Строительные материалы и изделия

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, све - жесрубленную (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 при"

родит к разбуханию и усушке, короблению древесины и появ - лению трещин. Для уменьшения гигроскопичности и водопогло - щения 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 — З...6%, а в танген- тальном — 7...12%.

Усушку древесины (%) в продольном Уп, радиальном Ур и в тангентальном Ут направлениях вычисляют по формулам:

Уп = -2—-^- 100; У„=—~&| 100; Ут=-^-^Ю0,

at Ь с,

где а, Ь, с — размеры образца в продольном, радиальном и тан­гентальном направлениях до высушивания; аь 5Ь щ^то же, после высушивания до абсолютно сухого состояния.

Степень объемной усушки Уоб (%) характеризуют коэф­фициентом объемной усушки и вычисляют с точностью до 0,1 по формуле

Уоб^-.к~к‘ 100,

V і

где V, Vi — объемы образца до и после высушивания.

Коэффициент объемной усушки Коб для различных пород со­ставляет 0,2...0,75% и определяется с точностью до 0,01% по формуле

Коб Уоб/W,

где w — влажность образца, %; она не должна превышать точки насыщения волокон.

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 pH ^2, тогда как разрушение бетона и стали начинается при pH ^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 coxpaj няется 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. Прочность (Па) определяют по формуле

Rw -- Fmax (db),

где Fmax — максимальная нагрузка, Н; а и b — размеры попе­речного сечения образца, м.

В связи с тем что механические свойства древесины за­висят от влажности (рис. 12.6), для сравнения результатов ис­пытаний предел прочности при сжатии (Па) вдоль волокон древесины данной влажности приводится к пределу прочности древесины при 12%-ной влажности по формуле

#12 = Rw [1 + а (да — 12)],

где а — поправочный коэффициент на влажность, который пока­зывает, на сколько процентов изменяется прочность древесины при изменении влажности на 1 %.

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 тангенталь - ном 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. Однако трудность передачи усилий, заключающаяся в том, что в закрепленных концах деревянной детали возникают напряжения смя­тия и скалывания, которым Древесина сопротивляется Плохо, не позволяет широко использовать древесину в конструкциях, работающих на растяжение.

Прочность древесины на статический изгиб высока, благодаря чему ее широко
применяют для элементов зданий и сооружений, работающИ)( на изгиб (балки, бруски, стропила, фермы и т. д.). Предел проц ности древесины на изгиб определяют на образцах-балочках размером 20X20X300 мм. Для различных пород он составляет

50.. .100 МПа (при влажности 12%).

Испытание образцов производят по схеме балки свободно лежащей на двух опорах с пролетом 240 мм и нагруженной двумя сосредоточенными грузами на расстоянии 80 мм:

Я и О) = 2 FmaJ/(bh2),

где Fmax — вес разрушающего груза, Н; I — расстояние между опорами, м; b и h — ширина и высота сечения образца, м.

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%.