ROCZNIKI INŻYNIERII BUDOWLANEJ ZESZYT 8/8 Komisja Inżynirii Budowlanj Oddział Polskij Akadmii Nauk w Kaowicach TERMOMECHANICZNY OPIS PROCESU PEŁZANIA DREWNA Kamil PAWLIK Polichnika Opolska, Opol. Wprowadzni W arykul zosał przdsawiony rmomchaniczny modl płzania drwna. Drwno składa się główni z clulozy, będzi więc rakowan jako polimr. W procsi uwzględniono różn ypy przmian rlaksacyjnych zachodzących w polimrach.. Modl drwna Na rysunku przdsawiony zosał przkrój drwna w poprzk włókin. Rys. Przkrój drwna w poprzk włókin [] ig. Scion of wood acros o grain [] Widać na nim układ cwk, kórych błona składa się z wilu warsw zbudowanych z clulozy, hmiclulozy i ligniny. Większość objęości zajmuj błona wórna zbudowana główni z clulozy (94% clulozy i hmiclulozy) i w znacznj części ona dcyduj o właściwościach mchanicznych drwna. Cluloza ma ak zwaną budowę miclarnofrędzlową. Łańcuch molkularn wysępują u na przmian w obszarach uporządkowanych (krysaliy), gdzi w odlgłości działania sił van dr Waalsa łańcuchy ulgają powiązaniu przz siły międzycząsczkow, okrślanych mianm micl frędzlowych oraz niuporządkowanych (obszary amorficzn), w kórych łańcuchy clulozy ni są z sobą powiązan.
6 Rys. Część mikrofibryli [] ig. Par of microfibril [] Taka budowa drwna powoduj, iż opisywany przz nas procs płzania będzi przbigał podobni jak w polimrach wilkocząsczkowych. Przyjęo modl miclarnofrędzlowy, wymaga o jdnak idnyfikacji odpowidnich ypów rlaksacji polimru [3]. Z przprowadzonych własnych badań płzania drwna wynika, ż wysępują u dwa procsy płzania, a co za ym idzi dwa ypy przmian rlaksacyjnych. W fazi amorficznj moż o być rlaksacja ypu γ, przyporządkowana obroom ogniw wokół wiązań, kórą przdsawia rysunk 3. Rys. 3 Obró ogniw z zachowanim kąa warościowości [4] ig. 3 Chain sgmns roaion wih consrvaion of valncy angl [4] Przdsawiony mchanizm powoduj ak zwan odkszałcnia wysokoplasyczn (sprężys opóźnion). Są rzulam zmian konfiguracji wilkocząsczkowj srukury. Js on całkowici odwracalny al podobni jak narasani odkszałcń przbiga w okrślonym czasi [4]. Drugim ypm przmian rlaksacyjnych mogą być ruchy łańcuchów wzdłuż długości krysaliu lub rlaksacj związan z ruchm dużych morfologicznych lmnów, np. międzyfibrylarn ścinani. Konskwncją przyjęcia akigo modlu, js wprowadzni do modlu rmomchaniczngo dodakowych paramrów opisujących wspomnian mchanizmy rlaksacyjn.
63 3. Bilans procsu płzania drwna Modlowany ośrodk powinin spłniać podsawow dla procsów rmomchanicznych zasady zachowania masy, pędu, nrgii i nropii. Przdsawiono j koljno poniżj [5]: Wprowadzając nalpię ρ + ( ρv i ), i = bilans masy, () dvi ρ = ρ i + σ, j bilans pędu, d () du ρ = ρ r q i, i + σ d bilans nrgii, d (3) ds r qi ρ ρ bilans nropii. d T T (4), i ρh = ρu σ ε, (5) i liminując wspóln składniki z równania (3) i nirówności (4) orzymano nirówności rzydualnj qit, i ρ H& + ρ ST& & σ ε. (6) T 4. Równania fizyczn procsu Punkm wyjścia do dalszych rozważań js uaj nirówność rzydualna (6). Jak już wspomniano, z badań wynika, ż procs płzania powodują dwa mchanizmy, dlago w dalszj części założono, ż odkszałcnia są sumą odkszałcń sprężysych naychmiasowych, sprężysych opóźnionych i lpkich s + ε = ε + ε ε. (7) Odkszałcnia sprężys naychmiasow związanych są z zmianą odlgłości między aomami w łańcuchach, naomias sprężys opóźnion z zmianami konformacyjnymi łańcuchów. Mchanizm n opisuj paramr,, kóry na począku js równy, a po pwnym czasi bliski zru, co oznacza zakończni procsu. Odkszałcnia lpki związan są z lpką dyssypacją nrgii wynikającą z ruchów łańcuchów względm sibi. Przyjęo więc posać nalpii w formi ( σ, S ) ρ H = ρh,. (8)
64 Js ona zalżna ni ylko od naprężń σ i nropii S, al równiż od paramru opisującgo procs zmian konformacyjnych łańcuchów. Po zróżniczkowaniu (8) H H G H& & ρ = ρ & σ + ρ + ρ S&, (9) σ S podsawiając uzyskany wynik do nirówności (6) i uporządkowaniu orzymano nirówność H ρ σ H H qit, i ε & σ + + Θ S& ρ &. () S T Analizując człony dyssypacyjn przy założniu, ż T wynika, ż mogą zachodzić rzy przypadki, i = & G < & G > G G & = - brak dyssypacji. Biorąc o pod uwagę i zakładając, ż js procs izormiczny aproksymowano nalpię w posaci ρh = ρh L K σ σ σ ( ) σ σ L ( ) σ + n( ) ( τ σ ( τ ) dτ ( τ, τ ' σ ( τ σ ( τ ') dτdτ '. + () Różniczkując funkcjonał () oraz wsawiając go do nirówności (), po uporządkowaniu orzymano nirówność K + ( ) + σ + ( ) σ + L ( ) + ( τ σ ( τ ) + L σ σ L σ + n & + R. dτ ε & σ + ()
65 Nirówność () powinna być spłniona dla wszyskich warości współczynniki przy nich powinny być zrow. Biorąc pod uwagę, ż σ&. Oznacza o, ż K ε = ε, L =, n = o koljno począkow warości odkszałcń sprężysych, odkszałcń sprężysych opóźnionych i paramru oraz ( ) L = orzymano równania na odkszałcnia ε = ε + ε ( ) + σ + ( ) σ + ( τ σ ( τ ) dτ, (3) oraz ogranicznia σ σ ε σ + & + R, (4) gdzi R = ( τ, τ ') ( τ σ ( τ ') & σ dτdτ ', (5) Z analizy członu σ σ ε σ + & (6) wynikają dwa przypadki: I. Obciążani σ, ε, = = II. Odciążni σ =, ε, σ σ &, (7) & (8) Wynika sąd, ż przy nizrowych naprężniach paramr musi malć, a przy braku naprężń rośni. Biorąc akż pod uwagę, ż procs js zanikający zaposulowano paramr w posaci dla σ ( ) =, (9) + ( ( ) ) dla σ = gdzi o czas zdjęcia obciążnia.
66 Wsawiając (9) do (3) i zakładając, ż począkow odkszałcnia są równ zru orzymano osaczną posać równania na odkszałcnia gdzi ε s = ε + ε + ε c = s s σ + ( ) ( ) σ + ( τ σ ( τ ) ˆ dτ, () ( ) = ( ) - obciążni, - odciążni. () Z wykonanych badań płzania drwnianj blki poddanj czysmu zginaniu (ni zaprznowanych w ninijszym arykul) wynika, ż równani fizyczngo na odkszałcnia w formi () bardzo dobrz opisuj, zaobsrwowan w rakci ksprymnu, zminn w czasi odkszałcnia badanych próbk. Liraura [] Thuvandr., Wallsröm L., Brglund L. A., Lindbrg K. A. H.: Effcs of an imprgnaion procdur for prvnion of wood cll wall damag du o drying, Wood Sci. and Tch. 34, s. 473-48,. [] Krzysik.: Nauka o drwni, PWN, Warszawa, 978. [3] Ward I. M.: Mchaniczn właściwości polimrów jako worzyw konsrukcyjnych, PWN, Warszawa, 975. [4] Hyla I.: Tworzywa szuczn : własności, przwórswo, zasosowani, Polichnika Śląska, Gliwic, 4. [5] Kubik J.: Elmny rmomchaniki, SiM PO, Opol, 4. THERMOMECHANICAL DESCRIPTION O CREEP O WOOD Summary In h aricl h modl of wood crp is inroducd. Th wood consiss of cllulos mainly, hrfor h is rad as h polymr. In h procss Th various yps of rlaxaions chang in polymrs ar akn ino accoun in h procss.