8. ДРЕВЕСИНА
8.1. Общие сведения
Древесиной называют освобожденную от коры и сердцевины ткань волокон, которая содержится в стволе, ветвях и корнях дерева.
Древесина характеризуется сравнительно высокой прочностью при небольшой плотности, малой теплопроводностью, легкостью обработки, простотой скрепления между собой отдельных элементов, высокой морозостойкостью и удовлетворительным сопротивлением действию химических реагентов. К недостаткам древесины относят гигроскопичность, загниваемость и возгораемость, анизотропность (неоднородность физико-механических свойств в разных направлениях), наличие пороков.
Для оценки качества древесины как сырья для получения различных строительных материалов и конструкций изучают ее макро- и микроструктуру, определяют физические, механические свойства, а также пороки.
Макроструктуру древесины изучают на трех разрезах: торцевой (проходит поперек ствола), радиальный (проходит через ось ствола), тангентальный (проходит параллельно оси ствола).
Определяют следующие физико-механические свойства древесины: истинную и среднюю плотность, влажность, теплопроводность, усушку и набухание, предел прочности при сжатии (вдоль и поперек волокон), растяжении, статическом изгибе и скалывании.
Из всех внешних воздействий на древесину больше всего влияет влага. Влажность, которую приобретает древесина в результате длительного нахождения на воздухе с постоянной температурой и влажностью, называют равновесной. Стандартной считают влажность 12 %, это влажность, при которой сравнивают свойства древесины. Влажность, при которой стенки клеток древесины насыщены водой, а полости свободны от воды, называют пределом гигроскопической влажности или точкой насыщения волокон (Wпг ≈ 30 %).
Так как механические свойства древесины зависят от влажности, для получения сравнимых результатов испытания прочность древесины пересчитывают на прочность при стандартной 12 %-ной влажности по формуле
R12 = RW [1+α(W −12)],
73
где R12 – предел прочности при сжатии древесины в условиях стандартной влажности 12 %, МПа; RW – то же при фактической влажно-
сти в момент испытания, МПа; α – поправочный коэффициент, показывающий, насколько изменяется данное свойство при изменении влажности на 1 %; α = 0,035 (независимо от породы дерева); W – влажность, % мас.
Изменение гигроскопической влажности (от 0 до 30 %) вызывает усушку и набухание древесины. Различают линейную и объемную усушку. Линейную усушку определяют в двух направлениях – тангентальном и радиальном. Усушку вдоль волокон ввиду ее незначительной величины не определяют.
Лесоматериалы получают механической обработкой древесины. Они подразделяются на круглые лесоматериалы (бревна, подтоварник, жерди); пиломатериалы (доски, бруски, брусья); строганые и фрезерованные материалы (плинтус, поручни, наличники и т.п.); вторичные продукты (опилки, стружки, щепа, древесная мука). К изделиям из древесины относят паркет, мебельные щиты, столярные изделия (двери, оконные и дверные блоки), фанеру, древесно-стружечные и древесно-волокнистые плиты, древесно-слоистые пластики, клееные деревянные конструкции и изделия из модифицированной древесины.
8.2. Примеры решения задач
1. Определить влажность образца древесины, если первоначальная масса бюксы с образцом 90 г, а после высушивания до постоянной массы – 56 г. Масса пустой бюксы 12 г.
Решение. Влажность древесины вычисляем по формуле
W = mm1 −−mm2 100 = 9056−−1256 100 =77,3 %,
2
где m –масса бюксы, г; m1, m2 –масса бюксы с образцом древесины до
ипосле высушивания, г.
2.Предел прочности древесины при влажности 18 % составляет при сжатии 43,0 МПа, при изгибе 75 МПа. Определить стандартные пределы прочности.
74
Решение. Результаты механических испытаний древесины, влажность которой меньше предела гигроскопичности (30 %), преобразуем по формуле
R12 = RW [1+α(W −12)](см. п. 8.1).
Получаем
Rсж12 =43[1+0,035(18 −12)]=52,03 МПа.
Пересчет предела прочности при статическом изгибе производим аналогично:
Rизг12 =75[1+0,035(18−12)]=90,75 МПа.
3. Вычислить предел прочности древесины при статическом изгибе, если разрушающее усилие 1420 Н, размеры образца – стандартные.
Решение.
R |
= |
3 P l |
= |
3 1420 0,24 |
=63,9МПа, |
|
2 b h2 |
2 0,02 0,022 |
|||||
изг |
|
|
|
где P – максимальная нагрузка в момент разрушения образца, Н; l – расстояние между опорами, м; b,h – размеры образца, м.
4. Установить линейную усушку древесины, образец которой имел во влажном состоянии размер 20×20×30 мм, а после высушивания до нулевой влажности 17×17×28 мм.
Решение. Линейную усушку древесины находим по формулам (с точностью до 0,1 %):
для тангентального направления
Уτ = а −aа0 100 = 2020−17 100 =15 %;
для радиального направления
Уr = b −bb0 100 = 3030−28 100 =6,7 %,
где a, b – размеры образца при начальной влажности, мм; а0 , b0 – то же в абсолютно сухом состоянии, мм.
5. У образца древесины линейная усушка в тангентальном направлении 15 %, в радиальном 6,7 %; первоначальная влажность 23 %. Вычислить коэффициент линейной усушки.
75
Решение. Коэффициент линейной усушки древесины находим из соотношения (с точностью до 0,01 %)
КУ =WУ ,
где У – усушка, %; W – влажность образца древесины, %. Коэффициент линейной усушки для тангентального направле-
ния
КУτ =1523 =0,65.
То же для радиального направления:
КУr = 623,7 =0,29.
8.3. Задачи
1.Установить влажность образца древесины, если первоначальная масса бюксы с образцом 82 г, а после высушивания до достижения постоянной массы – 64 г. Масса бюксы 12,5 г.
2.Масса образца древесины дуба, предназначенного для испытания на сжатие, вместе с бюксой равнялась 21,1 г. Предел прочности на сжатие вдоль волокон этого образца составил 43,4 МПа. Найти влажность древесины дуба и прочность при 12 %-ной влажности, если масса высушенного образца таких же размеров вместе с бюксой была 19,65 г, а масса бюксы 12,4 г.
3.Чему равна влажность образца древесины, первоначальная масса образца которой вместе с бюксой 88 г, а после высушивания до постоянной массы 57 г? Масса сухой бюксы 12,2 г.
4.При стандартном испытании древесины сосны с влажностью 20 % мас. при сжатии вдоль волокон было отмечено разрушающее усилие 15,3 кН. Определить предел прочности древесины на сжатие при влажности 12 %.
5.Установить стандартный предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон и при изгибе, если в условиях влажности 22 % эти характеристики равны соответственно 36 и 62 МПа.
6.Рассчитать предел прочности при сжатии вдоль волокон в условиях стандартной влажности древесины березы. Для образца размером 20×20×30 мм при влажности 25 % разрушающая нагрузка составила 18 кН.
76
7.Масса образца стандартных размеров, вырезанного из древесины дуба, равна 8,76 г; при сжатии вдоль волокон предел прочности его оказался равным 37,1 МПа. Найти влажность, плотность и прочность на сжатие при влажности 12 %, если масса высушенного образца таких же размеров составляет 7,0 г.
8.Предел прочности древесины, влажность которой 8 %, составляет: при сжатии 46 МПа, при изгибе 78 МПа. Какова стандартная прочность древесины?
9.Чему равен предел прочности древесины дуба при стандартной влажности, если разрушающая нагрузка при испытании образца размером 20×20×30 мм составила 27,5 кН при влажности древесины
16 %?
10.Сосновый брус сечением 10×20 см (толщина×высота) лежит на двух опорах, отстоящих друг от друга на 4 м. Посередине бруса к нему была приложена максимальная нагрузка 21 000 Н, которая вызвала излом бруса. Рассчитать предел прочности бруса при изгибе.
11.Образец древесины во влажном состоянии имел размер 20×20×30 мм, а после высушивания до нулевой влажности 18×18×26 мм. Найти линейную усушку.
12.Чему равны коэффициенты линейной усушки древесины, образец которой имеет линейную усушку в тангентальном направлении 12 %, в радиальном направлении 8 %. Первоначальная влажность древесины 21 %.
13.Каков предел прочности древесины по результатам испытания стандартного образца из липы размером 20×20×30 мм, имеющего влажность 18 %, если разрушающая нагрузка 15 кН?
14.Деревянный образец-брусок сечением 20×20 мм и длиной вдоль волокон 300 мм лежит на двух опорах, расстояние между которыми 240 мм. Посередине бруса было приложено усилие 2,5 кН, что привело его к излому. Вычислить предел прочности при статическом изгибе.
15.Дубовая доска имеет размеры 25×150×600 мм и массу 1625 г при влажности, равной 21 %. Вычислить плотность древесины дуба при стандартной влажности (12 %).
16.Определить, достигнута ли точка насыщения волокон у древесины, если ее масса в абсолютно сухом состоянии составляет 78 г, а после пребывания в воде – 104 г. Точка насыщения для древесины различных пород – в среднем около 30 %.
77