Физические свойства древесины
Истинная плотность древесины изменяешься незначительно, так как древесина всех деревьев состоит в основном из одного и того же вещества – целлюлозы. В связи с этим среднюю плотность древесины можно принять равной 1,54 г/см'. Плотность древесины разных пород и даже древесины одной и той же породы колеблется в весьма широких пределах, поскольку строение и пористость растущего дерева зависят от почвы, климата и других природных условий. С увеличением влажности плотность древесины возрастает. Свежесрубленная древесина значительно тяжелее древесины воздушно-сухой, имеющей влажность 15 %.
Влажность выражают обычно в % по отношению к массе сухой древесины. В древесине различают гигроскопическую влагу, связанную в стенках клеток, и капиллярную влагу, которая свободно заполняет полости клеток и межклеточное пространство.
Предел гигроскопической влажности (в, среднем он составляет около 30 %) соответствует полному насыщению стенок клеток древесины водой. Полная влажность древесины (считая гигроскопическую и капиллярную влагу) может значительно превышать 30 %. Например, влажность свежесрубленного дерева может колебаться от 40 до 120 %, а при выдерживании древесины в воде ее влажность может возрасти до 200 %. При длительном нахождении влажной древесины на воздухе она постепенно высыхает и достигает равновесной влажности.
Равновесная влажность зависит от температуры и относительной влажности окружающего воздуха. Для определения равновесной влажности пользуются номограммой. Равновесная влажность комнатно-сухой древесины составляет 8 – 12 %. Влажность воздушно-сухой древесины после продолжительной сушки на открытом воздухе составляет 15 – 18 %.
Показатели свойств (плотность, прочность), полученные при испытании древесины различной влажности, для возможности сопоставления приводят к стандартной влажности, равной 12 %. При необходимости численные характеристики древесины (например, предел прочности) пересчитывают к влажности 15 %.
Усушка, разбухание и коробление. Колебания влажности волокон древесины влекут за собой изменение размеров и формы досок, брусьев и других изделий из древесины. При увлажнении сухой древесины до достижения ею предела гигроскопичности стенки древесных клеток утолщаются, разбухают, что приводит к увеличению размеров и объема деревянных изделий. Усушка древесины происходит за счет удаления связанной влаги из стенок; клеток.
Цвет и текстура древесины характерны для каждой породы дерева. Текстура дуба, чинится в отделочных работах. Древесные породы тропического пояса могут иметь своеобразные цвета. Блеск древесины зависит от плотности и степени обработки. Блеск придается древесине путем полирования и покрытия лаками. Древесина теряет блеск при загнивании. Запах древесины зависит от содержания в ней смолистых, эфирных и дубильных веществ.
Теплопроводность сухой древесины незначительна. Теплопроводность древесины зависит от ее пористости, влажности и направления потока теплоты: Теплозащитные свойства древесины широко используются в строительстве;
Электропроводность древесины зависит от её влажности. Древесина, используемая для электрической проводки (розетки, доски и т. п.), должна быть сухой.
2. Механические свойства древесины
Прочность древесины определяют путем испытания малых чистых (без видимых пороков) образцов древесины. Минимальное количество образцов для проведения испытания вычисляют по формулам в зависимости от коэффициента вариации изучаемого свойства. Показатели прочности древесины должны быть пересчитаны на влажность 12 % (в случае необходимости – на влажность 15 %).
Прочность древесины характеризуется пределами ее прочности при сжатии, растяжении, статическом изгибе, скалывании. Кроме того, могут определяться условный предел прочности при местном смятии и предел прочности при перерезании поперек волокон. Определяют пределы прочности древесины вдоль и поперек волокон. Прочность древесины на сжатие вдоль волокон в 4 – 6 раз больше ее прочности поперек волокон. Предел прочноти древесины при растяжении вдоль волокон в среднем в 2,5 раза превосходит соответствующий предел прочности при сжатии. Удельная прочность древесины при растяжении вдоль волокон примерно такая же, как у высокопрочной стали и стеклопластика.
Следовательно, древесина по своей удельной прочности конкурирует с современными конструкционными материалами. Однако использовать высокую прочность древесины не так легко, поскольку сучки, трещины и другие пороки сильно снижают ее механические свойства. В этом отношении большие возможности дает применение древесины в клееных деревянных конструкциях.
Прочность при статическом изгибе древесины очень высокая: она примерно в 1,8 раза превышает прочность при сжатии вдоль волокон и составляет около 70 % прочности при растяжении, поэтому древесина (балки, настилы и т. п.) чаще всего работает на изгиб. К тому же дерево стойко к концентрации напряжений ввиду наличия внутренних поверхностей раздела между волокнами.
Прочность древесины при скалывании имеет большое значение при устройстве врубок, клеевых швов и т. п. в деревянных конструкциях. Предел прочности при скалывании вдоль волокон для основных древесных пород составляет 6 – 13 МПа, а при скалывании поперек волокон в 3 – 4 раза выше. Кроме этих испытаний, может определяться предел прочности древесины при перерезании поперек волокон.
Статическая твердость (рис. 12.10,г) численно равна нагрузке, которая необходима для вдавливания в образец древесины половины металлического шарика радиусом 5,64 мм (при этом площадь отпечатка равна 1 см'). Твердость древесины по торцу на 15 – 50 % выше, чем в радиальном и тангенциальном направлениях.
Гниение – разложение целлюлозы древесины вследствие деятельности дереворазрушающих грибов и микроорганизмов.
Способы предотвращения гниения имеют своей целью создание условий, неблагоприятных для развития дереворазрушающих грибов. Поскольку грибы развиваются при определенной влажности, то основным средством предотвращения гниения, является применение для деревянных конструкций, находящихся на воздухе, сухой древесины и предохранение ее в дальнейшем от увлажнения. Достигается это прокладкой гидроизоляции между деревянными элементами и другими частями здания, использованием соответствующих красочных составов (лаков, эмалей, масляных красок). Большое значение имеет создание условий для естественной вентиляции, обеспечивающей постоянное проветривание деревянных конструкций и предотвращающей накопление влаги в древесине. Однако нельзя предохранить древесину от увлажнения, когда деревянная конструкция или ее часть подвергается в процессе эксплуатации систематическому попе- ременному увлажнению и высыханию. В этих условиях основным способом борьбы с гниением является химический – введение в древесину антисептиков - (веществ, ядовитых для грибов).-
Антисептики, обладая токсичностью по отношению к грибам, должны быть безвредными для людей и животных. Применяют антисептики, не понижающие прочности древесины и не вызывающие коррозии металлических креплений. Кроме того, антисептики должны сохраняться в условиях эксплуатации. Для воздушных условий обычно применяют антисептики, растворимые в воде. Антисептирование деревянных элементов, подвергающихся действию воды (шпалы, столбы, сваи и т. п.), осуществляют нерастворяющимися маслянистыми веществами.
Водорастворимые антисептики – неорганические и некоторые органические – применяют в виде водных растворов и антисептических паст. К этой группе антисептиков относятся соли и водорастворимые смолы.
Фторид натрия технический – белый порошок без запаха, не изменяющий цвет древесины; рабочая концентрация раствора 2--3 %, растворимость в воде при 16 – 18'С составляет 4,5 %. Обладает высокой токсичностью по отношению к дереворастущим грибам и насекомым, часто используют в комбинации с другими антисептиками. При соединении с известью, цементом фторид натрия переходит в нерастворимый фторид кальция и теряет свою токсичность.
Кремнефторид натрия – порошок белого или серого цвета; его растворимость в горячей воде – около 2,4 %. Применяют совместно с фторидом натрия в виде водного раствора, а также в составе антисептических паст.
Препараты ХХЦ (смесь хлорида цинка и натриевого или калиевого хромпика) и МХ ХЦ (смесь хлорида цинка, хромпика и медного купороса) трудно вымываются водой, но окрашивают древесину в желто-зеленый цвет и вызывают коррозию черных металлов, а при больших концентрациях несколько снижают прочность древесины.
Органорастворимые препараты типа ПЛ (растворы пентахлорфенола в легких нефтепродуктах) – высокотоксичные антисептики, хорошо проникающие в древесину.
Высокотоксичные антисептики, содержащие арсенаты металлов, в виде жидкостей и паст хорошо защищают древесину от загнивания, не ухудшая ее свойства и не оказывая корродирующего влияния на металлические детали. Ряд эффективных антисептических препаратов получают путем сочетания соли (например, фторид натрия) :и водорастворимого органического антисептика (динитрофенола и др.).
Маслянистые антисептики не растворяются в воде, поэтому их используют для консервации древесины, находящейся на открытом воздухе, в воде или земле. Токсичность антисептиков этой группы обусловливается наличием в них фенола и его производных. Эти вещества содержатся в маслах, получаемых в результате переработки каменноугольного дегтя, который является одним из продуктов процесса коксования каменного угля.
Антраценовое масло – продукт перегонки каменно- угольного дегтя (при 270 – 410 'С), сильно токсичен, обладает специфичным резким запахом, темно-бурого цвета. Сланцевое масло применяют наравне с антраценовым маслом.
Защита древесины от возгорания
Существенным недостатком древесных материалов является их легкая воспламеняемость. Температура воспламенения древесины (соответствующая вспышке горю- чих газов) 250 – 300'С в зависимости от породы дерева, Продукты деструкции древесины, образующиеся при нагревании ее после удаления влаги, горят, начиная с температуры 170'С. Интенсивное же выделение горючих газов происходит при 280'С. Однако длительный нагрев древесины (от печей, дымоходов и т. д.) при более низких температурах (120 – 150'С) тоже может быть опасен вследствие постепенного обугливания древесины с образованием самовоспламеняющегося угля. При температуре выше 350'С газы, выделяющиеся из древесины, воспламеняются даже при отсутствии открытого пламени.
Для предупреждения возгорания деревянных элементов следует предусматривать соответствующие конструктивные меры: необходимо удалять дерево от источников нагревания; устраивать разделки из несгораемых материалов (бетона, кирпича и т. п.), покрывать деревянные части слоем малотеплопроводного минерального материала (асбестового, пористой штукатуркой и т. п.). Для предохранения от огня поверхность деревянных конструкций покрывают огнезащитными красочными составами или пропитывают огнезащитными веществами – антипиренами.
Огнезащитные красочные составы изготовляют из связующего вещества (обычно жидкого стекла), наполнителя (кварцевого песка, мела или магнезита) и щелочестойкого пигмента (охры, мумии и т. п.). Огнезащитное действие окраски проявляется в том, что при пожаре краска пузырится, образующийся пористый слой замедляет нагревание древесины. Если горючие гази все таки образуются и прорывают красочное покрытие, то их воспламенение происходит на некотором расстоянии от поверхности деревянного элемента.
Защитное действие одних антипиренов основано на том, что при пожаре они плавятся и древесина покрывается пленкой, затрудняющей доступ кислорода. Защитное действие других антипиренов состоит в том, что при нагревании они выделяют негорючие газы, снижающие концентрацию кислорода в газовой среде возле конструкции.
Антипиренами являются фосфорно-кислые и серно-кислые соли аммония. Сульфат аммония при нагревании диссоциирует. Образовавшаяся сильная кислота дегидратирует поверхностный слой древесины, который защищает внутреннюю необугленную древесину от сильного нагрева. Бура – борно-натриевая соль, при нагревании выделяет пары воды и плавится, образуя пленку на поверхности конструктивного элемента. Растворы антипиренов применяют для поверхностной обработки и пропитки древесины, их используют для повышения огнестойкости древесных материалов и изделий.