Zkoušení stavebních materiálů a výrobků

Dřevo - základní fyzikální vlastnosti dřeva

 Základní vlastnosti dřeva

Dřevo je pravděpodobně nejstarším stavebním materiálem. Stanovení vlastností přírodního dřeva se provádí na normou určených vzorcích, které jsou prosté jakýchkoliv vad (suků, smolnatosti, dřeně a jiných vad. U dřeva pro stavební účely zjišťujeme především jeho fyzikálně mechanické vlastnosti. Tyto vlastnosti jsou silně závislé na průběhu vláken ve dřevě, jelikož dřevo je silně anizotropním materiálem. Z tohoto důvodu se často zkoušky provádí ve více směrech. Na výsledky zkoušek má významný vliv také vlhkost dřeva.

Fyzikální vlastnosti dřeva

Základní druhy dřevin a určování druhů dřevin podle makroskopických znaků

Vlhkost dřeva

Vlhkost dřeva je poměr hmotnosti vody k hmotnosti sušiny dřeva. Vyjadřuje se v hmotnostních procentech.

Voda ve dřevě se vyskytuje jako:

  1. Voda chemicky vázaná - je součástí chemických sloučenin a nelze ji ze dřeva odstranit sušením (pouze spálením). Je ve dřevě zastoupena i při nulové vlhkosti dřeva. Její množství se zjišťuje chemickou analýzou dřeva. Celkové množství se pohybuje v rozmezí 1 - 2 % sušiny dřeva. Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastností nemá žádný význam.
  2. Voda vázaná (hygroskopická) - nachází se v buněčných stěnách. Je vázána vodíkovými můstky na hydroxilové skupiny OH amorfní části celulózy a hemicelulóz. Voda vázaná se ve dřevě vyskytuje při vlhkostech 0 - 30 %. Její obsah ve dřevě při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastností hraje největší roli.
  3. Voda volná (kapilární) - vyplňuje ve dřevě lumeny buněk a mezibuněčné prostory. Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastností má výrazně menší význam než voda vázaná.

Důležitou hodnotou vlhkosti je tzv. mez nasycení buněčných stěn MNBS nebo mez hygroskopicity MH, kdy buněčné stěny jsou vodou ještě nasyceny, ale v buněčných dutinách již voda není. Dřevo s vlhkostí do této meze mění svoje vlastnosti, zejm. mechanické, ale nad touto mezí jsou téměř stálé. MNBS představuje hranici mezi vodou vázanou a volnou. Rozdíl mezi MNBS a MH spočívá v prostředí, kterému je dřevo vystaveno. U MNBS je to voda ve skupenství kapalném, u MH ve skupenství plynném. Při teplotě 15 - 20˚C mají obě veličiny přibližně stejnou hodnotu(cca 30 %). MH je na rozdíl od MNBS závislá na teplotě prostředí (s rostoucí teplotou klesá).

Závislost MNBS (MH) na hustotě dřeva:

vzorec

MNBS lze také zjistit jednodušeji pouze z ρ0: MNBS = 1035ρ0-0,545

Kde:

ρk - konvenční hustota dřeva [g/cm3]
ρ0 - hustota absolutně suchého dřeva [g/cm3]
ρH2O - hustota vody [g/cm3]

V praxi se dřevo řadí nečastěji do následujících skupin:

  1. dřevo mokré, dlouhou dobu uložené ve vodě (vlhkost w > 100%)
  2. dřevo čerstvě poraženého stromu (w = 50 - 100%), ale některá dřeva (např. topol) dosahují až 180%
  3. dřevo vysušené na vzduchu (w = 15 - 22%)
  4. dřevo vysušené na pokojovou teplotu (w = 8 - 15%)
  5. dřevo absolutně suché, vysušené při 103 ± 2°C (w = 0%)

Metody měření vlhkosti dřeva

  • přímé (absolutní) metody, kterými zjišťujeme skutečný obsah vody ve dřevě;
    • váhová (gravimetrická) metoda - provádí se podle ČSN 49 0103.
    • destilační metoda (extraktční) - provádí se destilací u impregnovaného nebo silně pryskyřičného dřeva,je velmi zdlouhavá a vyžaduje nákladné laboratorní zařízení
    • jodometrická titrace podle Fischera
  • nepřímé (relativní) metody, kterými se obsah vody určuje nepřímo prostřednictvím měření jiné veličiny, jejíž hodnota závisí na obsahu vody ve dřevě.

Z nepřímých metod jsou rozšířené metody elektrofyzikální (odporová, kapacitnídielektrická), radiometrické (založené na absorpci různých druhů záření), akustické (využití rychlosti šíření nebo adsorpce zvuku a ultrazvuku) nebo termofyzikální. Pro svoji jednoduchost a rychlost je asi nejpoužívanější metodou zjišťování vlhkosti pomocí elektrických vlhkoměrů. Tyto vlhkoměry spolehlivě měří vlhkost suchého dřeva, s rostoucí vlhkostí (nad mez nasycení) jejich přesnost významně klesá.

Stanovení vlhkosti dřeva gravimetricky podle ČSN 49 0103

Podstata zkoušky. Vlhkost dřeva můžeme vyjádřit jako procentuální podíl hmotnosti vody obsažené ve vlhkém vzorku ku hmotnosti stejného vzorku ve stavu vysušeném.

Zkušební zařízení a pomůcky. Váhy a přesností 0,01 g, sušička umožňující regulování teploty v rozmezí 103 ± 2°C, exsikátor s hygroskopickou látkou.

Zkušební postup. Podle normy si připravíme zkušební tělesa ve tvaru pravoúhlého hranolu s rozměry základny 20 × 20 mm a délkou podél vláken (25 ± 5) mm. Připravený vlhké zkušební těleso zvážíme s přesností na 0,01 g. Poté se zkušební těleso vysuší při teplotě 103 ± 2°C do ustálené hmotnosti (změna hmotnosti mezi dvěma váženími prováděnými po dvou hodinách nepřekročí 0,01 g). Vzorek ochladíme v exsikátoru a vzápětí rychle zvážíme (aby přírůstek vlhkosti nebyl větší než 0,1%) hmotnost vysušeného vzorku s přesností na 0,01 g.

Vlhkost zkoušeného vzorku dřeva W v [%] se vypočtěte ze vztahu:

vzorec

Kde:

m1 hmotnost zkušebního tělesa ve stavu vlhkém v [g],

m2 hmotnost zkušebního tělesa po vysušení v [g],

W vlhkost dřeva v [%]

Výsledek zkoušky vlhkosti se uvede s přesností na 1,0 %.

Hygroskopicita a rovnovážná vlhkost

Hygroskopicita (navlhavost) - je schopnost dřeva pohlcovat ze vzduchu vodní páry. Vlhkost dřeva časem ustálí na tzv. rovnovážné vlhkosti, která závisí na teplotě a vlhkosti vzduchu. Tomuto stavu říkáme stav vlhkostní rovnováhy. (tlak vodních par ve vzduchu a tlak vodních par ve dřevě jsou v rovnováze).

Nasákavost dřeva vodou

Nasákavost(hydroskopicita) je schopnost dřeva pohlcovat vodu, do níž bylo ponořeno. Množství pohlcené vody závisí na době, po kterou bylo dřevo ve vodě. Udává se v procentech. Rychlost přijímání vody závisí na počáteční vlhkosti, teplotě a na tvaru a rozměrech dřeva.

Bobtnání a sesychání

Bobtnáním α nazýváme schopnost dřeva zvětšovat lineární rozměry, plocha nebo objem tělesa při přijímání vázané vody (v rozsahu vlhkosti 0 % - MNBS). Bobtnání se vyjadřuje podílem změny rozměru k původní hodnotě. Udává se v %. Ve směru podélném bobtná o 0,1 až 0,6 %, ve směru radiálním bobtná o 3 až 6 % a ve směru tangenciálním bobtná o 6 až 12 %.

Postup měření. Dřevěný vzorek se vysuší v sušárně na W = 0 % při 103±2°C. Po vyjmutí ze sušárny se zjistí rozměry tělesa a následně se vloží do vody temperované na 20°C. Ve vodní lázni se ponechá 24 hodin. Po vyjmutí z vody se těleso osuší a opět se změří jednotlivé rozměry. Bobtnání α se vypočte ze vztahu:

α = Aw - As / As . 100 [%]

Kde:

Aw - rozměr tělesa, jeho plocha nebo objem nasáklého tělesa po 24h [mm],
As - rozměr tělesa, jeho plocha nebo objem tělesa vysušeného (W = 0 %) [mm]

Koeficient bobtnání Kα – udává procentickou změnu rozměrů, plochy nebo objemu, jestliže se vlhkost změní o 1 %.

Kα = Δα / (w2 - w1) [% / 1 %]

Známe-li celkové bobtnání, pak Kα = αmax / MNBS

Celkové objemové bobtnání je dáno součtem bobtnání v podélném směru, radiálním směru a tangenciálním směru.

Celkové objemové bobtnání:

αVmax = WMNBS . ρ0

Celkové objemové, tangenciální a radiální bobtnání:

αV = 28 . ρ0
αt = 17 . ρ0
αr = 9,1 . ρ0

Bobtnání v jednotlivých směrech udává poměr: αt : αr : αl = 20 : 10 : 1

Sesychání β – Sesychání je opakem bobtnání. Proces, při kterém se zmenšují lineární rozměry, plocha nebo objem tělesa při ztrátě vody vázané. Pro výpočet sesychání platí obdobné vztahy jako pro bobtnání. Sesychání je dáno součtem lineárních sesychání v podélném, radiálním a tangenciálním směru se stejným podílem v jednotlivých směrech. Celkové objemové sesychání je přímo úměrné konvenční hustotě dřeva:

βWmax = WMNBS . ρk

βWmax = 28 . ρk

Hodnoty sesychání β a bobtnání α (lineárního, plošného a objemového) lze navzájem přepočítat podle vztahů:

α = 100. β / (100 – βw)

β = 100. α / (100 + α)

Na základě hodnot koef. objemového sesychání můžeme rozdělit dřeva do následujících skupin:

  • dřeva málo sesychavá - KβV < 0,4 (tis, olše, akát, topol, kaštan)
  • dřeva středně sesychavá - KβV = 0,4 - 0,47 (smrk, borovice, jedle, osika, dub, jasan, jilm, ořešák)
  • dřeva hodně sesychavá - KβV > 0,47 (modřín, bříza, lípa, líska)

Borcení dřeva

Je provázeno tvořením drobných trhlin a může být způsobeno nerovnoměrným vysoušením a vadami dřeva. Je to následek bobtnání a sesychání dřeva.

Borcení dřeva

  • Příčné borcení je vyvoláno rozdílným radiálním a tangenciálním sesycháním sortimentu a je tím větší, čím větší je jeho vzdálenost od dřeně k obvodu kmene
  • Podélné borcení vzniká nerovnoměrným podélným sesycháním dřeva, které způsobí prohnutí nebo stočení řeziva

Stanovení objemové hmotnosti dřeva dle ČSN 49 0108

Princip. Měřením rozměrů a vážením tělesa s přirozenou vlhkostí W zjistíme jeho objem a hmotnost.

Nejčastěji rozlišujeme tři různé objemové hmotnosti dřeva v závislosti na vlhkosti:

  • Objemová hmotnost v suchém stavu - hmotnost objemové jednotky zcela vysušeného dřeva (W = 0 %).
  • Objemová hmotnost při vlhkosti W = 12 %.
  • Objemová hmotnost při vlhkosti W - hmotnost objemové jednotky dřeva při vlhkosti W > 0 %.

Redukovaná objemová hmotnost dřeva ρrw

Je definována podílem hmotnosti dřeva v absolutně suchém stavu m0 a jeho objemem při určité vlhkosti Vw. Tato objemová hmotnost udává, kolik sušiny se nachází v nabobtnalém objemu dřeva. Redukovaná objemová hmotnost při w = 0 % je totožná s hustotou absolutně suchého dřeva ρ0. Se stoupající vlhkostí její hodnota klesá až po mez hygroskopicity (cca 30 %), nad kterou se již nemění.

vzorec

Konvenční objemová hmotnost ρk

Je definována podílem hmotnosti dřeva v absolutně suchém stavu m0 a jeho objemem při vlhkosti nad mezí hygroskopicity, kdy již nezávisí na vlhkosti dřeva, protože dřevo dále nebobtná. Konvenční objemovou hmotnost je možné vypočítat z ρ0 podle rovnice:

vzorec

Pro možnost porovnání výsledků a použití při teoretických výpočtech používáme objemovou hmotnost v absolutně suchém stavu ρ0.

Speciálním případem ρw je objemová hmotnost dřeva při 12% vlhkosti. Tuto udávají také normy, protože 12% vlhkosti je dosaženo dlouhodobějším vystavením dřeva běžným podmínkám (T = 20°C, φ = 65%). Objemové hmotnosti některých dřevin a jejich rozdělení:

  • Dřeva s nízkou hustotou (ρ12 < 540 kg.m-3) - borovice, smrk, jedle, topol, lípa, vrba, olše, osika
  • Dřeva se střední hustotou (ρ12 = 540 - 750 kg.m-3) - modřín, tis, bříza, buk, hrušeň, dub, ořešák, jilm, jabloň, jasan, jeřáb, třešeň, kaštanovník
  • Dřeva s vysokou hustotou (ρ12 > 750 kg.m-3) - habr, zimostráz, dřín, moruše, akát.

Zkušební postup. Norma předepisuje pro zkušební tělesa tvar pravoúhlého hranolu se základnou 20 × 20 mm a délkou podél vláken 25 ± 5 mm. Rozměry zkušebního tělesa se změří posuvným měřítkem s přesností 0,1 mm. Hmotnost zkušebního tělesa se zváží s přesností 0,01 g.

Objemovou hmotnost ρw dřeva při vlhkosti v době zkoušky W v [kg/m3] vypočítáme podle vzorce:

vzorec ,   vzorec ,   vzorec

mw hmotnost zkušebního tělesa při vlhkosti W v [kg].
aw, bw příčné rozměry zkušebního tělesa při vlhkosti W v [m].
lw délka zkušebního tělesa při vlhkosti W v [m].
ρw objemová hmotnost zkušebního tělesa při vlhkosti W v [kg/m3].
ρ0 objemová hmotnost zkušebního tělesa při vlhkosti W = 0 % v [kg/m3].
ρ12 objemová hmotnost zkušebního tělesa při vlhkosti W = 12 % v [kg/m3].

Zjištěná hodnota objemové hmotnosti ρw se zaokrouhlí na 5 kg/m3.