Основные свойства древесины

К положительным свойствам древесины относится высокая механическая прочность и одновременно с этим легкость, что позволяет отнести ее к эффективным материалам с достаточно высоким коэффициентом конструктивного качества (ККК). Древесина способна поглощать ударные нагрузки и гасить вибрации, она отличается высокими тепло-, звуко- и электроизоляционными свойствами, химической стойкостью к кислотам и щелочам, легко обрабатывается резательными инструментами, хорошо удерживает металлические и другие крепления, надежно склеивается и, наконец, обладает естественной декоративностью, что делает ее популярным отделочным материалом.

К отрицательным свойствам древесины относятся анизотропность, повышенная гигроскопичность и водопоглощение, загниваемость в определенных температурно-влажностных условиях эксплуатации, подверженность разрушению различными древогрызущими насекомыми, легкая возгораемость и наличие в ней пороков строения и др.

Спелость древесины– достижение свойств древесины оптимальных для строительства. Спелость древесины наступает в зависимости от климата: 80…200 лет для деревьев хвойных пород и дуба, 50…80 лет для березы и 40…60 лет для осины.

Средняя плотность древесины зависит от породы. Плотность древесины разных пород и даже древесины одной и той же породы колеблется в широких пределах, так как строение и пористость растущего древа зависят от почвы, климата и других природных условий. Например, плотность сосны – 400-700 кг/м³, дуб – 700 – 950 кг/м³, бук – 600-900 кг/м³.

Истинная плотность древесины в среднем равна 1,54 г/см³, так как древесина всех деревьев состоит в основном из одного и того же вещества – целлюлозы.

Пористостьхвойных пород 46…85 %, лиственных – 32…80 %.

Влажность древесины выражают в % по отношению к массе сухой древесины. В древесине различают связанную (гигроскопическую) и свободную (капиллярную) влагу. Связанной называют в древесине воду, содержащуюся в ее клеточных стенках. Эта вода поглощается древесиной непосредственно из воздуха. Каждому сочетанию температуры и влажности окружающего воздуха соответствует определенная, так называемая равновесная влажность древесины. Связанная вода удаляется из древесины только сушкой. Предел гигроскопичности – 25…35%, что соответствует полному насыщению стенок клеток древесины водой и достигается при сорбции влаги из воздуха, имеющего относительную влажность 99,5 %. Свободная вода содержится в полостях клеток, сосудах и межклеточных пространствах древесины. Свободная влага не вызывает разбухания древесины, а только увеличивает ее плотность. Эту влагу можно удалить из древесины механическим путем, например прессованием. В зависимости от влажности различают древесину:

- мокрую – длительное время находящуюся в воде, влажностью свыше100 %;

- свежесрубленную – 40-100 %;

- воздушно-сухую – долгое время хранившуюся на воздухе, влажностью 15-20 %;

- комнатно-сухую – 8-12 %;

- абсолютно-сухую, т.е. высушенную до постоянной массы при температуре 103 ± 2 °С – влажностью около 0%.

Для получения сравнимых данных о физико-механических показателях древесины, зависящих от влажности, введено понятие стандартная влажность древесины, ее значение – 12 %.

Гигроскопичность - способность сухой древесины поглощать влагу из окружающей среды или отдавать влагу более сухому окружающему ее воздуху.

При изменении влажности древесины от нуля до точки насыщения волокон, а затем от точки насыщения волокон до нуля происходит изменение объема древесины, ее плотности и прочности.

Усушка древесины– уменьшение размеров древесины при удалении из нее связанной воды.

Разбухание древесины - увеличение размеров древесины при поглощении ею связанной воды.

Величина усушки и разбухания древесины вследствие неоднородности ее строения неодинакова в разных направлениях. Линейная усушка древесины вдоль волокон составляет всего 0,1…0,3 %, в радиальном направлении -3…6 %, в тангентальном - 6…12 %. Значительное различие величин усушки древесины в радиальном и тангентальном направлениях приводит к ее короблению при высыхании. При интенсивной сушке ствол дерева растрескивается по радиусу.

Теплопроводность сухой древесины определяется поперек волокон – 0,17…0,28 Вт/(м·^оС). Вдоль волокон теплопроводность древесины, как правило, выше примерно в 2 раза.

Цвет и текстурадревесины - характерные признаки той или иной породы. Цвет древесины зависит от многих факторов, например, от района и условий произрастания, от породы, возраста дерева и др. Текстура (рисунок) древесины зависит от наличия тех или иных волокон их величины, и взаимного расположения, причем в каждой плоскости разреза дерева своя текстура.

Механические свойства. Сопротивление древесины механическим воздействиям неодинаково в различных направлениях вследствие волокнистости строения. Механические свойства древесины зависят от породы древесины, ее влажности, наличия пороков. Прочность древесины определяют путем испытаний, чистых (без видимых пороков) образцов древесины. Прочность древесины характеризуется пределами ее прочности при сжатии, растяжении, статическом изгибе, скалывании и др.

Показатели прочности древесины должны быть пересчитаны на влажность 12 %, так как прочность древесины понижается, когда ее влажность возрастает от 0 до 30 % (до предела гигроскопичности), при этом в интервале влажности 8-20 % понижение прочности прямо пропорционально приросту влажности

R₁₂ = R_W [1 + α(W-12)] (1),

где R_W - предел прочности образца с влажностью W в момент испытания; R₁₂ - то же при влажности 12 %; α - коэффициент снижения прочности древесины при увеличении ее влажности на 1 % , при сжатии и изгибе α =0,04, при скалывании α =0,03.

Предел прочности древесины с влажностью в момент испытания равной или больше предела гигроскопичности приводят к влажности 12 % по формуле

R₁₂ = R_W k₁₂ (2),

где k₁₂ - пересчетный коэффициент, имеющий различные значения для разных пород и вида испытаний.

Предел прочности древесины при сжатии (R_СЖ) вдоль волокон в 4-6 раз больше ее прочности поперек волокон. Прочность на изгиб (R_ИЗГ) в среднем в 2,5 раза превосходит соответствующий предел прочности при сжатии (R_СЖ).Удельная прочность древесины при растяжении вдоль волокон (R_Р/ρ), например, у сосны 213 МПа, примерно такая же как у высокопрочной стали, 255 МПа и стеклопластика, 200 МПа.

Предел прочности при скалывании вдоль волокон для основных древесных пород составляет 6-13 МПа, а при скалывании поперек волокон в 3-4 раза больше.

В зависимости от значения твердости древесину подразделяют на мягкую (35-49 МПа), твердую (50-100 МПа) и очень твердую (более 100 МПа). Твердость древесины численно равна нагрузке, которая необходима для вдавливания в образец древесины половины металлического шарика диаметром 5,64 мм при этом площадь отпечатка – 1 см². Мягкие породы – сосна, ольха, ель, пихта. Твердые породы – дуб, бук, граб, береза, лиственница и очень твердые – кизил, самшит. Твердые породы труднее обрабатываются, но обладают повышенной износостойкостью и лучше удерживают шурупы.

Следует иметь в виду, что большинство из отрицательных свойств древесины могут быть устранены путем химической и химико-механической ее переработкой в листовые и плитные материалы, модификацией свойств и повышением стойкости натуральной древесины путем введения в нее антисептиков, антипиренов, смол, а также прессованием и пластификацией исходного материала.