MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ. Stavba a vybrané vlastnosti dřeva zeravce východního

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ Lesnická a dřevařská fakulta Ústav nauky o dřevě Stavba a vybrané vlastnosti dřeva zeravce východního Bakalářská práce Brno 2013 Radim Rousek

2 Zadávací list

3 Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma: Stavba a vybrané vlastnosti dřeva zeravce východního zpracoval sám a uved jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje bakalářská práce byla zveřejněna v souladu s 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MENDELU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace. V Brně, dne: Radim Rousek

4 Poděkování Tímto bych chtěl poděkovat všem, kteří mi pomohli při zpracování této bakalářské práce. Především chci poděkovat svému vedoucímu bakalářské práce Ing. Vladimíru Grycovi, Ph.D za cenné rady a ochotu při řešení problémů. Také bych chtěl poděkovat doc. Ing. Karlu Drápelovi, CSc. za odbornou pomoc v oblasti statistického zpracování dat. Dále bych chtěl poděkovat Ing. Janu Tippnerovi, Ph.D. za technickou pomoc při měření mechanických vlastností dřeva a Ing. Hanuši Vavrčíkovi, Ph.D. za odborné rady při digitalizaci mikroskopických preparátů. Také děkuji Ondřeji Maňákovi za asistenci při měření fyzikálních vlastností dřeva. V neposlední řadě děkuji své rodině a přátelům, kteří mě podpořili během studia. Tato práce vznikla v rámci projektu Vytvoření mezinárodního vědeckovýzkumného týmu pro vývoj nových materiálů na bázi dřeva (INWOOD), který je financován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky (EE ).

5 Abstrakt Autor: Název: Radim Rousek Stavba a vybrané vlastnosti dřeva zeravce východního Tato bakalářská práce se zabývá anatomickou stavbou a vybranými fyzikálními a mechanickými vlastnostmi dřeva zeravce východního (Platycladus orientalis). Je zde popsána anatomická stavba dřeva a důležité rozlišovací znaky na základě pozorování vlastních makroskopických vzorků a mikroskopických preparátů. Formou vlastního experimentu je zjišťována hustota dřeva, celkové sesychání, mez hygroskopicity, pevnost dřeva v tlaku podél vláken a Youngův modul pružnosti. Získané výsledky jsou statisticky vyhodnoceny a porovnány s hospodářsky využívanými jehličnatými dřevy. Bylo zjištěno, že toto dřevo je pevné a těžké jako dřevo modřínu, ale méně pružné a velmi málo sesychavé. Hustota dřeva při 12 % vlhkosti je 581,43 kg m -3 a pevnost v tlaku podél vláken je 51,66 MPa. Klíčová slova: zeravec východní, Platycladus, stavba dřeva, hustota, sesychání, mez hygroskopicity, pevnost, modul pružnosti Abstract Author: Title: Radim Rousek Anatomy and selected properties of Chinese Arborvitae wood This Bachelor s work is focused on anatomy and selected properties of Chinese Arborvitae wood (Platycladus orientalis). The first part deals with anatomy description and significant distinguishing features at macro- and microscopic level based on observation of prepared specimens. Experimentally determined properties are density, shrinkage, fiber saturation point, compressive strength parallel to grain and Young s modulus of elasticity. Obtained results are statistically evaluated and compared with commercially important softwoods. It was found that this wood is heavy and strong like larch wood, but is less elastic and shrinks very little. Density at 12 % moisture content is kg m -3 and compressive strength parallel to grain is MPa. Keywords: Chinese Arborvitae, Platycladus, wood anatomy, density, swelling, fiber saturation point, strength, modulus of elasticity

6 Obsah 1 Úvod Cíl práce Zeravec východní (Platycladus orientalis) Vědecká klasifikace Výskyt Dendrologická charakteristika Stavba a vlastnosti dřeva Hospodářsky využívané cypřišovité dřeviny Anatomická stavba jehličnanů Tracheidy Parenchymatické buňky Dřeňové paprsky Křížové pole Pryskyřičné kanálky Fyzikální vlastnosti dřeva Vlhkost dřeva Mez nasycení buněčných stěn a mez hygroskopicity Měření vlhkosti gravimetrickou metodou Rozměrové změny dřeva vlivem vlhkosti Hustota dřeva Mechanické vlastnosti dřeva Pevnost dřeva v tlaku podél vláken Pracovní diagram Pružnost dřeva Faktory ovlivňující pevnost a pružnost dřeva Materiál a metodika Lokalita a materiál Postup výroby zkušebních vzorků Výroba trvalých mikroskopických preparátů Měření meze hygroskopicity

7 7.5 Stanovení celkového sesychání dřeva Měření hustoty dřeva Měření meze pevnosti a modulu pružnosti v tlaku podél vláken Výsledky Popis makroskopické stavby dřeva Popis mikroskopické stavby dřeva Hustota dřeva Variabilita hustoty dřeva mezi vzorníky Mez hygroskopicity Sesychání dřeva Celkové sesychání dřeva Variabilita objemového sesychání mezi vzorníky Koeficient sesychání Mez pevnosti při zatížení tlakem podél vláken Modul pružnosti při zatížení tlakem podél vláken Diskuze Anatomická stavba dřeva Vlastnosti dřeva a jejich vzájemná závislost Variabilita fyzikálních a mechanických vlastností Srovnání vlastností s jinými jehličnatými dřevy Hospodářsky využívaná dřeva z čeledi cypřišovitých Hospodářsky využívaná evropská jehličnatá dřeva Závěr Summary Pouţitá literatura Seznam obrázků Seznam tabulek

8 1 Úvod Dřevo je využíváno člověkem po tisíce let jako palivo a konstrukční materiál. Pro svoje výjimečné vlastnosti je stále nenahraditelnou surovinou a jistě tomu bude tak i v budoucnu. Jeho vlastnosti se významně liší v závislosti na dřevině, ze které pochází. Již naši předkové věděli, že není dřevo jako dřevo, a na určité výrobky používali dřevo pro daný účel nejvhodnější. Sortiment domácích hospodářsky využívaných dřev je velmi úzký v porovnání s obrovským množstvím nejrůznějších dřevin rostoucích na našem území. A to nejen domácích, ale i nepůvodních druhů, které můžeme spatřit zejména v parcích, zahradách a okrasných výsadbách. V současnosti jsou stále více vysazovány nejrůznější okrasné dřeviny z celého světa, které jsou schopny růst v našich podmínkách. Mnohé z nich zde rostou již desítky let, někdy i více než sto let. Z hlediska materiálu jim není věnována velká pozornost, přestože ve své domovině mají některá z nich velký hospodářský význam. Určité snahy o využití těchto dřev můžeme zaznamenat v oblasti umělecké tvorby a výrobě dřevěných šperků. Jedním z důvodů malého využívání těchto okrasných dřevin jako zdroje materiálu je to, že vlastnosti daného dřeva často nejsou známy. Současný trend je vysazování velkého množství stálezelených jehličnanů z čeledi cypřišovitých. Pod lidovým označením tůje se skrývá celá řada druhů. Jsou to cypřišky (Chamaecyparis), cypřiše (Cupressus), pazeravy (Calocedrus), jalovce (Juniperus), zeravinec (Thujopsis) ale především zeravy (Thuja, Platycladus). Tento trend přinese i rostoucí množství kácených stromů, které poslouží jen jako palivo, nebo budou využity lepším způsobem. Tato práce se zabývá vlastnostmi jednoho z těchto dřev, konkrétně zeravce východního (Platycladus orientalis), a pokouší se dát odpověď na otázku, zda stojí za to využít tento materiál ušlechtilejším způsobem. 8

9 2 Cíl práce Cílem této bakalářské práce je detailně prozkoumat a popsat anatomickou stavbu dřeva zeravce východního (Platycladus orientalis) na makroskopické a mikroskopické úrovni. Dále změřit důležité fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva. Z fyzikálních vlastností je věnována pozornost hustotě, celkovému sesychání, koeficientu sesychání a mezi hygroskopicity. Z mechanických vlastností jsou to pevnost dřeva v tlaku podél vláken a Youngův modul pružnosti. Součástí práce bude i zjišťování variability těchto vlastností. Zjištěné vlastnosti dřeva budou porovnány s vlastnostmi hospodářsky využívaných jehličnatých dřev. 9

10 3 Zeravec východní (Platycladus orientalis) 3.1 Vědecká klasifikace Český název Vědecký název Řád Čeleď Zeravec východní, Túje východní Platycladus orientalis, Biota orientalis, Thuja orientalis Pinales borovicotvaré Cupressaceae cypřišovité (Musil, Hamerník 2007; BioLib 2013) Obr. 1: Zeravec východní (Platycladus orientalis) vzrostlý strom (Wikipedia 2013a) 10

11 3.2 Výskyt Zeravec východní pochází ze severní Číny, Mandžuska a Koreje (Bitner 2012). V Evropě se pěstuje od první poloviny 19. století. V japonském zahradnictví a celé přilehlé oblasti je znám jako prastará pěstovaná rostlina (Větvička et al. 2005). 3.3 Dendrologická charakteristika Stálezelený strom s vejčitou až úzce kuželovitou korunou, zčásti také s více vrcholy, u stromů starších poněkud širší (Kremer 1995). Je to malý, pomalu rostoucí strom, který dosahuje výšky m a průměru kmene 0,5 m. Vyznačuje se dlouhověkostí. Některé nejstarší exempláře rostoucí kolem buddhistických chrámů v Číně jsou více než 1000 let staré s průměrem kmene 2 metry (Wikipedia 2013a). Zeravec východní je na první pohled velmi podobný cypřišům (Chamaecyparis) a druhům z rodu Thuja, ke kterým byl dlouhou dobu přiřazen. Později byl zařazen do monotypického rodu Platycladus. Existuje několik znaků pomocí kterých lze zeravec východní spolehlivě odlišit. (Větvička et al. 2005) Šišky jsou masité, vejčité, 1,5 2,5 cm dlouhé a namodralé. Jejich plodní šupiny jsou zakončeny nápadným hákovitým útvarem (Obr. 2). Tím se odlišují od kulovitých šišek cypřišků a podlouhlých, nápadně sušších šišek zeravů rodu Thuja. Semena zeravce východního jsou bezkřídlá. (Větvička et al. 2005) Obr. 2: Větvička se šiškami a detail kůry staršího stromu (BioLib 2013) 11

12 Šupinovité listy tupé na koncích lehce dovnitř stočené. Odumřelé části se zbarvují rezavě. Větévky jsou zpravidla vertikálně orientované (Obr. 3), po obou stranách stejně zeleně zbarvené. Dobrým rozlišovacím znakem zeravce východního je to, že listy po rozemnutí postrádají typickou ovocnou vůni (Kremer 1995). Kmen zeravce východního je často vícenásobný. Stromy s jediným kmenem jsou spíše výjimkou (Orwa et al. 2009). Borka je tenká, červenohnědá, málo zbrázděná a na starších kmenech se odlupuje v úzkých papírových plátcích (Obr. 2) (Kremer 1995; Větvička et al. 2005). Zeravec východní se pěstuje jako okrasná dřevina v mnoha kultivarech. Liší se zbarvením či vzrůstem a jejich počet na trhu jde do desítek (Větvička et al. 2005). 3.4 Stavba a vlastnosti dřeva Obr. 3: Platycladus orientalis 'Morgan', jeden z mnoha kultivarů (GardenWeb 2013) Dřevo zeravce východního je vonné, tuhé, avšak málo použitelné, protože tato dřevina není výrazně kmenotvorná (Větvička et al. 2005). Jádro je tmavohnědé, běl je bílá nebo krémově nažloutlá. Toto dřevo s jemnou texturou bývá hodně sukaté. Všechny části zeravce východního obsahují esenciální oleje. Nejkvalitnější je možné získat ze dřeva. Tyto oleje obsahují 45 % thujopsenu a 21 % cedrolu (Orwa et al. 2009). Dřevo se používá se na nábytek (Orwa et al. 2009), stavbu buddhistických chrámů a přípravu vonného kouře (Wikipedia 2013a). Mikroskopická stavba tohoto dřeva není v dostupné literatuře popsána. 12

13 Obr. 4: Kmen stromu Platycladus orientalis o průměru 8,5 cm pocházející z japonské prefektury Miyagi. a) Kůra mladého stromu, b) Podélný řez kmenem, c) Příčný řez kmenem, věk asi 40 aţ 50 let. (Database of Japanese Woods 2013) 13

14 3.5 Hospodářsky vyuţívané cypřišovité dřeviny Pod obchodním názvem Cedar se skrývá mnoho různých dřevin. Většina z nich jsou jehličnany z čeledi cypřišovitých (Cupressaceae). Jejich přehled je uveden v tabulce (Tab. 1). Mnohé z nich se vyznačují výrazně aromatickým dřevem. Barva jádra může být od světle žluté (Chamaecyparis lawsonia) přes načervenalou (Thuja plicata) až po fialovo-hnědou (Juniperus virginiana). Jejich dřevo neobsahuje pryskyřičné kanálky. Odolnost proti dřevokazným houbám a hmyzu je dobrá až velmi dobrá (The Wood Database 2013). Pravý cedr je jen jeden a to je cedr libanonský (Cedrus libani) z čeledi borovicovitých (Pinaceae). Jeho vonné dřevo bylo od pradávna velice ceněno.v dnešní době na trhu v podstatě není (Wikipedia 2013b). Ve skupině cedrů se nachází i listnatá dřevina s obchodním názvem Spanish Cedar nebo Cedro (Cedrela spp.), která ovšem nepochází ze Španělska. Z botanického hlediska je příbuzná s pravými mahagony (Swietenia, Khaya), se kterými se řadí do stejné čeledi Meliaceae. Dřevo má příjemnou cedrovou vůni (The Wood Database 2013). Tab. 1: Seznam hospodářsky vyuţívaných dřevin z čeledi cypřišovitých. Sestaven dle publikací od těchto autorů: Jane (1970); Kretschmann (2010b); Panshin, Zeeuw (1980) Odborný název Chamaecyparis lawsoniana Chamaecyparis thyoides Chamaecyparis nootkatensis Calocedrus decurrens Juniperus virginiana Thuja occidentalis Thuja plicata Obchodní název Port Orford Cedar Southern White Cedar, Atlantic White Cedar Alaska Cedar, Yellow Cedar Incense Cedar Eastern Red Cedar, Pencil Cedar Northern White Cedar Western Red Cedar 14

15 4 Anatomická stavba jehličnanů Dřevo jehličnanů se vyznačuje jednoduchou, téměř pravidelnou stavbou. Skládá se jen ze dvou typů anatomických elementů. Jsou to tracheidy (cévice) a parenchymatické buňky. 4.1 Tracheidy Tracheidy jsou základním stavebním elementem dřeva jehličnanů a tvoří až 95 % celkového objemu dřeva. Mají funkci vodivou a mechanickou. Jsou to uzavřené protáhlé buňky s 4 až 6 úhelníkovým příčným průřezem a různým tvarem zakončení. Jejich délka je 100 až 300krát větší než šířka a udává se v rozmezí 2 až 6 mm. (Gandelová et al. 2002) Jarní tracheidy mají tenkou buněčnou stěnu a velký lumen. Jejich konce jsou zaoblené (Obr. 5). Na radiálních stěnách se vyskytují dvojtečky (Gandelová et al. 2002; Tsoumis 1991). Letní tracheidy jsou tlustostěnné s malým lumenem a ostře zašpičatělé (Obr. 5). Obvykle jsou zploštělé v radiálním směru a jejich lumen má obdélníkový tvar. Jejich délka je oproti jarním tracheidám průměrně o10 % větší. Dvojtečky letních tracheid jsou menší a v menším počtu (Gandelová et al. 2002; Tsoumis 1991). Přechod od jarních tracheid k letním může být náhlý nebo pozvolný. Způsob přechodu závisí na druhu jehličnaté dřeviny a je proto charakteristickým rozlišovacím znakem (Tsoumis 1991). Obr. 5: Schematický zákres fragmentu jarních (a) a letních (b) tracheid (Gandelová et al. 2002) 15

16 4.2 Parenchymatické buňky Parenchymatické buňky dřeva jehličnanů mají tvar kratších hranolků, válců nebo vřeten. Mají funkci vodivou a zásobní. Podílejí se na stavbě dřeňových paprsků, axiálního dřevního parenchymu a pryskyřičných kanálků (Gandelová et al. 2002). 4.3 Dřeňové paprsky Dřeňové paprsky u jehličnanů tvoří 5 10 % z celkového objemu dřeva. Jsou tvořeny pásy parenchymatických buněk orientovaných kolmo na letokruhy. Na buněčných stěnách mají jednoduché ztenčeniny nazývané tečky (Gandelová et al. 2002). Dřeva jehličnanů bez pryskyřičných kanálků obsahují jednovrstevné dřeňové paprsky tvořené pouze parenchymatickými buňkami. Tyto dřeňové paprsky se nazývají homocelulární. Dřeva jehličnanů obsahující pryskyřičné kanálky mají dřeňové paprsky tvořeny dvěma typy buněk. Uprostřed se nachází parenchymatické buňky a okraje dřeňových paprsků jsou lemovány ležatými tracheidami v jedné nebo více řadách. Jsou to tzv. heterocelulární dřeňové paprsky. (Gandelová et al. 2002) Dřeňové paprsky se dělí na jednovrstevné a vícevrstevné, které obsahují pryskyřičný kanálek (Gandelová et al. 2002). U některých jehličnanů se může vyskytovat několik dřeňových paprsků částečně dvouvrstevných (Jane 1970). Výška dřeňových paprsků může být různá, od 1 až do 50 buněk. Liší se mezi dřevinami a je důležitým rozlišovacím znakem (Gandelová et al. 2002). 4.4 Kříţové pole Místo, kde se setkává parenchymatická buňka dřeňového paprsku s vertikální tracheidou, se nazývá křížové pole. Zde se vyskytují jednoduché ztenčeniny (tečky), jejichž tvar a počet je charakteristický pro určitý druh jehličnanů (Obr. 6) (Gandelová et al. 2002). 16

17 Obr. 6: Schématický nákres typů teček v kříţovém poli (radiální řez) 1 oknový, 2 pinoidní bez zřetelného ohraničení, 3 pinoidní se zřetelným ohraničením, 4 piceoidní, 5 cupressoidní, 6 taxodioidní (Šlezingerová, Gandelová 2008) 4.5 Pryskyřičné kanálky Pryskyřičné kanálky tvoří ve dřevě síť horizontálních a vertikálních kanálků. U některých jehličnanů se nevyskytují (Gandelová et al. 2002). Vertikální pryskyřičné kanálky procházejí kmenem v podélném směru. Jsou tvořeny třemi vrstvami parenchymatických buněk. Vnitřní vrstva je tvořena výstelkovými neboli epitelovými buňkami. Jsou to živé buňky vylučující pryskyřici. Mohou být tenkostěnné nebo tlustostěnné a v různém počtu. Závisí to na druhu jehličnanu. Střední vrstva tvořená mrtvými buňkami slouží jako mechanická opora. Vnější vrstva se skládá z živých parenchymatických buněk (Gandelová et al. 2002). Horizontální pryskyřičné kanálky jsou uloženy horizontálně a procházejí dřeňovými paprsky. Jsou tvořeny jen dvěma vrstvami buněk, a to epitelovými a mrtvými parenchymatickými buňkami. Mají menší rozměry než vertikální pryskyřičné kanálky a je jich ve dřevě méně. (Gandelová et al. 2002) 17

18 5 Fyzikální vlastnosti dřeva 5.1 Vlhkost dřeva Voda ve dřevě se vyskytuje ve dvou formách: voda vázaná a voda volná. Voda volná (kapilární) vyplňuje ve dřevě buněčné lumeny a případně i mezibuněčné prostory. Je zde vázaná pouze kapilárními silami. Vyskytuje se zde, až když jsou nasyceny buněčné stěny. Její množství se pohybuje od meze nasycení buněčných stěn až po úplné nasycení dřeva vodou, které může přesáhnout vlhkost 100 %. Je to dáno tím, že hmotnost vody se vztahuje k hmotnosti sušiny (absolutní vlhkost) a může jí být více než samotného dřeva. To závisí na jeho pórovitosti (Požgaj et al. 1993). Voda vázaná (hygroskopická) se nachází v buněčných stěnách a je vázaná pomocí vodíkových můstků na hydroxylové skupiny celulosy a hemicelulos. Obsah vody vázané je omezen množstvím dostupných sorpčních míst, na které se mohou navázat molekuly vody (Siau 1995). Pohybuje se v rozmezí od 0 % do meze nasycení buněčných stěn (Požgaj et al. 1993). 5.2 Mez nasycení buněčných stěn a mez hygroskopicity Většina fyzikálních a mechanických vlastností dřeva závisí na jeho vlhkosti. Mez nasycení buněčných stěn (MNBS) je vlhkost dřeva, při které se mění charakter těchto závislostí. Z toho důvodu má velký praktický význam a je jí věnována velká pozornost. Mez nasycení buněčných stěn je definována jako stav, kdy buněčná stěna je zcela nasycena vodou a ve dřevě se nevyskytuje žádná voda volná. Je to tedy hranice mezi vodou vázanou a vodou volnou. Plného nasycení buněčných stěn dojde u dřeva dlouhodobě uloženého ve vodě. Tuto hranici je obtížné určit z důvodu obsahu vody volné ve dřevě. Proto se zavádí pojem mez hygroskopicity (MH). Je definován jako rovnovážná vlhkost, kterou dřevo dosáhne, pokud je dlouhodobě vystaveno prostředí s relativní vlhkostí vzduchu blížící se plnému nasycení (υ = 99,5 %). Rozdíl je tedy v prostředí, kterému je dřevo vystaveno. V případě MNBS je to prostředí kapalné, u MH plynné. Při teplotě kolem 15 až 20 C mají obě veličiny přibližně stejnou hodnotu. (Horáček 1998). U našich dřevin se pohybuje v rozmezí od 22 do 35 %. V praxi se běžně používá průměrná hodnota 30 % (Požgaj et al. 1993). Závislost MNBS na hustotě dřeva je obvykle vyjadřována vztahem: 18

19 kde konvenční hustota, hustota absolutně suchého dřeva a hustota vody Mez hygroskopicity nelze považovat za bod, protože kapiláry ve dřevě pokrývají velký rozsah velikostí a přechod mezi vodou vázanou a volnou není náhlý. Mez hygroskopicity závisí na hustotě dřeva. S rostoucí hustotou klesá v důsledku vyššího mechanického omezení příjmu vlhkosti buněčnou stěnou. Významný vliv má také teplota (na rozdíl od MNBS). Při zvýšení teploty o 1 C klesne přibližně o 0,5 % (Siau 1995). Vlhkost dřeva, která je v rovnováze s relativní vlhkostí vzduchu, se nazývá rovnovážná vlhkost dřeva (RVD). Přestože relativní vlhkost vzduchu je nejvýznamnější faktor, RVD je také závislá na teplotě (Obr. 7), na tom, jestli probíhá adsorpce nebo desorpce, na mechanickém namáhání, druhu dřeviny, hustotě a obsahu extraktivních látek. Vyšší obsah extraktivních látek snižuje RVD, a tedy i mez hygroskopicity, v důsledku nasycení buněčných stěn málo hygroskopickými látkami (Siau 1995). Obr. 7: Sorpční izotermy při různé teplotě (Siau 1995) 19

20 Obr. 8: Závislost meze nasycení buněčných stěn na hustotě dřeva (Poţgaj et al. 1993) V praxi se nejčastěji rozlišují tyto stupně vlhkosti: mokré, dlouhodobě uložené ve vodě (nad 100% vlhkosti), čerstvo vytěžené ( %), vzduchosuché (15 20 %), suché v podmínkách interiéru (8 10 %), absolutně suché vysušené při teplotě 103 ± 2 C. (Požgaj et al. 1993) 5.3 Měření vlhkosti gravimetrickou metodou Tato metoda slouží pro běžné stanovení vlhkosti, kde není požadovaná vysoká přesnost měření. Vzorky jsou sušeny při teplotě 103 ± 2 C, dokud není dosaženo konstantní hmotnosti. Při tomto procesu je dosaženo velmi nízké hodnoty rovnovážné vlhkosti vzorků v prostředí s relativní vlhkostí vzduchu dostatečně blízké nule. Vzorky jsou pak považovány za absolutně suché. Absolutní vlhkost dřeva se vypočítá podle vzorce: kde mw je hmotnost vlhkého vzorku a m0 je hmotnost absolutně suchého vzorku. Zbytková vlhkost ve vysušených vzorcích může běžně dosahovat hodnot od 0,05 % do 0,5 % v závislosti na teplotě a vlhkosti vzduchu v místnosti, který je přiváděn 20

21 do sušárny. Opačný vliv na výsledek měření mohou mít těkavé látky jiné než voda, které se ze dřeva odpařují během sušení (Skaar 1988). 5.4 Rozměrové změny dřeva vlivem vlhkosti Schopnost dřeva zvyšovat svoje lineární rozměry vlivem přijímání vody vázané se nazývá bobtnání. Opačný proces se označuje jako sesychání. Tyto veličiny vyjadřují procentuální změnu rozměrů. Liší se referenční délkou, ke které se rozměrové změny vztahují. Pokud je referenční délkou rozměr suchého vzorku, jedná se o bobtnání. Naopak v případě sesychání je referenční délkou rozměr mokrého vzorku (Skaar 1988). Bobtnání α a sesychání β se vypočítá podle následujících rovnic: kde značí rozměr tělesa, jeho plochu nebo objem, index udávající směr, plochu nebo objem, výchozí vlhkost, vlhkost po ukončení bobtnání nebo sesychání. Objemové bobtnání nebo sesychání se vypočítá podle výše uvedených rovnic nebo z hodnot bobtnání pro jednotlivé směry pomocí vztahu: Bobtnání dřeva od absolutně suchého stavu až do meze hygroskopicity se označuje jako celkové bobtnání. Opačný proces pak celkové sesychání. Další užitečnou veličinou je koeficient bobtnání nebo sesychání, který vyjadřuje procentuální změnu rozměrů při změně vlhkosti dřeva o 1 % (Horáček 1998). Dřevo je ortotropní materiál, v každém ze tří základních směrů vykazuje odlišné vlastnosti. To se týká i bobtnání a sesychání. Dělí se na podélné, radiální, tangenciální a objemové. Nejmenší bobtnání je v podélném směru, největší v tangenciálním směru. Pro naše dřeviny je to 0,1 0,4 % ve směru vláken, 3 6 % radiálně a 6 12 % v tangenciálním směru. Tyto rozdíly lze vyjádřit poměrem. 21

22 Poměr tangenciálního a radiálního bobtnání charakterizuje jednotlivé dřeviny a nazývá se diferenciální bobtnání. Průměrná hodnota je 2, ale může nabývat hodnot od 1 do 3,5 (Horáček 1998). Vyjadřuje se vztahem: Hodnoty podélného bobtnání nebo sesychání jsou v porovnání s dalšími směry velmi malé a v praxi se většinou zanedbávají. V některých případech je podélné bobtnání významně vyšší a nelze zanedbat. Týká se to reakčního a juvenilního dřeva. Podle Tsoumise (Tsoumis 1991) může u reakčního dřeva dosahovat až 10%. Pokud se nachází na jedné straně konstrukčního prvku (např. prkna), rozdílné podélné sesychání může způsobit značné podélné borcení (Skaar 1988). Rozdílné bobtnání a sesychání dřeva v různých anatomických směrech je zapříčiněno zejména mikroskopickou strukturou buněčné stěny. Dělí se na primární a sekundární. Primární buněčná stěna je velmi tenká. Sekundární se skládá ze tří vrstev (S 1, S 2, S 3 ) s odlišnou orientací mikrofibril. Vnější (S 1 ) a vnitřní (S 3 ) vrstva má mikrofibrily uspořádány téměř kolmo k podélné ose buňky, zatímco ve střední nejtlustší vrstvě (S 2 ) jsou téměř rovnoběžné s osou buňky. Při příjmu vlhkosti dochází k navázání molekul vody na hydroxylové skupiny celulosy a hemicelulos. To má za následek odtlačování řetězců celulos od sebe a zvětšování rozměrů ve směru kolmém na mikrofibrily. Vrstva S 2 bobtná zejména do šířky, zatímco vrstvy S 1, S 3 svou orientací mikrofibril omezují toto bobtnání. Kdyby byl odklon mikrofibril v S 2 vrstvě nulový, bylo by nulové i podélné bobtnání dřeva. Malý odklon mikrofibril zapříčiňuje bobtnání dřeva v podélném směru. V případě reakčního a juvenilního dřeva, které bobtná v podélném směru více, je odklon mikrofibril větší (Tsoumis 1991). Velikost lumenu během bobtnání nebo sesychání je považována za konstantní, přestože byly u některých dřevin zjištěny malé změny plochy lumenu při bobtnání (Siau 1995). Příčiny rozdílu mezi radiálním a tangenciálním bobtnání nejsou zcela objasněny. Významný vliv mohou mít dřeňové paprsky, které jsou orientovány radiálně a omezují v tomto směru bobtnání. To může být významný faktor u dřevin s velkými dřeňovými paprsky, jako jsou dub a buk, ale ne u jehličnanů. Jejich dřeňové paprsky jsou příliš malé. Zde může být významným faktorem skladba letokruhů. Letní dřevo s vyšší hustotou bobtná až 3,5 krát více než jarní. V tangenciálním směru má dominantní efekt 22

23 a vrstvy přiléhajícího jarního dřeva jsou nuceny chovat se stejně. Naopak v radiálním směru se na výsledném bobtnání podílí jarní i letní dřevo. Další příčinou nižšího radiálního bobtnání u jehličnanů může být stavba buněčných stěn. Větší výskyt dvojteček na radiálních stranách podélných tracheid způsobuje odchylky ve sklonu mikrofibril a v důsledku toho je radiální bobtnání nižší (Tsoumis 1991). Jedním z dalších vlivů můžou být rozdíly v tloušťce buněčné stěny v radiálním a tangenciálním směru. Jisté je, že na rozdílech mezi radiálním a tangenciálním bobtnání nebo sesychání se vždy spolupodílí několik faktorů (Tsoumis 1991). Bobtnání a sesychání je přímo závislé na vlhkosti. Závislost lze považovat za lineární v intervalu 5 20 % vlhkosti. Pod 5 % a blízko MH je závislost nelineární (Horáček 1998). Existují i další faktory ovlivňující bobtnání a sesychání. Jedním z nich je hustota (Obr. 9). Dřevo s vyšší hustotou je schopno pojmout více vody do buněčných stěn, a proto více bobtná (Tsoumis 1991). Obecně lze vyjádřit závislost následujícími rovnicemi a vypočítat celkové bobtnání: Obr. 9: Závislost objemového sesychání borovice na vlhkosti a hustotě (Tsoumis 1991) 23

24 Hustota má také významný vliv na diferenciální bobtnání. Dřeva s vyšší hustotou mají obecně nižší diferenciální bobtnání. Jinými slovy rozdíl mezi radiálním a tangenciálním bobtnáním se snižuje s rostoucí hustotou (Tsoumis 1991). Bobtnání se snižuje v závislosti na množství extraktivních látek ve dřevě, které vyplňují buněčné stěny. Blokují tak vázání molekul vody. Jejich odstraněním se bobtnání zvýší (Tsoumis 1991). 5.5 Hustota dřeva Hustota dřeva je materiálová charakteristika, která významně ovlivňuje fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva. Například těžké dřevo je pevnější, tvrdší a odolnější proti opotřebování, zatímco lehké dřevo je charakteristické lepšími tepelně izolačními vlastnostmi. Proto má hustota velký praktický význam (Požgaj et al. 1993). Hustota dřeva udává hmotnost dřeva v jednotkovém objemu při určité vlhkosti. Objem a hmotnost dřeva se mění v závislosti na vlhkosti, proto se i údaje o hustotě rozdělují podle výchozí vlhkosti. Hustota dřeva v absolutně suchém stavu slouží k porovnávání výsledků a k různým teoretickým výpočtům. Vypočítá se jako podíl hmotnosti a objemu dřeva při nulové vlhkosti. Hustota vlhkého dřeva přičemž hmotnost a objem je při stejné vlhkosti. se vypočítá jako podíl jeho hmotnosti a objemu Speciálním případem je hustota při 12 % vlhkosti. Dle platných norem se většina mechanických vlastností dřeva uvádí při vlhkosti 12 %. Je to vlhkost, kterou dřevo dosáhne dlouhodobým vystavením běžným podmínkám. To je při vlhkosti vzduchu υ = 65 % a teplotě 20 C. Proto je dobré znát hustotu dřeva při této vlhkosti. 24

25 Dle ČSN je možné zjištěnou hustotu dřeva přepočítat na 12 % vlhkosti. Pokud byla jeho vlhkost v rozsahu od 7 % do 17 %, platí následující vztah: kde w je vlhkost zkušebního tělesa a K je koeficient objemového sesychání. Redukovaná hustota dřeva je definována jako podíl hmotnosti dřeva v absolutně suchém stavu a jeho objemu při určité vlhkosti. Tato hustota udává množství sušiny obsažené v nabobtnalém objemu dřeva při dané vlhkosti. Se stoupající vlhkostí její hodnota klesá až po mez hygroskopicity. Nad mezí hygroskopicity se již nemění. Konvenční hustota vyjadřuje množství sušiny v maximálně nabobtnalém objemu dřeva. Nazývá se též redukovaná hustota dřeva v čerstvém stavu, protože nad mezí hygroskopicity jsou obě veličiny stejné. Uplatnění nachází hlavně při přepočtu zásoby mokrého dřeva v objemových jednotkách na hmotnost sušiny v lesním a dřevozpracujícím průmyslu (Horáček 1998). Hustota dřevní substance je hustota buněčných stěn bez pórů (lumenů a mezibuněčných prostor). Vyjadřuje se jako poměr hmotnosti dřevní substance a jejího příslušného objemu. Je závislá pouze na chemickém složení dřeva a rozdíly mezi jednotlivými druhy dřev jsou malé, stejně jako u chemického složení dřeva. Průměrná hustota dřevní substance je 1540 kg m -3. Tato veličina je důležitá při různých výpočtech jako je pórovitost, maximální vlhkost (nasáklivost) a technologických procesech impregnace dřeva (Požgaj et al. 1993). Jestliže je hustota dřevní substance téměř konstantní, závisí hustota dřeva na množství pórů v něm obsažených. Největší variabilitu pórovitosti, a tím i hustoty vykazují tropické dřeviny. Za nejtěžší se považuje guajak (Guaiacum officinale) s hustotou v absolutně suchém stavu 1360 kg m -3 a za nejlehčí dřevo balzy (Ochroma lagopus) s hustotou 130 kg m -3 (Gandelová et al. 2002). Vliv šířky letokruhů na hustotu dřeva je odlišný u jehličnanů, roztroušeně pórovitých dřev a kruhovitě pórovitých dřev. U jehličnanů je statistická korelace mezi 25

26 šířkou letokruhů a hustotou nízká (Tsoumis 1991). S klesající šířkou letokruhů hustota obvykle stoupá v důsledku vyššího podílu letního dřeva. Trend může být opačný například u borovice při šířce letokruhů pod 2 mm, protože nastává náhlý pokles šířky letního dřeva (Požgaj et al. 1993). U listnatých kruhovitě pórovitých dřevin naopak s rostoucí šířkou letokruhů hustota dřeva stoupá. U roztroušeně pórovitých dřevin nelze stanovit obecně platný trend (Tsoumis 1991). Zvyšující se podíl letního dřeva zapříčiňuje rostoucí hustotu jak u listnáčů, tak u jehličnanů. Důvodem je vyšší hustota letního dřeva. Podíl letního dřeva je základní příčina závislosti hustoty na šířce letokruhu (Tsoumis 1991). Vyšší hustota jádrového dřeva oproti bělovému souvisí s obsahem extraktivních látek. Jsou uloženy v buněčných stěnách a v lumenech. Podíl extraktivních látek ve dřevě se pohybuje v rozmezí od 1 % do 20 % (Tsoumis 1991). Významným faktorem ovlivňujícím hustotu u jehličnanů může být obsah reakčního tlakového dřeva. Jeho hustota je až 1,5krát vyšší než hustota nereakčního dřeva. Tahové dřevo u listnáčů má také o něco vyšší hustotu v porovnání s nereakčním dřevem, ale rozdíly nejsou tak výrazné jako u jehličnanů (Požgaj et al. 1993). 26

27 6 Mechanické vlastnosti dřeva 6.1 Pevnost dřeva v tlaku podél vláken Pevnost dřeva charakterizuje odolnost dřeva proti trvalému porušení. Stanovuje se pomocí zkoušky a vyjadřuje se jako podíl síly v okamžiku porušení a původní plochou příčného průřezu tělesa (Požgaj et al. 1993; Gandelová et al.2002). Pevnost dřeva v tlaku závisí na směru zatížení. Ve směru podél vláken je pevnost přibližně 15krát vyšší než napříč a pohybuje se v rozmezí MPa (Tsoumis 1991). U našich dřevin je to v rozmezí MPa (Požgaj et al. 1993) V porovnání s tahovou pevností podél vláken je přibližně poloviční (Tsoumis 1991). Pevnost dřeva v tlaku podél vláken, ale i velikost deformace u jehličnatých dřevin závisí na pevnosti jednotlivých anatomických elementů a na jejich vzájemném spojení. Napětí vznikající při zatížení přenášejí ve větší míře elementy se silnějšími stěnami. U jehličnanů jsou to především letní tracheidy, u listnáčů libriformní vlákna (Požgaj et al. 1993). Způsob porušení dřeva tlakem podél vláken závisí na hustotě, vlhkosti dřeva, jakosti a jeho anatomické stavbě. U dřeva suchého s vysokou hustotou a pevností je obvyklé porušení v podobě smykové roviny probíhající na tangenciální ploše pod úhlem 60 vzhledem k podélné ose tělesa. U dřeva vlhkého s nízkou hustotou a malou pevností dochází k otlačení vláken na čelních plochách zkušebních těles a vybočení jejich stěn. (Gandelová et al. 2002) Vzorky porušené tlakem podél vláken vykazují určité charakteristické rysy, jejichž vyhodnocení by mělo být součástí testu (Bodig, Jane 1993). Nejčastější typy porušení jsou na obrázku (Obr. 10). 27

28 Obr. 10: Nejčastější způsoby porušení vzorků při zatíţení tlakem podél vláken, a) rozdrcení, b) klínovité porušení, c) usmyknutí, d) rozštípnutí, e) rozdrcení a rozštípnutí, f) otlačení (Bodig, Jane 1993) Porušení rozdrcením (a) je charakteristické rovinou s rozdrcenými vlákny, která se nachází v blízkosti konce vzorku a je s ním téměř rovnoběžná. Klínovité porušení (b) lze snadno rozpoznat podle vzoru ve tvaru Y na povrchu tělesa. Usmyknutí (c) je charakteristické svou smykovou rovinou, jak je popsáno výše. Rozštípnutí (d) podél testovaného vzorku může být způsobeno vnitřní vadou materiálu. Kombinace rozdrcení a rozštípnutí (e) obvykle nastává u vzorků s velkým odklonem vláken od podélné osy. Otlačení čelní plochy je obvykle způsobeno vyšší vlhkostí vzorků nebo tím, že čelní plochy nejsou správně opracovány. Jestliže cílem měření je charakterizovat pouze bezvadý materiál, do konečných výsledků by měla být zahrnuta pouze data ze vzorků porušených způsobem (a), (b) a (c) (Bodig, Jane 1993). 6.2 Pracovní diagram Mez úměrnosti je napětí, při kterém lineární část pracovního diagramu začíná přecházet do nelineární fáze (Požgaj et al. 1993). Jinými slovy je to bod, ve kterém deformace přestávají být přímo úměrné napětí (Tsoumis 1991). Do meze úměrnosti v tělese vznikají pouze deformace pružné, případě pružné v čase, které po ukončení silového působení opět zanikají. Nad mez úměrnosti vznikají plastické deformace, které nejsou přímo úměrné napětí (Gandelová et al. 2002). Mez úměrnosti se vyjadřuje jako procentuální část meze pevnosti. Pro tvrdé listnáče se uvádí 56 %, pro měkké listnáče 60 % a pro jehličnany 68 % (Gandelová et al. 2002). 28

29 Mez pevnosti je nejvyšší hodnota napětí, které dřevo snese bez porušení celistvosti tělesa (Gandelová et al. 2002). 6.3 Pruţnost dřeva Obr. 11: Obecný tvar pracovního diagramu (Matovič 1993) Pružnost dřeva je definována jako schopnost dosáhnout původní tvar a rozměry po uvolnění vnějších sil (Požgaj et al. 1993). K vyjádření elastických vlastností dřeva je potřeba několik veličin. Jsou to napětí, poměrná deformace, Poissonovo číslo a modul pružnosti. Napětí σ je definováno jako poměr síly a plochy průřezu tělesa, ve kterém působí. Jestliže působí síla kolmo na plochu průřezu, vzniká normálové napětí σ. V případě že působí v rovině průřezu, vzniká smykové napětí τ (Požgaj et al. 1993). Poměrná pružná deformace ve směru působící síly ε 1 se vypočítá jako poměr rozdílu délek a původní délky (aktivní deformace): Podobně se vypočítá i poměrná pružná deformace v příčném směru ε 2 jako poměr rozdílu šířek a původní šířky (pasivní deformace): 29

30 Poissonovo číslo μ vyjadřuje poměr mezi příčnou a podélnou poměrnou pružnou deformací. Popisuje schopnost dřeva (ale i jiných materiálů) zmenšovat svůj objem při pružném stlačování nebo zvětšovat svůj objem při tahu (Požgaj et al. 1993). První index i značí směr působící síly(aktivní deformace) a druhý j značí příčnou (pasivní) deformaci (Bodig, Jane 1993; Kretschmann 2010a). Požgaj (1993) uvádí indexy Poissonova čísla v obráceném pořadí. Celkem je tedy 6 Poissonových čísel označených (Kretschmann 2010a) Modul pružnosti vyjadřuje vnitřní odpor materiálu proti pružné deformaci. Podle způsobu namáhání se rozlišují normálové (E i ) a smykové (G ij ) moduly pružnosti. Normálový se někdy nazývá Youngův modul pružnosti (Požgaj et al. 1993). Je charakterizován podílem napětí a poměrné deformace dle vztahu: Průměrná hodnota modulu pružnosti pro dřevo v tahu a tlaku ve směru vláken se pro domácí dřeviny udává v rozpětí MPa při vlhkosti dřeva 12 %. Tato hodnota může být pro příčný směr až 25krát menší. Poměr mezi jednotlivými směry lze stanovit (Gandelová et al. 2002). 6.4 Faktory ovlivňující pevnost a pruţnost dřeva Na pevnost dřeva mají vliv rozměry anatomických elementů, zejména tloušťka buněčných stěn. Čím větší tloušťka, tím větší pevnost, ale také hustota. To je důvod, proč s rostoucí hustotou roste i pevnost dřeva. Rozdíly mezi dřevinami závisí nejen na množství dřeva v jednotkovém objemu, ale i na jeho vnitřní stavbě. Větší pravidelnost jehličnanů, především rovnovláknost, podmiňuje jejich mnohem větší pevnost a pružnost v porovnání s dřevem listnáčů se stejnou hustotou (Požgaj et al. 1993). Závislost hustoty a pevnosti má lineární průběh, ale liší se mezi dřevinami. Důvodem je rozdílné uspořádání anatomických elementů a rozdílný obsah extraktivních látek. Odstraněním extraktivních látek pevnost dřeva klesá (Tsoumis 1991). 30

31 Zvýšený podíl letního dřeva zlepšuje mechanické vlastnosti. Vyplývá to z rozdílné hustoty, kdy například jarní dřevo smrku má hustotu cca 200 kg m -3, zatímco hustota letního dřeva je 600 kg m -3 (Požgaj et al. 1993). Významný vliv na mechanické vlastnosti má i šířka letokruhů. U jehličnanů platí, že s klesající šířkou letokruhů se zlepšují mechanické vlastnosti. To platí jen do určité hranice, pod kterou se podíl letního dřeva začíná snižovat. (Požgaj et al. 1993) Vlhkost ovlivňuje významně pevnost dřeva v tlaku podél vláken, ale jen v rozsahu vody vázané. Voda volná nemá vliv na mechanické vlastnosti. V nasyceném stavu je pevnost dřeva v tlaku podél vláken až 3,8krát nižší než při nulové vlhkosti (Požgaj et al. 1993). Průběh této závislosti lze považovat za lineární v rozsahu vlhkostí 9 15 % (Gandelová et al. 2002). Všeobecně lze říci, že změna vlhkosti o 1% vyvolá změnu pevnosti dřeva o 2,5 až 3,5 % (Požgaj et al. 1993).V některých případech je to až 6 % (Tsoumis 1991). Modul pružnosti s rostoucí vlhkostí také klesá, ale jeho průběh je lineární. Změna vlhkosti o 1 % v rozsahu vody vázané způsobí změnu modulu pružnosti E o 1,5 až 2 % (Požgaj et al. 1993). Pevnost dřeva a jeho pružnost se vlivem rostoucí teploty snižuje, a to lineárně. V podélném směru je tento vliv méně výrazný než v příčném. Při vzájemné interakci teploty a vlhkosti je pokles pevnosti nejvýraznější (Požgaj et al. 1993). Teplota do 70 C snižuje pevnost jen dočasně. Nad 100 C již probíhají ve dřevě trvalé změny vlivem degradace lignino-sacharidového komplexu (Gandelová et al. 2002). Tlakové dřevo u jehličnanů výrazně ovlivňuje mechanické vlastnosti. Pevnost dřeva v tlaku podél vláken je vyšší. Souvisí to s větším podílem letního dřeva a větší tloušťkou stěn tracheid (Požgaj et al. 1993). Modul pružnosti reakčního dřeva je nižší v porovnání s normálním dřevem (Tsoumis 1991; Navrátil 2012). 31

32 7 Materiál a metodika 7.1 Lokalita a materiál Všechny výřezy kmenů zeravce východního pocházejí ze zámeckého parku v Habrovanech (Obr. 12). Stromy byly pokáceny v roce 2004 kdy byla zahájena revitalizace parku. V současnosti tam rostou pouze dva původní zeravce, z nichž jeden je zachycen na fotografii (Obr. 13). Obr. 12: Lokalita, z níţ pocházejí výřezy Obr. 13: Zeravec východní (uprostřed) v zámeckém parku v Habrovanech 32

33 Celkem bylo získáno pět vzorníkových výřezů z různých stromů o délce asi jeden metr. Čtyři z nich pocházejí ze stromů s jedním centrálním kmenem (označeny písmeny A až D). Rostly v hustém porostu, kde se nemohly vytvořit postranní kmeny typické pro tuto dřevinu. Pátý nejtenčí výřez (E) pochází ze stromu s vícekmenou korunou. Výřezy byly podélně rozpůleny a uskladněny k přirozenému vysoušení až do současnosti. Věk stromů byl přibližně 150 let. Nebylo možné stanovit přesný věk vzhledem k velkému množství neúplných letokruhů. Průměr velkých výřezů byl v rozpětí 17 až 24 cm (A až D). Nejmenší výřez (E) měl průměr 8 cm. Příčné řezy těchto výřezů jsou zobrazeny na fotografii níže (Obr. 14). Obr. 14: Příčné řezy s označením výřezu, průměr největšího (B) je 24 cm 7.2 Postup výroby zkušebních vzorků Z každého vzorníkového výřezu byl odřezán 30 cm dlouhý kus půlkruhového nebo kruhového průřezu (Obr. 14). Z nich byly vyráběny hranolky s využitím kotoučové pily a srovnávací frézky. Nejprve byly odřezány radiální desky tak, že zbyly dva malé kusy čtvrtkruhového průřezu. Desky i čtvrtkruhy byly pečlivě rozřezány na speciálně ortotropní hranolky o rozměrech mm. Bělová část při tom nebyla odstraňována. Pomocí válcové brusky byly tloušťkově egalizovány na přesný rozměr mm. Brusný papír na válci brusky měl zrnitost P150. Krácení na požadované délky bylo provedeno na kotoučové pile osazené čerstvě naostřeným kotoučem se slinutými karbidy. Tím byla zajištěna přesnost řezu a hladkost povrchu. 33

34 Při krácení hranolků byly vymanipulovány vady a vyrobeny dvě sady vzorků. První sada byly zkušební vzorky standardních rozměrů dle ČSN a ČSN Každý vzorek byl označen písmenem příslušného vzorníku a pořadovým číslem ve skupině (Obr. 15). Celkový počet zhotovených bezvadých vzorků byl 181 ks. Druhá sada byly vzorky na měření meze hygroskopicity. Jejich příčný rozměr byl mm a délka 5 mm. Celkový počet těchto vzorků byl 51 ks. V této sadě byly vzorky ze všech vzorníků a každý byl odřezán z jiného hranolku. Obr. 15: Standardní zkušební vzorek s popiskem 7.3 Výroba trvalých mikroskopických preparátů Zařízení a pomůcky: Lehký sáňkový mikrotom GSL1 Mikroskop Leica DM2000 s digitální kamerou Leica DFC295 Počítač se softwarem IrfanView 4.2 Na výrobu mikroskopických preparátů byly použity vzorky jádrového dřeva o rozměrech mm. Byly uzavřeny v nádobě s destilovanou vodou po dobu jednoho měsíce. Tím došlo k dostatečnému nasáknutí a změkčení vzorků. Nebylo nutné přidávat etanol jako konzervační prostředek, protože vysoký obsah extraktivních látek ve dřevě zabraňoval rozvoji mikroorganismů. 34

35 Na malém sáňkovém mikrotomu (Obr. 16) byly nakrájeny radiální a tangenciální řezy o rozměrech 9 9 mm a příčné řezy o rozměrech 9 16 mm. Tloušťka těchto řezů byla 25 mikrometrů. Jejich kvalita byla průběžně kontrolována pod mikroskopem. Obr. 16 Lehký sáňkový mikrotom GSL1 ( Barvení probíhalo ve vodném roztoku safraninu po dobu 5 minut. Následoval proplach v destilované vodě, čímž se usnadnila další manipulace s jednotlivými řezy. K odvodnění řezů byl použit 96 % etanol a xylen. První dvě lázně byly s 96 % etanolem. Řezy zde nesmí být ponechány dlouho, protože safranin je rozpustný v etanolu a dochází k jeho vyplavování ze vzorků. Poslední v řadě byly dvě lázně s xylenem. Zde již nedochází k uvolnění barviva, ale vzorek se viditelně smršťuje. Doba uložení v xylenu je nejméně 3 minuty. Celý postup vypadá následovně: Barvení v safraninu 5 min Proplach v destilované vodě Odvodňovací lázeň 1 etanol 96 % 5 minut Odvodňovací lázeň 2 etanol 96 % 5 minut Odvodňovací lázeň 3 xylen 3 minuty Odvodňovací lázeň 4 xylen 3 minuty Zalévání do kanadského balzámu 35

36 Obr. 17: Trvalý mikroskopický preparát rozmístění základních řezů Jako uzavírací médium byl použit kanadský balzám. Na podložní sklo byly umístěny 3 základní řezy (Obr. 17), kápnuto vhodné množství uzavíracího média a pomalu přiklopeno krycí sklo, aby se vytlačil veškerý vzduch. Hotové preparáty byly umístěny na plechovou podložku přikrytou papírem a zatíženy neodymovými magnety. Sušení probíhalo při běžné teplotě asi 4 týdny. Fotografie mikroskopické stavby dřeva byly zhotoveny na vybraných vzorcích pomocí mikroskopu Leica DM2000 vybaveného digitální kamerou. Zpracování a uložení obrazu bylo provedeno s využitím programu IrfanView 4.2. Na základě těchto snímků byla popsána anatomická stavba dřeva na mikroskopické úrovni. Výška dřeňových paprsků byla zjišťována na dvou snímcích pořízených přes objektiv 5x s celkovou plochou 8,26 mm 2. Byl zaznamenán počet buněk tvořících výšku každého dřeňového paprsku na této ploše a získaná data byla vyhodnocena. 7.4 Měření meze hygroskopicity Zařízení a pomůcky: Skleněný exsikátor Laboratorní váha SCALTEC SBC 41 s přesností 0,001 g Digitální posuvné měřítko SOMET s přesností 0,01 mm Laboratorní sušárna Sanyo MOV-212F Při měření meze hygroskopicity se vycházelo z normy ČSN Rozměry vzorků byly mm v příčném směru a délka 5 mm. Do exsikátoru s destilovanou 36

37 vodou byly naskládány tak, aby stály na svých úzkých bočních stranách s rovnoměrnými rozestupy mezi sebou (Obr. 18). Adsorpce vzdušné vlhkosti probíhala při teplotě 20 ± 2 C. Aby se zabránilo vzniku plísní zejména na méně odolném bělovém dřevě, umístí se do zkušebního prostoru malá otevřená nádobka s xylenem. Obr. 18: Exsikátor se vzorky Průběh adsorpce byl sledován na deseti kontrolních vzorcích s různou hustotou a obsahem běli. Jejich vážení probíhalo každý den po dobu dvou týdnů a data byla průběžně vyhodnocována. Jakmile dosáhly maximálního nasycení, zkouška byla ukončena a všechny vzorky zváženy. Vlhkost vzorků byla zjišťována podle normy ČSN Sušení probíhalo v laboratorní sušárně při teplotě 103 ± 2 C současně se zkušebními tělesy pro měření sesychání (kapitola 7.5). Vysušené vzorky byly změřeny, zváženy a vypočítána hustota při nulové vlhkosti a mez hygroskopicity MH podle vzorce: kde m 1 je hmotnost vlhkého dřeva a m 0 je hmotnost absolutně suchého dřeva. 37

38 7.5 Stanovení celkového sesychání dřeva Zařízení a pomůcky: Digitální posuvné měřítko SOMET s přesností 0,01 mm Laboratorní váha RADWAG WPX 650 s přesností 0,001 g Laboratorní sušárna Sanyo MOV-212F Měření celkového sesychání dřeva bylo prováděno v souladu s normou ČSN Zkušební tělesa byla ponořena do destilované vody o teplotě 20 C a máčena po dobu dvou týdnů. Průběh bobtnání byl sledován na několika kontrolních vzorcích. Byly vybrány tak, aby měly různou hustotu a různý obsah běli. Průběžně byly měřeny v tangenciálním směru a váženy. Po dvou týdnech vzorky stále nabývaly na hmotnosti, ale za poslední tři dny už nebyl zaznamenán přírůstek rozměrů. Byly proto považovány za maximálně nabobtnalé. Vzorky byly osušeny filtračním papírem a změřeny ve všech anatomických směrech. Měření vždy probíhalo uprostřed příslušných ploch měřeného tělesa. Vzorky byly též zváženy, aby bylo možno sledovat průběh procesu vysoušení. Vysoká počáteční vlhkost byla snižována nejprve přirozeným vysoušením. Vzorky byly rozloženy na savém papíře v běžné místnosti s teplotou nepřesahující 20 C a v dostatečné vzdálenosti od zdrojů tepla. Po týdnu vysoušení bylo zaznamenáno významné sesychání na všech kontrolních vzorcích. Jejich vlhkost již klesla pod mez nasycení buněčných stěn, ale ještě ne na původní hodnotu. Následovalo umělé sušení v laboratorní sušárně. Aby se zabránilo vzniku výsušných trhlin, počáteční teplota byla nastavena na 35 C a pak postupně zvyšována. Po 4 hodinách byla zvýšena na 45 C, druhý den postupně až na předepsanou teplotu 103 ± 2 C. Vzorky jsou považovány za vysušené pokud změna hmotnosti mezi dvěma váženími vykonanými v intervalu 2 hodin nepřekročí 0,01 g. Po 43 hodinách od začátku sušení byla tato podmínka splněna a sušení bylo ukončeno. Měření a vážení vzorků bylo prováděno ihned po vysušení, aby nedošlo k přírůstku hmotnosti vlivem příjmu vzdušné vlhkosti. Ze zjištěných rozměrů bylo vypočítáno celkové radiální, tangenciální a objemové sesychání β podle rovnice: 38

39 kde: značí rozměr maximálně nabobtnalého tělesa v určitém směru (i) značí rozměr vysušeného tělesa. Koeficient bobtnání byl vypočítán z hodnot celkového sesychání a průměrné hodnoty meze hygroskopicity zjištěné dle postupu uvedeného v kapitole Měření hustoty dřeva Zařízení a pomůcky Digitální posuvné měřítko SOMET s přesností 0,01 mm Laboratorní váha RADWAG WPX 650 s přesností 0,001 g Laboratorní sušárna Sanyo MOV-212F Klimatizační komora Memmert CTC 256 Měření hustoty dřeva bylo prováděno v souladu s normou ČSN Hustota dřeva v absolutně suchém stavu byla zjišťována současně s měřením sesychání po vysušení v laboratorní sušárně Sanyo MOV-212F. Přesný postup sušení je popsaný v předchozí kapitole 7.5. Výpočet byl proveden dle vzorce kde je hmotnost absolutně suchého dřeva a je objem absolutně suchého dřeva. Pro měření hustoty při 12 % vlhkosti bylo nutné vzorky klimatizovat v prostředí s teplotou 20 C a relativní vlhkostí vzduchu 65%. Vysušené vzorky byly klimatizovány nejprve v běžných pokojových podmínkách po dobu 4 dnů. Poté byly vloženy do klimatizační komory Memmert CTC 256. Průběžně byla sledována hmotnost vybraných vzorků. Jejich vlhkost byla zjišťována v souladu s normou ČSN Výpočet byl prováděn dle vzorce kde je hmotnost vlhkého dřeva a je hmotnost dřeva po vysušení. 39

40 Vlhkost vzorků uložených v klimatizačním boxu se po 4 dnech ustálila na hodnotě 11,6 % a proces klimatizace byl ukončen. Hustota při této vlhkosti byla vypočítána podle vzorce kde je hmotnost vlhkého dřeva a je jeho objem při stejné vhkosti. Přepočet hustoty na 12 % vlhkosti byl proveden dle ČSN pomocí vzorce kde K je koeficient objemového sesychání a w je vlhkost dřeva v rozsahu 7 17 %, pro který platí tento vztah. Aby bylo možné vyjádřit závislost hustoty na šířce letokruhů, bylo nutné spočítat letokruhy na každém zkušebním tělese. Extrémně úzké letokruhy byly počítány s využitím stereomikroskopu. Potom byla vypočítána průměrná šířka letokruhu pro každé zkušební těleso. 7.7 Měření meze pevnosti a modulu pruţnosti v tlaku podél vláken Zařízení a pomůcky: Digitální posuvné měřítko Mituttoyo s přesností 0,01 mm Univerzální zkušební stroj Zwick Z 050 (Obr. 19) Laboratorní váha Scaltec SBC 41 Měření meze pevnosti a modulu pružnosti dřeva při zatížení v tlaku podél vláken bylo prováděno v souladu s normami ČSN a ČSN Vlhkost zkušebních těles v době zkoušky byla zjištěna dle normy ČSN Měření meze pevnosti a modulu pružnosti bylo prováděno na univerzálním zkušebním stroji Zwick Z 050 (Obr. 19). Klimatizovaná zkušební tělesa byla uchována ve vzduchotěsném plastovém boxu až do doby provádění zkoušky, aby nedošlo ke změně jejich vlhkosti. Před samotným měřením bylo nutné zkontrolovat rovnoběžnost ocelových tlačných desek, aby bylo zajištěno rovnoměrné zatěžování zkušebních těles. 40

41 Důležité je i nastavení rychlosti posuvu příčníku, aby k porušení těles došlo za 1,0 ± 0,5 min od začátku zatěžování. Každé zkušební těleso bylo zváženo a změřeny jeho rozměry s přesností 0,01 mm. Po vložení do stroje bylo připnuto rameno extenzometru na radiální plochy zkušebního tělesa a spuštěno měření. Proces tlakového namáhání byl přerušen až v okamžiku, kdy byl patrný způsob porušení (Obr. 20) a mohl být vyhodnocen z hlediska přípustnosti. Způsob vyhodnocení je popsán v kapitole 6.1. Obr. 19: Pracoviště s univerzálním zkušebním strojem Zwick Z 050 Výstupem měření již byly vypočítané hodnoty meze pevnosti a modulu pružnosti pro každý vzorek. V obslužném programu testxpert bylo zkontrolováno proložení pracovního diagramu přímkou a případně upraveno. Tím byla zajištěna správnost zjištěných hodnot modulu pružnosti. 41

42 A Obr. 20: A zkušební těleso mezi tlačnými deskami univerzálního zkušebního stroje Zwick Z 050 s méně obvyklým porušením ve tvaru Y, na radiálních plochách jsou opřeny břity extenzometru B zkušební těleso s viditelnou smykovou rovinou, častý typ porušení B Výsledky byly zpracovány v tabulkovém procesoru Excel. Chybné hodnoty odpovídající nepřípustnému porušení byly vyřazeny. Hodnoty meze pevnosti byly přepočítány na 12 % vlhkosti dle ČSN pomocí vzorce kde α je opravný vlhkostní koeficient pro všechny dřeviny α=0,04. Přepočet modulu pružnosti na 12 % vlhkosti byl proveden dle ČSN pomocí vzorce kde α je opravný vlhkostní koeficient α=0,02. Tento vztah platí pro vlhkost dřeva v rozpětí w = 9 až 15 %. Data byla statisticky vyhodnocena v programu Statistica. 42

43 8 Výsledky 8.1 Popis makroskopické stavby dřeva Zkoumané dřevo zeravce východního patří mezi dřeva jehličnatá jádrová. Běl je úzká, téměř bílá, někdy nažloutlá. Její šířka se pohybuje od 5 do 13 mm. Jádro výrazné žlutohnědé až červenohnědé. Může obsahovat světlejší zóny zbarvené více do žluta (zónování jádra), viditelné zejména na podélných řezech (Obr. 22). Časté jsou i tmavé oblasti s velmi úzkými letokruhy, které jsou nápadně prosycené jádrovými látkami olejnatého charakteru. Nejlépe viditelné jsou na příčném řezu (Obr. 21B). Dřevo s širšími letokruhy bývá na příčném řezu pokryto tmavými skvrnami, které mohou být chybně interpretovány jako pryskyřičné kanálky. Jedná se o výtok jádrových látek z parenchymatických buněk, který se na příčném řezu objeví až po určité době po opracování (cca 1 den) (Obr. 21A). Pryskyřičné kanálky nejsou ve dřevě přítomny. Letokruhy jsou dobře viditelné zejména v jádrovém dřevě. Mají často nepravidelný tvar a šířku a mohou být i neúplné (Obr. 21B, Obr. 24). Jsou úzké až velmi úzké, v některých částech pouhým okem nerozlišitelné. Nejširší letokruh měřil 5 mm a nejužší byl pouze 60 μm široký (viz následující kapitola 0) Průměrná šířka letokruhu je 0,58 mm. Zóna letního dřeva je tmavší a velmi úzká. Její šířka se jeví nezávislá na šířce letokruhu. Přechod mezi jarním a letním dřevem je ostrý. Dřevo má jemnou texturu, snadno se obrábí a je velmi aromatické. Jeho typická vůně může být při obrábění až nepříjemně silná. A Obr. 21: Detail příčného řezu zkušebních těles, zvětšeno 3x, A viditelné skvrny způsobené jádrovými látkami vytékajícími z parenchymatických buněk, B jádrové látky se rozlévají po celém povrchu jádra a částečně zasahují do bělové části B 43

44 Příčný řez Radiální řez Tangenciální řez Obr. 22: Makroskopická stavba dřeva zeravce východního tři základní řezy ve skutečné velikosti 44

45 8.2 Popis mikroskopické stavby dřeva Obr. 23: Přehled základních řezů příčný, tangenciální a radiální řez, objektiv 20x, zvětšení 100x, šířka zobrazené oblasti 400 μm Dřevo zeravce východního má typickou stavbu jehličnatého dřeva tracheidy na příčném řezu tvoří pravidelné radiální řady a dřeňové paprsky jsou jednovrstevné. Pryskyřičné kanálky ve dřevě nejsou přítomny. Téměř všechny parenchymatické buňky dřeňových paprsků jsou zaplněny jádrovými látkami. Ve dřevě je přítomen axiální parenchym (Obr. 23). Obr. 24: Příčný řez, objektiv 5x, zvětšení 60x, šířka zobrazené oblasti 2 mm 45

46 Obr. 25: Příčný řez, objektiv 20x, zvětšení 200x, šířka zobrazené oblasti 600 μm Uspořádání axiálního parenchymu je nepravidelné. Může být rozptýlený, ale často se koncentruje na hranici letokruhů nebo tvoří tangenciální řady osamocených buněk v jarním dřevě, jak je vidět na fotografii (Obr. 24). Také výskyt je nepravidelný. V některých částech se vyskytuje hojně v každém letokruhu, v jiných je výskyt ojedinělý. Detail příčného řezu (Obr. 25) umožňuje porovnat velikost lumenu axiálního parenchymu, která je zpravidla menší v porovnání s okolními tracheidami. Letokruhy jsou často extrémně úzké a mohou být i neúplné. Na příčném řezu (Obr. 24) na levé straně je úzký letokruh tvořený jednou řadou jarních buněk a jednou řadou letních buněk. Jeho šířka je pouhých 60 μm. Postupně splývá s předchozím letokruhem a na pravé straně snímku je vidět pouze jedna řada letních buněk letokruhu z předchozího roku. Úplně dole je málo zřetelný nepravý letokruh. Na radiálním řezu (Obr. 26) je možné pozorovat dvůrkaté ztenčeniny (dvojtečky) uspořádané v jedné řadě. Výskyt párových dvojteček nebyl zaznamenán. Dřeňové paprsky jsou výhradně homocelulární, jsou tvořeny pouze parenchymatickými buňkami. 46

47 Obr. 26: Radiální řez, objektiv 20x, zvětšení 200x, šířka zobrazené oblasti 600 μm A Obr. 27: Radiální řez dřeňový paprsek s malými (A) a velkými (B) kříţovými poli, v kaţdém poli se nacházejí jednoduché ztenčeniny cupressoidního tvaru, objektiv 40x, zvětšení 800x, šířka zobrazené oblasti 80 μm B 47

48 V křížovém poli dřeňových paprsků je možné pozorovat jednoduché ztenčeniny (tečky) spojující tracheidy a parenchymatické buňky (Obr. 27). Všechny mají cupressoidní tvar. V jednom křížovém poli se vyskytují v počtu 1 až 4 a mohou mít různou velikost. Jejich vnější hranice jsou kruhové až mírně oválné. Středový otvor je protáhlý oválný nebo zašpičatělý. V jarním dřevě zpravidla více otevřený než v letním. Nedotýká se vnějších hranic. Obr. 28: Tangenciální řez jarním dřevem (vlevo) a letním dřevem (vpravo) s výskytem axiálního parenchymu, objektiv 20x, zvětšení 200x, šířka zobrazené oblasti 600 μm Na tangenciálním řezu je možné pozorovat drobné dvojtečky v letním dřevě, zatímco v jarním dřevě se nevyskytují (Obr. 28). Na detailním snímku (Obr. 29) jsou tyto dvojtečky lépe viditelné. Axiální parenchym je možné nalézt na všech řezech. Na tangenciálních řezech letního dřeva se vyskytuje hojně v podobě dlouhých pásů parenchymatických buněk vyplněných hnědou hmotou. Jsou spojeny kolmými nebo mírně šikmými stěnami. Výška dřeňových paprsků byla spočítána na dvou snímcích o celkové ploše 8,26 mm 2. Pohybuje se od jedné buňky až po 8 buněk s 98,5% pravděpodobností. Podrobné výsledky jsou zobrazeny v grafu (Obr. 30). Při celkovém počtu 589 ks připadá 71,3 dřeňových paprsků na 1mm 2. 48

49 Podíl v celkovém počtu [%] Součtová pravděpodobnost výskytu [%] Obr. 29: Tangenciální řez letním dřevem, objektiv 40x, zvětšení 400x, šířka zobrazené oblasti 300 μm ,5 96,4 98,5 99,2 99,7 99,8 99, ,3 21,7 83,0 67,7 14,9 15,3 52,8 31,1 7,3 5,6 6,1 2,0 0,7 5,6 0,5 0,2 0,0 0, Výška dřeňových paprsků (počet buněk) Obr. 30: Podíl dřeňových paprsků ve dřevě v závislosti na jejich výšce 49