КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

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

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

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

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

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

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

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

(7.1)

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

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

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

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

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

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

(7.2)

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

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

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

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

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

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

свойству.

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

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

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

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

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

(7.3)

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

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

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

(7.4)

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

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

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

(7.5)

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

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

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

для сосны (7.6)

для дуба (7.7)

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

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

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

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

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

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