Физические свойства древесины.

Истинная плотность для всех пород изменяется незначи­тельно, так как дре-весина состоит из одного вещества — цел­люлозы. Ее среднее значение обычно принимают 1, 54 г/см³. Средняя плотность древесины разных пород колеблется в весьма широких пределах, так как строение и пористость за­висит от многих внеш-них факторов: от почвы, климата, влаж­ности и пр. У большинства пород она ме-ньше 1, 0 г/см³. Пористость изменяется от 30 до 80% и зависит в основ­ном от породы дерева. Гигроскопичность и влажность. Благодаря волокнистому строе-нию и большой пористости древесина обладает огром­ной внутренней поверхнос-тью., которая легко сорбирует водя­ные пары из воздуха (гигроскопичность). Влаж-ность, кото­рую приобретает древесина в результате длительного нахож­дения на во-здухе с постоянной температурой и влажностью, называется равновесной. Она дос-тигается в тот момент, когда упругость пара над поверхностью древесины становит-ся рав­ной упругости паров окружающего ее воздуха. Между равно­весной влажнос-тью древесины и параметрами окружающего воздуха (относительная влажность и температура) существует зависимость, которая диаграммой (рис. 13.4).

Рис. 13.4. Диаграмма зависимости влажности древесины от температуры и относительной влажности воздуха.

По содержанию влаги различают мокрую древесину — влажность до 100% и более, свежесрубленную — 35% и выше, воздушно-сухую — 15-20%, комнатно-сухую — 8-12% и абсо­лютно сухую древесину, высушенную до посто-янной массы при температуре 103 ±2°С. Стандартной принято считать 12%.

Влажность древесины, при которой стенки клеток насы­щены водой (предель-ное содержание гигроскопической вла­ги), а полости и межклеточные пространства свободны от воды, называют пределом гигроскопической влажности. Для древе­сины различных пород она колеблется от 23 до 35% (в сред­нем 30%) от массы сухой древесины. Гигроскопическая вода покрывает поверхность мельчайших элементов в стенках клет­ки водными оболочками. При этом они увеличивают их и раз­двигают, вследствие чего объем и масса древесины увеличи­вается, а прочность снижается. Свободная вода, накапливаясь в полостях клеток, существенно не изме-няет расстояние между элементами клеток и потому не влияет на ее прочность и объем, увеличивая лишь ее массу (рис 13.5).

Рис. 13.5. Разбухание древесины при увлажне-нии: 1 — вдоль волокон; 2 — в радиальном направле-нии; 3 — в тангентальном направлении; 4 — объем-ное.

Усушка, разбухание и коробление древесины про-исходит при изменении влажности от нуля до предела гигроскопичес­кой влажности. Изменение линейных размеров и объема — усушка или разбухание — зави-сит от количества испарившейся или поглощенной ею влаги и направления волокон. Вдоль во­локон линейная усушка для большинства древесных пород не превыша-ет 0, 1 %, в радиальном направлении — 3-6 %, а в тан-гентальном — 7-12%. Разница в усушке древесины в тангенгальном и радиаль-ном направлениях и неравномерность вы­дыхания сопровождается возникновением внутренних напряжений в древесине, что может вызвать ее коробление и рас­трески-вание. Это особенно заметно проявляется при отклоне­нии направления волокон от оси ствола. Боковые края досок стремятся выгнуться в сторону выпуклости годо-вых слоев, а наибольшему короблению подвержены доски, выпиленные из бревна, расположенные ближе к его поверхности, и широ­кие доски.

По величине коэффициента объемной усушки дре­весные породы разделя-ют на следующие группы: малоусыхающие (к < 0, 40), среднеусыхающие (к =0, 40 - 0, 47) и сильноусыхающие (к = 0, 47 и более).

Теплопроводность древесины относительно низкая благо­даря высокой порис-тости и волокнистости строения. Следует, однако, учесть, что вследствие анизатро-пности строения теп­лопроводность вдоль и поперек волокон отличается примерно в 2 раза. Например, для сосны вдоль волокон — 0, 35 Вт/(м °С), а в поперечном направлении — 0, 17 Вт(м °С).

Стойкость к действию агрессивных сред. При длитель­ном воздействии кис-лот и щелочей древесина медленно раз­рушается. В кислой среде древесина начинает разрушаться при рН < 2. Слабощелочные растворы почти не разрушают дре­веси-ну, в морской воде — сохраняется значительно хуже, чем в пресной (речной, озерной). В воде большой биологической агрессивности стойкость низкая.

Механические свойства. Способность древесины сопротив­ляться воздействию внешних усилий в очень значительной сте­пени зависит от самых разнообразных ус-ловий. Основными фак­торами, влияющими на механические свойства, являются:

Направление волокон. Изменение их направления и все не­правильности в их расположении, которые возникают при на­личии таких пороков, как свилеватость, ройки, сбежистостъ, закамелистость и др., при распиловке дают перерезанные во­локна, что влечет за собой понижение прочности.

Прочность древесины как анизотропного материала в боль­шой степени зави-сит от того, под каким углом к волокнам направлена сила (рис. 13.6). Предел про-чности при растяжении вдоль волокон в 20-30 раз, а при сжатии в 5-10 раз боль-ше, чем поперек волокон.

Рис. 13.6. Влияние наклона волокон древеси-ны на ее прочность при растяжении 1, изгибе 2, сжатии 3.

Положение в стволе. Наиболее крепкой обыч-но является древесина нижней части ствола, а наи-более слабой — верхняя, так как в ней расположе-ны наиболее молодые клетки. В попе­речном сечении наиболее слабой частью является центральная часть. По направлению к коре прочность постепенно повы-шается до определенного предела (до заболони), а за-тем умень­шается (незначительно).

Возраст. Наиболее прочной является древеси-на в зрелом возрасте. У сосны наибольшая прочность наблюдается в воз­расте 70-100, у ели — 100-150, у дуба — 60-200 лет.

Наряду с указанными факторами на прочность влияют так­же относительное содержание летней древесины, время рубки (летняя и зимняя), порода, средняя плотность, пористость, влаж­ность. Весьма сильное влияние на прочность оказывает влаж­ность. При этом особое значение имеет ее изменение от 0 до 30% (область гигроскопической влаги). Как видно из рис. 13.7, прочность древесины понижа-ется, когда ее влажность повыша­ется от 0 до 30%. При этом в интервале влажнос-ти от 8 до 20% понижение прочности прямо пропорционально приросту влаж­ности, что позволило предложить следующую формулу, по­зволяющую определять станда-ртное значение прочности неза­висимо от влажности испытываемых образцов

где — предел прочности образцов при 12% и факти­ческой влажности в момент испытаний;

― коэффициент изменения прочности при изменении влажности на 1%; при сжатии и изгибе = 0, 04, при скалывании, = 0, 03;

— влажность образца в момент испытаний (%).

Стандартные методы механических испытаний на «чистых» образцах позво-ляют сравнивать между собой прочность дре­весины одной породы или разных.

Рис. 13.7. Влияние влажности на механические свойства древесины: А — поперечный изгиб; В — сжатие вдоль во-локон; С — скалывание вдоль волокон.

Вместе с тем факти­ческая прочность древесины в элементах стандартных разме­ров (досок, брусьев, бревен), в которых имеются те или иные дефекты строения, может быть значительно ниже. Поэтому при нормировании допускаемых напряже-ний (расчетных со­противлений) устанавли-ваются относительно большие коэф­фици-енты запаса.

По этой причине сорта лесоматериа-лов устанавливают не по прочности образ-цов, а на основании оценки имеющихся в нем пороков, например, количества сучков на 1 пог. м, отно­сительного объема пораженной древесины грибковыми забо­леваниями, угла отклонения волокон от оси ствола и пр.