Závislost fyzikálních a mechanických vlastností konstrukčního smrkového dřeva na vlhkosti
Článek se zabývá ověřením závislosti fyzikálních a mechanických vlastností na vlhkosti konstrukčního smrkového dřeva. Experimentem byla stanovena hustota dřeva, rozměrové a objemové bobtnání dřeva a pevnost dřeva v tlaku ve směru vláken. Byly vytvořeny grafy těchto veličin v závislosti na změně hmotnostní vlhkosti dřeva.
1. Úvod
Přestože literatura běžně uvádí závislosti fyzikálních a mechanických vlastností dřeva na vlhkosti, tento fakt často není zohledňován při využití neošetřeného dřeva v rámci provizorních konstrukcí vystavených vlivu povětrnosti.
Dřevo je přírodní organický buněčný materiál. Je kompozitem vytvořeným z chemického komplexu celulózy, hemicelulózy, ligninu a extraktivních látek. Dřevo je vysoce anizotropní vzhledem k podlouhlému tvaru buněk dřeva a orientované stavbě stěn buněk. Anizotropie dále vyplývá z rozdílných velikostí buněk v průběhu růstového období (jarní a letní část letokruhů) a částečně z převládajícího směru určitých typů buněk (např. dřeňových paprsků). Dřevo má válcově-kuželovitou stavbu, která se zkoumá ve třech základních řezech a směrech.
Dřevo je ve vztahu k okolnímu prostředí vysoce hygroskopickým materiálem schopným přijímat nebo odevzdávat vodu, a má schopnost měnit svoji vlhkost podle vlhkosti okolního prostředí. Ve většině případů voda ve dřevě ovlivňuje i vlastnosti dřeva a způsobuje často jejich zhoršení. Se změnou obsahu vody ve dřevě jsou spojeny změny fyzikálních a mechanických vlastností, odolnosti proti houbám a napadení hmyzem a další procesy.
Obr. č. 1: Sada zkušebních vzorků ze smrkového dřeva
K ověření vlivu vlhkosti na jeho fyzikální a mechanické vlastnosti bylo zhotoveno celkem deset sad po 10 vzorcích. Vzorky měly rozměry 25 mm × 25 mm × 150 mm a byly ze smrkového dřeva. Zkušební vzorky byly vybrány takové, aby neobsahovaly vady, jako jsou např. suky, kůra, hniloba a smolníky, dále nesměly být napadeny škůdci (Obr. č. 1).
Všechny zkušební vzorky byly vloženy do horkovzdušné sušárny a vysušeny při teplotě 103 ± 2 °C do ustálené hmotnosti a rozměrů. Hmotnost vysušeného vzorku se změřila bezprostředně po vyjmutí vzorku z horkovzdušné sušárny. Na zvážení vzorků byla užita digitální laboratorní váha, vážení proběhlo s přesností 0,01 g. Rozměry zkušebních vzorků se stanovily pomocí digitálního posuvného měřítka s rozsahem 0–200 mm. Měření příčných rozměrů na obou koncích vzorku a délky probíhalo s přesností ± 1 %. Ze dvou rozměrů na koncích byla stanovena průměrná hodnota.
Osm sad vzorků pak bylo vystaveno máčením různě dlouhému působení vody, a došlo tedy k jejich rozdílnému nasycení vodou. U těchto vzorků byly opětovně stanoveny rozměry a hmotnost.
Všechny vzorky byly podrobeny zkoušce v tlaku rovnoběžně s vlákny dle normy ČSN EN 408. Zatěžování zkušebního vzorku probíhalo dostředně, pomocí tlačné desky, opatřené kulovým kloubem. Zatěžování probíhalo stálou rychlostí až do porušení vzorku a nakonec se zaznamenala maximální síla. Z maximálních zatížení dosažených při zkoušení vzorků se poté stanovily pevnosti v tlaku rovnoběžně s vlákny.
2. Vlhkost dřeva
Z hlediska použitelnosti dřeva je vlhkost jeho rozhodující vlastností. Na obsahu vody závisí, zda rozměry a tvar výrobku zůstanou neměnné, nebo dojde ke zvětšení či zmenšení.
Ve dřevě se nachází tzv. volná voda a vázaná voda (Obr. č. 2). Volná voda se nachází v dutinách buněk, vázaná voda se nachází v buněčných stěnách. Bezprostředně po skácení stromu se začne obsah vody snižovat. Nejprve se odpařuje volná voda, při tomto procesu nedochází k žádným významným změnám. Stav, kdy se vypaří všechna volná voda, je určen veličinou zvanou mez nasycení buněčných stěn, v tomto okamžiku má ještě dřevo všechnu vodu vázanou. Jakmile se začne vypařovat, dochází k významným vlivům na mnohé vlastnosti dřeva. Voda se vypařuje tak dlouho, pokud nenastane tzv. stav vlhkostní rovnováhy. Tento stav je charakteristický tím, že určité teplotě a vlhkosti vzduchu odpovídá určitá hodnota vlhkosti dřeva (rovnovážná vlhkost).
Vlhkost se udává většinou jako poměr mezi hmotností vody obsažené ve dřevě k hmotnosti vysušeného dřeva.
Obr. č. 2: Princip vysychání buněk dřeva
S měnící se vlhkostí dřeva se mění většina fyzikálních a mechanických vlastností. S rostoucí vlhkostí se například pružnostní a pevnostní vlastnosti dřeva zhoršují, to platí ale pouze do bodu nasycení buněčných stěn vodou. Dále má vlhkost vliv na rozměrové změny dřeva. Při růstu vlhkosti se zvyšují i rozměry prvku, toto platí také pouze do bodu nasycení buněčných stěn vodou, nad touto vlhkostí se s rostoucí vlhkostí již rozměry dřeva téměř nemění. Při růstu vlhkosti ve dřevě dochází i k růstu hustoty dřeva. Dále se vliv vlhkosti projevuje u napadení škůdci. S vyšší vlhkostí je také vyšší pravděpodobnost napadení dřeva dřevokaznými houbami či dřevokazným hmyzem. Proto se musí dbát na to, aby dřevo nedosahovalo vlhkostí, při kterých by mohlo dojít k jeho napadení. Při vlhkostech dřeva nižších než 20 % se zastavují životní pochody všech známých druhů dřevokazných hub. Vlhkost však může působit na dřevo i pozitivně. Při vysokých vlhkostech dřeva (například u dřeva ponořeného pod vodou) nedochází k jeho hnilobě a dřevo se stává velmi trvanlivé.
3. Bobtnání dřeva
Bobtnání je schopnost dřeva zvětšovat své lineární rozměry, plochu, nebo objem při přijímání vody vázané v rozsahu vlhkostí od nuly až po mez nasycení buněčných stěn. Rozeznáváme bobtnání celkové (od absolutně suchého stavu až po mez nasycení), nebo částečné (v jakémkoliv menším intervalu). Bobtnání se vyjadřuje podílem změny rozměru k původnímu rozměru a nejčastěji se uvádí v procentech.
Velikost bobtnání závisí na směru vláken. Obecně se uvádí, že se pohybuje v podélném směru v rozmezí 0,1–0,4 %, v radiálním 3–6 % a v tangenciálním 6–12 %.
Obr. č. 3: Graf bobtnání dřeva v závislosti na vlhkosti: objemové bobtnání (fialová), bobtnání v tangenciálním směru (modrá), bobtnání v radiálním směru (zelená), bobtnání v podélném směru (oranžová)
Z našeho experimentu vyplývá, že rozměry vzorků rostly s vlhkostí až do vlhkosti kolem 30 %, což odpovídá přibližně vlhkosti na mezi nasycení buněčných stěn. Od této hodnoty vlhkosti se již rozměry měnily pouze minimálně. Z grafu je patrný rozdíl mezi bobtnáními v různých směrech a objemovým bobtnáním. Jednoznačně nejnižší hodnoty a řádově nižší než ostatní bobtnání má podélné bobtnání. Maximální podélné bobtnání je cca 0,4 %. Maximální hodnota radiálního bobtnání je cca 6 % a tangenciálního bobtnání 8,3 %. Celkové objemové bobtnání je cca 13 %.
4. Hustota dřeva
Hustota dřeva je charakterizována podílem hmotnosti a objemu dřeva při určité vlhkosti. Hustota dřeva roste s vlhkostí, ale objem a hmotnost se nezvyšují stejným způsobem. Objem dřeva se zvětšuje pouze do meze nasycení buněčných stěn, kdežto hmotnost se zvětšuje lineárně s vlhkostí.
Graf hustoty dřeva v našem experimentu (Obr. č. 4) působí na první pohled lineárně, což by vyvracelo tvrzení popsaná v literatuře. Při bližším zkoumání, lze ovšem najít nepatrný zlom v místě meze nasycení buněčných stěn.
Obr. č. 4: Graf hustoty dřeva v závislosti na vlhkosti
5. Pevnost dřeva v tlaku ve směru vláken
Pevnost dřeva v tlaku ve směru vláken je velmi důležitou vlastností dřeva. Působením tlaku na těleso podél vláken dojde k deformaci, projevující se zkrácením délky tělesa. Charakter deformace závisí na jakosti a stavbě dřeva.
Na pevnost dřeva mají velký vliv teplota a vlhkost. Při zvyšující se teplotě se snižuje pevnost dřeva, stejně jako při zvyšující se vlhkosti. Pokud působí oba faktory současně, snižuje se pevnost rychleji, než při působení jen vlhkosti nebo jen teploty. Vliv vlhkosti dřeva na jeho pevnost se projevuje jen do meze nasycení buněčných stěn, další zvyšování vlhkosti již vliv nemá.
Obr. č. 5: Graf pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken v závislosti na vlhkosti, při teplotě (20±2) °C
Z grafu experimentu je patrné, že pevnost dřeva strmě klesá s vlhkostí, ale pouze do vlhkosti odpovídající mezi nasycení buněčných stěn. U vzorků s vyšší vlhkostí již nedochází k snižování pevnosti. Z grafu je patrné, že pevnost od vlhkosti na mezi nasycení buněčných stěn až do plného nasycení je konstantní. Pevnost při nulové vlhkosti je cca 53 N/mm2, při vlhkosti 12 % (procento při kterém se dřevo zkouší podle norem) je cca 27 N/mm2 a při vlhkosti 30 % (mez nasycení buněčných stěn) cca 15 N/mm2.
6. Závěr
Obr. č. 6: Deformace zkušebních vzorků ve vysušeném a nasyceném stavu
Provedené zkoušky potvrdily v plném rozsahu vstupní předpoklady ohledně závislosti bobtnání, hustoty a pevnosti v tlaku zkoušených vzorků na vlhkosti. V případě zkoušených vzorků smrkového dřeva snižování pevnosti v tlaku při vzrůstající vlhkosti významně předčilo očekávání.
Se vzrůstajícím množstvím vody se vzorky stávaly plastičtější. Ve vysušeném stavu se při zatěžování „listovaly“ po letokruzích, v nasyceném se deformovaly jako celek, viditelně „pružily“ a byla z nich vytlačována voda. Po odlehčení se částečně vracely do původního stavu (Obr. č. 6).
Zjištěné výsledky jsou důraznou připomínkou pro projektanty zvažující například využití neošetřeného smrkového dřeva v rámci provizorních konstrukcí vystavených vlivu povětrnosti.
Poděkování
Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.
Literatura
- Heřmánková, V.: BI01 Stavební látky: Dřevo, dřevěné výrobky a konstrukce. Brno: VUT Brno, FAST, Ústav stavebního zkušebnictví. Přednáška
- Sloupenský, D.: Vliv změny vlhkosti dřeva na jeho fyzikální a mechanické vlastnosti. Brno, 2015. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav stavebního zkušebnictví. Vedoucí práce Ing. Věra Heřmánková, Ph.D.
- Czerwek, M.: Vliv změny vlhkosti dřeva na jeho fyzikální a mechanické vlastnosti. Brno, 2015. 58 s., 7 s. příl. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav stavebního zkušebnictví. Vedoucí práce Ing. Věra Heřmánková, Ph.D.
Article deals with finding of physical and mechanical properties of timber at various moisture and it also verifies addictions of single properties on moisture content of timber. In experimental part of this thesis, the density, the dimensional and volumetric swelling and the compressive strength parallel to fibre will be determined on test samples. After evaluating all the tests, the graphs of these parameters depend on various samples of wood moisture determined by weight will be created.