Влажность древесины и ее влияние на механические свойства

Влага содержится в древесине в свободном состоянии и в гигроскопическом, коллоидно связанном состоянии. Молекула целлюлозы химически связана с молекулами воды. Все строительные породы леса могут содержать до 30% гигроскопической влаги, что называется точкой насыщения волокон. Это соответствует полной насыщенности влагой клеточных оболочек при отсутствии свободной влаги в полостях клеток. По содержанию влаги условно различают и состояния древесины: воздушно-сухое с влажностью от 10 до 18%; полусухое с влажностью от 18 до 23%; сырое с влажностью более 23%. Процентное содержание влаги (абсолютная влажность) определяется по отношению

где g₁ — масса влажного образца; g₂ — масса того же образца после высушивания до постоянной массы.

При высыхании свежесрубленной древесины исчезновение свободной влаги происходит сравнительно быстро — в течение 1...2 летних месяцев. Оно не связано с изменением каких-либо свойств древесины, кроме ее массы. Удаление гигроскопической влаги происходит значительно труднее. Оно требует обычно искусственной сушки древесины и сопровождается значительным изменением ее физико-механических свойств. При этом механические свойства древесины повышаются, одновременно происходит усушка — сокращение размеров элементов. Обратный процесс (увлажнение до 30%) сопровождается разбуханием древесины и понижением ее механических свойств.

Наибольшей величины усушка достигает в плоскости поперечного сечения элементов (поперек волокон) — 6...10% в тангентальном t и 3...5% в радиальном r направлениях при полном высыхании. В направлении вдоль волокон усушка почти не происходит (0,1%).

Для исключения влияния влажности на показатели свойств древесины значения их, определяемые из испытаний, приводят к стандартной влажности (12%) по формуле

Вследствие этого любые определения физико-механических свойств древесины должны сопровождаться одновременным определением ее влажности.

Конструкции, защищенные от увлажнения, должны изготовляться из воздушно-сухого материала, что обеспечивает их стабильность, т. е. устраняет опасность усушки, коробления и растрескивания после возведения, опасность загнивания. Для изготовления проветриваемых наземных сооружений постоянного назначения разрешается применять лесоматериал с влажностью не более 25%. Для устройства закрытых труднопроветриваемых конструкций влажность пиломатериалов должна быть не более 20%, а для изготовления клееных конструкций — 8...12%. Влажность лесоматериалов, применяемых для шпонок, нагелей, вкладышей и других мелких деталей, не должна превышать 15% и влажности окружающего материала. В отдельных случаях разрешается применять древесину с влажностью более 25%, но не более 40% для изготовления проветриваемых наземных сооружений, в которых усушка древесины не вызывает ухудшения качества соединений или значительного провисания при условии проведения мероприятий по защите древесины от гниения.

Высыхание древесины (не путать с усушкой) происходит преимущественно вдоль волокон. Скорее всего просыхают торцы элементов. Через боковую поверхность деревянные элементы просыхают труднее. В пиломатериалах просыхание по боковым поверхностям происходит скорее, чем в бревнах, благодаря наличию перерезанных волокон.

Неравномерное высыхание древесины и неравномерная усушка ее по направлениям r и t вызывает коробление элементов и растрескивание их. Коробление и растрескивание от усыхания тем больше, чем больше плотность древесины и размеры элементов (рис. 15). Усушка, коробление и растрескивание сильно снижают качество деревянных конструкций и даже могут вывести их из строя. Широкие доски, содержащие большое количество заболони, коробятся особенно сильно. При короблении досок выпуклость всегда направлена к сердцевине. Это обстоятельство нужно учитывать при изготовлении конструкций и располагать доски так, чтобы не ухудшить качество соединений и не повредить кровли.

Вследствие разницы между радиальной и тангенциальной усушкой, а также из-за неравномерного высыхания древесины в элементе развиваются внутренние напряжения (рис. 15, а). В начальный период высыхания наружная часть элемента бывает растянута поперек волокон, а внутренняя — сжата, при этом в растянутой части возникают разрывы — трещины (рис. 15, б). В дальнейшем знак напряжений может измениться и трещины образовываются внутри элемента (рис. 15, в).

Усушенные трещины имеют радиальное направление. Главная трещина идет по кратчайшему направлению от периметра сечения к центру ствола. В балках прямоугольного сечения усушенные трещины располагаются обычно на широких боковых гранях балок и совпадают с плоскостью наибольших напряжений сдвига при изгибе. Сильное развитие таких трещин может вызывать расслоение балок, которые из цельных становятся составными с гораздо пониженными расчетными геометрическими характеристиками. В балках делают вертикальные надрезы, которые уменьшают внутренние напряжения по боковым граням и предотвращают появление на них глубоких трещин (рис. 15, г).

Опасными являются трещины, совпадающие с плоскостью какого-либо соединения. Например, расположение болтов в нагельном соединении по оси элемента в один ряд не рекомендуется, так как именно здесь имеется опасность появления трещины и разрушения соединения. Не рекомендуется применять в соединениях широкие металлические накладки, которые препятствуют усыханию древесины поперек волокон и способствуют развитию продольных трещин.