Физические и механические свойства древесины
Ни один из строительных материалов не обладает такими качествами, как древесина. Она очень удобна в обработке, имеет высокую прочность, долго сохраняет тепло и приятный запах. Древесина обладает множеством физических и механических свойств, показатели которых у разных пород сильно отличаются.
Физические свойства древесины
К физическим свойствам древесины относятся: плотность, влажность, теплопроводность, звукопроводность, электропроводность, стойкость к коррозии (т.е. способность противостоять агрессивной среде), а также ее декоративные качества (цвет, блеск, запах и текстура).
Плотность древесины – это отношение ее массы к объему, измеряемой в г/см 3 или кг/м 3. Данный показатель зависит от породы древесины, ее возраста, условий роста, влажности. Древесина, которая обладает большей плотностью, служит гораздо дольше и менее подвержена гниению, чем менее плотная (однако следует учесть, что для точности сравнительного анализа плотность древесины измеряют на образцах влажностью 15 %). Самой высокой плотностью обладает дуб, поэтому паркетная доска из дуба является наиболее востребованной среди потребителей. Далее: ясень, клен, лиственница, бук, береза, орех, сосна, липа, осина, ель, пихта.
Влажность древесины является показателем ее качества и долговечности. На практике различают древесину: комнатно-сухую, с влажностью 8–12 %; воздушно-сухую искусственной сушки, с влажностью 12–18 % (эти два вида древесины получают путем сушки в сушильных камерах); атмосферно-сухую естественной сушки, с влажностью 18–23 % (получают в результате продолжительного хранения в сухих, проветриваемых помещениях или под навесом, без допуска воздействия прямых солнечных лучей), влажную древесину, с влажностью более 23 %.
Чем меньше показатель влажности древесины, тем лучше она противостоит гниению. Однако не следует стремиться использовать древесину наименьшей влажности. Дело в том, что структура древесины очень гигроскопична: она легко отдает переизбыток влаги при повышении температуры и уменьшении влажности окружающей среды и с такой же легкостью впитывает влагу при снижении температуры и повышении влажности окружающей среды. Это приводит: в первом случае – к иссыханию древесины (уменьшению ее размеров); во втором случае – к ее разбуханию (увеличению размеров). Результатом этого является коробление древесины, деформация деревянных конструкций, что в конечном итоге приводит их в негодность. Поэтому лучше всего использовать древесину, влажность которой в момент использования соответствует эксплуатационной влажности.
Теплопроводность, звукопроводность. Деревянные дома из сруба или бруса хорошо удерживают тепло. Здоровая древесина способна распространять звук вдоль волокон: если после удара по комлевой части бревна, доски или бруса слышится чистый звенящий звук, то это говорит о высоком качестве древесины; прерывистый, глухой звук свидетельствует о ее загнивании.
Коррозионная стойкость древесины очень важна для строений, которые эксплуатируются в основном под открытым небом. Следует отметить, что хвойные породы более стойки к коррозии, чем лиственные, поскольку хвойная древесина хорошо пропитана смолистыми веществами.
Цвет, блеск, запах и текстура являются физическими свойствами древесины, которые позволяют визуально определить ее породу.
Цвет может указать на качество древесины: например, синеватая окраска хвойной древесины свидетельствует о начальной стадии загнивания (цвет здоровой сосны – от коричневато-желтого в зонах, насыщенных смолой, до светло-желтого; цвет ели – от светло-желтого до белого); черные и темно-коричневые пятна на буковой древесине – признак загнивания (цвет здорового бука – от желто до розовато-бежевого).
Свидетельствовать о пороках древесины может и изменение запаха.
Текстура древесины зависит от распила, а механическая прочность тех или иных досок или брусков – от вида разреза. Но и цвет, и блеск, и текстура имеют чисто декоративное значение.
Механические свойства древесины
В производстве механические свойства древесины более важны, так как от них зависит прочность и долговечность эксплуатации изделий.
Механическая прочность древесины – это ее способность противостоять различным нагрузкам. По направлению действия нагрузки различают прочность на сжатие, изгиб, скалывание, растяжение. При этом предел прочности древесины на сжатие и растяжение при направлении нагрузки вдоль волокон значительно выше, чем при направлении нагрузки поперек волокон. Механическая прочность древесины зависит от ее физических свойств: увеличение влажности снижает прочность, более прочна плотная древесина.
Пластичность – способность деревянной детали изменять форму под воздействием нагрузки и сохранять эту форму после снятия приложенной нагрузки. Это свойство имеет значение при изготовлении гнутых деталей: важно знать, что с увеличением влажности и температуры древесины ее пластичность увеличивается; поэтому детали, которые нужно выгнуть, обрабатывают горячей водой или паром. Высокой пластичностью обладает древесина бука, вяза, дуба, ясеня. Хвойные породы древесины пластичностью, достаточной для сгибания деталей, не обладают вследствие прямолинейной структуры волокон.
Твердость древесины обусловлена ее способностью сопротивляться внедрению инородных тел. По этому признаку древесину разделяют на твердую – бук, дуб, клен, ясень, вяз, лиственница (самые твердые – самшит и акация) и мягкую – липа, ель, сосна, ольха.
Твердость определяет еще одно механическое свойство древесины – ее износостойкость, способность противостоять трению. Здесь имеется прямая взаимосвязь: чем тверже древесина, тем выше показатель ее износостойкости.
Источник
1.2.2. Свойства древесины
Свойства древесины определяются структурой и составом различных ее пород. Древесина обладает специфическими свойствами, подаренными ей природой. Человек с глубокой древности оценил это и приспособил древесину к своей повседневной жизни. Физические и механические свойства древесины – это и есть то, что резко выделяет ее среди других материалов, определяет способы ее заготовки, переработки, условия эксплуатации и способствует широкому использованию в строительстве и архитектуре.
1.2.2.1. Физические свойства
Физические свойства древесины характеризуются плотностью древесины, ее влажностью, гигроскопичностью, теплопроводностью, а также внешним видом, определяющим ее эстетические качества – цветом, блеском, текстурой, что имеет немаловажное значение в архитектуре.
Плотность. Истинная плотность древесины имеет примерно одинаковое значение для всех пород дерева и составляет 1,52–1,54 г/см 3 . Средняя же плотность колеблется в значительных пределах в зависимости от пород, условий роста дерева, влажности. Плотность древесины имеет большое значение. Ценность древесины с высокой плотностью заключается в ее прочности и хорошей обрабатываемости. К таким породам относятся: самшит, бук, клен, граб, груша. Поздняя древесина имеет более высокую плотность, чем ранняя, поэтому содержание поздней древесины в строительных изделиях и конструкциях должно быть не менее 20 %. Древесина хвойных пород имеет, как правило, сравнительно малую плотность, а лиственных – более высокую.
Влажность. Находящаяся в древесине вода заполняет частично каналы сосудов, полости клеток, межклеточное пространство и определяется как свободная (капиллярная) влага, а та, которая пропитывает оболочки (стенки) клеток, является связанной (гигроскопичной) влагой. Состояние, при котором древесина содержит максимальное количество гигроскопичной влаги, а капиллярная отсутствует, называется пределом гигроскопичности. В среднем он составляет 30 %.
При сушке древесины сначала с ее поверхности испаряется свободная влага, а затем – гигроскопическая. При постоянной температуре и влажности воздуха влажность древесины будет стремиться к определенной величине, называемой равновесной (устойчивой) влажностью. В комнатных условиях равновесная влажность 8–12 %, в воздушно-сухих (уличных) – 15–18 %. Она достигается в результате высыхания древесины (десорбции) или в результате поглощения древесиной влаги из воздуха (сорбции). При увлажнении древесины влагой, содержащейся в воздухе, влажность древесины не может превысить предела гигроскопичности, поскольку увлажняются только клеточные стенки – микрофибриллы. Увеличение влажности древесины выше предела гигроскопичности, т.е. заполнение влагой полостей клеток и межклеточных пространств, возможно только при непрерывном контакте с водой [3].
После удаления всей свободной влаги и с момента удаления гигроскопичной влаги начинается усушка древесины. Вследствие анизотропии усушка древесины по разным направлениям различна. Величина усушки пропорциональна плотности: чем выше плотность древесины, тем больше усушка. В результате того, что усушка в древесине происходит неравномерно, то в процессе сушки в древесине возникают внутренние напряжения, которые могут вызвать появление трещин. При изменении влажности от абсолютно сухого состояния до предела гигроскопичности и наоборот происходит изменение формы поперечного сечения пиломатериалов (коробление). Этот процесс сопровождается увеличением линейных размеров и объема древесины (набухание) – явление, обратное усушке. При эксплуатации изделий из древесины следует учитывать температурно-влажностные условия и защищать древесину от влажностных деформаций.
Гигроскопичность. Древесина, как капиллярно-пористый материал, обладает гигроскопичностью, т.е. способностью поглощать водяные пары из воздуха в зависимости от влажности и температуры окружающей среды и влажности самой древесины. При длительном нахождении древесины на воздухе с постоянной температурой и влажностью устанавливается состояние гигрометрического равновесия, характеризующееся тем, что упругость водяных паров в воздухе и капиллярах древесины одинакова. При нарушении равновесия в сторону повышения относительной влажности воздуха или понижения его температуры древесина будет поглощать влагу, и наоборот, при уменьшении относительной влажности воздуха или повышения его температуры будет наблюдаться испарение из древесины влаги до достижения равновесной влажности, соответствующей изменившимся температурно-влажностным параметрам среды.
Гигроскопичность древесины обусловливает изменяемость размеров деревянных конструкций в процессе эксплуатации зданий и сооружений при изменении температуры и влажности окружающего воздуха. С целью обеспечения стабильности размеров деревянных конструкций на их поверхность наносят водо- и воздухонепроницаемые покрытия: краски, лаки и т.д.
Теплопроводность. Древесина, как высокопористый материал, характеризуется относительно низкой теплопроводностью, которая зависит от ее породы, плотности, направления волокон и влажности. Теплопроводность вдоль волокон примерно в 2 раза выше, чем поперек волокон. Так, у сосны она равняется 0,35 и 0,17 Вт/(М∙К) соответственно. Теплозащитные свойства древесины широко используются в строительстве. Толщина стен деревянных зданий может быть значительно меньше, чем каменных. В деревянных домах наблюдается и лучший обмен воздухом между внутренними помещениями и внешней средой – своеобразная естественная вентиляция, имеющая большое гигиеническое значение. Таким образом, малая теплоотдача и гигиеничность древесины обусловили ей издавна широкое применение в ограждающих конструкциях отапливаемых зданий.
Акустические свойства. В древесине звук распространяется в различных направлениях по-разному: быстрее всего он распространяется вдоль волокон, медленнее – в радиальном и тангенциальном. Звукопроводность древесины вдоль волокон в 16 раз, а поперек волокон – в 3–4 раза выше, чем воздуха. Повышение влажности древесины снижает ее звукопроводность.
Источник