.1093/forestry/cps057
8. Merela M., Cufar K. Mechanical properties of sapwood versus heartwood, in three different oak species. Drvna industrija. 2013. Vol. 64. No 4. Pp. 323-334. DOI: 10.5552/drind.2013.1325
9. Carmona M., Seale D. R., Franqa F. J. N Physical and mechanical properties of clear wood from red oak and white oak. BioResources. 2020. Vol. 15. No 3. Pp. 4960-4971. DOI: 10.15376/biores.15.3.4960-4971
10. Ugolev B. N. Drevesinovedeniye s osnovami lesnogo tovarovedeniya [Wood science with the ba-
sics of forest commodity science]. 3-e izd., pererab. i dop [3rd ed., revised and enlarged]. Moscow: Moscow State Forest University Publ. 2001. 340 p. (In Russ.).
11. Sharapov E., Brischke C., Militz H. et al. Prediction of modulus of elasticity in static bending and density of wood at different moisture contents and feed rates by drilling resistance measurements. European Journal of Wood and Wood Products. 2019 Vol. 77. No 3. Pp. 833-842, DOI: 10.1007/s00107-019-01439-2
12. Singh K. P., Siregar I. Z., Abad J. I. M. et al. Non-destructive modeling using a drilling resistance tool to predict wood basic density of standing trees in a eucalypts plantation in North Sumatra, Indonesia. Biodiversitas: Journal of Biological Diversity. 2022. Vol. 23. No 12, Pp. 6218-6226. DOI: 10.13057/bio-div/d231217
13. Nickolas H., Williams D., Downes G. et al. Application of resistance drilling to genetic studies of growth, wood basic density and bark thickness in Eucalyptus globulus. Australian Forestry. 2020. Vol. 83. Iss. 3. Pp. 172-179. DOI: 10.1080/00049158.2020. 1808276
The article was submitted 14.06.2023; approved after reviewing 17.07.2023;
accepted for publication 11.09.2023
For citation: Krasnova V. F., Krasnov V. G.,Sharapov E. S., Toropov A. S. Physical and Mechanical Properties of Red Oak (Quercus Rubra L.) Growing in the Republic of Mari El. Vestnik of Volga State University of Technology. Ser.: Forest. Ecology. Nature Management. 2023. № 3 (59). Pp. 67-77. (In Russ.). https://doi.org/10.25686/2306-2827.2023.3.67
Information about the authors
Valentina F. Krasnova - Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of the Department of Woodworking Industries, Volga State University of Technology. Research interests - processes of cutting low-quality wood into lumber; predicting the yield of sawn timber from round wood. Author of 60 publications, including four study guides and 13 patents. ORCID: https://orcid.org/0009-0004-4349-2049; SPIN-code: 9674-2622
Vitaly G. Krasnov - Doctor of Agricultural Sciences, Professor of the Department of Forest Plantations, Selection, and Biotechnology; Volga State University of Technology. Research interests - the cultivation of forest planting material and artificial reforestation. Author of 160 publications, including six study guides, a monograph and 25 patents. ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0742-0393; SPIN-code: 3179-8907
Evgeny S. Sharapov - Doctor of Engineering Sciences, Professor of the Department of Civil Engineering and Water Supply, Building Structures and Water Supply, Volga State University of Technology. Research interests - non-destructive testing of physical and mechanical properties of wood and the rational use of wood resources of forests. Author of 120 publications. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6500-5377; SPIN-code: 4400-2367
Alexander S. Toropov - Doctor of Engineering Sciences, Professor, Leading Researcher, Volga State University of Technology. Research interests - resource- and energy-saving technologies for logging and woodworking industries. Author of 200 publications. ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4414-2505; SPIN-code: 9954-3204
Contribution of authors:
Krasnova V.F. - development of the research methodology, realization of the experiment, analysis of the results obtained, preparation of the initial draft of the manuscript.
Krasnov V.G. - information search, conducting statistical analysis, and manuscript editing.
Sharapov E.S. - scientific supervision, conducting statistical analysis.
Toropov A.S. - scientific advising; review and approval of the final version of the manuscript.
The authors declare that they have no conflict of interest.
All authors read and approved the final manuscript.
