2. Свойства древесины

Основными отличительными признаками древесины являются: текстура, цвет, блеск и запах.

Цвет древесине придают находящиеся в ней дубильные, смолистые и красящие вещества. По цвету различают породы деревьев и выявляют их качество. Равномерная окраска характеризует доброкачественную древесину. Темные и цветные полосы показывают ее повреждение плесенью, гнилью и т.д.

Цвет древесины изменяется от белого до черного. Древесина ели, пихты, липы, осины - белый цвет с розовым оттенком. Цвет древесины груши, кедра, сосны - розовый, ореха - коричнево-серый, граба – светло-серый, дуба и ясеня – бурый, грецкого ореха – коричневый, ольхи – светло-розовый (свежесрубленное дерево) или желто-красная. Цвет древесины улучшают, подвергая различной обработке: пропариванию (бук), протравливанию (дуб, каштан) или окрашиванию химическими веществами.

Блеск – это способность направленно отражать световой поток. Блеск древесины зависит от ее белизны, количества, размеров и расположения сердцевинных лучей. Древесина таких пород как бук, ясень, клен, дуб в естественном состоянии обладает блеском, который наиболее выразителен на радиальной поверхности и обусловлен главным образом малыми расстояниями между сердцевинными лучами. Светлая древесина, как правило, отличается большим блеском. Осина, липа, тополь имеют матовую поверхность. Блеск может быть усилен полированием, лакированием, вощением.

Текстура древесины представляет собой рисунок на ее разрезах, характерный для каждой породы дерева и образуемый различным расположением волокон, сердцевинных лучей, видом годичных колец и т.д.

Древесина декоративных пород (красное дерево, клен, дуб, грецкий орех) имеет красивую текстуру, сочетающуюся с красивым цветом и блеском.

Запах древесины обусловлен находящимися в ней эфирными маслами, смолами и дубильными веществами. Древесина хвойных пород пахнет скипидаром, приятный запах у кипариса, пихты, можжевельника. Древесина лиственных пород имеет слабый запах.

Показателем качества древесины является ширина годичных слоев – число слоев, приходящихся на 1 см отрезка, отмеренного в радиальном направлении на торцевом срезе. Для древесины хвойных пород происходит улучшение свойств, если на 1 см насчитывается не менее 3 и не более 25 слоев.

Важной характеристикой древесины является влажность - насыщенность древесины водой по отношению к массе сухой древесины, выраженной в процентах

W=[(M-M₀) /M₀] ·100 ,

где W- влажность древесины, %; М- масса влажного образца древесины при данной влажности, г; М₀ - масса того же образца в абсолютно сухом состоянии, г.

За М₀ принимается масса древесины, высушенной при (1005)⁰С.

Влажность древесины зависит от окружающих условий. Мокрая древесина считается та, которая длительное время находилась в воде и имеет влажность около 100%, свежесрубленная - 50...100%, воздушно-сухая 15...20%, в комнатных условиях влажность древесины составляет 8..12%, абсолютно-сухая – 0%. Сравнение свойств различных пород древесины производят при стандартной влажности W=15%. Влажность, отвечающая условиям, производственного помещения или на 2% ниже ее, называется производственной влажностью, что позволяет предотвратить усыхание древесины в конструкции.

Влажность древесины чаще всего определяют весовым или электрическим методом (ГОСТ 16588-79; 16483.7-71).

При весовом методе определения влажности выпиливают из древесины образцы призматической формы размером 20х20х30 мм, очищают от опилок и взвешивают с точностью до 0,01г. Взвешенные образцы помещают в сушильный шкаф и выдерживают при температуре (100 ±5)⁰ С. Первое взвешивание образца производят через 30 мин после начала сушки, последующие - через каждые 15 мин.

Если разница при двух последующих взвешиваниях составит менее 0,02г, считают, что древесина абсолютно сухая. При этом влажность определяют расчетом.

Преимущество весового метода - точное определение влажности. Недостаток - длительность определения влажности.

Электрический метод определения влажности древесины основан на изменении электропроводности древесины в зависимости от ее влажности. Влажность древесины определяют электровлагомером. Две иглы электровлагомера вводят в древесину на определенном расстоянии друг от друга, пропускают через них ток и по шкале прибора определяют влажность. Преимущество этого метода - быстрота определения, недостаток - низкая точность.

Усушкой (У) древесины называется уменьшение ее линейных размеров или объема при высыхании. Объемная (полная) усушка выражается в процентах и определяется по формуле

У=(v_w –v₀)100/v₀ ,

где v_w–объем образца при влажности W, отвечающей точке насыщения волокна (23-30%); v₀ –объем образца, высушенного до и абсолютно-сухого состояния.

На практике для оценки усушки пользуются коэффициентом усушки К, который представляет собой среднюю усушку при изменении влажности на 1% и определяется по формуле:

К = У /W,

где W – влажность воздуха.

Анизотропия древесины обуславливает различную усушку в зависимости от направления. Для различных пород дерева усушка в радиальном направлении (К_р) от 0,09 до 0,31%, усушка в тангенциальном направлении (К_Т) от 0,17 до 0,49%.

Усушка вдоль волокон невелика и практически не учитывается. Коэффициент объемной усушки составляет (К_об) от 0,17 до 0,6%. Учет возможной усушки при хранении и эксплуатации древесины имеет большое практическое значение, так как различная усушка в разных направлениях приводит к возникновению в древесных материалах (доски, бруски и др.) внутренних напряжений, следствием чего является коробление указанных материалов.

Набухание древесины связано с водопоглощением. Часто водопоглощение деревянными изделиями имеет отрицательные последствия. Так, набухание деревянных моделей ведет к искажению их геометрической формы и к изменению размеров. Неравномерное набухание по сечению деревянных изделий вызывает коробление и растрескивание последних.

Важной характеристикой древесины является объемная масса . Для сравнения объемную массу древесины разной влажности приводят к стандартной (15%) влажности ₁₅ (₁₅=0,34…0,98) г /см³.

₁₅=_w[1+0,01(1-K₀)(15-W)]

где _w и ₁₅ – объемная масса при влажности W%и 15%, К₀- коэффициент объемной усушки, %.

Таблица 1

Механические свойства различных пород дерева (W=15%)

Порода древесины	Объемная масса г/см3	Коэффициент усушки, %			Предел прочности, МПа при						Твердость, МПа			Модуль упругости при растяжении
		радиальной	тангенциальной	объемной	сжатии вдоль волокон	растяжении вдоль волокон	изгибе		скалывании вдоль волокон		радиальная	тангенциальная	торцевая
														вдоль волокон	радиально
									радиальных	тангенциальных
					Хвойные породы
Лиственница	0,68	0,21	0,40	0,62	54	122,3	98	9,4		8,2	28,0	27,8	40,3	1,45	—
Сосна	0,51	0,18	0,31	0,51	41	100	75	6,9		6,7	21,7	22,3	26,2	1,17	0,051
Ель	0,46	0,18	0,32	0,52	40	106	70	6,2		6,2	17,3	16,8	24,1	1,43	0,062
Кедр сибирский	0,44	0,13	0,28	0,42	36	82	65	6		6,4	—	—	20,3	—	—
Пихта	0,39	0,13	0,32	0,46	34	76	60	5,3		5,7	16,7	16,4	24,8	1,25	—
					Лиственные породы
Граб	0,81	0,24	0,35	0,61	53	134	120	14,1			17	71,7	82,5	—	—
Дуб	0,76	0,18	0,28	0,48	52	—	90	11		12,5	53,6	56,8	65,3	1,4	0,11
Клен	0,7	0,2	0,32	0,54	52	—	105	11,3		12,9	50,6	53,7	69,0	—	—
Бук	0,68	0,18	0,35	0,55	47	118	95	10,6		13,2	39,4	40,3	55,6	—	—
Береза	0,64	0,28	0,34	0,64	46	160	96	8,5		10	33,6	30,0	42,3	1,81	0,06
Липа	0,5	0,23	0,33	0,58	40	116	77	7,8		7,4	15,6	16,3	23,4	—	—
Осина	0,5	0,15	0,3	0,47	37	120	68	5,7		7,8	17,5	18,3	24,1	1,54	—

Из распространенных пород более легкими являются сосна, ель, липа, осина, ольха, очень тяжелыми - граб, груша, самшит. Чем плотнее древесина, тем выше ее прочность.

Модули упругости при растяжении и сжатии древесины вдоль волокна примерно равны и составляют 1,1х10^-1 ...1,5х10^-3 МПа.

Прочность древесины зависит от времени нагружения. Так _изг=100 МПа при кратковременном нагружении и _изг =60 МПа при нагружении в течение 60 суток.

Твердость древесины определяет ее обрабатываемость и износостойкость. В табл. 1 приведены механические свойства при статическом нагружении для различных пород дерева (W =15%).

При циклическом нагружении происходит усталостное разрушение древесины. Предел выносливости при циклическом изгибе связан с пределом статической прочности _в, следующей приближенной зависимостью _изг/_в = 0,24…0,38.

Оборудование, материалы и инструменты

Образцы изучаемых пород с разрезами, масштабная линейка, штангенциркуль, сушильный шкаф с терморегулятором, микрометр, весы, гири, колба с водой, образцы древесных пород (береза, сосна и др.) с хорошо видимыми торцевыми, радикальными, тангенциальными разрезами 20х20х30мм (для определения влажности и усушки).

Порядок выполнения работы.

1. Изучить основные разрезы ствола дерева.

2. На образцах изучить поперечный, радиальный и тангенциальный разрезы ствола березы, сосны. Зарисовать их.

3. Определить число годичных слоев на 1см длины.

4. По натуральным образцам определить цвет древесины.

5. На глаз определить блеск древесины.

6. По основным разрезам изучить текстуру древесины.

7. Определить породу древесины по запаху, цвету, текстуре.

8. Результаты наблюдения и изучения древесины распространенных пород записать в таблицу 2.

Таблица 2

Порода древесины	Основные разрезы	Число годичных слоев на 1 см	Внешние признаки древесины
			Цвет	Блеск	Текстура	Запах

9. Определение влажности.

1) Взвесить образцы размером 20х20х30 с точностью до 0,01 г.

2) После взвешивания образцы просушить в сушильном шкафе до постоянной массы и взвесить их.

3) Вычислить влажность образца с точностью 0,1%.

4) Результаты измерений и вычислений занести в табл. 3.

Таблица 3

Номер образца	Масса, г			Влажность древесины
	Исследуемого образца	Высушенного образца	Испарившейся воды

10. Определение усушки.

1) Произвести три замера образцов: длину, ширину и высоту штангенциркулем.

2) Просушить образцы при температуре (100±5)⁰ С. После просушивания измерить образцы по тем же параметрам, что и до просушивания.

3) Вычислить усушку каждого образца с точностью до 0,1% по объему.

4) Рассчитать коэффициент объемной усушки для каждого образца.

5) Результаты измерений и расчетов занести в табл. 4.

Таблица 4

Номер образца	Размеры образца, мм						Влажность древесины, W,%	Коэффициент усушки, К,%
	А	Б	В	А1	Б1	В1

Контрольные вопросы.

1. Из чего состоит древесина?

2. Назовите главные разрезы ствола дерева

3. Каково макростроение древесины?

4. Какие свойства древесины Вы знаете?

5. Что такое влажность древесины? Как она определяется?

6. Что такое усушка?

7. Как экспериментально определяется влажность древесины?

Приложение

Таблица 1

Макроскопические признаки древесины хвойных пород

Показатели	Породы
	лиственница	сосна	кедр	ель	пихта
Ядро	Красно-бурое	От розового до буро-красного	От светло-розового до желто-розового	Безъядровые породы
Заболонь	Буро-белая, узкая (до 20 годичных слоев)	Желто-белая (от 20 до 80 годичных слоев)	Желто-белая, широкая (до 40 годичных слоев)	-	-
Общая характеристика цвета	Бурый оттенок	Красноватый или желтоватый оттенок	Розовый оттенок	Белая со слабым желтоватым оттенком	Белая со слабым желтоватым или бурым оттенком
Сердцевинные лучи	Не видны
Годичные слои	Различаются на всех разрезах
Цвет древесины	Поздняя древесина темно-бурая, ранняя – светло-бурая	Поздняя древесина красно-бурая, ранняя – светлая	Поздняя древесина желто-розовая, границы с ранней растушевана	Поздняя древесина - узкая светло-бурая полоса –постепенно переходит в раннюю	Поздняя древесина слабо развита переходит постепенно в раннюю белого цвета
Смоляные ходы	Мелкие немногочисленные	Многочисленные, через лупу видны на всех разрезах	Многочисленные самые крупные из всех пород	Немногочисленные хорошо видны через лупу	нет
Запах	скипидарный	Резкий скипидарный	характерный для кедровых орехов	Слабый скипидарный	Древесина запаха не имеет, кора сильно пахнет
Кора	Толстая, темно-серая с трещинами	Внизу толстая, темно-бурая, вверху тонкая, золотистая	Бурая, в трещинах, толстая	Бурая, в трещинах, тонкая	Тонкая, гладкая, серая

Таблица 2

Макроскопические признаки древесины лиственных рассеянно-сосудистых пород

Показатели	Породы
	бук	граб	клен	береза	Грецкий орех	груша	липа	ольха	осина
Годичные слои	Ясно видны	На поперечном разрезе извилистые	Ясно видны	Видны плохо	Ясно видны, волнистые	Различаются плохо
Сосуды	Мелкие, незаметные				Крупные	Мелкие, незаметные
Сердцевинные лучи	Широкие	Узкие, незаметные	Многочисленные	Узкие, различимы в радиальном разрезе			узкие	Узкие, незаметные	Не видны
Цвет древесины	Красно-белый	Серо-белый	Белый с красным или желтым оттенком		Ядро коричнево-серое, заболонь серо-бурая	Красно-бурый, розовый	Белый с розовым оттенком	белый, на воздухе красно-бурый	Белый с зеленоватым оттенком

Таблица 3

Макроскопические признаки древесины лиственных кольцесосудистых пород

Показатели	Породы
	дуб	ясень	вяз	карагач
1	2	3	3	4
Годичные слои	Хорошо видны на поперечном разрезе	Хорошо видны
Сосуды	Мелкие, расположены радиальными рядами	Мелкие, в виде белых точек и черточек	Мелкие, образуют волнистые линии	Мелкие, прерывистые волнистые линии
Сердцевинные лучи	широкие, хорошо видны на всех разрезах	Узкие, на поперечном разрезе слабо видны
		На радиальном разрезе в виде коротких черточек	На радиальном разрезе мало заметны	На радиальном разрезе хорошо видны из-за темной окраски

Продолжение табл.3

1	2	3		4
Цвет древесины	Ядро желто-коричневое или темно-бурое, заболонь узкая, светло-желтая	Ядро светло-бурое, заболонь широкая, желто-белая, постепенно переходит в ядро		Ядро красно-бурое, заболонь желто-белая, узкая
Кора	В верхней части зеркальная, в нижней темно-серая, грубая	Темно-серая с трещинами	Светло-серая, отслаивается	С глубокими трещинами

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13