Древесина плотный материал из которого. Механические свойства древесины

Тема: 14, 15. Лесные материалы

Учебные вопросы:

Древесина, ее основные свойства и применение.

Основные виды материалов и изделий из древесины, защита древесины.

1. Древесина, ее основные свойства и применение

Древесина – природный органический материал анизотропной структуры, получаемый в результате распиловки ствола дерева.

Древесина как строительный материал обладает многими положительными свойствами: относительно высокой прочностью, небольшой средней плотностью, малой теплопроводностью, технологичностью, красивым внешним видом и экономичностью.

Вместе с тем древесина имеет и ряд недостатков: гигроскопичность приводит к изменению прочностных и других свойств; анизотропность обусловливает изменение свойств в зависимости от направления волокон.

Лестные материалы применяют в строительстве для возведения деревянных конструкций, для наружной и внутренней отделки зданий и сооружений, в виде круглых сортиментов, пиломатериалов, погонажных строганых изделий и т.п. Кроме них в строительстве используются готовые изделия и конструкции из древесины, изготавливаемые в заводских условиях, а также композиционные материалы, получаемые переработкой древесины с применением клеев, синтетических и минеральных вяжущих.

Строение древесины изучают на трех главных разрезах ствола: поперечном и двух продольных – радиальном и тангенциальном (рис. 13.1).

Различают макро- и микроструктуру древесины. По макроструктуре можно ознакомиться со строением древесины, определить породу и получить предварительные характеристики ее свойств. Макроструктура хорошо различима на поперечном разрезе ствола (рис. 13.2). Под корой находится тонкий слой камбия, в котором в растущем дереве происходит деление клеток и откладывание их внутрь ствола. В центре ствола расположена сердцевина, образованная клетками с тонкими рыхлыми стенками, наиболее слабыми по прочности и менее гнилостойкими. Часть ствола между сердцевиной и корой и является собственно древесиной, состоящей из клеточной ткани древесных волокон.

Физические свойства

Гигроскопичность древесины – это способность сорбировать водяные пары из окружающей среды в зависимости от ее температурно-влажностного состояния.

Влажность древесины w изменяется в зависимости от ее состояния, условий хранения и эксплуатации. По степени влажности различают древесину мокрую (), свежесрубленную (

), воздушно-сухую (

), комнатно-сухую (

) и абсолютно сухую (

).

Все показатели основных свойств древесины должны определяться с учетом содержания связанной воды и затем приводиться к стандартной влажности, равной 12%.

Свободная вода легко удаляется из древесины при обычной сушке и не влияет на ее деформации и прочность.

Общая влажность древесины определяется суммарным содержанием связанной и свободной воды. Влажность древесины, соответствующую определенным параметрам воздуха, называют равновесной (рис. 13.5).

Равновесную влажность древесины можно установить с точностью до 0,75% по диаграмме (см. рис. 13.5). Наиболее быстрым, но приближенным является электрический метод. Он основан на зависимости электропроводимости древесины от ее влажности. С помощью электровлагомеров (Тима ЭВА-2, ИВД-1 и др.) определяют ее фактическую влажность с точностью 1-1,5% в диапазоне до 30%.

Усушка и разбухание древесины характеризуют изменение ее линейных размеров и объема при высыхании и увлажнении. При этом линейные и объемные деформации древесины зависят только от количества связанной воды. При ее удалении происходит уменьшение размеров древесины – усушка, а при поглощении – увеличение (разбухание).

Полная линейная усушка древесины наблюдается при полном удалении связанной воды; уменьшение ее объема при этом называется полной объемной усушкой. Вследствие анизотропного строения древесины линейная усушка не одинакова по разным направлениям. Линейную усушку в процентах определяют на поперечном разрезе ствола по тангенциальному t и радиальному r направлениям (и):

Значение объемной усушки (так же в процентах) без учета продольной деформации находят следующим образом:

,

где a , b и a 0 , b 0 – линейные размеры образца древесины соответственно по тангенциальному и радиальному направлениям во влажном и абсолютно сухом состояниях, мм.

Усушка древесины вдоль волокон незначительная и для большинства пород, применяемых в строительстве, не превышает 0,1%. Наибольшая линейная усушка происходит в тангенциальном на правлении – 7-12%, а в радиальном она составляет 3-6% (рис. 13.6)

Показателями интенсивности усушки и разбухания древесины являются коэффициенты линейной ,и объемнойусушки.

или

;

.

Средняя плотность древесины в абсолютно сухом состоянии вследствие значительной пористости меньше плотности и изменяется в сравнительно широком интервале – от 0,38 до 1,3 г/см 3 . В пределах годичного слоя средняя плотность поздней древесины в 2-3 раза выше, чем ранней, поэтому с увеличением ее содержания средняя плотность и прочность древесины возрастают. Общая влажность древесины также влияет на ее среднюю плотность.

Обычно определение средней плотности древесины производят при влажности в момент испытания на кондиционированных или некондиционированных образцах. Кондиционированием называют процесс выдерживания древесины при атмосферном давлении, заданных температуре и относительной влажности воздуха до достижения ею равновесной влажности. Равновесную влажность древесины, приобретаемую при температуре 20±2 0 С и относительной влажности воздуха 65±5%, называют нормализованной (12±1%).

Среднюю плотность, кг/м 3 , при влажности в момент испытания для некондиционированных образцов вычисляют по формуле

,

где

- масса образца при влажностиw , кг;

- объем образца при влажности w , м 3 .

Пористость древесины хвойных пород колеблется от 46 до 85%, лиственных – от 32 до 80%.

Теплопроводность древесины зависит от ее влажности, температуры, средней плотности и увеличивается с их повышением. На нее влияет также анизотропность структуры древесины.

Теплоемкость сухой древесины одинакова для всех пород и примерно равна 1,38 кДж/(кг·К).

Температурный коэффициент линейного расширения древесины вдоль волокон составляет (35)·10 -6 К -1 , т.е. он в 2-3 раза меньше чем у стали и бетона.

Электропроводность древесины зависит от ее влажности. Электрическое сопротивление сухой древесины в среднем составляет 75·10 7 Ом·см, а сырой – в 10 раз меньше.

Коррозионная стойкость древесины достаточно высока во многих агрессивных средах (растворах солей, щелочей, большинстве органических и слабых растворах минеральных кислот) и возрастает при повышении средней плотности. В морской воде древесина сохраняется хуже, чем в пресной речной. Жидкая среда с высокой биологической активностью понижает долговечность древесины. Концентрированные растворы минеральных кислот (азотная – в любых концентрациях) разрушают ее. Древесины хвойных пород, пропитанная смолистыми веществами, имеет более высокую коррозионную стойкость, чем лиственных.

Цвет древесине придают дубильные, смолистые и красящие вещества. Он изменяется от светлой до темной окраски в зависимости от породы, условий произрастания, возраста и других факторов. Обычная окраска нарушается в результате поражения древесины гнилями. поэтому цвет косвенно характеризует состояние древесины, а также ее пригодность как конструкционного и отделочного материала.

Горючесть древесины ухудшает ее эксплуатационные свойства. Длительный нагрев древесины уже при 120-150 0 С приводит к обугливанию. Возгорание ее от открытого огня происходит при температуре более 250 0 С, а самовозгорание – при 350 0 С и выше.

Текстура древесины – это рисунок на поверхности ее разреза свойственный лишь данной породе, получаемый сочетанием и контрастом элементов макроструктуры. Текстура определяет декоративную ценность древесины для отделочных работ.

Запах древесины обусловливается присутствием в ней смол, эфирных масел и дубильных веществ. Наиболее сильно он выражен у хвойных пород. Приятный запах здоровой древесины при ее загнивании становится неприятным и поэтому является косвенным признаком ее доброкачественности.

Механические свойства

Прочность древесины зависит от ее влажности и температуры, на нее влияют также анизотропность строения и наличие пороков. Существенное влияние на прочность древесины оказывает только связанная вода. Уменьшение ее содержания ведет к уплотнению клеточных стенок и межклеточного пространства и, как следствие, к увеличению прочности древесины.

Во всех случаях показатели прочностных свойств кондиционированных образцов пересчитывают на влажность 12% (в МПа) по соответствующим формулам:

при влажности образцов w = 820%

где -предел прочности образца с влажностьюw в момент испытания, МПа;

- поправочный коэффициент для всех пород, равный 0,04, при вычислении пределов прочности при сжатии и изгибе, и 0,03 при скалывании;

при влажности образцов w ≥ 30%

,

где

- коэффициент пересчета, принимаемый в соответствии с приложение 8, табл. 1.

Предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон в 3-5 раз больше, чем прочность поперек волокон и составляет для сосны 45-50 МПа.

Защитные свойства

Динамическая прочность древесины в зависимости от скорости нагружения может превышать статическую примерно на 20-40%. Ориентировочная зависимость между коэффициентом динамического упрочнения и скоростью нагружения древесины при изгибе приведена на рис. 13.11. Увеличение прочности древесины при динамическом нагружении наблюдается только до определенной (критической) скорости.

Радиационная непроницаемость сосны для излучения, оцениваемая слоем половинного ослабления, примерно равна 40 см (при энергии квантов 2,5 МэВ).

Технологические свойства древесины, определяющие ее способность к механической обработке (пилению, резке, сверлению, гнутью, гвоздимости и т.д.), очень высоки и широко используются в процессе механической переработки древесины и в строительных работах.

Физико-механические свойства древесины

Главным критерием качества древесины разных пород есть ее физико-механические свойства. Среди механических свойств древесины прочность является наиважнейшим показателем ее качества.

Так, древесина лучше выдерживает действие сил вдоль волокон, при действии сил поперек волокон прочность ее резко снижается. Способность древесины к расщеплению даже при небольших нагрузках необходимо учитывать на всех этапах ее обработки.

Существенным показателем качества древесины является и ее твердость, то есть способность сопротивляться обработке режущими инструментами и вообще проникновению в массив древесины других тел.

Так, в нижней части ствола твердость больше, чем в верхней. Годичные кольца имеют значительно большую твердость, чем межкольцевые образования. Кроме этого, древесина имеет более твердую структуру в корневище, сучьях и наростах (капах).

По твердости (кг с/ см I) (торцовой) при влажности 12 % древесные породы разделяют нагруппы: мягкие-385 и менее; твердые - 386 - 825; очень твердые - более 825.

Рис. 6. Червоточина: а-червогочина; б-жук-древесинник; в-мебельный точильщик

Прочность - способность древесины сопротивляться воздействующим на нее усилиям. Этот параметр древесины зависит от ряда причин. Плотная, тяжелая древесина обычно обладает большой прочностью. Прочность быстро уменьшается с увеличением влажности и при наличии пороков. Древесина хорошо сопротивляется действию сил, растягивающих или сжимающих деталь вдоль волокон, и изгибающих сил, направленных поперек волокон. Значительно ниже сопротивление древесины сжатию поперек и раскалыванию вдоль волокон. Показатели прочности древесины некоторых пород приведены в таблице 1.

Упругость -способность древесины изменять свою форму

под воздействием внешних сил и принимать первоначальную форму после прекращения этого воздействия.

Таблица 1. Показатели прочности древесины

Пластичность - способность древесины изменять (без разрушения) под давлением свою форму и сохранять ее после снятия нагрузки.

Для использования древесины в строительстве нужно, чтобы она обладала нормальным строением, не имела недопустимых пороков, легко поддавалась обработке, не изменяла приданной ей формы, хорошо сопротивлялась внешним усилиям и противостояла атмосферным и другим климатическим воздействиям.

Таблица 2. Физические свойства древесины (среднее значение)

Среди физических свойств древесины особо выделяют плотность и влажность. Условная плотность древесины - это отношение минимальной массы к максимальному объему образца.

По плотности (кг/ м) при влажности 12 % древесные породы разделяют на группы:

малой плотности 540 и менее

средней плотности 550- 740

высокой плотности 750 выше.

Значения плотности основных пород приведены в таблице 2.

Влажность - физическое свойство древесины, характеризующееся количеством содержащейся в ней влаги. Микроструктура древесных волокон такова, что влага лучше всего проникает через торцевые поверхности.

Общее количество влаги в древесине складывается из свободной и связанной влаги. Влага, находящаяся в полостях клеток и межклеточном пространстве, называется свободной, а в клеточных стенках - связанной или гигроскопической. Под относительной влажностью подразумевают процентное соотношение массы заключенной в ней влаги к массе абсолютно сухой древесины.

По степени влажности древесина может быть абсолютно сухой, влажность которой равна 0 % (получение такой древесины возможно только в лабораторных условиях); комнатносухой с влажностью от 8 до 15 %; воздушно-сухой - от 16 до 20 %; полусухой - от 21 до 23 %; сырой - влаги более 23 %; свеже-срубленной от 40 до 75 % и мокрой с влажностью более 75 %. В таблице 3 приведены показатели средней влажности древесины в свежесрубленном состоянии.

Способность древесины поглощать или отдавать влагу называется гигроскопичностью. Это свойство вызывает в древесине два взаимно противоположных явления - усушку и разбухание.

Усушка - потеря объема древесины вследствие испарения из нее влаги (рис.7). Размеры усушки прямо пропорциональны степени убывания влажности древесины. Следует иметь в виду, что в различных направлениях древесина усыхает неодинаково. При уменьшении влажности от 30 до 0% усушка составляет следующие величины: вдоль волокон - 0,1 %, по радиальному направлению - от 4 до 8 %, по тангенциальному - от 8 до 12 %.

Рис. 7. Усушка и коробление: a-продольное коробление; б-поперечная усушка и коробление; в,г-деформация бруска с различным расположением годовых слоев; д-деформация бруска с сердцевинным расположением годовых слоев; е-продольная покоробленность без крыловатости; ж-поко-робленность с крыловатостью

Таблица 3. Показатели средней влажности древесины в све-жесрубленном состоянии

Разбухание - процесс, обратный усушке.
Неравномерность усушки или разбухания древесины ведет к ее растрескиванию, искривлению, деформации деталей изделия.

Теплопроводность - способность древесины проводить тепло от одной поверхности к противоположной. Степень теплопроводности древесины зависит от ее влажности и объемного веса.

Влажная древесина имеет более низкий коэффициент влажности. Объемный вес древесины зависит от породы.

Хвойные породы имеют меньшую плотность древесины, а следовательно, и меньшую теплопроводность. Очевидно превосходство по теплопроводности дерева над кирпичом, поскольку кирпичные стенки толщиной 510 мм (в два кирпича) обладают такими же термоизоляционными свойствами, как и стена из деревянного бруса толщиной 100 мм. Понятно, что по стоимости эти материалы несравнимы. Кроме того, деревянные стены «накапливают» тепло и равномерно распределяют его по всему помещению. Поэтому в таком доме будет тепло даже в самый лютый мороз. Последнее обстоятельство становится решающим при выборе вида древесины для строительства деревянных домов.

Звукопроводность - способность древесины проводить звук. Нужно отметить, что звук в различных направлениях распространяется с неодинаковой силой. Так, звукопроводность древесины вдоль волокон в 4 - 5 раз выше, чем поперек волокон.

К недостаткам древесины относят высокую гигроскопичность, благодаря которой древесина хорошо впитывает влагу из воздуха, при этом она разбухает, увеличивается в объеме, в результате чего небольшие трещины исчезают. Избыток влаги в древесине резко ухудшает ее физико - механические свойства.

В процессе сушки влага испаряется очень медленно. Повышенная влажность готового изделия приводит к изменению его геометрических размеров, короблению, что резко снижает качество конструкции.

Кроме того, древесина обладает естественными пороками (сучки, трещины, смоляные карманы), а высокая ее горючесть

снижает пожароустойчивость здания. Столярные изделия из натуральной древесины нуждаются в постоянном обновлении защитного покрытия.

Лесоматериалы

Бревна

Наибольшее применение в строительстве получили бревна из древесины хвойных пород: сосновые, еловые, пихтовые, из лиственницы и кедра. Бревном считают лесоматериал, имеющий толщину в торце не менее 14 см, длину 4 - 4,5 м. Из древесины лиственных пород наибольшее применение получили бревна из бука, березы, липы, ольхи, осины и тополя.

Таблица 4. Сортамент бревен, применяемых без продольной распиловки

Бревна должны быть очищены от сучьев вровень с поверхностью, опилены под прямым углом к продольной оси, окорены и иметь припуск по длине в соответствии с действующими стандартами. Влажность бревен для несущих конструкций, пролетных строений, а также бревен, поставляемых на пропиточные заводы для антисептирования под давлением, не должна превышать 25%.

Влажность бревен, предназначенных для конструкций, длительно находящихся в увлажненном состоянии, а также для свай
и бревен, поставляемых сплавом, не ограничивается (см. таблицу 5).

Таблица 5. Определение объема одного бревна,

Для Сруба предпочтительнее всего кедр, но не во всяком регионе нашей страны можно прибрести древесину этой породы. Поэтому его часто заменяют сосной или даже елью. Круглый лес в зависимости от толщины в верхнем отрубе подразделяется на мелкий (8-13 см), средний (14-24 см) и крупный (25 см и более). При строительстве сруба обычно применяют бревна диаметром 18-20 см (в средней части), а длина их составляет от 4 до 6 м. Идеальным является вариант применения оцилин-дрованных бревен, которые в настоящее время можно приобрести в розничной и оптовой торговле. Оцилиндрованными называются бревна, которые пропущены через специальное оборудование и имеют постоянный диаметр по всей длине. Сооружение сруба из таких бревен значительно упрощается,
не говоря уже о качестве. Если же для строительства дома приобретен обычный круглый лес, то его следует сортировать по диаметру при покупке.

Если лес закуплен в лесосеке на корню, то в этом случае нужно очень сильно потрудиться, чтобы довести его до кондиционного состояния. Деревья перед рубкой лучше всего ошкурить, дать возможность древесине подсохнуть в лесу и только после этого приступают к его валке. Для валки необходимо подрубить дерево топором со стороны, в которую будет падать ствол.

При этом нужно учитывать, что высота пня не должна превышать 10 см от уровня земли, а валку осуществляют в сторону наклона дерева. Под первое дерево, На место его вероятного падения, укладывают лежку диаметром 15-20 см и длиной 2 м. Пилить ствол нужно так, чтобы недопиленная его часть составляла 1-1,5 см, а после этого жердью раскачивают дерево в нужном направлении до падения. Последующие деревья нужно стараться валить на предварительно сваленные, что облегчит их дальнейшую обработку. После того, как все деревья свалили, приступают к обрубке сучьев и разрезанию бревен по необходимой длине.

Немаловажен факт времени года, когда рубится лес. За зиму питательные вещества накапливаются в стволе, чтобы весной в виде сахарного сиропа подняться до каждой набухшей почки. В начале лета интенсивность влагодвижения также велика и активна. Лишь в августе процессы жизнедеятельности дерева начинают затихать. Дерево приостанавливает Свое развитие и к концу осени засыпает.

Поэтому в старину лес валили только в зимнее время, когда все замирает и не дает возможности «работать» древесине после спила. Отсюда меньше изломов и ненужных деформаций. Застывшая древесина в пору отдыха становится легкой, что в значительной степени сказывается на качестве материала. В старину у нас были созданы простые правила, запрещающие Рубку леса в неназначенный день.

Считалось, что самое сильное дерево, способное сопротивляться огню, можно получить только в один день в году, 1 марта, и лучше всего после захода солнца. Рубку леса, предназначенного для изготовления мебели, проводили в первые восемь дней после новолуния в декабре. Материал остается крепким, менее влагопроницаем, сохраняет объем, что важно для стыковочных граней.

Древесину для поделок следует рубить в новолуние ноября. Стволы тут же нужно освободить от коры, пока жук-короед не отложил свои личинки в пористые ложбинки срубленной мякоти.

Для строительства мостов и лодок лучше брать лес в марте и, желательно, при убывающей луне. Такие бревна более устойчивы к гниению.

Дерево может расти прямо, вертикально вверх или закручиваться вправо или влево. Замечено, что срубленное дерево, закручивающееся влево, крепче, чем закручивающееся вправо или растущее прямо. И молния почему-то ударяет в дерево с левой закруткой.

Рис. 8. Виды пиломатериалов: а-пластина; б-двухкантный брус; в-необрезная доска; г-четвертина; д-четырехкантный брус с обзолом; е-подуобрезная доска с обзолом; ж-чистообрезной брус; з-горбыль; и-обрезная доска; к-строганные шпунтованные доски; 1-пласть; 2-кромка; 3-ребро; 4-торец; 5-обзол

Примечание:

1) При увеличении сорта круглого леса до l-го, норматив выхода пиломатериалов повышается на 3%.

2) При снижении сорта круглого леса до 3-го, норматив выхода пиломатериалов снижается на 2%, до 4-го сорта - на 7%.

3) При смешанной поставке крупных и средних бревен норматив выхода пиломатериалов принимается как среднеарифметическое между средними и крупными бревнами.

Конце не менее одной трети стороны бруса. Основные виды пиломатериалов показаны на рис. 8. Изготавливают их различного сортамента, размеров и качества

Пиломатериалы хвойных пород по качеству делятся на шесть сортов: отборный, I, II, III, IV и V. Доски высшего сорта применяют в судо- и вагоностроении.

Доски I и II сорта применяют для устройства полов, столярных изделий, несущих балок, клееных конструкций и т.д. Доски III сорта используют для подшивки потолков под штукатурку, IV сорт - для крышной обрешетки, заборов и т.д. Доски V сорта используют в щитовых перегородках, для изготовления ящичной тары и т.д.

Таблица 7. Толщина и ширина пиломатериалов хвойных
пород в мм

Широкую грань доски, обращенную в сторону сердцевины, называют внутренней, & противоположную - наружной, лучшую по качеству поверхность называют версией. Соответственно, противоположная сторона именуется нижней.

Ширина - размер, определяемый расстоянием между кромками доски или бруса в направлении перпендикулярном продольной оси.

Ширина обрезной доски измеряется по широкой пласти в месте, где нет обзола, но не ближе 1500 мм от торца. Ширина необрезной доски измеряется на расстоянии от торца, равном размеру ширины доски. В местах замера ширины доски не должно быть вмятин, зарубок и сколов.

Длина - размер, определяемый кратчайшим расстоянием между торцами доски или бруса, опиленными условно перпендикулярно продольной оси пиломатериала.

Толщина - размер, определяемый расстоянием между пластами в направлении, перпендикулярном пластям. "

Если пиломатериалы готовят из бревен, то нужно знать, как правильно распилить бревно. Если распиливать бревна поперечным способом, пиломатериалы окажутся резко отличающимися друг от друга по качеству и внешнему виду. Те, что взяты из середины ствола, называются сердцевинными. На них годичные кольца расположены к плоскости спила как бы под прямым углом. Древесина этих досок наиболее прочна и устойчива.

«Боковыми» называют доски, полученные из крайних частей ствола. Они красивы по текстуре, поэтому их лучше использовать для отделочных работ. В несущих конструкциях их применять не следует, так как такие доски легко деформируются.

Для получения досок высокого качества с относительно равномерной текстурой используют так называемый радиальный разрез. Для этого ствол сначала рассекают на четыре доли, а затем каждую часть по радиальным направлениям распиливав ют дальше. Это неэкономичный распил, так как дает большое количество отходов, однако в мебельном производстве и для изготовления отделочного материала он используется очень часто.

Массив таких пиломатериалов прочен, равномерен и необходим для тяжелых конструкций или особо важных несущих деталей.

Выбирая пиломатериал, нужно обращать внимание на поверхность вдоль всей его длины. Только так можно четко увидеть, все ли кромки абсолютно ровные. Если перекосы или искривления небольшие, такой пиломатериал можно пускать в работу.

Если искривление двустороннее, использовать доску для конструкций, где требуется точность, нежелательно. Годичные кольца не должны «выпадать» из доски, так как в процессе эксплуатации этот край начнет расслаиваться И задираться.

Таблица 8. Толщина и ширина пиломатериалов лиственных
пород в мм

§ 2. Физические и механические свойства древесины

Древесина, применяемая в мебельном производстве, должна быть здоровой и не иметь пороков, снижающих ее прочность. Она должна легко поддаваться обработке, не изменять приданную ей форму, сопротивляться внешним усилиям и противостоять отрицательному действию воздуха и воды. Эти качества составляют технические свойства древесины, которые нужно учитывать при ее использовании. Требования к лесоматериалам и условия их использования устанавливаются Государственными стандартами (ГОСТ). Технические свойства древесины разделяют на физические и механические.

Физические свойства древесины . Это свойства, которые не приводят к изменению химического состава и цельности материала. К ним относятся цвет, блеск, текстура, запах, влажность, разбухание, усушка, масса, гигроскопичность, теплопроводность, звукопроводность и электропроводность.

Цвет . Целлюлоза, являясь основным веществом, из которого построена древесина, не окрашена. Цвет древесины прежде всего зависит от породы и климата. В умеренном поясе древесина обычно окрашена бледно, в тропическом поясе она имеет яркую окраску. Многие древесные породы (береза, липа, осина, ель) имеют почти белый цвет с легкими оттенками. Дуб и ясень имеют бурый тон, бук - красновато-белый, грецкий орех - коричневый.

Большая часть древесных пород после валки темнеет. Это объясняется действием на древесину кислорода воздуха. Так, светло-розовая древесина ольхи вскоре после валки становится желтовато-красной вследствие окисления дубильных веществ. Древесина дуба, пробывшего много лет под водой, становится серой и даже черной в результате соединения дубильных веществ с солями железа. Цвет молодой древесины светлее цвета старой.

Для улучшения цвета, а также придания древесине другой окраски ее подвергают различной обработке. Древесину бука пропаривают, что обеспечивает однородную красную окраску. Часто древесину окрашивают химическими веществами. Лучше всего окрашиваются рассеянно-сосудистые породы. Так, ольха хорошо имитируется под красное дерево, груша - под черное дерево. Хуже всего окрашивается древесина хвойных пород из-за резкой неоднородности строения и содержания смол.

Блеск . Блеск древесины зависит от расположения сердцевинных лучей и ее плотности. Яснее выражен блеск на радиальных разрезах. Это объясняется тем, что на радиальном разрезе сердцевинные лучи занимают значительную площадь. Блеском отличается древесина клена, бука, ильма, дуба, кизила, белой акации. Это свойство древесины учитывают, если ее применяют в неокрашенном виде.

Придать древесине искусственный блеск можно полированием, лакированием и вощением. Хорошо полируется орех, ясень, хуже - бук, дуб. Древесина мягких лиственных и хвойных пород полируется плохо (за исключением тиса и можжевельника). Для количественного определения блеска поверхности применяют прибор рефлектоскоп, принцип работы которого основан на отражении блестящей поверхности рядов цифр разной величины. В зависимости от номеров строки и цифр, читаемых на контролируемой поверхности, устанавливают степень блеска.

Текстура . Текстурой называется естественный рисунок, который получается на строганой поверхности продольного разреза дерева вследствие перерезания его волокон, годовых слоев и сердцевинных лучей. Древесина хвойных пород, имеющая плотное строение, характеризуется в большинстве случаев однообразной текстурой. Древесина лиственных пород, отличающаяся более сложным строением, имеет разнообразную текстуру, которая зависит также от ширины годовых слоев, разницы в окраске ранней и поздней древесины, крупности сосудов и направления волокон. Очень большое значение имеет направление разреза. На тангентальном разрезе получается более красивый рисунок; особенно выразительный рисунок из линий нарастающих конусов дают хвойные породы.

Древесные породы, у которых слабо развиты сердцевинные лучи и неясно выражены годовые слои, не обладают красивой текстурой (береза, осина, липа). Породы, имеющие хорошо развитые сердцевинные лучи, отличаются красивой текстурой. Особенно красивую текстуру дают сердцевинные лучи на радиальном разрезе у таких пород, как платан, бук, клен; на тангентальном - ясень, бархатное дерево, каштан, орех, вяз, лиственница. Кольцесосудистые лиственные породы (дуб, ильм и карагач), у которых сердцевинные лучи хорошо развиты и заметны, дают красивую текстуру как на радиальном, так и на тангентальном разрезах. Красивой текстурой обладает свилеватая древесина, особенно карельская березы и древесина наплывов. Для увеличения резкости текстуры поверхность древесины покрывают прозрачными лаками.

Запах . Многие древесные породы имеют характерный запах, который они приобретают от смолистых, дубильных веществ и эфирных масел, содержащихся в их древесине. Ядро древесины обладает более сильным запахом, так как в нем этих веществ содержится больше. Более сильный запах у свежесрубленной древесины, а также у древесины хвойных пород, содержащих смолу. При высыхании запах древесины многих пород ослабевает, а иногда и меняется. При заболевании дерева запах его древесины также меняется. Так, здоровая свежесрубленная древесина дуба имеет запах дубильных веществ, а при загнивании она часто пахнет ванилью.

Влажность . Вода необходима для жизни и роста дерева. Влажность древесины - количество содержащейся в ней воды, выраженное в процентах по отношению к абсолютно сухой массе древесины. Для определения влажности из доски или бруска, отступив от торца на 0,25 - 0,5 м, выпиливают образец - брусочек толщиной 10 - 15 мм. Образец очищают от заусенцев и опилок, взвешивают и помещают в сушильный шкаф для высушивания при температуре 100 - 105°. Во время высушивания образец взвешивают первый раз не ранее чем через 6 ч от начала сушки; второй и последующие - через каждые два часа. Образец высушивают до тех пор, пока при дальнейшем взвешивании масса его не будет изменяться. Разница в массе образца будет равна массе испарившейся влаги. Разделив массу испарившейся влаги на массу сухой древесины и умножив на 100, получим влажность в процентах.

Например, масса сырого образца при первоначальном взвешивании составляла 200 г, а после высушивания 160 г. Следовательно, масса испарившейся влаги 200 - 160=40 г, а влажность древесины бруска составит 40/160 x 100 = 25%.

Определение влажности таким способом занимает много времени, а кроме того, нельзя исследовать влажность готового изделия. Для быстрого определения влажности древесины применяют прибор электровлагомер, дающий возможность в течение минуты определить влажность деталей, досок, брусков. Принцип работы электровлагомера основан на том, что электропроводность древесины зависит от ее влажности. Чем выше влажность древесины, тем лучше проходит через нее электрический ток. Сухая же древесина является плохим проводником электричества.

В зависимости от влажности древесина бывает следующих видов:

свежесрубленная - имеет влажность от 40% и более в зависимости от породы древесины и времени рубки;

сырая - с влажностью от 23% и выше, ее применяют для изготовления деревянных конструкций, не защищенных от атмосферных осадков;

полусухая - имеет влажность от 18 до 23%; ее применяют для изготовления деревянных конструкций, защищенных от атмосферных осадков;

воздушносухая - с влажностью от 12 до 18%; ее используют для всех деревянных конструкций в зданиях различного назначения, а также в производстве плетеной мебели;

комнатно-сухая - имеет влажность от 8 до 12%; из нее изготовляют столярные и мебельные изделия;

абсолютно сухая - с влажностью 0 % может быть получена только в лабораторных условиях.

С влажностью древесины связаны такие свойства как усушка, разбухание, коробление и растрескивание.

Усушка . Теряя при высыхании влагу, древесина уменьшается в размерах (становится короче, уже и тоньше). Это свойство называется усушкой. Свободная влага испаряется из древесины сравнительно быстро и не вызывает уменьшения ее размеров; уменьшается только масса древесины. Гигроскопическая влага испаряется значительно медленнее, так как она находится в клеточных оболочках. Ее испарение начинается с момента перехода точки насыщения клеточных оболочек. При усушке стенки клеток, отдавая влагу, сжимаются, становятся в объеме меньше. Величина усушки древесины в разных направлениях не одинакова. Так, вдоль волокон, т. е. по длине ствола, она составляет 0,1 - 0,3%; по радиусу поперечного сечения, т. е. по направлению сердцевинных лучей, 3 - 5%; по направлению касательной к годовым слоям - 6 - 10 %.

Усушку вдоль волокон при наличии ее малой величины обычно во внимание не принимают. Величина усушки поперек волокон значительна, и ее приходится учитывать, особенно при распиливании бревен на доски. Обычно бревна распиливают во влажном состоянии, и, если не предусмотреть припуска на усушку, полученные пиломатериалы после высыхания не будут иметь требуемых размеров поперечного сечения.

Величина усушки древесины зависит также от ее плотности. Древесина плотная усыхает больше мягкой. Это объясняется наличием в плотной древесине большего количества древесинного вещества, и следовательно, гигроскопической влаги. На основании величины объемной усушки древесные породы можно разделить на три группы: малоусыхающие - можжевельник, пихта маньчжурская, тис, ольха, орех маньчжурский, ива белая, тополь, каштан; среднеусыхающие - сосна, ель, кедр, пихта сибирская, дуб, вяз, карагач, ильм, ясень европейский, орех грецкий, осина, рябина, клен, ива пирамидальная; сильноусыхающие - лиственница, акация, береза бородавчатая, пушистая и железная, бук, груша, граб, ясень маньчжурский.

Разбухание . Если сухую древесину поместить в сырое помещение или хранить на открытом воздухе, то она вновь поглощает (впитывает) влагу и разбухает. При этом древесина увеличивается в размерах, объеме и массе, изменяет приданную ей форму. Этот процесс наблюдается при поглощении влаги до точки насыщения клеточных оболочек. Дальнейшее увеличение влажности древесины, заключающееся в заполнении полостей клеток водой, разбухания не вызывает. Разбухание древесины не одинаково в разных направлениях и происходит до тех же размеров, что и при усушке.

Разбухание - отрицательное явление, но в отдельных случаях оно бывает полезным. Свойство древесины разбухать используют в деревянном судостроении, в бондарном деле, в производстве деревянных труб, так как вследствие разбухания отдельные части изделия плотнее примыкают друг к другу и не пропускают воду.

Для предотвращения порчи изделий от разбухания необходимо для изготовления их применять древесину требуемой влажности, которая соответствовала бы условиям эксплуатации. Для предохранения древесины от проникновения в нее влаги из воздуха используют внешнюю отделку изделий. Кроме того, древесину пропитывают веществами, уменьшающими влагопоглощение и снижающими ее разбухание.

Коробление . Коробление, или изменение первоначальной формы пиломатериалов и деталей, вызывается главным образом различной усушкой древесины по разным направлениям. Сторона доски ближе к сердцевине усыхает меньше противоположной (наружной). Последняя, сжимаясь, тянет на себя и другую сторону. Поэтому при короблении выпуклость доски всегда обращена в сторону сердцевины. Сильнее коробятся заболонные доски, т. е. отстоящие дальше от сердцевины. Средняя доска, включающая сердцевину, при усушке не коробится, у нее только немного тоньше становятся кромки.

Кроме поперечного, бывает и продольное коробление. Оно наблюдается как изгибание по длине на широкую сторону - на кромку, а также по диагонали - винтообразное коробление, или скручивание. Причинами продольного и винтообразного коробления являются неоднородное и косослойное строение древесины. Крыловатые доски обязательно нужно раскраивать на более мелкие детали.

Широкие доски коробятся больше, чем узкие. При соединении их следует располагать таким образом, чтобы коробление одной доски препятствовало короблению соседней. Поэтому деревянные щиты надо собирать так, чтобы сердцевинные части досок были обращены в разные стороны. Коробление может быть уменьшено или даже устранено, если доски соединять на шпонках, в наконечник и в рамку, как например в конструкциях дверей, где филенка может усыхать не коробясь.

Растрескивание . Неодинаковая усушка в разных направлениях, а также неравномерное высыхание древесины вызывает растрескивание. Трещины идут от наружных слоев к центру ствола, к сердцевине. Бревна без коры растрескиваются сильнее, чем бревна, имеющие кору, так как она замедляет высыхание. Однако кора удлиняет срок высушивания и способствует развитию гнилей и поражению короедами. При медленном высыхании древесина не растрескивается, поэтому при длительном хранении лесоматериалов принимают меры, замедляющие их высыхание. Для этого торцы бревен, брусьев и доски защищают специальными покрытиями.

Масса . Масса древесины зависит от ее породы, строения и влажности.

Удельная масса . Это масса древесинного вещества в абсолютно плотном состоянии без промежутков, пустот и влаги. Так как масса 1 см 3 химически чистой воды при 4 °С составляет 1 г, то удельная масса любого вещества является отношением этого вещества в абсолютно плотном состоянии к массе воды, взятых в одинаковом объеме. Удельная масса древесинного вещества практически не зависит от породы и в среднем составляет 1,54.

Плотность . Это объемная масса древесины в ее естественном состоянии, т. е. со всеми промежутками, пустотами, влагой, смолой. Она имеет большое практическое значение и служит основным показателем качества и механических свойств древесины. Плотность древесины разных пород не одинакова. Она бывает не одинаковой даже в различных местах одного и того же дерева. Древесина ядра тяжелее древесины заболони. Древесина в комле имеет большую плотность, чем в верхней части ствола. Сравнивать древесину различных пород по плотности можно только при одинаковой влажности. Для определения объемной массы древесины нужно взвесить образец любого размера (при 15%-ной влажности) и разделить массу на объем образца. Полученная объемная масса выражает отношение массы единицы объема древесины к массе такого же объема воды. Если объемная масса древесины равна 0,75, это значит, что 1 м 3 древесины весит 0,75 т. Наиболее тяжелая древесина у самшита (0,97) и фисташки (1,12), а наиболее легкая у пихты, растущей в Восточной Сибири (0,35), и тополя канадского (0,40).

Различают абсолютную и относительную плотность древесины. Абсолютная плотность характеризуется количеством древесинного вещества в единице объема и определяется объемной массой. Древесина с большей объемной массой имеет и более высокую абсолютную плотность. Относительная плотность показывает равномерность строения древесины. Высокая относительная плотность свойственна породам с более или менее равномерным строением древесины (самшит, груша, граб, клен). Наименьшую относительную плотность имеют хвойные породы (сосна, ель, пихта, кедр). Древесина с более высокой относительной плотностью обрабатывается чаще, дает ровную гладкую поверхность, хорошо лакируется и полируется. Древесина с низкой относительной плотностью труднее поддается лакированию и полированию, но обладает другим ценным свойством - хорошо гнется.

Пористость . Пористость древесины определяют по объему внутренних пустот (полостей клеток, межклеточных пространств) и выражают в процентах от объема древесины в абсолютно сухом состоянии. Она зависит от объемной массы древесины и с ее увеличением уменьшается.

Гигроскопичность . Гигроскопичностью, или влагопоглощением, называется способность древесины впитывать в себя влагу из окружающего воздуха. Влажная древесина легко отдает влагу окружающему ее воздуху; сухая, наоборот, легко поглощает ее. Поэтому гигроскопичность древесины вызывает постоянные изменения ее влажности, массы, размеров и формы.

Так, абсолютно сухая древесина впитывает в себя водяные пары из воздуха до тех пор, пока ее влажность будет соответствовать влажности и температуре окружающего воздуха. Влажность, которую приобретает древесина, находясь долгое время на воздухе с постоянной относительной влажностью и температурой, называется равновесной влажностью древесины. Между этой влажностью древесины, температурой и влажностью окружающего воздуха имеется зависимость.

Теплопроводность . Теплопроводностью древесины называется ее способность проводить тепло. По сравнению с другими материалами древесина плохо проводит тепло. Ее малая теплопроводность объясняется пористостью строения и большим содержанием в межклеточных и внутриклеточных пространствах воздуха, который является плохим проводником тепла. Теплопроводность зависит от объемной массы древесины, влажности, температуры и направления волокон. У различных пород теплопроводность древесины не одинакова. Породы, обладающие большой плотностью (бук, дуб), более теплопроводны. Породы с меньшей плотностью (сосна, ель, береза) менее теплопроводны. Так как теплопроводность воды в 23 раза выше теплопроводности воздуха, то теплопроводность сырой древесины значительно больше, чем сухой. Вдоль волокон она также больше, чем поперек.

Звукопроводность . Звукопроводностью называется способность материала проводить звук. Эта способность у древесины относительно велика. Вдоль волокон древесина проводит звук в 15 - 18 раз быстрее воздуха, а поперек волокон только в 3 - 6 раз. Звукопроводность зависит от породы и влажности древесины. Повышенная влажность понижает ее звукопроводность.

Способность резонировать или усиливать звук без искажения тона является важным свойством древесины, благодаря которому ее используют для изготовления дек музыкальных инструментов. Резонансовые свойства древесины зависят от ее объемной массы и однородности строения. Чем мелкослойнее древесина, тем лучше она передает звук высокой частоты. Резонирование происходит потому, что упругие древесные волокна от звуковых волн приходят в колебание. Колебания передаются окружающему воздуху и от этого звук усиливается.

Свилеватость, сучки, неравномерность годовых слоев и высокая влажность снижают резонансовые свойства древесины. Наиболее пригодной для изготовления дек музыкальных инструментов является сухая мелкослойная, равнослойная, здоровая древесина ели, кавказской пихты и сибирского кедра.

Электропроводность . Электропроводностью называется способность материала проводить электрический ток. Древесина - плохой проводник электричества. Ее электропроводность зависит от породы, направления прохождения тока по отношению к расположению волокон, влажности и температуры. Сопротивление древесины прохождению электрического тока вдоль волокон меньше, чем поперек волокон, а в радиальном направлении несколько больше, чем в тангентальном. С увеличением влажности древесины электропроводность ее повышается. У разных пород древесины электропроводность не одинакова. Сосна и ель проводят электричество хуже, чем дуб, ясень и клен.

Малая электропроводность древесины позволяет использовать ее в качестве изоляционного материала (прокладки под розетками, выключателями, части радиоприемников). Для этой цели применяют дуб, ясень, бук, клен.

Механические свойства древесины . Изделия из древесины, находящиеся под действием внешних механических сил, вместе с другими предъявленными к ним требованиями должны удовлетворять и условиям механической прочности. По механическим свойствам древесины определяют ее способность сопротивляться действию внешних механических сил, к которым относятся давление грузов, находящихся на изделии, масса людей и т. д. При воздействии внешних механических сил на древесину в ней возникают внутренние напряжения или силы противодействия.

Изменение формы или размеров древесины под действием внешних сил называется деформацией. Деформация, исчезающая после прекращения действия внешней силы, называется упругой. Деформация, при которой после прекращения действия внешней силы форма или размеры древесины не восстанавливаются, называется остаточной. При определенных условиях упругая деформация переходит в остаточную. Этим пользуются при гнутье древесины.

С увеличением нагрузки напряжения в материале возрастают. При достижении соответствующего предела напряжения внутренние силы сцепления частичек материала недостаточно сопротивляются и материал разрушается. Напряжения в момент разрушения материала достигают своего предела прочности, который измеряется в МПа. В зависимости от прочности материала устанавливают допускаемые напряжения, определяющие максимальную нагрузку, которую может воспринять материал при использовании его в сооружениях без изменения формы (деформации). Такая нагрузка называется допускаемой нагрузкой. В зависимости от вида действия механические силы делятся на сжимающие, растягивающие, изгибающие, скалывающие, скручивающие и перерезывающие. К механическим свойствам древесины относятся прочность, твердость, упругость, вязкость, хрупкость, раскалываемость и гвоздимость.

Прочность . Прочностью древесины называется способность ее сопротивляться действию внешних сил, стремящихся сжать, растянуть, изогнуть, сколоть или срезать древесину. В зависимости от того, какие силы действуют (растяжения, сжатия или изгиба) и в каком направлении (вдоль или поперек волокон) древесина по-разному оказывает им сопротивление. Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон очень высок: средняя величина его для сосны составляет 102,4 МПа.

Древесина обладает малой прочностью при растяжении поперек волокон. Предел прочности при радиальном растяжении (усилие направлено по сердцевинным лучам) для всех пород выше, чем при тангентальном (усилие направлено по касательной к годовым слоям). Для хвойных пород предел прочности при радиальном растяжении выше предела прочности при тангентальном растяжении на 40%, а для лиственных - на 30%. Наиболее высокий предел прочности при растяжении поперек волокон имеют твердые лиственные породы - рассеянососудистые. Сопротивление древесины растяжению поперек волокон в 50 раз меньше, чем вдоль них. Наименьший предел прочности древесины при растяжении поперек волокон объясняется слабой связью между отдельными волокнами и сосудами. Исходя из этого, в древесине, работающей на растяжение, волокна должны иметь продольное направление.

Различают сжатие продольное и поперечное (в радиальном и тангентальном направлениях и плоскостях). Продольному сжатию (торцевому) древесина сопротивляется больше, чем поперечному (радиальному и тангентальному). В среднем для сосновой древесины предел прочности при сжатии вдоль волокон составляет около 41,7 МПа, т. е. примерно в 2 раза ниже предела прочности при растяжении вдоль волокон.

При сжатии древесины поперек волокон вначале происходит постепенное уплотнение, или смятие, образца. Затем наступает разрушение в форме отслаивания и растрескивания. В среднем предел прочности при сжатии древесины сосны поперек волокон (в тангентальном направлении) составляет около 5 МПа.

При работе древесины на изгиб (в деталях гнутой плетеной мебели) деформация выражается прогибом. На выпуклой стороне бруса волокна древесины растягиваются, а на согнутой стороне - сжимаются. Для хвойных пород предел прочности при тангентальном изгибе на 10 - 12% выше, чем при радиальном; для лиственных пород он одинаков. Так как древесина при сжатии вдоль волокон имеет значительно меньшую прочность, чем при растяжении, то разрушение при изгибе и начинается в зоне сжатия в виде складок. Разрушение в зоне растяжения выражается в разрыве или отщепе крайних волокон. При высоком качестве древесины излом получается волнистый или защепистый, при низком качестве излом обычно раковистый, почти гладкий. Древесина обладает высоким сопротивлением изгибу. Оно зависит от влажности, плотности и породы древесины. Пороки, особенно сучки и трещины, понижают прочность древесины при изгибе.

Сдвиг части древесины по направлению волокон без перерезания их называется скалыванием, а поперек волокон с перерезанием их - срезом. Прочность древесины на скалывание имеет важное значение для врубок. Влажность древесины уменьшает ее прочность. Чем плотнее древесина, тем она прочнее. Большой прочностью обладает граб, дуб, бук, ясень; средней - лиственница, клен, береза; меньшей - сосна, ель, ольха, липа.

Твердость . Твердостью называется свойство материала сопротивляться обработке режущими инструментами и проникновению в него другого постороннего тела: шила, гвоздя, шурупа. Твердость зависит от породы древесины, объемной массы и влажности. Одна и та же порода имеет в разных направлениях различную твердость. Знание твердости древесины необходимо при подборе и затачивании режущего инструмента для ее обработки (пиления, строгания, долбления). Различают твердость торцовую, радиальную и тангентальную.

Поверхность торцового (поперечного) среза тверже продольного, ядровая древесина тверже заболонной. Чем тверже древесина, тем труднее она поддается обработке. По степени твердости древесину делят на три группы: мягкие породы - сосна, ель, пихта, тополь, липа, осина, ива; твердые - дуб, бук, береза, клен, вяз, лиственница; очень твердые - самшит, акация белая, фисташка, граб, груша.

Упругость . Упругостью называется способность древесины восстанавливать первоначальную форму после прекращения воздействия внешних сил, если это воздействие не превышает известного предела - предела упругости. Упругость древесины зависит от влажности, объемной массы, прямослойности, от количества и размеров сердцевинных лучей и возраста дерева. Чем древесина суше, тем она более упруга. Наибольшей упругостью обладает дуб, ясень, бук и кизил. Упругая древесина, принимая удары, поглощает их и смягчает отдачу удара соприкасающемуся с древесиной телу. Для этой цели подкладки под наковальни молотов, ручки к ударным инструментам, ружейные ложа, барабанные палочки делают из дерева.

Вязкость . Вязкостью (пластичностью) древесины называется способность ее изменять свою форму под действием внешних сил и сохранять эту форму после прекращения их. Вязкость зависит от породы, возраста, влажности и температуры древесины. Влажная древесина при действии высокой температуры обладает большей вязкостью. Поэтому при производстве ободьев, колес, дуг, гнутой и плетеной мебели, бочек древесину предварительно пропаривают. Лиственные породы по сравнению с хвойными обладают большей вязкостью. К очень вязким породам относятся бук, вяз, дуб, ясень, ива. Древесина заболони гнется лучше древесины ядра. Древесина корней и ветвей пластичнее древесины ствола.

Хрупкость . Хрупкость - это свойство, противоположное упругости. Оно заключается в том, что под действием внешней силы незначительно изменяется форма материала. Когда внешняя сила достигает предельной величины, сразу наступает разрушение. Древесина пересушенная становится более хрупкой.

Раскалываемость . Раскалываемостью называется способность древесины колоться вдоль волокон на части под действием клина. Раскалывание объясняется слабым сцеплением волокон древесины по длине дерева. Сучковатая и свилеватая древесина раскалывается труднее, чем прямослойная. Осина, ель, сосна и пихта обладают свойством легко раскалываться; клен, граб, береза и дуб раскалываются труднее.

Гвоздимость . Гвоздимостью называется способность древесины удерживать гвозди, шурупы, костыли, скобы. Она зависит от породы, объемной массы и влажности древесины. Повышенная объемная масса увеличивает сопротивление древесины выдергиванию гвоздя или шурупа. Влажная древесина облегчает вбивание гвоздей, но от влаги стальные гвозди ржавеют и по мере увеличения коррозии сила, удерживающая гвоздь, слабеет. Древесина твердых пород при вбивании в нее гвоздей раскалывается скорее, чем древесина мягких пород. Для увеличения трения вместо гвоздей применяют шурупы.

Общие понятия

Механические свойства характеризуют способность древесины сопротивляться воздействию внешних сил (нагрузок). По характеру действия сил различают нагрузки статические, динамические, вибрационные и долговременные. Статическими называют нагрузки, возрастающие медленно и плавно. Динамические, или ударные, нагрузки действуют на тело мгновенно и в полную силу. Вибрационными называют нагрузки, у которых меняются и величина, и направление. Долговременные нагрузки действуют в течение продолжительного времени.

Под воздействием внешних сил в древесине нарушается связь между отдельными ее частицами и нарушается форма. Из-за сопротивления древесины внешним нагрузкам в древесине возникают внутренние силы; если эти силы отнести к единице площади сечения (1 см2), то получим напряжение. Напряжение измеряется в килограммах на квадратный сантиметр (кгс/см2).

Деформацией называется изменение формы и размеров древесины под действием внешних сил. Деформации, исчезающие после прекращения действия силы, называют упругими, а сохраняющиеся после снятия нагрузки - остаточными.

К механическим свойствам древесины относятся прочность, твердость, деформативность, ударная вязкость.

Прочность древесины

Прочностью называется способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузки. Прочность древесины зависит от направления действия нагрузки, породы дерева, плотности, влажности, наличия пороков.

Существенное влияние на прочность древесины оказывает только связанная влага, содержащаяся в клеточных оболочках. При увеличении количества связанной влаги прочность древесины уменьшается (особенно при влажности 20...25%). Дальнейшее повышение влажности за предел гигроскопичности (30%) не оказывает влияния на показатели прочности древесины. Показатели пределов прочности можно сравнивать только при одинаковой влажности древесины.

Кроме влажности на показатели механических свойств древесины оказывает влияние и продолжительность действия нагрузок.

Различают основные виды действий сил: растяжение, сжатие, изгиб, скалывание.

Предел прочности на растяжение. Средняя величина предела прочности при растяжении вдоль волокон для всех пород составляет 1300 кгс/см2. На прочность при растяжении вдоль волокон оказывает большое влияние строение древесины. Даже небольшое отклонение от правильного расположения волокон вызывает снижение прочности.

Прочность древесины при растяжении поперек волокон очень мала и в среднем составляет 1/20 часть от предела прочности при растяжении вдоль волокон, то есть 65 кгс/см2. Поэтому древесина почти не применяется в деталях, работающих на растяжение поперек волокон. Прочность древесины на растяжение поперек волокон имеет значение при разработке режимов резания и режимов сушки древесины.

Предел прочности при сжатии. Различают сжатие вдоль и поперек волокон. При сжатии вдоль волокон деформация выражается в небольшом укорочении образца. Разрушение при сжатии начинается с продольного изгиба отдельных волокон, которое во влажных образцах из мягких и вязких пород проявляется как смятие торцов и выпучивание боков, а в сухих образцах и в твердой древесине вызывает сдвиг одной части образца относительно другой.

Средняя величина предела прочности при сжатии вдоль волокон для всех пород составляет 500 кгс/см2.

Прочность древесины при сжатии поперек волокон ниже, чем вдоль волокон примерно в 8 раз. При сжатии поперек волокон не всегда можно точно установить момент разрушения древесины и определить величину разрушающего груза.

Древесину испытывают на сжатие поперек волокон в радиальном и тангентальном направлениях. У лиственных пород с широкими сердцевинными лучами (дуб, бук, граб) прочность при радиальном сжатии выше в полтора раза, чем при тангентальном; у хвойных - наоборот, прочность выше при тангентальном сжатии.

Предел прочности при статическом изгибе. При изгибе, особенно при сосредоточенных нагрузках, верхние слои древесины испытывают напряжение сжатия, а нижние - растяжения вдоль волокон. Примерно посередине высоты элемента проходит плоскость, в которой нет ни напряжения сжатия, ни напряжения растяжения. Эту плоскость называют нейтральной; в ней возникают максимальные касательные напряжения. Предел прочности при сжатии меньше, чем при растяжении, поэтому разрушение начинается в сжатой зоне. Видимое разрушение начинается в растянутой зоне и выражается в разрыве крайних волокон.

Предел прочности древесины зависит от породы и влажности. В среднем для всех пород прочности при изгибе составляет 1000 кгс/см2, то есть в 2 раза больше предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Прочность древесины при сдвиге. Внешние силы, вызывающие перемещение одной части детали по отношению к другой, называют сдвигом. Различают три случая сдвига: скалывание вдоль волокон, поперек волокон и перерезание.

Прочность при скалывании вдоль волокон составляет 1/5 часть от прочности при сжатии вдоль волокон. У лиственных пород, имеющих широкие сердцевинные лучи (бук, дуб, граб), прочность на скалывание по тангентальной плоскости на 10...30% выше, чем по радиальной.

Предел прочности при скалывании поперек волокон примерно в два раза меньше предела прочности при скалывании вдоль волокон. Прочность древесины при перерезании поперек волокон в четыре раза выше прочности при скалывании вдоль волокон.

Твердость, деформативность и ударная вязкость древесины

Твердость. Твердостью называется способность древесины сопротивляться проникновению в нее твердых тел.

Твердость торцовой поверхности выше тангентальной и радиальной на 30% у лиственных пород и на 40% - у хвойных. На величину твердости оказывает влияние влажность древесины. При изменении влажности древесины на 1% торцовая твердость изменяется на 3%, а тангентальная и радиальная - на 2%.

По степени твердости все древесные породы при 12%-ной влажности можно разделить на три группы:

мягкие (торцовая твердость 385 кгс/см2 и менее) - сосна, ель, кедр, пихта, тополь, липа, осина, ольха;

твердые (торцовая твердость от 386 до 825 кгс/см2) - дуб, лиственница сибирская, береза, бук, вяз, ильм, карагач, клен, яблоня, ясень;

очень твердые (торцовая твердость более 825 кгс/см2) - акация белая, береза железная, граб, кизил, самшит.

Твердость древесины имеет существенное значение при обработке ее режущими инструментами: фрезеровании, пилении, лущении, а также в тех случаях, когда она подвергается истиранию при устройстве полов, лестниц, перил.

Деформативность. Деформативностью называют способность древесины изменять свои размеры и форму при воздействии усилий. Показателями деформативности служат модули упругости, коэффициенты поперечной деформации, модули сдвига древесины. В условиях непродолжительного воздействия нагрузок древесина ведет тебя как упругое тело. Способность древесины деформироваться характеризует ее жесткость.

При определении модуля упругости необходимо измерять напряжение и деформацию (удлинение и укорочение).

Величины модулей упругости при сжатии, растяжении вдоль волокон, а также при изгибе с нагружением в двух точках практически не различаются. Для древесины разных пород модуль упругости колеблется в пределах - 100...150 тыс. кгс/см2. Модуль упругости при растяжении и сжатии поперек волокон значительно меньше модулей при сжатии и растяжении вдоль волокон: для лиственных пород в 20 раз, а для хвойных - в 25 раз.

Ударная вязкость. Ударная вязкость, характеризующая способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения, определяется при испытаниях на изгиб. Чем больше величина работы, потребной для излома образца древесины, тем выше его вязкость. Если древесина хрупкая, то для разрушения образца необходимо затратить меньшую величину работы.

Цвет древесины зависит от климатических условий произрастания дерева. В умеренном климате древесина почти всех пород окрашена бледно, а в тропическом имеет яркую окраску. Влияние климатического фактора сказывается и в пределах одного пояса, например породы, произрастающие в более теплых зонах – дуб, орех, тис и другие, имеют интенсивную окраску, а произрастающие севернее – ель, сосна, осина, береза и другие, окрашены бледно. Интенсивность окраски зависит также от возраста деревьев – с увеличением возраста интенсивность усиливается. Изменение цвета древесины происходит под влиянием воздуха и света, а также от воздействия грибных поражений; при выдержке древесины в воде или в специальных растворах; при пропаривании и высокотемпературной сушке.

Цвет древесины является важной характеристикой и учитывается при выборе пород для изготовления мебели, отделки интерьеров, при производстве художественных поделок, музыкальных инструментов и т. д.

Блеск – это способность древесины направленно отражать световой поток. Наибольший блеск имеют гладкие зеркальные поверхности, так как они дают направленное отражение. Как правило, блеск древесины оценивается по белизне: чем больше белизна древесины, тем выше показатель блеска. Блики и отсветы дают еще и сердцевинные лучи на радиальных разрезах.

Текстура – это естественный рисунок на тангенциальных и радиальных разрезах древесины, образованный годичными слоями и анатомическими элементами. Чем сложнее строение древесины, тем богаче ее текстура. У древесины хвойных пород строение простое и текстура однообразная, она определяется в основном шириной годичных колец и разницей

окраски ранней и поздней древесины. Древесина лиственных пород имеет сложное строение и более богатую текстуру. Характер текстуры во многом зависит от направления разреза. Многие породы, такие как орех, ясень, вяз, дуб и другие, имеют красивую и интересную текстуру на тангенциальном разрезе. Древесина на радиальном разрезе также имеет красивую, оригинальную текстуру.

Древесина капов, образующихся на стволах деревьев лиственных пород, имеет высокие декоративные свойства. Весьма оригинальна текстура древесины клена типа «птичий глаз», которую создают не развившиеся в побег «спящие» почки. Своеобразная и красивая текстура создается и искусственным путем при неравномерном прессовании древесины и последующем ее строгании, или при лущении волнистым ножом, или под углом к направлению волокон. При прозрачной отделке древесины ее текстура проявляется сильнее. Текстура является важнейшим показателем, который определяет декоративную ценность древесины.

Виды текстуры древесины:

1) без выраженного рисунка – липа, груша;

2) мелкокрапчатый рисунок – дуб, бук, чинара;

3) муаровый рисунок – серый клен, волнистая береза, красное дерево;

4) рисунок «птичий глаз» – ясень, клен, береза карельская, тополь украинский;

5) раковинный рисунок – орех кавказский, ясень, карагач – комлевая часть;

6) сучковатый рисунок – ель, сосна.

В свежесрубленной древесине, как правило, содержится большое количество воды и в дальнейшем в зависимости от условий хранения оно может увеличиваться или уменьшаться, или оставаться на прежнем уровне. Но в большинстве случаев необходимо принять меры по удалению воды, т. е. произвести сушку древесины. Показателем содержания воды в древесине является влажность, которая подразделяется на абсолютную и относительную. На практике пользуются в основном абсо

лютным значением влажности, которую определяют по формуле:

W абс. = [(m – m 0) / m 0 ] ? 100 %,

где m – масса образца влажной древесины, г;

m 0 – масса того же абсолютно сухого образца, г. Показатель относительной влажности применяется редко, в основном как показатель влажности дров. Ее определяют по формуле:

W отн. = (m – m 0 / m) ? 100 %.

Существуют два способа определения влажности – прямой и косвенный. Прямой метод основан на выделении воды из древесины. Для этого очищенный образец древесины подвергают сушке в сушильном шкафу при температуре 103 °C до полной отдачи влаги. В процессе сушки образец взвешивают – первый раз через 6-10 ч после начала сушки, а затем через каждые 2 ч. Сушку прекращают после того, как вес образца уже не уменьшается. Прямой метод позволяет с большой точностью определить влажность древесины.

Второй метод – косвенный, основанный на измерении электропроводности древесины с помощью электровлагомера. При таком измерении шкала прибора показывает величину влажности. Этот способ дает возможность быстро определить влажность. Но его недостаток заключается в погрешности измерения, которая составляет 2–3 %, а при влажности древесины более 30 % – еще выше.

Вода в древесине находится в связанном и свободном состоянии. Связанная вода находится в клеточных стенках и удерживается прочно. Удаление такой воды затруднено и оказывает существенное влияние на изменение большинства свойств древесины. Максимальное количество связанной воды соответствует пределу насыщения клеточных стенок, который в расчетах принимается: W п.н. = 30 %.

Свободная вода находится в полостях клеток и межклеточных пространствах, поэтому удаляется из древесины легче.

Свежесрубленная древесина имеет влажность в пределах 50-100 %, а при длительном нахождении в воде – более 100 %.

После сушки на открытом воздухе влажность снижается до 15–20 %. Влажность величиной 20–22 % называется транспортной, а влажность, которую древесина имеет в период эксплуатации, – эксплуатационной.

Сушка древесины бывает двух видов – атмосферной, при температуре окружающей среды, и искусственной, или камерной, когда температура может быть до 100 °C и выше. При камерной сушке происходит усушка древесины, т. е. уменьшение линейных размеров в радиальном направлении на 3–7 %, а в тангенциальном – на 8-10 %, вдоль волокон – 0,1–0,3 %. Полная объемная усушка составляет 11–17 %.

При сушке древесины с уменьшением влажности меняются ее механические свойства – уменьшается упругость, но увеличивается прочность при сжатии, а также уменьшается электропроводность.

Плотность древесины – это масса единицы объема материала, выражающаяся в г/см 3 или кг/м 3 . Существует несколько показателей плотности древесины, которые зависят от влажности. Плотность древесного вещества – это масса единицы объема материала, образующего клеточные стенки. Она для всех пород примерно одинакова и равна 1,53 г/см 3 , т. е. в 1,5 раза выше плотности воды.

Плотность абсолютно сухой древесины – это масса единицы объема древесины при отсутствии в ней воды. Она определяется по формуле:

0 = m 0 / V 0 ,

где р 0 – плотность абсолютно сухой древесины, г/см 3 или кг/м 3 ;

m 0 – масса образца древесины при влажности 0 %, г или кг; V 0 – объем образца древесины при влажности 0 %, см 3 или м 3 .

Плотность древесины меньше плотности древесного вещества, так как она имеет пустоты, заполненные воздухом, т. е. пористость, которая выражается в процентах и характеризует отношение пустот в абсолютно сухой древесине. Чем больше плотность древесины, тем меньше ее пористость.

Плотность древесины существенно зависит от влажности С увеличением влажности плотность древесины возрастает По плотности все породы делятся на три группы (при влажности древесины 12 %):

1) породы с малой плотностью – 540 кг/м 3 и менее – это ель, сосна, липа и др.;

2) породы средней плотности – от 550 до 740 кг/м 3 – это дуб, береза, вяз и др.;

3) породы высокой плотности – 750 кг/м 3 и более – это кизил, граб, фисташка и др.

Тепловые свойства древесины – это теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение. Теплоемкость – способность древесины аккумулировать тепло. За показатель теплоемкости принята удельная теплоемкость С – количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг массы древесины на 1 °C. Она измеряется в кДж/кг? t °С.

Сухая древесина представляет собой древесное вещество и воздух, причем массовая доля воздуха в ней незначительна Поэтому теплоемкость сухой древесины практически равна теплоемкости древесного вещества. Удельная теплоемкость древесины практически не зависит от породы и при температуре 0 °C для абсолютно сухой древесины равна 1,55 кДж. С повышением температуры удельная теплоемкость несколько возрастает и при температуре 100 °C увеличивается примерно на 25 %. При увлажнении древесины ее теплоемкость увеличивается.

Процесс переноса тепла в древесине характеризуется двумя показателями – коэффициентом теплопроводности и коэффициентом температуропроводности. Коэффициент теплопроводности? численно равен количеству теплоты, которое проходит в единицу времени через стенку из древесины площадью 1 м 2 и толщиной 1 м при разности температур на противоположных сторонах стенки в 1 °C. Он измеряется в Вт / (м? °С).

Коэффициент температуропроводности характеризует скорость изменения температуры древесины при ее нагревании или охлаждении. Он определяет тепловую инерционность древесины, т. е. ее способность выравнивать температуру. Коэффициент температуропроводности рассчитывают по формуле:

где? – плотность материала, кг/м3;

? – коэффициент теплопроводности, Вт / (м? °С);

с – удельная теплоемкость древесины, кДж / (кг? °С).

Как показали многочисленные исследования электрических свойств древесины, ее электропроводность, т. е. способность проводить электрический ток, находится в обратной зависимости от ее электрического сопротивления. Существуют поверхностное и объемное сопротивления, которые в сумме дают полное сопротивление образца древесины, размещенного между двумя электродами. Объемное сопротивление характеризует препятствие прохождению тока сквозь толщу образца, а поверхностное – по поверхности. Показателями электрического сопротивления служат удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления.

Исследования показали, что сухая древесина плохо проводит ток, но с повышением влажности ее сопротивление уменьшается. Это видно из данных, полученных при исследованиях (табл. 1).

Таблица 1

Снижение поверхностного сопротивления происходит при увеличении влажности. Например, при увеличении влажности бука от 4,5 до 17 % поверхностное электрическое сопротивление уменьшается с 1,2 ? 10 13 до 1 ? 10 7 Ом.

Кроме того, в результате исследований установлено, что снижение электрического сопротивления древесины происходит при ее нагревании, особенно при ее низкой влажности Так, увеличение температуры от 20 до 94 °C снижает сопротивление абсолютно сухой древесины в 10 6 раз.

Акустические свойства. При исследованиях акустических свойств древесины установлено, что скорость распространения звука в древесине тем больше, чем меньше ее плотность и выше модуль упругости. Средние значения скорости звука вдоль волокон для комнатно-сухой древесины равны: дуб – 4720 м/с, ясень – 4730 м/с, сосна – 5360 м/с, лиственница – 4930 м/с. Далее исследования показали, что скорость звука поперек волокон в 3–4 раза меньше, чем вдоль волокон. Скорость распространения звука зависит от свойств материалов и в первую очередь от плотности, например в стали звук распространяется со скоростью 5050 м/с, в воздухе – 330 м/с, а в каучуке – 30 м/с. На данных, полученных при исследованиях акустических свойств древесины, построен ультразвуковой метод определения ее прочности и внутренних скрытых дефектов По существующим строительным нормам звукоизоляция стен и перегородок должна быть не ниже 40, а междуэтажных – 48 дБ. Согласно данным исследований звукопоглощающая способность древесины низка, например звукоизоляция сосновой древесины при толщине 3 см составляет 12 дБ, а дубовой при толщине 4,5 см – 27 дБ. Как установлено исследованиями, наилучшие акустические свойства в части наибольшего излучения звука имеет древесина ели, пихты и кедра, которая используется для изготовления многих музыкальных инструментов: щипковых, смычковых, клавишных и др. Как показала практика, наилучшими акустическими свойствами обладает древесина длительной выдержки – в течение 50 лет и более.

К механическим свойствам относятся прочность и дефор-мативность древесины, а также некоторые технологические свойства. Прочность древесины – это способность ее сопротивляться разрушениям под воздействием внешних нагрузок. Предел прочности древесины определяется путем испытания образцов на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг.

При испытании древесины на сжатие нагрузку производят вдоль волокон, затем поперек и в одном месте. Предел прочности определяют в МПа по формуле:

б сж = Р max / a ? b,

где P max – максимальная разрушающая нагрузка, Н;

а и b – размеры образца древесины, мм.

По данным испытаний установлено, что при растяжении древесины поперек волокон прочность составляет примерно 1/20 прочности при растяжении вдоль волокон. Поэтому при конструировании изделий и устройстве различных строительных конструкций не допускают случаев, чтобы растягивающие нагрузки были направлены поперек волокон.

На практике в большинстве случаев изделия из древесины работают с нагрузками на изгиб. Поэтому образцы древесины обязательно испытывают на изгиб, при этом определяют предел прочности в МПа по формуле:

б из = 3Р max ? l/2 ? b ? h 2 ,

где l – расстояние между опорами, мм;

b – ширина образца в радиальном направлении, мм;

h – высота образца в тангенциальном направлении, мм.

При изгибании образца с выпуклой стороны возникают напряжения растяжения, а с вогнутой – сжатия. При нагрузках выше предельной величины разрушение древесины происходит в виде разрыва растянутых волокон на выпуклой стороне излома образца.

Большое значение имеет показатель прочности при сдвиге. Этот показатель определяют при испытаниях трех видов сдвига: на скалывание вдоль и поперек волокон; на перерезание древесины поперек волокон. При этом предел прочности древесины на скалывание – б ск, МПа определяют по формуле:

б ск = Р max / b ? l,

b, l – толщина и длина образца в плоскости скалывания, мм. Испытания на перерезание древесины поперек волокон проводят на образцах с применением подвижного ножа. При этом предел прочности в МПа определяют по формуле:

Р max / 2 ? a ? b,

а и b – размеры сечения образца, мм (поперечные). Как показывают результаты испытаний, прочность древесины при перерезании поперек волокон в 4 раза больше, чем при скалывании вдоль волокон.

Как показали испытания, модули упругости при сжатии и растяжении древесины примерно одинаковы и составляют для сосны – 12,3 ГПа, для дуба – 14,6 ГПа и для березы – 16,4 ГПа при влажности 12 %. Модуль упругости поперек волокон примерно в 20–25 раз меньше, чем вдоль, а в радиальном направлении выше, чем в тангенциальном, примерно на 20–50 %.

При испытаниях древесины также определяют модуль упругости:

Е = 3 ? Р? l / (64b ? h 3 ? f),

где Р – нагрузка, равная разности между верхними и нижними пределами измерения, Н;

l – расстояние между опорами (на которых располагается образец древесины), мм;

b и h – ширина и высота образца, мм;

f - прогиб, равный разности среднеарифметических значений прогиба при верхнем и нижнем пределах нагружения, мм.

Технологические свойства: ударная вязкость, твердость, износоустойчивость, способность удерживать шурупы, гвозди и другие крепления, а также обрабатываемость режущими инструментами.

Ударная вязкость древесины – это ее способность поглощать усилия (работу) при ударе без разрушения. Чем больше величина работы, необходимой для излома образца, тем выше его вязкость. Ударную вязкость определяют по формуле:

A = Q/b х h, Дж/см 2 ,

где Q – работа, затрачиваемая на излом образца, Дж;

b и h – ширина и высота образца.

Твердость древесины – это ее способность сопротивляться вдавливанию тела из более твердого материала – стального пуансона с полусферическим наконечником радиусом r = = 5,64 мм на глубину 5,64 мм. При этом в конце нагружения по шкале силоизмерителя машины отсчитывают нагрузку Р. После испытания в древесине остается отпечаток площадью 100 мм 2 . Статическую твердость образца определяют в Н/мм по формуле:

Н = Р / ? ? r 2 ,

где ? ? r 2 – площадь отпечатка в древесине при вдавливании в нее полусферы радиусом r, мм.

Если имеет место раскалывание образцов в процессе испытаний, то пуансон вдавливают на меньшую глубину – 2,82 мм, а твердость определяют по формуле:

Н = 4Р / (3? ? r 2).

Все породы по твердости торцовой поверхности делят на три группы: мягкие – твердостью 40 Н/мм 2 и меньше, твердые – 41–80 Н/мм 2 и очень твердые – более 80 Н/мм 2 .

Износостойкость древесины характеризует ее способность сопротивляться износу при трении о поверхность абразивных элементов или микронеровностей более твердого тела. При испытании на истирание создают условия, которые имитируют реальный процесс истирания древесины, используемой для полов, лестниц, настилов. Истирания производят на специальной машине. При этом показатель истирания t вычисляют в мм по формуле:

t = h ? (m 1 – m 2) / m 1 ,

где h – высота образца до истирания, мм;

m 1 и m 2 – масса образца соответственно до и после испытания, г.

Удельное сопротивление выдергиванию гвоздя или шурупа определяется по формуле:

Р уд. = Р max / l (Н/мм),

где P max – максимальная нагрузка при выдергивании гвоздей или шурупов;

l – длина забивки гвоздя или ввинчивания шурупа. Способность древесины удерживать крепежные элементы зависит от ее породы, плотности и влажности. Сопротивление выдергиванию гвоздей, забитых в радиальном и тангенциальном направлениях, примерно одинаковое, но оно выше, чем при забивании гвоздей в торец образца.

Способность древесины к гнутью – наилучшая у бука, дуба, ясеня, хуже – у хвойных пород. Для улучшения податливости древесины перед гнутьем ее пропаривают, затем после гнутья охлаждают и сушат в зафиксированном состоянии, в результате чего она приобретает стабильную изогнутую форму.

Способность древесины раскалываться – это процесс разделения ее вдоль волокон под действием нагрузки, передаваемой на клин. Это является отрицательным свойством древесины при забивании гвоздей близко от кромки, а также костылей, шурупов при ввинчивании, но положительным – при колке дров или заготовке колотых сортиментов.