Физические и механические свойства древесины
Качественные характеристики древесины, которые проявляются при испытаниях, не связанных с изменением химического состава, называются физическими свойствами. К ним относятся:
1) внешний вид, включающий:
цвет;
блеск;
текстуру;
2) влажность;
3) плотность;
4) тепловые свойства;
5) звукопроводность и др.
Цвет древесины определяется спектром отраженного ею светового потока и является важной характеристикой внешнего вида материала, поскольку его учитывают, выбирая древесину как для строительных нужд (внутренней отделки, окон и дверей и пр.), так и для изготовления музыкальных инструментов, мебели и т. п. Цвет древесины зависит не только от породы дерева, но и от природно-климатических условий местности, где оно произрастает, а также от возраста дерева. Цвет относится к таким качествам, которые могут изменяться, например, под действием воздуха, света, при поражении грибковыми заболеваниями, продолжительном контакте с водой.
Но, несмотря на все особенности, часто многие деревья обладают характерным цветом, позволяющим отличать их от других пород.
Блеском называется способность древесины направленно отражать световой поток. В наибольшей степени блеск свойствен таким российским породам деревьев, как дуб, бук, белая акация. Из импортного материала особым блеском отличается древесина атласного и красного деревьев.
Текстура – это рисунок, возникающий на срезе древесины и образованный годичными кольцами, сосудами и другими элементами структуры дерева.
Влажность представляет собой физическое качество древесины, которое определяется количеством находящейся в ней влаги. Процентное соотношение массы воды к массе сухой древесины называется относительной влажностью.
Вода в древесине представлена в трех видах:
1) в свободном состоянии;
2) в гигроскопическом состоянии;
3) в химически связанном состоянии.
Попутно о терминах
Радиальный наклон волокон представляет собой наклон, расположенный по радиусу.
Свободная (другое название – «капиллярная») влага находится в полостях клеток и сосудов и заполняет межклеточное пространство.
Гигроскопическая влага содержится в стенках клеток.
Химический состав вещества включает химически связанную воду.
На практике древесина различается степенью влажности и бывает:
1) абсолютно сухой при влажности 0% (достижимо только в условиях лаборатории при температуре 103 ± 2°С);
2) комнатно-сухой – 8–15% (при длительной выдержке в отапливаемом помещении);
3) воздушно-сухой – 16–20% (при выдержке на открытом воздухе);
4) полусухой – 21–23%;
5) сырой – более 23%;
6) свежесрубленной – 40–75% (влажность вегетирующего дерева);
7) мокрой – более 75% (при выдержке в течение длительного времени в воде).
Для определения физико-механических параметров древесины ее кондиционируют, то есть доводят до нормализованной влажности – 12%.
Если древесина продолжительное время находится в условиях постоянной относительной влажности, то она приобретает определенную влажность, которая называется равновесной.
При изменении условий хранения материала в ту или иную сторону (то есть при повышении или понижении влажности) наблюдается набухание или усушка материала.
Усушку вызывает удаление из древесины связанной воды, что обусловливает уменьшение ее линейных размеров и объема, в отличие от удаления свободной воды, которое не приводит к усушке. Величина усушки древесины прямо пропорциональна степени уменьшения ее влажности.
Объем древесины при высыхании по разным направлениям уменьшается неодинаково. Средняя величина усушки примерно равна:
1) вдоль волокон – 0,1–0,3%;
2) поперек волокон по окружности годовых колец (в тангенциальном направлении) – 6–10%;
3) поперек волокон от коры к сердцевине (в радиальном направлении) – 3–7%.
Полная объемная усушка варьируется в пределах 11–17%. Усушка, понижающая влажность древесины на 1%, называется коэффициентом усушки и неодинакова у разных пород древесины. Наиболее высокий коэффициент усушки характерен для дуба, бука, граба, клена и составляет до 11%. Умеренное усыхание присуще сосне, осине, тополю – до 3–5%. Менее всего подвержены усыханию ель и лиственница – до 2%. Величина усушки определяется как породой дерева, там и природно-климатическими условиями, в которых оно растет. Усушка должна учитываться при распиловке бревен, сушке пиломатериалов и т. п.
Попутно о терминах
Крыловатость – это дефект пиломатериала, расположенный по всей длине и означающий спиральную изогнутость.
Под влиянием внешних нагрузок и за счет различных изменений объема древесины при сушке в ней возникают внутренние напряжения. При этом для поверхностных слоев, в которых влажность ниже, чем в центре, характерны растягивающие напряжения, а для более глубоких, внутренних слоев – сжимающие. Растягивающие напряжения, достигая предела прочности материала в тангенциальном положении, приводит к трещинообразованию. К тому же, вследствие того что усушка протекает неодинаково в разных направлениях, возникает коробление, которое представляет собой изменение формы пиломатериалов и леса при сушке или неадекватном хранении, а также во время механической обработки, например при несимметричном строгании. Покоробленность бывает продольной и поперечной; продольная, в свою очередь, – по кромке, пласти и в виде крыловатости (рис. 2).
Рис. 2. Виды покоробленности: а – по пласти (простая); б – продольная по пласти (сложная); в – продольная по кромке; г – поперечная; д – крыловатость
Способность древесины впитывать влагу из воздуха называется влагопоглощением. Это ее свойство не зависит от породы и является отрицательным качеством, поскольку сильное увлажнение, возникающее в условиях повышенной влажности, ухудшает физико-механические свойства древесины, ее биостойкость и пр.
При повышенном содержании в древесине связанной воды наблюдается разбухание, то есть увеличение линейных размеров и объема древесины. Данное качество древесины является противоположным усушке и протекает по тем же закономерностям: максимальное разбухание древесины происходит поперек волокон, минимальное – вдоль волокон.
При погружении в воду за счет водопоглощения возрастает влажность древесины. Наибольшая влажность включает максимальное количество как связанной, так и свободной воды. Количество последней напрямую зависит от плотности древесины: чем больше полостей в древесине, тем больше ее влажность, и наоборот.
Попутно о терминах
Сортиментом называется комплекс свойств, признаков, качеств, по которым какие-либо изделия могут принадлежать к тому или иному сорту.
Плотность древесины зависит от совокупности веществ, образующих оболочку клеток. Поскольку клетки разных пород древесины похожи по своему строению, то ее плотность варьируется в пределах 1490–1560 кг/м3 (можно сказать, что этот параметр для всех пород примерно равен 1,53 г/см3).
Плотность бывает условной и средней. Условная плотность представляет собой отношение минимальной массы к максимальному объему образца. Средняя влажность определяется влажностью и пористостью древесины, а ее значение указывается применительно к 12%-ной влажности.
По последнему параметру древесина делится на группы, которые включают древесину малой плотности (540 и менее), средней плотности (550–740) и высокой плотности (750 и выше). Условная и средняя плотность самых распространенных древесных пород представлена в табл. 2.
Таблица 2 Показатели средней и условной плотности древесины
В зависимости от средней плотности древесные породы разделяются на:
1) легкие (пихта, кедр, тополь, липа, сосна);
2) средние (береза, вяз, бук, ясень);
3) тяжелые (клен, дуб, граб).
К тепловым свойствам древесины относятся теплоемкость, теплопроводность и тепловое расширение.
Попутно о терминах
Сбежистость – это равномерное и постепенное уменьшение диаметра по всей длине бревна. Если оно равняется более 1 см на каждый метр длины ствола, то такое изменение считается пороком древесины.
Теплоемкость – это способность древесины накапливать тепло. Показателем теплоемкости является удельная теплоемкость.
Это количество теплоты, требующееся для нагревания 1 кг древесины на 1°С. Теплоемкость едина для любой древесины независимо от породы и возрастает при увеличении влажности.
Теплопроводность является свойством древесины, которое показывает интенсивность переноса тепла в материале.
При изменении таких параметров, как температура, влажность и плотность, коэффициент теплопроводности возрастает, причем вдоль волокон она бывает в 2 раза выше, чем поперек.
Тепловым расширением называется способность древесины увеличивать линейные размеры и объем при повышении температуры. Коэффициент теплового расширения у древесины по сравнению с таким же показателем у металла, стекла или бетона в 3–10 раз меньше.
Звукопроводность – это способность материала проводить звук. Скорость распространения звука в древесине зависит от его направленности и убывает следующим образом:
1) вдоль волокон – 1500 м/с;
2) радиально – 2000 м/с;
3) тангенциально – 1500 м/с.
По сравнению со звукопроводностью воздуха звукопроводность древесины вдоль волокон в 3–4 раза, а поперек – в 16 раз выше.
Прочность, твердость, ударная вязкость – это механические качества древесины.
Попутно о терминах
Закомелистостью называется резкое увеличение диаметра ствола в его нижней части, при этом диаметр торца у комля, как минимум, в 1,2 раза больше диаметра торца, измеренного в метре от первоначальной точки.
Прочность – это свойство древесины сопротивляться механическим нагрузкам (растяжению, сжатию, изгибанию, сдвиганию), оно характеризуется пределом прочности, средняя величина которого равна 130 МПа. При растяжении поперек волокон прочность древесины равна 1/20 предела прочности при растяжении вдоль волокон.
При сжатии ряд древесных пород может уплотняться на треть начальной высоты образца, при этом не разрушаясь.
Твердость представляет собой способность древесины сопротивляться внедрению в нее постороннего тела, имеющего определенную форму и объем. Практически путем было установлено, что твердость торцовой поверхности выше твердости боковой поверхности. Причем данный показатель неодинаков у лиственных и хвойных пород. У первых он выше на 30%, а у вторых – на 40%.
В табл. 3 приведена классификация древесных пород на группы в зависимости от степени их твердости.
Таблица 3 Классификация древесных пород по степени твердости
Ударная вязкость
Попутно о терминах
Крень – это изменение строения древесины хвойных пород, имеет вид резкого утолщения поздней древесины годичных слоев. Бываем местная, при этом захватывает несколько годичных слоев, и сплошная, занимающая половину и более площади поперечного сечения.
Кроме перечисленных механических свойств древесины, можно назвать ее способность удерживать металлический крепеж (при вбивании гвоздя волокна древесины раздвигаются или перерезаются, оказывая при этом на гвоздь определенное давление, которое называется трением, благодаря чему гвоздь и удерживается) и изгибаться (наилучшей способностью гнуться отличаются лиственные породы, причем кольцесосудистые древесные породы (например, дуб) гнутся более легко, чем рассеянно-сосудистые (например, береза и др.); для хвойных пород это нехарактерно).
