Studiul lemnului Curs pentru nvmntul la distanLecia 8proprietile fizice ale lemnuluiumiditatea, permeabilitatea i retractibilitatea lemnului

Pe lng caracteristicile care definesc aspectul fizic al lemnului culoare, textur, miros, gust lemnul diferitelor specii de rinoase sau foioase poate fi caracterizat de o serie de proprieti fizice, mecanice i tehnologice care, mpreun cu nsuirile legate de compoziia chimic, condiioneaz gama de utilizri ale lemnului.Proprietile fizice ale lemnului ce prezint o deosebit importan n cunoaterea comportrii lemnului pus n oper sau supus prelucrrii sunt: umiditatea, higroscopicitatea, permeabilitatea, umflarea i contragerea, densitatea i porozitatea, proprieti termice, acustice, electromagnetice i fonice.

8.1. Umiditatea lemnului

Lemnul este n permanent relaie cu apa. n arborii vii, pentru a se produce o ton de lemn, este necesar o cantitate de ap de 600 1000 t. Dup doborrea arborilor i ncorporarea sa n diverse produse, lemnul pstreaz o cantitate rezidual de ap, aflat sub influena continu a mediului nconjurtor. Avnd n vedere c apa constituie un factor fizic care influeneaz aproape toate proprietile lemnului, este necesar ca la comparaiile privind diversele nsuiri ale acestuia, datele analizate s fie stabilite n condiii de umiditate egal.Lemnul conine ap n compoziia substanelor din care este alctuit, n spaiile dintre microfibrilele pereilor celulari spaii intermicelare i n cavitile celulelor. n funcie de locul n care se gsete, apa este reinut cu fore diferite n masa lemnului i se clasific n: ap de constituie, cea care particip n compoziia chimic a substanelor din care este constituit lemnul, apa de higroscopicitate sau legat, adsorbit de ctre pereii celulari i apa liber, din lumenul celulelor.n funcie de umiditatea lemnului, acesta se clasific astfel: lemn verde sau umed, este cel provenit din arborii dobori i care mai conine sev n cavitile celulare (umiditate de peste 30 %); lemnul ud, conine mai mult ap dect n momentul doborrii, surplusul datorndu-se pstrrii n bazine cu ap, plutirii sau altor cauze; lemnul uscat n aer liber, conine ap de constituie i o cantitate de ap de higroscopicitate corespunztoare condiiilor de pstrare n aer liber, variabil n funcie de temperatura i umiditatea mediului (cuprins ntre 1215 %); lemnul uscat artificial, este lemnul supus uscrii ntr-o instalaie special pentru atinge o umiditate de 7 12 %, mai mic dect cea realizat n aer liber; lemnul anhidru sau absolut uscat nu mai conine dect apa de constituie, dup ce n prealabil a fost uscat n etuve la 103 2oC.Umiditatea lemnului este dat de proporia de ap din masa acestuia i se exprim de obicei n procente. Dac raportarea se face la masa lemnului anhidru (Mo), se obine umiditatea absolut (Wa), iar dac raportarea se face la masa lemnului umed se obine umiditatea relativ (Wr). Wa = 100 x (Mu Mo) / Mo Wr = 100 x (Mu Mo) / Muunde Mu masa lemnului umed Mo - masa lemnului uscat

Umiditatea absolut poate fi obinut din cea relativ i invers, utiliznd relaiile:Wa = 100Wr / (100 Wr); Wr = 100Wa / (100 + Wa);Celuloza (n special din poriunile amorfe) i mai ales hemiceluloza din pereii celulari sunt higroscopice, adic au capacitatea de a adsorbi vapori de ap din atmosfer. Apa este fixat prin fore fizice, datorit faptului c moleculele de ap se prezint sub forma unui dipol, al crui pol pozitiv (hidrogenul din molecula de ap) este atras electric de grupele OH libere, ncrcate cu sarcini electrice negative. De reinut c apa nu ptrunde n interiorul micelelor (cristalitelor celulozice) i nici nu intr n reacie chimic cu acestea. La legarea apei disociate dipolic se degaj o mare cantitate de cldur (cldur de umflare).Reinerea apei sub form de vapori i pelicule lichide se face prin sorbie molecular i sorbie capilar. Pn la atingerea umiditii de cca.15 % are loc sorbia molecular sub form de vapori, ca urmare a forelor intermoleculare, dup care, la valori mai mari intervine sorbia capilar, prin care apa sub form de vapori condenseaz n pelicule n spaiile dintre microfibrilele de celuloz.n contact cu aerul, lemnul acumuleaz sau pierde vapori de ap n permanen, tinznd spre un echilibru higroscopic ntre umiditatea sa i cea atmosferic, echilibru care depinde de temperatura atmosferei. Dup cum crete sau scade umiditatea atmosferic are loc fie fenomenul de sorbie pn la atingerea umiditii stabile de sorbie (Wss), fie cel de desorbie, pn la atingerea umiditii stabile de desorbie (Wsd). Cele dou procese nu se desfoar identic n sensuri diferite ci dup curbe diferite, lemnul umed reinnd mai puternic umiditatea n cadrul procesului de desorbie dect cel uscat. Acest fenomen poart numele de histerezis al sorbiei i desorbiei.Fenomenul de histerezis se explic prin tensiunile i deformrile care apar n pereii celulari ai lemnului, datorit variaiei forelor de presiune a vaporilor de ap din timpul umflrii, provocate de sorbia molecular i cea capilar n faza sa iniial (cnd apa din lemn este n stare de vapori).Maximul de umiditate datorat apei de higroscopicitate se numete umiditate de saturaie a fibrei (Ws). Acest maxim se realizeaz ntr-o atmosfer saturat cu vapori de ap (umiditate atmosferic > 100%). Valoarea medie a umiditii de saturaie a fibrei este de cca. 30 % i se constat o variaie a acesteia n funcie de structura anatomic a lemnului (dimensiunile capilarelor, proporia de participare a diferitelor componente chimice, etc.). Astfel, o umiditate de saturaie a fibrei mai mare o prezint lemnul speciilor de foioase cu pori mprtiai i fr duramen (tei, salcie, plop, mesteacn, anin, fag, carpen - 32 35 %), precum i alburnul speciilor cu duramen (salcm, castan, stejari, frasin, nuc, cire), iar n cazul duramenului speciilor cu distribuie inelar i semiinelar a porilor umiditatea de saturaie a fibrei este mai mic (22 24 %). Limita de higroscopicitate este mai mare la speciile cu densitate mai redus datorit proporiei sporite a spaiilor n care are loc sorbia capilar.ntruct n mod normal atmosfera nu este saturat cu vapori de ap, lemnul care se pstreaz la aer prezint o umiditate, corespunztoare echilibrului higroscopic, de 12 15 % n zona temperat, de 18 % n zonele tropicale i ecuatoriale i de 8 9 % n ncperile nclzite iarna. Micorarea i creterea umiditii sunt nsoite de umflare i contragere, procese care atrag dup ele deformarea i crparea lemnului, ca i desfacerea mbinrilor i exfolierea peliculelor de lac, se impune cerina de a se folosi material lemnos uscat pn la nivelul echilibrului higroscopic cu mediul de folosin (tabel 7).Tabelul 7. Umiditatea corespunztoare echilibrului higroscopic al lemnului (produse din lemn) n funcie de destinaieDestinaia lemnului (produselor din lemn)Umiditatea corespunztoare echilibrului higroscopic,(%)

Lemn pentru construcii n ap (piloi) Lemn destinat impregnrii cu substane antiseptice i ignifuge Lemn destinat a fi utilizat exclusiv n exterior (mprejmuiri, oproane); lemn pentru lzi de ambalaj arpante Lemn pentru construcii n localuri nchise Doage pentru butoaie Lemn pentru caroserii de camioane i vagoane de marf Lemn pentru lucrri de tmplrie aflate n contact cu aerul exterior (ui i ferestre exterioare) Mobil, tmplrie interioar, n camere nclzite cu sobe Mobil, tmplrie interioar, n camere cu nclzire central Parchet, duumele Lemn pentru instrumente muzicalePeste 30

20 25

15 2015 1813 1714 16

8 16

12 15

10 12

8 108 126 8

Apa care ptrunde n lemn, dup ce acesta a atins umiditatea de saturaie a fibrei (cazul lemnului imersat), se localizeaz n golurile celulare i spaiile intercelulare i este n stare de lichid. Aceasta constituie apa liber din lemn, este reinut de fore capilare, se ndeprteaz uor din lemn i manifest o mic influen asupra proprietilor acestuia. Cnd toate cavitile celulare sunt umplute cu ap, lemnul atinge umiditatea maxim numit umiditatea de saturaie a lemnului.Umiditatea lemnului n arbore variaz n funcie de specie, zona de vegetaie, anotimp (mai mare primvara), vrsta arborelui (mai mare la arborii tineri) i poziia lemnului n arbore (scade dinspre scoar spre mduv i crete spre vrful arborilor), fenomene ce pot fi asociate cu raportul lignin / celuloz din diferitele poziii n arbore. Se observ, de asemenea, c lemnul timpuriu din alburn este mult mai umed dect cel trziu, iar n duramen umiditatea lor este relativ egal.Metode de determinare a umiditiiA. Metoda prin uscare (gravimetric)Metoda const n determinarea masei lemnului n stare umed (imediat dup extragere) i apoi n stare absolut uscat (n laborator, n etuve, la 105oC pn cnd ntre dou cntriri nu se mai nregistreaz diferene mai mari dect tolerana). Metoda este precis, dar are un randament sczut din cauza duratei mari de uscare a probelor.Regula general ce trebuie respectat pentru asigurarea preciziei determinrii este evitarea contactului prelungit cu aerul al probelor dup prelevare deoarece se produc pierderi rapide de ap imediat dup extragere (7 10 % putnd ajunge chiar la 40 % n primele 15 minute dup extragere).B. Metoda prin extracie se bazeaz n principiu pe tratarea probelor de lemn, ntr-un extractor, cu un solvent nemiscibil cu apa. Apa din prob va fi antrenat de ctre vaporii de solvent i se va condensa separat de acesta, datorit diferenei de densitate, putnd fi msurat direct ntr-o biuret gradat. nclzirea amestecului de lemn cu solvent se face pn cnd se constat c nivelul apei n biuret nu se mai modific.Metoda este criticat datorit necesitii segmentrii lemnului analizat, operaie greoaie i n cursul creia se pierde o oarecare cantitate de ap. Totui, este apreciat pentru avantajul determinrii relativ exacte a apei din lemn, deoarece metoda anterioar, la nclzire provoac i volatilizarea substanelor eterice din lemn, producnd o pierdere de mas (care este pus pe seama apei evaporate).C. Metode electriceLa baza acestor metode stau: dependena ntre umiditatea lemnului i rezistena sa electric; variaia permitivitii lemnului cu umiditatea sa; atenuarea undelor electromagnetice odat cu creterea umiditii lemnului; variaia absorbiei radiaiilor n infrarou cu umiditatea lemnului.Metodele electrice pentru msurarea umiditii lemnului au ca avantaje: rapiditatea determinrii, posibilitatea automatizrii i faptul c determinarea umiditii se realizeaz fr distrugerea piesei.C.1. Metoda rezistiv se bazeaz pe variaia rezistenei electrice a lemnului n funcie de umiditatea sa dup relaia: R = a / Wkunde R rezistena electric a lemnului ()W umiditatea (%)a, k constante ce depind de material i de condiiile de msurarePrin aceast metod se poate determina umiditatea lemnului n intervalul 5 30%.Rezistena electric a lemnului este influenat de temperatur, de valorile tensiunilor aplicate i ale curenilor ce strbat proba umed, de fenomenul de polarizare, de structura materialului, de forma i gradul de tasare a probei, de caracteristicile constructive ale traductoarelor i de poziia acestora fa de planele principale.Diversitatea speciilor i structura neomogen a lemnului fac ca metoda rezistiv s prezinte o precizie mai mic n comparaie cu alte materiale.C.2. Metoda capacitiv se bazeaz pe faptul c permitivitatea lemnului i a materialelor pe baz de lemn crete odat cu creterea umiditii. Permitivitatea se determin prin raportul dintre capacitatea C a unui condensator avnd ca dielectric piesa din lemn i capacitatea Co a aceluiai condensator n vid. = C / CoDielectricul lemn are n stare uscat o permitivitate sczut (1 6). Odat cu majorarea umiditii crete i permitivitatea, apa avnd la 18oC permitivitatea 81,1.Pentru o frecven de lucru dat, acest procedeu este afectat de pierderi n dielectric, de temperatur, de densitatea probei i de prezena electroliilor.C.3. Metoda bazat pe folosirea undelor electromagnetice (de ordinul GHz) ofer posibilitatea msurrii continue i fr contact cu proba a umiditii acesteia. Principiul metodei const n faptul c undele electromagnetice se atenueaz direct proporional cu coninutul de ap din proba de lemn. Aparatele care utilizeaz acest principiu de msurare determin umiditatea n intervalul 0100% cu erori de 0,2 1 %.C.4. Metoda de msurare bazat pe spectroscopie n infrarou. Dup principiul de lucru, spectrometrele pot fi cu unul sau dou fascicule. n primul caz, energia radiant a unei surse cunoscute se msoar dup ce a fost trecut prin proba de lemn care absoarbe o parte din aceast energie. Spectrometrele cu dou fascicule compar energia radiaiei trecute prin prob cu energia radiaiei directe.Msurtorile sunt influenate de factori externi ca temperatura i presiunea.C.5. Metode de msurare bazate pe efecte nucleare. Umidimetrul cu neutroni este un echipament alctuit dintr-o surs de neutroni rapizi, un detector i un contor de particule. Umiditatea se determin n baza unei curbe de calibrare.

8.2. Permeabilitatea lemnului

Permeabilitatea lemnului este nsuirea acestuia de a permite trecerea unui lichid sub presiune prin masa lui. Datorit acestei proprieti seva brut ajunge la frunze. Permeabilitatea cea mai mare se nregistreaz pe seciunea transversal i ce mai mic pe seciunea tangenial.Permeabilitatea scade cu ct crete densitatea lemnului i depinde de structura sa anatomic, limea inelului anual, raportul dintre lemnul trziu i cel timpuriu, etc.Aceast nsuire este important pentru stabilirea diferitelor procedee de impregnare a lemnului i utilizarea lui pentru ambarcaiuni, conducte sau ambalaje.

8.3. Retractibilitatea lemnului

Retractibilitatea lemnului este proprietatea acestuia de a-i modifica dimensiunile i volumul n funcie de umiditatea lui. Variaiile dimensionale au loc numai n limita coninutului de ap legat. Datorit higroscopicitii, vaporii de ap ptrund n pereii celulari i condenseaz printre microfibrilele de celuloz, pe care le ndeprteaz unele de altele, ceea ce duce n final la o mrire a dimensiunilor exterioare a lemnului. Acest proces este cunoscut sub numele de umflare lemnului. Reducerea dimensiunilor lemnului datorit pierderii de ap legat se numete contragere. Aceasta are loc atunci cnd s-a evaporat ntreaga cantitate de ap liber i ncepe evaporarea apei legate, n condiiile unei atmosfere srace n vapori de ap.Fenomenele de umflare i contragere sunt permanente n condiiile variaiilor frecvente de temperatur i umiditate din atmosfer, iar modificarea dimensiunilor sub influena higroscopicitii poart numele de jocul lemnului. Aceast caracteristic este unul din cele mai mari dezavantaje ale materialului lemnos producnd deformarea i crparea lemnului, desfacerea mbinrilor i exfolierea peliculelor de lac. Valorile umflrii i contragerii depind de specie, zona de vegetaie, densitatea lemnului i direcia fibrelor. Determinarea contragerii se face cu ajutorul coeficienilor de contragere liniar pe direcie longitudinal (l), radial (r), tangenial (t) i n volum (v): l, r, t = 100 x (l l1) / l; v = 100 x (v v1) / viar determinarea umflrii se face n mod similar, cu ajutorul coeficienilor de contragere:l,r,t = 100 x (l2 l) / l;v = 100 x (v2 v) / vunde l i v corespund dimensiunii iniiale ale epruvetei; l1 i v1 corespund dimensiunii epruvetei dup uscare; l2 i v2 corespund dimensiunii epruvetei dup umezire.Coeficienii calculai pe baza dimensiunilor sau volumelor extreme (lemn n stare anhidr i peste punctul de saturaie a fibrei) se numesc coeficieni de contragere total i se determin astfel: L = 100 x (Lu Lo) / LuV = 100 x (Vu Vo) / VuUmflarea i contragerea sunt dou fenomene fizice inverse ca sens de manifestare, ns nu se caracterizeaz prin reciprocitate valoric perfect: la aceeai modificare a umiditii, umflarea este mai puternic dect contragerea. Acest fenomen este cunoscut sub numele de histerezis al umflrii i contragerii lemnului.Determinarea umflrii i contragerii lemnului se face utiliznd epruvete cu dimensiuni de 20x20x100 mm care permit msurtori pe cele trei direcii (longitudinal, tangenial i radial).Coeficienii de umflare i contragere n volum se pot deduce din cei liniari. Neglijnd valorile coeficienilor de umflare i de contragere pe direcie longitudinal, ntruct valorile acestora sunt nesemnificative n comparaie cu ceilali, se pot determina coeficienii de umflare i de contragere n volum, cu o precizie satisfctoare dup urmtoarele relaii:v = r + t; v = r + tn practic se mai folosesc i coeficieni unitari de contragere i umflare liniar i n volum, corespunztori unei variaii a umiditii lemnului cu 1%:l, r, t = 100 x (l2 l1) / W l2v = 100 x (v2 v1) / W v2l, r, t = 100 x (l2 l1) / W l1v = 100 x (v2 v1) / W v1unde W = W2 W1 este variaia de umiditate (W2 > W1)l1, v1 sunt dimensiunile epruvetei la umiditatea W1;l2, v2 sunt dimensiunile epruvetei la umiditatea W2.Valorile umflrii i contragerii sunt minime n direcie longitudinal (axial) i maxime n direcie tangenial. Pentru diferite specii lemnoase, coeficienii de contragere prezint urmtoarele valori: l = 0,1 0,6 %; r = 2 7 %; t = 6 12 %; v = 8 20 %. Unele specii (teiul) prezint valori apropiate ale contragerii pe direciile radial i tangenial, ceea ce determin deformaii nensemnate la uscarea lemnului acestor specii.Umflarea are un efect pozitiv numai n cazul folosirii lemnului la confecionarea butoaielor i ambarcaiunilor. Prin umflare pe dezvolt presiuni foarte mari. Acest fenomen a fost valorificat de egipteni care foloseau pene din lemn udate periodic pentru dislocarea stncilor.Contragerea este cauza principal att a crpturilor lemnului, ct i a deformrii acestuia. Prin uscare, dimensiunile diferitelor elemente din structura anatomic a lemnului se micoreaz n mod neuniform ceea ce genereaz tensiuni n masa lemnului i acesta se deformeaz. Razele medulare, de exemplu, se contrag mai puin pe direcie longitudinal n raport cu cea radial. Piesele debitate sau ecarisate se deformeaz difereniat n raport cu poziia lor n butean.O contragere brusc poate s produc fenomenul de colaps al lemnului datorit tensiunilor mari ce se nregistreaz la nivelul pereilor celulari. Lemnul cu colaps are celulele complet lipsite de lumen, astfel nct, la microscop acestea apar turtite.

8.4. Test de autoevaluare

1. Cum se clasific lemnul n funcie de umiditatea lui?2. Cum este reinut apa de ctre moleculele de celuloz i hemiceluloz?3. Ce este umiditatea de saturaie a fibrei? Dar umiditatea de saturaie a lemnului?4. Care sunt metodele electrice de determinare a umiditii lemnului?5. Ce este permeabilitatea lemnului i ce implicaii tehnologice are?6. Ce este jocul lemnului i prin ce parametri se exprim?7. Care sunt implicaiile umflrii i contragerii lemnului asupra utilizrilor acestuia?

Lecia 9proprietile fizice ale lemnului.densitatea i porozitatea lemnului. proprietile termice, electrice, magnetice i acustice ale acestuia

1.1. Densitatea lemnului

Densitatea lemnului constituie unul dintre cei mai importani indici ai lemnului, att n privina proprietilor fizice i mecanice pe care le influeneaz, ct i pentru industrializarea acestuia pe cale mecanic sau chimic. Densitatea, cunoscut i sub denumirile de masa volumic sau greutatea specific a lemnului, este numeric egal cu masa unitii de volum a acestuia. Dat fiind faptul c lemnul este un corp neomogen, raportul dintre masa i volumul su reprezint o densitate medie i se calculeaz cu relaia: = m / V,[g/cm3 sau kg/m3]Lemnul este un material poros ai crui pori sunt umplui cu ap (n stare verde sau proaspt dobort), cu ap i aer (cnd este uscat la aer) sau numai cu aer (n cazul lemnului anhidru). Proporia membranelor celulare i cea a porilor variaz de la o specie la alta, dar i n cadrul aceleiai specii, n funcie de factorii care determin formarea lemnului. Densitatea se poate referi la substana lemnoas singur - densitatea materiei lemnoase - sau la substana lemnoas mpreun cu spaiile libere - densitatea lemnului masiv aparent sau prescurtat densitatea lemnului.

Din aceste motive, n practic se determin mai multe tipuri de densitate:- densitatea lemnului anhidru (o = mo / Vo) se calculeaz pentru situaia n care lemnul are cea mai mic mas i cel mai mic volum i se folosete numai pentru studii comparative, deoarece lemnul poate fi pstrat n aceast stare numai artificial. Pentru speciile autohtone, densitatea lemnului anhidru variaz ntre 410 kg/m3 la pin i brad i 990 kg/m3 la corn. La speciile exotice, valorile sunt cuprinse ntre 60 kg/m3 la Alstonia spatulata i 1300 kg/m3 la Guajacum officinale;- densitatea lemnului cu o anumit umiditate se determin cu aceeai relaie, ns se iau n calcule masa i volumul corespunztoare aceleiai umiditi: u densitatea lemnului verde (cu cele mai mari valori ale masei i volumului), 15 densitatea la echilibru higroscopic i 30 densitatea la umiditatea de saturaie a fibrei. Pe baz de relaii i nomograme se poate determina densitatea lemnului la o umiditate oarecare n funcie de densitatea acestuia n stare anhidr.Excepie de la definiia general a densitii se face n cazul densitii convenionale a lemnului c = mo / Vmax (numit i infradensitate) exprimat ca raport ntre masa unei epruvete n stare anhidr i volumul acesteia la o umiditate mai mare dect umiditatea de saturaie a fibrei. Aceast densitate este un indice mai precis, rezultat din doi factori determinai n stri certe. Ea este densitatea minim teoretic a lemnului. Cunoscnd aceast mrime se poate determina biomasa (substana uscat) produs de un arbore sau un arboret, msurnd volumul.n relaie cu densitatea convenional se afl i densitatea parial determinat ca raport ntre masa probei complet uscat i volumul acesteia la o anumit umiditate.- densitatea materiei lemnoase (ml) reprezint media densitilor componentelor chimice, avnd valoarea de 1,53 g/cm3, ntre densitatea celulozei (1,58 g/cm3) i cea a ligninei (1,46 g/cm3). la lemnul n steri i cel sub form de rumegu sau achii, densitatea se calculeaz prin raportul dintre masa acestora i volumul lor spaiat, utilizndu-se noiunea de densitate n grmad.Densitatea lemnului variaz n funcie de umiditatea acestuia i de specie. n cadrul aceleiai specii, densitatea lemnului variaz n funcie de talia celulelor i grosimea pereilor acestora, prezena incluziunilor organice i minerale n celulele lemnoase, factorii genetici i condiiile de cretere. n Europa, densitatea lemnului de rinoase scade odat cu creterea altitudinii.La foioasele cu distribuia porilor inelar, densitatea medie a lemnului crete odat cu creterea limii inelului anual. La rinoase, acest fenomen se manifest numai pn la limi ale inelului de 1 2 mm, dup care densitatea scade. Valorile densitii lemnului pot fi mult influenate prin lucrrile de ngrijire a arboretelor (rrituri, elagaj).n arbore, densitatea lemnului scade de la baz spre vrf i de la centru spre periferie. Densitatea lemnului de ramur este mai mare dect cea a lemnului de trunchi. Prezena lemnului de compresiune, a tilelor i rinii duce la creterea densitii lemnului.n tabelul 8 sunt prezentate densitile aparente ale principalelor specii forestiere.

Tabelul 8. Densitile lemnului diferitelor specii din RomniaSpecia lemnoasDensitatea aparent (minim medie maxim), n g / cm3

015u

BradLariceMolidPin silvestruCarpenFagFrasinGorunMesteacnPlop tremurtorTeiSalcie alb0,32 0,41 0,710,40 0,55 0,820,30 0,43 0,640,30 0,49 0,860,50 0,79 0,820,49 0,68 0,880,41 0,65 0,820,33 0,65 0,930,46 0,61 0,800,37 0,41 0,520,32 0,49 0,560,33 0,52 0,590,35 0,45 0,750,44 0,59 0,850,33 0,47 0,680,33 0,52 0,890,54 0,83 0,860,54 0,72 0,910,45 0,69 0,860,57 0,75 0,960,51 0,65 0,830,43 0,44 0,500,35 0,53 0,600,36 0,56 0,620,77 1,00 1,230,52 0,81 1,000,40 0,74 1,070,38 0,70 1,030,92 1,09 1,250,90 1,01 1,120,70 0,92 1,140,87 1,02 1,160,80 0,95 1,090,61 0,80 0,990,61 0,74 0,870,78

Determinarea densitii lemnului se poate face prin metode diverse, distructive sau nedistructive, direct, prin determinarea masei i a volumului sau prin metode care nu implic determinarea volumului n mod direct. Msurarea masei se face cu balane analitice de precizie pentru proba aflat n condiii de umiditate impuse.Metoda stereometric se bazeaz pe determinarea volumului epruvetei care are o form geometric regulat cu o relaie geometric adecvat. Aceast metod supraestimeaz volumul prin neluarea n considerare a neregularitilor inevitabile de pe suprafaa lateral a probei. Pentru determinri mai precise sunt cunoscute numeroase procedee de determinare a volumului prin msurarea cantitii de lichid dezlocuit de proba scufundat n el. Exist procedee care folosesc ca mediu de imersie substane hidrofobe (benzen, toluen, xilen, petrol lampant, etc.) dintre care cea mai utilizat a fost metoda volumetrului cu mercur. n prezent aceast metod se folosete din ce n ce mai rar datorit deficienelor sale.Pentru determinarea volumului la o umiditate mai mare dect umiditatea de saturaie a fibrei, probele se scufund imediat dup prelevare i se pstreaz pn la efectuarea msurtorilor n ap distilat, iar determinarea volumului precede determinarea masei anhidre sau umede.Metoda saturaiei este folosit pentru determinarea densitii convenionale a lemnului. Aceast metod nu necesit determinarea volumului probei. Aceasta consider c, dup eliminarea substanelor extractibile din lemn i saturarea acestuia cu ap distilat, volumul probei (Vmax) este compus din volumul materiei lemnoase Vml (pereii celulari n stare anhidr) i volumul apei incluse n perei i golurile celulare Vap, respectiv: Vmax = Vml + Vap [cm3].Considernd densitatea apei distilate la 20oC constant i egal cu 1,0g/cm3 se obine:c = mo / (Vml + Vap); Vml = mo / ml; Vap = map / ap;

Rezult, dup simplificare cu mo, , [g/cm3], n care mmax - masa probei saturat cu ap distilat, mo masa lemnului anhidru, ml densitatea materiei lemnoase.

Metodele densitometrice se bazeaz pe absorbia difereniat a radiaiilor , i X. Aceste metode presupun prelevarea probelor, radiografierea lor simultan cu alte materiale etalon, de densitate cunoscut, nregistrarea cu ajutorul microdensimetrului a variaiilor de densitate optic a imaginilor radiografice i prelucrarea automat a acestor date. Principiul utilizat este cel conform cruia densitatea optic a radiografiei, definit ca logaritmul zecimal al opacitii, este proporional cu logaritmul dozei de iradiere, rezultnd o relaie liniar ntre aceasta i densitatea lemnului. Dintre metodele mecanice de suprafa de determinare a densitii se menioneaz: - metoda torsiometrului se bazeaz pe existena unor corelaii strnse ntre cuplul de torsiune, estimat cu ajutorul unei chei dinamometrice i densitatea lemnului. Este utilizat pentru determinarea densitii la lemnul pe picior, fiind o metod nedistructiv;- metoda pilodinei. Pilodina este un instrument cu ajutorul cruia se msoar adncimea de ptrundere n lemn a unui ac mobil cu diametru se 2,5 mm i lungime de 15 25 mm, sub aciunea unui resort care i imprim, n mod obinuit, o for de impact de 80 kJ/m2. Adncimea de ptrundere a acului este funcie de densitatea i umiditatea lemnului;- dinamostratigrafia const n rotirea cu vitez constant a unei freze special cu diferite lungimi i cu posibilitatea degajrii integrale a achiilor, sincronizat cu o deplasare axial de vitez impus astfel nct s ptrund uniform n lemn. Un captor de for msoar rezistena la naintare, n funcie de profunzimea penetrrii, rezisten care este funcie de densitatea lemnului.Datorit diversitii metodelor existente, la indicarea diferitelor valori ale densitii, trebuie s se menioneze i metoda utilizat pentru a exista comparabilitatea acestor date.

1.2. Porozitatea lemnului

Pentru diferite tehnologii i lucrri intereseaz mai ales porozitatea volumetric, adic proporia volumului de pori din volumul total al lemnului anhidru i mai puin porozitatea superficial, adic proporia suprafeei ocupate de pori din suprafaa total a seciunii transversale a lemnului. Porozitatea lemnului este influenat de specie i de densitate. Cu ct densitatea aparent a lemnului anhidru (o) este mai mare, cu att porozitatea este mai mic. Prin cunoaterea porozitii se poate calcula cantitatea de ap sau alt lichid care poate fi introdus n lemn prin diferite tratamente.Proporia n volum a golurilor celulare (c) se determin cu relaia:c = (1 0,667o) x 100, [%]Porozitatea superficial se determin prin planimetrarea porilor din suprafaa transversal studiat, pe imagini preluate cu ajutorul microscopului.

1.3. Proprietile termice ale lemnului

Dilatarea lemnului se caracterizeaz prin coeficientul de dilatare liniar (d) care indic mrirea unitii de lungime pentru creterea temperaturii cu 1oC i se exprim n mm / m oC. La temperaturi peste 1oC lemnul se dilat. Acest fenomen este aproape insesizabil deoarece se produce n sens invers contragerii datorate pierderii apei prin nclzire.Coeficientul de dilatare termic este de 5 18 ori mai mare pe direcia perpendicular pe fibre dect pe cea paralel cu fibrele i mai mare pe direcie tangenial dect pe cea radial, ns mult mai mic dect n cazul altor materiale de construcie.Conductibilitatea termic se exprim printr-un coeficient n kcal/mhoC. Conductibilitatea termic a lemnului este redus deoarece acesta prezint un coninut mare de aer (aer = 0,0126 kcal / m h oC). Coeficientul de conductibilitate termic este de 1,8 ori mai mare pe direcie paralel cu fibrele dect pe direcie perpendicular (0,155 0,301 fa de 0,090 0,155). Valoarea coeficientului crete odat cu creterea densitii lemnului, ct i odat cu creterea umiditii acestuia, apropiindu-se de coeficientul de conductibilitate al apei (0,505). Arderea sau combustia lemnului este proprietatea acestuia de a se descompune n prezena cldurii i a oxigenului din aer, cu degajare de cldur. Din acest motiv lemnul poate fi folosit drept combustibil i este caracterizat prin faptul c gazele de ardere sunt lipsite de sulf. Reacia chimic care are loc este:lemn + O2 = CO2 + H2O + cenu + cldurMecanismul este complex, avnd loc dou tipuri de combustie: o combustie rapid a gazelor, cu flacr i o combustie lent a crbunilor (jarul).Pentru iniierea reaciei este nevoie de o surs de cldur, iar proprietatea lemnului de a intra n combustie prin nclzire se numete inflamabilitate. Lemnul se aprinde i arde atunci cnd este nclzit la 260 290oC, aprinderea fiind mai rapid la speciile cu densitate mic.Dup aprindere are loc arderea care se produce treptat, odat cu nclzirea exteriorului lemnului i propagarea cldurii n interiorul su i odat cu eliminarea apei (mai nti cea liber i apoi cea legat). Pentru ntreinerea arderii, lemnul are nevoie de cca. 0,6 kg aer pentru fiecare kg de lemn. n lipsa aerului, lemnul sufer un proces de piroliz rezultnd crbune de lemn, gudron, acizi organici, uleiuri volatile. Prin ardere, lemnul se descompune n C, O, H i N. Puterea caloric a lemnului reprezint cantitatea de cldur, exprimat n kcal, degajat prin ardere de unitatea de greutate sau de volum a lemnului. Lemnul absolut uscat asigur cca. 4500 kcal/kg, iar cel cu umiditatea de 30% are o putere caloric de doar 2870 kcal/kg. Puterea caloric variaz de la specie la specie fiind mai mare la speciile cu un coninut mai mare de lignin (rinoase), cunoscndu-se c puterea caloric a ligninei este de 6000 kcal/kg, iar cea a celulozei i hemicelulozei, mai srace n carbon, este de 4150 kcal/kg.Cldura specific caracterizeaz capacitatea lemnului pentru schimburile de cldur. Aceast mrime reprezint cantitatea de cldur pe care trebuie s o acumuleze un corp pentru ca temperatura sa s creasc cu 1oC. Lemnul are o cldur specific mare (cca. 0,324 kcal/kg oC) n comparaie cu alte materiale, ceea ce i confer calitatea de material izolator termic. Cldura specific a lemnului crete odat cu creterea umiditii sale.Coeficientul de difuzibilitate termic este o alt mrime fizic folosit pentru caracterizarea proprietilor termice ale lemnului i exprim viteza cu care se rspndete cldura i se modific temperatura corpului. Valorile acestui coeficient sunt cuprinse ntre 0,0004 i 0,0007 m2/h, n funcie de specie i umiditate. Aerul prezint un coeficient de difuzibilitate termic mai mare dect apa, deci difuzibilitatea lemnului uscat este mai mare dect a lemnului umed.

1.4. Proprietile electrice i magnetice ale lemnului

Lemnul n stare uscat este un bun izolator electric, avnd o conductibilitate electric redus, din care cauz este utilizat ca material de construcii (stlpi), de izolaie (pene pentru transformatoare, generatoare) i pentru cutii, lzi, mnere.Rezistena electric a lemnului este influenat de umiditate: scade puternic i liniar pn la punctul de saturaie a fibrei, urmnd o scdere uoar pn la punctul de saturaie al lemnului. Rezistena electric este mai mare perpendicular pe fibre (la molid 18-20 ) dect paralel cu fibrele (la molid 10 ). La aceeai umiditate a lemnului, rezistena electric scade pe msura creterii temperaturii. Impregnarea lemnului cu sruri metalice micoreaz rezistena electric; n schimb impregnarea cu parafin, creozot, etc. o mresc.Din punct de vedere al proprietilor magnetice, susceptibilitatea acestuia de magnetizare este practic nensemnat, fiind apt pentru confecionarea carcaselor pentru radio, televizoare, etc.1.5. Proprietile acustice ale lemnului

Lemnul are o capacitate mare de absorbie, de transmisie i de reflexie sonor, fapt pentru care este un material preuit pentru confecionarea instrumentelor muzicale i construcia slilor cu acustic superioar (cptuirea slilor de concerte nu are ca scop izolarea lor fonic lemnul nu este un bun izolator acustic ci realizarea unui timp de reverberaie normal). Fenomenul de persisten a unui sunet dup ce sursa sa a ncetat s mai emit se numete reverberaie.Sunetele ptrunse n lemn provoac vibraii, n urma crora se produc frecri interne care dau natere fenomenului de rezonan. Recepia energiei sonore se face n funcie de mai muli factori: dimensiunile i coeziunea fibrelor, prezena unor substane chimice, etc.Vitezele de propagare longitudinal i transversal a sunetelor n lemn sunt n funcie de densitatea lemnului i de modulele de elasticitate (E sau G) i depind de specie. Viteza de propagare paralel cu fibrele este mai mare dect cea perpendicular pe fibre i scade cu creterea umiditii.Rezistena pe care o opune lemnul transmiterii sunetului n masa sa se numete rezisten acustic specific a lemnului (Ra)i este dat de relaia:Ra = ( x E)0,5n care este densitatea lemnului, iar E reprezint modulul de elasticitate (Young).Rezistena acustic specific a lemnului este de 10 - 20 ori mai mic dect a metalelor cu toate c densitatea sa este mult mai mic.Rezonana lemnului reprezint proprietatea acestuia de a amplifica sunetele de o anumit frecven (frecvena de rezonan a lemnului) i depinde de viteza de propagare a sunetului, de dimensiunea piesei i de modul de vibraie (longitudinal sau transversal).Speciile al cror lemn este folosit pentru construcia instrumentelor muzicale sau a unor pri ale acestora sunt: molidul, pinul silvestru, bradul, paltinul de munte, prul, castanul porcesc, platanul. n construcia instrumentelor cu coarde cele mai bune rezultate le asigur lemnul de molid cu inele anuale de 1 2 mm (viori), 2 3 mm (violoncel) i 4 5 mm (contrabas). Lemnul de molid se folosete pentru capace, cel de paltin pentru funduri, pernambucul pentru arcuuri, abanosul pentru cordare i cuie de ntindere a strunelor. Rezultate bune d i lemnul de brad.

1.6. Test de autoevaluare

1. Ce este densitatea convenional a lemnului?2. Cum variaz densitatea la rinoase i la foioase n raport cu limea inelului anual?3. n ce const metoda stereometric de determinare a densitii lemnului i care sunt avantajele i dezavantajele acesteia?4. Cum variaz porozitatea n raport cu densitatea lemnului?5. Descriei combustia lemnului.6. Cum este influenat rezistena electric a lemnului de umiditatea acestuia?7. Ce implicaii practice au proprietile magnetice ale lemnului?8. Ce este rezonana lemnului i care sunt speciile folosite pentru confecionarea instrumentelor muzicale?

Lecia 10elasticitatea i plasticitatea lemnului

1.1 . Deformaii i eforturi unitare n lemn

Lemnul are capacitatea de a se opune forelor exterioare ce tind s-i schimbe forma, s l rup sau s provoace ptrunderea unui alt corp n masa lui. O pies de lemn supus unor solicitri (fore sau momente) sufer un complex de fenomene ce se petrec n acelai timp i care depind de direcia solicitrii (paralel cu fibrele sau perpendicular pe fibre), de umiditate i temperatur.Un volum de materie limitat de suprafee nchise i cu o form invariabil, n absena unor aciuni exterioare se numete solid deformabil. Sub efectul unor aciuni exterioare, punctele consecutive ale unui solid deformabil pot suferi deplasri ce pot fi cuantificate prin vectori. Dac vectorii deplasrii punctelor sunt paraleli i au acelai modul, atunci corpul sufer o translaie. Dac vectorii subntind arce de cerc concentrice, atunci corpul sufer o rotaie. n afara acestor dou cazuri particulare, solidul sufer o deformaie.Pentru studierea deformaiilor se imagineaz c solidul este constituit din volume elementare cubice: dV = dxxdyxdz. Dac n urma eforturilor aplicate cubul elementar se transform n paralelipiped (deplasri dup direcii perpendiculare pe feele cubului) se spune c au rezultat deformaii normale.

Fig. 52. Tipuri de deformaii

Determinarea deformaiilor normale este posibil prin luarea n considerare a deplasrilor du, dv i dw dup cele trei direcii:

;;

Dac n urma eforturilor unitare aplicate rezultate nu sunt normale pe feele cubului elementar, iar ca urmare a alunecrii punctelor situate pe feele paralele rezult o prism, se vorbete de deformaii de alunecare (de glisare, de forfecare, tangeniale). Exist dou moduri posibile de glisare a fiecrei perechi de fee ale cubului i deci n total ase tipuri de deformaii de alunecare: Ele se desemneaz cu un indice dublu, care reprezint normala la faa cubului ce va rmne pe loc i respectiv direcia de alunecare.Dac se grupeaz deformaiile normale i de alunecare se obine o matrice care reprezint tensorul deformaiilor, n care deformaiile normale se gsesc pe prima diagonal:

O for exterioar ce acioneaz asupra unui solid este ntmpinat de rezistena sa intern. Dar o for nu poate fi aplicat ntr-un singur punct (cu excepia idealizrilor matematice) ci numai pe o suprafa a crei dimensiuni depind de sistemul de aplicaie al forei. Ca urmare, se poate defini aciunea forei F asupra unui solid prin presiunea pe care o exercit aceast for pe suprafaa de aplicaie S. Aceast presiune se numete efort unitar i se scrie:;

pentru cubul elementar: Prin descompunerea forei dup axele cubului elementar i avnd n vedere c suprafee elementare se pot scrie:

; sau , se pot defini eforturile unitare normale, corespunztoare feelor normale la suprafaa asupra crei acioneaz:

;;

Fig. 53. Aplicaia unei fore asupra cubului elementar

Forele care sunt paralele la suprafaa luat n considerare au o aciune de forfecare, iar eforturile corespunztoare se numesc eforturi unitare tangeniale:

; ; ; ;;Grupnd eforturile unitare normale i tangeniale rezult tensorul eforturilor unitare: Orice deformaie sau rupere sub sarcin este precedat de o micare interioar a elementelor din care sunt constituii pereii celulari.

Variaiile umiditii i ale temperaturii pot provoca scderea coeziunii dintre cristaliii de celuloz, ceea ce duce la micorarea frecrii interioare. Rezultatul este creterea calitilor elastice i plastice ale lemnului i scderea rezistenelor sale mecanice.

Frecarea interioar se definete astfel:

unde: - vscozitatea filmului de ap de higroscopicitate;n numrul de cristalii de celuloz;a coeficient ce exprim umiditatea pereilor celulari;d densitatea lemnului;f - forele de atracie intermicelar.1.2 . Comportamentul elastic al lemnului

Dac la ncetarea solicitrii dispare i deformaia, atunci se spune c materialul prezint caliti elastice. La ncetarea solicitrii deformaia poate s dispar total (materiale perfect elastice, care nu exist n realitate), parial (materiale elastice) sau poate s persiste (materiale plastice). Deformaiile ce rmn dup nlturarea forelor care le-au cauzat se numesc deformaii remanente.Dac se msoar deformaiile unei epruvete sub influena unei solicitri, relaia dintre eforturile unitare i deformaie reprezint curba caracte-ristic a materialului. Pe aceast curb se pot observa mai multe puncte caracteristice: limita de proporionalitate (P), pn la care deformaiile variaz linear n funcie de valorile efortului unitar; limita de curgere (C), corespunztoare momentului n care au loc deranjamente serioase n structura materialului; limita de elasticitate (E);Fig. 54. Curba caracteristic a unui material

limita de rupere (R), la care ncepe procesul de rupere.ntruct elasticitate perfect nu exist, se consider o limit convenional a comportrii elastice a materialului. Astfel, pentru oel se consider valoarea corespunztoare apariiei unei deformaii permanente de 0,02%, iar pentru lemn la compresiune perpendicular pe fibre (tangenial) s-a adoptat o valoare de 0,30,5%. n mod obinuit se consider c limita domeniului elastic se suprapune cu limita de proporionalitate.Considernd lemnul rotund ca fiind un material ortotrop se poate defini comportamentul elastic al lemnului prin 9 constante: trei module ale lui Young EL , ER i ET pe direciile longitudinal, radial i respectiv tangenial; trei module ale lui Coulomb GRT, GTL i GLR corespunztoare celor trei planuri fundamentale de studiu ale lemnului ; trei coeficieni ai lui Poisson RT, TL i LR Din punct de vedere practic, EL este constanta cea mai important. Celelalte sunt folosite mai ales pentru rezolvarea unor probleme inginereti sau academice de un nivel nalt.

Fig. 55. Axele de ortotropie cilindric n trunchi

Cea mai mare deformabilitate o prezint lemnul pe direcie tangenial, apoi pe direcie radial. Deformabilitatea cea mai mic se nregistreaz pe direcie longitudinal (EL >> R > ET). Lemnul mai uor, respectiv mai puin dens, este mai elastic. Elasticitatea depinde n mare msur i de umiditatea lemnului, unghiul fibrei i temperatur.1.3 . Plasticitatea lemnului i elemente de reologie

Materialul care nu are capacitatea de a reveni la forma iniial dup ncetarea aciunii exterioare care l-a deformat este plastic. n studiul plasticitii lemnului trebuie luate n considerare urmtoarele aspecte: n partea amorf a celulozei va aprea ntotdeauna o deformare plastic, indiferent de ce se ntmpl n zona cristalin; dup ncetarea aciunii exterioare, elementele ce formeaz structura anatomic a lemnului vor tinde s se regrupeze din nou, mai repede sau mai ncet (lemnul nu este un material plastic prin excelen, deformaiile plastice n lemn apar mai mult ca fenomene reologice dect ca fenomene de sine stttoare); pentru a caracteriza capacitatea plastic a lemnului trebuie s se in cont de urmtoarele fenomene: fenomenul deformaiilor ascunse i remanente, fenomenul de curgere i elasticitate ntrziat i fenomenul de relaxare.Lemnul prezint ntotdeauna deformaii ascunse i remanente. Deformaiile elementelor din structura anatomic a lemnului nu sunt ntotdeauna traduse prin deformaii proporionale ale piesei studiate. Aceste deformaii din interiorul su ce nu se pot determina se numesc deformaii ascunse.Deformaiile remanente apar atunci cnd solicitarea atinge o aa-numit valoare de cedare, care este n strns legtur cu umiditatea i temperatura lemnului. La valori mari ale umiditii, proprietile plastice ale lemnului devin mai importante, iar temperaturile mari coboar nivelul de cedare (punctul critic este la 160oC, cnd ncepe descompunerea celulozei), deci vor mri posibilitatea de apariie a deformaiilor remanente.Atunci cnd mrimea forei ce acioneaz asupra lemnului rmne constant, iar deformaia continu s creasc, se spune c a aprut starea de curgere, care este asociat cu deranjamente serioase n structura materialului. Curgerea lemnului este diferit de cea a materialelor izotrope. n cazul lemnului apar dou fenomene asociate: o curgere intercristalin (intermicelar, interfibrilar) a zonelor cristaline de celuloz i hemiceluloze; o curgere plastico vscoas a ligninelor, substanelor pectice i a celulozei amorfe.La creterea constant a forei, deformaia nu crete nelimitat, ci ajunge la o valoare limit, iar dup nlturarea forei, prile deformate elastic i revin instantaneu, pe cnd cele care au suferit o oarecare curgere, fr s-i fi pierdut total proprietile elastice, i vor reveni cu ntrziere din starea de deformare creat. Acesta este fenomenul elasticitii ntrziate, care se manifest ntr-un mod foarte evident la lemn. n lemn nu se pot produce stri perfect elastice, care s nu deranjeze deloc structura sa anatomic. Prin urmare, orice deformaie n lemn se va gsi ntre limitele fenomenului de elasticitate ntrziat.Deformarea lemnului sub aciunea unei fore se produce neproporional n timp, manifestnd o tendin de cretere dac mrimea forei a depit o anumit limit. Pentru a se menine lemnul ntr-o stare de deformaie constant este necesar micorarea continu a forei. Descreterea tensiunilor din material pentru a-l menine ntr-o stare de deformaie constant poart numele de relaxare.Fenomenul elasticitii ntrziate i al relaxrii arat c n procesele de deformare a lemnului factorul timp joac un rol important i este necesar abordarea acestui material din punct de vedere reologic.Reologia este ramura tiinei materialelor cu proprieti elastice, plastice i vscoase (n rndul crora se ncadreaz i lemnul) ce se ocup de determinarea legilor care guverneaz dezvoltarea deformaiilor n timp, sub aciunea sarcinilor.Lemnul, cu structura sa cristalin i amorf, cu pri afnate aezate n mod difereniat, prezint un fenomen de suprapunere a deformaiilor elastice cu cele plastice, iar fenomenul deformrii elastice i curgerea variaz n timp. Explicarea i nelegerea proprietilor reologice se bazeaz pe modele reologice, care n cazul lemnului trebuie s in cont c sub aciunea sarcinilor se produc 3 feluri de deformaii: elastice (el), cu elasticitate ntrziat (ei) i plastice (pl). Deformaia total va fi compus din suma acestora: = el+ei+pl.

Fig. 56. Un model reologic al lemnului

n cazul pieselor din lemn masiv, datorit neuniformitii structurii anatomice n cadrul inelului anual, situaia se complic. Porii (vasele) cu diametru mare reduc valoarea modulului de elasticitate. Un lemn cu diametrul porilor variabil sau cu grosimi diferite ale pereilor celulari n cuprinsul inelului anual este greu de caracterizat prin modele reologice simple.Cunoaterea proprietilor reologice ale lemnului este important la uscare (studiul dezvoltrii tensiunilor n timp, care poate duce la fenomenul de colaps), la fabricarea produselor compozite pe baz de lemn (de exemplu la plcile din achii de lemn, adezivii folosii trebuie s aib proprieti plastice i elastice corelate cu cele ale lemnului), dar i n calculele de rezisten pentru piesele de lemn folosite n construcii de lung durat.

Fig. 57. Model reologic al lemnului cu diametrul porilor variabil

1.4 . Test de autoevaluare

1. Ce sunt deformaiile normale? Dar cele de alunecare?2. Ce este tensorul eforturilor unitare? 3. Ce este curba caracteristic a unui material i ce puncte importante prezint o astfel de curb?4. Ce sunt deformaiile ascunse?5. Prin ce se difereniaz curgerea lemnului de cea a materialelor izotrope?6. Descriei un model reologic al lemnului.

Lecia 11rezistenele lemnului

n funcie de tipul solicitrilor (statice sau dinamice) i de direcia forelor n raport cu structura lemnului (paralele cu fibrele sau perpendiculare pe fibre) se disting mai multe categorii de rezistene ale lemnului.

11.1. Rezistena la compresiune

Dac asupra unei piese din lemn acioneaz a sarcin cresctoare, la un moment dat se va produce ruperea materialului. Atunci cnd sarcina acioneaz pe direcie longitudinal se vorbete de compresiune paralel cu fibrele, iar atunci cnd sarcina este orientat pe direcie radial sau tangenial, se vorbete de compresiune perpendicular pe fibre, radial sau tangenial. Rezistena la compresiune se deter-min cu relaia:

unde: P sarcina la care se produce ruperea;A aria seciunii pe care acioneaz sarcina P.

Fig. 58. Posibiliti de rupere la compre- siune paralel cu fibrele

Ruperea la compresiune paralel cu fibrele se produce dup planuri de alunecare paralele sau nclinate n raport cu seciunea transversal, dup planuri longitudinale (desprinderea brusc a fibrelor dac planul este radial), sau sub forma unor combinaii ale celor dou tipuri (figura 58).n cazul compresiunii perpendiculare pe fibre are loc o turtire succesiv a elementelor anatomice ale lemnului, nsoit de ruperi ale pereilor celulari. Valorile rezistenei la aceast solicitare depind de direcia de aciune i de grupa de specii. Raportul dintre rezistena la compresiune perpendicular pe fibre tangenial i cea radial este de 1,11,5 la rinoase i 0,60,95 la foioase (datorit faptului c au raze medulare late i nalte, pluriseriate). Raportul dintre rezistena la compresiune paralel cu fibrele i cea perpendicular pe fibre ia valori de 6 12.Rezistena lemnului la compresiune crete odat cu mrirea procentului de lemn trziu. Odat cu creterea temperaturii, aceast rezistena a lemnului scade, dar valorile sunt mai ridicate pentru lemnul anhidru. Epruvetele pentru ncercarea rezistenei la compresiune se confecioneaz din lemn sntos, lipsit de defecte, sub forma unor prisme de 60 x 20 x 20 mm.

11.2. Rezistena la flambaj

O bar din lemn supus la compresiune paralel poate trece de la un echilibru stabil la un echilibru instabil (flambeaz), chiar dac efortul unitar este mai mic dect rezistena la rupere. Determinarea rezistenei la flambaj se face cu relaia:

unde: P este sarcina de compresiune, este coeficientul de flambaj, A este aria seciunii epruvetei.Rezistena lemnului la flambaj este dependent de forma i mrimea seciunii transversale a barei, excentricitatea sarcinii, zvelteea barei, umiditatea lemnului i prezena defectelor.

11.3. Rezistena la traciune (ntindere)

i n acest caz se vorbete de o rezisten la traciune paralel cu fibrele i de o rezisten la traciune perpendicular pe fibre (radial sau tangenial). Rezistena lemnului la traciune se determin cu relaia:

unde: P este sarcina la care se produce ruperea, A este aria seciunii pe care acioneaz sarcina P.Ruperea lemnului se produce mai ales pe seama dezlipirii fibrelor celulozice din pereii celulari. Se pot produce i ruperi ale pereilor celulari. Fig. 59. Epruvete utilizate la determinarea rezistenelor la traciune

Ruperile achiate se coreleaz cu o rezisten sporit la traciune paralel cu fibrele.Rezistena lemnului la traciune paralel cu fibrele este n medie de dou ori mai mare dect rezistena la compresiune paralel.Rezistena la traciune perpendicular pe fibre n raport cu cea pe direcie paralel cu fibrele este de 20 45 ori mai mic la rinoase i de 5 15 ori mai mic la foioase. La speciile cu raze medulare mari, rezistena la traciune pe direcie tangenial este inferioar celei radiale.Rezistena la traciune scade n general odat cu creterea limii inelului anual. Totui, la foioasele cu distribuia porilor inelar situaia se prezint invers: un procent mai mare de lemn trziu este asociat cu rezistene la traciune mai ridicate. Prezena fibrelor nclinate reduce foarte mult rezistena la traciune paralel cu fibrele. La speciile cu raze medulare mari, rezistena la traciune perpendicular radial este superioar celei perpendiculare tangeniale. Prezena nodurilor reduce foarte puternic valorile rezistenelor lemnului la traciune. Creterea umiditii duce i ea la reducerea acestei rezistene.Pentru determinarea rezistenei la ntindere, epruvetele au forme diferite n funcie de direcia solicitrii (paralel sau perpendicular pe fibre), prezentate n fig. 59.

11.4. Rezistena la ncovoiere static

n cazul ncovoierii statice, n urma aciunii forelor perpendicular pe fibre, apare o solicitare combinat la compresiune i traciune. Paralel cu fibrele sunt apar eforturi de forfecare.Rezistena la ncovoiere se determin cu relaia:

unde:P sarcina la care se produce ruperea;l distana dintre reazeme;b baza seciunii transversale a seciunii;h nlimea seciunii transversale.Fig. 60. Repartizarea tensiunilor la ncovoierea static

ntre zona ntins i zona comprimat apare o zon neutr care, n raport cu axa de simetrie, datorit faptului c lemnul din zona comprimat intr mai repede n curgere (rezistena la compresiune este mai mic dect rezistena la traciune), se va deplasa spre partea ntins.Sub influena sarcinilor de ncovoiere, la nceput apare curbarea piesei, apoi ruperea acesteia. Zona de rupere se poate prezenta neted (lemnul este mai puin rezistent la ncovoiere) sau sub form de achii. n cadrul aceleiai specii, scderea densitii detrermin o micorare a rezis-tenei la ncovoiere static. Creterea umi-ditii i a temperaturii, prezena nodurilor i a fibrelor anormale influeneaz negativ aceast rezisten. Epruvetele pentru deter-minarea rezistenei la ncovoiere static au forma unor prisme de 300x20x20 mm.

Fig. 61. Epruvet utilizat pentru ncercarea la ncovoiere static

11.5. Reziliena (rezistena la ncovoiere dinamic)

Reziliena este capacitatea pieselor de lemn de a rezista forelor de ncovoiere n micare, ce produc eforturi care cresc foarte rapid n timp.Determinarea rezilienei se face cu ajutorul ciocanului pendul, iar energia de deformaie este dat de energia potenial consumat pentru ruperea epruvetei. Raportnd lucrul mecanic absorbit de lemn la suprafaa seciunii transversale se obine indicele de rezilien:

unde:L lucrul mecanic absorbit de lemn;b baza seciunii transversale a epruvetei;hnlimea seciunii transversale a epruvetei. Fig. 62. Aezarea epruvetei pe suportul ciocanului pendul

Dac n urma ruperii epruvetei rezult achii relativ mici, se concluzioneaz c lemnul este rezilient. Lemnul greu, umed i fr anomalii ale fibrei prezint n general un indice de rezilien mai mare. Reziliena pe direcie radial este mai mare dect cea pe direcia tangenial, raportul lor fiind de 1,2 1,5 la rinoase i 1,1 1,3 la foioase.Speciile lemnoase rezistente la eforturile dinamice se numesc reziliente (frasin, molid, brad), iar cele mai puin rezistente se numesc fragile (plop, castan porcesc).

11.6. Rezistena la despicare

Rezistena lemnului la despicare este capacitatea acestuia de a se opune eforturilor ce tind s desprind esuturile lemnului n sens longitudinal, prin distrugerea coeziunii elementelor anatomice. Unealta sub form de pan, cu ajutorul creia se realizeaz despicarea, ptrunde n lemn, dar nu taie fibra acestuia. Mrimea invers a rezistenei la despicare se numete fisibilitate.Rezistena la despicare se determin cu relaia:

unde: P efortul maxim de rupere;Aaria seciunii longitudinale de despicare

Fig. 63. Epruvet utilizat pentru determinarea rezistenei la despicare a lemnului

Mrimea efortului care face posibil ptrunderea uneltei n lemn este dependent de coeziunea fibrelor, de frecarea dintre pan i lemn i de starea acestuia. Astfel, se despic mai uor lemnul cu fibre lungi, cu raze medulare mari i numeroase i cel lipsit de defecte. Temperaturile foarte joase favorizeaz o fisibilitate ridicat a lemnului. Rezistena la despicare tangenial este mai mare dect cea radial.Dup gradul de fisibilitate se poate deosebi lemn perfect fisibil (bambusul), uor fisibil (molid, brad, anin, fag), greu fisibil (jugastru, salcm, pomaceele, pin negru) i nefisibil (palmier, guaiac).

11.7. Rezistena la forfecare

Rezistena la forfecare este capacitatea lemnului de a se opune forelor exterioare ce caut s rup piesa prin deplasarea unei pri ale ei fa de cealalt. Planul dup care se produce ruperea materialului se numete plan de forfecare.Rezistena la forfecare se determin cu relaia:

unde: P sarcina la care se produce ruperea;Aaria seciunii pe care se produce forfecarea.Fig. 64. Tipuri de forfecare a lemnului

n funcie de poziia planului n care sunt situate forele i a planului de forfecare, n raport cu piesa, se deosebesc urmtoarele tipuri de forfecare: transversal, la care planul de forfecare este perpendicular pe fibre i longitudinal, la care planul de forfecare este paralel cu fibrele; forfecarea longitudinal poate s fie paralel cu fibrele sau perpendicular pe fibre n funcie de direcia eforturilor unitare. La fiecare din aceste cazuri, n funcie de direcia sarcinii fa de inelele anuale, forfecarea este radial sau tangenial.n raport cu rezistena la compresiune paralel cu fibrele, rezistena la forfecare longitudinal este de 510 ori mai mic. Rezistena la forfecare longitudinal perpendicular este n medie de dou ori mai mic dect cea la forfecare longitudinal paralel.Creterea valorilor umiditii i a temperaturii duce la reducerea rezistenei la forfecare. La unele specii, valorile rezistenei la forfecare cresc odat cu creterea densitii i a limii inelelor anuale.Epruvetele ce se folosesc pentru determinarea rezistenei la forfecare transversal a lemnului sunt paralelipipede de 50x20x5 mm. Pentru determinarea rezistenei la forfecare longitudinal epruvetele au o form special, prezentat n fig.65. Epruvetele se confecioneaz din lemn sntos, fr defecte.

Fig. 65. Epruvete pentru determinarea rezistenei la forfecare longitudinal

11.8. Rezistena la torsiune (rsucire)

Rezistena la torsiune este capacitatea lemnului de a se opune forelor ce tind s rsuceasc fibrele. Determinarea acestei rezistene prin calcule teoretice este dificil datorit anizotropiei lemnului, de aceea sunt preferate determinrile experimentale.Pentru piese cu seciunea transversal ptratic, rezistena la torsiune se determin cu relaia:

unde:Mt momentul de torsiune la rupere;a latura seciunii transversaleFig. 66. Epruvete pentru determinarearezistenei la torsiune

n raport cu direciile fundamentale ale lemnului, efortul de torsiune poate fi longitudinal sau perpendicular pe fibre. Rezistena la torsiune longitudinal este de cca. 2 3 ori mai mare dect cea la torsiune perpendicular pe fibre.Umiditatea ridicat reduce rezistena lemnului la torsiune. n raport cu rinoasele, foioasele au n general o rezisten la torsiune mai mare.Epruvetele folosite pentru determinarea rezistenei la torsiune (figura 66) se confecioneaz dintr-un material lipsit de orice defecte, cu fibrele paralele cu axa longitudinal. Forma lor este prismatic (400x20x20 mm) sau circular.

11.9. Duritatea

Duritatea lemnului este proprietatea acestuia de a rezista la ptrunderea n interiorul su a unui corp metalic, care este apsat sau cade pe suprafaa acestui material. Duritatea prezint o importan practic deosebit pentru prelucrarea lemnului cu unelte mecanice. Pentru determinarea duritii se poate folosi procedeul Brinell sau procedeul Janka.Procedeul Brinell utilizeaz o bil din oel ce are un diametru de 10 mm i o main de compresiune. Dup presarea bilei pe suprafaa epruvetei se msoar pe dou direcii perpendiculare urma pe care o las bila n lemn. Duritatea Brinell se calculeaz cu relaia:

unde: P sarcina cu care se apas bila;A aria calotei sferice de pe supra-faa lemnului, rezultat n urma presrii bilei.Procedeul Janka utilizeaz o bil ce are diametrul de 11,284 mm i o suprafa de proiecie de 1 cm2. Aceasta se apas perpen-dicular pe suprafaa epruvetei pn cnd adncimea de ptrundere devine egal cu raza bilei. Fig. 67. Procedeul Janka de determinare a duritii lemnului

Duritatea Janka este egal cu sarcina aplicat pentru a se realiza aceast ptrundere. Fa de primul procedeu, procedeul Janka permite cuprinderea mai multor inele anuale, prin ptrunderea bilei mai adnc n lemn se realizndu-se o mai bun apreciere a duritii din masa lemnului.Lemnul fiind un material anizotrop, duritatea lui este diferit dup cele trei seciuni fundamentale. Duritatea lemnului scade odat cu creterea umiditii, pn la punctul de saturaie a fibrei, dup care rmne constant. Cu ct lemnul este mai dens i conine o proporie mai mare de lemn trziu, cu att duritatea lui este mai mare, iar raportul dintre duritatea perpendicular pe fibre i cea paralel cu fibrele (cu valori de 0,5 0,6 la speciile de la noi) este mai mare.n funcie de duritate se difereniaz lemn foarte moale (pin strob), lemn moale (anin, molid, plop, tei, pin silvestru, pin negru), lemn potrivit de tare (castan platan, stejar rou, ulm), lemn tare (alun, carpen, frasin, stejar, gorun, cer, mr, pr, salcm, nuc, scoru, sorb, tis) i lemn foarte tare (corn, liliac, gldi,stejar pufos, frasin american).

11.10. Rezistena la oboseal

Rezistena la oboseal este proprietatea materialelor de a se rupe atunci cnd sunt supuse unor sarcini variabile n timp, chiar dac efortul unitar este sub limita de rupere. Oboseala apare mai ales la piesele supuse unor eforturi ce variaz sinusoidal, de aceea este important cunoaterea comportrii lemnului supus unor sarcini repetate i alternative, cu aplicaii directe n cazul lemnului din construcii (poduri, avioane) sau cuprins n diverse organe de maini. Solicitrile pot fi de ntindere, compresiune, ncovoiere sau torsiune i pot varia oscilant, pulsatoriu sau alternant (figura 68). De reinut faptul c prin oboseal lemnul cedeaz (se rupe brusc) naintea atingerii limitei de rezisten static corespunztoare solicitrii la care este supus.De exemplu, limita de oboseal la ncovoiere este de cca. 20 40 % din rezistena la ncovoiere static, iar n cazul torsiunii lemnul se rupe cnd este acionat cu fore repetate, dar cu o mrime de numai 4080% din forele la care rezist atunci cnd acestea se aplic static.Efortul maxim pe care l poate suporta lemnul fr a se rupe la un numr mare de sarcini repetate se numete limit de oboseal. Rezistena la oboseal crete cu densitatea lemnului i scade cu creterea umiditii i a temperaturii, fiind influenat negativ de prezena defectelor.

Fig. 68. Tipuri de solicitare la oboseal

11.11. Test de autoevaluare1. Cum se produce ruperea lemnului la compresiune?2. Cum este rezistena la ntindere fa de cea la compresiune?3. Ce este zona neutr la ncovoiere i cum se situeaz ea fa de axa epruvetei?4. Ce se nelege prin specii fragile?5. Ce se nelege prin fisibilitate?6. Cte tipuri de forfecare se pot ntlni la lemn?7. Care sunt avantajele procedeului Janka de determinare a duritii lemnului?

Lecia 12valorificarea biomasei lemnoaseproprietile tehnologice ale lemnului

Valorificarea complex i superioar a biomasei lemnoase presupune gsirea soluiilor prin care arborele, n totalitatea sa, s poat fi utilizat industrial, cu valori de ntrebuinare ct mai mari.Lemnul poate fi valorificat (integrat n circuitul economic) prin transformarea lui pe cale mecanic, chimic sau energetic, rezultnd produse cu o valoare superioar celei a lemnului brut. Fiecare procedeu de prelucrare a lemnului face obiectul diferitelor discipline de studiu pentru specialitii din industria de prelucrare a lemnului.

12.1. Lemnul brut

Lemnul brut rezult n urma operaiilor de recoltare. n general, lemnul brut se clasific astfel: dup specie: lemn de rinoase, lemn de foioase (tari sau moi); dup duritate: lemn tare, lemn moale; dup locul de provenien din arbore: lemn de rdcin, lemn de buturug, lemn de trunchi i lemn de crac; dup forma seciunii transversale: lemn rotund (catarg trunchi ntreg de rinoase fr vrf, butean diametrul la captul subire > 14 cm i lungimea > 2,5 m, butuc lungime < 2,5 m) i lemn despicat (lobd rezultat prin despicare radial, cu fee cu limi de 5 30 cm); dup destinaie: lemn de lucru i lemn de foc.Prin sortimente de lemn brut se neleg produsele lemnoase care, sub form natural sau puin modificate (prin secionare, ecarisare, despicare) sunt destinate consumului sau transformrii industriale. Ele mai sunt numite sortimente de materii prime din lemn.Prin sortimente de produse lemnoase se neleg toate produsele silviculturii, exploatrilor forestiere i industriei de prelucrare a lemnului.Sortimentele de lemn brut sunt definite prin destinaia, forma de prelucrare, dimensiunea i calitatea lor. Sortimentele care se aseamn ntre ele dup unul din aceste criterii constituie o clas de sortimente.Lemnul brut se clasific: dup destinaie: lemn pt. industria mecanic, lemn pt. industria chimic, lemn pt. construcii, lemn pentru sectorul agricol i lemn pentru foc; dup dimensiune : lemn gros, mijlociu i subire; dup prezena defectelor: mai multe clase de calitate (numrul este variabil n funcie de sortiment); dup forma de fasonare: lemn brut nefasonat i lemn brut fasonat n figuri.12.2. Sortarea lemnului

Sortarea lemnului brut se face avnd n vedere urmtoarele principii: mrirea procentului de lemn de lucru; reducerea consumurilor specifice; valorificarea superioar a masei lemnoase; realizarea sortimentelor cerute pe pia.Sortarea silvic se face odat cu punerea n valoare a arborilor pe picior destinai vnzrii i exploatrii. Rezultatul sortrii arborilor n picioare se regsete n actul de punere n valoare. Arborii pe picior se sorteaz n 4 clase de calitate, apoi se stabilete cantitatea de lemn de lucru (gros, mijlociu i subire), precum i cea de lemn de foc.Sortarea silvic aplic criteriul calitativ i dimensional, dar nu apeleaz explicit la criteriul utilizrii viitoare a lemnului, dect n msura n care fiecrui sortiment dimensional i corespund anumite utilizri.Sortarea industrial a lemnului este una din operaiile finale ale procesului de exploatare a arborilor i se realizeaz la cioat sau n platformele primare sau cele de preindustrializare. n acest caz, criteriul destinaiei capt o importan deosebit.Descrierea fiecrui sortiment industrial de lemn brut este prevzut n standarde.

Cea mai folosit clasificare a sortimentelor de lemn brut ine cont de clasele de utilizri: lemn pentru industria mecanic: buteni de rinoase pentru industrializare, buteni de stejar pentru industrializare buteni de fag pentru industrializare, buteni de Ca, Me, Ul, arar i Ju pentru industrializare, buteni de Ci, Pr, Fr i Pa pentru industrializare, buteni de foioase moi pentru industrializare, lemn de foioase pentru plci din achii, lemn brut de tei pentru creioane, buteni pentru industria chibriturilor, lobde de fag pentru doage; lemn pentru industria chimic : lemn rotund de rinoase pentru celuloz, rmie din lemn de rinoase pentru celuloz, lemn rotund i despicat de rinoase pentru past chimic i semichimic, lemn de plop i salcie pentru celuloz, lobde pentru piroliz, lemn de stejar pentru extracte tanante, coaj de molid, salcie i stejar pt extracte tanate, lemn pentru mangal de boc; lemn pentru construcii: lemn rotund pentru piloi, stlpi pentru telecomunicaii i linii electrice aeriene, lemn de min, lemn rotund de rinoase pt construcii (bile la captul subire de 1216 cm i lungime peste 6 m, manele - la captul subire de 8 - 11 cm i lungime peste 3 m, prjini - la captul subire de 4 - 7 cm i lungime peste 4,5 m), lemn rotund de foioase pentru construcii; lemn pentru sectorul agricol: bulumaci, araci de vie, araci de legume, tutori pentru pomi, liber de tei netopit, lemn rotund pentru spaliere de vie, lemn rotund pentru sectorul piscicol, lemn rotund pentru oite i inim de cru, nuiele pentru vintire i nchideri pescreti, nuiele pentru fascine; lemn de foc: lemn fasonat n steri i dublisteri, capete din retezarea supralungimilor de la fasonarea butenilor, buturi greu despicabile, crci legate n snopi, crci n grmezi, resturi de exploatare.

Materialul lemnos brut rezultat din fasonarea masei lemnoase exploatate este evideniat n urmtoarea schem de ansamblu:

Masa lemnoas utilizabil

Lemn de focLemn de lucru

Lemn rotundLemn de steri pentru industrie

Lemn n steriButuci greu despicabiliCrciZoburiVreascuri

Lemn pt. plci din fibre (PFL)Lemn pt. plci din achii (PAL)Lemn pentru doageLemn pentru distilareLemn pentru mangalizareAlte prelucrri chimice

Lemn pentru construcii

Lemn rotund pentru industrie

Lemn pentru celuloz, past mecanic, past chimic i semichimic, lemn pentru plci din fibreLemn pentru poduriLemn de minBile, maneleLemn pentru araci i tutoriLemn pentru spaliere de vie

Lemn de rezonanLemn pentru furnireLemn pentru cheresteaLemn pentru traverseLemn pentru doage

Legend - lemn de mici dimensiuni

Fig. 69. Schema materialului brut rezultat din fasonarea masei lemnoase exploatate

12.3. Prelucrarea lemnului

Prelucrarea mecanic a lemnului presupune modificarea formei sau mrimii sortimentelor de lemn brut pentru obinerea cherestelei, semifabricatelor sau produselor finite, fr alterarea structurii sau a compoziiei chimice a lemnului prelucrat. Tratarea chimic i/sau termic a lemnului pentru extragerea diferitelor componente chimice face obiectul prelucrrii chimice. Produsele obinute sunt utilizate n continuare n diferite ramuri industriale pentru obinerea unor produse cu o structur i o compoziie chimic total diferit de cea a lemnului brut. Lemnul de dimensiuni mari se prelucreaz cu unelte tietoare (pnze, cuite), prin despicare cu pene metalice, prin lefuire cu materiale abrazive. Modul de obinere a sortimentelor industriale de mari dimensiuni face obiectul unui alt curs de specialitate (Industrializarea primar a lemnului). Se nelege prin lemn de mici dimensiuni materialul lemnos avnd diametrul sau grosimea sub 14 cm i lungimea variabil (limitat uneori la 2,5m). n practic, pe lng noiunea de lemn de mici dimensiuni, apar i altele cu sens asemntor: deeuri, lemn subire, lemn mrunt, rmie de exploatare sau industrializare, etc.Lemnul de mici dimensiuni poate fi valorificat sub diferite forme: sub form de lemn brut prin prelucrare:- fasonare sau prelucrare primar prelucrare mecanic prelucrare chimicPrin fasonare sau prelucrare primar se nelege modificarea mrimii sau formei lemnului brut prin operaii de: despicare, cioplire, ascuire, etc., n urma crora se obin diverse produse semifabricate, cele mai importante fiind: prin secionareascuire: arac rotund, butuc brut pt. roi, cozi brute rotunde pt. unelte, pari de gard; prin despicare: i (drani) i araci despicai; prin spintecare: cozi brute pentru unelte, doage brute, traverse, spaliere pentru vie, etc.; prin cojire: coaj pentru extracte tanante, liber de tei pentru legat; prin mpletire: mpletituri din nuiele.Prin prelucrri mecanice se realizeaz: obinerea de ipci i lamele pentru lzi de ambalaj; fabricarea plcilor din achii i fibre de lemn; producerea finii din lemnul pulverizat (prin mcinare n agregate speciale); aceast fin este utilizat la fabricarea dinamitei, a plcilor de asfalt, a duumelelor de lemn cu ciment, a crmizilor izolatoare, a sticlei incasabile, a maselor plastice, etc.; obinerea talaului industrial (lna de lemn) prin rindeluire n maini speciale; utilizat pentru ambalarea sticlelor i a fructelor, ca umplutur protectoare sau ca mas de filtrare a lichidelor (oet, bere).Prelucrarea chimic a lemnului se poate face prin urmtoarele procedee: piroliz (carbonizare)se obin mangal, gaze, ape pirolignoase, gudroane, uleiuri, etc.; hidroliz (reacie chimic lemn + ap n prezena unui catalizator) se obin glucoz, zaharuri, alcool etilic, drojdie furajer, furfurol; lichefiere (distilare) se obine iei din lemn folosit la prepararea unor produse chimice sau drept combustibil; gazificare se obin hidrocarburi, metanol, metan, ape pirolignoase; ardere se obine energie caloric; defibrare i tratare chimic sau termic se obin materiale celulozice (hrtie, past, etc) i plci fibrolemnoase.Prin procedee specifice de prelucrare chimic, care in seama de proprietile chimice ale componentelor principale ale lemnului, se izoleaz aceste componente din care se obin diferite produse, dup cum urmeaz: din celuloz se obin: hrtie de scris, hrtie de ambalaj, pergament, celofan, celofibr, vscoz, mtase artificil, lacuri i filme neinflamabile, alcool etilic, precum i alte produse necesare producerii apretului, sau ca aditivi pentru detergeni, cosmetice i n industria petrolier din polizaharide se obin: furfurol (important n sinteza coloranilor i fabricarea maselor plastice, a rinilor sintetice) precum i zaharuri care prin fermentare duc la producerea alcoolului etilic lignina obinut din lemn se folosete n industria maselor plastice, ca material de umplutur n fabricarea cauciucului sintetic, n prelucrarea ieiului, la prepararea vanilinei, a gudroanelor, a crbunelui activ, a adezivilor, etc.

Modul de prelucrare pe cale chimic a lemnului ine seama de proprietile chimice ale componentelor sale principale: celuloza, hemicelulozele i lignina.

Celuloza n reacie cu acizii minerali sau organici i cu bazele sufer schimbri n funcie de concentraia acestora, de durata aciunii, de temperatur i de presiune.a) Celuloza tratat 5 10 secunde cu acid sulfuric (H2SO4) n concentraie 80% se umfl la suprafa i pierde structura fibroas, iar dup uscare la 60 70oC devine compact i impermeabil pentru ap, proces pe care se bazeaz fabricarea pergamentului.b) Fierberea lemnului mrunit cu o soluie de sulfit acid de calciu la 135150oC i sub o presiune de 46 atm timp de 1016 ore produce dezagregarea acestuia cu dizolvarea tuturor componentelor cu excepia celulozei, obinut astfel prin procedeul acid.c) Dezagregarea lemnului cu hidroxid de sodiu (Na OH 6%) i adaos de sulfur de sodiu (Na2S 2%) la 170175oC i 78 atm. timp de 46 ore conduce, de asemenea, la obinerea celulozei, prin procedeul sulfat; aceasta este folosit la fabricarea hrtiei de ambalaj (saci) avnd o rezisten mecanic mare.d) Prin tratare la rece cu soluie de hidroxid de sodiu (Na OH 18%) celuloza se umfl, iar prin splare se obine celuloza sodat sau celuloza mercerizat; tratat n continuare cu vapori de sulfur de carbon (CS2) se transform n xantogenat de celuloz (de culoare portocalie) care dup dizolvare n (Na OH 4%) d un lichid vscos (vscoza) utilizat la fabricarea mtsii artificiale, prin procedeul alcalin. Din fire de mtase artificial tiate scurt, uneori ncreite prin operaii speciale i apoi toarse, se obine celofibra. Din vscoza tras sub forma unui film subire se realizeaz foile transparente de celofan.e) Sub aciunea acidului azotic i n prezena acidului sulfuric se obin nitraii de celuloz (nitroceluloz). Nitratul de celuloz cu coninut mare de azot (12 13,5 %) este fulmicotonul care dup malaxare cu eter i pierde structura fibroas i se folosete la fabricarea pulberii fr fum. Nitratul cu coninut mai mic de azot (10 11 %) este colodiul care n amestec cu camforul se folosete la fabricarea celuloidului, cea mai veche mas plastic artificial; prin presare, servete la obinerea suportului pentru filmele fotografice.f) Prin reacia celulozei cu un amestec de anhidrid acetic i acid acetic, n prezena H2SO4 sau a clorurii de zinc, se obin acetaii de celuloz care dizolvai n aceton i n amestecuri de alcool i benzen servesc la fabricarea mtsii artificiale prin procedeul acetat, a unor lacuri i filme neinflamabile.g) Prin tratarea celulozei sodate cu clor-acetat de sodiu se obine carboxi-metil-celuloza folosit ca apret, aditiv n spunuri i detergeni, n cosmetic i n industria petrolier.h) Sub aciunea la rece a acidului clorhidric (HCl 40%) sau a acidului sulfuric diluat, la presiune i temperatur ridicate, celuloza hidrolizeaz i se transform n d-glucoz (zahr de struguri) din care prin fermentaie se obine alcoolul etilic.

Polizaharidele (poliozele) a) Pentozanii (xilani i arabani): prin fierbere cu acid clorhidric (HCl 12%) se obine furfurolul important n sinteza coloranilor i fabricarea maselor plastice, a rinilor sintetice, etc.b) Hexozanii (manan, glucozan, galactan): prin hidroliz se transform n zaharuri (hexoze) care supuse fermentrii se transform n alcool etilic.

Lignina obinut din lemn se folosete n industria maselor plastice, ca material de umplutur n fabricarea cauciucului sintetic, n prelucrarea ieiului, la prepararea vanilinei, a gudroanelor, a crbunelui activ, a adezivilor, etc.

12.4. Valorificarea energetic a lemnului

Lemnul constituie o surs important de energie. O ton de lemn echivaleaz din punct de vedere energetic cu 0,33 tone de petrol. Pentru producerea de energie, lemnul poate fi folosit direct, sub form de lemn de foc, sau n urma unei conversii termochimice (piroliz, gazeificare, lichefiere), caz n care se obin produse care prezint interes nu numai energetic ci i pentru industria chimic, alimentar sau farmaceutic.Piroliza este descompunerea prin cldur a lemnului sub vid sau n prezena unei atmosfere inerte. n cazul n care descompunerea sub cldur se face n prezena oxigenului atunci are loc combustia lemnului.Principalele produse ale pirolizei sunt gazele, gudroanele (plus alte produse lichide) i crbunele de lemn. Maximum de gaze (CO, CO2, H2, CH4) se obin la temperaturi de 350 400oC. Maximum de produse condensabile (metanol, acid formic, acid acetic) se obin la 250 300oC, iar cel de gudroane la 300 400oC. Maximum de crbune din lemn (mangal) se obine la 400 600oC.Randamentul mediu n produse de piroliz este de 43% pentru crbune de lemn i 9% pentru gudroane. Randamentul n crbune de lemn, acid acetic i metanol este mai mare la rinoase deoarece acestea conin mai multe lignine, bogate n carbon.Principalii parametri ce influeneaz procesul sunt: viteza de nclzire, timpul ct rmn gazele i particulele n reacie, temperatura i presiunea. n general, randamentul n produse volatile (gaze i lichide) crete odat cu sporirea vitezei de nclzire. Pentru a se produce mai mult crbune de lemn este necesar ca procesul de piroliz s se desfoare la temperatur relativ sczut, viteza de nclzire a materialului s fie redus, iar durata reaciei s fie mare. Procesul de piroliz este influenat i de mrimea particulelor, care condiioneaz viteza de difuziune a cldurii.Instalaiile de piroliz sunt diverse, n funcie de natura produselor a cror obi-nere este urmrit: crbunele de lemn se produce n boce de mangalizare (verticale, ori-zontale, metalice mobile sau fixe) sau n cuptoare de mangalizare; pentru gazeificare se folosesc diferite tipuri de reactoare (rotative, drepte, cu band transportoare, cicloane).Crbunele de lemn obinut prin piroliz se utilizeaz n gospodrie, la tratarea tutunului, n industria alimentar, n metalurgie, n industria chimic (crbune activ, negru de fum, sulfur de carbon, carbur de siliciu), pentru tratarea apelor uzate, ca absorbant al gazelor, n industria farmaceutic.Produsele chimice condensabile sunt foarte variate (s-au identificat n vaporii de piroliz peste 130 constitueni chimici). Acidul acetic obinut se folosete n industria alimentar sau pentru obinerea acetatului de sodiu cu aplicaii medicale (dializ), iar acidul formic i gsete utilizare n industria textilelor i cea a coloranilor. Diacetilul (acetil propionil) d gust de unt margarinelor (cel obinut din lemn ocup 20 % din piaa mondial).Produsele gazoase sunt importante prin capacitatea lor energetic sau pentru obinerea altor compui chimici. Astfel, gazul de sintez (CO + H2) se folosete la obinerea metanului i a amoniacului. Avantajul gazeificrii n absena aerului const n puterea caloric sporit a gazului, absena azotului i coninut sczut de CO2.Crizele de petrol au intensificat de fiecare dat cercetrile pentru valorificarea lemnului. Dac toate resursele care s-au folosit pe plan mondial pentru dezvoltarea tehnologiilor de prelucrare a petrolului ar fi fost direcionate asupra lemnului, n prezent s-ar fi putut produce din lemn, pe cale chimic i energetic, diverse tipuri de combustibili i totalitatea substanelor organice de care are nevoie industria chimic.

12.5. Proprietile tehnologice ale lemnului

Proprietile tehnologice ale lemnului descriu capacitatea lemnului de a se opune factorilor externi fizici, mecanici, chimici sau biotici care acioneaz asupra nsuirilor sale atunci cnd este supus prelucrrii sau este pus n oper (construcii).Aceste proprieti tehnologice sunt caracteristice fiecrei specii, iar pentru aceeai specie difer n funcie de poziia n corpul arborelui de unde provine lemnul analizat i de defectele pe care acesta le conine.Pentru cunoaterea comportamentului lemnului n exploatare, cele mai impor-tante rezistene ale acestuia care se studiaz sunt: rezistena la uzur, la smulgerea cuielor i a uruburilor n cazul mbinrilor, durabilitatea lemnului n general i rezistena la atacul ciupercilor xilofage n special, stabilitatea dimensional la uscare i rezistena la atacul acizilor i a bazelor. Prelucrarea lemnului pe cale mecanic sau chimic necesit cunoaterea rezistenelor pe care le opune ptrunderii n masa sa a diferitelor obiecte tietoare, la curbare precum i proprietile papetare ale lemnului.

12.5.1. Rezistena lemnului la uzur

Rezistena la uzur este important n cazul pieselor din lemn supuse frecrii: scri, duumele, platforme de vagoane, etc. Prin uzur se nelege fenomenul de roadere i mrunire a lemnului ca urmare a strivirii i desprinderii fibrelor.Seciunile radiale sunt de 2-5 ori mai rezistente la uzur dect cele transversale i de pn la 2 ori mai rezistente dect cele tangeniale. Printre speciile cele mai rezistente la uzur se numr salcmul, nucul, stejarul, gorunul, frasinul i carpenul, iar printre cele mai puin rezistente se gsesc molidul, teiul, plopul i pinul strob. Se poate observa din aceast clasificare legtura strns ntre densitatea i, implicit, duritatea lemnului diferitelor specii i rezistena sa la uzur.Lemnul umed, n care microfibrilele de celuloz sunt distanate unele de altele de peliculele de ap adsorbit, se uzeaz mai uor datorit desprinderii mai uoare a fibrelor. ncercarea la uzur se face prin suflaj cu nisip ori folosind hrtie sau discuri abrazive, iar n final se determin modificarea dimensiunii sau a greutii epruvetelor.

12.5.2. Rezistena lemnului la smulgerea cuielor i a uruburilor

Aceast proprietate este deosebit de important pentru lemnul utilizat ca material de construcii (arpante, poduri), dar i n cazul mobilierului mbinat cu cuie i uruburi, a ambalajelor, a binalelor, etc.Aceasta rezisten depinde de urmtorii numeroi factori: densitatea lemnului: lemnul cu densitate mai mare are o capacitate mai ridicat de reinere a cuielor i uruburilor; umiditatea lemnului: lemnul umed reine momentan mai bine cuiele i uruburile, dar odat cu scderea umiditii n timp, situaia se modific; Cuiele btute paralel cu fibrele ntr-un lemn verde se extrag mai uor dup ce trece o oarecare perioad de timp i mai greu imediat dup ce au fost btute. Cuiele btute perpendicular pe fibre ntr-un lemn parial uscat se scot mai greu dac se extrag dup cteva luni de la baterea lor i mai uor dac se scot imediat. Cuiele i uruburile care ruginesc n lemn se smulg mai uor. diametrul, forma seciunii (circular, ptratic) i natura suprafeei cuiului (neted, striat); adncimea de ptrundere n lemn a cuiului sau urubului;Fora de smulgere a cuiului btut perpendicular n lemnul uscat la aer se determin cu relaia (empiric): P = 485 o2,5 d l, [kgf]iar fora de smulgere a urubului:P = 720 o2 d l, [kgf]unde o densitatea lemnului anhidrud diametrul cuiuluil adncimea de ptrundere n lemn poziia de ptrundere a cuiului sau urubului n raport cu structura lemnului: cuiele btute paralel cu fibrele se smulg mai uor dect cele btute perpendicular pe fibre, iar cele btute n direcie radial se smulg mai uor dect cele btute tangenial; rezistena lemnului la despicare, defectele lemnului, etc.;Cuiele btute n lemn se smulg mai uor dect uruburile, datorit rezistenei suplimentare a lemnului la forfecare ce apare n zona filetului. Capacitatea de reinere a cuielor i uruburilor variaz relativ de la o specie la alta.O situaie aparte o constituie mbinrile lemnului cu adezivi, de la simple prelungiri sau alturri de piese de cherestea pentru mbuntirea dimensiunilor i a rezistenelor lemnului, pn la aplicaiile pe scar industrial (placaje rezultate din lipirea foilor de furnir, plci de panel, plci cu goluri din placaje i achii ondulate, grinzi i elemente compozite pentru construcii, parchete stratificate, etc.)Rezistena mbinrilor cu adezivi se cerceteaz la traciune, despicare, forfecare, ncovoiere, pe diferite direcii, n funcie de latura pe care s-a aplicat adezivul, depinznd foarte mult de tipul adezivilor.

12.5.3. Stabilitatea dimensional la uscare

Stabilitatea dimensional la uscare mai mare sau mai mic este dat de fenomenele de contragere i umflare a lemnului i depinde de direcia fibrelor, prezena defectelor, etc. (vezi capitolul Proprietile fizice ale lemnului). Lemnul cel mai stabil la uscare este cel cu structura anatomic fin: pr, cire, tei.

12.5.4. Durabilitatea lemnului

Durabilitatea este nsuirea lemnului de a rezista n timp la aciunea de distrugere a diferiilor ageni fizici, chimici i biologici. Lemnul diferitelor specii are un grad diferit de durabilitate, n funcie de structura anatomic caracteristic i de compoziia chimic (unele specii au capacitatea de absorbi sruri din pmnt, altele conin rin, etc.). Mediul de utilizare a lemnului are o influen hotrtoare asupra durabilitii acestuia (tabelul 9). Astfel, mobila sau instrumentele muzicale se pstreaz uscate n ncperi nchise, pe cnd lemnul aezat direct pe sol se degradeaz foarte repede. Unele specii (fag, anin, molid, brad) puin durabile n aer se pot pstra timp ndelungat sub ap.Cel mai nociv factor ce duce la degradarea lemnului n timp este aciunea alternativ a uscciunii i umiditii, a frigului i a cldurii, care provoac diminuarea proprietilor fizico mecanice i produc crpturi ce fac posibil infectarea lemnului cu sporii ciupercilor xilofage.n pmnt, durabilitatea lemnului este dependent de nsuirile solului. Astfel, lemnul se pstreaz cel mai bine n soluri argiloase i n nisipuri uscate. Piesele de lemn parial ngropate se degradeaz cel mai repede n poriunea situat deasupra solului, n imediata vecintate, care este cea mai expus variaiilor de temperatur i umiditate. Lemnul din galeriile de min rezist mai bine dect cel ngropat n sol.n ap, datorit lipsei oxigenului necesar dezvoltrii ciupercilor, lemnul rezist mai mult timp. Srurile marine ns produc o degradare rapid a rezistenelor mecanice ale lemnului.

Tabelul 9. Durabilitatea lemnului diferitelor specii n diverse condiii de pstrareSpeciaDurabilitatea (ani), n:

Aer liberAer liber sub opronncperiUscciune permanentUmiditate permanentScufundat n ap

Aerisitenchise

Stejar801501202001800700500

Ulm407010018015001000300

Larice60120901501800600500

Salcm40100----300

Carpen---301000750-

Pin50100801201000500400

Molid156050259007080

Brad105045209006060

Nuc5070----200

Frasin40802039006010

Fag25401058001070

Arar51510510001050

Mesteacn820535001040

Anin15205240080030

Plop1020315001030

Salcie510546002015

S-a constatat c durabilitatea lemnului diferitelor specii scade odat cu micorarea densitii. n cazul rinoaselor, coninutul de rin influeneaz durabilitatea (pinul care are coninutul cel mai ridicat de rin este i cel mai durabil dintre rinoase).n funcie de vrst, este mai durabil lemnul provenit din arbori de vrst mijlocie dect cel provenit din arbori tineri sau btrni.Speciile cu duramen sunt mult mai durabile, datorit prezenei substanelor de duramenificare i a tilelor, care umplu lumenul celulelor dup moartea acestora i astup cile de acces ale microorganismelor.Dup durabilitatea lemnului lor, speciile forestiere se pot clasifica astfel: foarte durabile: stejar, castan, ulm, tis, pin, salcm, pr, cer; mijlociu durabile: molid, brad, frasin, mr; puin durabile: paltin de munte, plop, mesteacn, fag, anin, tei, platan, salcie, carpen.Dintre speciile autohtone, proprietile cele mai bune de durabilitate n diferite condiii le prezint stejarul dintre foioase i pinul dintre rinoase.Din cele mai vechi timpuri se zice c lemnul este mai durabil dac este tiat iarna, cnd nu circula seva. Cercetrile din epoca modern au demonstrat c durabilitatea lemnului este aceeai, indiferent de epoca doborrii, dac lemnul se usuc. Deosebirile semnalate n trecut se datoreaz utilizrii lemnului n stare verde i condiiilor mai grele de pstrare n timpul verii.ncercarea lemnului la durabilitate se face fie prin stabilirea pierderii de greutate, fie prin estimarea modificrilor rezistenelor mecanice n timp, n urma atacului diferitelor ciuperci standard (Merulius lacrymans i Stereum hirsutum pentru foioase i Coniophora cerebella, Merulius lacrymans i Lentinus squamosus pentru rinoase).

12.5.5. Rezistena la atacul acizilor i bazelor

Lemnul rezist bine la aciunea acizilor i bazelor n concentraii slabe. Rezistena bun a lemnului n medii slab alcaline este util pentru folosirea acestuia n industria textil i chimic, acolo unde alte materiale (fier, beton) sunt corodate. n medii acide lemnul este distrus dac pH-ul coboar sub 2. Srurile de sodiu, calciu i potasiu duc la reducerea rezistenelor mecanice ale lemnului, mai ales la traciune i ncovoiere static.Lemnul de foioase, n raport cu lemnul rinoaselor, este mai puin rezistent la aciunea acizilor i bazelor. Dintre speciile de rinoase, rezist cel mai bine lemnul de pin. Duramenul este mai rezistent dect alburnul.12.5.6. Rezistena la tiere cu cuite

Aceast proprietate tehnologic a lemnului este foarte important pentru prelucrarea mecanic a lemnului prin tiere plan sau prin derulare, pentru obinerea foilor de furnir, sau n cazul finisrii prin rindeluire. Aceast rezisten depinde de geometria tiului, poziia de atac a cuitului asupra lemnului, gradul de ascuire a cuitului, viteza de tiere, duritatea, structura anatomic, anizotropia i umiditatea lemnului.Cunoscnd proprietatea lemnului prin care rezistena specific la achiere se micoreaz atunci cnd este n stare umed i nclzit, se poate spori randamentul cantitativ, dar mai ales calitativ, al prelucrrii lemnului prin tiere plan i derulare. De aceea, nainte de prelucrare, butenii sunt nclzii prin imersie n bazine cu ap cald.

12.5.7. Curbarea

Curbarea lemnului este o proprietate tehnologic important pentru realizarea unor sortimente de mobil i ambarcaiuni sau a obezilor. Pentru a se determina raza minim de curbur, pn la apariia de crpturi sau rupturi ale fibrelor, se folosesc epruvete cu seciunea de 25x25 sau 30x10 mm, care sunt ncercate pe abloane de form cilindric cu raza descresctoare (din 25 n 25 mm, pornind de la 500 mm). ncercarea la curbare se f