Свойства древесины

Категория:
Промышленные материалы


Свойства древесины

Как материал древесина обладает рядом положительных свойств: высокой прочностью, особенно вдоль волокон, упругостью, небольшой объемной массой и теплопроводностью, невысокой стоимостью. Некоторые породы имеют красивый цвет и текстуру. Оценка прочностных свойств древесины в сопоставлении с другими материалами по коэффициенту конструктивного качества (ККК) показывает, что древесина как конструкционный материал превосходит по этому показателю обыкновенную сталь (0,70 против 0,51).

Обладая рядом положительных свойств, древесина имеет следующие основные недостатки:
— неоднородность строения и свойств вдоль и поперек волокон, а также по торцовому сечению ствола (анизотропность), что обусловливает нестабильность показателей прочности и теплопроводности древесины разных частей ствола; способность поглощать и отдавать влагу при изменениях влажности и температуры окружающего воздуха (гигроскопичность). Следствием гигроскопичности являются набухание и усушка. В сочетании с анизотропностью это вызывает появление внутренних напряжений, образование трещин и коробление;
— способность древесины изменять свои свойства под действием грибков и бактерий (загниваемость), что приводит вначале к изменению цвета, а затем к разрушению; сгораемость древесины, в результате чего деревянные конструкции являются огнеопасными и применение их ограничивается.

Физические свойства древесины. Древесина каждой породы имеет характерный цвет. Сосна, лиственница, дуб отличаются ярко выраженной окраской ядровон части; ель, оереза, липа не имеют такой окраски.

Цвет древесины может меняться. Так, например, только что спиленная ольха в результате окисления и действия света из светло-розовой становится желтовато-красной. Древесина дуба, каштана под действием раствора солей железа темнеет.

Блеск древесины зависит от количества, величины и расположения сердцевинных лучей. Больший блеск имеет древесина на радиальном разрезе, на котором сердцевинные лучи хорошо заметны, полностью открываются и занимают значительную площадь. Повышенным блеском отличается древесина дуба, бука, клена, платана и др. Блеск изделиям из древесины может быть придан отделкой лакокрасочными материалами и полировкой.

Текстура — это рисунок древесины на поверхности разреза. Текстура древесины зависит от ее строения, вида разреза и угла перерезания волокон. Древесина хвойных пброд обладает, как правило, однообразной текстурой, лиственных пород — более сложной, что высоко ценится при столярно-отделочных работах.

Цвет, блеск и текстура древесины являются признаками ее декоративности.

Запах является специфическим признаком древесины, зависит от вида и количества содержащихся в ней смол, эфирных масел и дубильных веществ. Свежесрубленная древесина имеет сравнительно сильный специфический запах, который ослабевает и изменяется по мере высыхания и при загнивании древесины.

Влажность характеризуется содержанием в древесине воды (%). Это один из наиболее существенных факторов, влияющих на прочность, объемную массу и другие свойства древесины. В срубленной древесине вода отрицательно влияет на механические, теплозащитные и другие свойства и способствует гниению.

Условно нормальной принимается влажность 15%, к ней приводят все показатели физических и механических свойств при испытаниях древесины.

Влажность свежесрубленной древесины 35% и выше, мокрой (сплавной) древесины — более 35%, воздушно-сухой древесины 15—20%, комнатно-сухой древесины 8—13%.

При содержании в древесине гигроскопической влаги в пределах 25 30% влажность соответствует предельной Wrm-p, или точке насыщения волокон, которая колеблется в зависимости от породы в пределах 25—35%.

Гигроскопичностью древесины называется свойство поглощать из воздуха пары воды, а также способность влажной древесины отдавать влагу в окружающую среду. Гигроскопичностью объясняются постоянные колебания влажности древесины, изменения массы, размеров и формы лесных материалов.

Поглощение древесиной влаги из воздуха зависит от температуры и относительной влажности воздуха. Между содержанием влаги в древесине и относительной влажностью воздуха существует зависимость. Зная, в каких условиях будет находиться древесина, можно определить ее равновесную влажность, пользуясь специальной диаграммой (рис. 1).

Одна из простейших мер защиты древесины от влияния меняющейся влажности воздуха — нанесение на ее поверхность красок и лаков.

Усушка и разбухание. По мере уменьшения влажности до точки насыщения (25—30%-ной влажности) древесина не меняет своих размеров. При дальнейшем снижении влажности древесина дает усушку С уменьшением линейных размеров и объема.

Рис. 1. Диаграмма зависимости влажности древесины от температуры и влажности воздуха

При увлажнении сухой древесины до точки насыщения волокон линейные размеры и объем увеличиваются — имеет место разбухание. Изменение линейных размеров и объема при разбухании или усушке пропорционально изменению содержания гигроскопической влаги, однако в связи с неоднородностью структуры и анизотропностью неодинаково в разных направлениях (по длине волокон около 0,1%, в радиальном направлении 3—6%, в тангенциальном 6—12%). Этим объясняется образование щелей в местах соединения элементов деревянных конструкций, продольное и поперечное коробление отдельных элементов, образование трещин и др. Растрескиванию наиболее подвержены лиственные породы. Свеже-срубленная древесина без коры более подвержена растрескиванию, чем с корой, однако хранить бревна в коре не следует, так как они загнивают. Следует снимать не всю кору, а часть ее — кольцами, затесами через определенные промежутки.

Плотность и объемная масса древесины. Плотность древесины зависит от вещества, из которого состоят стенки клеток, и в среднем равна 1,54 г/см3. Объемная масса древесины зависит от количества пор, заполненных воздухом, и влажности. Для большинства древесных пород она менее 1 г/см3.

По объемной массе породы древесины делятся на следующие группы.

Прочность древесины характеризуется способностью сопротивляться внешним механическим воздействиям. Она неодинакова в различных направлениях вследствие волокнистого строения древесины. Прочностные свойства древесины устанавливают, испытывая чистые, не имеющие пороков образцы стандартных размеров, приводя полученные результаты к 15% влажности.

Показателями прочности являются: прочность на сжатие вдоль и поперек волокон; на растяжение вдоль и поперек волокон; при изгибе; при скалывании.

Прочность при сжатии поперек волокон составляет 1/5—1/16 от предела прочности вдоль волокон. Значительное различие в прочности объясняется тем, что при действии нагрузки поперек волокон происходит поперечное смятие волокон древесины без заметного разрушения их стенок (подобно смятию пучка соломы).

При дальнейшем увеличении нагрузки, особенно действующей поперек волокон, древесина подвергается сильному уплотнению со значительным уменьшением высоты образца без заметных следов разрушения, резко повышается плотность образца. Это свойство используется при изготовлении вкладышей подшипников и других подобных деталей, которые получают методом прессования с одновременной пропиткой синтетическими смолами.

Древесина обладает высокой прочностью при растяжении вдоль волокон (71 —165 МПа) и очень малой поперек волокон (у хвойных пород всего 2—5% от прочности на растяжение вдоль волокон). Это объясняется очень слабой связью между древесными волокнами в поперечном направлении. Прочнасть вдоль волокон зависит от строения древесины — длины волокон, угла наклона волокон по отношению к направлению действующего усилия и т. п. На прочность древесины существенное влияние оказывают пороки древесины и другие факторы. Поэтому допускаемое напряжение при растяжении вдоль волокон по нормам составляет всего 50— 60 МПа. Влажность древесины не оказывает заметного влияния на прочность при растяжении.

Прочность при скалывании вдоль волокон невелика и составляет всего 20% от прочности при сжатии вдоль волокон. У лиственных пород прочность при скалывании в 1,5 раза выше, чем у хвойных. Прочность при скалывании поперек волокон в 2 раза ниже прочности при скалывании вдоль волокон.

Весьма важным свойством, имеющим значение при изготовлении колотых сортиментов — клепок, ободьев, спиц, является с о-противление раскалыванию.

Твердость имеет большое значение при обработке древесины режущим инструментом, а также при эксплуатации деревянных конструкций. Кроме того, в процессе эксплуатации изделие из древесины может подвергаться истирающим и ударным воздействиям, при которых срок ее службы в значительной степени зависит от твердости.

Поэтому древесину подвергают испытаниям на статическую торцовую и боковую (путем вдавливания пуансона в образец с замером нагрузки), а также ударную твердость. Определение ударной твердости проводят по отдельным методикам, зависящим от принятой технологии и специфики производства.

По величине торцовой твердости породы древесины делятся на очень твердые — твердостью более 75 МПа (самшит, белая акация, граб, груша, кизил и др.), твердые — 35—75 МПа (лиственница, береза, рябина, бук, вяз, дуб, ясень, орех, клен и др.) и мягкие — менее 35 МПа (сосна, ель, кедр, пихта, можжевельник, тополь, липа, осина и др.).

Биологические свойства древесины. Древесина и материалы из нее не являются биостойкими. Биостойкость древесины определяется стойкостью против грибков и насекомых, зависит от содержания смолистых и дубильных веществ, возраста дерева и его объемной массы. Породы древесины по биостойкости подразделяются на три группы: наиболее стойкие (тисс, каштан, дуб, карагач, лиственница), среднестойкие (сосна, кедр) и малостойкие (береза, бук, осина, клен и др.).

Для предохранения древесины от преждевременного разрушения грибками и насекомыми создают и поддерживают определенные температуру и влажность, при которых грибки практически не развиваются. Биостойкость древесины повышают также обработкой ее антисептиками — веществами, подавляющими развитие грибков и насекомых.

Антисептики и обработка ими древесины. На ремонт и восстановление изделий, конструкций и сооружений из древесины, пострадавших от гниения, повреждения грибками, насекомыми и других подобных причин, расходуется около 20% потребляемой древесины.

Одним из важнейших профилактических мероприятий является антисептирование древесины — обработка антисептическими средствами (антисептиками) с целью повышения ее биостойкости.

Антисептики — химические вещества, обладающие противо-микробным действием.

Они разделяются на:
— водорастворимые (фтористый натрии NaF, кремнефтористыи натрий Na2SiF6, динитрофенолят натрия C6H32ONa, парофазная фенольная смола), применяемые в виде водных растворов различной концентрации;
— нерастворимые в воде, маслянистые (антраценовое и сланцевое масла, древесный деготь, каменноугольные смолы, торфяной креозот, антисептические битумные,, силикатные), применяемые в смеси с органическими растворителями.

К антисептикам предъявляются следующие требования: возможно большая токсичность (ядовитость) по отношению к дереворазрушающим грибкам; длительное сохранение токсических свойств; отсутствие вредного влияния на прочность древесины и металл креплений; способность как можно глубже проникать в толщу древесины; безвредность для людей и животных, отсутствие неприятного запаха.

Антисептирование производится поверхностной обработкой — горяче-холодной пропиткой, обжигом с последующей пропиткой в ваннах, пропиткой под давлением и разрежением, диффузионной пропиткой порошкообразными антисептиками и пастами.

Наиболее глубокая пропитка достигается под давлением и разрежением и в высокотемпературных ваннах. Лучше пропитывается древесина лиственных пород, в древесине хвойных пород большая часть ядра не пропитывается, крайне незначительно пропитывается ель.

Для снижения горючести древесины применяют пропитку антипиринами — аммофосом, сернокислым аммонием и диаммоний-фосфатом, окраску силикатными красками и нанесение огнезащитных. обмазок.

Физические свойства древесины

Основными физическими свойствами древесины являются: цвет, запах, текстура, влажность, влагопоглощение (гигроскопичность), усушка и разбухание, коробление, вес, теплопроводность, звукопроводность и др.

Цвет древесины является одним из признаков породы дерева. Различные породы деревьев имеют древесину разного цвета. Так, древесина ели, осины, березы и липы имеет обычно светлый, даже белый цвет; ясень и дуб обладают более темным, бурым цветом древесины; бук — красновато-белым; сосна, лиственница, а также дуб имеют древесину с ярко выраженной, более темной окраской сердцевинной части.

Цвет древесины может изменяться. Например, свежесрублен-ная ольха под воздействием кислорода воздуха через некоторое время изменяет светло-розовую окраску на желтовато-красную. Древесина дуба, если она длительное время находится под водой, чернеет.

Древесина разных пород меняет свою окраску под воздействием различных растительных организмов — грибов. Отдельные разновидности древесных грибов, хотя и вызывают синеву и Цветные окраски древесины, но не разрушают ее, и такая древесина допускается при производстве плотничных и столярных: работ.

Запах. Древесине различных пород свойственен определенный запах, зависящий от содержащихся в ней смолистых, дубильных и других веществ. Так, смолистый запах имеет древесина хвойных пород (сосны, лиственницы, кедра и др.). Специфический запах не является у древесины постоянным. Если древесина поражена гнилью, то она издает затхлый запах. Этим свойством иногда пользуются при определении состояния древесины.

Текстура — это характерный рисунок на срезе древесины при перерезании ее волокон, годичных слоев и сердцевинных лучей в различных направлениях. Древесина различных пород обладает разной текстурой.

Рис. 2. Текстура древесины различных пород:
а — орех; б — лиственница; в – ясень; г — сосна; д — дуб; е — береза

Текстура поверхности среза зависит от окраски ранней и поздней древесины годичных слоев, которая у многих пород различна, от строения самой древесины, от размера и формы сердцевинных лучей и сучков, а также от направления разреза древесины (торцовый, радиальный, тангентальный) и способа обработки среза (пиление, строгание, лущение).

Древесина хвойных пород имеет более простую текстуру, а древесина лиственных пород — более сложную и красивую. Это имеет важное значение в производстве столярных изделий и мебели.

Влажность древесины определяется количеством воды, находящейся в ней; влажность древесины выражается, как и во всех других материалах, в процентах по отношению к весу абсолютно сухого образца.

В растущем дереве вода в древесине является составной частью живых клеток. Она нужна для жизни и роста дерева.

Определение степени влажности древесины производится следующим путем.

Образец древесины, вырезанный из бревна, взвешивают на технических весах с точностью до 0,1 г. Затем образец просушивается при температуре около 100° и вновь взвешивается.

Кроме абсолютной влажности, различают еще относительную влажность, определяемую путем деления потери веса на вес влажного образца.

Древесина, имеющая высокую влажность, является более теплопроводной, хуже обрабатывается на станках, плохо склеивается, окрашивается, лакируется и полируется.

Покраска и лакировка на поверхности сырой древесины очень скоро разрушаются. Изделия, изготовленные из такой древесины (оконные переплеты, дверные полотна и др.), при высыхании уменьшают свои размеры, в них образуются щели, нарушается жесткость сопряжений и плотность сплачивания элементов.

Влажность древесины в строительных работах имеет большое значение при оценке качества лесоматериала.

Сухая древесина при нормальных эксплуатационных условиях может служить в различных конструкциях очень долгое время, а древесина с повышенной влажностью быстро загнивает и разрушается.

Древесина по влажности делится на сырую (влажность 23% и более), полусухую (от 18 до 23%), воздушносухую (от 12 до 18%) и сухую (от 8 до 12%).

Влагопоглощение (гигроскопичность). Влагопоглощением, или гигроскопичностью, называется способность материала впитывать влагу из окружающей его среды.

Сухая древесина легко поглощает влагу, а влажная, наоборот, отдает ее.

С гигроскопическими свойствами древесины и изменениями ее влажности тесно связаны вес древесины и другие ее особенности. Древесина имеет способность усыхать и разбухать, а при. усушке, кроме того, коробиться и растрескиваться.

Усушка и разбухание. При высыхании сырой древесины мы всегда наблюдаем сокращение ее первоначальных размеров. При этом уменьшение размеров, называемое усушкой древесины, в разных направлениях различное. В продольном направлении или, как говорят, вдоль волокон уменьшение размеров бывает незначительное (0,1%), в радиальном направлении усушка достигает 3—5%, а в тангентальном она составляет значительную величину — от 6 до 12%.

Древесина различных пород усыхает по-разному. Так, древесина дуба, имеющая большой объемный вес, при усушке сокращается в размерах больше, чем древесина липы, имеющая меньший объемный вес. У хвойных пород, кроме того, величина усушки древесины зависит от количества содержащейся поздней древесины. Поздняя древесина хвойных пород усыхает быстрее, чем ранняя, а поэтому с увеличением процента содержания поздней древесины увеличивается ее усушка.

Высушенная древесина, в свою очередь, способна впитывать влагу из окружающей среды и увеличиваться в размерах. Это ее свойство, обратное усыханию, называется разбуханием. Пример разбухания древесины можно наблюдать при замачивании рассохшихся бочек.

Коробление и растрескивание. Древесина в процессе сушки, кроме изменения своих размеров, изменяет также и свою первоначальную форму. Часто мы наблюдаем, что прямая и ровная доска, выпиленная из ствола свежесрубленного дерева, после просушки искривилась как в поперечном сечении, так и по длине. Это свойство древесины называется короблением. При испарении из древесины влаги заболонные слои, расположенные ближе к коре, высыхают быстрее ядровых, потому что в них содержится больше влаги, чем в ядровых слоях. Поэтому в пиленых лесоматериалах заболонные доски коробятся всегда сильнее. При этом коробление происходит так, что выпуклость на досках обращается всегда к центру сечения бревна, а вогнутость — в сторону наружной поверхности. Обычная форма поперечного коробления досок, выпиленных из различных слоев древесины, показана на рис. 3.

Коробление древесины -— одно из ее отрицательных свойств; его можно уменьшить или вовсе устранить. Например, чтобы собранный из досок щит не покоробило, надо при сборке его располагать доски годичными слоями не в одну, а в разные стороны (через одну доску). Если же щит собрать на шпонках или в наконечник, то отдельные доски, усыхая, коробиться не будут. Доски могут коробиться не только в поперечном направлении, но и по длине. Продольное коробление бывает или в виде выгиба или в виде винтообразного скручивания, получающегося вследствие неправильного расположения волокон (косослоя); такое коробление называется крыватостью.

Рис. 3. Поперечное коробление досок

Рис. 4. Расположение досок годичными слоями в разные стороны

Рис. 5. Способы соединения досок, предотвращающие их коробление:
а — на шпонках; б — в наконечник

Рис. 6. Продольное коробление досок:
а — на широкую сторону (пласть); б — на кромку; в — скручивание (крыловатость)

Неравномерное высыхание наружных и внутренних слоев древесины бревна вызывает образование трещин. Эти трещины поручаются вследствие разрыва наружных слоев древесины, высыхающих быстрее, чем внутренние. Трещины, как это видно на рис. 7, расходятся по радиусам сечения бревна. Образованию трещин способствуют имеющиеся в древесине сердцевинные лучи, особенно в тех породах, в которых они наиболее широкие (бук, дуб).

Можно также наблюдать, что окоренные бревна растрескиваются сильнее, чем неокоренные, но бревна с неснятой корой быстрее загнивают, поэтому их надо окаривать. Известно также, что древесина в бревнах высыхает всегда быстрее с торцов. Для предохранения ее от растрескивания при длительном хранении на складе торцы бревен, брусьев и досок необходимо защищать от воздействия солнечных лучей. Это обычно достигается закрашиванием торцов лесоматериалов известью.

При медленной и равномерной сушке лесных материалов удается избежать их растрескивания.

Вес древесины. Различают вес древесины удельный И’объемный.

Удельный вес — это вес единицы древесины без пустот и влаги. Он примерно одинаков у всех пород и составляет 1,5, т. е. 1 м3 плотной древесины весит 1,5 г.

Обычно в практической работе пользуются показателями не удельного, а объемного веса древесины, т. е. веса древесины в естественном состоянии — с пустотами, влагой, смолой и т. д. Объемный вес выражается граммами в 1 см3, а чаще килограммами или тоннами в 1 м3 древесины.

Чтобы практически определить объемный вес древесины, берут образец любых размеров, обмеривают его, затем взвешивают и делят его вес на полученный путем подсчета объем.

Пример. Имеется брусок длиной 2 м, шириной 0,2 м и толщиной 0,1 м. При взвешивании вес его составил 24 кг. Какой объемный вес древесины?

Объемный вес древесины будет: 24 : 0,04=600 кг/м3.

Чем плотнее древесина и чем больше ее влажность, тем больше и ее объемный вес. Поэтому объемный вес свежесрубленного бревна, имеющего высокую влажность, всегда больше, чем его вес после сушки. Объемный вес древесины дуба, обладающей высокой плотностью, выше, чем объемный вес древесины сосны.

Теплопроводностью древесины называется ее способность передавать тепло через свою толщу. В строительстве обычно сравнивают качество различных материалов (с точки зрения теплопроводности) по их способности при равной толщине стен удерживать тепло в помещениях. Известно, что деревянные стены держат тепло в помещениях лучше, чем стены такой же толщины, сделанные из бетона, камня и кирпича. Малая теплопроводность древесины объясняется наличием в ней пор — пустот, наполненных воздухом, который, как известно, плохо проводит тепло.

Рис. 7. Трещины усушки в бревне

Чем меньшую влажность имеет древесина, тем она менее теплопроводна. С повышением влажности повышается также и теплопроводность древесины. Объясняется это тем, что вода лучший проводник тепла, чем воздух.

Поскольку воздух менее теплопроводен, чем сама древесина, то чем рыхлее древесина, тем она менее теплопроводна и, наоборот, чем древесина плотнее, тем она. более теплопроводна. Поэтому такие породы, как ель, пихта и др., имеющие менее плотную древесину, являются менее теплопроводными, чем дуб, граб, ясень, древесина которых значительно плотнее.

Звукопроводность — это способность материала проводить звук. Древесина по сравнению с некоторыми другими строительными материалами (металл, бетон, камень и т. д.) имеет свойство хуже пропускать звук через свою толщу. Так, рубленые стены из бревен диаметром 20—22 см вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым к стенам жилых зданий в отношении звукопроводности. Это объясняется наличием в древесине пор. Однако при устройстве некоторых деревянных конструктивных элементов зданий (перекрытия, перегородки жилых и общественных зданий) приходится для уменьшения звукопроводности применять дополнительную звукоизоляцию в виде засыпок звукоизоляционными материалами, обивки войлоком и т. д.

Электропроводность — это способность древесины проводить электрический ток. У древесины электропроводность крайне незначительна, особенно если древесина высушена. Если Же в древесине количество влаги повышается, электропровод-кость ее возрастает.


Реклама:



Читать далее:



Статьи по теме:


Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум