Mechanical properties of chemical modified wood of load-bearing constructions

Abstract (Swedish)

Det går inte att bortse från den stora efterfråga som idag råder gällande ny utveckling av metoder för att ersätta icke förnybara material (så som stål och betong exempelvis) med förnybara material (såsom trä) i lastbärande konstruktioner. Trä som material har en del nackdelar och det är just dessa man skulle vilja eliminera eller begränsa för att nå fram till ett material med minimal påverkan för miljön både under produktion, användandet och i slutet av sin livstid.

Syftet med denna rapport är att studera och bestämma de mekaniska egenskaperna för acetylerat Svensk furu, Pinus Sylvestris. Vidare, är målet även för att få en bättre förståelse för hur acetylering fungerar och hur det påverkar materialet. Metoden för detta arbete är delvis experimentellt men består även av en litteraturstudie. Testerna ämnade att bestämma densitet, fuktkvot, elasticitetsmodul, hålkantshållfasthet (både parallellt och vinkelrätt fiberriktningen) och skjuvkapacitet i förband. Dymlingsstorlekar med diameter 12, 16 och 20 mm användes.

Olika sätt för att modifiera trä är beskrivna i sin korthet såsom furfurylering och termisk modifiering, dess för- och nackdelar för respektive metod är även utredda. Den tredje metoden som studerats mer noggrant är acetylering. Globalt sett ses acetylering som den mest lovande metoden för att förbättra de mekaniska egenskaperna för trä. Acetylering är en kemisk reaktion som sker i cellväggen av träet. Denna reaktion innebär att ättiksyraanhydrid reagerar med hydroxylgrupper och bidrar till en viss svällning av träet. Biprodukten av acetylering är ättiksyra, där ljust trä blir något mörkare utav acetylering och mörkare trä bleks något. Att acetylera trä har fler fördelar såsom att stabiliteten ökar med 70-80%, jämviktsfuktkvoten minskar och träet blir mer motståndskraftigt mot svamp- och rötangrepp.

Testerna visade, som väntat, att fuktkvoten av den acetylerade Svenska furan var lägre i relation till obehandlat trä vilket ger dess förbättrade motstånd mot biologiska angrepp. Resultaten visade även att dess medeldensitet var 618 kg/m3 och dess karakteristiska densitet var omkring 530 kg/m3. Jämfört med icke modifierat trä (C24) nåddes en densitetökning på 52%. Vidare ger en högre densitet en högre hålkantshållfasthet. Den provade karakteristiska hålkantshållfastheten (parallell fibrerna) var genomgående högre än den beräknade karakteristiska hållkantshållfastheten. Tvärtom var det för testen utförda vinkelrätt fibrerna.

Medelvärdet av elasticitetsmodulen resulterade i 14,9 GPa för acetylerad svensk furu medan den karakteristiska elasticitetsmodulen var 9,2-9,8 GPa (för normal- och logaritmisk normal fördelning). Detta kan sättas i relation till konstruktionsvirke (C24) som har en karakteristisk elasticitetsmodul på 7,4 GPa.

Ytterligare var en högre skjuvkapacitet i förband (i relation till icke modifierat trä) förväntad och även nådd, då hålkantshållfastheten var högre. Brottmoderna och deformationskurvorna från testerna tyder på att ingen plasticering av träet uppstått innan brott. Detta pekar åt att standarderna som idag finns inte är helt och hållet applicerbara för acetylerad Svensk furu. Ett större avstånd till ände eller möjligtvis armering/förstärkning av träet på något sätt kan vara ett måste för att få en mer duktil brottmod då materialet upplevs som sprödare.

Popular Abstract (Swedish)

Tänk om man kunde skapa ett lastbärande material som var lika lätt och starkt som trä och samtidigt lika opåverkat av sin omgivande miljö som stål och betong. Faktum är att det går, svaret heter acetylering av trä. Acetylerat trä ökar avsevärt sin motståndskraft mot eventuella angrepp och bibehåller sina dimensioner trots förändrad fukthalt i omgivande miljö jämfört med icke acetylerat trä. Samtidigt kvarstår materialets styrka och lätthet.
Med dagens rådande miljöförändringar är det omöjligt att borste från det behov vi och vårt samhälle har utav förnybara material inom byggbranschen. Orden ”förnybart material” innebär ett material som hela tiden förnyas och inte tar slut inom en överblickbar framtid. Trä är ett exempel på ett förnybart material då antalet nyplanterade träd är fler än antalet fällda träd per år. Fortsätter vi att bygga med icke förnybara material som stål, betong och plast som leder till avsevärt högre koldioxidutsläpp än trä gör är det omöjligt att minska utsläppen och dagens påverkan på miljön.

Målet är att hitta ett förnybart lastbärande material som kan motstå förändringar i fukthalten (den mängd vatten som finns i atmosfären) i omgivningen och är motståndskraftigt mot biologiskt angrepp som svamp och insekter - just de egenskaper som trä inte har i nuläget men som stål och betong besitter. Detta önskvärda, förnybara och beständiga material ska ha en lika liten påverkan på miljön under både framtagningen, användandet och efter sin livstid som trä har. Ett sådant material hade utan tvekan konkurrerat ut alla andra lastbärande material.

Svaret heter acetylering av trä. Acetylering innebär att man tillsätter en ogiftig vätska (ättiksyraanhydrid) till träet och på så sätt förändrar man träets struktur nere på cellnivå. Biprodukten av acetylering är vanlig ättiksyra som inte heller är giftig. Studier har visat att genom att acetylera trä minskar man och i vissa fall eliminerar helt en del av träets naturliga negativa egenskaper. Egenskaper som känslighet mot förändring av fukthalt i omgivande miljö är inte längre ett större problem. Träet blir dessutom motståndskraftigare mot biologiskt angrepp. Målsättningen med rapporten är att bestämma styrkan hos acetylerad Svenska fura (tall). Vidare är syftet även att skapa en större kunskap om acetylering, väcka ett intresse i branschen och skapa ett underlag för vidare forskning. För att kunna bestämma styrkan hos den acetylerade furan mättes densitet (dess vikt per volymenhet), materialet elasticitetmodul (dess styvhet) och skjuvkapacitet i ett förband (styrkan att motstå dragkraft).

Resultaten visar att densiteten ökar (52%) och styvheten ökar (35%) och skjuvkapaciteten ökade. Med ett styvare material kan man dra en jämförelse med ett gummiband och en penna, där pennan är styvare och har en högre elasticitetsmodul än vad t.ex. gummibandet har. Dock pekar det sättet träet gick till brott mot att materialet är sprödare. Detta innebär att de standarder och förhållningssätt som idag finns inte är helt applicerbara för acetylerad Svensk fura. Utöver detta är det nu fastställt att acetylerad fura är ett lätt, starkt, motståndskraftigt och förnybart material som i framtiden skulle kunna konkurrera ut andra lastbärande material. I den framtid är både människor och miljö vinnare.

• author: Anderberg, Sandra
• supervisor: Roberto Crocetti
• organization: Division of Structural Engineering
• alternative title: Mekaniska egenskaper för kemiskt modifierat trä i lastbärande konstruktioner
• course: VBK920 20161
• year: 2016
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: kemisk modifiering, trä, acetylering, mekaniska egenskaper, densitet, fruktkvot, elasticitetsmodul, hålkantshållfasthet, bärförmåga i träförband, skandinavisk tall, Pinus Sylvestris, lastbärande konstruktion
• publication/series: TVBK-5257
• report number: TVBK-5257
• ISSN: 0349-4969
• language: Swedish
• additional info: Examinator: Eva Frühwald Hansson
• id: 8895545
• date added to LUP: 2016-12-01 08:58:15
• date last changed: 2016-12-01 08:58:15