Динамічний модуль пружності хвилясто-завилькуватої деревини Abies Alba Mill

Размещено на http://www.allbest.ru//

Динамічний модуль пружності хвилясто-завилькуватої деревини Abies Alba Mill

І. М. Сопушинський

Досліджено відмінності динамічного модуля пружності, коефіцієнта затухання та швидкості звуку хвилясто-завилькуватої деревини порівняно з прямоволокнистою деревиною ялиці білої. Графічно наведено варіацію досліджуваних показників у межах радіуса та висоти стовбура. У межах радіуса стовбура із хвилясто-завилькуватою структурою можна виділити два класи якості деревини, а саме: перший - периферійна деревина (40 % радіуса стовбура) та другий - центральна (ядрова) деревини. Структурне розміщення деревного волокна, зокрема хвилясто-завилькувате, істотно визначає фізико-механічні характеристики деревини та їх варіацію. Коефіцієнт затухання деревини змінюється: від 6 до 10 для хвилясто-завилькуватої деревини; від 12 до 14 для прямоволокнистої деревини. Встановлено прямолінійну залежність першого порядку між динамічним модулем пружності та об'ємною масою деревини. Збільшення об'ємної маси прямоволокнистої деревини зумовлює збільшення модуля пружності та описується рівнянням прямої (R2=0,69.. .0,72). Прямолінійна залежність між динамічним модулем пружності та щільністю хвилясто-завилькуватої деревини є інверсійною. Динамічний модуль пружності прямово- локнистої деревини знаходиться в межах від 5921 до 12995 Н-мм'2, а хвилясто-завилькуватої деревини - від 5053 до 12393 Н-мм-2. пружність стовбур деревина

Ключові слова: ялиця біла; хвилясто-завилькувата деревина; динамічний модуль пружності; об'ємна маса; коефіцієнт затухання.

Вступ

Неруйнівне оцінювання якості деревини є важливою складовою її механічного сортування, що відіграє важливу роль у дерев'яному будівництві та виробництві конструктивних брусів. Так, більшість наукових праць стосуються вивчення модуля пружності як інтегрального показника механічної якості деревини, метою яких було сортування пиломатеріалів за міцністю деревини на класи якості, в їх основі закладено статичне та динамічне навантаження. Чимало таких робіт висвітлюють питання варіації модуля пружності деревини під час статичного згину та на розтяг вздовж волокон. Показники динамічного модуля пружності деревини є дещо більшими, порівняно з аналогічними показниками статичного модуля пружності (Divos & Tanaka, 2005). Акустичний метод визначення модуля пружності деревини є одним із найкращих неруйнівних методів діагностування вад деревини та дефектів композиційних матеріалів (Zhenbo et al., 2005). Відповідно до теоретичних засад, модуль пружності дорівнює добутку об'ємної маси деревини та квадрату швидкості звуку в деревині вздовж волокон (Bucur, 2006; Vintoniv et al., 2007). При цьому кут нахилу мікрофібрил ранньої деревини впливає більше на модуль пружності деревини, ніж пізньої, що пов'язано з його більшою варіацією у ранній деревині річного кільця (Lachenbruch et al., 2010). У деревині більшості хвойних порід встановлено збільшення середнього значення модуля пружності в радіальному напрямку від серцевини до кори (Machado & Cruz, 2005; Beaulieu et al., 2006). Така закономірність зумовлена збільшенням довжини трахеїд у напрямку від серцевини до периферії стовбура та від комлевої частини стовбура до початку його крони (Mvolo et al., 2015). Перехідна зона між ранньою та пізньою деревиною зумовлює характер зміни щільності деревини в межах річного кільця та відповідно визначає властивості деревини, особливо для швидкорослих хвойних видів (Koubaa et al., 2005). Так, під час застосування резонансного методу для визначення динамічного модуля пружності деревини, кореляція між останнім та статичним модулем пружності деревини є більш прогнозована (Barr et al., 2015). Динамічний модуль пружності кільцесудинної та розсіяносудинної деревини знаходять у прямолінійній залежності від її об'ємної маси (Chauhan & Sethy, 2016).

Мета дослідження - вивчення динамічного модуля пружності прямоволокнистої та хвилясто-завилькуватої деревини в межах радіуса та висоти стовбура Abies alba Mill.

Матеріал і методи дослідження. Для дослідження відібрано 12 модельних дерев ялиці білої з прямоволокнистою та хвилясто-завилькуватою деревиною в Ло- пушнянському лісництві ДП "Берегометське лісомисливське господарство" (48°06'02.34" пн.ш. 25°13'02.46х.д., 985 м н.р.м.). Взірці деревини розміром 20^20x360 мм3 (±1 мм) вирізано в напрямку від кори до серцевини та на висотах 1,3 та 7 метрів. Динамічний модуль пружності визначено на приладі Grindo Sonic кафедри біології деревини та лісової продукції Ґет- тінґенського університету ім. Георга Августа, м. Ґет- тінґен, Німеччина в рамках Європейської науково-технічної співпраці "COST Action FP1407: ModWoodLife" (рис. 1).

В основу методики визначення динамічного модуля пружності закладено повздовжні вібрації. Повздовжній динамічний модуль пружності розраховано за формулою ЈЬ=4Ь2/т2р/т2, де: Ь - довжина взірця, м; р - щільність деревини, кгм ; ут - повздовжня резонансна частота коливань у деревині, Гц; т - кількість періодів гармонічних коливань. Абсолютна вологість взірців деревини в момент випробування становила 8 %. Для визначення середньої швидкості звукової хвилі було проведено три удари молотком (рис. 2).

Рис. 2. Схема розміщення взірця деревини під час випробування

Для аналізу резонансних властивостей деревини визначено швидкість звуку (С) та коефіцієнт затухання (К). Взірці деревини виміряно з точністю - 0,01 мм та масу зважено - 0,001 г (^Попіу et аі., 2007).

Результати дослідження та їх обговорення. Відмінність властивостей деревини в межах стовбура та між окремими деревами зумовлює вивчення закономірностей формування якісних характеристик деревини як анізотропного матеріалу. Глобальні кліматичні зміни протягом тривалого часу впливають на ріст та розвиток біологічних видів. Такі фенотипічні відміни для деревних видів добре відображаються на межі природного ареалу. Структурні відхилення у деревині, які виявляються через зміну лісорослинних умов, визначають фі- зико-механічні показники деревини, знання яких є важливим під час механічного сортування деревини. Зміну величини динамічного модуля пружності в напрямку від кори до серцевини стовбура дерева та за його висотою наведено на рис. 3.

Графічні дані значень динамічного модуля пружності прямоволокнистої деревини свідчать про його плавне зменшення від периферії до серцевини стовбура, що не є характерним для хвилясто-завилькуватої структури. У межах радіуса стовбура із хвилясто-завилькуватою структурою можна виділити два класи якості деревини: перший - периферійна деревина з низькими показниками динамічного модуля пружності, тобто 40 % радіуса стовбура; другий - 60 % радіуса центральної (ядрової) деревини, показники якої аналогічні. Для діагностування структурних відмінностей деревини важливим показником є коефіцієнт затухання звукових коливань (рис. 4).

Як видно з рис. 2, варіація значень коефіцієнта затухання периферійної зони деревини ялиці білої істотно відрізняється. Так, коефіцієнт затухання взірців деревини із хвилясто-завилькуватою деревиною змінюється від 6 до 10, а для прямоволокнистої деревини - від 12 до 14. З огляду на це прикладного значення набуває встановлення залежності між динамічним модулем пружності та об'ємною масою деревини (рис. 5).

Рис. 4. Коефіцієнт затухання прямоволокнистої (а) та хвилясто-завилькуватої (б) деревини ялиці білої

Рис. 5. Залежності між динамічним модулем пружності та щільністю прямоволокнистої (а) та хвилясто-завилькуватої (б) деревини

Прямолінійні рівняння залежності між динамічним модулем пружності та щільністю деревини є важливим інструментарієм під час відбору та сортування деревини за якісними характеристиками. Результати дослідження прямоволокнистої деревини свідчать про збільшення модуля пружності із зростанням величини об'ємної маси, що описується рівнянням прямої для взірців деревини на висоті зрізу 1,3 м - у=31,05х- 1405,27 (Я2= 0,72) та 7,0 м - >=54,26х-10 709,90 (#2=0,69). Проте для хвилясто-завилькуватої деревини ялиці білої закономірність має протилежний характер, а зокрема із збільшенням її щільності зменшується динамічний модуль пружності. Отже, відмінність структурного впорядкування деревного волокна, а саме його хвилясто-завилькувате розміщення, зумовлює зміну закономірності між фізичними та механічними властивостями деревини.

Варіація показників фізико-механічних властивостей деревини з прямоволокнистою та хвилясто-завилькуватою структурою та їх статистична характеристика має прикладне значення для технологічних процесів її оброблення (табл.).

Примітка: N - кількість проведених вимірювань; min - мінімальне значення; Mtm - середнє арифметичне значення та його помилка; max - максимальне значення; V - коефіцієнт варіації; P - показник точності.

Результати дослідження прямоволокнистої деревини свідчать про те, що її середні значення динамічного модуля пружності, коефіцієнта затухання та швидкості звуку є більшими порівняно з аналогічними показниками для хвилясто-завилькуватої деревини ялиці білої. Динамічний модуль пружності прямоволокнистої деревини знаходиться в межах від 5921 до 12995 Н-мм-2, а хвилясто-завилькуватої деревини - від 5053 до 12393 Н-мм-2. Так, середні значення динамічного модуля пружності прямоволокнистої деревини на висоті 1,3 м є на 21,5 % більшими від аналогічного показника для хвилясто-завилькуватої деревини ялиці білої. При чому щільність хвилясто-завилькуватої деревини за вологості 8 % характеризується більшими середніми значеннями порівняно з об'ємною масою прямоволокнистої деревини. Отримані результати досліджень дали змогу встановити істотні відмінності між фізико-меха- нічними характеристиками прямоволокнистої та хвилясто-завилькуватої деревини ялиці білої і визначити залежність між об'ємною масою та динамічним модулем пружності.

Висновки

Результати дослідження динамічного модуля прямоволокнистої та хвилясто-завилькуватої деревини ялиці білої свідчать про таке:

* структурне розміщення деревного волокна ялиці білої визначає діапазон зміни показників динамічного модуля пружності, коефіцієнта затухання та швидкості звуку;

у межах стовбура дерева більшими значеннями динамічного модуля пружності характеризується периферійна деревина на висоті зрізу 1,3 м;

збільшення модуля пружності хвилясто-завилькуватої деревини зумовлено зменшенням об'ємної маси деревини ялиці білої та описано рівнянням прямої (y=-27,88x+22 263,46; y=-20,53x+18 288,99; R2=0,51.. .0,57);

динамічний модуль пружності прямоволокнистої деревини змінюється від 5921 до 12995 Н-мм"2, а хвилясто-завилькуватої деревини - від 5053 до 12393 Н-мм-2.

Перелік використаних джерел

Baltunis, B. S., Wu, H. X., & Powell, M. B. (2007). Inheritance of density, microfibril angle, and modulus of elasticity in juvenile wood of Pinus radiata at two locations in Australia. Can. J. For. Res., 57(11), 2164-2174. https://doi.org/10.1139/X07-061 Barr, J., Tippner, J. J., Rademacher, P. (2015). Prediction of mechanical properties - Modulus of Rupture and Modulus of Elasticity - of five tropical species by nondestructive methods. Maderas-CiencTecnol, 17(2), 239-252.

https://doi.org/10.4067/S0718-221X2015005000023 Beaulieu, J., Zhang, S. Y., Yu, Q. B., & Rainville, A. (2006). Comparison between genetic and environmental influences on lumber bending properties in young white spruce. Wood and Fiber Science, 38, 553-564.

Bucur, V. (2006). Acoustics of wood. 2nd ed. Springer, New York. 360 p. Chauhan, Sh., & Sethy, A. (2016). Bifferences in dynamic modulus of elasticity determined by three vibration methods and their relationship with static modulus of elasticity Maderas. Ciencia y tecnologa, 18(2), 373-382.

https://doi.org/10.4067/S0718-221X2016005000034 Divos, F., & Tanaka, T. (2005). Relation Between Static and Dynamic Modulus of Elasticity of Wood. Acta Silv. Lign. Hung., 1, 105-110. Koubaa, A., Isabel, N., Zhang, S. Y., Beaulieu, J., Bousquet, J. (2005). Transition from juvenile to mature wood in black spruce (Picea mariana (Mill.). Wood and Fiber Science, 37(3), 445-455. Lachenbruch, B., Johnson, G. R., Downes, G. M., & Evans, R. (2010). Relationships of density, microfibril angle, and sound velocity with stiffness and strength in mature wood of Douglas-fir. Can. J. For. Res., 40, 55-64. https://doi.org/10.1139/X09-174 Machado, J. S., & Cruz, H. P. (2005). Within stem variation of maritime pine timber mechanical properties. Holz Als Roh-und Werkstoff, 63, 154-159. https://doi.org/10.1007/s00107-004-0560-4 Mvolo, C. S., Koubaa, A., Beaulieu, J., Cloutier, A., Mazerolle, M. J. (2015). Variation in Wood Quality in White Spruce (Picea Glauca (Moench) Voss). Part I. Defining the Juvenile - Mature Wood Transition Based on Tracheid Length. Forests, 6, 183-202; https://doi.org/10.3390/f6010183

Размещено на Allbest.ru