Исследование физико-механических свойств вторично используемой древесины

УДК 674.8

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВТОРИЧНО ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ДРЕВЕСИНЫ

INVESTIGATION OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF POST-CONSUMER WOOD

Гайда С.В.

Изучены физико-механические свойства вторично используемой древесины (ВИД). Стандартными методами определены такие показатели ВИД: влажность, плотность, ударная твёрдость, прочность и модуль упругости при статическом изгибе, модуль упругости при сжатии, прочность при скалывании вдоль волокон, истирания, остаточные напряжения. Проведено сравнение свойств ВИД из свойствами первичной древесины(ПД).

Physical and mechanical properties ofpost-consumer wood (PCW) have been studied. The following indicators of PCW have been identified by standard methods: moisture content, density, impact hardness, strength and elasticity modulus at static bending, compressive modulus, shearing strength parallel to grain, wear-proofness index, residual stress. A comparative analysis has been conducted concerning PCW properties and primary wood properties.

Ключевые слова: древесина, вторично используемая древесина (ВИД), свойства ВИД. Keywords: wood, post-consumer wood (PCW), physical and mechanical properties of PCW.

Актуальность. Потенциальным ресурсом и неиспользованной базой древесного сырья, запасы которого увеличиваются по мере развития промышленности и хозяйства страны в целом есть запасы вторично используемой древесины (ВИД). ВИД - это использованная древесина и любые изделия из нее, которые образуются в процессе жизнедеятельности человека, в результате техногенных или природных катастроф (явлений), которые не имеют своего дальнейшего назначения по месту образования и подлежат удалению или переработке с целью обеспечения защиты окружающей среды и здоровья людей или для повторного их вовлечения в хозяйственную деятельность как материально-сырьевые и энергетические ресурсы. Ежегодный потенциал ВИД в Украине по подсчетам украинских ученых [1] составляет, в среднем, 2-2,2 млн. тонн.

Исследование и анализ основных показателей ВИД является актуальной задачей, решение которой обеспечит изготовление качественных изделий из древесины с максимальным учётом особенностей физико-механических свойств материалов вторичного использования.

Проблема - отсутствие нормативных документов, определяющих физико-механические свойства ВИД разных пород древесины, как источника дополнительного сырьевого ресурса для разных технологий деревообработки.

Цель исследования - провести сравнительный анализ свойств ВИД из свойствами первичной древесины таких пород, которые в большом объёме используются деревообработке, а именно: дуб, ясень, сосна, ель. Необходимо

определить имеет ли ВИД свойства достаточные для изготовления качественных изделий из древесины, в т.ч. мебели. В ходе проведённых опытов определялись такие физико-механические свойства: влажность, плотность, ударная твёрдость, прочность и модуль упругости при статическом изгибе, модуль упругости при сжатии, прочность при скалывании вдоль волокон, износостойкость, остаточные напряжения. В конечном итоге проведённые эксперименты посвящены исследованию возможности применения ВИД для материального использования.

Объект исследования - вторично используемая древесина, как дополнительный источник древесных ресурсов для материального использования.

Предмет исследования - основные физико-механические свойства вторично используемой древесины основных пород и их сравнительный анализ из характеристиками первичной древесины.

Материалы. Для проведения экспериментов использовалась ВИД первой и второй категории [2] различного происхождения четырёх групп: упаковка (тара, поддоны, ящики), древесина от сноса и разбора зданий (элементы стеновых конструкций и каркасов крыш), каркасы мебельных изделий (стульев и столов); элементы столярных изделий (бруски оконных и дверных блоков).

Размеры подготовленных образцов для испытаний для определения:

- влажности и плотности - 30 х 20 х 20 мм;

- ударной твёрдости - 150 х 20 х 20 мм;

- прочности при статическом изгибе - 300 х 20 х 20 мм;

- прочности при скалывании вдоль волокон - 50 х 30 х 20 мм;

- модуля упругости при статическом изгибе - 300 х 20 х 20 мм;

- модуля упругости при сжатии - 60 х 30 х 30 мм;

- показателя истирания - 50 х 50 х 20 мм;

- остаточных напряжений - 15 х 100 х 25 мм.

Методы исследований: сортировка - для сортировки по определенным классификационным критериям; очистки - для удаления внешних и поверхностных загрязнителей; обработки - для преобразования очищенной ВИД на образцы для испытаний; испытания экспериментальных образцов - для определения свойств ВИД; математической статистики - для обработки результатов экспериментальных исследований.

Методика экспериментов. Все испытания проводили в лаборатории при температуре 20±5 оС, степени насыщённости воздуха 40-65 %. Подготовленные образцы ВИД испытывали на оборудовании и аппаратуре, согласно известных методик (методов определения), предоставленных межгосударственными стандартами [3-11]. Влажность также измеряли прибором-влагомером Б200.

Обработка результатов экспериментов.

Влажность образцов вычисляли по формуле:

Ж = Ех^П^, %

т

где Ш! - масса образца до высушивания, г; т2 - масса образца после высушивания, г.

Плотность (рц) вычисляли по формуле:

Р =-т^Г, кг/м3

^ Ь1¥ ^ ^

где тц - масса при влажности W, кг; ац, Ьц, /ц - размеры при влажности W, м. Предел прочности при статическом изгибе (оц) вычисляли по формуле:

^ = ^^, Нмм"2

ш 2Ь к2

где Ртах - максимальная нагрузка, Н; / - расстояние между центрами опор, мм; И - высота образца, мм; Ь - ширина образца, мм.

Предел прочности при скалывании вдоль волокон (тц) вычисляли по формуле:

Р 7

тах Н-мм"2

^ =-34Ь, Н-мм"2

. Ь /'

где Ртах - нагрузка, Н; Ь - толщина образца, мм; / - длина скалывания, мм.

Ударную твердость (Нц) вычисляли по формуле:

4т  я  к „ "2 = —ТТ, Дж-см2

ж  их  а2

где: т - масса шарика, кг; g - ускорение силы тяжести, м/с2; И - высота падения шарика, м; d1, d2 - размеры отпечатков в поперек и вдоль волокон, см. Показатель истирания (ц) вычисляли по формуле:

V = к  т1-т2,

тх

где И - высота до истирания, мм; т1у т2 - масса до и после истирания, г.

Модуль упругости древесины при статическом изгибе (Ец) вычисляли по формуле:

3Р  /3 тт,___-2

64Ь  к3  /'

где Р - нагрузка, равная разности между верхним и нижним пределами нагружения, Н; / - расстояние между опорами, мм; Ь - ширина образца, мм; И -высота образца, мм; /- прогиб образца в зоне чистого изгиба, равный разности между средними арифметическими результатами измерения прогиба при верхнем и нижнем пределах нагружения, мм.

Модуль упругости древесины при сжатии (Ец) вычисляли по формуле:

Р  / Р а тт "2 /о\

=^Т7 = ^ = - = Н-мм

Г А/ Г £ £

где Р - нагрузка, равная разности между верхним и нижним пределами

Л

нагружения, Н; е - относительная деформация; о - напряжение, Н-мм" (МПа); / -начальный размер образка (слоя), мм; А/ - прирост размера (разница между конечной и начальной длиной), мм; F - площадь поперечного сечения, м2.

Характеристикой напряжённого состояния древесины служит эпюра напряжений о =/з(х), которая зависит от кривых деформации е =/[(х) и модуля упругости Е =/2(х) . Напряжение (о ) вычисляли по формуле:

о =Е е, Н-мм"2

Л

где Е - модуль упругости данного слоя, Н-мм" ; е - деформация слоя (+ или ).

Все расчетные значения пересчитывали на влажность 12 % (табл. 1).

Таблица 1 - Физико-механические свойства ВИД и первичной древесины

Порода древесины

Показники Дуб Ясень Сосна Ель

ПД ВИД ПД ВИД ПД ВИД ПД ВИД

Плотность р12, кг/м3 680 695 690 705 520 515 410 405

Прочность при статическом изгибе о12, Нмм-2 104 102 120 117 85 84 79 77

Прочность при скалывании вдоль волокон Т12, Н мм-2

радиальная т12г 9,9 9,7 14,0 13,4 8,1 7,5 6,7 6,9

тангентальная тт 11,0 11,2 13,1 13,1 7,3 7,4 6,4 6,7

Твёрдость ударная поперёк волокон Н12, Джсм- 1,22 1,26 1,02 0,97 0,73 0,72 0,73 0,75

Модуль упругости при статическом изгибе Е12, Нмм-

2 1500 15200 13300 13400 11700 11350 10700 10900

Модуль упругости , Нмм-2 при сжатии вдоль волокон Еа 14000 14200 14400 15200 12000 11900 12500 14100

при сжатии радиальный Ег 1280 1300 950 970 630 670 590 630

при сжатии тангентальный Е 920 1010 820 900 500 550 400 410

Показатель истирания, мм

поперечный ^ 0,06 0,05 0,09 0,07 0,12 0,11 0,18 0,20

радиальный 1г 0,13 0,12 0,17 0,14 0,31 0,31 0,24 0,26

тангентальный 0,14 0,13 0,15 0,15 0,28 0,29 0,24 0,24

Выводы и рекомендации:

1. Использован системный подход к исследованию физико-механических свойств ВИД.

2. Экспериментально испытаны образцы ВИД различного происхождения и определены такие основные показатели: влажность, плотность, ударная твёрдость, прочность и модуль упругости при статическом изгибе, модуль упругости при сжатии, прочность при скалывании вдоль волокон, показатель истирания, остаточные напряжения.

3. Определено, что физико-механические свойства ВИД не уступают, а за некоторыми показателями превышают характеристики первичной древесины.

4. Установлено, что остаточные напряжения ВИД имеют минимальные значения и в 1,5-2,5 раза меньше, чем у первичной древесины.

5. Зафиксировано стабилизированное, установившееся с годами эксплуатации, напряженно-деформированное состояние заготовок ВИД.

6. Отмечено минимальное влияние анизотропии на изменение формы поперечного сечения очищенных или распыленных заготовок ВИД.

7. Полученные результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств ВИД могут иметь практическое значение при изготовлении изделий из древесины - мебельный щит, столярная плита, для которых огромное значение имеет формоустойчивость.

Список использованных источников

1. Гайда С.В. Techniques for recycled of post-consumer wood in the production of quality particleboard // Лесное хозяйство, лесная, бумажная и деревообрабатывающая пром-сть: научно-технический сборник. - Львов: НЛТУ Украины. - 2014, вып. 40. - С. 41-51.

2. Гайда С.В. Технологии и рекомендации к использованию применяемой древесины в деревооброблення // Лесное хозяйство, лесная, бумажная и деревообрабатывающая пром-сть: научно-технический сборник. - Львов: НЛТУ Украины. - 2013, вып. 39.1. - С. 48-67.

3. ГОСТ 11603-73. Древесина. Метод определения остаточных напряжений. - Взамен ГОСТ 11603-65; Введ. с 01.01.75. - М.: Изд-во стандартов, 1973. - 11 с.

4. ГОСТ 16483.1-84. Древесина. Метод определения плотности. - Взамен ГОСТ 16483.173; Введ. с 01.07.85. - М.: Изд-во стандартов, 1984. - 7 с.

5. ГОСТ 16483.3-84. Древесина. Метод определения предела прочности при статическом изгибе. - Взамен ГОСТ 11483.3-73; Введ. с 01.07.85. - М.: Изд-во стандартов, 1984. - 7 с.

6. ГОСТ 16483.5-73. Древесина. Методы определения предела прочности при скалывании вдоль волокон. - Взамен ГОСТ 16483.5-70; Введ. с 01.07.74. - М.: Изд-во ст., 1973. - 7 с.

7. ГОСТ 16483.7-71. Древесина. Методы определения влажности. - Взамен ГОСТ 1148665; Введ. с 01.01.73. - М.: Изд-во стандартов, 1972. - 4 с.

8. ГОСТ 16483.9-73. Древесина. Методы определения модуля упругости при статическом изгибе. - Взамен ГОСТ 16483.9-65; Введ. с 01.07.74. -М.: Изд-во стандартов, 1973. -7 с.

9. ГОСТ 16483.16-81. Древесина. Метод определения ударной твердости. - Взамен ГОСТ 16483.16-72; Введ. с 01.01.83. - М.: Изд-во стандартов, 1981. - 7 с.

10. ГОСТ 16483.29-73. Древесина. Метод определения коэффициентов поперечной деформации. - Взамен ГОСТ 11499-65; Введ. с 01.01.75. - М.: Изд-во стандартов, 1974. - 7 с.

11. ГОСТ 16483.39-81. Древесина. Метод определения показателя истирания. - Взамен ГОСТ 14347-69; Введ. с 01.01.83. - М.: Изд-во стандартов, 1982. - 4 с.