Dřevo a vlhkost, vlastnosti Proužek má délku 300 μm Dřevěné konstrukce 5 1
Proč právě dřevo a vlhkost? Nejrizikovější degradační procesy jsou spojené s vlhkostí dřeva (brouk, houba, hniloba) zabudované dřevo nejsme schopni kontrolovat. Dřevo není možné proti působení vlhkosti skutečně ochránit. Všechny technické vlastnostidřeva se s vlhkostí podstatně mění. Dřevo po celou dobusvé existence mění svůj obsah vlhkosti podle stavu okolního prostředí: snaha po dosažení stavu TD rovnováhy. Jednoznačnou informaci poskytují sorpční izotermy. Procesy výměny vlhkosti s okolím a její všechny důsledky jsou až na vyjímky trvale reverzibilní. 2
Makroskopické vlastnosti -projev charakteru mikrostruktury a dějů v ní probíhajících Základní ideje materiálového inženýrství: pochopit a vysvětlit makroskopické(v inženýrské praxi užívané) vlastnosti materiálů na základě jejich mikrostruktury Využít pochopení mikro/makro pro Zkvalitnění návrhu konstrukcí Modifikaci stávajících materiálů Vývoj materiálů nové generace Cíl přednášky: pochopit vlhkostní mikro/makro pro vlastnosti Strukturní Dilatometrické Mechanické Tepelné vlhkostní 3
Modely pro interpretaci mikro/makro přechodu u dřeva Realitaje složitý komplex chování nezbytnost tvorby inženýrských, zjednodušených modelů mikrostruktury( mechanické modely). Smysl modelů je poskytnout prostředek pro Pochopení stávajících vlastností Tvorbu nových materiálů a struktur Správná interpretacezjednodušených modelů jasně definovat, v čem spočívá kvalita zjednodušení. Mechanický model chování dřeva: hierarchie Model buňky, buněčné a mezibuněčné stěny a jejich chování Model buněčné struktury dřeva a jejího chování Model dřevěného konstrukčního prvku (makroskopické měřítko) 4
Model buněčné a mezibuněčné stěny lignifikované buňky dřeva Představy: Celulóza lineární makromolekula: funguje pouze v tahu mikrofibrily = vytváří strukturní jednotky pevnost v tahu představa strun (řetízků) Lignin: síťovaná makromolekula: vytváří tuhé prostorově uspořádané útvary zejména tlakové namáhání představa prostorové příhradoviny (buněčná stěna) a s ní pevně spojené tenké stěny(mezibuněčná stěna) Hemicelulóza větvená makromolek.: chabé mechanické vlastnosti netvoří samostatnou strukturní jednotku lepidlo mezi celulózou a ligninem 5
Test 1: základní mechanická namáhání Tlakové namáhání: lignin Mezibuněčná stěna Mřížovina lignifikované buněčné stěny ( vzpěr ) Tahové namáhání: Celulóza v rámci buňky Smyk v luskovitém spojení buněk Ohyb: Diferenciace funkcí (tlak, tah) Funkce hemicelulózy (omezení prokluzu, spolupráce celulózy a ligninu 6
Model a skutečnost: rozdíly Kvalitativní rozdíl mechanického modelu a skutečnosti: povaha vazeb elektrostatická povaha sil, princip interakce dvou částic Malá oddálení reverzibilita (obnovitelnost) vazeb Velká oddálení ireverzibilita makroskopické poškození Příklad 1: dojde-li k roztržení vazeb mezi mikrofibrilamicelulózy vniklou vodou (silnější vazebná síla), po odstranění vody se vazba obnoví (sesýchání, objem). 7
Strukturní vlastnosti dřeva a vlhkost Hustota dřevní substance prakticky nezávisí na druhu dřeva, bere se střední hodnota 1530 kg.m -3 (jehličnany i listnáče). Objemová hmotnostsuchého dřeva typ dřeviny Výchozí dřevina pro účely DRKO: smrk Objemová hmotnost suchého dřeva ρ s 450 kg/m 3 O. hmotnost konstrukčního dřeva ( 12%) ρ K 500 kg/m 3 Objemová hmotnost na BNV( 30%) ρ BNV 600 kg/m 3 Objemová hmotnost těženého dřeva ρ T 800-850 kg/m 3 Objemová hm. plně nasáklého dřeva ρ S 1150 kg/m 3 Rovnovážná vlhkost dřeva do BNV(ze vzduchu) sorpční izoterma Hmotnost vlhkosti / kg suchého materiálu m w =ρ s. u m 8
Pórovitost dřeva a vlhkost Obecně pro pórovitost v suchém stavu π = 1-m/ρ s =1-450/1530 = 0,7 70% S rostoucí vlhkostí pórovitost klesá π = 1-m s /ρ s -m w /ρ w Pórovitost soustředěna především do lumenů buněk (+ trhliny) pokles pórovitosti je dán bobtnáním buněčné stěny do lumenu buňky Malá část poklesu pórovitosti jde na vrub makroskopického zvětšení objemu π = V p /V Objemová hmot. (kg/m3) Hmotnostní vlhkost (%) Pórovitost (%) Stav 450 0 70 suchý 500 12 65 konstrukční 585 30 57 BNV 800 78 35 vytěžené 1150 255 0 nasycené 9
Dilatometrie dřeva a vlhkost Makroskopicky měřitelný projev sorpce/desorpce buněčné stěny vnější dilatometrie Primárně důsledek sorpce biopolymerů (ochota vázat na sebe vodu) řetězec hemicelulóza, celulóza, lignin Dilatometrie vlhkostí = bobtnání/sesýchání trvale reverzibilní proces významný fakt, vymezující vhodné aplikace dřeva Minimální dilatometrie ve směru tracheid vliv orientace celulózových mikrofibril Sorpcemolekul vody síly elektrostatické povahy makroskopicky velké bobtnací tlaky Druh dřeva Radiální tlak (Mpa) Tangenciální tlak (Mpa) Smrk 0,89 1,34 Borovice 0,8 1,3 Buk 3,21 2,67 dub 3,88 3,49 10
Dilatometrie dřeva a vlhkost Rozhodujícíje oblast suché dřevo BNV (viz mikrostruktura) Nevýznamná dilatometrie podélného směru (vliv orientace mikrofibril celulózy) U dřeva důležitá dilatometrie kolmo k ose tracheidy dilatometrie příčného řezu: nejvíce tangenciální (na 10% změny RHzměna délky 25 mm/m) 75-80 mm/m 0-30% RH méně radiální dilatometrie(vliv vyztužení dřeňovými paprsky) Pouze minimální vliv teploty (sorpční síly = elektrostatické síly) se s teplotou mění jen nevýznamně Shora dolů: 20, 50, 80 C 11
Mechanické vlastnosti a vlhkost Základní poznatek: v měřených změnáchmechanických vlastností se neobjevuje tah. Nositelemzměny vlastností nemůže být celulóza. 12
Mikrostrukturnísouvislosti Sorpce vlhkosti: Silná vazba molekul H 2 Ona celulózu Vnikání mezi fibrily celulózy Porušování mřížoviny ligninu v buněčné stěně Lignin jako nositel tlakové pevnosti makroskopicky pokles Tlakové pevnosti (podél vláken) Pevnosti v otlačení (kolmo k vláknům) Odvozené pevnosti (ohyb, smyk) Proces je reverzibilní Obnova propojení mřížoviny po vyschnutí Nezaměňovats porušením struktury v důsledku nerovnoměrného vysýchání (porušení struktury) 13
Ireverzibilní porušení struktury Příčina trvalého porušení: Primární příčinou je vždy tah (přímý nebo příčný) Velké namáhání struktury Velké oddálení molekul stavebních jednotek struktury Nefunkční elektrostatické vazby Makroskopické poškození Primárně dva zdroje makroskopického porušení Přímá zatížení (zatížení silové povahy) Nepřímá zatížení (objemové změny, u dřeva zejména vlhkost) Dřevěné konstrukce, syllabypřednášek FSvČVUT Praha 2009 Prof. Ing. Jan Krňanský, CSc. 14
Modul pružnosti/tuhost dřeva a vlhkost Modul pružnosti je vlastnost materiálové struktury Tuhost je vlastnost konstrukce (průřezu) Modul pružnosti a vlhkost: Sorpce vlhkosti Poškozování mřížoviny Pokles tuhosti v tlaku, ne v tahu V normách zavedeno prostřednictvím změny E (tlak) Změna modulu pružnosti (ve skutečnosti tuhosti) se týká konstrukcí tlačených a ohýbaných. 15
Dotvarování (creep) dřeva Creep: růst deformací při konstantní síle Příčiny creepudřeva (dlouhodobé působení): Teplota(creep roste s teplotou) Vlhost(roste s vlhkostí do BNV) Úroveň zatížení (roste s velikostí zatížení) Teplotní creep(!nikoliv plasticita!): lignin (hemicelulóza) = termoplasty tečení mezibuněčných stěn Silně závisí na teplotě (dlouhodobá expozice) Ovlivní namáhání, související s tlakem v ligninu (osový tlak a tlak kolmo k vl., ohyb) Uplatní se ve speciálních provozech (50 C) Vlhkostní creep Tažená oblast: napjaté struny mikrofibril vytlačují molekuly vody ven (dlouhodobý proces), analogie konsolidace Dochází k dotahování šroubovic mikrofibril Uplatní se u namáhání, související s tahem v cellóze(tah, ohyb) Uplatní se venku a ve špatně navržených dřevostavbách až 4-násobek pružné deformace 16
Creep v praxi: U běžných konstrukcí pouze vlhkost (teplota cca nad 50 C) Podstatný vliv hladiny namáhání Podstatný vliv vlhkosti a jejího režimu: Creepv důsledku vysýchání zabudovaného mokrého dřeva Creepv důsledku vlhnutí suchého dřeva Eliminace efektů creepu dlouhodobě stabilní expozice dřeva Běžné hodnoty creepu:1-2 násobek pružného přetvoření Vlhkost nad 20%: creep3-4 násobek pružné deformace Nenavrhovatzejména ohýbané prvky na mezi únosnosti (vysoká namáhání), typicky otevírání výkladců Velká rozpětí (haly) vzepětí 17
Teplotní vlastnosti a vlhkost Růst vlhkosti dřeva růst tepelné vodivosti růst tepelné kapacity Suché dřevo λ= 0,08 W/(m.K) c = 1900 J/(kg.K) Voda: λ= 0,6 W/(m.K) c = 4200 J/(kg.K) Obvyklé hodnoty zaváděné pro dřevo: λ= 0,15 0,18 W/(m.K) c = 2100 J/(kg.K) U dřevostaveb a krovů zásadní význam Problém špatné bilance Problém zabudované vlhkosti součinitel tepelné vodivosti (W/(m.K) 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 tepelná vodivost jako funkce vlhkosti 0 0 50 100 150 200 1. Dřevotříska 2. Buk 3. Smrk 5. Všechny dřeviny Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2009 Prof. Ing. Jan Krňanský, CSc. hmotnostní vlhkost dřeva v % 18
Vlhkostní vlastnosti a vlhkost Základní vlastnosti: Faktor difúzního odporu (μ), difúzní permeabilita Nasákavost (pouze ve směru vláken nebo poškozené dřevo), viz lodě, sudy. Difúzní permeabilita Velmi dobrá parobrzda Problém inperfekcí(deskové materiály) Vysoká závislost na vlhkosti (podstatné u dřevostaveb) Materiál μ Beton hutný 19 Plná pálená cihla 8 Smrk. dřevo (kolmo) 110-230 sádrokarton 14 Minerál. vaty 1-2 PPS 50-100 Bitagit(deht. báze) 30-50000 Al fólie 700000 19
Mikrostrukturnívysvětlení Vodotěsnost dřeva (kolmo) Podmínka přetlaku ventilový efekt Trvalé ponoření postupné nasáknutí (podle míry přetlaku čím hlouběji, tím pomaleji) Difúzní permeabilita Zcela suché dřevo nejmenší objem porusu Vlhnutí inkorporace molekul vody vrchlíkovýefekt 1 střední lamela a primární buněčná stěna 2 sekundární buněčná stěna 3 porus 4 torus 5 uzavírací membrána 20