Рентгеновские методы
УДК 620.179.15
ФИЗИЧЕСКИЕ НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ И ОЦЕНКА СТРУКТУРЫ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
А.Н. Чубинский, А.А. Тамби, А.В. Теппоев, Н.И. Ананьева, С. О. Семишкур, М.А. Бахшиева
Режимы обработки и эксплуатационные свойства древесных материалов во многом зависят от строения, плотности и влажности древесины, определение которых традиционными методами в условиях производства представляет огромные трудности. Поэтому в последние годы в области производства материалов из древесины и исследования их свойств проявляется интерес к применению физических неразрушающих методов испытаний. Выполненные исследования показали возможность использования компьютерной и магнитно-резонансной томографии для оценки скрытых пороков древесины, ее плотности и влажности. Особый интерес представляет совмещение применения этих методов, позволяющее повысить достоверность оценки плотности древесины, на основе которой прогнозируется прочность будущих пиломатериалов.
Применение рентгенографии дает возможность не только установить структуру древесины и клеевого слоя, но и косвенно оценить прочность склеивания.
Ключевые слова: древесина, пиломатериалы, строение, плотность, влажность, компьютерная томография, магнитно-резонансная томография, рентгенография.
ВВЕДЕНИЕ
Древесина, являясь природным растительным полимером, как конструкционный материал имеет ряд недостатков, которые, с одной стороны, могут быть выявлены с использованием физических методов контроля, с другой — требуют учета специфики строения и свойств древесины, способных повлиять на достоверность и точность результатов, полученных с помощью этих методов. К основным естественным признакам древесины относят неоднородность строения, анизотропию свойств и наличие пороков. Неоднородность строения и изменчивость свойств относятся к древесине не только разных пород, произрастающих в различных типах лесов, но и одной породы, даже одного дерева.
Физические и механические свойства древесины, измеряемые на малых образцах, зависят от места выборки образцов из ствола и направления усилия по отношению к направлению волокон, а на больших — не только от направления волокон, но и количества и состояния пороков древесины, в первую очередь сучков. Это является следствием неоднородного строения древесины как на макро-, так и мезо-, микро- и наноуровнях.
Наноструктурные различия характерны для клеточной стенки, состоящей из пучков микромолекул целлюлозы, объединенных в микрофибриллы. которые образуют оболочки клеточной стенки как с ориентированными, так и неориентированными слоями.
Анатолий Николаевич Чубинский, доктор техн. наук, профессор Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета. E-mail: a.n.chubinsky@gmail.com
Александр Алексеевич Тамби, канд. техн. наук, доцент Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета. E-mail: a_tambi@mail.ru
Алексей Викторович Теппоев, канд. техн. наук, доцент Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета. E-mail: avt01@inbox.ru
Наталия Исаева Ананьева, доктор медицинских наук Санкт-Петербургского научно-исследовательского психоневрологического института им. В.М. Бехтерева. E-mail: ananieva_n@mail.ru
Сергей Олегович Семишкур, аспирант Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета. E-mail: s.semishkur@gmail.ru
Мария Абидовна Бахшиева, аспирант Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета. E-mail: bahshi_mari@mail.ru
На микро- и мезоуровнях различные породы древесины отличаются видом, формой, размерами и свойствами клеток, от которых зависят физико-механические свойства древесины, в том числе ее плотность и влажность.
Различия на макроуровне обусловлены наличием у древесного ствола нескольких зон (сердцевины, ядра (спелой древесины), заболони и коры), выполняющих различные функции и характеризующихся разными свойствами, а также пороков, существенно влияющих на механические свойства древесины.
Традиционная неразрушающая визуальная оценка с применением универсальных измерительных средств позволяет определить размеры и форму пиловочных бревен, оценить поверхностные сучки, на основании которых не представляется возможным прогнозировать сортность будущих пиломатериалов и их прочность.
Основными физическими свойствами древесины, определяющими их несущую способность и технологию обработки, являются плотность и влажность [1, 2], которые имеют существенное различие в разных частях ствола дерева (рис. 1). Поэтому в процессах обработки древесины в режиме реального времени необходимо контролировать состояние древесных сортиментов и сортировать их на группы, отличающиеся влажностью и плотностью.
1
0,9 0,8
0,7 йц
,а
0,6 %
0,3 I
о
0,2 4 0,1 0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Доли радиуса ствола, Я
Рис. 1. Распределение плотности по стволу сосны при 12-процентной влажности, кг/м3: 1 — 400 — 450; 2 — 450 — 500; 5 — 500 — 550; 4 — 550 — 600.
Использование для определения плотности и влажности древесины традиционных способов контроля (рис. 2) не представляется возможным вследствие их длительности и необходимости разрушения сортиментов, подлежащих контролю.
Разработка новых принципов оценки физических свойств круглых лесоматериалов и прогнозирования свойств продукции позволит изменить подход к определению качества сортиментов. Помимо визуально устанавливаемых размерно-качественных характеристик и породного состава сырья на лесозаготовительных предприятиях необходимо разделять сортименты по назначению и виду продукции, для изготовления которой она может быть использована. Такой подход повысит качественный товарный выход, а также будет соответствовать требованиям рационального природопользования, поскольку позволит значительно снизить удельный расход сырья в производстве конструкционных материалов из древесины.
-р
1 /
У
/ /
/
/ -Ч 2
/ /
N.
/ ✓
✓ 3
/ / ]
/ / г У 4 Ч ч
Методы испытания и контроля состояния древесины
Традиционные
1 1
Визуальная оценка Влагометрия Механические испытания
Инновационные
Ультразвуковая диагностика
Микроскопия
Механические испытания прочности и деформативности при кратковременном постоянном нагружении
Механические
испытания при длительном нагружении
При постоянных нагрузках
При переменных нагрузках
§
и
и и О
о &
<и
н Г)
Л
о
с
Про свечиваюгцая
Растровая (сканирующая)
-При сжатии
- При растяжении
- При изгибе
- При сдвиге (скалывании) " При кручении
- При вдавливании тел (твердость) При истирании
- При выдергивании внедренных тел (шурупоудерживаюгцая способность)
Рис. 2. Классификация методов испытаний и контроля состояния древесины [1—11].
Томография
I
й &
о
§< К I.
О .©с
3 я о §
В индустриально развитых странах для оценки формы и размеров лесоматериалов находит применение лазерное сканирование (рис. 3), а для идентификации внутреннего строения лесоматериалов — компьютерная томография (КТ) [1].
Выполненные нами исследования доказали возможность использования физических методов исследования (рентгенографии, компьютерной томографии, магнитно-резонансной томографии (МРТ)) для оценки структуры и состояния древесины и древесных материалов в процессе обработки.
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЙ
Для проведения исследований использовали древесину сосны и ели Ленинградской области, возраст которой составил 80—100 лет. Заготовленные хлысты распиливали по длине на секции длиной 0,5 м. Для полученных секций методами компьютерной и магнитно-резонансной томографии определяли внутреннюю структуру, плотность и влажность по объему сортиментов. Далее из образцов получали секции размерами 20*20*30 мм, у которых определяли те же параметры стандартными методами при разных уровнях влажности.
Оценка распределения плотности по объему круглых лесоматериалов, а также их внутренней структуры выполнена методом компьютерной томографии на мультислайсовом компьютерном рентгеновском томографе PHILIPS BRILLIANCE 64, позволяющем выводить визуальную информацию о внутренней структуре на дисплей с одновременной фиксацией рентгеновского ослабления по шкале Хаунсфилда.
Оценка внутренней структуры сортиментов и распределения влажности по объему выполнена методом магнитно-резонансной томографии, основанном на измерении электромагнитного отклика атомов водорода на возбуждение определенной комбинацией электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряженности. Исследуемые объекты в виде круглых лесоматериалов помещали в постоянное магнитное поле напряженностью 1,5 Тл с последующим выполнением импульсной последовательности (ИП) PD/T2 для получения визуального отображения распределения зон в древесине с различным уровнем влажности [12, 13].
Оценку свойств пиломатериалов и качественных характеристик клеевого соединения осуществляли с помощью стандартного рентгеновского аппарата с рентгеновской трубкой марки CHIRAGRAFS мощностью 48 кВт и фокусным расстоянием 110 мм, время экспозиции — 0,04 с. Прочность клеевого соединения определяли на основе ее зависимости от толщины зоны древесины, пропитанной клеем (толщины клеевого слоя).
Проникновение клея в древесину изучали с использованием электронного сканирующего микроскопа ШОЬ 18М-35.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ
Результаты исследований, выполненных с использованием компьютерной и магнитно-резонансной томографии, представлены на рис. 4—7.
Рис. 4. Поперечный разрез древесины сосны, полученный методом КТ (установление скрытых сучков).
Рис. 5. Поперечный разрез древесины ели, полученный методом КТ (установление структуры древесины на поперечном срезе).
шпона). Рис. 7. Определение изменения интенсивно-
сти сигнала в зависимости от влажности разных частей ствола дерева (при исследовании методом МРТ).
Анализ этих рез
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.