КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Древесина хвойных и лиственных пород обладает комплексом свойств, уровень показателей которых обусловлен видом древесной породы, анатомическим строением и составом древесины, степенью оптимизации общей структуры древесного материала, сложившейся в процессе роста дерева в реальных условиях. Особенно значитель­ное влияние на уровень показателей свойств оказывает капиллярное пространство в древесине и проникание воды в капилляры. Одни из них.(первого порядка) бывают относительно крупными, хотя и из­меняются с возрастом дерева, — межклеточное пространство, поло­сти клеток, поры в стенках клеток. Другие значительно меньшего диаметра (второго порядка) составляют межфибриллярное про­странство и пространство внутри микрофибрилл. Однако и те, и другие, хотя и с разным периодом действия проникшей воды, благо­приятствуют набуханию древесных волокон в толщину на 20—30%, в длину — на 1—3% вследствие спиральной структуры волокна [19].

В древесине всегда содержится некоторое количество влаги. Обычно различают: влагосодержание свежесрубленной древеси­ны — от 35 до 60%, иногда до 100% и более от массы абсолютно су­хой древесины; влагосодержание воздушно-сухой древесины — обычно 15—20%, что зависит в основном от относительной влажно­сти окружающего воздуха; влагосодержание мокрой древесины, ко­торое может быть весьма высоким. Например, после длительного пребывания в воде влаги может содержаться до 150% и более от массы абсолютно сухой древесины. Абсолютно сухой древесиной условно считается древесина, высушенная до постоянной массы при температуре 105°С, хотя и в ней всегда содержится небольшое коли­чество влаги.

Влага распределяется в древесине неравномерно: ее больше в комлевой части ствола, в заболонной части, меньше — в ядре, хотя иногда ядровая часть лиственных пород может оказаться влажнее заболони.

Влага бывает свободной, заполняющей внутренние полости клеток, т. е. капиллярное пространство первого порядка, и гигро скопи ческой, находящейся в тончайших капиллярных про­странствах второго порядка с возможным переходом в коллоид­но-связанное состояние под влиянием взаимодействия ее с вещест­вом дерева. Когда древесина длительное время находится в воздушной среде, насыщенной парами воды, т. е. при относитель­ной влажности воздушной среды, равной 100%, тогда клеточные стенки полностью насыщаются гигроскопической влагой. Этот пре­дел называется точкой насыщения волокон, или пределом гигроско­пической влажности. Для древесины различных пород величина предела гигроскопичности колеблется от 23 до 35% массы сухой древесины. В среднем ее принимают равной 30%. К этому времени в волокнах свободной влаги пока еще нет, но набухание достигает своего максимума, причем линейное набухание составляет не выше 6—13%. При набухании наблюдается контракция (сжатие): объем

набухшей древесины меньше суммы объемов древесины до набуха­ния и поглощенной воды. Явление контракции связано со сжатием воды, в частности ее первых порций (примерно до 6%), когда вода имеет повышенную плотность (до 2,6 г/см³), а объем поглощаемой воды сокращается примерно на 25%. Кроме контракции в процессе поглощения воды возникает также давление набухания (до 100—400 МПа) и выделяется теплота набухания (смачивания). Чем больше в целлюлозе кристаллической части и меньше аморфной, тем меньше набухают волокна и меньше теплота смачивания (набу­хания), а также сжатие воды.

Явление, обратное набуханию, называется усушкой. Оно выра­жено уменьшением линейных и объемных размеров древесины при удалении гигроскопической влаги.

Вследствие волокнистого строения древесина имеет разную усушку в различных направлениях. В радиальном направлении она составляет 3—6%, в тангенциальном — в полтора-два раза больше, чем в радиальном, и составляет 6—12%. Усушку вдоль волокон вви­ду ее незначительной величины не определяют. Объемную усушку У_об вычисляют в процентах без учета продольной усушки по при­ближенной формуле

(7.1)

где а и b — размеры образца соответственно в тангенциальном и ра­диальном направлениях; а₀ и b₀ — размеры образца в тех же направле­ниях в абсолютно сухом состоянии.

Полный объем гигроскопической влаги в древесине (25—30%)

разделяют на адсорбционную, ориентированную водородными свя­зями в наиболее тонких капиллярных пространствах (4—6% от аб­солютно сухой древесины),и поглощенную вследствие капиллярной конденсации (20—25% от абсолютно сухой древесины). Остальная свободная влага находится в капиллярном пространстве первого порядка. При высушивании древесины особенно трудно удалить эти 4—6% влаги, так как она прочно связывается водородными свя­зями.

Кроме влажности, гигроскопичности, влагопоглощения, влаго­отдачи, характеризующих отношение древесины к водной среде, имеется еще целый ряд физических свойств, обусловливающих каче­ство древесного материала. Для использования древесины в строи­тельных целях наиболее значимыми из них являются: истинная плотность вещества древесины, которая примерно одинакова для разных пород и составляет 1,53—1,55 г/см³; средняя плотность ко­леблется в широком интервале для различных пород, для одной по­роды разного возраста или при разном соотношении поздней и ран­ней древесины. Кроме того, она зависит от влажности и пористости древесины. Как правило, средняя плотность древесины меньше 1 г/см³ (450—900 кг/м³), так как объем пор в ней значителен, напри­мер у сосны — 50—75, ели — 60—76, дуба — 32—64, липы — 65—75, а объем древесного вещества всего лишь 20—50%.

Так, например, средняя плотность древесины ели составляет 0,37—0,58, сосны 0,3—0,7, дуба 0,51—1,04, березы 0,5—0,75 г/см³. Но имеются породы и значительно легче, например, бальзовое дерево (0,1 г/см³) и значительно тяжелее — железное дере­во, бакаут (1,35 г/см³) и др.

Среднюю плотность древесины с фактической влажностью пере­считывают на стандартную влажность, принимаемую равной 12%:

(7.2)

где ρ_o12 — средняя плотность образца древесины при влажности W = 12%; k_o — коэффициент объемной усушки, который показывает, на сколько процентов изменяется объем образца при изменении его влажности на 1%. У древесины большинства пород k_o = 0,5 (у березы, бука, лиственницы, граба k_o = 0,6). Его определяют по формуле: k_o = V_o/(W₁-W₂), где V_o — объемная усушка; W₁ и W₂ — влажность древесины соответственно начальная и конечная.

Древесина является плохим проводником теплоты, что обуслов­лено ее пористостью (поры заполнены воздухом). Теплопровод­ность вдоль волокон значительно больше, чем поперек. Так, напри­мер, у сосны вдоль волокон теплопроводность равна 0,35 Вт/(м∙К), а поперек волокон — 0,17 Вт/(м∙К). Она также выше в радиальном на­правлении, чем в тангенциальном.

Тепловое расширение древесины невелико, причем поперек во­локон оно выше в 12—15 раз, чем вдоль (превышая тепловое расши­рение металлов).

Теплоемкость абсолютно сухой древесины разных пород при­мерно одинакова: 1,26—1,42 Дж/(г∙К); по мере увлажнения теплоемкость древесины возрастает. Теплота сгорания абсолютно сухой древесины разных пород сравнительно мало различается и состав­ляет 20160—21200 кДж/кг. Понятно, что с увлажнением теплота сго­рания древесины сильно снижается.

Температурный коэффициент расширения древесины зависит от породы и направления волокон: вдоль волокон он равен 0,000002—0,00001, поперек волокон — 0,00003—0,00006.

Электропроводность сухой древесины очень мала, особенно при поперечном направлении волокон, поэтому она является хорошим изолятором. Но с увлажнением электропроводность возрастает, что служит основанием для измерения влажности по этому физическому

свойству.

Абсолютно сухая древесина обладает удельным сопротивле­нием 10¹³—10¹⁵ Ом-м, ее относят к полярным диэлектрикам. По мере увлажнения удельное сопротивление древесины снижается, а при влажности выше предела насыщения клеточных стенок (30%) древесина может обладать ионной проводимостью. Это свойство учитывают, так как диэлектрический нагрев использу­ют в производстве арболита, ДСП и ДВП, при модификации древесины.

Древесина, являясь важным строительным материалом, обла­дает высокой прочностью при действии сжимающих и растягива­ющих напряжений, которая находится в прямой зависимости от содержания поздней древесины, пористости и влажности, направ­ления механических сил по отношению к расположению волокон, в чем особенно сильно проявляется ее анизотропия. Анизотропия является следствием медленно развивающейся оптимизации (упо­рядочения) микро- и макростроения'в условиях роста дерева и максимального сопротивления ствола механическим нагрузкам, с выделением упрочняющих (армирующих) волокон в его тканях. Эти волокна ориентированы по направлениям действия главных напряжений. Вместе с тем они сочетаются с более податливыми волокнами ранней древесины. Можно утверждать, что существен­ное влияние на анизотропию древесины оказывает ее анатомиче­ское строение (макроструктура), в первую очередь механические ткани. Предел прочности древесины хвойных пород при сжатии в 10, при растяжении в 20—30 раз больше для направления вдоль волокон, а модуль упругости почти в 40 раз больше поперек во­локон. Различие "упругих свойств в разных направлениях связано с влиянием сердцевинных лучей, особенно у лиственных пород. Оно проявляется тем больше, чем больше доля сердцевинных лу­чей как своеобразных лучей жесткости в анатомическом строении древесины.

Ориентированное микро- и макростроение древесины обуслов­ливает ее анизотропию не только при механических, но и при других физических воздействиях. Так, например, коэффициент теплово­го расширения меньше вдоль волокон и больше — поперек во­локон (в тангенциальном направ­лении). Анизотропия набухания древесины выражена сильнее у хвойных пород, а отношение ра­диального давления набухания к тангенциальному составляет, по данным Я. Рачковского, для хвой­ных пород 0,6, а для листвен­ных — от 0,8 до 1. Вдоль волокон линейное набухание наименьшее (0,1—0,15%), а тангенциальное — наибольшее. Аналогичные анизо­тропные явления отмечаются, по данным Г.Г. Мудрова, в отноше­нии усушки, теплопроводности, электропроводности и других свойств древесины (рис. 7.12).

 

Рис. 7.12. Набухание древесины сосны: 1 — вдоль волокон; 2 — в радиальном направлении; 3 — в тангенциальном направлении; 4 — объемное (ТНВ — точка насыщения волокон)

 

Предел прочности древесины (с влажностью W в момент испы­тания) при сжатии вдоль волокон (R_сжW) определяют на стандарт­ных образцах (прямоугольных призмах сечением 20x20 мм и длиной 30 мм) и рассчитывают по формуле

(7.3)

где Р_max — максимальная разрушающая нагрузка, Н; a и b — размеры поперечного сечения, м.

Предел прочности при сжатии поперек волокон значительно ме­ньше (10 — 30%) предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Наибольшим является предел прочности при растяжении вдоль волокон; он в 2 — 3 раза выше, чем при сжатии вдоль волокон. Пре­дел прочности при статическом изгибе R_изг древесины (с влажно­стью Wn момент испытания) определяют на образцах-балочках раз­мерами 20x20 мм и длиной 300 мм при воздействии двух симметрично расположенных сил и вычисляют по формуле

(7.4)

где Р_max — разрушающая сила, Н; l — расстояние между опорами (пролет образца-балки), м; b и h — ширина и высота балки, м.

Прочность древесины при скалывании вдоль волокон невелика и составляет примерно 12 — 25% предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Прочность древесины значительно понижается с увеличением влажности. Она должна быть приведена к прочности при стандарт­ной влажности 12% по формуле

(7.5)

где R_W— предел прочности при влажности W,%; W — влажность ис­пытуемой древесины,%; α; — поправочный коэффициент на влаж­ность, который показывает, насколько изменяется прочность древесины при изменении влажности на 1% (в пределах влажности от 0 до 30%).

Для сосны коэффициент а при сжатии и изгибе равен 0,04, т. е. материал теряет 4% прочности при увеличении влажности всего на 1%.

Корреляционная связь между прочностью и плотностью древе­сины, прочностью и процентом поздней древесины выражена в со­ответствующих эмпирических формулах:

для сосны (7.6)

для дуба (7.7)

где R_сж15 — предел прочности при сжатии, кг/см², при влажности 15% (после подсчета пересчитывают на стандартную влажность 12%); ρ_o15 — средняя плотность древесины при влажности 15%, г/см³; m — процент поздней древесины.

Жесткость древесины, ее способность деформироваться под на­грузкой характеризуются модулем упругости: Е = R/ε, где R — пре­дел прочности древесины, ε; — относительная деформация. Модули упругости при сжатии и растяжении вдоль волокон одинаковы и для сосны составляют 12300 МПа.

Деформативность в направлении вдоль волокон древесины срав­нительно низкая. Невелика и твердость ее. Статическую твердость определяют по нагрузке, необходимой для вдавливания в образец древесины половинки металлического шарика радиусом 5,64 мм на глубину радиуса. Тогда площадь отпечатка равна 1 см². Твердость древесины сосны, ели, липы, ольхи составляет 30 — 50 МПа, а более твердых пород — дуба, березы, ясеня, лиственницы и др. — 50 — 100 МПа. Важным технологическим свойством древесины слу­жит способность удерживать гвозди, винты (особенно сосны, ели, ольхи). В лиственных породах (например, дубе) гвозди и винты удерживаются в 16 раз прочнее, чем в древесине хвойных пород. В некоторых породах при забивании гвоздя образуются трещины (бук, дуб, лиственница).

Основные физико-механические свойства древесины хвойных и лиственных пород, применяемых в строительстве, приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1. Основные физико-механические свойства некоторых пород древесины (среднее значение при влажности 12%)

Породы дерева	Средняя плотность, кг/м3	Коэффи­циент объемной усушки,%	Предел прочности, МПа, вдоль волокон при
растяжении	сжатии	скалывании (радиальном)	статическом изгибе
Хвойные породы
Сосна обыкновенная		0,44	103,5	48,5	7,5	86,0
Ель		0,43	103,0	44,5	6,9	79,5
Лиственница		0,52	125,0	64,5	9,9	111,5
Пихта сибирская		0,39	67,0	39,0	6,4	68,5
Лиственные породы
Дуб		0,43	123,0	57,5	10,2	107,5
Береза		0,54	168,0	55,0	9,3	109,5
Бук		0,47	123,0	55,5	11,6	108,5
Липа		0,49	121,0	45,5	8,6	88,0
Ольха		0,43	101,0	44,0	8,1	80,5
Осина		0,41	125,5	42,5	6,3	78,0

 

В отличие от некоторых других строительных материалов сор­тность древесных пород устанавливают не по прочности испытуе­мых образцов, а на основании тщательного осмотра их и оценки имеющихся пороков древесины, нередко значительно снижающих фактическую прочность досок, брусьев, бревен и другой лесопро-дукции. Поэтому целесообразно рассмотреть некоторые, наиболее распространенные, пороки древесины.