Тема: Свойства древесины
Для древесины основными и наиболее важными являются следующие свойства:
Механические свойства (характеризуют способность древесины сопротивляться воздействию внешних сил (растяжению, изгибу, сдвигу и кручению)): прочность, твёрдость, деформативность, ударная вязкость.
Физические: внешний вид (текстура, блеск, окраска), влажность (усушка, коробление, водопоглощение, гигроскопичность, плотность), тепловые (теплопроводность), звуковые (акустическое сопротивление, звукопроводность), электрические (диэлектрические свойства, электропроводность, электрическая прочность);
Технологические: удерживать металлические крепления (гвозди, шурупы и т. п.), износостойкость, способность древесины к изгибу и сопротивление раскалыванию.
Химические свойства.
Древесина является анизотропным материалом, то есть материалом с неодинаковыми свойствами по направлениям относительно волокон. (Так, например, усушка вдоль волокон меньше, чем поперёк волокон, а усушка в радиальном направлении меньше, чем в тангентальном. Различны также, в зависимости от направления волокон, влагопроводность, паропроницаемость, звукопроводность и некоторые другие характеристики).
Механические свойства
Прочность - это способность древесины сопротивляться разрушению (разделению на части) под действием механических усилий.
Прочность древесины зависит от направления и скорости действия нагрузки, породы древесины, ее плотности, влажности и наличия пороков: пороки, особенно сучки и трещины, сильно снижают прочность древесины; с увеличением плотности древесины увеличивается и ее прочность; влажность уменьшает прочность древесины. Прочность зависит от характера и направления действия нагрузок. Например, прочность древесины вдоль волокон под действием растягивающих нагрузок »130 МПа, а под действием сжимающих нагрузок »50 МПа; прочность под действием изгибающих сил »100 МПа, прочность при скалывании »0,5 МПа.
Твердость характеризуется способностью древесины сопротивляться внедрению в нее более твердого тела. Твердость древесины в торцовом направлении выше твердости в тангенциальном и радиальном направлениях в среднем на 30-40%. Твердость древесины, высушенной до 12% влажности, в 1,5-2,0 раза больше твердости древесины 30%-ной влажности. Чем выше твердость древесины, тем труднее ее обрабатывать.
Ударная вязкость - это способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения. Вязкость древесины деревьев лиственных пород примерно в 1,5-2,0 раза выше вязкости древесины хвойных пород.
Физические свойства
абсолютную
Влажность древесины: относительную
Абсолютная влажность древесины - это отношение веса содержащейся в древесине влаги по отношению к массе абсолютно сухой древесины, выраженная в процентах.
Пример: деревянный образец до сушки весил 300 г после сушки стал весить 200 г. Определите его абсолютную влажность
W= 
(300—200)/200×100 % = 50 %
Относительная влажность древесины — это отношение веса содержащейся в древесине влаги к весу сырой древесины, выраженное в процентах.
Пример: деревянный образец до сушки весил 300 г после сушки стал весить 200 г. Определите его относительную влажность
W= 
(300—200)/300×100 % = 33 %
Влажность древесины определяется следующим образом:
1) измеряется масса пробы влажного материала;
2) измеренная проба высушивается в сушилке при температуре 100—105 °С;
3) повторное взвешивание, но уже сухого материала.
Разница между массой влажного и сухого материала как раз и определяет количество воды, содержащееся в образце.
Для практических целей наибольшую важность имеет относительная влажность древесины, так как она показывает степень пригодности древесины к той или иной технологической операции. (Например, для склеивания оптимальна древесина с относительной влажностью 4—6 %, усушка древесины начинается при относительной влажности менее 30 %, развитие грибковых поражений древесины происходит при относительной влажности от 22 % до 80 % и т. п.)
Древесину по относительной влажности делят на категории:
- сырая — 23 % и более
- полусухая — 18—23 %
- воздушно-сухая — 12—18 %
- сухая — 6—12 %.
Степени абсолютной влажности древесины
| Наименование | Абсолютная влажность в % | Условия образования |
| Мокрая древесина | более 100 % | долговременное нахождение в воде |
| Свежесрубленная | 50—100 % | |
| Воздушно-сухая | 15—20 % | долговременное хранение на воздухе |
| Комнатно-сухая | 6—10 % | |
| Абсолютно сухая | 0 % |
Чем больше влажность древесины, тем сложнее её использовать в производстве. Сырая древесина хуже клеится; если при производстве каких-либо изделий использовалась влажная древесина, то по мере её высыхания в предмете могут появляться трещины и щели между досками. Для предотвращения этого необходимо произвести предварительную сушку древесины.
Плотность - массой единицы объёма материала, и имеет размерность в кг/м3 или г/см3:
pд.в. = mд.в. / vд.в.,
где mд.в. и vд.в. - соответственно масса, г, и объем, см3, древесинного вещества.
а) плотность древесинного вещества pд.в., г/см, т.е. плотность материала клеточных стенок:
pд.в. = mд.в. / vд.в.,
где mд.в. и vд.в. - соответственно масса, г, и объем, см3, древесинного вещества (для всех пород 1,53 г/см3, т.к. химический состав клеточных стенок древесины одинаков).
б) плотность абсолютно сухой древесины p0
p0 = m0 / v0,
где m0, v0 - соответственно масса и объём древесины при W=0%.
Плотность древесины меньше плотности древесинного вещества, так как она включает пустоты (полости клеток и межклеточные пространства, заполненнве воздухом).
в) плотность влажной древесины:
pw = mw / vw,
где mw и vw - соответственно масса и объём древесины при влажности W.
Плотность древесины зависит от её влажности. При влажности W < Wпн плотность изменяется незначительно, а при увеличении влажности выше Wпн наблюдается значительный рост плотности древесины.
г) парциальная влажность древесины p`w характеризует содержание (массу) сухой древесины в единице объёма влажной древесины:
p`w = m0 / vw,
где m0 - масса абсолютно сухой древесины, г или кг; vw - объем, см3 или м3, древесины при данной влажности W.
д) Базисная плотность древесины выражается отношением массы абсолютно сухого образца m0 к его объёму при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок Vmax:
pБ = m0 / vmax.
Этот основной показатель плотности, который не зависит от влажности, широко используется для оценки качества сырья в деревообработке, целлюлозно-бумажной промышленности и в других случаях.
Гигроскопичность - свойство материала поглощать влагу из окружающей среды. Данное свойство зависит от влажности древесины. Сухая древесина обладает большей гигроскопичностью, чем влажная. Для уменьшения скорости поглощения влаги материал покрывают масляными красками, эмалями или лаками. Количество гигроскопически поглощенной влаги мало зависит от породы древесины.
Максимальная влажность древесины, которая может быть достигнута вследствие поглощения влаги из окружающей среды при 20°С составляет 30 % (абсолютных) и почти не зависит от породы древесины. В отличие от водопоглощения, гигроскопичность не зависит от пористости древесины.
Водопоглощение - свойство погруженного в воду материала впитывать её в жидком состоянии. Водопоглощение древесины зависит от её пористости. Вследствие водопоглощения, в отличие от гигроскопичности, может быть достигнута влажность древесины значительно большая 30 %.
Пористость - отношение объёма пор к общему объёму древесины П:
П = (v0 - vд.в.) / v0 × 100%,
где v0 и vд.в. - соответственно объём образца и содержащегося в нём древесинного вещества при W=0%. Пористость древесины колеблется в пределах от 40 до 80%.
Усушка - изменение размеров при потере влаги древесиной в результате сушки. Усушка происходит естественным образом. Прямым следствием усушки является образование трещин.
Формула для вычисления полной усушки, %:
B max = (amax - amin) / amax × 100,
где amax и amin - размер (объём) образца соответственно при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок и в абсолютно-сухом состоянии, мм (мм3).
Полная линейная усушка древесины наиболее распространённых отечественных пород в тангенциальном направлении составляет 8-10 %, в радиальном 3-7 %, а вдоль волокон 0,1-0,3 %. Полная объёмная усушка находится в пределах 11-17 %.
Разбухание древесины проявляется при нахождении материалов при повышенной влажности воздуха длительное время (отрицательное свойство, но иногда приносит пользу, обеспечивая плотность соединений (в бочках, чанах, судах и т.д.).
Это - свойство, обратное усушке, и подчиняется, в основном, тем же закономерностям. Полное разбухание, %, вычисляют по формуле:
amax = (amax - amin) / amin × 100,
где amax и amin - размер (объём) образца соответственно при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок, и в абсолютно сухом состоянии, мм (мм3).
Коробление происходит в результате неравномерной сушки древесины. Высыхание древесины происходит быстрее в слоях более удалённых от сердцевины, поэтому если сушка производилась с нарушением технологии, происходит изменение формы древесины, она коробится. Коробление под действием усушки различно по разным направлениям. Вдоль волокон оно незначительно и составляет примерно 0,1 %. Изменения размеров поперёк волокон более значительны и могут составлять 5—8 % от начального. Кроме того, коробление часто сопровождается появлением трещин в древесине, что сильно сказывается на качестве конечного продукта.
Коробления и образования трещин можно избежать при соблюдении технологии сушки и при использовании определённых техник во время сборки изделий. Так, например, в брёвнах на всю длину материала делаются продольные разгрузочные пропилы, которые снимают внутренние напряжения, образующиеся при усушке.
Растрескивание - результат неравномерного высыхания наружных и внутренних слоёв древесины. Процесс испарения влаги продолжается до тех пор, пока количество влаги в древесине не достигнет определённого предела (равновесного), зависящего напрямую от температуры и влажности окружающего воздуха.
Теплопроводность. В отличие от других строительных материалов, древесина является менее теплопроводной. Это позволяет использовать её для теплоизоляции помещения.
Звукопроницаемость - способность материала проводить звуковые волны. Если по теплопроводности древесина - более предпочтительный материал, то по звукопроницаемости древесина проигрывает другим строительным материалам. В связи с этим при строительстве стен и деревянных перекрытий необходимо использовать дополнительные материалы (засыпки), снижающие показатель звукопроницаемости.
Электропроводность - способность материала проводить электрический ток и зависит от влажности.
Цвет - своеобразный индикатор, показывающий качество, возраст и состояние древесины. Качественная и здоровая древесина имеет равномерный цвет без пятен и прочих вкраплений. Если в древесине присутствуют вкрапления и пятна, это свидетельство её загнивания. Цвет древесины может изменяться также под влиянием атмосферных условий.
Запах зависит от содержания в древесине смол и дубильных веществ. Свежесрубленное дерево имеет более сильный запах, а по мере высыхания дерева и испарения влаги и эфирных смол запах ослабевает.
Текстура - рисунок, образующийся при распиливании дерева. Плоскость распила пересекает годичные кольца и слои древесины, образовавшиеся в разное время, в результате образуется характерный узор годичных линий, по которому и отличают древесину от других материалов.
Вес древесины - различают удельный и объёмный вес древесины.
Удельный вес - масса единицы объёма древесины без учёта пустот и влаги. (данный вес не зависит от породы древесины и составляет 1,54 г/см³).
Объёмный вес - это масса единицы объёма древесины в естественном состоянии, то есть с учётом влаги и пустот.
Наличие пороков - особенности и недостатки строения древесины и ствола дерева, возникающие во время его роста или после спиливания. Отдельные группы пороков могут возникать в древесине при обработке её человеком (дефекты обработки древесины) или при поражении её грибами.
Технологические свойства
Способность древесины удерживать металлические крепления (гвозди, шурупы, скрепы и др.). Для выдергивания гвоздей, забитых поперек волокон, требуется усилие в 1,5 раза выше, чем гвоздей, забитых в торец. Для выдергивания шурупов требуется приложить значительно большее усилие, чем для выдергивания гвоздей, так как приходится преодолевать трение и разрушать волокна, между которыми находится резьба шурупа. Однако забитый шуруп удерживает соединение слабее гвоздя. Поэтому необходимо правильно выполнять соединение шурупами, т. е. шурупы следует завинчивать. Способность древесины удерживать металлические крепления возрастает с увеличением ее плотности.
Износостойкость - способность древесины сопротивляться износу, то есть постепенному разрушению её поверхностных зон при трении. Износ боковых поверхностей больше, чем торцовых. Износ уменьшается с повышением твердости и плотности древесины, а также с уменьшением влажности.
Раскалываемость - способность древесины под действием клина разделяться на части вдоль волокон. Сопротивление древесины раскалыванию увеличивается с повышением ее вязкости. Наличие пороков, например сучков, ухудшает раскалываемость древесины.