Технические свойства древесины
Технические свойства древесины зависят от физичсскихли механических свойств, которые обусловливают и другие ее свойства. Физические свойства древесины определяют без нарушения целостности испытываемого образца и изменения се химического состава путем измерения, взвешивания, осмотра в высушивания. К физическим свойствам относятся: внешний вид и запах, текстура, плотность, влажность и связанные с се изменением усушка, набухание, растрескивание и коробление. К физическим свойствам также относятся электро-, звуко- и теплопроводность, показатели макроструктуры.
Цвет древесине придают дубильные, смолистые и красящие вещества. Древесина пород, произрастающих в южных и жарких районах, имеет более яркую окраску, чем пород умеренного пояса. Последняя имеет однообразную окраску — от светлой до коричневой. В пределах климатического пояса каждой древесной породе присущ свой особый цвет, который может служить дополнительным признаком ее распознавания. Цвет древесины и его оттенки характеризуют обычно определениями — красный, белый, розовый, светло-розовый и т. д. Появление других окрасок говорит о загнивании древесины. Запах древесины зависит от смол, эфирных масел, дубильных и других веществ. По запаху древесины можно определить се породу. Хвойные породы — ель и сосна имеют запах скипидара, дуб — дубильных веществ. У свс-жссрублснной древесины запах сильнее. При загнивании древесина приобретает затхлый запах.
Текстура — рисунок, который получается на срезах древесины при перерезывании ее волокон, годичных слоев и сердцевинных лучей. Текстура зависит от особенностей анатомического строения древесины отдельных пород в направления среза. У древесины хвойных и мягких лиственных пород менее сложный рисунок, чем у твердых лиственных пород. Текстура определяет декоративную ценность древесины.
Общее содержание влаги в древесине складывается из свободной и связанной влаги. Свободная влага заполняет пустоты в древесине, а связанная находится в клеточных оболочках.
Влажность древесины оказывает существенное влияние на технические свойства этого материала. Влажностью древесины называется отношение массы влага, находящейся в данном объеме древесины, к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах. Влажность определяется по ГОСТ 16483. 7—71. Дчя этого используют образцы древесины призматической формы размерами 20X20X30 мм. которые высушивают, а затем взвешивают. Для определения влажности широко используются электровлагомеры.
По степени влажности древесина бывает: мокрая (длительное время находившаяся в воде) —влажность свыше 100%; свсжс-срубленная — 50... 100; воздушно-сухан—15...20: комнатно-сухая — 8... 12 % и абсолютно сухая. Содержание влаги у растущего дерева по высоте и радиусу изменяется, а также зависит от времени года. По высоте ствола влажность заболони у хвойных повод увеличивается, а
влажность ядра не изменяется. У лиственных пород влажность заболони не изменяется, а влажность ядра вверх по стволу снижается. У старых деревьев влажность древесины ниже. Наибольшее содержание влаги в древесине — в зимний период, наименьшее — в летние месяцы.
При высыхании древесины происходит уменьшение се размеров и объема — усушка. Усушка начинается после полного удаления свободной влаги и с качала удаления связанной влага. Усушка, которая происходит при удалении всей связанной влаги, называется полной. В тангенциальном направлении усушка в 1.5...2 раза больше, чем в радиальном, а вдоль волокон незначительна. В среднем полная линейная усушка в тангенциальном направлении составляет 6...10%; в радиальном — 3...5 % и вдоль волокон — 0,1...0,3 %. Уменьшение объема древесины при испарении связанной влаги называется объемной усушкой. В практике расчета обычно пользуются не значениями усушки, а коэффициентами усушки. Коэффициент усушки — это усушка, соответствующая 1% удаленной связанной влаги и определяемая как отношение усушки (в %) к массе связанной влаги, вызвавшей эту усушку. При распиловке бревен на пиломатериалы предусматривают припуски на. усушку, для того чтобы высушенные материалы имели требуемые размеры.
По коэффициенту объемной усушки древесные породы можно подразделить на следующие три группы: малоусыхаюшис — с коэффициентом объемной усушки не более 0.4% —ель. пихта, кедры сибирский и корейский, тополь белый; срсднсусыхающис — 0.4.. .0,47 % -— дуб, бук. вяз, сосна, липа, ольха, осина, ясень, тополь: сильноусыхающне имеют коэффициент объемной усушки 0,47 % и более. К этим породам относятся граб, лиственница сибирская и даурская, клен остролистный, береза.
За счет неравномерной усушки по толщине в древесине возникают растягивающие напряжения, которые вызывают ее растрескивание (рис. 13.3). При высыхании или увлажнении древесины происходит коробление пиломатериалов (рис. 13.4). По длине доски могут изгибаться, приобретая дугообразную или винтообразную формул поверхности. Во избежание появления таких деформаций пиломатериалы следует правильно хранить.
При увлажнении древесины увеличиваются се линейные размеры и объем. Это явление называют набу-ханием. Набухание, как и усушка, нежелательное явление. однако в отдельных случаях оно играет положительную роль: обеспечивает плотность соединений в бочках, лодках и т. д.
Плотность древесинного вещества (целлюлоза, лигнин, геми-целлюлозы) почти не зависит от вида породы и в среднем составляет 1530 кг/м3, а плотность древесины зависит от породы и влажности и колеблется в значительных пределах (350... 1100 кг/м3). Плотность древесины характеризуют (оценивают) при стандартной влажности. В соответствии с рекомендацией комиссии по стандартизации СЭВ все показатели физико-механичесыгх свойств древесины должны приводиться к стандартной влажности 12%. Для расчетов иногда пользуются плотностью древесины в абсолютно сухом состоянии, которую определяют после того, как образец полностью высушен, а также условной плотностью, под которой понимают масс\г собственно древесинного вещества в единице объема разбухшего образца. Древесина с большой плотностью имеет большую прочность и наоборот. В зависимости от плотности древесины при 12 % влажности древесные породы можно подразделить на три группы: легкие, породы, имеющие плотность до 540 кг/м3,— сосна, ель. пихта, кедр, липа, ольха и др.; породы со средней плотностью 550. .740 кг/м3— лиственница, береза, бук. вяз, дуб. клеи, ясень и др.; тяжелые породы с плотностью более 740 кг/м3 -— граб, самшит, береза железная, саксаул. кизил, фисташка. Древесину- с большой плотностью ценят за высокую прочность и хорошую износостойкость.
Механические свойства (прочность, твердость, деформатив-ность, ударная_5> вязкость) характеризуют способность древесины сопротивляться воздействию внешних сил. Прочность древесины зависит от направления действующей по отношению к волокнам древсапш нагрузки, породы дерева, плотности, влажности и наличия пороков. Прочность определяется на малых чистых (без пороков) стандартных образцах при стандартной влажности и заданной скорости нагружения (табл. 13.1). В связи с тем. что прочность древесины зависит от указанных факторов, для древесины как конструкционного материала введены повышенные коэффициенты запаса прочности. На все виды испытаний имеются соответствующие ГОСТы.
Различают предел прочности на сжатие вдоль волокон и поперек волокон. Среднее значение предела прочности на сжатие вдоль волокон для древесины как материала составляет 50 МПа. Прочность древесины поперек волокон определяют в радиальном и тангенциальном направлениях. У лиственных пород с широкими сердцевинными лучший (дуб, граб, бук) предел прочности при радиальном сжатии в полтора раза выше, чем при тангенциальном. У хвойных пород прочность выше при тангенциальном сжатии. Вообще прочность древесины при сжатии поперек волокон ниже примерно в 8... 10 раз. чем вдоль волокон. Прочность древесины заметно снижается при увеличении влажности (рис. 13.5).
Древесина хорошо сопротивляется растягивающим напряжениям. Среднее значение предела прочности на растяжение вдоль волокон для древесины колеблется в пределах ПО... 130 МПа. Даже небольшое отклонение от правильного расположения волокон вызывает значительное снижение прочности древесины. Прочность древесины при растяжении поперек волокон незначительна и составляет около 6,5 МПа.
Древесина имеет высокие значения предела прочности при статическом изгибе, в среднем 100 МПа. Это обусловливает широкое применение древесины для устройства деревянных конструкций, работающих на изгиб.
Для древесины определяется предел прочности при сдвиге. При этом различают три случая сдвига: скалывание вдоль волокон, попсрсТГволокон и перерезание поперек волокон. Прочность древесины при скалывании вдоль волокон составляет в среднем 10 МПа. У лиственных пород скалывание по тангенциальной плоскости на 10...30% выше, чем по радиальной. Предел прочности при скалывании поперек волокон примерно в 2 раза меньше предела прочности при скалывании вдоль волокон, а при перерезании поперек волокон — в 4 раза выше прочности при скалывании вдоль волокон, у
Твердость древесины по торцовой поверхности выше, чем по тангенциальной и радиальной, на 30 % у лиственных пород и на 40 % у хвойных. По степени твердости все древесные породы при 12 %-ной влажности подразделяются на три группы: мягкие — сосна, ель, кедр, пихта, липа, осина, ольха; твердые — лиственница, дуб, береза, бук, вяз. клен, ясень; очень твердые — граб, береза железная, кизил, самшит.
Показателями деформативности древесины служат модули упругости, коэффициенты поперечной деформации, модули сдвига.
Ударная вязкость, характеризующая способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения, определяется при испытаниях на ударный изгиб. Древесина лиственных пород имеет ударную вязкость в два раза большую, чем хвойных пород.
К технологическим свойствам древесины относятся способность ее удерживать металлические крепления, износостойкость, сопротивление раскалыванию и способность к гнутью.
Способность древесины удерживать металлические крепления (гвозди, штыри, шурупы, скобы) определяется по удельному- усилию (в МПа). которое необходимо для выдергивания из нес стве теплоизоляционного материала, полутяжелые — для устройства стен и полов. Длина ДСП 2500...3500 мм. ширина 1250, 1400, 1500. 1750 мм и толщина 10...22 мм. ДСП используются для тспло-и звукоизоляции стен, потолков, полов, перегородок и междуэтажных перекрытий. Клееные деревянные конструкции обладают значительно большей прочностью и жесткостью, чем обычные. Основными конструктивными элементами их являются балки, сегментные фермы, арки, рамы и др.
Клееные балки, используемые в междуэтажных и чердачных перекрытиях жилых и гражданских зданий, пролетных строений мостов длиной пролета до 12 м. имеют ряд преимуществ: они могут быть изготовлены с различными профилями поперечного сечения (рис. 13.13) и длиной, превышающей размеры стандартного пиломатериала. К том;- же по высоте балки можно, не снижая се прочности, размещать различные по качеству пиломатериалы. В растянутой зоне балки можно ставить высококачественный материал, а в сжатой — второсортный. Клееные балки для перекрытий в жилых и гражданских зданиях при пролетах 3...7 м изготовляют двутаврового, или «рельсового» сечения, их стенки и полки образуются из одной или двух досок. Наиболее рациональными и экономичными являются клесфанер-ные балки двутаврового сечения. Используется такой материал для изготовления балок пролетом 7... 15 м.
В последнее время все более широкое распространение находят древесные прессовочные массы. Они состоят из частиц древесины, пропитанных растворами резольных фенолформальдегидных смол и их модификаций.
Древесные прессовочные массы подразделяются на следующие типы: МДПК — массы древесные прессовочные из частиц шпона (крошки), измельченных отходов дрсвссно-слоистого пластика или их смеси; МДПС — массы древесные прессовочные из стружки; МДПО — массы древесные прессовочные из опилок; МДПВ — массы древесные прессовочные из частип шпона (крошки) или опилок, дополнительно измельченных в процессе смешивания их со связующими. Древесные прессовочные массы предназначаются для изготовления методом горячего прессования различных деталей машин, механизмов, оборудования и транспортных средств (например, втулок, вкладышей подшипников, фрикционных дисков, направляющих блоков, шкивов, роликов, ручек), а также стооитсльных