Лекция 4. Лесные материалы
Древесина как строительный материал обладает рядом положительных свойств: она имеет относительно высокую прочность, небольшую плотность, малую теплопроводность, легко поддается механической обработке. Недостатки: анизотропность древесины обусловливает различные показатели прочности и теплопроводности вдоль и поперек волокон; гигроскопичность приводит к изменению свойств; древесина подвержена загниванию, и легко воспламеняется.
Строение древесины
Строение древесины, видимое невооруженным глазом называется макроструктурой, а видимое под сильным увеличением (микроскопом) — микроструктурой. (рис 1.)
Ядро(сердцевина) – внутренняя часть ствола, образующаяся по мере роста дерева. Когда внутренняя, наиболее старая часть древесины ствола отмирает, проводящая и запасающая системы перестают функционировать, клетки уплотняются. Движение влаги по этим клеткам прекращается, поэтому древесина ядровой части отличается прочностью и стойкостью к загниванию. Некоторые древесные породы, например береза, клен, ядра не имеют.
Заболонь состоит из колец более молодой древесины, окружающих ядро. По живым клеткам заболони растущего дерева перемещается влага с растворенными в ней питательными веществами. Древесина заболони имеет большую влажность, легко загнивает, при последующей усушке усиливает коробление древесных материалов.
Образованиегодичных слоев связано с ежегодным приростом древесины. Внутри каждого слоя, соответствующего одному году жизни дерева, различают раннюю (весеннюю) и позднюю (летнюю) зоны, называемые соответственно ранней и поздней древесиной. Годичные слои в большей мере определяют характер текстуры древесины.
Сосуды или смоляные ходы (в зависимости от породы древесины) представляют собой трубки, каналы различной величины. Понятно, с этими образованиями древесины также связана ее текстура.
Рисунок 1 – Строение древесины
Физические свойства древесины
По степени влажности различают древесину: мокрую (влажность 100 и более %), свежесрубленную (влажность 35% и выше), воздушно-сухую (влажность 15...20%) и комнатно-сухую (влажность 8...12%).
Равновесной называют влажность, которую имеет, древесина при продолжительном нахождении на воздухе с постоянной относительной влажностью и температурой. Равновесная влажность комнатно-сухой древесины составляет 8…12%.
Стандартной считают влажность древесины 12%, при которой определяют и сравнивают ее свойства.
Вода в древесине может находиться в двух состояниях – свободном и физически связанном.
Свободная или капиллярная вода заполняет полости клеток и сосудов и межклеточное пространство. Связанная или гигроскопическая вода находится в стенках клеток и сосудов древесины в виде тончайших гидратных оболочек на поверхности мельчайших элементов, слагающих стенки клеток.
Гигроскопичностью древесины называют свойство ее поглощать из воздуха парообразную воду. Степень поглощения зависит от температуры воздуха и его относительной влажности.
Для уменьшения гигроскопичности и водопоглощения древесину покрывают лакокрасочными материалами или пропитывают различными веществами.
Плотность древесины характеризует ее физико-механические свойства - прочность, теплопроводность, водопоглощение. Показатель плотности используют при определении коэффициента качества, который находят отношением предела прочности при сжатии к плотности. У сосны он равен 0,6, а дуба — 0,57.
Пористость древесины главнейших пород, применяемых в строительстве, – 50…70%.
Теплопроводность. Древесина как материал высокопористого и волокнистого строения характеризуется относительно низкой теплопроводностью. Однако вследствие анизотропности теплопроводность вдоль и поперек волокон отличается примерно в два раза.
Усушкой древесины называют уменьшение ее линейных размеров и объема при высыхании. Свойство неравномерного изменения линейных размеров в различных направлениях является одним из отрицательных свойств дерева как строительного материала.
Набуханием называют способность древесины увеличивать свои размеры и объем при поглощении воды, пропитывающей оболочки клеток.
Теплопроводность древесины невелика, она зависит от характера пористости, влажности, направления волокон, породы и плотности дерева, а также от температуры.
Электропроводность древесины зависит от ее влажности. Электрическое сопротивление сухой древесины в среднем составляет 75-107 Ом-см, а сырой - в 10 раз меньше.
Водопроницаемость древесины зависит от породы дерева, первоначальной влажности, характера разреза, местоположения древесины в стволе, ширины годичных слоев, возраста древесины.
Механические свойства древесины как анизотропного материала не одинаковы в различных направлениях. Механические свойства древесины зависят от многих факторов: с увеличением влажности прочность древесины снижается; древесина большой плотности имеет более высокую прочность; на прочность древесины влияют процент поздней древесины, наличие пороков, гнили, старение.
Прочность древесины (материал волокнистого строения) имеет большое различие вдоль или поперек волокон (при растяжении вдоль волокон в 20…30 раз, а при сжатии в 3…6 раз больше, чем поперек волокон). Прочность древесины зависит от того, под каким углом к волокнам направлено разрушающее усилие, а также от породы дерева, плотности, косвенно характеризующей пористость древесины, наличия пороков и особенно от влажности в пределах от 0…30%. Древесина имеет высокий показатель прочности на растяжение вдоль волокон от 80 до 190 МПа.
Прочность древесины, на статический изгиб высока, благодаря чему ее широко применяют для элементов зданий и сооружений, работающих на изгиб (балки, бруски, стропила, фермы и т. д.). Предел прочности древесины на изгиб определяют на образцах-балочках размером 20Х20Х300 мм. Для различных пород он составляет 50...100 МПа (при влажности 12%).