Строительные материалы и изделия

Важнейшие свойства древесины

Строение древесины обусловливает ее анизотропию и вызыва­ет необходимость различать три взаимно-перпендикулярных на­правления: вдоль волокон и поперек волокон (радиально и тан­гентально), по которым свойства древесины существенно разли­чаются.

Физические свойства. Абсолютная плотность древесинного ве­щества у всех пород колеблется в очень узком диапазоне: 1 540... 1 560 кг/м3, что объясняется практически одинаковым хи­мическим составом древесины.

Плотность древесины зависит от пористости и от того, чем за­полнены ее поры: воздухом или водой. Сравнивать породы можно только при стандартной влажности, равной 12%. Для большин­ства пород при влажности 12 % плотность у12 < 1 000 кг/м3. У дре­весины гваякового дерева у!2 = 1 300 кг/м3, у бальзы — 260 кг/м3. Если древесинное вещество занимает более 65 % объема сухой дре­весины, то такая древесина тонет в воде.

По плотности лесные породы можно подразделить на очень легкие, у которых уі2 — 440 кг/м3 (кедр сибирский, осокорь, пих­та); легкие, у которых у12 = 450...580 кг/м3 (бархатное дерево, бе­рест, вяз, ель, липа, ольха, осина, сосна); средне-тяжелые, у которых У]2 = 590...730 кг/м3 (акация, береза, бук, груша, дуб, ильм, каштан, клен, лиственница, можжевельник, орех грецкий, тисс, яблоня, ясень); тяжелые, у которых у|2 = 680...880 кг/м3 (граб, дзельква, железное дерево, хурма); очень тяжелые, у кото­рых у12 — 890 кг/м3 (кизил, самшит, хмелеграб, фисташка).

Влажность древесины оказывает отрицательное влияние на ее свойства. Различают две формы влаги, содержащейся в древесине:

1) капиллярная (свободная) влага, заполняющая полости кле­ток и межклеточные пространства;

2) гигроскопическая (связанная) влага, пропитывающая стенки клеток и содержащаяся в промежутках между мицеллами и фиб­риллами.

Древесину после долгого нахождения в воде с влажностью W = 200...250% называют мокрой; свежесрубленную древесину с влажностью W = 30...50% в ядровой части и до 180% в заболон - ной части — сырой', древесину с влажностью, находящейся в равно­весии с атмосферным воздухом, но не превышающей 20 % — воздуш­но-сухой', древесину после горячей сушки с влажностью W= 8... 13 % — комнатно-сухой, а с влажностью W= 0 — абсолютно сухой.

Абсолютно сухая древесина на воздухе будет адсорбировать пары воды до тех пор, пока не установится равенство парциальных дав­лений пара в древесине и воздухе. Если влажность воздуха изме­нится, то и древесина изменит свою влажность, стремясь к рав­новесию с воздухом. Такую влажность называют равновесной, а способность древесины сорбировать влагу из воздуха называют гигроскопичностью.

Влага, проникающая в древесину, в первую очередь, захваты­вается стенками клеток (волокнами), пока не наступит их полное насыщение. Соответствующую влажность называют точкой насы­щения волокон (ТНВ). Для большинства пород ТНВ находится в пределах 23...31 %.

Если равновесная влажность Wp < ТНВ, то в древесине содер­жится только гигроскопическая влага и нет капиллярной влаги. Капиллярная влага появляется при Wp > ТНВ.

При высыхании сырой древесины сначала испаряется капил­лярная влага; пока она не будет полностью удалена, гигроскопи­ческая влажность остается равной ТНВ. Только после удаления всей капиллярной влаги, на что требуется около месяца атмос­ферной сушки, начинается удаление гигроскопической влаги, продолжающееся около года.

Усушка и разбухание древесины (уменьшение объема при суш­ке и увеличение объема при увлажнении) происходят при изме­нении только гигроскопической влажности (рис. 3.17). Удаление гигроскопической влаги вызывает сближение мицелл, а поглоще­ние гигроскопической влаги раздвигает их. Вдоль волокон древе­сина усыхает и разбухает в 30— 100 раз меньше, чем поперек во­локон. Это объясняется продольным расположением мицелл и фибрилл так, что при их сближении размеры древесины умень­шаются главным образом в поперечном направлении. В продоль­ном направлении изменение размера происходит в незначитель­ной степени как результат небольшого наклона мицелл к оси во­локна.

При удалении гигроскопической влаги межмицеллярные силы сцепления возрастают и количество древесной массы в единице объема увеличивается, что влечет за собой повышение плотности

и механических свойств древесины (прочности, упругости и твер­дости).

Линейная усушка в трех основных направлениях различна, что обусловливает коробление и растрескивание древесины при вы­сыхании. Доски подвергаются поперечному короблению (рис. 3.18, а). Брус изменяет форму сечения различным образом в зависимо­сти от расположения годовых слоев (рис. 3.18, б). Косослойная доска приобретает форму пропеллера.

Вдоль волокон полная усушка (от свежесрубленного до абсо­лютно сухого состояния) составляет в среднем 0,1 % (1 мм на длине 1 м); поперек волокон в радиальном направлении — З...6%; втангентальном направлении — 6... 12 % (6... 12 см на 1 м). Объем­ная усушка в среднем достигает значения в 12... 14 %. Тяжелые и твердые породы усыхают больше, чем легкие и мягкие. К сильно усыхающим породам относятся граб, бук, дуб, каштан, вяз, клен, береза, липа, ольха; к умеренно усыхающим породам относятся тисс, сосна, ильм, груша, самшит, осина, ива; к слабоусыхаю - щим породам относятся ель, веймутова сосна.

Разбухание древесины подчиняется тем же законам, что и усуш­ка. Поглощение воды, как и ее испарение, происходит главным образом через торцевые поверхности, поэтому бревна растрески­ваются по торцам.

Усушка и разбухание заставляют делать припуски и зазоры, учитывая изменения в размерах элементов конструкции.

Коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) древесины вдоль волокон составляет: дуба — 3,6 • 10 6 1/°С, бере­зы — 2,5 ■ 10~6 1/°С; в радиальном направлении — соответственно 29- 10 6 и 27- 10~6 1 /°С; в тангентальном направлении — соответ­ственно 42 - 10 6 и 30 ■ 10_6 1/°С. По сравнению со сталью и бето­ном КЛТР древесины вдоль волокон в 5—10 раз меньше, что по­зволяет отказаться от температурных швов в деревянных конст­рукциях.

Удельная теплоемкость абсолютно сухой древесины почти не зависит от породы дерева и при температуре 0... 160°С в среднем составляет 1,37 кДж/(кг-°С).

Коэффициент внутренней теплопроводности сухой древесины сосны вдоль волокон (0,35...0,37 Вт/(м - °С)) примерно в 2 — 3 раза больше, чем поперек волокон (0,14...0,16 Вт/(м °С)).

Механические свойства. Так как древесина анизотропна, то, характеризуя прочность, необходимо указывать направление дей­ствия сил по отношению к волокнам (вдоль или поперек) и годо­вым слоям (радиальное или тангентальнеє направление) (рис. 3.19). Для испытаний берут образцы небольших размеров, не содержа­щие пороков древесины, которые называют малыми чистыми образцами. Для стандартных испытаний образцы вырезают из се - редовой доски (см. рис. 3.18), отступив от сердцевины. При этом годовые слои должны быть параллельны любым двум противопо­ложным граням образца.

Поскольку механические свойства зависят от влажности дре­весины (см. рис. 3.17), результаты испытаний приводят к стандарт­ной 12 %-й влажности. При W< ТНВ используют следующую фор­мулу:

Rn = Rw\ + a(W - 12)], (3.1)

где Rn — предел прочности при влажности 12%; Rw — предел прочности при фактической влажности W древесины в момент

испытания; а — пересчетный коэффициент на влажность, кото­рый независимо от породы древесины принимают равным: при сжатии вдоль волокон и статическом изгибе — 0,04; при скалыва­нии вдоль волокон — 0,03; при ударном изгибе — 0,02.

Сопротивление сжатию вдоль волокон значительно выше сопро­тивления сжатию поперек волокон. Образцы для испытаний на сжатие вдоль волокон имеют форму прямоугольной призмы раз­мером 20 х 20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм.

Для приведения результатов к стандартной влажности по фор­муле (3.1) сразу после испытания определяют влажность образ­цов.

Сопротивление сжатию поперек волокон у древесины сравни­тельно мало. Все же довольно часто древесина работает под такой нагрузкой (шпалы, деревянные срубы, соединения деревянных деталей болтами). При сжатии поперек волокон происходит смя­тие древесины и нередки случаи, когда высота образца уменьша­ется до 1/3 начального значения, а разрушение не наступает. Тог­да ограничиваются определением нагрузки при заданном значе­нии деформации. Сопротивление сжатию поперек волокон состав­ляет 0,27... 0,36 от сопротивления сжатию вдоль волокон для хвой­ных пород (сосны) и 0,40...0,70 — для лиственных пород. Высо­кое значение это отношение имеет у дуба и березы (0,70).

Сопротивление скалыванию вдоль волокон имеет большое прак­тическое значение, так как разнообразные виды врезок, приме­няемые для соединений элементов в деревянных конструкциях, работают на этот вид нагружения. Скалывание можно произво­дить перпендикулярно (по радиальной плоскости) или параллельно годовым слоям (по тангентальной плоскости). Форма и размеры образца для испытаний на скалывание и приспособление для зак­репления образца по методу Перелыгина показаны на рис. 3.20. Приспособление с образцом помещается на опорную плиту ма­шины для сжатия и образец доводят до разрушения плавно возра­стающей нагрузкой. Предел прочности при скалывании получают делением максимального усилия на площадь скалывания. Для при­ведения результата к стандартной влажности по формуле (3.1) определяют влажность древесины, используя в качестве пробы большую часть расколотого образца.

Временное сопротивление скалыванию по сравнению со сжа­тием вдоль волокон составляет примерно 1/6... 1/7 для хвойных и 1/4... 1/6 для лиственных пород. В лиственных породах сказывается влияние сердцевинных лучей, что заметно повышает сопротивле­ние тангентальному скалыванию по сравнению с радиальным. Для хвойных пород заметной разницы между этими направлениями не наблюдается. Значительно повышают сопротивление скалыва­нию такие пороки древесины, как волнистость, свилеватость, завитки, мелкие заросшие сучки и др.

1 — корпус; 2 — пружина; 3 — подвижная планка; 4 — ролики; 5 — нажимная призма с шаровой опорой; 6 — образец для испытания на скалывание в радиаль­ной плоскости; 7 — подвижная опора; 8 — устройство для прижима подвижной

опоры

Сопротивление статическому изгибу поперек оси ствола довольно высокое. Это позволяет применять ее в конструкциях в виде ба­лок, стропил, ферм, подмостей, настилов.

Испытанию подвергают образцы-балочки (размером 20 х 20 х х 300 мм), свободно лежащие на двух опорах и нагружаемые посе­редине пролета (в 240 мм) одной сосредоточенной силой (см. рис. 2.6, а). Предел прочности при статическом изгибе вычисляют по формуле

R7 = 3PmJ/(2bh2),

где / — расстояние между опорами (/ = 240 мм); b, h — соответ­ственно ширина и высота (по направлению действующей силы) образца.

Полученный результат приводят к стандартной влажности по формуле (3.1). Пробный образец для определения влажности (дли­ной 30 мм) вырезают вблизи излома.

Временное сопротивление статическому изгибу в 1,5 — 2 раза выше сопротивления сжатию вдоль волокон и составляет 70... 100 МПа. Сопротивление изгибу в радиальном направлении немного боль­ше, чем в тангентальном (обычно на 6...7 %).

Твердость древесины определяет ее износостойкость и способ­ность к механической обработке. Чем выше твердость, тем лучше противостоит древесина износу и тем труднее она обрабатывается. Мягкие породы (сосна, ель, пихта, кедр, ольха, липа, осина,
тополь, ива) легко строгаются и пилятся, однако при шлифова­нии наждачной бумагой часто слегка «лохматятся» и не дают вы­сокого качества поверхности. Твердые породы (дуб, граб, ясень, бук, клен, каштан, ильм, вяз, орех, яблоня, груша, береза, ли­ственница и др.) труднее обрабатывать, но они хорошо поддают­ся шлифованию. К очень твердым породам относятся сам­шит, фисташка, акация, кизил, тисс.