Древесные материалы

Разбухание древесины неодинаково в различных направлениях: вдоль волокон 0,1—0,8%, в радиальном направлении 3—5% и в тангентальном — 6—12%. При увлажнении, в результате насыщения оболочек клеток водой, древесина увеличивается в весе и объеме.

После дальнейшего насыщения древесины водой влага насыщает полости клеток и пространства между ними. При этом вес древесины изменяется, а объем не увеличивается.

2.2. Объемный и удельный веса

Абсолютный объемный вес древесины зависит только от плотности древесных пород, так как его измеряют при условии нахождения древесины в абсолютно сухом состоянии; обычно абсолютный объемный вес ее меньше 1,0.

Объемный вес древесины одной и той же породы увеличивается при увеличении влажности; поэтому принято характеризовать древесину по объемному весу, пересчитанному на стандартную 15%-ную влажность.

Древесина сосны и ели имеет объемный вес 0,46—0,60; дуба, березы и лиственницы — 0,60—0,75. Объемный вес древесины характеризует такие ее физико-механические свойства, как прочность, теплопроводность, водопоглощение.

Удельный вес вещества древесины— 1,54 г/см3.

2.3. Теплопроводность древесины

Древесина обладает небольшой теплопроводностью, которая зависит от характера пористости, направления волокон, от породы и объемного веса дерева, влажности и температуры. Теплопроводность дерева вдоль волокон в 1,8 раза выше, чем поперек волокон.

Она повышается с увеличением его влажности и объемного веса, так как при этом уменьшается количество воздуха, содержащегося в порах древесины. В среднем теплопроводность ее равна 0,15—0,25 ккал/м*ч*град. [1, с.81]

2.4. Звукопроводность

Распространение звука в древесине зависит от ее породы и от направления движения звука. Звук распространяется быстро вдоль волокон, медленнее в радиальном направлении и в 4 раза медленнее в тангентальном направлении. Звукопроводность металла и дерева вдоль волокон почти одинакова.

Стойкость древесины к действию кислот, щелочей и воды. В зависимости от состава растворов кислот и щелочей, при длительном их воздействии возможно разрушение древесины. В кислой среде при рН<=2 древесина начнет разрушаться.

В слабощелочной среде древесина почти не разрушается. Более стойкими породами дерева при воздействии на них кислот являются хвойные породы и особенно древесина лиственницы.

3. Механические свойства древесины

Дерево в сооружениях под влиянием различных механических воздействий испытывает сжатие, растяжение, изгиб, скалывание, срез. Поскольку древесина имеет неоднородное строение, то возникающие в ней под влиянием этих воздействий напряжения воспринимаются неодинаково в различных направлениях.

Кроме того, при определении механических свойств древесины необходимо учитывать ее влажность и абсолютный объемный вес. С увеличением влажности до точки насыщения механическая прочность древесины снижается, а объемный вес увеличивается.

3.1. Прочность при сжатии

Усилия могут быть приложены к дереву вдоль волокон (колонны, стойки, опоры, сваи) и поперек волокон (стены срубов, шпалы, мауэрлаты и др.). В соответствии с этим различают сжатие вдоль и поперек волокон.

Испытание образцов древесины на сжатие вдоль волокон производят на прессе в виде прямоугольной призмы размерами 20x20x30 мм.

Предел прочности при сжатии вдоль волокон должен быть приведен к пределу прочности древесины при 15% влажности и температуре 20° с точностью до 1 кГ/см2.

При влажности древесины 15% предел прочности при сжатии, в зависимости от породы дерева, находится в пределах 300—775 кГ/см2. Для сосны предел прочности равен 400 кГ/см2. Предел прочности древесины при сжатии поперек волокон значительно меньше, чем при сжатии вдоль волокон.

За показатель прочности древесины при сжатии поперек волокон принимают условный предел прочности, равный наибольшему напряжению, при котором еще сохраняется линейная зависимость между напряжениями и вызываемой ими деформацией.

Для определения предела прочности древесины при сжатии поперек волокон в процессе загружения образцов замеряют деформацию и по полученным экспериментальным данным строят зависимость.

За предел прочности древесины при сжатии поперек волокон принимают напряжение, соответствующее концу прямолинейного участка на кривой.

Предел прочности древесины при сжатии поперек волокон составляет примерно от 0,1 до 0,3 величины предела прочности вдоль волокон.

3.2. Прочность при растяжении

Древесина обладает высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Предел этой прочности в кГ/см2 определяют по формуле с точностью до 10 кГ/см2.

Для испытания на растяжение из дерева изготовляют образцы специальной формы. Так как влажность древесины хвойных пород не оказывает заметного влияния на предел прочности при растяжении вдоль волокон, то пересчет с учетом влажности 15% не производят.

Сопротивление древесины растягивающим усилиям поперек волокон значительно ниже, чем вдоль волокон.

Предел прочности при растяжении вдоль волокон для различных пород составляет от 1200 до 1350 кГ/см2, а при растяжении поперек волокон — от 15 до 100 кГ/см2.

3.4.  Прочность при статическом изгибе

Дерево хорошо сопротивляется изгибающим усилиям благодаря волокнистой структуре, а потому широко применяется в таких конструкциях, как фермы, стропила, балки, прогоны, обрешетки и др.

Образцы дерева для испытания на изгиб изготовляются в форме балочек квадратного сечения 20x20 мм, длиной вдоль волокон 300 мм.

Предел прочности при статическом изгибе в кГ/см2 при влажности образца в момент испытаний вычисляют с точностью до 5 кГ/см2.

У лиственных пород прочность при изгибе в радиальном и тангентальном направлениях одинакова, а у хвойных пород прочность в тангентальном направлении немного больше, чем в радиальном. Сопротивление статическому изгибу различных пород дерева находится в пределах 500—1000 кГ/см2.

3.5. Прочность при скалывании

Скалывание древесины может происходить по двум направлениям: по направлению волокон и перпендикулярно к ним. В первом случае его называют скалыванием вдоль волокон.

Скалывающие усилия могут возникнуть и тогда, когда внешние силы направлены перпендикулярно к волокнам, но стремятся переместить одну часть их относительно другой в плоскостях, параллельных волокнам. В этом случае происходит скалывание поперек волокон.

Когда внешние силы действуют перпендикулярно волокнам и стремятся их срезать, сдвиг называют срезом. Скалывающие и срезывающие усилия возникают в различных соединениях деревянных элементов — врубках, нагелях, шипах.

Предел прочности при скалывании вдоль волокон при влажности древесины определяют с точностью до 1 кГ/см2.

Полученный предел прочности древесины необходимо привести к нормальной влажности 15%.

Сопротивление скалыванию больше в тангентальном направлении, чем в радиальном. Это объясняется тем, что при тангентальном направлении усилий сердцевинные лучи сопротивляются скалыванию, а при радиальном — сердцевинные лучи способствуют скалыванию.

Сопротивление скалыванию древесины вдоль волокон для различных пород дерева находится в пределах 65—145 кГ/см2, а перерезыванию поперек волокон в 3—4 раза больше этих показателей. [1, с.89]

4. Достоинства и недостатки древесины

4.1. Достоинства древесины как материала

Малая плотность при относительно высокой прочности. Малая теплопроводность. Коэффициенты теплопроводности (ккал/м * ч * град) Теплопроводность древесины возрастает с увеличением плотности и влажности. Хорошая обрабатываемость режущими инструментами. Возможность склеивания. Легкая гвоздимость. Усилие, необходимое для выдергивания гвоздя, забитого в торец, на 10 - 15% меньше усилия, прилагаемого к гвоздю, забитому поперек волокон. Способность хорошо окрашиваться, лакироваться, полироваться, красивая текстура (рисунок, образующийся на поверхности древесины следствие перерезания анатомических элементов). Способность благодаря упругости хорошо поглощать звуки, возникающие при ударе и вибрации. Звукоизоляционные свойства древесины имеют большое значение при использовании в качестве звукоизоляционного строительного материала, а также для улучшения акустики общественных зданий. Звукоизлучающие свойства (резонанс). Древесина широко применяется для изготовления инструментов. Стойкость к действию растворов кислот и щелочей; в связи с этим древесину хвойных пород применяют для изготовления емкостей, труб. Способность к изгибу, что имеет существенное значение при гнутье древесины. Более высокой способностью к изгибу отличается древесина лиственных пород. Сравнительно большая износостойкость. Свойства "предупреждать" (потрескиванием) при критических нагрузках о своем скором разрушении.

4.2. Недостатки древесины как материала

Анизотропность, т.е. изменение механических характеристик в зависимости от породы, места произрастания, зоны в поперечном сечении ствола (заболонь, ядро, сердцевина), направления волокон, наличия пороков и их расположения, влажности и других факторов; это затрудняет отбор материала для ответственных изделий и сооружений. Изменение размеров и формы в результате усушки, разбухания, коробления, особенно под воздействием изменения температуры и влажности воздуха. Из-за неравномерного удаления влаги возникают напряжения, которые приводят к растрескиванию материала. Растрескивание - отрицательное свойство древесины, но в некоторых случаях оно приносит пользу, обеспечивая плотность соединения (в емкостях, деревянных трубах, судах и т.п.). При закреплении разбухающих деталей из древесины возникает давление разбухания в пределах 8 - 32 кгс/см2. Низкое сопротивление раскалыванию. Однако это свойство имеет положительные значения при заготовке колотых сортиментов. Загнивание, повреждение насекомыми, возгорание в неблагоприятных условиях службы. [3, с.46]

5. Промышленное использование древесины