Химический состав дуба

     Для проведения испытаний используют машины соответствующей мощности, позволяющие с заданной точностью определять величину приложенной к образцу нагрузки. Величина показателей механических свойств зависит от продолжительности действия нагрузок. В связи с этим при каждом виде испытаний следует придерживаться заданной скорости возрастания нагрузки. Нагружать образец можно не только вручную, по и при помощи механического привода. При испытаниях на сжатие вдоль волокон, растяжение и скалывание поперек волокон, а также на статическую твердость скорость перемещения нагружающей головки машины должна равняться 4 мм/мин. Испытания на статический изгиб, растяжение и скалывание вдоль волокон, а также на перерезание должны проводиться при скорости перемещения нагружающей головки 10 мм/мин. Для испытаний, связанных с измерением деформаций, нагружение проводится вручную.

     Окисление древесины в процессе горения  имеет значение, если она используется в виде топлива. Качество древесины как топлива оценивается теплотворной способностью. Массовой теплотворной способностью называется количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы массы — 1 кг древесины. Если известен химический состав топлива, массовую теплотворную способность можно определить теоретическим путем, по формуле (1) Д. И. Менделеева: 

     Q_H = 81(C) + 246 (H) – 26 (O) - 6 (W),             (1) 

где С, Н и О — содержание углерода, водорода и кислорода, %;

W —  относительная влажность древесины. 

     Эта формула дает лишь приближенные значения, отклоняющиеся от действительных на (5—10) %. Точно теплотворная способность определяется лабораторным путем в калориметрах по стандартной методике. Массовая теплотворная способность практически не зависит от породы древесины, это объясняется практически одинаковым химическим составом древесины разных пород. Так, по имеющимся данным, массовая теплотворная способность абсолютно сухой древесины колеблется в пределах (4700 – 5100) ккал [11].

     Теплотворная  способность в большой мере зависит  от влажности: с увеличением влажности древесины она падает. Наивысшая температура, которая может быть достигнута при идеальных условиях горения (жаропроизводительная способность древесины), также может быть подсчитана теоретически. В лабораториях она определяется пирометрами. Действительная температура горения древесины может быть принята равной (1000—1100)°. В настоящее время значение древесины как топлива уменьшается в связи с широким использованием высококалорийного жидкого и газообразного топлива. Из данной таблицы можно увидеть, что древесина дуба имеет самую высокую плотность из всех представленных пород, а значит и ее удельная теплотворная способность имеет наибольшее значение.

     В практике дрова оценивают не по массе (весу), а по объему; в этом случае важна объемная или удельная теплотворная способность древесины, то есть количество тепла, получаемое при сгорании единицы объема древесины. Удельная теплотворная способность может быть получена умножением массовой теплотворной способности на плотность древесины. Соответствующие данные для абсолютно сухой древесины приведены в таблице 4.

     Из  всех представленных пород наибольшая плотность у древесины дуба. Из этого следует, что и теплотворная способность у дуба больше чем  у остальных представленных пород. Поэтому можно сделать вывод о том, что количество тепла, получаемое при сгорании единицы объема древесины у дуба, превосходит количество тепла всех остальных представленных пород. В растущем дереве древесина содержит значительное  количество воды, необходимой для жизнедеятельности. Различают две формы воды, содержащейся в древесине, - связанную (или гигроскопическую) и свободную.

Таблица 4 - Удельная теплотворная способность  древесины различных пород

     Связанная (адсорбционная и микрокапиллярная) вода находится в клеточных стенках, а свободная содержится в полостях клеток и в межклеточных пространствах. Связанная вода прочно удерживается в основном физико-химическими связями; удаление этой воды, особенно ей адсорбционной фракции, затруднено и существенно отражается на большинстве  свойств древесины. Свободная вода, удерживаемая силами капиллярного взаимодействия, удаляется значительно легче и оказывает меньшее влияние на свойства древесины. Принято называть древесину влажной, если она содержит только связанную воду, или сырой, если она содержит кроме связанной и свободную воду.

          Максимальное количество связанной  воды в клеточных стенках соответствует пределу их насыщения или пределу гигроскопичности.

         Предел гигроскопичности – это  максимальная влажность клеточных  стенок, достигаемая при сорбции паров воды из воздуха; характеризуется отсутствием воды в полостях клеток и равновесием влажности клеточных стенок с воздухом, приближающимся к насыщенному состоянию. Этот показатель может быть определен прямым экспериментом.

         Предел насыщения клеточных стенок  – это максимальная влажность  клеточных стенок, достигаемая при увлажнении древесины в воде. Прямое экспериментальное определение этого показателя затруднительно, поскольку при

увлажнении  древесины в воде или в растущем дереве при полном насыщении клеточных  стенок связанной водой в полостях клеток и в межклеточных пространствах находится свободная вода. Однако этот показатель можно определить по формуле [12].

           При выдерживании древесины в  воздухе определенного состояния  её влажность становится устойчивой. Состояние воздуха характеризуется  температурой и относительной влажностью, которая может изменяться от 0 до 100%. Величина устойчивой влажности древесины, длительно выдержанной при определенных температуре и относительной влажности практически одинакова для всех пород. При поглощении влаги (сорбции) она меньше, чем при удалении влаги (десорбции). Эту разницу между устойчивыми влажностями принято называть гистерезисом сорбции. Следует иметь ввиду, что при сорбции и десорбции происходит изменение содержания связанной влаги. Измельченная древесина (опилки, стружки) с большой удельной поверхностью имеет очень малый гистерезис сорбции её устойчивую влажность называют равновесной. У сортиментов из древесины толщиной более 15 мм и шириной более 100 мм гистерезис сорбции составляет около 2,5 %. Таким образом, равновесная влажность досок и других крупных сортиментов меньше устойчивой влажности десорбции, но больше устойчивой влажности сорбции примерно на 1,3 %.

     В процессе сушки происходит воздействие  на сырую древесину пара, нагретого сухого или влажного воздуха, токов высокой частоты и других факторов, приводящих в конечном результате к снижению содержания свободной и связанной воды. Правильно, при соответствующих режимах, проведенная камерная сушка древесины дает материал, вполне равноценный получаемому в результате атмосферной сушки. Но если высушивать древесину в камерах слишком быстро и при высокой температуре, то это не только может привести к растрескиванию и значительным остаточным напряжениям, но и оказать влияние на механические свойства древесины.

     Высокотемпературная сушка приводит к снижению механических свойств древесины. В меньшей степени снижается прочность при сжатии вдоль волокон и статическом изгибе, в большей мере – при тангенциальном скалывании и весьма существенно уменьшается ударная вязкость древесины.

          Резко сокращается продолжительность  сушки при использовании электромагнитных колебаний сверхвысокочастотных излучений. Однако степень специфического влияния этого фактора на свойства древесины пока еще не установлена.

          Повышение температуры вызывает  снижение показателей прочности  и других физико-механических  свойств древесины. При сравнительно  непродолжительных воздействиях температуры до 100 ^оС эти изменения, в основном, обратимы, то есть они исчезают при возвращении к начальной температуре древесины.

          При достаточно длительном воздействии  повышенной температуры (более 50^оС) в древесине происходят необратимые остаточные изменения, которые зависят не только от уровня температуры, но и от влажности. Ударная вязкость древесины с низкой влажностью уменьшается с повышением температуры, а при высокой влажности, наоборот, увеличивается (испытывалась древесина в нагретом состоянии).

           Воздействие высоких температур  приводит к тому, что древесина  становится хрупкой.

          Характер влияния положительных  температур одинаков для абсолютно  сухой и мокрой древесины. В  то же время при отрицательных  температурах прочность абсолютно  сухой древесины плавно увеличивается,  а мокрой древесины резко возрастает с понижением температуры до  минус 25^оС, минус 30^оС, после чего повышение прочности замедляется. При указанных температурах образуется столько ледяных включений, что они обеспечивают достаточную устойчивость стенок клетки. Модули упругости древесины при её замораживании возрастают.

          Гамма-облучение, оказывает наименьшее  влияние на сопротивление древесины сжатию. Значительно больше снижается прочность на скалывание и еще сильнее падает сопротивление статическому изгибу. Для двух последних видов испытаний древесины сосны резкое снижение прочности (на 20-24 %) наблюдается уже при дозе 50 Мрад. При дозе облучения в 100 Мрад прочность снижается вдвое. Прочность после дозы облучения в 500 Мрад при статическом изгибе составляет немногим более 10 %, на сжатие вдоль волокон снижается на 30 %. Наиболее сильно облучение влияет на ударную вязкость древесины. У древесины дуба после облучения дозой в 50 Мрад ударная вязкость снизилась более, чем в два раза. Лучевая стерилизация древесины (около 1 Мрад) практически не снижает её механические свойства.

          Воздействие на комнатно-сухую  древесину в малых образцах  серной, соляной и азотной кислоты концентрацией 10 % при температуре (15-20) ^оС приводит к снижению прочности при сжатии вдоль волокон и статическом изгибе, ударной вязкости и твердости в среднем на 48 % для хвойных пород деревьев и на (53-54)% для лиственных пород. Таким образом, прочность древесины лиственных пород снижается под влиянием кислот и щелочей в значительно большей степени, чем хвойных.

     Газы  SO₂, SO₃, NO, NO₂ при длительном воздействии на древесину изменяют цвет и постепенно разрушают её. При увлажнении древесины разрушение происходит интенсивнее. Смолистость уменьшает вредное влияние газов, а синева способствует поражению.

     Пребывание  в воде на протяжении нескольких сотен  лет в сильной мере изменяет древесину. В зависимости от времени нахождения под водой цвет древесины дуба меняется от светло-коричневого до угольно-черного вследствие соединения дубильных веществ с солями железа. Древесина, образующегося таким  образом «мореного» дуба, пластичная в насыщенном водой состоянии, становится хрупкой после высушивания, усушка её в полтора раза больше, чем обычной древесины; при сушке склонна к растрескиванию; прочность при сжатии, статическом изгибе и твердость снижаются примерно в полтора раза, а ударная вязкость в два – два с половиной раза. Точно определить как изменяются показатели свойств древесины из-за пребывания в воде нельзя, т.к. неизвестны свойства древесины до затопления. Морская вода через сравнительно короткое время оказывает заметное влияние на прочность и ударную вязкость древесины. Для установления возможности использования топляковой древесины проводят её испытания и определяют степень отклонения полученных данных от справочных. После пребывания в растворе морских солей прочность заболонной древесины при сжатии вдоль волокон снизилась на 15 %, растяжении вдоль волокон — на 10%, скалывании — на 5%, удельная работа при ударном изгибе—на 26%. Механические свойства ядровой древесины дуба после пребывания в растворе солей не изменились. Морская вода, вследствие содержания в ней солей щелочноземельных металлов, через короткое время оказывает заметное влияние на прочность древесины, особенно при ударных нагрузках. Есть данные об электрохимическом разрушении древесины в морских судах. В древесине корпуса судов, палуб и других часто наблюдается сопровождаемое темной окраской местное размягчение, около металлических креплений из меди и бронзы (медных гвоздей, болтов). Основная причина этих повреждений — наличие разнородных металлов во влажной древесине; металлы образуют полюсы гальванического элемента, а влага в древесине раствор электролита.