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 °C, 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, игигроскопической, 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 Уоб вычисляют в процентах без учета продольной усушки по приближенной формуле.

где а и b — размеры образца соответственно в тангенциальном и радиальном направлениях; ао и Ьо — 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%:

где р, j — средняя плотность образца древесины при влажности W — = 12%; ко — коэффициент объемной усушки, который показывает, на сколько процентов изменяется объем образца при изменении его влажности на 1%. У древесины большинства пород к₀ = 0,5 (у березы, бука, лиственницы, граба ко = 0,6). Его определяют по формуле: ко = VJ (W-Wi), где Vo — объемная усушка; ИЛ и ИЛ — 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/(гК); по мере увлажнения теплоемкость древесины возрастает. Теплота сгорания абсолютно сухой древесины разных пород сравнительно мало различается и составляет 20 160—21 200 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 0,2—0,1, поперек волокон — 0,3—0,6.

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 се анизотропия. Анизотропия является следствием медленно развивающейся оптимизации (упорядочения) микрои 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 микрои 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: / — вдоль волокон; 2 — в радиальном направлении; 3 — в тангенциальном направлении; 4 — объемное (THB — точка насыщения волокон) Предел прочности древесины (с влажностью W в момент испытания) при сжатии вдоль волокон (Rc*w) определяют на стандартных образцах (прямоугольных призмах сечением 20×20 мм и длиной 30 мм) и рассчитывают по формуле.

где Ртах — максимальная разрушающая нагрузка, Н; а 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 Ризг древесины (с влажностью W в момент испытания) определяют на образцах-балочках размерами 20×20 мм и длиной 300 мм при воздействии двух симметрично расположенных сил и вычисляют по формуле.

где Ртах — разрушающая сила, Н; / — 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.

где л ж— предел прочности при влажности *r,%; W — влажность испытуемой древесины,%; а — поправочный коэффициент на влажность, который показывает, насколько изменяется прочность древесины при изменении влажности на 1% (в пределах влажности от О 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:

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

Жесткость древесины, ее способность деформироваться под нагрузкой характеризуются модулем упругости: Е = RI?, где R — предел прочности древесины, є — относительная деформация. Модули упругости при сжатии и растяжении вдоль волокон одинаковы и для сосны составляют 12 300 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 лесопродукции. Поэтому целесообразно рассмотреть некоторые, наиболее распространенные, пороки древесины.