Anizotropia mechanicznych właściwości drewna

A. Wiadomości wprowadzające

Ciała, których fizyczne i mechaniczne właściwości zmieniają się w zależności od rozpatrywanego kierunku określa się mianem ciał różnokierunkowych, czyli anizotropowych; anizotropia stanowi charakterystyczną cechę ciał krystalicznych.Przeciwieństwo ciał krystalicznych stanowią ciała bezpostaciowe, nie mające uporządkowanej budowy przestrzennej, następstwem czego są jednakowe właściwości we wszystkich kierunkach (ciała izotropowe – lignina, żywica, szkło i.t.p.)

Ogniwem pośrednim między ciałami o budowie krystalicznej i ciałami bezpostaciowymi są ciała, które nie mają budowy krystalicznej, a mimo to wykazują wyraźną anizotropię. Takim ciałem jest celuloza występująca w błonach roślinnych i w drewnie. Micelarna budowa celulozy jest powodem anizotropii drewna. W przeciwieństwie do celulozy lignina nie wykazuje budowy micelarnej. W budowie drewna celuloza odgrywa rolę substancji szkieletowej a lignina spełnia rolę wypełniacza. Micele o grubości 50 Å łączą się w wiązki micel czyli mikrofibryle, te zaś z kolei tworzą włókienka zwane fibrylami. Fibryle o średnicy rzędu 2000 Å tworzą włókno celulozowe. Między micelami i fibrylami występują szczeliny i nie wypełnione przestrzenie. Mechaniczne właściwości drewna zależą w dużym stopniu od rozmieszczenia jego submikroskopowych elementów składowych. Znaczna cześć micel jest ustawiona wzdłuż linii spiralnych o różnym kącie nachylenia w stosunku do podłużnej osi włókna. Im mniejszy jest kąt nachylenia i im bardziej micele zbliżają się do położenia równoległego do podłużnej osi włókna, tym większa jest wytrzymałość drewna na rozciąganie. Silne wiązania tlenowe przeciwdziałają pęcznieniu i kurczeniu się celulozy i hamują pęcznienie i kurczenie się drewna wzdłuż włókien; równocześnie stanowią one jedną z przyczyn wysokie wytrzymałości na rozciąganie wzdłuż włókien. W komórkach promieni rdzeniowych kierunek podłużny pokrywa się z kierunkiem promieniowym drewna; dzięki temu promienie rdzeniowe zwiększają wytrzymałość na rozciąganie i przeciwdziałają kurczeniu się drewna w kierunku promieniowym.

B. Mechaniczne właściwości drewna

Drewno jest materiałem anizotropowym i higroskopijnym, o niejednolitej i zmiennej budowie. Badanie mechanicznych właściwości drewna wymaga uwzględnienia wielu czynników, wśród których kierunek anatomiczny i wilgotność drewna oraz liczebność i rozmieszczenie wad strukturalnych wywierają duży wpływ na wytrzymałość drewna i możliwość jego zastosowania.

1. Wpływ budowy drewna

Odchylenie przebiegu włókien od kierunku równoległego do podłużnej osi pnia powoduje obniżenie wytrzymałości drewna; spadek wytrzymałości zwiększa się w miarę wzrostu kąta odchylenia.
W miarę wzrostu gęstości wzrasta wytrzymałość drewna, równocześnie zwiększa się zróżnicowanie mechanicznych właściwości w poszczególnych kierunkach anatomicznych.
Drewno późne ma właściwości mechaniczne kilkakrotnie wyższe niż drewno wczesne. Drewno wolne od wad ma większą wytrzymałość niż drewno obciążone wadami, duży wpływ na wytrzymałość drewna ma liczba, rozmiar i jakość sęków. Drewno z drzew starych ma niższą wytrzymałość i jest bardziej kruche niż drewno z drzew młodych.

2. Wytrzymałość na ściskanie

W drewnie wytrzymałość na ściskanie jest uzależniona od kierunku anatomicznego. W związku z tym wyróżnia się wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien (ściskanie podłużne) oraz na ściskanie w poprzek włókien (kierunek promieniowy i styczny oraz kierunki pośrednie)

- Wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien

Wytrzymałość drewna na ściskanie podłużne wynosi średnio 40 – 50 MPa, co stanowi 40 – 50% wytrzymałości na rozciąganie podłużne.

- Wytrzymałość na ściskanie w poprzek włókien

Ze względu na anizotropową budowę drewna wytrzymałość na ściskanie zależy od kierunku działania siły w stosunku do przebiegu włókien. Najwyższą wytrzymałość uzyskuje drewno gdy siła działa równolegle do przebiegu włókien (ściskanie podłużne). W kierunku stycznym i promieniowym (ściskanie poprzeczne wytrzymałość jest znacznie niższa. Wytrzymałość drewna sosnowego na ściskanie podłużne wynosi około 55 MPa, natomiast wytrzymałość na ściskanie poprzeczne około 5 MPa. Duże zróżnicowanie wytrzymałości występuje w drewnie strefy umiarkowanej. Różnice te zmniejszają się w przypadku drewna tropikalnego, o dużej twardości i gęstości, co tłumaczy się bardziej jednolitą i równomierną budową. Np. gwajak o gęstości 1,32 / cm3 ma wytrzymałość na ściskanie podłużne 105 MPa, na ściskanie w kierunku promieniowym , na ściskanie w kierunku promieniowym 94 MPa, na ściskanie w kierunku stycznym 85 MPa.
Zróżnicowanie w kierunku wzdłuż i w poprzek włókien wynika z tego, że przy ściskanie poprzecznym, w miarę wzrostu obciążenia, następuje sprasowanie drewna, które może dochodzić do 1/3 wysokości badanej próbki, jednocześnie zaś rośnie opór komprymowanego drewna.
W drewnie iglastym wytrzymałość w kierunku stycznym jest 1,5 – 2 razy wyższa od wytrzymałości w kierunku promieniowym. Tłumaczy się to tym, że przy stycznym kierunku siły odkształceniu ulegają zarówno warstwy drewna późnego (bardziej wytrzymałe), jak i wczesnego (mniej wytrzymałe). Przy promieniowym kierunku siły odkształcenia ześrodkowują się w mniej wytrzymałych drewna wczesnego, które ulega zgnieceniu pod naciskiem bardziej odpornego drewna późnego. W drewnie liściastym zróżnicowanie wytrzymałościowe drewna późnego i wczesnego jest mniejsze. Wytrzymałość w kierunku promieniowym jest wyższa ze względu na opór stawiany przez liczne, silnie rozbudowane promienie rdzeniowe. Za wytrzymałość na ściskanie poprzeczne przyjmuje się średnią arytmetyczną wytrzymałości w kierunku promieniowym i w kierunku stycznym.
Ogólnie biorąc, wytrzymałość na ściskanie poprzeczne wynosi od 1/10 do 1/3 wytrzymałości na ściskanie podłużne.

Wytrzymałość drewna na ściskanie podłużne i poprzeczne (wg Wanina)

3. Wytrzymałość drewna na rozciąganie

- Wytrzymałość na rozciąganie wzdłuż włókien
Wytrzymałość na rozciąganie wzdłuż włókien wykazuje najwyższą wartość wśród mechanicznych właściwości drewna; jest to następstwo cech drewna związanych z jego chemiczną, submikroskopową i mikroskopową budową. Silne wiązania podłużne w łańcuchach celulozy oraz wzdłużne ułożenie i silne powiązanie elementów anatomicznej budowy wpływają dodatnio na wytrzymałość drewna wzdłuż włókien. Lignina odgrywa rolę czynnika ujemnego, wzrost udziału ligniny powoduje obniżenie wytrzymałości na ściskanie podłużne. Wytrzymałość włókien drewna liściastego na rozciąganie podłużne waha się w granicach 300 – 400 MPa, wytrzymałość błony komórkowej cewek 450 – 700 MPa. Wytrzymałość drewna wolnego od wad zależnie od gatunku wynosi 18 – 290 MPa.
Wytrzymałość na rozciąganie drewna wzdłuż włókien jest około 2,5 razy większa od wytrzymałości na ściskanie. Zakres korzystania z wysokiej wytrzymałości na rozciąganie jest ograniczony ze względu na oddziaływanie niskiej wytrzymałości drewna na ścinanie oraz ze względu na wysoce ujemny wpływ sęków i odchylenia włókien od przebiegu prostoliniowego. Odchylenie włókien od kierunku działania sił powoduje obniżenie wytrzymałości na rozciąganie, co występuje wyraźnie przy kątach odchylenia od 0 do 15 o Przy odchyleniu o 15 o wytrzymałość spada o 50 %.

- Wytrzymałość na rozciąganie w poprzek włókien

W zastosowaniu praktycznym unika się rozciągania drewna w poprzek włókien, przyczyną tego jest mała wytrzymałość drewna w kierunku poprzecznym oraz często spotykane pęknięcia desorpcyjne, które powodują zmniejszenie wytrzymałości
Wytrzymałość na rozciąganie w poprzek włókien w kierunku stycznym jest wyższa od wytrzymałości w kierunku promieniowym. W zależności od rodzaju drewna wytrzymałość na rozciąganie w poprzek włókien jest 5 – 40 razy mniejsza od wytrzymałości na rozciąganie wzdłuż włókien.
Wytrzymałość na rozciąganie w poprzek włókien obniża się wydatnie w miarę wzrostu temperatury oraz wilgotności drewna.

Wytrzymałość drewna na rozciąganie wzdłuż i w poprzek włókien ; liczby stosunkowe (wg Wanina)

4. Łupliwość

Łupliwość stanowi cechę materiałów anizotropowych, w których wytrzymałość jest zróżnicowana w zależności od kierunku działania siły. Łupliwość zależy od rodzaju drewna i od jego budowy oraz od kierunku działania sił łupiących Drewno o równomiernej budowie ma dużą łupliwość, zmniejsza się ona pod wpływem takich wad jak skręt lub falistość włókien, czeczotowatość, sęki, skupienia żywiczne itp. Duża łupliwość występuje wzdłuż płaszczyzn promieniowych, mniejsza wzdłuż płaszczyzn stycznych. Nie łupliwości w kierunku prostopadłym do przebiegu włókien.

5. Wytrzymałość na ścinanie

Wytrzymałość na ścinanie wzdłuż płaszczyzny promieniowej jest wyższa od wytrzymałości od płaszczyzny stycznej. Dlatego wyniki badania podaje się albo oddzielnie dla każdej płaszczyzny ścinania, albo jako średnią arytmetyczną wyników badania w dwóch kierunkach
Wytrzymałość na ścinanie wzdłuż włókien wynosi średnio 1/12 do1/9 wytrzymałości na zginanie, 1/8 do1/6 wytrzymałości na ściskanie oraz 1/10 do1/8 wytrzymałości na rozciąganie wzdłuż włókien.

6. Wytrzymałość na zginanie statyczne

Udział drewna późnego oraz gęstości drewna wpływa na poprawienie wytrzymałości na zginanie. Wyraźny wpływ na wytrzymałość na zginanie statyczne wywiera układ włókien w zginanych belkach. Najwyższe wyniki wytrzymałościowe wykazuje materiał, w którym włókna przebiegają równolegle do krawędzi belki. Gdy kierunek przebiegu włókien tworzy z krawędzią belki kąt 20 o – wytrzymałość obniża się w porównaniu z belką normalną o 50% przy kącie 90o wynosi zaledwie 15% wytrzymałości normalnej.

7. Moduł sprężystości

Sprężyste właściwości drewna uwarunkowane są jego wybitną anizotropią i wykazują zróżnicowane wartości w głównych (lub pośrednich kierunkach) anatomicznych W związku z tym drewno ma różne moduły sprężystości w kierunku promieniowym , podłużnym i stycznym.
Zależności ilustruje poniższa tabela
Moduł sprężystości wybranych gatunków drewna ( wg Leontiewa)

8. Twardość

W wyniku anizotropowej budowy drewna twardość zależy w dużym stopniu od kierunku anatomicznego. Najwyższą twardością odznaczają się przekroje czołowe (poprzeczne), a więc przy badaniu twardości równolegle do przebiegu włókien (H ). Przy badaniu twardości na przekrojach promieniowych i stycznych otrzymuje się na ogół wyniki zbliżone, tak że można je traktować łącznie jako twardość w kierunku prostopadłym do przebiegu włókien H┴. Twardość wzdłuż włókien jest znacznie wyższa od twardości w kierunku poprzecznym.

9. Ścieralność drewna

Ścieralność drewna zależy od gatunku, twardości i gęstości właściwej oraz od budowy anatomicznej i rodzaju przekroju poprzecznego drewna .
Ścieralność stoi w odwrotnym stosunku do odporności na ścieranie. Ścieralność w dużym stopniu zależy od udziału drewna późnego i od rodzaju przekroju. Drewno późne ma większą twardość i wyższą wytrzymałość niż drewno wczesne’ w parze z tym idzie większa odporność na ścieranie i mniejsze zużycie się drewna późnego niż drewna wczesnego. Styczny przekrój wykazuje najmniejszą odporność na ścieranie, ulega łatwo rozwłóknieniu i łuszczy się . Z tego względu charakterystyczny dla przekroju stycznego rysunek wzorzysty jest niepożądany w deskach podłogowych, deszczułkach posadzkowych itp. Duży wpływ na ścieralność wywiera układ słojów . Przekrój promieniowy, o stojącym układzie słojów, wykazuje dwukrotnie większą odporność na ścieranie niż przekrój styczny

Przypisy:
: Å.. Oznaczenie Angstrem – jednostka długości równa 10−10 m
MPa - oznacza megapaskal (106 Pa),
Pa -oznacza Paskal - 1 Pa = 1 kg·m-1·s-2 = 1 N/m2]

OPRACOWAŁ:
Mgr inż. Andrzej Waligóra
Technolog drewna