Свойства древесины

Древесина обладает весьма разнообразными свойствами. Наиболее полно они раскрываются при изучении физических и механических свойств древесины.

Физические свойства древесины. На свойства древесины большое влияние оказывает влажность. Воду, находящуюся в древесине, делят на три вида: капиллярную (или свободную), гигроскопическую и химически связанную. Капиллярная вода заполняет в древесине полости клеток, межклеточные пространства и сосуды. Гигроскопическая вода находится в стенках клеток. Химически связанная вода входит в химический состав веществ, образующих древесину. Основную массу воды в растущем дереве составляют капиллярная и гигроскопическая вода или только гигроскопическая вода. Состояние древесины, в которой отсутствует капиллярная вода и содержится только гигроскопическая, называется точкой насыщения волокон. В древесине разных пород она составляет 23…35%. При высыхании древесины влага постепенно испаряется с поверхности наружных слоев, а влага, оставшаяся в древесине, передвигается от внутренних слоев к наружным.

По степени влажности различают древесину: мокрую, свежесрубленную (влажность 35% и выше), воздушно-сухую (влажность 15…20%) и комнатно-сухую (влажность 8… 12%).

Гигроскопичностью древесины называют свойство ее поглощать из воздуха парообразную воду. Степень поглощения зависит от температуры воздуха и его относительной влажности.

Равновесной называют влажность, которую имеет древесина при продолжительном нахождении на воздухе с постоянной относительной влажностью и температурой. Равновесная влажность комнатно-сухой древесины составляет 8… 12%, поэтому до такой влажности высушивают паркетную клепку и древесину, используемую в помещениях. Влажная древесина отдает влагу окружающему воздуху, а сухая поглощает ее. Поскольку влажность воздуха не постоянна, влажность древесины также меняется — изменение влажности древесины от нуля до точки насыщения волокон вызывает изменение объема древесины. Последнее приводит к разбуханию и усушке, короблению древесины и появлению трещин. Для уменьшения гигроскопичности и водопоглощения древесину покрывают лакокрасочными материалами или пропитывают различными веществами.

Плотность древесины зависит от объема пор и влажности и характеризует ее физико-механические свойства (прочность, теплопроводность, водопоглощение). Показатель плотности используют при определении коэффициента качества, который находят отношением предела прочности при сжатии к плотности. У сосны он равен 0,6, а дуба — 0,57. Пористость древесины хвойных пород колеблется от 46 до 85%, лиственных — от 32 до 80%.

Усушкой древесины называют уменьшение ее линейных размеров и объема при высыхании. Испарение капиллярной воды не сопровождается усушкой. Последняя происходит только при испарении гигроскопической влаги. При этом уменьшается толщина водных оболочек, мицеллы сближаются друг с другом и уменьшаются размеры древесины. Ввиду неоднородности строения древесина усыхает или разбухает в различных направлениях не одинаково. Линейная усушка вдоль волокон составляет 0,1…0,3%, в радиальном направлении — 3…6%, а в тангентальном — 7…12%.

Свойство неравномерного изменения линейных размеров в различных направлениях является одним из отрицательных свойств дерева как строительного материала. Медленное высыхание древесины обеспечивает более равномерную усушку и дает меньше трещин. Неравномерная усушка древесины в различных направлениях вызывает различные напряжения, в связи с чем древесина коробится и покрывается трещинами. В круглом бревне трещины располагаются радиально. Доски, вырезанные ближе к сердцевине ствола, коробятся меньше, чем доски, выпиленные ближе к поверхности бревна.

Набуханием называют способность древесины увеличивать свои размеры и объем при поглощении воды, пропитывающей оболочки клеток. Древесина разбухает при поглощении влаги до точки насыщения волокон. Набухание, как и усушка, не одинаково в разных направлениях. Набухание древесины вдоль волокон составляет 0,1…0,8%, в радиальном направлении — 3…5% и в тангентальном — 6… 12%.

Теплопроводность древесины невелика, она зависит от характера пористости, влажности, направления волокон, породы и плотности дерева, а также от температуры. Теплопроводность древесины вдоль волокон примерно в 1,8 раза больше, чем поперек волокон. В среднем она составляет 0,16…0,30 Вт/(м-°С). С увеличением плотности и влажности уменьшается количество воздуха, находящегося в пустотах, в связи с чем теплопроводность древесины увеличивается.

Электропроводность древесины зависит от ее влажности. Электрическое сопротивление сухой древесины в среднем составляет 75-107 Ом/см, а сырой — в 10 раз меньше. Древесину используют при электропроводке в качестве досок, розеток и т. д.

Водопроницаемость древесины зависит от породы дерева, первоначальной влажности, характера разреза (торцового, радиального, тангентального), местоположения древесины в стволе (ядро, заболонь), ширины годичных слоев, возраста древесины. Водопроницаемость вдоль волокон больше, чем через радиальную и тангентальную поверхности. Характеризуется водопроницаемость древесины количеством воды, профильтровавшейся через поверхность образца (г/см²).

Стойкость древесины к действию кислот, щелочей и воды. Длительное действие кислот и щелочей разрушает древесину, и чем выше концентрация, тем сильнее их разрушающее действие. Слабощелочные растворы не разрушают древесину. В кислой среде древесина начинает разрушаться при рН<2, тогда как разрушение бетона и стали начинается при рН<4. По исследованиям С. И. Ванина, хвойные породы более стойки к действию серной, азотной, соляной и уксусной кислот и едкого натра, чем лиственные, а из хвойных пород наибольшей стойкостью обладает лиственница. В морской воде древесина сохраняется хуже, чем в речной. В воде большой бактериологической агрессивности стойкость древесины низка, поэтому ее не применяют в сетях канализации.

Механические свойства древесины как анизотропного материала не одинаковы в различных направлениях. Механические свойства древесины зависят от многих факторов: с увеличением влажности прочность древесины снижается; древесина большой плотности имеет более высокую прочность; на прочность древесины влияют процент поздней древесины, наличие пороков, гнили, старение.

Прочность древесины при сжатии. Усилия к конструктивному элементу могут быть приложены с учетом строения древесины вдоль или поперек волокон, поэтому различают сжатие вдоль и поперек волокон. Для испытания на сжатие вдоль волокон берут образцы древесины без сучков в виде прямоугольной призмы размером 20X20X30 мм при размере древесины не менее 30 мм вдоль волокон и испытывают на прессе.

Предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон с влажностью 12% в зависимости от породы дерева меняется в широких пределах — от 30 до 80 МПа. Предел прочности древесины при сжатии поперек волокон значительно меньше, чем при сжатии вдоль волокон, и составляет: в радиальном направлении для пихты — 4,1 МПа, граба — 25,6 МПа, а в тангентальном для ели — 7,1 МПа, граба — 15,6 МПа.

Прочность древесины на растяжение. Древесина имеет высокий показатель прочности на растяжение вдоль волокон. Для наших основных пород эта величина меняется от 80 до 190 МПа.

Прочность древесины на статический изгиб высока, благодаря чему ее широко применяют для элементов зданий и сооружений, работающих на изгиб (балки, бруски, стропила, фермы и т. д.).

Предел прочности древесины на изгиб должен быть приведен к влажности 12%. У лиственных пород прочность при изгибе в радиальном и тангентальном направлениях практически одинакова, а у хвойных прочность в тангентальном направлении немного больше, чем в радиальном. Прочность на статический изгиб зависит от тех же факторов, что и прочность при сжатии.

Прочность древесины на скалывание вдоль волокон невысокая — 6,5…14,5 МПа. Сопротивление перерезыванию древесины поперек волокон в 3…4 раза выше сопротивления скалыванию вдоль волокон, но чистый срез обычно не имеет места, так как одновременно происходит смятие и изгиб волокон. В строительных конструкциях древесина часто работает на скалывание вдоль волокон, например в стропильных фермах и других элементах конструкций. Вместе с тем следует иметь в виду, что в настоящее время на передовых предприятиях наблюдается тенденция к переходу на стандартную влажность древесины, равную 12%.