Вес куба древесины естественной влажности: Сколько весит куб древесины естественной влажности?

Содержание

Сколько весит куб леса (древесины) естественной влажности? | DZEN BLOGGER.

Сколько весит куб леса (древесины) естественной влажности?
  • Стройматериал

Вес леса не всегда имеет одинаковый показатель. От чего же он зависит? В первую очередь, от влажности дерева. Если сравнить, к примеру, дуб и березу, то окажется, что кубометр дуба весит 700 кг, а береза – 600 кг. Но может быть и иначе. Взвесив кубометр березы, получим 900 кг, а дуб покажет те же 700. Или же в обоих случаях будет 700 кг. Почему получаются такие разные цифры? В данном случае, роль играет влажность древесины.

Различают четыре степени: сухую (10-18%), воздушно-сухую (19-23%), сырую (24-45%) и мокрую (выше 45%). Таким образом, выходит, что разные породы при одинаковой влажности имеют различную масу, как в первом приведенном выше примере. Если же она неодинаковая, то и вес может колебаться в ту или иную сторону. Стандартной влажностью считается 12%.

Сколько весит куб леса? Таблица.

Вес кубометра лесной продукции как писалось выше зависит от породы дерева и влажности.

Самым тяжелым деревом является снейквуд (пиpатинеpа гвианская, бросинум гвианский, «змеиное дерево», «крапчатое дерево»), его объемная маса составляет в сухом виде 1300 килограмм на кубометр.

Самым легким лесом является бальза (бальса, охрома пирамидальная, «хлопковое дерево»), его объемная маса составляет в сухом виде от 130 килограмм на кубометр.

В таблице ниже приведены данные о весе кубометра (куба) 170-ти различных пород леса при стандартной влажности 12%.

Порода лесаВес кубометра (куба) леса в килограммахАбачи420Абрикос780Аводире690-750Азоби960-1120Айва640Айлант680Акация690-750Амазаку850Амарант800-950Анегри510-570Анчар550Афрормозия710Багасса800Бакаут1300Балау880-950Бальза (бальса)130-225Бамбук510Бархат160Белиан (битис)1200-1300Береза640Береза карельская600-750Биболо580Билинга740-810Бокоте650Боярышник760Бубинго800-960Бук650Венге850-1000Вера1100Вереск840Вишня530Вяз650Габон450Гарапа830Гевея650-800Гойябао650Гомбейра1150Гонкало850-950Граб800Гренадилл1200-1500Груша700-750Гуарея640Дабема560-710Дару850-960Денья (окан)960Джелутонг450Доксия650-1050Дуб700Дуб красный650Дуб мореный950-1100Дуб пробковый140Дугласия480-540Дуссия800-830Ель450Зебрано690-740Зирикоте900Ива450Ипе (лапачо)960-1200Ироко660Карагач660Кассия900-1300Каури380-560Каштан600-720Каштан конский470-580Кедр580Келтис800Кемпас880Керуинг640-860Кингвуд1200Кипарис460-485Кладрастас450Клен530-650Клен сахарный740Кокоболо990Кокос690Косипо640Кото580-650Кулим750Кумару1100Кумьер1010-1150Курупай1000Лайсвуд550-580Лаурен710Лимба (офрам)560Липа380Лиственница650-800Лоро-прето680Магнолия500-560Мадрона620-660Майсамса950Макассар850-900Маклюра850Макоре640Мансония610Мараулла700Марфим850-930Махогони620-650Меранти500-700Мербау830Мироксилон850-1050Мирт950Моаби800Мовингу690Можжевельник920Морадо870Муирапиранга800-1060Ниове880Олива850-950Ольха420-640Орех600-650Орех черный660Ормозия740Осина480Падуб640Падук750Палисандр770-830Парротия900-1050Пекан (хикори)900Пероба750Пинкадо990Пихта450Платан клинолистный620-660Гонистилус крупнолистный670-710Ред гам500Розевуд860-1030Росул960Рябина обыкновенная600Самшит вечнозеленый830-1100Санбау760Сантал660-720Сапелли600-650Сассафрас беловатый480Секвойя вечнозелёная290Сен560Ситка430Слива домашняя750-850Снейквуд (пиpатинеpа гвианская )1300Сосна460-620Сосна кедровая450Сапупира990Тали910Тамо720Тауари620Тик620-750Тис ягодный620Тополь черный380Туя510Тьяма560Тюлипея480Улин860-980Умнини990-1050Фернамбук620Фисташка860Фрамир480-625Хемлок490Хурма830Цедер480Че1200-1300Черемуха720Черешня580Шелковица800Эбен1200-1300Эвкалипт650Этимое580Яблоня780Явор650Якаранда830Ярра850-1100Ясень высокий700Ятоба840

Имея под рукой выше описанную таблицу, Вы всегда сможете без особого труда рассчитать нужный вес леса определенного дерева.

https://domstrousam.ru/skolko-vesit-kub-lesa-estestvennoy-vlazhnosti-12/

Вес сухой вагонки. Как правильно рассчитать вагонку.

[REQ_ERR: OPERATION_TIMEDOUT] [KTrafficClient] Something is wrong. Enable debug mode to see the reason.

Распил бревна. Какой лучше выбрать? Что такое чистая древесина и чистое дерево?

Так, Вы сможете предварительно оценить уровень влажности древесины и, как следствие, точнее определить вес ее 1 куб. Хотел бы внести некоторую ясность в следующие понятия плотность; удельный вес; объемный вес.

В таблице представлены значения веса 1 кубического метра древесины объемного веса в зависимости от породы дерева и ее влажности. Таблица веса 1 куб. Такая степень влажности достигается при длительном хранении древесины в естественных условиях, то есть без применения специальных технологий сушки;. Требования к влажности древесины строительных пиломатериалов и деревянных конструкций домов.

Для нас, строителей, важно понимать, что удельный вес и плотность для каждого материала имеют одинаковое значение, равное, соответственно, весу и массе единицы объема данного материала без учета его пор, пустот и влажности.

Но не следует забывать, что не вся площадь вагонки полезная.

Расчет удельного веса деревянной вагонки

Общие размеры вагонки деревянной регламентируются техническими условиями предприятий-изготовителей. Но чтобы посчитать полезную площадь, следует обратить внимание на форму доски, нас интересует шип. Возьмем за пример размеры: вагонка длиной 3 м, ее полезная ширина 0, м.

Что касается длины доски, то и здесь существуют свои нюансы по вычислению полезной площади. Толщина вагонки регламентируется ГОСТ для отечественных производителей, согласно которому самая тонкая доска от 12 мм, и более, но не толще 25 мм.

Более строгие правила предусмотрены DIN для евровагонки из дерева, толщина плашки может быть 19, 16 и 13 мм. Подчеркнем, что доски толщиной от 12 до 16 мм рекомендуется использовать для обшивки внутренних помещений, наружная отделка проводится более толстыми досками. Чем тоньше доска, тем следует ближе друг к другу располагать бруски обрешетки, среднее расстояние мм. Для крепления 12 мм плашек на потолке может быть просто обрешетка, а вот стена должна быть обшита фанерой, и только на нее можно крепить вагонку, если этого не сделать, рейки просто продавятся от незначительных механических воздействий.

За основу возьмем стандартные размеры евровагонки: 96 мм общая ширина, 88 мм рабочая ширина, 12,5 мм толщина, мм длина. Стандартная длина вагонки 2, 3 и 6 м, по евростандарту она может быть еще и 0,5 м. Из практики можно сказать, что самая удобная длина 3 м, такой материал легко транспортировать и хранить.

Доска в 6 м целесообразна для отделки длинных помещений, например, лоджия 5,8 м, можно купить и 3-х метровый хлыст, но тогда придется делать стык. Часто внутри помещений обшивают стены и вагонку укладывают по вертикали, здесь целесообразно использовать хлысты в 3 м.

Сколько вагонки в кубе

Если требует сэкономить, рекомендуется купить стыковочный элемент и 2-х метровые планки, можно стыковать вагонку диагональным или шахматным рисунком. Сегодня на рынке представлен огромный ассортимент профилированных планок, их ширина колеблется от 80 и до мм.

Первое , что нужно сделать при расчете общей площади заказа вагонки — разбить всю площадь стен и потолка на прямоугольники. Обычно, если необходимо просчитать одну стенку или потолок, то рассматривается один прямоугольник, но так бывает не часто. Второе очень важное для хорошего расчета вагонки — выяснить какой длины будут отрезки вагонки.

Очень важно обращать внимание на соотношение ширины и толщины хлыстов, так самые лучшие физико-механические характеристики у материала, чьи параметры соответствуют пропорции Нельзя не отметить, что толщина планок влияет и на эстетику помещения. Для больших комнат лучше покупать широкие планки, и наоборот.

Но если стоит цель визуально приподнять потолок, то нужно использовать узкие хлысты, и крепить их вертикально. Лучше, если полезная ширина вагонки будет кратна высоте помещения, если обшивка горизонтальная, и ширине, если комната будет обшиваться вертикально, таким образом, не потребуется подгонять последнюю планку. При выполнении строительных работ у многих возникают трудности, когда необходимо подсчитать определённое количество кубических метров вагонки, для того чтобы обшить стены помещения.

Primary Menu

Подсчитать площадь в квадратных метрах не так сложно, а вот определить, сколько уйдет кубов на стену в бане? Как вычислить погонаж в кубометрах? С помощью нашей таблицы, вы сможете быстро провести расчёты и узнать сколько досок в одном кубе вагонки. Но какая бы вагонка не была выбрана, ошибки в расчете нужного количества материала, могут не только нарушить текущий процесс ремонта, но и существенно изменить предполагаемый результат отделки.

Вес и количество продукции

Чтобы правильно рассчитать стоимость вагонки, следует для начала рассчитать её необходимое количество. Для этого нужно измерить такие показатели, как длина, ширина и высота всего помещения, которое будет обшито вагонкой. Далее, необходимо измерить длину и ширину самого материала, а кроме того — толщину доски.

К примеру, пусть длина деревянной вагонки будет равна мм, а ее ширина равна 95 мм, толщина же пусть составляет два сантиметра.

Новости и события

Умелый расчет веса вагонки — залог успешной отделки и оформления любого помещения. Купить вагонку в Москве и области, стоимость за м2. Фотографии к статьи Сколько весит вагонка.

Расчет удельного веса деревянной вагонки. Чтобы точно просчитать вес деревянной вагонки, или других пиломатериалов нужно воспользоваться следующей формулой: Переводим мм в м и получаем сечение 0, х 0, м и длину 3,0 м.

Что еще учесть при расчете? Хотя сама по себе формула дает правильное направление расчетам, все-таки просчитывая сколько весит деревянная вагонка стоит учитывать и другие факторы. Например, ключевой момент — это степень влажности древесины.

Сколько весит куб вагонки?

Не секрет, что влажное дерево весит намного больше, чем та же порода прошедшая тщательную просушку или хранившаяся в сухих идеальных условиях. При этом стоит учесть о какой породе дерева идет речь, ведь разная древесина, по-разному впитывает влагу и с разной скоростью высыхает. А это означает, что если вы покупаете готовую вагонку из плохо сохнущей древесины, то стоит убедиться, что она прошла необходимые процессы сушки. Только тогда она сможет радовать вас своей красотой и не даст никаких дефектов впоследствии.

Где купить вагонку в Москве и области?

Вагонка настолько привычна и мила глазу, что каждый русский мужик как джентльмен, который «помнит дату, но забывает про возраст» может закрыть глаза и легко вспомнить её родимую до последнего сучка и заусеницы, но обязательно забудет размеры. Сохраните эту статью в закладки браузера, чтобы таблицы всегда были под рукой.

Любой желающий может заказать и купить деревянную вагонку у нас, на этом сайте. Стоимость куба, штуки и м2 вагонки в нашем магазине пиломатериалов вполне доступная.

Наши консультанты помогут вам в выборе. Заявки на сайте можете оформить круглосуточно, а звонить только в рабочее время — с по Ждем ваших звонков!

Влажность древесины различных пород сухой и свежесрубленой

Древесина представляет собой один из самых распространенных и при этом востребованных вид строительного и отделочного материала, который обладает высокими практическими характеристиками и долговечностью.

Является теплым видом материалов, который применяется для строительства и отделки различных по назначению и значимости объектов, как частного, так и общественного назначения. Но при этом дерево является и самым капризным в плане воздействия на него влагой.

Влажность древесины является негативным фактором, который может оказать неблагоприятное влияние на строительство. Дело в том, что при чрезмерном количестве воды пиломатериал начинает плесневеть, покрываться синевой, а также в нем начинает развиваться грибок. Влажность, являясь процентным показателем, выражает долю содержания воды на общий объем древесины. Этот показатель является больше погодным индикатором, чем естественно структурным.

Чтобы понять, на что влияет влажность древесины, необходимо знать, из-за чего она возрастает в материале и как влияет на структуру. Древесина, являясь пористым материалом, легко впитывает воду и точно также легко избавляется из нее, то расширяясь, то сужаясь в размерах. В результате этого, находясь в составе какой-либо конструкции, готовое строение будет деформироваться, края досок будут то выпирать, то вновь сглаживаться.

 

Степень влажности дерева хвойных и лиственных пород

Кроме вышеизложенного также существуют степени влажности древесины хвойных пород и лиственных. Чтобы правильно сортировать пиломатериал, его принято разделять на различные степени влажности:

  • влажность сухой древесины составляет менее 25%;
  • показатель полусухой древесины равнее от 25 до 35%;
  • сырая древесина содержит в своем объеме более 35%.

В условиях естественной сушки древесина теряет до 30% влажности, изменяя как вес, так и размеры. При этом влажность древесины в начальном состоянии до сушки находится в пределах 50-60%. Чтобы снизить ее ускоренными методами пользуются различными технологиями, позволяющими доводить показатель до приемлемых 7-18%.

 

Разновидности влажность древесины

Чтобы этот показатель снизить до минимума и сделать пиломатериал устойчивым к действию влаги, его необходимо подвергать тщательной сушке в специальных камерах и при определенных условиях. Нормальная влажность древесины характеризует приемлемое состояние при определенной температуре и соответственно влажности окружающее среды.

Влажность древесины зависит от ее текстуры и строения волокон, при этом зависимость может быть различной, что также подвержено влиянию окружающей средой. Например, сосна, являясь очень пористой древесиной, легче всего набирает воду, а дуб, являясь более плотным, менее. Дело в том, что в сосне поры более крупные по сравнению с дубом или ясенем, что значительно усложняет и ее выход.

 

Влажность сухой древесины разных пород

Так же в изделиях всех пород древесины применяется следующие категории влажности:

  • Столярная — 6-8%
  • Погонажная — 12-15%
  • Транспортная — 18-22%

Существует понятие для определения уровня влажности – «равновесная».

Это состояние, при котором обмен влагой между древесиной и средой прекращается. Но из-за постоянной смены климата равновесная влажность не является постоянной величиной. Она регулярно изменяется и усложняет процесс сушки пиломатериала. При любых изменениях температуры и влажности воздуха те же изменения происходят и с древесиной, приводя то к ее расширению, то к усыханию.

Существует также понятие «максимальная влажность древесины».

Это такое состояние древесины, при котором она уже не впитывает в себя воду, максимально увеличившись в размерах. Чтобы его достичь, необходимо чтобы в окружающей среде также была влажность 100%.

Но такие состояния к пиломатериалу не могут быть отнесены, так как чрезмерная вода в нем оказывает пагубное действие на структуру древесины.


Для определения параметров пиломатериала и уровня его качества существуют следующие показатели:

  • Абсолютная влажность – величина, характеризующая отношение массы влаги, содержащейся в образце, к массе абсолютно сухой древесине. Это и есть та самая влажность различных пород древесины, выражающаяся в % и которую хотят достичь заготовители пиломатериалов. Но также абсолютная влажность представляет собой больше теоретическим показателем, который используется для общего представления.
  • Для практических расчетов был придуман другой показатель, получивший название относительная влажность. Она же является рабочей. В этом случае показатель измеряется отношением количества имеющейся влаги к общей массе образца. На практике, абсолютная влажность обычно больше, чем относительная на 5%.

 

Влияние влажности на свойства пиломатериала

Многих интересует, как влияет влажность на свойства древесины. А выражается это разными признаками:

  • При повышении уровня содержания влажности древесина увеличивается в размерах по ширине значительно и по длине в меньшей степени.
  • При одновременном повышении влажности сопровождаемой высокой температурой древесина приобретает гибкие свойства, что позволяет из нее изготавливать различные фигурные изделия.
  • Длительное воздействие влаги на пиломатериал сопровождается ее постепенным разрушением и развитием процесса гниения.

Чтобы узнать, какова влажность древесины внутри и снаружи, можно воспользоваться специальными приборами, проведя измерения.

 

Как рассчитать плотность — рабочий пример задачи

Плотность – это измерение количества массы на единицу объема. Для расчета плотности необходимо знать массу и объем предмета. Формула плотности:

плотность = масса/объем

Масса обычно является легкой частью, в то время как найти объем может быть сложно. Предметы простой формы обычно даются в домашних заданиях, таких как использование куба, кирпича или сферы. Для простой формы используйте формулу для нахождения объема.Для неправильных форм самое простое решение — измерить вытесненный объем, поместив объект в жидкость.

В этом примере задачи показаны шаги, необходимые для вычисления плотности объекта и жидкости при заданных массе и объеме.

Основные выводы: как рассчитать плотность

  • Плотность — это количество материи, содержащейся в объеме. Плотный объект весит больше, чем менее плотный объект того же размера. Объект менее плотный, чем вода, будет плавать на нем; один с большей плотностью утонет.
  • Уравнение плотности: плотность равна массе на единицу объема или D = M / V.
  • Ключом к решению плотности является указание правильных единиц массы и объема. Если вас попросят указать плотность в единицах, отличных от массы и объема, вам нужно будет их преобразовать.

Вопрос 1: Какова плотность кубика сахара массой 11,2 г со стороной 2 см?

Шаг 1: Найдите массу и объем кубика сахара.

Масса = 11,2 грамма
Объем = куб со стороной 2 см.

Объем куба = (длина стороны) 3
Объем = (2 см) 3
Объем = 8 см 3

Шаг 2: Подставьте свои переменные в формулу плотности.

плотность = масса/объем
плотность = 11,2 г/8 см 3
плотность = 1,4 г/см 3

Ответ 1: Плотность кусочка сахара равна 1.4 г/см 3 .

Вопрос 2: Раствор воды и соли содержит 25 г соли в 250 мл воды. Какова плотность соленой воды? (Используйте плотность воды = 1 г/мл)

Шаг 1: Найдите массу и объем соленой воды.

На этот раз есть две массы. Чтобы найти массу соленой воды, нужно знать массу соли и массу воды. Дана масса соли, но дан только объем воды.Нам также известна плотность воды, поэтому мы можем рассчитать массу воды.

плотность вода = масса вода / объем вода

решить для массы вода ,

масса вода = плотность вода · объем вода
масса вода = 1 г/мл · 250 мл
масса вода = 250 грамм

Теперь у нас достаточно, чтобы найти массу соленой воды.

масса всего = масса соли + масса воды
масса всего = 25 г + 250 г
масса всего = 275 г

Объем соленой воды 250 мл.

Шаг 2: Подставьте свои значения в формулу плотности.

плотность = масса/объем
плотность = 275 г/250 мл
плотность = 1,1 г/мл

Ответ 2: Соленая вода имеет плотность 1,1 г/мл.

Определение объема по смещению

Если вам дан обычный твердый объект, вы можете измерить его размеры и вычислить его объем. К сожалению, объем немногих объектов в реальном мире можно измерить так легко! Иногда вам нужно рассчитать объем по смещению.

Как вы измеряете смещение? Скажем, у вас есть металлический игрушечный солдатик. Вы можете сказать, что он достаточно тяжелый, чтобы утонуть в воде, но вы не можете использовать линейку, чтобы измерить его размеры. Чтобы измерить объем игрушки, наполните градуированный цилиндр примерно наполовину водой. Запишите громкость. Добавьте игрушку. Обязательно вытесните все пузырьки воздуха, которые могут прилипнуть к нему. Запишите новое измерение объема. Объем игрушечного солдатика — это конечный объем минус начальный объем. Вы можете измерить массу (сухой) игрушки, а затем рассчитать плотность.

Советы по расчету плотности

В некоторых случаях масса будет отдана вам. Если нет, вам нужно будет получить его самостоятельно, взвесив объект. При получении массы помните, насколько точным и точным будет измерение. То же самое касается измерения объема. Очевидно, что вы получите более точное измерение с помощью градуированного цилиндра, чем с помощью стакана, однако вам может не понадобиться такое точное измерение. Значимые цифры, указанные в расчете плотности, относятся к вашему наименее точному измерению .Итак, если ваша масса составляет 22 кг, сообщать об измерении объема с точностью до микролитра не нужно.

Еще одна важная концепция, о которой следует помнить, заключается в том, имеет ли ваш ответ смысл. Если объект кажется тяжелым для своего размера, он должен иметь высокое значение плотности. Как высоко? Имейте в виду, что плотность воды составляет около 1 г/см³. Предметы с меньшей плотностью плавают в воде, а более плотные — тонут. Если объект тонет в воде, значение плотности должно быть больше 1!

Дополнительная помощь с домашним заданием

Нужны дополнительные примеры помощи по связанным проблемам?

3.7: Сохранение массы – новой материи не существует

Может показаться, что сжигание уничтожает материю, но после костра остается то же количество или масса материи, что и раньше. Посмотрите на рисунок \(\PageIndex{1}\) ниже. Он показывает, что при горении древесина соединяется с кислородом и превращается не только в пепел, но и в углекислый газ и водяной пар. Газы улетучиваются в воздух, оставляя только пепел. Предположим, вы измерили массу дров до того, как они сгорели, и массу пепла после того, как они сгорели.Также предположим, что вы смогли измерить количество кислорода, используемого при пожаре, и газов, образующихся при пожаре. Что бы вы нашли? Общая масса материи после пожара будет такой же, как и общая масса материи до пожара.

Закон сохранения массы

Закон сохранения массы был открыт в 1789 году французским химиком Антуаном Лавуазье. Закон сохранения массы гласит, что материя не может быть создана или уничтожена в результате химической реакции. Например, при горении дерева масса сажи, золы и газов равна первоначальной массе древесного угля и кислорода, когда они впервые вступали в реакцию.Таким образом, масса продукта равна массе реагента. Реагент – это химическая реакция двух или более элементов с образованием нового вещества, а продукт – это вещество, образующееся в результате химической реакции (видео \(\PageIndex{1}\)). Материя и соответствующая ей масса не могут быть созданы или уничтожены, но могут превращаться в другие вещества, такие как жидкости, газы и твердые тела.

Видео \(\PageIndex{1}\): небольшая демонстрация сохранения массы в действии.

Если вы станете свидетелем 300-килограммового дерева, сгоревшего дотла, после сожжения останется только пепел, и все они вместе весят 10 кг. Это может заставить вас задаться вопросом, куда делись остальные 290 кг. Недостающие 290 кг были выброшены в атмосферу в виде дыма, поэтому единственное, что вы можете увидеть, это 10 кг пепла. Если вы знаете закон сохранения массы, то вы знаете, что остальные 290 кг должны куда-то деться, потому что они должны равняться массе дерева до того, как оно сгорит.

Пример \(\PageIndex{1}\)

При обогреве 10.0 г карбоната кальция (CaCO 3 ) дает 4,4 г двуокиси углерода (CO 2 ) и 5,6 г оксида кальция (CaO), что показывает, что эти наблюдения согласуются с законом сохранения массы.

Раствор

\[\begin{align*} \text{Масса реагентов} &= \text{Масса продуктов} \\[4pt] 10,0\, \text{г } \ce{CaCO3} &= 4,4 \ ,\text{г }\ce{CO2} + 5,6\, \text{г } \ce{CaO} \\[4pt] 10,0\,\text{г реагента} &= 10.0\, \text{g товаров} \end{align*}\]

Поскольку масса реагента равна массе продуктов, наблюдения согласуются с законом сохранения массы.

Упражнение \(\PageIndex{1}\)

Гидроксид калия (\(\ce{KOH}\)) легко реагирует с диоксидом углерода (\(\ce{CO2}\)) с образованием карбоната калия (\(\ce{K2CO3}\)) и воды (\( \ce{h3O}\)). Сколько граммов карбоната калия образуется, если 224,4 г \(\ce{KOH}\) реагирует с 88.0 г \(\ce{CO2}\)? В результате реакции также образуется 36,0 г воды.

Ответить
276,4 г карбоната калия

Закон также применим как к химическим, так и к физическим изменениям. Например, если у вас есть кубик льда, который превращается в жидкость, и вы нагреваете эту жидкость, она становится газом. Кажется, что он исчез, но все еще там.

Оценка стабильности размеров массивной древесины: обзор современной практики | Journal of Wood Science

Стабильность размеров влияет на то, как конечный продукт из древесины будет двигаться и деформироваться в процессе эксплуатации, и, следовательно, является важным свойством древесины, которое необходимо понимать.Это особенно верно в отношении исследований модификации древесины и среди переработчиков изделий из модифицированной древесины, где процессы модификации часто направлены на улучшение стабильности размеров. Несмотря на это, концепция размерной стабильности не всегда четко определена, и существует множество методов, используемых для измерения размерной стабильности, при этом нет единого мнения по используемым методам испытаний или показателям. В этой статье под «стабильностью» понимается размерная стабильность — степень усадки или набухания куска дерева в ответ на изменение содержания влаги или изменение влажности окружающей среды.Стабильность формы (изменение общей формы досок при изменении влажности) связана, но выходит за рамки данной работы. Размеры и степень деформации древесины также могут измениться в результате дальнейшей обработки древесины, уже имеющей внутренние напряжения, или из-за разрушения клеток во время сушки. Эти изменения формы из-за внутренних напряжений также не включены в настоящее определение устойчивости, хотя их иногда называют «неустойчивостью» или «усадкой».

В настоящее время для измерения стабильности используется широкий спектр тестов, основанных на двух основных принципах (контакт с жидкой водой и контакт с водяным паром).Некоторые методы очень популярны, например, определение противоусадочной эффективности (ASE) по тесту сушки в печи с пропитыванием водой, но не существует единого метода, который последовательно используется; следовательно, детали методов могут значительно различаться между учреждениями. Многие варианты методов по-прежнему будут давать аналогичные результаты, но некоторые методы нарушают измеряемые свойства, что может привести к вводящим в заблуждение результатам.

В идеале при измерении размерной стабильности измеренные свойства дадут представление о том, как древесина будет вести себя в эксплуатации, а также позволят сравнивать различные типы древесины (например,г., виды), а также сравнение образцов, испытанных в разное время и на разных установках. Тесты также должны быть воспроизводимыми и стандартизированными, чтобы можно было осмысленно сравнивать результаты из разных лабораторий или предыдущих измерений.

В этом документе описываются часто используемые методы испытаний для оценки размерной стабильности, включая разработанные на сегодняшний день методы, например, Van Acker [1]; Сарджент и др. [2], и отсюда даются рекомендации, как лучше выбрать (или разработать) подходящий метод испытаний для определения размерной стабильности.В следующих разделах сравниваются методы испытаний, описанные в стандартах и ​​используемые в литературе. Обсуждается их пригодность для прогнозирования размерной стабильности в процессе эксплуатации и любые потенциальные источники неопределенности в конкретных методах испытаний. Методы испытаний делятся на те, в которых используется жидкая вода, и те, в которых используется водяной пар, а также на тесты, которые дают достаточно времени для того, чтобы образцы пришли в равновесие с окружающей их средой, или тесты, которые измеряют переходное поведение в течение более коротких периодов времени.

Испытания на стабильность размеров с использованием жидкой воды

Эти испытания включают контакт древесины с жидкой водой (обычно путем замачивания древесины в воде). Вообще говоря, тесты на пропитывание водой можно разделить на два класса; испытания на водонасыщение, при которых древесину замачивают до полного насыщения (обычно более 24 ч, часто с добавлением вакуума или ступени давления) [3]; и тесты «набухомера», при которых древесину вымачивают в воде в течение короткого периода времени (обычно 30 минут) и измеряют изменение в одном измерении [4].Испытания с использованием жидкой воды особенно подходят для древесины, используемой в местах, где ожидается регулярный контакт с водой (например, на открытом воздухе), но даже в помещениях, где контакт с водой не ожидается, древесина может время от времени контактировать с водой (например, утечки, разливы) и может быть полезно понять, как поведет себя древесина в этих экстремальных условиях.

Испытания на водонасыщение

Испытания на водонасыщение обычно используются в исследованиях модификации древесины, особенно в Европе.Наиболее распространенным тестом на водонасыщение является повторный тест на насыщение водой, используемый для расчета ASE. В этом тесте сравниваются изменения объема древесины между полным насыщением водой и сухостью в печи, и это изменение объема сравнивается с изменением объема немодифицированного эталонного образца (из той же породы древесины) для расчета ASE [5]. Этот популярный тест выполняется относительно быстро, не требует специального оборудования (например, шкафов с климат-контролем) и дает прямое сравнение с поведением немодифицированного эталонного образца, что делает его особенно подходящим для разработки изделий из модифицированной древесины (но не подходит для сравнения различных пород древесины из-за отсутствия стандартного эталона между различными тестами).Хотя повторное погружение в воду (для расчета ASE) является широко распространенным тестом, у него есть некоторые недостатки; по своей природе это очень жесткое испытание, поэтому оно плохо соответствует поведению в условиях эксплуатации, особенно при применении внутри помещений [3]. Однако при некоторых наружных работах древесина будет контактировать с жидкой водой, поэтому будет уместным испытание, включающее какое-либо пропитывание водой (даже если эти условия эксплуатации не будут такими суровыми, как сушка в печи или насыщение под давлением). древесина).Ноак и др. [6] отмечают, что в эксплуатации никогда не бывает ни сухого, ни полностью насыщенного состояния. Поскольку поведение набухания между этими двумя состояниями является нелинейным, их сравнение имеет ограниченную прогностическую ценность для эксплуатационных характеристик даже в приложениях, где возможен контакт с водой.

Общеупотребительные методы испытаний

Хилл [3] отметил отсутствие стандартизированных испытаний для оценки стабильности модифицированной древесины и назвал принятие на международном уровне согласованных протоколов «крайне неотложным делом».Несмотря на это, по-видимому, до сих пор не существует общепринятого стандартного метода повторного теста на пропитывание водой, и, хотя многие тесты кажутся похожими, в методах испытаний есть много тонких вариаций. Размеры образцов могут варьироваться от коротких поперечных сечений, вырезанных из цельной доски (например, 15 мм, вырезанных из доски 18 × 40 мм в Bak and Németh [7]), до небольших (20 × 20 × 5 мм) печенья [8]. Иногда используется один цикл замачивания [9] или до 10 циклов замачивания [10]. Образцы можно замачивать в течение заданного времени [11] или замачивать до тех пор, пока они не достигнут постоянных размеров [12].Хотя результаты обычно представляются в виде значений ASE, иногда указывается процент набухания (S) отдельных образцов [13, 14]. Омае и др. [15] рассчитали коэффициент анизотропии (изменение тангенциального размера, деленное на изменение радиального размера) для различных модификаций и обнаружили, что модификации клеточной стенки уменьшают анизотропию, тогда как модификации заполнения просвета увеличивают ее. В качестве альтернативного показателя анизотропии García Esteban et al. [16] коррелирует изменение тангенциального размера с изменением радиального размера.Изменения анизотропии, вероятно, повлияют на поведение древесины в процессе эксплуатации, особенно на стабильность формы и развитие поверхностных и внутренних проверок, но потребуется дальнейшая работа, чтобы увидеть, как изменения анизотропии (например, за счет модификации древесины) влияют на эксплуатационные характеристики. . Анизотропию можно рассчитать на основе данных, собранных в большинстве экспериментов по стабильности размеров, но ее не часто определяют количественно.

Помимо того, что сравнение результатов между исследованиями затруднено, некоторые различия в методах испытаний могут повлиять на точность измеренных результатов.Была проведена некоторая работа по совершенствованию методов повторного испытания на пропитывание водой, например, Ван Акер [1], который начал систематический анализ факторов, влияющих на точность повторных испытаний на пропитывание водой. Тем не менее, другие усовершенствования метода были более частичными и, как правило, не сообщаются конкретно как усовершенствования метода, например, обсуждение влияния числа циклов на ASE в Хилле и Джонсе [10] или использование латунных куполов, встроенных в образцы для улучшения. точность измерения в Fredriksson et al.[14].

Методы повторного насыщения древесины

Различные методы повторного насыщения древесины могут повлиять на степень ее набухания. Например, Алмейда и Эрнандес [17] и Надери и Эрнандес [18] обнаружили, что повторное насыщение высушенных блоков бука ( Fagus grandifolia Ehrh.) или сахарного клена ( Acer saccharum Marsh.) путем немедленного помещения высушенных блоков в воду дает большее набухание, чем при менее жестком методе, когда образцы уравновешивали до высокого содержания влаги перед повторным насыщением.Хотя влияние обычного (и даже более жесткого) метода вакуумной (а иногда и под давлением) пропитки на набухание неизвестно, потенциально он не является хорошим предиктором поглощения жидкой воды в процессе эксплуатации. Ван Акер [1] обнаружил, что для достижения постоянных размеров требуется до шести циклов вакуумной выдержки, но не отметил каких-либо различий между модифицированными и немодифицированными образцами. Модификации древесины, улучшающие стабильность, по необходимости изменят способ взаимодействия древесины с водой, поэтому они, вероятно, повлияют на поведение при повторном насыщении.Сарджент и др. [2] обнаружили, что образцы модифицированной древесины продолжали увеличиваться в размерах до 48 ч при замачивании в воде после перенасыщения под вакуумом и давлением. Обычно образцы замачивают на 24 часа после повторного насыщения, поэтому вполне вероятно, что измерения проводятся на образцах, которые еще не достигли своих окончательных размеров. Неизвестно, применимы ли методы замачивания в воде и сушки в печи, используемые для немодифицированной древесины, непосредственно к модифицированной древесине, или требуется более длительное время замачивания/сушки, чтобы получить результаты, сравнимые с немодифицированной древесиной.

Влияние количества циклов и метода сушки в печи

Несколько исследований показывают, что первый цикл повторного испытания на пропитывание водой часто не является репрезентативным для последующих циклов. Для химических модификаций выщелачивание любых несвязанных химических веществ сделает ASE первого цикла выше, чем в последующих циклах [19, 20]. Хилл и Джонс [10] обнаружили, что этот эффект цикла все еще сохранялся для образцов, которые были экстрагированы по методу Сокслета до тестирования, в том числе для немодифицированных контролей, предполагая, что сам процесс экстракции также влиял на поведение при первом замачивании в воде/в печи. -сухой цикл.По этим причинам часто используют несколько циклов, а результаты первого цикла отбрасывают [8, 14]. Следовательно, для репрезентативных результатов необходим метод, способный выдерживать несколько циклов водонасыщения. Хилл и Джонс [10] отметили, что хотя они измеряли ASE в течение 10 циклов, большинство немодифицированных образцов не выдерживали полных десяти циклов и появлялись серьезные трещины уже после пяти циклов. При подготовке этого обзора не было обнаружено прямых доказательств влияния растрескивания на измерения ASE ни в литературе, ни в экспериментальных данных.Можно ожидать, что растрескивание снизит уровень усадки при сушке в печи за счет уменьшения напряжения при сушке в образце. Чейф [21] обнаружил противоречивые результаты, сравнивая усадку с уровнями внутреннего растрескивания в Eucalyptus regnans F Muell. Некоторые виды сушки показали уменьшение усадки при усилении внутреннего растрескивания, но некоторые виды сушки не показали существенной взаимосвязи. Это область, в которой, возможно, могут быть полезны дальнейшие исследования. Хилл и др. [8] использовали двухстадийный метод сушки — сушку при 60°С в течение 24 ч, затем при 105°С до постоянной массы.Причина такой двухступенчатой ​​сушки не упоминается, но предполагается, что она заключается в том, чтобы свести к минимуму повреждение образцов. Чермак и др. [20] использовали трехэтапный процесс сушки, начиная с 40 °C и заканчивая при 103 °C, чтобы предотвратить растрескивание образцов. DIN 52 184 [22] определяет трехэтапный метод сушки в печи, по 24 ч при 50 и 80°C перед сушкой при 103°C до постоянного веса. Недавно было показано, что начальный этап сушки в печи с контролем влажности (50°C по сухому термометру, 40°C по влажному термометру) уменьшает сопротивление, вызванное сушкой в ​​печи [2].

Влияние подготовки образца и методики измерения

Поскольку размерная стабильность древесины сильно зависит от направления волокон, в процессе эксплуатации обычно изменения размеров в одном конкретном направлении волокон будут иметь первостепенное значение, и измерение объемной стабильности будет не обязательно даст хорошее представление о производительности. Хилл [3] подчеркивает важность наличия образцов без дефектов и с кольцами роста, точно параллельными одному краю образца.Это подтверждает Ван Аккер [1], который обнаружил, что измерения ASE существенно различаются при изменении направления зерна — образцы с годичными кольцами, отклоняющимися до 30° от параллели, показали снижение ASE с 70 до 53%.

Размеры образца обычно измеряют штангенциркулем, иногда в нескольких местах по всему поперечному сечению образца. В качестве альтернативы для водонасыщенных образцов объем образца можно рассчитать по вытеснению воды, как это часто делается при определении основной плотности [23].Сарджент и др. [2] обнаружили, что объемы, определенные по вытеснению воды, эквивалентны объемам, рассчитанным на основе отдельных измерений, выполненных штангенциркулем, и что измерение объема по вытеснению приводит к меньшему количеству выбросов в данных, что предполагает уменьшение ошибок измерения. Сухой объем также можно определить по вытеснению воды, но сначала образцы должны быть погружены в парафин [23]. Этот метод особенно удобен для образцов, размеры которых сложно измерить точно (например, для образцов с выраженным короблением).Использование парафина возможно только после окончательной сушки в печи; в противном случае это будет мешать последующему тестированию. Там, где нет проблем с измерением размеров образцов штангенциркулем, рекомендуется определять сухой объем путем измерения размеров отдельных образцов.

Испытания на водонасыщение широко распространены в исследованиях модификации древесины, и на то есть веские причины. Тесты выполняются быстро и требуют минимального специального оборудования. Для повторного испытания на пропитывание водой результаты испытаний количественно определяют улучшение размерной стабильности в результате данной модификации, что полезно при разработке.Важно выбрать правильный метод испытаний и правильное измерительное оборудование, так как это повлияет на точность результатов. Принятие стандартных методов испытаний между организациями позволило бы лучше сравнивать результаты разных исследований.

Кратковременные испытания на пропитывание водой

Для оценки кратковременного изменения размеров под действием воды, тесты «Swellometer» являются популярным методом оценки эффективности защиты от набухания (обозначается здесь как ASE w во избежание путаницы) обоих модифицированных обработка древесины и водоотталкивающая обработка поверхностей в Северной Америке [24, 25].Этот тест включает в себя уравновешивание образцов тонкой древесины (обычно 6,4 × 25,4 × 127 мм, L × R × T) при относительной влажности 65 %, а затем замачивание образцов в воде на короткое время (обычно 30 мин) и измерение изменения тангенциальное направление [26]. Другая широко используемая методология испытаний разработана Ассоциацией производителей окон и дверей США [4]. Этот метод почти идентичен стандарту ASTM, но использует немного более узкий образец в радиальном направлении (25 мм против 38 мм) и перед испытанием, а также уравновешивает образцы при более высокой температуре и относительной влажности, чем тест ASTM (27 °С). C/65% относительной влажности по сравнению с23 °C/50 % относительной влажности). Не ожидается, что эти различия окажут существенное влияние на результаты испытаний. Результаты могут быть представлены либо как ASE w , либо как водоотталкивающая эффективность (WRE) или процентное значение водоотталкивающей способности (WRV) [24]. Как ни странно, WRE также можно использовать для сравнения изменения веса между обработанными образцами и контролями [27]. Еще один потенциальный недостаток стандартного теста Swellometer заключается в том, что он измеряет стабильность только в направлении одного зерна.

Когда древесина вступает в контакт с жидкой водой, это часто происходит в течение ограниченного периода времени, т.е.г., период дождя или разлив на деревянный пол. Это означает, что понимание того, как древесина реагирует на воду в течение коротких периодов времени, важно и более важно для поведения в процессе эксплуатации, чем окончательные размеры древесины после повторного насыщения давлением. Стандартный набухометрический тест и рассчитанные на его основе показатели были разработаны для одного конкретного применения (для измерения эффекта водоотталкивающих покрытий по сравнению с непокрытой древесиной), что означает, что он не подходит для сравнения различных пород древесины.Различные породы древесины и различные модификации древесины, вероятно, различаются как по общему количеству, они набухают в воде, так и по скорости, с которой они набухают. Текущий тест измеряет только одно значение — степень набухания, возникшего через 30 минут. При сравнении различных пород древесины, у которых различаются как скорость набухания, так и общая величина набухания, набухание через 30 минут не дает полной картины: древесина, которая набухает очень мало, но набухает так быстро, может выглядеть идентично тип древесины, который сильно набухает, но очень медленно.Поскольку контакт с водой в течение коротких периодов времени является обычным явлением во многих приложениях, было бы хорошо разработать метод испытаний, который мог бы количественно определять как скорость, так и общую величину набухания древесины в воде, и сообщать об этом в форме. что подходит как для модифицированной древесины, так и для сравнения поведения разных пород древесины.

Испытания, связанные с контактом с жидкой водой, выполняются достаточно быстро и не требуют большого количества специального оборудования. Во многих случаях древесина может контактировать с жидкой водой либо на регулярной основе (например,например, на открытом воздухе) или при исключительных обстоятельствах (например, утечка в помещении). Понимание того, как древесина реагирует на контакт с водой в течение длительного или короткого периода времени, имеет важное значение. В идеале эти результаты должны быть стандартизированы и их можно было бы сравнивать с другими породами древесины или другими конкурирующими строительными материалами. В большинстве случаев древесина чаще подвергается воздействию изменений влажности воздуха, чем контакта с водой, поэтому не следует пренебрегать пониманием того, как ведет себя древесина при изменении влажности воздуха.

Методы испытаний, включающие воздействие влажного воздуха

Существует два основных типа испытаний на воздействие влаги: испытания на равновесие, при которых образцы доводятся до равновесного веса при каждом условии влажности, и кратковременные испытания, при которых образцы помещаются в во влажной среде в течение установленного периода времени (недостаточно долго, чтобы прийти к равновесию) перед измерением. Испытания могут включать либо однократное изменение относительной влажности для каждого образца (испытания с пошаговым изменением), либо каждый образец может циклически перемещаться между разными уровнями влажности несколько раз (циклические испытания).

Усадка от зеленого до содержания влаги 12%

Одним из крайних вариантов теста на ступенчатое изменение является измерение изменения размеров, которое происходит во время начальной сушки. Результаты, как правило, представляются либо в виде изменения размера от зеленого до 12% содержания влаги (MC), либо от зеленого до сухого в печи. Это очень часто используется в промышленности для сравнения размерной стабильности различных пород древесины [27]. Хотя это даст общее представление об относительных уровнях размерной стабильности для двух пород древесины, Noack et al.[6] предполагают, что размерные изменения по сравнению с размерами сырца не имеют отношения к условиям эксплуатации, потому что после первоначальной сушки из сырца даже длительное замачивание в воде не будет снова достигать полного водонасыщения, а это означает, что это состояние редко наблюдается на практике. Кроме того, поведение усадки выше точки насыщения волокна (FSP) сильно нелинейно, поэтому трудно прогнозировать уровни усадки в частично перенасыщенной древесине. Вместо этого предлагается набухание, основанное на различных условиях относительной влажности, как лучший способ прогнозировать относительные эксплуатационные характеристики различных типов древесины.Большинство модификаций древесины выполняется после сушки древесины. Для них понятие «зеленых» размеров модифицированного образца не имеет большого значения, поскольку модификация изменяет состояние древесины в процессе обработки, поэтому окончательная, модифицированная древесная матрица никогда не существовала в зеленом состоянии.

Испытания на циклическое воздействие равновесной влажности

Испытания на равновесную влажность на сегодняшний день являются наиболее популярным типом испытаний на воздействие влажности. Несмотря на то, что существуют стандарты, описывающие испытания равновесной влажности со ступенчатым изменением [22, 28], общепринятого стандартного метода для испытаний циклов влажности, по-видимому, не существует.Тем не менее, все тесты, как правило, следуют одной и той же форме:

  • Образцы древесины оставляют в среде с постоянной влажностью до тех пор, пока масса не уравновесится,

  • Размеры измеряются,

  • второй влажность и размеры измеряются снова.

Это повторяется для охвата ряда условий влажности, часто несколько раз переключаясь между высоким и низким уровнем влажности. Образцы обычно сушат в печи в какой-то момент тестирования (либо в начале, либо в конце цикла).Результаты сообщают либо как изменение размеров по сравнению с высушенным в печи [29, 30], или реже как объемное ASE [31, 32] по сравнению с изменением объема немодифицированных контрольных образцов (что делает этот метод пригодным только для модифицированной древесины, а не для сравнения различных пород древесины). DIN 52 184 [22] определяет только методы испытаний на водонасыщение или ступенчатое изменение влажности (относительная влажность между 35 и 85 % при 20 °C), но дает ряд формул для интерпретации изменений размеров либо при сушке в печи, или водонасыщенном состоянии.Одним из них является коэффициент набухания, который определяется как процентное изменение размера (радиального или тангенциального) на каждый 1% изменения относительной влажности. Это простая метрика, которую легко понять и которая упрощает сравнение поведения различных типов древесины. Этот метод можно легко адаптировать к испытаниям циклической влажности, проведя линию через изменение размеров при каждом уровне относительной влажности [2]. Awoyemi [33] сравнил размеры образцов при 30 и 12% MC и обнаружил, что повышение уровня микроволновой модификации снижает коэффициент анизотропии (изменение тангенциального размера, деленное на изменение радиального размера) в Eucalyptus obliqua L’Her.Изменения анизотропии, вероятно, влияют на поведение древесины в процессе эксплуатации и могут быть рассчитаны на основе данных, собранных в большинстве экспериментов по стабильности размеров, но они не часто поддаются количественной оценке. Было бы полезно сообщить о дополнительных экспериментах по влиянию анизотропии на поведение древесины в процессе эксплуатации (например, различия в уровнях деформации или растрескивания).

Равновесное содержание влаги как предиктор размерной стабильности

Массы образцов, измеренные в ходе испытаний на изменение влажности, также можно использовать для расчета равновесного содержания влаги (ЕМС) при каждом условии влажности.Снижение ЭМС (по сравнению с ЭМС модифицированной древесины и немодифицированного контроля) иногда используется для оценки улучшения размерной стабильности. Сик и др. [34] использовали снижение ЭМС между высушенной при высокой температуре каучуковой древесиной ( Hevea brasiliensis Müll.Arg.) и контрольными образцами для прогнозирования улучшения размерной стабильности. Рауткари и Хилл [35] сравнили изменение ЭМС, потерю массы и ASE для термически модифицированной сосны обыкновенной ( Pinus sylvestris L.) и не всегда обнаружили хорошую корреляцию между ними, предполагая, что изменение ЭМС не является хорошей заменой прямого измерения. стабильность размеров.

Влияние сушки в печи и количество циклов влажности

На определенном этапе испытаний образцы необходимо высушить в печи для получения размеров и массы в сухом состоянии. Этап сушки в печи (обычно 103–105 °C без контроля влажности) необратимо снижает гигроскопичность древесины [36]. В целлюлозно-бумажной промышленности этот процесс называется ороговением, а структурная основа изменений описана Вейзе и Паулапуро [37]; Эстлунд и др. [38] и Pönni et al. [39]. Из-за этого изменения гигроскопичности сушка в печи перед циклами влажности может поставить под угрозу полученные результаты, поэтому важно, чтобы образцы не сушились в печи до тех пор, пока не будут завершены все тесты на циклы влажности.

Как и в случае испытаний на пропитывание водой, поведение в первом цикле влажности отличается от поведения в последующих циклах [40]. Многие тесты используют несколько циклов RH [16, 41, 42], но некоторые использовали только один цикл [30, 43]. Гарсия Эстебан и др. [16] обнаружили, что поглощение воды уменьшается с последующими циклами влажности, это было подтверждено в их обсуждениях с плотниками, которые заметили, что древесина становится более стабильной (и, следовательно, с ней легче работать) по мере старения. В их исследовании были предприняты меры по использованию осушителя для «высушивания в печи» образцов при комнатной температуре, чтобы избежать необратимого изменения сорбционных свойств, вызванного сушкой в ​​печи (как показано в Hoffmeyer et al.[36]). После четырех циклов RH размеры древесины стабилизировались и вели себя одинаково в последующих циклах.

Влияние истории сушки на сорбционные свойства

История сушки также может влиять на сорбционные свойства. Ишимару и др. [44] сравнили размеры образцов, высушенных после уравновешивания до высокой влажности, с образцами, высушенными после полного насыщения водой. Образцы, высушенные от насыщения, показали большие изменения размеров по сравнению с образцом, кондиционированным влагой, и это было связано с напряжением воды в древесине, вызывающим усадочное напряжение и последующую необратимую деформацию.Это явление также было отмечено Rafidah et al. [45] при сравнении размеров в сухом состоянии после экстракции растворителем и после испытаний на водонасыщение. В некоторых тестах на стабильность используется сочетание замачивания в воде и циклического изменения влажности. Это является потенциальным источником ошибки, если результаты образцов с историей насыщения водой/высыхания в печи сравниваются с образцами без такой истории. Несмотря на это, некоторые методы испытаний требуют насыщения образцов водой непосредственно перед кондиционированием влагой [13, 28].Эффект гистерезиса сорбции [5] повлияет на содержание влаги в первом цикле влажности, если образцы имеют очень разное содержание влаги до цикла влажности. Эффекты гистерезиса также будут проблемой при испытаниях на влажность, где измеряется только одноступенчатое изменение влажности, например, в европейском стандарте BS/EN 318 [46], где изменения размеров древесных панелей измеряются на шаге от от 65 до 30 % относительной влажности, и согласованный набор образцов измеряется от 65 до 85 % относительной влажности — полученные результаты не обязательно будут хорошим прогнозом размерной стабильности для ступеней влажности в противоположных направлениях.Новозеландский стандарт AS/NZS 4266.14 [47] содержит почти идентичный тест на ступенчатое изменение. Интересно, что Ишимару и др. [44] предположили, что гистерезис сорбции может быть переходным явлением, которое исчезает в очень длительных масштабах времени. Они уравновешивали образцы древесины в течение 50 недель и по-прежнему наблюдали изменения содержания влаги после этого периода (за последние 100 дней образцы изменили ЭМС на 1 процентный пункт).

Условия испытаний и определение равновесия

Контроль веса для обеспечения того, чтобы образцы достигли постоянного веса, почти универсален в этих испытаниях.Баркас [48] отмечает, что сорбционное поведение очень сильно зависит от времени, и могут пройти месяцы, прежде чем образцы достигнут равновесия. Он цитирует исследование кожи, в котором пластическое течение внутри образца все еще происходило в течение нескольких месяцев, предполагая, что для уравновешивания размеров образца может потребоваться больше времени, чем масса образца. На практике обычно говорят, что равновесие достигнуто, когда изменения веса эквивалентны экспериментальной ошибке (например, изменение веса менее 0,1% в течение 24 часов, как указано в DIN 52 184 [22]).

Размеры образцов различаются в зависимости от методов испытаний: от тонкого «бисквита», вырезанного из полноразмерной доски [42], до небольших кубиков размером 23–30 мм [30, 43]. ISO 4469 [28] дает размеры 20 мм в поперечном направлении и 10–30 мм в продольном направлении. Увеличенные продольные размеры увеличивают время, необходимое образцам для достижения равновесия. Увеличение поперечных размеров не имеет такого эффекта, а большие размеры, вероятно, уменьшат ошибки измерения, что приведет к более точным результатам без увеличения времени, необходимого для достижения равновесия.

Условия, используемые при испытаниях циклов влажности, сильно различаются. Стандартные температурные условия составляют 20 °C [22, 28], но используются и другие температуры, некоторые из которых достигают 27 или 30 °C [41, 43], или разные температуры могут использоваться для каждого условия относительной влажности [42]. Условия относительной влажности, используемые в исследованиях, значительно различаются как по количеству используемых условий влажности, так и по самим условиям влажности. Ишимару и др. [44] использовали 15 различных условий; в некоторых исследованиях используются только два условия [31, 43].

Изменения атмосферной влажности являются наиболее распространенной причиной изменений влажности древесины в процессе эксплуатации, и они часто происходят в течение длительного периода времени, поэтому важно понимать, как древесина будет вести себя в этих условиях. Как и в случае с испытаниями на пропитывание водой, методы испытаний в различных исследованиях практически не стандартизированы. Принятие стандартизированных методов испытаний гарантирует, что результаты не будут скомпрометированы неподходящими условиями испытаний (например, сушка образцов в печи перед испытанием), и упростит сравнение между различными исследованиями и между разными породами древесины (включая сравнения с модифицированной древесиной другой породы). .У теста равновесной влажности-циклирования есть недостатки; испытания часто занимают месяцы, и результаты имеют отношение только к ситуациям, когда влажность относительно стабильна в течение длительных периодов времени, что позволяет образцам прийти в равновесие.

Кратковременные испытания на влажность

Чем дольше кусок дерева достигает равновесия, тем меньше вероятность того, что он действительно достигнет равновесия при эксплуатации. Пфрим и др. [49] обнаружили, что термомодифицированная ель европейская ( Picea abies (L.) Karst.) потребовалось больше времени для достижения ЭМС, чем немодифицированной древесине, но эксперименты Бака и Немета [7] показали, что термомодифицированному тополю ( Populus  ×  euramericana cv. pannónia ) потребовалось такое же количество времени для достижения равновесия по сравнению с контрольные образцы. Неизвестно, как другие модификации влияют на время, необходимое для достижения равновесия. В процессе эксплуатации древесина часто будет подвергаться большим изменениям влажности в течение коротких периодов времени, например, изменениям погоды в течение нескольких дней, и эта кратковременная реакция влажности не обязательно будет соответствовать условиям равновесия.По этим причинам понимание краткосрочной реакции древесины на изменения влажности важно для прогнозирования поведения в процессе эксплуатации, но, по-видимому, очень мало тестов, которые измеряют это. Харрис [50] отметил большие различия во времени, необходимом различным породам древесины для достижения равновесия (от дней до месяцев), поэтому разработал тест для измерения скорости, с которой древесина набухает при воздействии среды с высокой влажностью. В этом тесте образцы уравновешивают при относительной влажности 65%, затем помещают в среду с высокой влажностью на 24 часа и измеряют изменение размеров.Эти результаты сравнивали с набуханием от равновесия при относительной влажности 65 % до полного насыщения водой (после 1 недели замачивания в воде). Использование объема перенасыщенной древесины, а не сырой древесины, было предназначено для предотвращения необратимой усадки, возникающей при начальной сушке от сырой до 12% ЭМС. Для некоторых видов между двумя тестами были получены совершенно разные результаты. Виды с одинаковым уровнем набухания при замачивании в воде могут иметь совершенно разный уровень набухания через 24 часа при высокой влажности.Например, и реварева ( Knightia excelsa R.Br.), и южная рата ( Metrosideros umbellata Cav.) набухают примерно на 10 % при замачивании в воде, но через 24 часа при высокой влажности рата набухает только вдвое меньше. как rewarewa (1,7% по сравнению с 3,4%). В краткосрочных испытаниях красное дерево ( Sequoia sempervirens D.Don) набухло так же, как южная рата (1,5%), но при замачивании в воде набухло только на четверть меньше, чем рата (2,5%).

Haslett [51] также приводит данные о стабильности как для долгосрочных, так и для краткосрочных испытаний на изменение влажности различных видов древесины, выращенной в Новой Зеландии.В целом виды с большими размерными изменениями в течение длительных периодов времени также претерпевают более значительные изменения в течение коротких периодов, но существует много вариаций, и два вида с одинаковыми долгосрочными размерными изменениями могут иметь совершенно разные краткосрочные размерные изменения. , например, Pinus radiata D.Don, изменяющий размер на 2,2% в течение 24 ч по сравнению с Eucalyptus botryoides Sm. изменение размера на 1,5% за тот же период. Эти два исследования показывают, что между различными породами древесины существуют большие различия как в общей степени их усадки или набухания при изменении содержания влаги, так и на скорости, с которой они усаживаются или набухают.Эти различия, вероятно, повлияют на эксплуатационные характеристики этих бревен или на совместимость использования двух бревен вместе, поэтому их важно понимать.

Почти во всех случаях конечного использования древесины изменения влажности воздуха будут основным источником изменений содержания влаги и, следовательно, нестабильности размеров. По этой причине важно проводить как тесты на изменение влажности, так и тесты на водонасыщение, чтобы получить полное представление о поведении древесины. По сравнению с повторным испытанием на пропитывание водой, испытания на циклическую влажность более подходят для характеристики поведения различных пород древесины или для модификаций древесины, близких к рыночным, для сравнения характеристик модифицированного древесного продукта и других конкурирующих продуктов.Имеются ограниченные данные для краткосрочных испытаний на влажность, но они, по-видимому, измеряют различия в поведении древесины, которых нет в испытаниях на равновесную влажность, поэтому их следует изучить дополнительно.

Рекомендации по методам испытаний

На основе этого обзора опубликованных методов испытаний даны следующие рекомендации для сведения к минимуму экспериментальных ошибок и обеспечения того, чтобы результаты испытаний отражали фактическое поведение древесины.

Испытания на водонасыщение

Испытания на водонасыщение выполняются быстро и не требуют специального оборудования.Они дают сравнительные результаты, которые полезны для количественной оценки улучшения стабильности размеров, достигнутого в результате модификации древесины или обработки поверхности, но менее полезны для сравнения различных пород древесины. Это означает, что тесты на водонасыщение очень полезны в качестве скринингового теста при исследовании новых методов лечения. Кроме того, они дадут полезную информацию о том, как ведет себя древесина в ситуациях, когда жидкая вода может находиться в контакте с древесиной в течение длительного времени (1 или более дней).

Чтобы получить хорошие результаты при повторных испытаниях на водонасыщение и свести к минимуму экспериментальные ошибки, рекомендуется следующее (в приблизительном порядке важности):

  • Подготовьте образцы с максимально возможными радиальными и тангенциальными размерами. Это основные направления, при которых происходит усадка, и более крупные образцы уменьшат ошибки измерения и гарантируют, что размерные изменения превышают погрешность измерения используемого прибора даже для очень стабильного по размерам материала.

  • Убедитесь, что годичные кольца правильно совмещены с краями образца. Усадка различна в радиальном и тангенциальном направлениях, и несоосность между кольцами роста и измеренным направлением будет означать, что измеренная радиальная и тангенциальная усадка будет отличаться от фактической радиальной и тангенциальной усадки.

  • Убедитесь, что размеры образцов совпадают. Поскольку скорость усадки сильно зависит от направления волокон, образцы разных размеров будут иметь разную скорость объемного набухания.

  • Используйте самый точный и воспроизводимый измерительный инструмент, чтобы свести к минимуму погрешность измерений — настольный измерительный прибор намного лучше, чем ручные штангенциркули. Инструменты с компьютерным интерфейсом снижают риск ошибок транскрипции по сравнению с записью значений вручную.

  • Для водонасыщенных образцов измерение объема образца по вытеснению воды быстрее и точнее, чем измерение размеров отдельных образцов. Для чрезмерно чашевидных образцов объем, высушенный в печи, можно определить по завершении испытаний путем вытеснения воды после герметизации поверхности древесины (например,г., погружая образец в парафин).

  • Отметьте точки измерения с помощью физических контрольных меток или выступов. Это гарантирует, что размеры последовательно измеряются в одной и той же точке, что обеспечивает большую точность и воспроизводимость.

  • Обратите внимание на подготовку поверхности — для точных и воспроизводимых измерений размеров требуется гладкая поверхность. Гладкие поверхности также с меньшей вероятностью захватывают пузырьки во время измерения вытеснения воды, что снижает вероятность ошибок измерения.

  • Убедитесь, что образцы приходят в равновесие во время насыщения водой — требуется не менее 48 часов, но может потребоваться гораздо больше времени. Для новых модификаций древесины, предназначенных для повышения стабильности размеров, необходимо подтвердить время выдержки, необходимое для достижения максимальных размеров.

  • Требуется более одного цикла насыщения водой/сушки в печи, особенно когда существует вероятность химического выщелачивания во время первого замачивания водой. Поведение в первом цикле обычно не репрезентативно для поведения в последующих циклах.Рекомендуется три или более циклов, при этом результаты первого цикла отбрасываются.

  • Если образцы могут треснуть во время сушки в печи, рекомендуется двухступенчатая сушка в печи, чтобы уменьшить количество проверок. Например, было обнаружено, что сушка при 50 °C и относительной влажности 54 % с последующей сушкой в ​​печи при 103 °C уменьшает растрескивание. Если образцы начинают трескаться, рекомендуется не проводить их дальнейшие испытания.

Набухометрические испытания

Набухометрические испытания также выполняются относительно быстро, но требуют немного большего количества оборудования, чем испытания на водонасыщение.Испытание на набухание также показывает, насколько быстро древесина будет впитывать воду, что важно в ситуациях, когда древесина может находиться в контакте с жидкой водой только в течение коротких периодов времени.

Как и в случае испытаний на водонасыщение, при подготовке образцов для измерения набухания важно иметь одинаковые размеры образцов, правильную ориентацию зерен и гладкую поверхность для получения хороших результатов. Постоянство радиальных и продольных размеров особенно важно; это гарантирует, что каждый образец может свободно перемещаться в приспособлении для измерения объема и не заклинивать.

Испытания на циклическую влажность

Испытания на циклическую влажность занимают гораздо больше времени, чем испытания на пропитывание водой, но во многих случаях древесина обычно не контактирует с жидкой водой, поэтому испытание на основе влажности будет важным предиктор поведения древесины в эксплуатации. Общие меры стабильности размеров, полученные в результате испытаний на циклическое изменение влажности, можно использовать для сравнения различных пород древесины, а также для сравнения модифицированной древесины с ее немодифицированным аналогом. Испытания циклов влажности могут лучше подходить для более зрелых технологий, где важно понимание поведения древесины в процессе эксплуатации, и проводятся сравнения производительности с конкурирующими продуктами, а также с немодифицированными средствами контроля.

Следующие рекомендации рекомендуются (в приблизительном порядке важности) для сведения к минимуму экспериментальной ошибки при испытаниях на влажность:

  • Не сушите образцы в печи до проведения испытаний на изменение влажности. Сушка в печи необратимо изменяет сорбционные свойства древесины, поэтому измеренное поведение не является репрезентативным для исходного материала. Сушка в печи должна выполняться после завершения всех циклов увлажнения.

  • Обеспечьте достаточное время для достижения равновесия образцов.Размеры древесины продолжают изменяться медленнее, чем изменяется вес, и слишком раннее измерение образцов может привести к недооценке степени изменения размеров, которое может произойти в течение длительных периодов времени.

  • Убедитесь, что годичные кольца правильно совмещены с направлениями измерения. Усадка различна в радиальном и тангенциальном направлениях, и несоосность между кольцами роста и измеренным направлением будет означать, что измеренная радиальная и тангенциальная усадка будет отличаться от фактической радиальной и тангенциальной усадки.

  • Не пропитывайте образцы водой до кондиционирования. Сушка древесины сверху FSP приводит к другим размерам в сухом состоянии по сравнению с сушкой снизу FSP. Насыщение сухих образцов водой до цикла влажности изменит размеры древесины и не отразит поведение исходной древесины. Если испытания на водонасыщение должны быть выполнены на тех же образцах, что и испытания на циклическую влажность, сначала следует провести испытание на циклическую влажность.

  • Выполните не менее 3 полных циклов влажности и отбросьте результаты первого цикла.Поведение в первом цикле влажности часто сильно отличается от последующих циклов, поэтому не является репрезентативным для долгосрочного поведения древесины.

  • Подготовьте образцы с максимально возможными радиальными и тангенциальными размерами. Это основные направления, в которых происходит усадка, и, следовательно, они уменьшат ошибки измерения и гарантируют, что небольшие изменения размеров превышают точность измерения используемого оборудования.

  • Выберите стандартные условия для переключения между ними, например.g., 20 °C и 35, 65 и 90 % относительной влажности. Если 20 °C проблематично для условий низкой влажности, можно использовать 25 °C. Важно, чтобы все условия влажности были при одинаковой температуре, чтобы исключить эффекты теплового расширения. Использование стандартных значений температуры и влажности упрощает сравнение результатов различных исследований.

  • Используйте самый точный и воспроизводимый доступный метод измерения; настольный циферблатный индикатор более точен, чем ручной штангенциркуль. Кроме того, инструменты с компьютерным интерфейсом снижают риск ошибок транскрипции по сравнению с записью значений вручную.

  • Отметьте точки измерения с помощью физических контрольных меток или выступов. Это гарантирует, что размеры последовательно измеряются в одной и той же точке, что обеспечивает большую точность и воспроизводимость.

  • Обратите внимание на подготовку поверхности — для точных и воспроизводимых измерений размеров требуется гладкая поверхность.

  • Минимизируйте размер в продольном направлении, чтобы обеспечить быструю уравновешивание образцов. Это сокращает продолжительность испытаний и сводит к минимуму вероятность градиентов влажности через образец, что может повлиять на его размеры.

Для краткосрочных тестов, в дополнение к рекомендациям выше:

Open Textbooks | Сиявула

Математика

Наука

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 7А

        • Класс 7Б

        • Класс 7 (объединенные А и В)

      • Африкаанс

        • Граад 7А

        • Граад 7Б

        • Graad 7 (A en B saam)

    • Пособия для учителей

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 8А

        • Класс 8Б

        • Класс 8 (объединенные А и В)

      • Африкаанс

        • Граад 8А

        • Граад 8Б

        • Graad 8 (A en B saam)

    • Пособия для учителей

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 9А

        • Класс 9Б

        • Класс 9 (объединенные А и В)

      • Африкаанс

        • Граад 9А

        • Граад 9Б

        • Graad 9 (A en B saam)

    • Пособия для учителей

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 4А

        • Класс 4Б

        • Класс 4 (объединенные А и В)

      • Африкаанс

        • Граад 4А

        • Граад 4Б

        • Graad 4 (A en B saam)

    • Пособия для учителей

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 5А

        • Класс 5Б

        • Класс 5 (объединенные А и В)

      • Африкаанс

        • Граад 5А

        • Граад 5Б

        • Graad 5 (A en B saam)

    • Пособия для учителей

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 6А

        • Класс 6Б

        • Класс 6 (объединенные А и В)

      • Африкаанс

        • Граад 6А

        • Граад 6Б

        • Graad 6 (A en B saam)

    • Пособия для учителей

Лицензирование нашей книги

Эти книги не только бесплатны, но и имеют открытую лицензию! Один и тот же контент, но разные версии (фирменные или нет) имеют разные лицензии, как объяснено:

CC-BY-ND (фирменные версии)

Вам разрешается и поощряется свободное копирование этих версий.Вы можете копировать, распечатывать и распространять их столько раз, сколько захотите. Вы можете загрузить их на свой мобильный телефон, iPad, ПК или флешку. Вы можете записать их на компакт-диск, отправить по электронной почте или загрузить на свой веб-сайт. Единственное ограничение заключается в том, что вы не можете каким-либо образом адаптировать или изменять эти версии учебников, их содержание или обложки, поскольку они содержат соответствующие бренды Siyavula, логотипы спонсоров и одобрены Департаментом базового образования. Для получения дополнительной информации посетите Creative Commons Attribution-NoDerivs 3.0 Непортированный.

Узнайте здесь больше о спонсорстве и партнерстве с другими, которые сделали возможным выпуск каждого из открытых учебников.

CC-BY (версии без торговой марки)

Эти небрендированные версии одного и того же контента доступны для совместного использования, адаптации, преобразования, изменения или дальнейшего развития любым способом, при единственном требовании — отдать должное Сиявуле. Для получения дополнительной информации посетите Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

Density—Sink and Float для жидкостей | Глава 3: Плотность

Ключевые понятия

  • Поскольку плотность является характеристическим свойством вещества, каждая жидкость имеет свою характеристическую плотность.
  • Плотность жидкости определяет, будет ли она плавать или тонуть в другой жидкости.
  • Жидкость будет плавать, если ее плотность меньше плотности жидкости, в которую она помещена.
  • Жидкость утонет, если ее плотность больше, чем у жидкости, в которую она помещена.

Резюме

Учащиеся наблюдают за тремя бытовыми жидкостями, сложенными друг на друга, и делают вывод, что их плотность должна быть разной. Они будут предсказывать относительную плотность жидкостей, а затем измерять их объем и массу, чтобы увидеть, соответствуют ли их расчеты их наблюдениям и прогнозам.

Цель

Учащиеся смогут определить, будет ли жидкость тонуть или всплывать в воде, сравнивая ее плотность с плотностью воды.

Оценка

Загрузите лист с заданиями учащегося и раздайте по одному учащемуся, если это указано в задании. Рабочий лист будет служить компонентом «Оценить» каждого плана урока 5-E.

Безопасность

Убедитесь, что вы и ваши ученики носите правильно подобранные очки. При использовании изопропилового спирта прочитайте и соблюдайте все предупреждения на этикетке.Изопропиловый спирт легко воспламеняется. Держите его подальше от источников пламени или искр.

Материалы для каждой группы

  • Баланс
  • Спирт изопропиловый, 70% или более
  • Вода
  • Градуированный цилиндр
  • 2 одинаковых высоких прозрачных пластиковых стакана
  • 2 чайные свечи

Материалы для демонстрации

  • Баланс
  • Спирт изопропиловый, 70% или более
  • Вода
  • Градуированный цилиндр
  • 2 одинаковых высоких прозрачных пластиковых стакана
  • 2 чайные свечи

Примечания о материалах

Спирт изопропиловый

Демонстрации и занятия лучше всего работают с 91% раствором изопропилового спирта, который доступен во многих продуктовых магазинах и аптеках.Если вы не можете найти 91-процентное решение, 70-процентное сработает, но ваша свеча может в нем не утонуть. Если это произойдет, не делайте эту демонстрацию. Хотя раствор изопропилового спирта состоит из 91 % спирта и 9 % воды, в рамках данного урока вы можете не принимать во внимание небольшое количество воды.

Весы

Для второй демонстрации нужны простые весы. Одним из самых дешевых является весы Delta Education Primary Balance (21 дюйм), номер продукта WW020-0452 (21 дюйм). Учащиеся могут использовать уменьшенную версию тех же весов Delta Education, Primary Balance (12 дюймов), номер продукта WW020-0452.

Культурный центр в Китае напоминает стопку кубиков льда

Стопка из девяти матовых стеклянных «кубиков льда» над бассейном с водой представляет собой культурный центр в Синьсяне, Китай, спроектированный французскими студиями Mathieu Forest Architecte и Zone Of Utopia.

Культурно-туристический центр Синьсян был спроектирован как скульптурная икона для нового района туризма зимних видов спорта в городе, который в будущем будет включать в себя крытый лыжный склон.

Mathieu Forest Architecte и Zone Of Utopia создали многоуровневый культурный центр в Китае

Внутри девяти кубов центра расположены ресторан, кафе, магазины, места для чтения и детские помещения, а многоуровневая форма используется для создания серии открытых террас с видом на окружающая площадь и водные бассейны.

«Целью проекта является создание мощного городского индикатора, объединяющего весь район», — заявили архитекторы Mathieu Forest Architecte и Zone of Utopia.

Он спроектирован так, чтобы напоминать стопку кубиков льда

«[Это] не похоже на классическое здание — невозможно определить количество этажей, это скульптура вне масштаба, чистый и монументальный объем», студии продолжались.

Ледяной внешний вид был достигнут за счет использования печатных стеклянных панелей, которые крепятся к бетонным конструкциям с минимальным количеством металлических креплений, чтобы избежать необходимости в каких-либо рамах.

Здание расположено рядом с бассейном с водой

В течение дня внешний вид стеклянных панелей меняется в зависимости от условий освещения, открывая одни части интерьера и скрывая другие.

Ночью подсветка изнутри создает эффект свечения, превращая центр в «маяк» для района.

Подобный льду внешний вид достигается с помощью узорчатых стеклянных панелей

. «Текстура стеклянных фасадов состоит из множества спутанных полупрозрачных кристаллов льда, которые фильтруют свет и видение изнутри», — сказали в студии.

«Речь идет о том, чтобы спрятаться и показать, чтобы спровоцировать таинственность и желание приблизиться.»

Выставочный зал Triptyque, посвященный мрамору и стеклу, был спроектирован так, чтобы «выглядеть как кубик льда»

Каждый куб уложен под разным углом, создавая различные композиции в зависимости от направления подхода. Некоторые кубы консольно возвышаются над площадью, а другие располагаются таким образом, чтобы между ними можно было пройти.

В центральном скоплении кубов двойной цокольный этаж образует большое открытое фойе, ведущее в читальный зал, выходящий на мощеную водную террасу.

Панели крепятся с минимальным количеством металлических креплений

В то время как это фойе объединяет кубы в единое пространство на уровне первого этажа, их верхние уровни пересекаются и выступают в него, создавая балконные пространства, поддерживаемые большими белыми колоннами.

Два куба расположены вдали от центральной зоны, соединены мощеными дорожками, которые пересекают бассейн с водой и содержат магазин и ресторан.

Стеклянные фасады светятся в ночное время

Зимние Олимпийские игры 2022 года в Пекине вызвали бум интереса к зимним видам спорта в Китае.Посмотрите здания, которые использовались для проведения игр, в путеводителе Dezeen по архитектуре зимних Олимпийских игр.

Фотография сделана ArchExist.


Кредиты проекта:

Архитекторы: Zone of Utopia and Mathieu Forest Architecte
Клиент: Henan Rongshou Xinchuang Culture and Tourism Real Estate Co. Ltd.
Дизайнеры: Qiang Zou, Mathieu Forest
Команда дизайнеров: Zu Dieng Teng , Wang Zhuang, Arnaud Mazza, Ma Jia, Xue Qixun
Местный архитектор-проектировщик: Хэнаньский институт городского планирования и корпорация
Структура: Arup Group Limited
Навесная стена: EDUTH
Ландшафтный дизайн: 0 Hassell Строительство ландшафтного дизайна:
QIDI Shanghai
Освещение: PROL
Дизайн интерьера: WU:Z DESIGN

Стив Хардингер. Создайте собственную симуляцию выщелачивания медной руды связанные с минералами и очисткой образцов минералов.Исследования по другому проекту натолкнули меня на мысль об извлечении меди из бедных руд. Здесь я описываю процедуру недорогой и простой модели извлечения меди с использованием только базового оборудования, легкодоступных химикатов и почти без навыков в области химии. Хотя детали, представленные здесь, были несколько оптимизированы, можно было бы получить дополнительное удовольствие, пытаясь еще больше изменить процедуру или помочь подростку применить ее к научному эксперименту.


Медь является одним из важнейших промышленных металлов.Только железо и алюминий используются в большем количестве. 1 Общее мировое производство меди на рудниках в 2020 году оценивается в 20 миллионов метрических тонн 2 , что эквивалентно кубу со стороной ~ 130 метров (примерно треть высоты Эмпайр-стейт-билдинг; рис. 2)!
Ответственная добыча меди требует баланса между максимальной экономической отдачей и минимальным воздействием на окружающую среду. Одним из важных методов получения максимального количества меди является использование низкосортной руды и отходов, таких как нефтеперерабатывающий шлак.Руда с низким содержанием меди может содержать только 1% или менее меди по весу, но ее добыча может быть прибыльной из-за огромных (миллионы тонн) запасов. Доступно несколько отличных вводных материалов по добыче меди и переработке руды. 3,4

Выщелачивание, обычная отраслевая практика извлечения меди и других металлов (золота, урана и т. д.) из низкосортных или отработанных источников, представляет собой процесс, при котором раствору позволяют некоторое время контактировать с источником , тем самым извлекая металл в раствор. Для медных руд с низким содержанием раствор содержит серную кислоту (H 2 SO 4 ).Также можно использовать множество других растворов, но серная кислота наиболее распространена для выщелачивания меди из-за ее низкой стоимости и простоты производства. Эта кислота может быть получена на руднике в результате трехэтапного процесса, состоящего из: (а) обжига (нагревания на воздухе) пирита (FeS 2 ), вызывающего окисление до диоксида серы (SO 2 ), (б) окисления из SO 2 в триоксид серы (SO 3 ) с ванадиевым катализатором и, наконец, (c) растворение в воде:

(a) FeS 2 + O 2 → SO 2
(b ) SO 2 + O 2 → O 3
(c) O 3 + H 2 O → H 2 SO 4

13 Шахтные дренажные воды часто имеют высокую кислотность из-за окисления пирита in situ.Эта вода часто содержит большое количество тяжелых металлов и использовалась в качестве источника меди на некоторых рудниках.

Выщелачивание раствором серной кислоты эффективно для карбонатов меди (малахит, азурит), оксидов (куприт) и некоторых силикатов (хризоколла). Для Malachite упрощенное уравнение:

CU 2 (CO 3 ) (OH) 2 + H 2 SO 4 → CUSO 4 + H 2 CO 3 + H 2 O

Медные сульфидные руды (халькопирит, борнит), как правило, устойчивы к кислотному выщелачиванию и должны быть предварительно окислены.Для этого существуют различные химические и биологические методы.

Водный раствор, полученный в результате этой реакции, называется насыщенным раствором для выщелачивания (PLS).

Выпаривание PLS можно рассматривать как простой способ извлечения сульфата меди (CuSO 4 ), очень важного промышленного химиката. В естественном мире сульфат меди почти всегда встречается в виде пентагидрата (CuSO 4 · 5H 2 O, минерал халькантит) в качестве продукта добычи.Однако CuSO 4 , полученный путем испарения PLS, является сильно загрязненным, загрязненным значительными уровнями других металлов (в основном железа), арсенатов, других токсичных веществ и т. д. Кроме того, непрореагировавшая серная кислота не является легколетучей и также будет присутствовать. Эта сложно загрязненная смесь CuSO 4 не может быть экономически очищена, поэтому этот метод не является жизнеспособным для производства меди в промышленных масштабах.

Для преобразования PLS-меди (присутствующей в виде катиона Cu 2+ ) в металлическую медь (Cu 0 ) необходимо добавить пару электронов (e ):

Cu 2+ + 2e → Cu 0


Возможны многие источники электронов, но два метода, оба выбранные из-за их экономической эффективности, широко используются: металлическое железо (Fe 0 ) и электрический ток.Электроны, взятые из Fe 0 , восстанавливают (отдают электроны) Cu 2+ с образованием Cu 0 (и тем самым вызывают осаждение металлической меди из раствора) с одновременным окислением (потерей электронов) металлического железа до Fe 3+ (вызывает растворение железа):

Cu 2+ + Fe 0 → Cu 0 + Fe 3+


Этот метод прост в эксплуатации: добавьте железный или стальной лом в PLS, подождите, затем извлеките медь для последующей очистки.

Электрохимическое восстановление электрическим током несколько сложнее, но в целом позволяет получить металлическую медь более чистого сорта. В принципе, этот последний метод может питаться от возобновляемых источников энергии. Электролитическое извлечение металла, выщелоченного из руды, называется электролизом . 5

Приборы и химикаты, использованные для модели выщелачивания/извлечения, можно было найти дома или недорого приобрести в онлайн-источниках (Amazon, eBay).Для растворов повсюду использовались чашки для смешивания красок из полиэтилена высокой плотности (HDPE), которые легко можно было приобрести в магазинах товаров для дома и хозяйственных магазинах. Подойдут и стеклянные сосуды. Избегайте металлических контейнеров, так как они могут быть повреждены сильнокислотными растворами. Несмотря на то, что испарения минимальны, все операции должны выполняться на открытом воздухе, когда это возможно. Необходимо всегда носить защитные очки и химически стойкие перчатки (резиновые или нитриловые). Если химические вещества попали на кожу или в глаза, немедленно тщательно промойте их холодной водой.Если раздражение не проходит, немедленно обратитесь за медицинской помощью.

Сосуд для выщелачивания (рис. 3) был подготовлен путем извлечения дна из двухлитровой бутылки из-под содовой и добавления клапана капельного орошения к отверстию с винтовой крышкой. Обильное нанесение клея между клапаном и бутылкой предотвратило утечки. В отверстии завинчивающейся крышки был свободно набит ватный тампон, чтобы «руда» не блокировала клапан. На рис. 3 бутыль поддерживается кольцевой подставкой и зажимом для бюретки, но столь же эффективную опорную подставку легко построить из обрезков древесины.


Медная «руда» с низким содержанием меди, содержащая ~ 0,6% меди, представляла собой смесь малахита и песка для игровых площадок. Малахит (Западный рудник Машамба) был измельчен в два этапа: первоначальное дробление в банке для супа в качестве ступки и деревянного бруска и восьмифунтовой кувалды в качестве пестика. Окончательное измельчение осуществляли в стандартной фарфоровой ступке с пестиком. (Окончательное измельчение можно пропустить, если нет подходящей ступки и пестика, но окончательный выход металлической меди может быть ниже.) До ~ 1 кг (~ 650 мл) высушенного песка для игровых площадок в литровом пластиковом стакане для смешивания краски (а еще лучше банку с крышкой) добавили около десяти грамм точно взвешенного малахитового порошка.(Точное взвешивание необязательно, если вы просто хотите получить некоторое количество меди.) Крышку банки закрыли и смесь тщательно встряхнули на открытом воздухе, чтобы избежать контакта с содержащей медь пылью. При отсутствии баночки с крышкой смесь можно просто тщательно перемешать. После смешивания смесь малахита и песка выливали в перевернутую емкость для выщелачивания бутылки из-под газировки.

Чистая серная кислота легкодоступна, но продукт для чистки канализации на основе серной кислоты является жизнеспособной и более дешевой альтернативой. Многочисленные составы, содержащие высокие концентрации серной кислоты, легко доступны в хозяйственных магазинах и магазинах товаров для дома.Одним из таких продуктов является Liquid Fire, который, согласно паспорту безопасности 6 , представляет собой смесь концентрированной (98%) серной кислоты и Rhodine 31a. (Родин 31а представляет собой коричневую сложную смесь органических молекул, используемую для замедления коррозии металлов. Ингибитор не требуется для процесса выщелачивания и, по-видимому, не мешает ему.) Выщелачивающий раствор готовили путем осторожного и медленного добавления 30 мл Liquid Fire на 750 мл водопроводной воды в сосуде объемом не менее одного литра. Как и при любом добавлении сильной кислоты в воду, в процессе разбавления выделяется тепло.Всегда добавляйте кислоту в воду и никогда не добавляйте воду в кислоту, чтобы избежать взрывоопасного кипения смеси.

Готовые растворы серной кислоты можно приобрести в Интернете (рекомендуется концентрация 1 М). Его использование позволяет избежать опасностей разбавления, упомянутых выше, но увеличивает стоимость модельного процесса выщелачивания.

Под установкой для выщелачивания был установлен двухлитровый улавливающий сосуд. При полностью закрытом перепускном клапане выщелачивающий раствор медленно выливали на песок, соблюдая осторожность, чтобы избежать разбрызгивания и свести к минимуму слишком сильное нарушение поверхности.Оборудование, используемое на этом этапе, очищали обильным ополаскиванием водопроводной водой (раковина в садовом домике или прачечной).

Процесс выщелачивания оставляли на ночь, после чего осторожно открывали клапан для слива интенсивно синего (растворенного Cu 2+ ) PLS в улавливающую емкость. Еще 300 мл водопроводной воды сливали через песок в тот же сосуд PLS, чтобы смыть оставшуюся растворенную медь. «Руда» была истощена, и банка была выброшена на свалку.

Металлическая медь была извлечена методом металлолома. (Электрохимический метод описан ниже.) Для этого этапа можно использовать любой стальной или железный лом. Во время разработки этой модели было замечено, что большая площадь поверхности приводит к более быстрому осаждению меди, но с конкурирующим действием серной кислоты на железо. Даже после завершения осаждения меди железо продолжает реагировать с кислым раствором. Если эта кислотная атака слишком быстрая (поскольку поверхность железа велика) или длительная (поскольку вся медь выпала в осадок, но железо все еще находится в контакте с кислотой), кислотность раствора значительно падает, и медь загрязняется ржавым гидроксидом/оксидом железа. (в основном лимонит).

Три стальных стержня, предварительно отшлифованных для удаления ржавчины, жира, краски и т. д., размером примерно 15 x 1,5 x 0,3 см были погружены (на равном расстоянии друг от друга) в PLS, оставив несколько сантиметров открытыми для облегчения обращения. В течение часа образуется красно-коричневый и несколько шламистый осадок меди. Со временем синий цвет изменился с синего (Cu 2+ ) на сине-зеленый (Cu 2+ и Fe 3+ ) на светло-зеленый (только Fe 3+ ) или на бесцветный по мере осаждения меди. Процесс продолжался в течение ночи (рис. 4а и 4б).


Отложение меди и обесцвечивание PLS могут прекратиться, когда железо полностью покроется отложениями меди, а концентрация меди рядом с железом упадет. Перемешивание позволило бы процессу протекать дальше и быстрее, но за счет образования осадка меди, который труднее собрать.

При осаждении меди железо растворяется. Кроме того, некоторое количество железа теряется из-за конкурирующей, но более медленной реакции с H 2 SO 4 . Со временем железные стержни подвергаются значительной коррозии в результате этих реакций (рис. 5).


Слишком длительное протекание процесса осаждения меди может привести к загрязнению меди ржавыми осадками гидроксида/оксида железа, образующимися по мере снижения кислотности раствора (повышения pH).

Если вас интересует только производство меди, снимите стальные прутья и полюбуйтесь на свою работу. (Сделайте фотографии, чтобы записать свои эксперименты.) Губчатый осадок меди имеет плохую когезию и легко отпадает от стали. Чтобы измерить эффективность процесса выщелачивания и извлечения, необходимо высушить и взвесить медь, а также удалить дополнительное количество меди из выщелачивающего раствора.Медный осадок удаляли со стали путем осторожного соскабливания зубочисткой, позволяя меди упасть на дно контейнера. Когда раствор в основном осветлился, жидкость осторожно переливали (декантировали) в другой сосуд, оставляя как можно больше твердой меди. (Невозможно избежать крошечных потерь очень мелкодисперсной меди.) Медь промывали, добавляя несколько мл чистой воды, осторожно взбалтывая, давая отстояться и снова декантируя.Эту промывку повторяли еще раз. Пипетка большой емкости облегчила удаление остатков воды. Все декантированные растворы объединяли с отработанным выщелачивающим раствором для извлечения дополнительного количества меди.

Небольшой термостойкий стеклянный сосуд, такой как химический стакан из пирекса на 100 мл, был точно взвешен. Медь промывали в этот стакан, используя минимально возможный объем воды. Максимально возможное количество надосадочной воды удаляли декантацией или пипеткой. Для переноса всей меди во взвешиваемый сосуд может потребоваться несколько циклов промывки/декантации.Промывка необходима для удаления остаточной кислоты, невосстановленного CuSO 4 и других примесей, которые изменяют вес и приводят к ошибочному расчету выхода.

Медь сушат на горячей плите, сначала осторожно, чтобы избежать кипения. Когда вода перестает конденсироваться в верхних частях стакана, нагревание увеличивают для завершения процесса сушки. Через 10 минут химический стакан снимают с плиты с помощью щипцов или прихваток. Помните, что горячее стекло не выглядит горячим! Стакану дали остыть до комнатной температуры и записали вес стакана вместе с медью.(Если вес колеблется, стакан, вероятно, недостаточно остыл для получения точного веса.) Цикл нагревания/охлаждения/взвешивания повторяли по мере необходимости до тех пор, пока вес не становился постоянным. (Это называется нагревом до постоянного веса .)

Если нет нагревательной плиты, воду можно выпаривать при температуре окружающей среды до постоянного веса в течение недели или более по мере необходимости.

Вторую и даже третью партию меди можно получить из объединенного отработанного выщелачивающего раствора и промывных вод путем повторения цикла обработки железа и извлечения меди, как описано выше.Обратите внимание на уменьшение количества меди, произведенной во время последующих циклов.

На заключительном этапе был определен выход (эффективность) процесса. Малахит содержит 57,5% меди по весу, поэтому на каждые 10,00 граммов используемого малахита теоретический выход меди составляет 5,75 грамма. Эффективность выщелачивания рассчитывается по формуле:

Эффективность = (общее количество извлеченной меди в граммах / теоретический выход меди) x 100 %


Ни один химический процесс не может быть эффективным на 100%; для этой процедуры типична эффективность 60-90%.Эффективность более 100% указывает на то, что медь загрязнена, возможно, из-за того, что она содержит остатки гидроксида/оксида железа и/или воду.

Отработанный выщелачивающий раствор был утилизирован путем смывания в канализацию большим количеством воды. Медные и железные полосы были выброшены в перерабатываемый мусор.

Медь также была извлечена с помощью электролиза (способствования химической реакции с электричеством). Базовая установка включает источник питания и два электрода. Источник питания должен обеспечивать постоянный ток в течение нескольких часов.Обычные батареи обычно разряжаются до завершения электролиза, вызывая различные проблемы. Можно использовать адаптер питания, такой как зарядное устройство для сотового телефона, но убедитесь, что на выходе используется постоянный ток (DC; ток всегда течет в одном направлении), а не переменный ток (AC; ток быстро меняет направление). Идеально подойдет регулируемый блок питания ; многие устройства доступны по цене 100 долларов или меньше.

Электроды обеспечивают поверхность, по которой электроны могут втекать в раствор (катод) и покидать раствор (анод).На катоде Cu 2+ восстанавливается с получением металлической меди. Вода окисляется (теряет e ) на аноде для регенерации кислоты (H + ):

Катодная реакция: Cu 2+ + 2e → Cu (твердая)

Анодная реакция: H 2 O → 2H + + 2e


Анод изготовлен из меди, чтобы облегчить дальнейшую очистку осевшей на нем меди. Катод, в принципе, может быть любым электропроводящим материалом, но для этой процедуры наиболее пригодным оказался свинец.

Для катода был вырезан лист меди толщиной 0,6 мм до размеров 13 х 5,5 см с язычком 1 х 4,5 см наверху для подключения к источнику питания. При тех же размерах анод был вырезан из свинцового листа толщиной 1,8 мм. Толщина и размеры электрода не имеют решающего значения. Большие площади поверхности дают более быструю реакцию, но электроды не должны касаться дна сосуда. Медный катод был присоединен к отрицательной (черной) клемме источника питания, а свинцовый анод — к красной (положительной) клемме.Полная установка для электролиза показана на рис. 6.


Блок питания был настроен на 5,00 вольт и 3,00 ампера. (Можно использовать более низкую настройку тока, но за счет скорости реакции. Это имеет смысл, поскольку ток пропорционален количеству электронов, протекающих через цепь в секунду.) Почти сразу после включения тока появляется красный индикатор. На катоде стал появляться бурый осадок меди.

Для некоторого ускорения реакции использовали осторожное магнитное перемешивание.Следует избегать сильного перемешивания, так как это может привести к смещению осадка меди на катоде.

В ходе электролиза Cu 2+ израсходовалась, и синяя окраска исчезла. Когда концентрация Cu 2+ низкая, синий цвет может быть настолько слабым, что кажется бесцветным. Таким образом, электролиз продолжали по крайней мере в течение часа после полного исчезновения цвета. В завершение на катод было нанесено плотное покрытие из мелкодисперсной меди (рис. 7).


Когда электролиз был завершен, осадок меди собирали и сушили, а выход рассчитывали, как описано выше.Выходы для электролитического процесса примерно равны выходам для процесса с металлическим железом.

Электролиз воды конкурирует с восстановлением Cu 2+ , вызывая образование пузырьков газообразного водорода на катоде и газообразного кислорода на аноде. Это было проверено в отдельном электролизе раствора CuSO 4 /H 2 SO 4 путем сбора газа каждого электрода в отдельной пробирке. Когда горящую деревянную лучину подносили к отверстию анодной газовой трубки, газообразный водород мягко взрывался с характерным «лаем».К отверстию катодной газовой трубки подносили тлеющую (не воспламеняющуюся) шину, заставляя ее воспламеняться, что проверяло наличие кислорода.

Можно представить себе, как сделать процесс электролиза более экономичным и экологически безопасным, используя возобновляемый источник электроэнергии. Кроме того, отработанный выщелачивающий раствор можно повторно использовать после электролиза. Часть кислоты расходуется на растворение малахита, но регенерируется при электролизе. Измерения кислотности показали увеличение рН (падение кислотности) в процессе выщелачивания и снижение рН (увеличение кислотности) во время электролиза.Раствор был сильно кислым в течение всего цикла выщелачивания/электролиза с рН равным или ниже нуля. Выход меди из электролитически регенерированного выщелачивающего раствора был на одном уровне с выходом из первичного выщелачивающего раствора. Процедура осаждения железа для извлечения меди представляется менее желательной, поскольку кислотность выщелачивающего раствора не восстанавливается с помощью этого метода.

Помимо малахита, этот процесс выщелачивания/извлечения дал аналогичные выходы для азурита — Cu 3 (CO 3 ) 2 (OH) 2 (55.3 весовых процента меди), а куприт — Cu 2 O (88,8 весовых процента меди). Он также работает для хризоколлы — (Cu,Al) 2 H 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ·nH 2 O, но для этого минерала выход определить не удалось, т.к. доступная хризоколла была нечистой, а также потому, что этот минерал не имеет фиксированного химического состава (переменное количество воды).

Ссылки. Последний раз ко всем веб-страницам обращались 10 марта 2022 г. Все фотографии сделаны автором или находятся в свободном доступе.

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Peak_copper

2.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.