5.3. Основные свойства древесины

Физические свойства древесины

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%. 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 специальной 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 %.

Колебания влаж­ности волокон древесины влекут за собой изменение раз­меров и формы досок, брусьев и других изделий из дре­весины. При увлажнении сухой древесины до достиже­ния предела гигроскопичности стенки древесных кле­ток утолщаются, разбухают, что приводит к увеличению размеров и объема деревянных изделий. Свободная влага, заполняющая полости клеток, на размерах древесины не отражается. Усушка древеси­ны происходит за счет удаления связанной влаги из сте­нок клеток, т. е. если влажность древесины становится меньше предела гигроскопичности, то усушка достигает максимального значения при полном удалении влаги, со­держащейся в клеточных стенках.

Вследствие неоднородности строения древесина усы­хает в различных направлениях неодинаково. Вдоль оси ствола (вдоль волокон) максимальная линей­ная усушка сравнительно невелика  около 0,1 % (1 мм на 1 м), в радиальном направлении 3…6% (3…6 см на 1 м), а в тангенциальном  6…12 % (6…12 см на 1 м).

Усушка и разбухание древесины вызывают коробле­ние и растрескивание лесных материалов.

Коробление деревянных изделий является следствием разницы в усушке древесины в тангенциаль­ном и радиальном направлениях и неравномерности вы­сыхания. Неравномерность усушки и коробление вызывают появление внутренних напряжений в древесине и рас­трескивание пиломатериалов и бревен. Широкие доски коробятся больше, чем узкие, поэтому для настилки пола и столярных изделий применяют доски шириной 10…12 см.

Для предотвращения коробления и растрескивания деревянных изделий используют древесину с той равно­весной влажностью, которая будет в условиях эксплуата­ции. Чтобы защитить древесину от по­следующего увлажнения, ее покрывают красками, лаком и эмалями.

В круглом лесе и пиломатериалах трещины усушки образуются, в первую очередь, на торцах. Для уменьше­ния растрескивания торцы бревен, брусьев, досок обма­зывают смесью из извести, соли и клея или другими со­ставами.

Теплопроводность сухой древесины незначительна: сосны поперек волокон  0,17 Вт/(м °С); вдоль воло­кон 0,34 Вт/(м °С). Теплопроводность древесины зави­сит от ее пористости, влажности и направления потока теплоты. Теплозащитные свойства древесины широко ис­пользуются в строительстве.

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 понижается, когда ее влажность возрастает от 0 до 30 % (до предела гигроскопичности), при этом в интервале влажности 8…20 % понижение прочности пря­мо пропорционально приросту влажности

R₁₂ = R_w[1+α(W  12)],

где R_w  предел прочности образца с влажностью W в момент ис­пытания; R₁₂  то же, при влажности 12%; α  коэффициент сни­жения прочности древесины при увеличении ее влажности на 1 % (при сжатии и изгибе α = 0,04; при скалывании α = 0,03).

После того как древесина достигла предела гигро­скопичности (30%), дальнейшее увеличение влажности не влияет на ее прочность, поэтому пре­дел прочности образца с влажностью, равной и больше предела гигроскопичности, пересчитывают к влажности 12 % по формуле

R₁₂ = R_wk₁₂ ,

где k₁₂  пересчетный коэффициент для данной породы дерева (указан в соответствующих ГОСТах).

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.

Прочность на сжатие определяют путем испытания образцов, имеющих форму параллелепипеда с основани­ем 20x20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм. Определяют пределы прочности древесины вдоль и поперек волокон. Прочность древесины на сжа­тие вдоль волокон в 4…6 раз больше ее прочности попе­рек волокон. Например, предел прочности при сжатии образцов воздушно-сухой сосны вдоль волокон около 100 МПа, а поперек волокон  20…25 МПа.

Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон в среднем в 2,5 раза превосходит соответствующий предел прочности при сжатии.

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.

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.

Модуль упругости воздушно-сухой сосны и ели 10000…15000 МПа и он возрастает с увеличением плот­ности древесины, а увлажнение его снижает. Известно, что гнуть сырую древесину легче, чем сухую. Значитель­но облегчает гнутьё древесины пропаривание  это удоб­ный способ нагрева древесины без ее высушивания.

Особенностью древесины является ползучесть, кото­рая ярче всего проявляется во влажных условиях. Как следствие ползучести  постепенное увеличение дефор­маций (прогибов, балок, провисание тесовых крыш и т. п.) при длительном действии нагрузки.

Кроме того, при долговременном действии нагрузки разрушение древесины наступает при напряжениях меньших, чем при стандартных испытаниях. Так, предел долговременного сопротивления при изгибе составляет 0,6...0,65 от предела прочности при стандартном испытании.

При многократных нагружениях наблюдается усталость древесины. Предел выносливости при изгибе равен в среднем 0,2 от статического предела прочности.

Факторы, влияющие на механические свойства

древе­сины

Сопоставляя показатели плотности и прочности древесины хвойных и лиственных пород видно, что чем плотнее древесина, тем она прочнее. Повы­шение влажности до преде­ла гигроскопичности (до 30 %) понижает механичес­кие свойства древесины. Вы­сушивание же древесины по­вышает ее сопротивление сжатию, изгибу и растяжению. Прочность древе­сины в большой степени за­висит от того, под каким уг­лом к волокнам направлена сила. Если принять за 100 % предел прочности древеси­ны вдоль волокон, то сопротивление сжатию поперек во­локон составит 20…30%, а растяжению лишь 2…3%.

Пороки древесины понижают ее прочность. Пороками называют недостатки отдельных участков древесины, снижающие ее качество и ограничивающие возможности ее использования (кривизна ствола, сучки, трещины, гниль и т.д.). Дефектами называют пороки механи­ческого происхождения, возникающие в древесине в про­цессе заготовки, транспортирования, сортировки, штабе­левки и обработки. В виду наличия пороков прочность бруса или доски не может быть оценена по результатам испытания малых чистых образцов. Поэтому в отличие от других материалов сорта лесоматериалов устанавливают не по прочности образцов, а на основании оценки характера, размеров и количества пороков.

Стандартные методы определения механических свойств на малых «чистых» образцах позволяют сравнивать между собой прочность древесины одной породы или разных пород и оценивать качество древесины из данного лесонасаждения.

Фактическая прочность строительной древесины в изделиях стандартных размеров (досок, брусьев, бревен), имеющих те или иные дефекты строения и другие особенности, существенно ниже стандартной прочности; поэтому при нормировании допускаемых напряжений (расчетных сопротивлений) устанавливают относительно большие коэффициенты запаса.