II. Nội dung
1.5. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ HỌC, VẬT LÝ, HÓA HỌC CỦA GỖ
1.5.1. Tính chất cơ học
Trong quá trình gia công chế biến và sử dụng gỗ, gỗ luôn luôn chịu tác động của ngoại lực. Khả năng chống lại tác động của ngoại lực gọi là tính chất cơ học của gỗ. Tính chất cơ học của gỗ được đặc trưng bởi cường độ cơ học và biến dạng.
a. Ứng lực: là nội lực do các phần tử bên trong gỗ sản sinh để chống lại tác động của
ngoại lực. Kí hiệu P, đo bằng (N) hoặc (KG).
Theo lí thuyết đàn hồi ta hiểu nội lực/ ứng lực chỉ là độ tăng hay giảm của các lực liên kết phân tử khi vật thể bị biến dạng dưới tác dụng của ngoại lực.
b. Ứng suất: Để đánh giá cường độ nội lực tại một điểm người ta đưa ra khái niệm ứng suất tại một điểm.
- Ứng suất là ứng lực trên 1 đơn vị diện tích. Kí hiệu là σ
(N/mm2)
c. Cường độ gỗ: Khả năng tối đa mà vật liệu có thể chịu được mà chưa gây ra sự phá hủy
gọi là giới hạn bền hay cường độ gỗ.
d. Biến dạng:
- Biến dạng tuyệt đối là lượng tăng hay giảm dài tuyệt đối (Δl, mm). - Biến dạng tương đối là lượng tăng hay giảm dài tương đối (ε = Δl/ l).
- Biến dạng đàn hồi là biến dạng có thể khắc phục hiện tượng ngay sau khi hoặc sau 1 thời gian nhất định ngoại lực ngừng tác động.
- Biến dạng vĩnh cửu hay còn gọi là biến dạng dẻo, dư, là biến dạng không thể phục hồi sau khi ngoại lực ngừng tác động.
Trong gỗ luôn tồn tại 2 dạng biến dạng đàn hồi và vĩnh cửu. Khi W tăng, nhiệt độ tăng thì tỉ lệ biến dạng dẻo tăng (lignin tác động). Lợi dụng tính chất này người ta tiến hành hóa dẻo gỗ trong công nghệ sản xuất ván dán, ván lạng, uốn gỗ, ép gỗ bằng cách hấp, luộc gỗ hoặc xử lý bằng hóa chất.
1.5.1.2. Phương pháp xác định tính chất cơ học của gỗ
- Ép dọc thớ: kích thước mẫu: 20x20x30 mm. Kích thước lớn nhất theo chiều dọc
Trong đó: Pmax – Lực phá hoạt (N)
a.b – kích thước tiết diện ngang.
- Ép ngang thớ:
+ Ép ngang toàn bộ: kích thước mẫu: 20x20x30 mm. Kích thước lớn nhất theo chiều dọc thớ.
Trong đó: P – lực tác dụng lên mẫu (N)
a – chiều rộng mẫu gỗ được đặt lực l – chiều dài mẫu gỗ
+ Ép ngang cục bộ: kích thước mẫu 20x20x60 mm. Kích thước lớn nhất theo chiều dọc thớ
Trong đó: P – lực tác dụng lên mẫu (N) b – chiều rộng mẫu thử (mm)
18 mm – bề rộng thỏi sắt đặt theo chiều dọc thớ gỗ có 2 cạnh tròn.
- Lực uốn tĩnh: kích thước mẫu 20x20x300 mm. Kích thước lớn nhất theo chiều
dọc thớ. Mẫu gỗ đặt trên 2 gối tựa tròn cố định, bán kính cong của gối là 15mm, cự lý 2 gối là 240mm. Khoảng cách giữa 2 điểm đặt lực P/2 là 80mm, hoặc tại điểm giữa của dầm (P). Các loại gỗ lá rộng quy định hướng tác động của lực theo chiều tiếp tuyến. Các loại gỗ lá kim thí nghiệm cả 2 hướng. Ứng suất tĩnh được xác định theo công thức:
+ Nếu 2 điểm đặt lực:
Trong đó: Pmax – lực tác dụng lên mẫu (N) l – cự ly 2 gối (mm)
h, b – bề rộng và chiều cao mẫu (mm).
1.5.1.3. Một số tính chất cơ học của gỗ
1) Tỷ trọng: Được đo đối với các loài gỗ ở trạng thái còn độ ẩm 15%, gỗ còn có tỷ trọng
(d) lớn thì gỗ càng tốt, chia làm 5 cấp:
Gía trị tỷ trọng d Phân cấp độ nặng của gỗ
d = 0,95 – 1,20 Gỗ thật nặng
d = 0,80 – 0,95 Gỗ nặng
d = 0,65 – 0,80 Gỗ nặng trung bình
d = 0,50 – 0,65 Gỗ nhẹ
d = 0,20 – 0,50 Gỗ thật nhẹ
Các đặc tính cơ lý hóa khác nhau của gỗ đều có tỷ lệ thuận với các cấp tỷ trọng này.
2) Sức rắn: Là do các vết hằn trên gỗ bị đè nặng bởi một trụ thép lên bề mặt dọc xuyên
tâm.
3) Sức chịu nén, ép dọc thớ: Là sức chịu đựng của gỗ đến khi gẫy do bị nén theo chiều
dọc thớ, tính trên cm2.
Do đại bộ phân các mixen xếp theo dọc thân cây nên khả năng chịu lực theo chiều dọc các mixen là rất lớn, khả năng chịu lực theo chiều dọc thớ là rất cao. Các mixen tạo thành khung sườn, lignin bám quanh khung sườn đó làm ổn định vị trí của các mixen tạo cho gỗ khả năng chịu lực.
Lực ép dọc thớ là một trong những chỉ tiêu cơ học quan trọng để đánh giá chất lượng gỗ khi sử dụng gỗ làm vật liệu. Nó là lực tương đối ổn định, dễ xác định và thường được dùng để xác định hệ số phẩm chất của gỗ cùng với lực uốn tĩnh.
Các giá trị của σed thể hiện mức độ chịu được lực ép dọc của gỗ: σed < 245: rất thấp
σed : 246 ÷ 343: thấp σed: 344 ÷ 549: trung bình σed : 550 ÷ 823: cao σed > 823: rất cao
- Ép ngang toàn bộ: lực tác dụng lên toàn bộ diện tích mẫu gỗ
- Ép ngang cục bộ: lực tác dụng lên 1 một vị trí trong mẫu gỗ, quy ước chiều dài đặt lực là 18 (mm)
GLR: σen = (8÷18)% σed GLK: σen = (15÷35)% σed
Nếu 2 mẫu gỗ của gỗ lá kim và gỗ lá rộng có cùng kích thước, độ ẩm thì gỗ lá kim có σed lớn hơn so với gỗ lá rộng vì gỗ lá kim thẳng thớ hơn, tia gỗ ít hơn.
Gỗ càng thẳng thớ, tia gỗ càng ít và nhỏ thì lực ép dọc càng lớn và ngược lại.
5). Lực uốn tĩnh
Dầm (xà) trong các kết cấu gỗ thường do lực uốn làm biến dạng. Sức chịu uốn là chỉ tiêu quan trọng thứ hai sau lực ép dọc để đánh giá chất lượng cơ học của gỗ.
Một số ứng lực phức tạp của gỗ: - Sức chịu uốn tĩnh - Sức chịu uốn va đập - Uốn dọc - Sức chịu xoắn Một số ứng lực mang tính chất cơ học: - Độ cứng - Sức chịu tách và lực bám đinh
6) Sức chịu kéo ngang thớ: Là sức liên kết của các thớ gỗ khi bị lực kéo ngang thớ làm
cho gỗ bị bửa đôi ra.
7) Sức chịu oằn: Là sự dẻo dai hay độ cứng rắn khi bị nén cong xuống đến khi bị gãy. 8) Sức chịu đập: Là đặc tính hết sức quan trọng của gỗ khi sử dụng, tức là sự chịu đựng
của gỗ khi bị đập mạnh theo chiều tiếp tuyến của vòng tăng trưởng đến khi gẫy, tính theo kg/cm2. Sau tỷ trọng thì tiêu chuẩn chính khi lựa chọn gỗ, vừa nhanh vừa chắc chắn.
* Khối lượng riêng (kg/cm3) được tính theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 362 – 70). Độ co rút được xác định bằng cách so sánh thể tích (kích thước) mẫu gỗ trước và sau khi sấy theo các hướng xuyên tâm, tiếp tuyến và theo thể tích (TCVN 361- 70). Sức chịu nén dọc thớ được xác định bằng giới hạn bền khi nén dọc thớ (kg/cm2), là tải trọng cực đại (kg) tác động lên diện tích mẫu gỗ (cm2) theo TCVN 363- 70.
Số liệu được phân tích theo chương trình SPSS for Windows Release 10.0.5 (27- 11- 1999) và phương pháp xử lý số liệu thống kê trong Lâm nghiệp (Nguyễn Hải Tuất, 2003).
Các tiêu chuẩn trên cũng được phân chia làm 5 cấp gỗ, tóm tắt như sau:
Bảng 03: phân loại về đặc tính cơ lý hóa của các cấp gỗ
Loại gỗ Tỷ trọng Tỷ độ sức rắn Sức chịu nén (kg/cm2) Sức chịu kéo (kg/cm2) Sức chịu oằn (kg/cm2) Sức chịu đập (kg/cm2) Gỗ thật nặng thật cứng Gỗ nặng, cứng Gỗ trung bình khá cứng Gỗ nhẹ, mềm Gỗ thật nhẹ, thật mềm 0.95- 1,20 0,80- 0,95 0,65- 0,80 0,50- 0,65 0,20- 0,50 9- 20 6- 9 3- 6 1,5- 3 0,2- 1,5 700- 850 500- 700 400- 500 300- 400 150- 300 35- 40 30- 35 25- 30 20- 25 10- 20 1500- 2200 1200- 1500 1000- 1200 800- 1000 600- 800 0,600-1,500 0,400-0,600 0,300-0,400 0,200-0,300 0,070-0,200
* Riêng về cây lá Kim, người ta chia làm 3 loại gỗ là: Gỗ nặng cứng: - Tỷ trọng: 0,60- 0,90 - Tỷ độ sức rắn: 4- 9 Gỗ khá nặng cứng: - Tỷ trọng: 0,50- 0,60 - Tỷ độ sức rắn: 2- 4 Gỗ nhẹ mềm: - Tỷ trọng: 0,40- 0,50 - Tỷ độ sức rắn: 1- 2
Khi nói đến sức bền cơ học của gỗ là khả năng chịu uốn, kéo, xoắn, nén của gỗ dưới tác dụng của ngoại lực. Tùy theo cấu tạo, sự sắp xếp của các tế bào trong thân cây mà sức bề cơ học của các loại gỗ khác nhau.
Sức bền kéo theo chiều dọc thớ lớn hơn rất nhiều s với chiều ngang thớ. Gỗ suôn thớ có sức bền kéo lớn hơn gỗ nghiêng thớ.
Sức bền uốn của gỗ suôn thớ là lớn nhất, khi gỗ bị nghiêng thớ nhân tạo thì sức bền uốn giảm đi rất nhiều, thậm chí không còn sử dụng được vào một số việc như làm
đòn tay, xà nhà. Nhờ có sức bền uốn cao mà gỗ được dùng làm đòn gánh, cung nỏ, mái chèo…
Sức bền xoắn là khả năng chịu xoắn của gỗ, nhờ vào sức bền xoắn mà gỗ được dùng để làm trục máy, trống tời, cột buồm, đóng tàu thuyền.
Sức bền nén là khả năng chịu nén của gỗ, nhờ có sức bền nén mà gỗ được dùng để làm cột nhà, trụ mỏ, trụ cầu…
1.5.1.4. Nhân tố ảnh hưởng đến tính chất cơ học của gỗ
a. Khối lượng thể tích
Gỗ có khối lượng thể tích càng lớn thì cường độ gỗ càng cao. Quan hệ giữa khối lượng thể tích và cường độ gỗ được biểu thị qua phương trình:
σ = a.γ + b
Trong đó: σ – cường độ gỗ γ – khối lượng thể tích
a, b – các hệ số phụ thuộc loại gỗ, loại lực, chiều thớ.
b. Độ ẩm
σgỗ khô = 2σgỗ ướt σsấy khô = (2÷3)σgỗ ướt
Trong phạm vi 0 ÷ Wbh, quan hệ giữa độ ẩm và cường độ gỗ là quan hệ phi tuyến tính.
W = 0 ÷ Wbh: σ giảm W = Wbh ÷ 0: σ tăng
Tuy nhiên, khi độ ẩm gỗ giảm xuống đến 5% thì cường độ gỗ gần như có giá trị không đổi, nếu độ ẩm càng xuống thấp hơn 5% thì cường độ gỗ còn có xu hướng giảm. Điều này được giải thích như sau:
- Khi độ ẩm W giảm đến Wbh, lượng nước tự do giảm, khoảng cách giữa các mixen không đổi, lực tác động giữa các mixen không đổi, khả năng chịu lực của gỗ hầu như không đổi nên cường độ gỗ không đổi.
- Khi W giảm từ Wbh đến 5%, lượng nước liên kết giảm, khoảng cách giữa các mixen giảm, lực tác động tương hỗ giữa các mixen tăng nên cường độ gỗ tăng.
- Khi W giảm từ 5% đến 0%, xảy ra hiện tượng quay cực của các phân tử xenlulo. Để chống lại hiện tượng này, gỗ sản sinh ra một nội lực. Ứng lực cao nhất mà gỗ sản sinh là P thì nội lực gỗ sinh ra chống lại hiện tượng quay cực của các phân tử xenlulo là p. Vậy nội lực thực tế mà gỗ sản sinh chống lại ngoại lực là (P - p). Độ ẩm W càng gần 0% thì p càng tăng và nội lực thực tế (P - p) này càng bé nên cường độ gỗ càng thấp.
+ Giữa độ ẩm gỗ (trong phạm vi độ ẩm bão hoà) và cường độ gỗ liên hệ mật thiết với nhau và biểu thị bằng phương trình bậc hai: σ = aw2 + bw + c
+ Mối quan hệ giữa độ ẩm và cường độ còn được biểu thị qua hệ số điều chỉnh độ ẩm α. Đối với mỗi loại gỗ, mỗi loại lực, mỗi chiều thớ có trị số α tương ứng: σWtb = σW [1 + α(Wtb – W)
Như vậy, ảnh hưởng của độ ẩm đến cường độ thể hiện qua sự thay đổi kích thước mẫu (diện tích tiết diện chịu lực) do đó làm thay đổi ứng suất. Tuỳ theo loại lực khác nhau, ảnh hưởng của độ ẩm đến cường độ gỗ là khác nhau.
c. Cấu tạo gỗ
- Sự sắp xếp các tế bào trong cây: hầu hếtt các tế bào xếp theo chiều dọc thân cây, hầu hết các mixen song song với trục dọc thân cây mà khả năng chịu lực theo chiều dọc các mixen là rất lớn nên khả năng chịu lực theo chiều dọc lớn hơn rất nhiều so với chiều ngang cây
- Cấu trúc vách tế bào: các tế bào tia gỗ xếp dọc tia, đại bộ phận các mixen song song trục dọc tế bào nên trong tia hầu hết các mixen song song trục dọc tia, cho nên ép ngang xuyên tâm lớn hơn ép ngang tiếp tuyến.
- Gỗ sớm, gỗ muộn phân biệt thì khả năng chịu lực của chúng khác nhau, ép ngang xuyên tâm nhỏ hơn ép ngang tiếp tuyến.
- Gỗ giác, gỗ lõi: chiều dày vách tế bào của gỗ giác tương đương gỗ lõi nên khả năng chịu lực của chúng gần như nhau. Do các chất chiết suất thấm lên vách tế bào nên nên khả năng chịu lực của gỗ lõi lớn hơn gỗ giác.
- Thành phần hóa học: xenlulo là thành phần chủ yếu sản sinh nội lực, lignin là thành phần thứ yếu.
Trường hợp gỗ chịu tách thì lignin lại là thành phần chủ yếu chống lại tác động của ngoại lực còn trong trường hợp kéo, nén gỗ thì xenlulo lại là thành phần chủ yếu chống lại tác động của ngoại lực.
- Tổ thành tế bào trong cây: là tỷ lệ tế bào vách dày, vách mỏng thể hiện qua tỷ lệ giữa 3 tổ chức tế bào: dẫn truyền, dự trữ và cơ học
+ Tổ chức tế bào có chức năng dẫn truyền: do các tế bào vách mỏng đảm nhiệm, ở gỗ lá rộng là mạch gỗ, ở gỗ lá kim là quản bào gỗ sớm. Tổ chức tế bào này càng nhiều thì tính chất cơ học càng nhỏ
+ Tổ chức tế bào có chức năng dự trữ: do các tế bào vách mỏng đảm nhiệm, là tế bào mô mềm xếp dọc thân cây. Tổ chức này càng nhiều thì tính chất cơ học càng bé.
+ Tổ chức tế bào có chức năng cơ học: do các tế bào vách dày đảm nhiệm, ở gỗ lá rộng là sợi gỗ, ở gố lá kim là gỗ muộn. Tổ chức này càng nhiều thì tính chất cơ học của gỗ càng cao.
1.5.2. Tính chất vật lý của gỗ
Tính chất vật lý của gỗ là những tính chất có thể xác định được trong điều kiện không cải biến thành phần hóa học hoặc không phá hoại tính hoàn chỉnh của mẫu gỗ. Từ hiểu biết tính chất vật lý của gỗ người ta có thể bảo quản, sử dụng gỗ có hiệu quả.
a. Nước trong gỗ
(1) Nước tự do
- Khái niệm: Nước tự do là loại nước được giữ lại trong gỗ nhờ các lực cơ học. - Vị trí: Nằm trong ruột tế bào và khe hở giữa các tế bào.
- Tính chất:
+ Được giữ lại trong gỗ nhờ các lực cơ học
+ Hàm lượng nước tự do trong gỗ nhiều hay ít đều không ảnh hưởng đến các tính chất của gỗ (trừ khả năng thẩm thấu chất lỏng, hiện tượng chát và khối lượng thể tích).
- Trong quá trình xử lý, nước tự do dễ bị loại ra khỏi gỗ. (2). Nước liên kết
- Khái niệm: Nước liên kết là loại nước được giữ lại trong gỗ nhờ các lực cơ học và các liên kết hóa lý.
- Vị trí: Nằm ở giữa các mixenxenlulo trong vách tế bào. - Tính chất:
+ Được giữ lại trong gỗ nhờ các lực cơ học và các liên kết hóa lý.
+ Hàm lượng nước liên kết thay đổi sẽ ảnh hưởng đến rất nhiều tính chất cơ lý của gỗ.
- Trong quá trình xử lý, nước liên kết khó bị loại ra khỏi gỗ.
Trong quá trình sấy, nước tự do sẽ bị loại ra khỏi gỗ trước, nước liên kết bị loại ra sau nhưng trong quá trình hút ẩm thì nước liên kết lại bị hút vào trước rồi mới đến nước tự do vì lực liên kết giữa các phân tử nước liên kết đối với các mixenxenlulo là rất lớn.