Ispitivanje tvrdoće drveta

Slika 1. Tvrdoća drveta može biti određena paralelno sa vlakancima - poprečna tvrdoća ili upravno na vlakanca - bočna tvrdoća.

Tvrdoća drveta predstavlja značajan indikator kvaliteta i upotrebe drveta u građevinarstvu. Tu se prvenstveno misli na drvene podove odnosno parkete. Zbog svoje lepote, trajnosti, topline, lakog renoviranja i održavanja, pod od drveta je postao savršen i nezamenjiv materijal.

Zapravo u ovoj oblasti primene nailazimo vrlo često na podatke o tvrdoći drveta. Tvrdoća (engl. hardness, nem. härte) drveta predstavlja otpor koje drvo pruža prodiranju nekog drugog tvrđeg materijala u njegovu masu, odnosno zapreminu.

Prema pravcu dejstva sile, u odnosu na pravac protezanja vlakanaca, tvrdoća može biti određena paralelno sa vlakancima - poprečna tvrdoća ili upravno na vlakanca - bočna tvrdoća. Kod bočne tvrdoće pravac dejstva sile može biti upravan na prstenove prirasta - radijalna tvrdoća ili tangenta na njih – tangencijalna tvrdoća (slika 1).

Za ispitivanje tvrdoće drveta, danas se uglavnom koriste dve metode: metod po Brinelu i metod po Janki. Postupak ispitivanja tvrdoće po Brinelu (standard SRPS EN 1534) se sastoji u utiskivanju u drvo čelične kuglice prečnika 10 mm (slika 2). Uzorci za ispitivanje moraju biti prizmatični čije su stranice dužine približno 50 mm.

Određivanje tvrdoće se temelji na merenju otiska kuglice na površini drveta po dejstvom sile od 1 kN odnosno 1000 N. Otisak se ostvaruje postavljanjem indigo papira između kuglice i površine drveta. Utiskivanje mora biti ravnomerno, tako da se opterećenje od 1 kN postiže u prvih 15 ± 3 sekunde.

Zbog stabilizacije otiska, narednih 25 ± 5 sekundi, epruveta se drži pod dostignutim opterećenjem, a zatim se vrši rasterećenje. Otisak kod poprečne tvrdoće je u vidu kruga, a kod bočne eliptičnog oblika. Na taj način se kod poprečne tvrdoće mernom opremom meri jedan prečnik (slika 3), a kod bočne dva prečnika otiska pod pravim uglom jedan u odnosu na drugi: jedan duž vlakanaca – d1, a drugi upravno na vlakanca – d2 (slika 4), sa tačnošću od ± 0,2 mm.

Posle preciznog merenja prečnika, izračunavanje tvrdoće se vrši po formuli: 

Gde je: H_B - tvrdoća po Brinelu, izražena u N/mm² ili MPa, F – sila od 1000 N, D - prečnik kuglice - 10 mm, d - prečnik otiska (poprečna tvrdoća) ili srednji prečnik ako je bočna tvrdoća u pitanju d = (d1+d2)/2 u mm.

Slabost Brinel-ove metode se ogleda u tome što je kod veoma tvrdih vrsta drveća veličina otiska kuglice na površini drveta relativno mala, pa postoji realna mogućnost da se otisak nađe pretežno u zoni ranog ili kasnog drveta unutar jednog prstena prirasta, a time i da dođe do velike varijacije dobijenih rezultata zbog vrlo velike razlike u tvrdoćama ovih dveju zona.

Da bi se na neki način ukolonili nedostatci Brinel-ove metode, slovački naučnik Janka je predložio metod koja se sastoji u utvrđivanju sile koja je potrebna da se čelična kuglica prečnika 11,284 mm utisne u drvo do polovine svog prečnika od 5,642 mm (slika 5).

Na taj način se ostvaruje otisak na površini drveta od 1 cm² ili 100 mm². Tvrdoća po Janki se isto izražava u N/mm² odnosno u MPa tako što se u odnos stave potrebna sila u N i površina od 100 mm². Velika slabost ove metode je u prevelikoj dubini utiskivanja kuglice (skoro 6 mm – slika 6), tako da su  prednosti dobijene tvrdoće bliske vrednostima čvrstoće na pritisak za istu vrstu drveta, anatomski pravac i vlažnost.

U Evropi se najviše primenjuje Brinel-ov metod (EN 1534), a u Americi metod po Janki (ASTM D 1037-7). Prisutnost oba načina ispitivanja i uočene njihove slabosti nam govore da nijedan metod nije idealan. Smatra se da je Brinel-ov metod pogodniji za određivanje tvrdoće kod lakših, a Janki kod težih vrsta drveća. Vrlo često se kod uvoznih vrsta pojavljuju vrednosti tvrdoće po Janki, ali ne u N/mm².

Najčešći način prikazivanja je u lb, lbf, ili lbf (pound force) jedinicama, a često i u kgf (kilogram – force) jedinici. 1 pound-force = 4,4482 N, a 1 kgf = 9,81 N. Ako je tvrdoća drveta iskazana bez jedinice npr. samo kao broj 3500, onda se uglavnom misli na pound-force. U tom slučaju tvrdoća drveta u N/mm² iznosi: (3500 x 4,4482)/100 = 155,7 N/mm².

Tvrdoća drveta predstavlja značajan indikator kvaliteta i upotrebe drveta u građevinarstvu. Tu se prvenstveno misli na drvene podove, odnosno parkete. Zbog svoje lepote, trajnosti, topline, lakog renoviranja i održavanja, pod od drveta je postao savršen i nezamenjiv materijal. Zapravo u ovoj oblasti primene nailazimo vrlo često na podatke o tvrdoći.

Pretražujući internet prezentacije preduzeća, koje se bave proizvodnjom parketa, nađene su velike nepravilnosti u prikazivanju ovog svojstva drveta. Ovaj podatak može izazvati veliku konfuziju tako da niste sigurni kakvo drvo odnosno parket kupujete, tvrd ili mek. Naravno, svesni su prodavci da te brojke ne privlače toliku pažnju u poređenju sa bojom, teksturom i drugim trendovima.

Zbog svega navedenog, veoma je bitno, pri predstavljanju podataka o tvrdoći drveta, navesti o kom metodu se radi, pri kojoj vlažnosti i gustini je vršeno ispitivanje i što je najvažnije koja tvrdoća je u pitanju – poprečna ili bočna.

Poprečna tvrdoća kod drveta je za oko 30 do 40 % veća od bočne tvrdoće (radijalne i tangencijalne). Drvo vlažnosti 12 % se, prema poprečnoj tvrdoći po Janki, može podeliti na šest skala. Prema toj skali proizilazi da su domaće vrste vrlo meke do tvrde što je prikazano u tabeli.

Međutim, kod parketa je upravo važnija bočna tvrdoća.

Radijalna i tangencijalna tvrdoća imaju približno iste vrednosti, ali se kod poda od četinara ili prstenasto poroznih lišćara ispituje tangencijalna tvrdoća, odnosno tvrdoća na radijalnoj površini. Razlog tome leži u postojanju velike razlike u tvrdoći kasnog i ranog drveta na tangencijalnoj površini, a samim tim i veće varijacije u konačnoj vrednosti.

Treba znati da nisu sve uvozne vrste samim tim i tvrđe. Vrlo često trgovci iz marketinškog interesa a ustvari iz nedostatka stručnog znanja, reklamiraju uvozni parket npr. od drveta iroko kao veoma tvrd i to po ceni od 50 € /m². Međutim, ako pogledate svojstva ovog drveta videćete da je njegova bočna tvrdoća ista ili čak manja od iste tvrdoće kod domaćih vrsta bukve, hrasta ili graba.

Ako se npr. parket od graba ili hrasta može kupiti po nekoj prosečnoj ceni od 20 € /m² za ekstra, odnosno standard klasu, onda je cena od 50 €, za mekšu vrstu, ustvari prevara. U prilog ovim činjenicama, prikazane su vrednosti bočnih tvrdoća nekih domaćih i stranih vrsta drveća koje se pojavljuju na našem tržištu (grafikon). Vrednosti tvrdoće su pri vlažnosti od 10 do 12 % i prosečnoj vrednosti gustine za tu vrstu drveta.

Sa grafikona se vidi da najveću tvrdoću, od prikazanih, imaju strane vrste ipe i kumaru. Domaće vrste se nalaze u srednjem delu lestvice i imaju približno istu vrednost tvrdoće kao zebrano, kempas ili merbau, a veću od brazilskog eukaliptusa, iroka ili afričkog mahagonija. Interesantni su podaci o tvrdoći termički modifikovanog drveta koje je sve više prisutno u proizvodnji parketa.

Prema literaturnim podacima, termička modifikacija drveta uzrokuje smanjenje mehaničkih svojstava drveta za oko 30 %, međutim tvrdoća ostaje skoro nepromenjena, a kod nekih vrsta čak i veća nego kod netretiranog drveta. Uzrok može biti stvaranje takozvane „drvne skrame" na površini, koja nastaje od isparljivih organskih komponenata koje ulaze u sastav drveta.

U prilog tome govore i dobijene vrednosti o tvrdoći termodrveta hrasta kitnjaka koji su približno iste sa vrednostima netretiranog drveta. Istraživanja su sprovedena u Laboratoriji za svojstva drveta na Šumarskom fakultetu u Beogradu, gde je i proizvedeno termodrvo u laboratorijskim uslovima.

Treba napomenuti da pored vrste drveća i anatomskog pravca na tvrdoću drveta utiče i njegova gustina i vlažnost. Gustina utiče pozitivno, a vlažnost negativno. Važno je istaći da vlažnost drveta utiče na tvrdoću samo u higroskopnom području tj. u intervalu vlažnosti od 0 do 30 %. Ovaj uticaj vlažnosti je različit, tako da za poprečnu tvrdoću, 1 % povećanja vlažnosti izazvaće oko 4 % smanjenja tvrdoće, a kod bočne za oko 2,5 %.