Mechanical properties of sound and of deteriorated softwood at different length scales : poromicromechanical modeling and experimental investigations

Abstract

Mechanische Eigenschaften von Holz sind stark richtungsabhängig und breit gestreut aufgrund seines natürlichen Ursprungs und heterogenen Aufbaus. Ähnlich wie bei anderen biologischen Materialien ist auch die Holzmikrostruktur streng hierarchisch gegliedert, beginnend bei den mit freiem Auge ersichtlichen Jahrringen bis hin zu den Holzpolymeren Zellulose, Hemizellulose und Lignin auf der Nanometer-Ebene. Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Gewinnung eines tieferen Verständnisses des Einflusses unterschiedlicher hierarchischer Ebenen und deren physikalischen und chemischen Eigenschaften auf das mechanische Verhalten von fehlerfreiem Holz und abgebautem Holz durch die Anwendung mikromechanischer Modellierung und experimenteller Methoden.<br />Diese Arbeit beinhaltet die Neuformulierung eines bestehenden Mikromechanikmodells für das elastische Verhalten und elastische Grenzzustände von Holz im Rahmen der Poromechanik. Das entwickelte poromikromechanische Mehrskalenmodell erlaubt die Untersuchung der mechanischen Funktion von Zellwandwasser auf unterschiedlichen hierarchischen Ebenen. Im weiteren Sinne lässt sich mit diesem Modell die Übertragung von Eigenspannungen in der Zellwand bis zur makroskopischen Ebene untersuchen. Darüber hinaus werden mit Hilfe dieses Modells Versagensspannungen von Nadelholz von einem mikroskopischen Versagenskriterium für Lignin abgeleitet. Die Eignung dieses Modellierungsansatzes wird durch die zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen vorhergesagten Versagensspannungen mit experimentellen Werten aus biaxialen Festigkeitsversuchen an Fichtenholz unterstrichen.<br />Eibenholz besitzt im Vergleich zu anderen Nadelhölzern außergewöhnliche mechanische Eigenschaften, die sich aus teilweise stark abweichenden mikrostrukturellen Eigenschaften der Eibe ergeben. Die Beziehung zwischen Mikrostruktur und Steifigkeiten der Eibe und deren Vergleich zur Fichte werden mit Hilfe des poromikromechanischen Modells und mechanischen Versuchen auf unterschiedlichen Längenskalen erforscht, womit sich auch eine erweiterte Modellvalidierung ergibt. Es stellt sich heraus, dass die Unterschiede im Mikrofibrilenwinkel der S2 Zellwandschicht und in der Dichte zwischen den beiden Holzarten einen größeren Einfluss haben als die Unterschiede in der Jahrringstruktur.<br />Außerdem wird die Eignung des poromikromechanischen Modells zur Beschreibung von Änderungen im mechanischen Verhalten von pilzabgebautem Holz aufgezeigt. Als Basis für die Modellierung werden Beziehungen zwischen der Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften von abgebautem Holz experimentell untersucht. Es werden Änderungen im mechanischen Verhalten und in der Mikrostruktur vorgestellt, die an Kieferproben aus genormten Dauerhaftigkeitsversuchen mit einem Braunfäulepilz (Gloeophyllum trabeum) und einem Weißfäulepilz (Trametes versicolor) gemessen wurden. Es stellt sich heraus, dass die transversalen Steifigkeiten sensibler auf den Abbau reagieren als die longitudinale Steifigkeit, vor allem durch den erheblichen Abbau von Hemizellulosen.<br />Darüber hinaus zeigt sich, dass Anisotropiefaktoren aus den mit Hilfe von Ultraschall bestimmten Steifigkeiten einen Rückschluss auf Abbaumechanismen der beiden verwendeten Pilze erlauben. Letztlich werden die mechanischen Versuche durch mikromechanische Modellierung vervollständigt, wobei das Mikromechanikmodell erweitert wird, um abbauspezifische Mikrostruktureigenschaften berücksichtigen zu können.<br />

Due to its natural origin and its inherent heterogeneities, mechanical properties of wood are highly anisotropic and show a broad variability, not only between different wood species, but also within a tree. Similar to other biological materials, the wood microstructure is well organized and hierarchically structured from the annual rings visible to the naked eye down to the wood polymers cellulose, hemicellulose, and lignin at the nanometer-scale. This thesis aims at a deeper understanding of the role of different hierarchical levels and their corresponding physical and chemical characteristics in relation to mechanical properties of sound wood and deteriorated wood. This is achieved by means of micromechanical modeling and experimental analyses.<br />This thesis starts with the re-formulation of an existing micromechanical model for the elastic behavior and elastic limit states of wood in the framework of poromechanics. The mechanical role of cell wall water at different hierarchical levels is investigated by means of this model. In a broader sense, the developed model allows to investigate the transition of eigenstresses from the cell wall to the softwood level. Moreover, this poromicromechanical model forms the basis for subsequent consideration of a microscopic failure criterion for lignin for the derivation of softwood failure stresses. The suitability of the modeling approach is underlined by a satisfactory agreement of the model-predicted failure stresses with experimental results of biaxial strength tests on Norway spruce.<br />As a result of partly considerably different microstructural characteristics, Common yew exhibits exceptional mechanical properties compared to other softwood species. The relation between microstructure and stiffness properties of Common yew and Norway spruce are investigated by means of the poromicromechanical model and mechanical tests across various length scales. Moreover, this offers the opportunity of a broader model validation. The influence of differences in microfibril angle of the S2 cell wall layer and in mass density between yew and spruce is found to be more dominant than the influence of differences in the annual ring characteristics.<br />The suitability of the poromicromechanical model to predict changes in mechanical properties upon fungal decay is demonstrated. For this purpose, relationships between microstructure and mechanical properties of deteriorated wood are experimentally explored. Changes in mechanical properties and in the microstructure, measured at pine wood samples after standard wood durability tests using one brown rot fungus (Gloeophyllum trabeum) and one white rot fungus (Trametes versicolor), are presented. Transversal stiffnesses are revealed to be more sensitive to degradation than longitudinal stiffness, particularly as a result of pronounced degradation of hemicelluloses. Moreover, ultrasonically derived anisotropy ratios of elastic stiffnesses allow to identify certain degradation mechanisms of the two considered fungi. The experimental campaign is complemented by micromechanical modeling. For this purpose, the micromechanical model is extended to take into account degradation-specific microstructural characteristics.