Свойства древесины

Краткий справочник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Строительство»

Свойства древесины. Свойства древесины подразделяются на физические и механические. К основным физическим свойствам древесины относят влажность (W), усушку, разбухание, истинную плотность, среднюю плотность, пористость, теплопроводность и др.

В древесине содержится влага трёх типов: связанная или гигроскопическая; свободная или капиллярная; химически связанная.

Влажность, соответствующая предельному содержанию связанной влаги при полном отсутствии свободной влаги, называется пределом гигроскопичности древесины или точкой насыщения волокон. Колебания значений предела гигроскопичности небольшие и в среднем данное значение принимается равным 30 %.

По степени влажности древесину разделяют на мокрую, W = 100 %, свежесрубленную - W = 35 - 100 %, воздушно-сухую - W = 15 - 20 %, ком-натно-сухую W = 8 -13 %, абсолютно-сухую - W - 0 %.

Усушка и разбухание древесины происходят при изменении её влажности. Различают линейную и объёмную усушку. Линейную усушку определяют поперёк волокон в двух направлениях - тангенциальном и радиальном.

Усушку вдоль волокон (продольную) ввиду её незначительной величины не определяют.

Линейная усушка вычисляется по формулам, %:

для тангенциального направления -yt = [(а - ао) / а] • 100;

(3.1

для радиального направления - yt = [(b - bo) / b] • 100, (3.2)

где а и b - размеры образца в естественном состоянии соответственно в тангенциальном и радиальном направлениях;

ао и bo - размеры образца в тех же направлениях в абсолютно сухом состоянии.

Объёмную усушку вычисляют в процентах без учёта продольной усушки по приближённой формуле:

Yv = [(ab-a0bo)/ab]-100

(3.3

Вследствие волокнистого строения древесина имеет разную усушку в различных направлениях. Усушка в радиальном направлении составляет 3-6 %, в тангенциальном в полтора-два раза больше, чем в радиальном.

Объёмная усушка составляет в среднем 12-15 %. Усушка и разбухание происходят в пределах гигроскопичности: в интервале влажности 0-30 %.

Истинная плотность древесного вещества всех пород примерно одинакова и составляет 1.54 г/см3.

Средняя плотность древесины изменяется в широких пределах от 380 (сибирская пихта) до 1110 кг/м3 (ядро фисташки).

Среднюю плотность древесины с данной влажностью пересчитывают на плотность при стандартной влажности 12, соответствующей комнатно-сухому состоянию древесины (г/см );

So12 = Sow[l + 0.01-(l

(3.4

где Son - средняя плотность образца древесины при влажности W = 12 %; Sow - средняя плотность влажного образца при влажности W %; г0 - коэффициент объёмной усушки, который показывает, на сколько процентов изменяется объём образца при изменении влажности на 1 %; W - влажность испытываемого образца, %.

Теплопроводность древесины вследствие её высокой пористости невелика, но вдоль волокон она значительно больше, чем поперёк. Так, например, у сосны теплопроводность в вдоль волокон равна 0.35 Вт/(м-°С), а поперёк волокон 0.17 Вт/(м-°С). Она также выше в радиальном направлении, чем в тангенциальном.

Механические свойства древесины характеризуются пределами прочности при сжатии, растяжении, статическом изгибе и скалывании.

Предел прочности древесины (с влажностью W в момент испытания) при сжатии вдоль волокон (Rc5Kw) определяют на стандартных образцах (прямоугольных призмах сечением 20 на 20 мм и длиной 30 мм) и рассчитывают по формуле:

RCJKW = Pmax / ab, (3.5)

где Pmax -- максимальная разрушающая нагрузка, Н; a, b - размеры поперечного сечения, м.

Предел прочности при сжатии поперек волокон значительно меньше (10-30 %) от предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Наибольшим является предел прочности при растяжении вдоль волокон, в 2-3 раза выше, чем при сжатии вдоль волокон. Предел прочности при статическом изгибе RH3r древесины (с влажностью W) в момент испытания определяют на образцах-балочках размерами 20x20 и длиной 300 мм при воздействии двух симметрично расположенных сил и вычисляют по формуле:

Rffiw = PmaX - 1 / (ЬЬ2), (3.6)

где Pmax - разрушающая сила, МПа;

1 - расстояние между опорами (пролёт образца-балки), м; b и h - ширина и высота балки, м.

Прочность древесины при скалывании вдоль волокон невелика и составляет примерно 12-25 % от предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Прочность древесины приводится к стандартной влажности 12 % по формуле:

R12 = Rw[l + a(W - 12)],

(3.7

где Rn - предел прочности при влажности 12, МПа;

Rw - предел прочности при влажности W, МПа;

W - влажность испытуемой древесины, %,

а - поправочный коэффициент на влажность, который показывает, насколько изменяется прочность древесины при изменении влажности на 1% (в пределах влажности от 0 до 30 %).

Для сосны коэффициент а при сжатии и изгибе равен 0.04, т.е. материал теряет 4 % прочности при увеличении влажности всего на 1 %.

Жёсткость древесины и способность деформироваться под нагрузкой характеризуются модулем упругости:

E = R/8, (3.8)

где R - предел прочности древесины, МПа; 8 - относительная деформация, мм/м.

Модули упругости при сжатии и растяжении вдоль волокон одинаковы и у сосны составляют 12300 МПа. Деформативность в направлении вдоль волокон древесины сравнительно низкая.

При сравнительно высоких показателях прочностных свойств древесина обладает небольшой твёрдостью. Статическая твёрдость численно равна нагрузке, необходимой для вдавливания в образец древесины половинки металлического шарика радиусом 5.64 мм на глубину радиуса шарика (тогда площадь отпечатка равна 1 см2). Твёрдость сосны, ели, пихты составляет 35 -50МПа, а более твёрдых пород - дуб, берёза, ясень - 50-100 МПа.

Зависимость свойств древесины от её состава и структуры. Структура древесины в первом приближении представляет собой конструкционное сочетание целлюлозы с лигнином. Древесные целлюлозные волокна имеют спиральную структуру и содержат примерно 65-70 % кристаллической и 25-35 % аморфной (гемицеллюлозной) части, причём у хвойных пород аморфной части меньше, у лиственных пород больше - 28-35 %.

Лигнин - природный полимер, представляет собой высокомолекулярную ароматическую часть, количество которой в древесине хвойных пород до 28-30 %, а в древесине лиственных пород 18-24 %. Волокна целлюлозы обладают высокой прочностью на разрыв, но легко изгибаются.

Лигнин объединяет их в единое целое с помощью водородных и ван-дер-вальсовых сил связи и когезии, поэтому в совокупности древесина состоит из матричной пространственной сетки лигнина и кристаллического волокнистого наполнителя в виде целлюлозы.

Таким образом, древесина - высококристаллическое вещество, имеющее форму продольных спиральных волокон, которые в деловой древесине выполняют роль своеобразного «армирующего» компонента.

Структура древесины хорошо видна на микроснимке, полученном американским учёным Э. Келли ( 3.3). Тёмная полоса - лигнин, менее тёмная - стенка целлюлозной клетки и светлая область - полость клетки.

Подобно искусственным конгломератам древесина содержит капилляры и поры различных размеров. Если в крупных капиллярах и порах невелика удельная площадь внутренней поверхности, составляя, например, у ели около

0.2 м /г, то у мельчайших пор она очень большая, например, у ели при диаметрах капилляров 10-Ю"8 - 10-Ю"7 см (от 10 до 100 А) удельная площадь их поверхности составляет до 300 м2/г.

Такое различие капилляров отражается на характере контакта их с водой.

Крупные капилляры могут заполнятся водой, которая влияет на состояние древесины и её качество, как строительного материала. Эта влага сравнительно легко проходит в капилляры и поры, особенно при контакте дерева с водой, заполняет полости и может составлять до 100-200 % к массе абсолютно сухой древесины, но она сравнительно также легко и быстро удаляется из них при сушке. Тонкие поры и капилляры заполняются не только при контакте с водой, но и в условиях влажного воздуха в связи с гигроскопичностью древесины и по законам капиллярных сосудов. Гигроскопическая влага сорбируется на стенках клеток, частично переходит в коллоидно-связанную с веществом дерева.

Предельное насыщение древесины гигроскопической влагой составляет 25-35 % (в среднем 30 %) к массе абсолютно сухой древесины, называемое точкой насыщения волокон. Насыщение гигроскопической влагой до этой предельной точки сопровождается набуханием древесины, изменением (ухудшением) её физических и механических свойств. Увеличение влаги после 30 % её содержания на свойствах древесины почти не отражается; не увеличивается и объём её за счёт набухания.

При сушке древесины быстро удаляется свободная влага из крупных капилляров и пор, но трудно испаряется гигроскопическая от точки насыщения волокон, причём объём древесины уменьшается за счёт усушки и уплотнения клеточных оболочек. Особенно трудно удаляются последние 4-6 % гигроско-

пической влаги, так как она ориентированно закреплена (адсорбирована) в монослое молекулами целлюлозы. Возникают водородные связи между гид-роксилами целлюлозы и водой, тогда как другая, большая часть гигроскопической влаги (20-25 %) находится под влиянием капиллярной конденсации. С приближением при сушке к температуре 105 °С масса древесины сохраняет постоянное значение, что и принимается за абсолютно сухое состояние древесины. Фактически около 1 % гигроскопической влаги в абсолютно сухой древесине сохраняется, но за счёт относительно прочных водородных связей она не снижает её качественных показателей. Дальнейшее повышение температуры вызывает более или менее глубокое разложение целлюлозы - деструкцию, особенно в присутствии воздуха и влаги. При умеренном нагреве (120-180 °С) изменяется цвет целлюлозы, снижается её прочность, а при более высокой температуре (230-240 °С) протекают химические реакции с изменением элементарного состава целлюлозы. Структура переходит к 300 °С из кристаллической в аморфную, а при дальнейшем повышении температуры образуется целлюлозный уголь и жидкие продукты распада (уксусная кислота, ацетон, формальдегид и др.).