Физические и механические свойства древесины

Качественные характеристики древесины, которые проявляются при испытаниях, не связанных с изменением химического состава, называются физическими свойствами. К ним относятся:

1) внешний вид, включающий:

      цвет;

      блеск;

      текстуру;

2) влажность;

3) плотность;

4) тепловые свойства;

5) звукопроводность и др.

Цвет древесины определяется спектром отраженного ею светового потока и является важной характеристикой внешнего вида материала, поскольку его учитывают, выбирая древесину как для строительных нужд (внутренней отделки, окон и дверей и пр.), так и для изготовления музыкальных инструментов, мебели и т. п. Цвет древесины зависит не только от породы дерева, но и от природно-климатических условий местности, где оно произрастает, а также от возраста дерева. Цвет относится к таким качествам, которые могут изменяться, например, под действием воздуха, света, при поражении грибковыми заболеваниями, продолжительном контакте с водой.

Но, несмотря на все особенности, часто многие деревья обладают характерным цветом, позволяющим отличать их от других пород.

Блеском называется способность древесины направленно отражать световой поток. В наибольшей степени блеск свойствен таким российским породам деревьев, как дуб, бук, белая акация. Из импортного материала особым блеском отличается древесина атласного и красного деревьев.

Текстура – это рисунок, возникающий на срезе древесины и образованный годичными кольцами, сосудами и другими элементами структуры дерева.

Влажность представляет собой физическое качество древесины, которое определяется количеством находящейся в ней влаги. Процентное соотношение массы воды к массе сухой древесины называется относительной влажностью.

Вода в древесине представлена в трех видах:

1) в свободном состоянии;

2) в гигроскопическом состоянии;

3) в химически связанном состоянии.

Попутно о терминах

Радиальный наклон волокон представляет собой наклон, расположенный по радиусу.

Свободная (другое название – «капиллярная») влага находится в полостях клеток и сосудов и заполняет межклеточное пространство.

Химический состав вещества включает химически связанную воду.

На практике древесина различается степенью влажности и бывает:

1) абсолютно сухой при влажности 0% (достижимо только в условиях лаборатории при температуре 103 ± 2°С);

2) комнатно-сухой – 8–15% (при длительной выдержке в отапливаемом помещении);

3) воздушно-сухой – 16–20% (при выдержке на открытом воздухе);

4) полусухой – 21–23%;

5) сырой – более 23%;

6) свежесрубленной – 40–75% (влажность вегетирующего дерева);

7) мокрой – более 75% (при выдержке в течение длительного времени в воде).

Для определения физико-механических параметров древесины ее кондиционируют, то есть доводят до нормализованной влажности – 12%.

Если древесина продолжительное время находится в условиях постоянной относительной влажности, то она приобретает определенную влажность, которая называется равновесной.

При изменении условий хранения материала в ту или иную сторону (то есть при повышении или понижении влажности) наблюдается набухание или усушка материала.

Усушку вызывает удаление из древесины связанной воды, что обусловливает уменьшение ее линейных размеров и объема, в отличие от удаления свободной воды, которое не приводит к усушке. Величина усушки древесины прямо пропорциональна степени уменьшения ее влажности.

Объем древесины при высыхании по разным направлениям уменьшается неодинаково. Средняя величина усушки примерно равна:

1) вдоль волокон – 0,1–0,3%;

2) поперек волокон по окружности годовых колец (в тангенциальном направлении) – 6–10%;

3) поперек волокон от коры к сердцевине (в радиальном направлении) – 3–7%.

Полная объемная усушка варьируется в пределах 11–17%. Усушка, понижающая влажность древесины на 1%, называется коэффициентом усушки и неодинакова у разных пород древесины. Наиболее высокий коэффициент усушки характерен для дуба, бука, граба, клена и составляет до 11%. Умеренное усыхание присуще сосне, осине, тополю – до 3–5%. Менее всего подвержены усыханию ель и лиственница – до 2%. Величина усушки определяется как породой дерева, там и природно-климатическими условиями, в которых оно растет. Усушка должна учитываться при распиловке бревен, сушке пиломатериалов и т. п.

Попутно о терминах

Крыловатость – это дефект пиломатериала, расположенный по всей длине и означающий спиральную изогнутость.

Под влиянием внешних нагрузок и за счет различных изменений объема древесины при сушке в ней возникают внутренние напряжения. При этом для поверхностных слоев, в которых влажность ниже, чем в центре, характерны растягивающие напряжения, а для более глубоких, внутренних слоев – сжимающие. Растягивающие напряжения, достигая предела прочности материала в тангенциальном положении, приводит к трещинообразованию. К тому же, вследствие того что усушка протекает неодинаково в разных направлениях, возникает коробление, которое представляет собой изменение формы пиломатериалов и леса при сушке или неадекватном хранении, а также во время механической обработки, например при несимметричном строгании. Покоробленность бывает продольной и поперечной; продольная, в свою очередь, – по кромке, пласти и в виде крыловатости (рис. 2).

Рис. 2. Виды покоробленности: а – по пласти (простая); б – продольная по пласти (сложная); в – продольная по кромке; г – поперечная; д – крыловатость

Способность древесины впитывать влагу из воздуха называется влагопоглощением. Это ее свойство не зависит от породы и является отрицательным качеством, поскольку сильное увлажнение, возникающее в условиях повышенной влажности, ухудшает физико-механические свойства древесины, ее биостойкость и пр.

При повышенном содержании в древесине связанной воды наблюдается разбухание, то есть увеличение линейных размеров и объема древесины. Данное качество древесины является противоположным усушке и протекает по тем же закономерностям: максимальное разбухание древесины происходит поперек волокон, минимальное – вдоль волокон.

При погружении в воду за счет водопоглощения возрастает влажность древесины. Наибольшая влажность включает максимальное количество как связанной, так и свободной воды. Количество последней напрямую зависит от плотности древесины: чем больше полостей в древесине, тем больше ее влажность, и наоборот.