Технологические, физические и механические свойства древесины

Натуральное дерево имеет привлекательные качества. Это низкая теплопроводность, поддержание оптимального уровня влажности, быстрый прогрев и поддержка комфортного климата в помещениях. Из древесины делают мебель, используют ее для отопительных целей. Происходит это благодаря уникальным характеристикам и свойствам древесины.

Основные свойства и характеристики древесины

Свойства древесины можно подразделить на четыре вида:

• физические. Они характеризуются плотностью, весом, проницаемостью и способностью сопротивления агрессивным воздействиям внешней эксплуатационной среды;
• химические характеризуются показателями стойкости при действии химических реагентов, способствующих разрушению материала;
• механические свойства оцениваются способностью сопротивления сжатию и растяжению. Стойкостью к ударам и другим видам силовых воздействий;
• технологические свойства указывают на способность древесины удерживать крепления.

Исходя из этих свойств, определяют сферу их применения. При рассмотрении древесины с учетом комплекса всех характеристик, явно видно, что у нее нет конкурентов.

Плотность и коэффициент плотности

Каждая порода дерева обладает различным коэффициентом плотности. Он зависит от влажности древесины. Плотность древесины представляет объемную массу. Для ориентировочных расчетов можно воспользоваться специальной таблицей.

Средние показатели плотности различных пород древесины

Строение древесины

Различают два понятия: «дерево» и «древесина». Живое, растущее дерево состоит из корня, ствола и ветвей с листьями или хвоей.

Древесина — ткань дерева, она получается при распиливании его частей. Ствол дает основную массу древесины. Он подразделяется на вершину и комель.

Защищает дерево кора, состоящая из корки, пробковой ткани и лубяного слоя. Под ним находится кольцевой слой – камбий. При разрезе дерева кольца хорошо видны. По ним считают возраст дерева.

В центре находится сердцевина. Она рыхлая и мягкая. От сердцевины расходятся лучи. По этим лучам древесина может растрескиваться при высыхании.

Вокруг сердцевины находится – спелая древесина. Она имеет большую прочность.

Древесина, находящаяся ближе к коре, называется заболонью. Она менее прочная, имеет большую влажность, имеет сильную усушку и коробится.

Из чего состоит древесина наглядно показано на картинке

Химический состав

Сухая древесина состоит из углерода, кислорода и водорода, из которых образуются сложные органические вещества:

• Целлюлоза. Это очень стойкое вещество не растворяется в воде и в органических растворителях. Из нее делают множество различных материалов: бумагу, вату, целлофан, лаки, искусственные волокна, порох и другие материалы.
• Лигнин и гемицеллюлоза – полимеры ароматической природы. Из них получают этиловый спирт, сухой лед, кормовые дрожжи, ванилин.
• Остальной состав – это дубильные вещества и смолы.

Цвет

Цвет древесины важен при выборе материала для изготовления мебели, при производстве художественных поделок, для отделки интерьеров. Древесина имеет самые разнообразные цвета и оттенки. Даже в одной доске может сочетаться несколько цветов. Интенсивность окраски может увеличиваться с возрастом дерева. Изменение цвета свидетельствует о загнивании древесины, поражении грибами.

Цвет древесины легко установить с помощью атласа цветов. Также можно воспользоваться визуальными и фотоэлектрическими колориметрами.

Пример каталога цветов древесины

Естественная влажность

Для древесины различных пород естественная влажность колеблется от 23 до 35 % . Показатели влажности сосны, выросшей в сухом месте и ели, которая росла в заболоченном месте, сильно отличаются.

Влажность измеряют с помощью:

• электровлагомера. Этот специальный прибор имеет металлические датчики с острыми концами. Их острия вонзают в исследуемый образец, после чего включают ток. На шкале прибора можно увидеть результат.
• Номограмм. Они дают более точные результаты.
• Взвешиванием. Для этого берут образец древесины, высушивают его и взвешивают.

Помимо сушки воду можно удалять с помощью прессования.

Доски, изготовленные из влажной древесины, начнут коробиться. Поэтому для строительства дома разрешается использовать древесину, имеющую влажность не более 12%-15%. Это стандартный показатель, который введен в строительные нормы и правила.

• 1. Цвет, блеск и текстура древесины
• 2. Влажность древесины и свойства, связанные с ее изменением
• 3. Плотность древесины. Тепловые свойства древесины
• 4. Электрические и акустические свойства древесины
• 5. Прочность древесины
• 6. Технологические свойства древесины

ЛЕКЦИЯ № 4. Свойства древесины

1. Цвет, блеск и текстура древесины

Цвет

древесины зависит от климатических условий произрастания дерева. В умеренном климате древесина почти всех пород окрашена бледно, а в тропическом имеет яркую окраску. Влияние климатического фактора сказывается и в пределах одного пояса, например породы, произрастающие в более теплых зонах – дуб, орех, тис и другие, имеют интенсивную окраску, а произрастающие севернее – ель, сосна, осина, береза и другие, окрашены бледно. Интенсивность окраски зависит также от возраста деревьев – с увеличением возраста интенсивность усиливается. Изменение цвета древесины происходит под влиянием воздуха и света, а также от воздействия грибных поражений; при выдержке древесины в воде или в специальных растворах; при пропаривании и высокотемпературной сушке.

Цвет древесины является важной характеристикой и учитывается при выборе пород для изготовления мебели, отделки интерьеров, при производстве художественных поделок, музыкальных инструментов и т. д.

Блеск

– это способность древесины направленно отражать световой поток. Наибольший блеск имеют гладкие зеркальные поверхности, так как они дают направленное отражение. Как правило, блеск древесины оценивается по белизне: чем больше белизна древесины, тем выше показатель блеска. Блики и отсветы дают еще и сердцевинные лучи на радиальных разрезах.

Текстура

– это естественный рисунок на тангенциальных и радиальных разрезах древесины, образованный годичными слоями и анатомическими элементами. Чем сложнее строение древесины, тем богаче ее текстура. У древесины хвойных пород строение простое и текстура однообразная, она определяется в основном шириной годичных колец и разницей

окраски ранней и поздней древесины. Древесина лиственных пород имеет сложное строение и более богатую текстуру. Характер текстуры во многом зависит от направления разреза. Многие породы, такие как орех, ясень, вяз, дуб и другие, имеют красивую и интересную текстуру на тангенциальном разрезе. Древесина на радиальном разрезе также имеет красивую, оригинальную текстуру.

Древесина капов, образующихся на стволах деревьев лиственных пород, имеет высокие декоративные свойства. Весьма оригинальна текстура древесины клена типа «птичий глаз», которую создают не развившиеся в побег «спящие» почки. Своеобразная и красивая текстура создается и искусственным путем при неравномерном прессовании древесины и последующем ее строгании, или при лущении волнистым ножом, или под углом к направлению волокон. При прозрачной отделке древесины ее текстура проявляется сильнее. Текстура является важнейшим показателем, который определяет декоративную ценность древесины.

Виды текстуры древесины:

Читайте также:  Морилка для дерева: для чего она нужна? Виды и способы нанесения состава

1) без выраженного рисунка – липа, груша;

2) мелкокрапчатый рисунок – дуб, бук, чинара;

3) муаровый рисунок – серый клен, волнистая береза, красное дерево;

4) рисунок «птичий глаз» – ясень, клен, береза карельская, тополь украинский;

5) раковинный рисунок – орех кавказский, ясень, карагач – комлевая часть;

6) сучковатый рисунок – ель, сосна.

2. Влажность древесины и свойства, связанные с ее изменением

В свежесрубленной древесине, как правило, содержится большое количество воды и в дальнейшем в зависимости от условий хранения оно может увеличиваться или уменьшаться, или оставаться на прежнем уровне. Но в большинстве случаев необходимо принять меры по удалению воды, т. е. произвести сушку древесины. Показателем содержания воды в древесине является влажность, которая подразделяется на абсолютную и относительную. На практике пользуются в основном абсо

лютным значением влажности, которую определяют по формуле:

Wабс. = [(m – m0) / m0] ? 100 %,

где m

– масса образца влажной древесины, г;

m0

– масса того же абсолютно сухого образца, г. Показатель относительной влажности применяется редко, в основном как показатель влажности дров. Ее определяют по формуле:

Wотн. = (m – m0 / m) ? 100 %.

Существуют два способа определения влажности – прямой и косвенный. Прямой метод основан на выделении воды из древесины. Для этого очищенный образец древесины подвергают сушке в сушильном шкафу при температуре 103 °C до полной отдачи влаги. В процессе сушки образец взвешивают – первый раз через 6—10 ч после начала сушки, а затем через каждые 2 ч. Сушку прекращают после того, как вес образца уже не уменьшается. Прямой метод позволяет с большой точностью определить влажность древесины.

Второй метод – косвенный, основанный на измерении электропроводности древесины с помощью электровлагомера. При таком измерении шкала прибора показывает величину влажности. Этот способ дает возможность быстро определить влажность. Но его недостаток заключается в погрешности измерения, которая составляет 2–3 %, а при влажности древесины более 30 % – еще выше.

Вода в древесине находится в связанном и свободном состоянии. Связанная вода находится в клеточных стенках и удерживается прочно. Удаление такой воды затруднено и оказывает существенное влияние на изменение большинства свойств древесины. Максимальное количество связанной воды соответствует пределу насыщения клеточных стенок, который в расчетах принимается: Wп.н. = 30 %.

Свободная вода находится в полостях клеток и межклеточных пространствах, поэтому удаляется из древесины легче.

Свежесрубленная древесина имеет влажность в пределах 50—100 %, а при длительном нахождении в воде – более 100 %.

После сушки на открытом воздухе влажность снижается до 15–20 %. Влажность величиной 20–22 % называется транспортной,

а влажность, которую древесина имеет в период эксплуатации, –
эксплуатационной.
Сушка древесины бывает двух видов – атмосферной,

при температуре окружающей среды, и
искусственной,
или камерной, когда температура может быть до 100 °C и выше. При камерной сушке происходит усушка древесины, т. е. уменьшение линейных размеров в радиальном направлении на 3–7 %, а в тангенциальном – на 8—10 %, вдоль волокон – 0,1–0,3 %. Полная объемная усушка составляет 11–17 %.

При сушке древесины с уменьшением влажности меняются ее механические свойства – уменьшается упругость, но увеличивается прочность при сжатии, а также уменьшается электропроводность.

3. Плотность древесины. Тепловые свойства древесины

Читайте также:  Дизайн кухни с патиной: плюсы и минусы, разновидности, реальные фото примеры

Плотность древесины

– это масса единицы объема материала, выражающаяся в г/см 3 или кг/м 3. Существует несколько показателей плотности древесины, которые зависят от влажности. Плотность древесного вещества – это масса единицы объема материала, образующего клеточные стенки. Она для всех пород примерно одинакова и равна 1,53 г/см 3, т. е. в 1,5 раза выше плотности воды.

Плотность абсолютно сухой древесины – это масса единицы объема древесины при отсутствии в ней воды. Она определяется по формуле:

?0 = m0 / V0,

где р0 – плотность абсолютно сухой древесины, г/см 3 или кг/м 3;

m0

– масса образца древесины при влажности 0 %, г или кг;
V0
– объем образца древесины при влажности 0 %, см 3 или м 3.

Плотность древесины меньше плотности древесного вещества, так как она имеет пустоты, заполненные воздухом, т. е. пористость, которая выражается в процентах и характеризует отношение пустот в абсолютно сухой древесине. Чем больше плотность древесины, тем меньше ее пористость.

Плотность древесины существенно зависит от влажности С увеличением влажности плотность древесины возрастает По плотности все породы делятся на три группы (при влажности древесины 12 %):

1) породы с малой плотностью – 540 кг/м 3 и менее – это ель, сосна, липа и др.;

2) породы средней плотности – от 550 до 740 кг/м 3– это дуб, береза, вяз и др.;

3) породы высокой плотности – 750 кг/м 3 и более – это кизил, граб, фисташка и др.

Тепловые свойства древесины

– это теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение. Теплоемкость – способность древесины аккумулировать тепло. За показатель теплоемкости принята удельная теплоемкость С – количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг массы древесины на 1 °C. Она измеряется в кДж/кг ? t °С.

Сухая древесина представляет собой древесное вещество и воздух, причем массовая доля воздуха в ней незначительна Поэтому теплоемкость сухой древесины практически равна теплоемкости древесного вещества. Удельная теплоемкость древесины практически не зависит от породы и при температуре 0 °C для абсолютно сухой древесины равна 1,55 кДж. С повышением температуры удельная теплоемкость несколько возрастает и при температуре 100 °C увеличивается примерно на 25 %. При увлажнении древесины ее теплоемкость увеличивается.

Процесс переноса тепла в древесине характеризуется двумя показателями – коэффициентом теплопроводности и коэффициентом температуропроводности. Коэффициент теплопроводности? численно равен количеству теплоты, которое проходит в единицу времени через стенку из древесины площадью 1 м 2 и толщиной 1 м при разности температур на противоположных сторонах стенки в 1 °C. Он измеряется в Вт / (м ? °С).

Коэффициент температуропроводности характеризует скорость изменения температуры древесины при ее нагревании или охлаждении. Он определяет тепловую инерционность древесины, т. е. ее способность выравнивать температуру. Коэффициент температуропроводности рассчитывают по формуле:

? = ?/с ? ?,

где ? – плотность материала, кг/м3;

? – коэффициент теплопроводности, Вт / (м ? °С);

с – удельная теплоемкость древесины, кДж / (кг ? °С).

4. Электрические и акустические свойства древесины

Как показали многочисленные исследования электрических свойств древесины, ее электропроводность, т. е. способность проводить электрический ток, находится в обратной зависимости от ее электрического сопротивления. Существуют поверхностное и объемное сопротивления, которые в сумме дают полное сопротивление образца древесины, размещенного между двумя электродами. Объемное сопротивление характеризует препятствие прохождению тока сквозь толщу образца, а поверхностное – по поверхности. Показателями электрического сопротивления служат удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления.

Исследования показали, что сухая древесина плохо проводит ток, но с повышением влажности ее сопротивление уменьшается. Это видно из данных, полученных при исследованиях (табл. 1).

Таблица 1

Снижение поверхностного сопротивления происходит при увеличении влажности. Например, при увеличении влажности бука от 4,5 до 17 % поверхностное электрическое сопротивление уменьшается с 1,2 ? 1013 до 1 ? 107 Ом.

Кроме того, в результате исследований установлено, что снижение электрического сопротивления древесины происходит при ее нагревании, особенно при ее низкой влажности Так, увеличение температуры от 20 до 94 °C снижает сопротивление абсолютно сухой древесины в 10 6 раз.

Акустические свойства.

При исследованиях акустических свойств древесины установлено, что скорость распространения звука в древесине тем больше, чем меньше ее плотность и выше модуль упругости. Средние значения скорости звука вдоль волокон для комнатно—сухой древесины равны: дуб – 4720 м/с, ясень – 4730 м/с, сосна – 5360 м/с, лиственница – 4930 м/с. Далее исследования показали, что скорость звука поперек волокон в 3–4 раза меньше, чем вдоль волокон. Скорость распространения звука зависит от свойств материалов и в первую очередь от плотности, например в стали звук распространяется со скоростью 5050 м/с, в воздухе – 330 м/с, а в каучуке – 30 м/с. На данных, полученных при исследованиях акустических свойств древесины, построен ультразвуковой метод определения ее прочности и внутренних скрытых дефектов По существующим строительным нормам звукоизоляция стен и перегородок должна быть не ниже 40, а междуэтажных – 48 дБ. Согласно данным исследований звукопоглощающая способность древесины низка, например звукоизоляция сосновой древесины при толщине 3 см составляет 12 дБ, а дубовой при толщине 4,5 см – 27 дБ. Как установлено исследованиями, наилучшие акустические свойства в части наибольшего излучения звука имеет древесина ели, пихты и кедра, которая используется для изготовления многих музыкальных инструментов: щипковых, смычковых, клавишных и др. Как показала практика, наилучшими акустическими свойствами обладает древесина длительной выдержки – в течение 50 лет и более.

5. Прочность древесины

К механическим свойствам относятся прочность и дефор—мативность древесины, а также некоторые технологические свойства. Прочность древесины – это способность ее сопротивляться разрушениям под воздействием внешних нагрузок. Предел прочности древесины определяется путем испытания образцов на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг.

При испытании древесины на сжатие нагрузку производят вдоль волокон, затем поперек и в одном месте. Предел прочности определяют в МПа по формуле:

бсж = Рmax / a ? b,

где Pmax – максимальная разрушающая нагрузка, Н;

а

и
b
– размеры образца древесины, мм.

По данным испытаний установлено, что при растяжении древесины поперек волокон прочность составляет примерно 1/20 прочности при растяжении вдоль волокон. Поэтому при конструировании изделий и устройстве различных строительных конструкций не допускают случаев, чтобы растягивающие нагрузки были направлены поперек волокон.

На практике в большинстве случаев изделия из древесины работают с нагрузками на изгиб. Поэтому образцы древесины обязательно испытывают на изгиб, при этом определяют предел прочности в МПа по формуле:

биз = 3Рmax ? l/2 ? b ? h2,

где l – расстояние между опорами, мм;

Читайте также:  Как правильно высушить березовый кап. Зачем и как сушить сувель березы

b

– ширина образца в радиальном направлении, мм;

h

– высота образца в тангенциальном направлении, мм.

При изгибании образца с выпуклой стороны возникают напряжения растяжения, а с вогнутой – сжатия. При нагрузках выше предельной величины разрушение древесины происходит в виде разрыва растянутых волокон на выпуклой стороне излома образца.

Большое значение имеет показатель прочности при сдвиге. Этот показатель определяют при испытаниях трех видов сдвига: на скалывание вдоль и поперек волокон; на перерезание древесины поперек волокон. При этом предел прочности древесины на скалывание – бск, МПа определяют по формуле:

бск = Рmax / b ? l,

где P max – максимальная нагрузка, Н;

b, l

– толщина и длина образца в плоскости скалывания, мм. Испытания на перерезание древесины поперек волокон проводят на образцах с применением подвижного ножа. При этом предел прочности в МПа определяют по формуле:

? = Рmax / 2 ? a ? b,

где Pmax – максимальная нагрузка, Н;

а

и
b
– размеры сечения образца, мм (поперечные). Как показывают результаты испытаний, прочность древесины при перерезании поперек волокон в 4 раза больше, чем при скалывании вдоль волокон.

Как показали испытания, модули упругости при сжатии и растяжении древесины примерно одинаковы и составляют для сосны – 12,3 ГПа, для дуба – 14,6 ГПа и для березы – 16,4 ГПа при влажности 12 %. Модуль упругости поперек волокон примерно в 20–25 раз меньше, чем вдоль, а в радиальном направлении выше, чем в тангенциальном, примерно на 20–50 %.

При испытаниях древесины также определяют модуль упругости:

Е = 3 ? Р ? l / (64b ? h3 ? f),

где Р

– нагрузка, равная разности между верхними и нижними пределами измерения, Н;

l

– расстояние между опорами (на которых располагается образец древесины), мм;

b

и
h
– ширина и высота образца, мм;

f —

прогиб, равный разности среднеарифметических значений прогиба при верхнем и нижнем пределах нагружения, мм.

6. Технологические свойства древесины

Технологические свойства: ударная вязкость, твердость, износоустойчивость, способность удерживать шурупы, гвозди и другие крепления, а также обрабатываемость режущими инструментами.

Ударная вязкость древесины

– это ее способность поглощать усилия (работу) при ударе без разрушения. Чем больше величина работы, необходимой для излома образца, тем выше его вязкость. Ударную вязкость определяют по формуле:

A

=
Q/b х h,
Дж/см 2,

где Q

– работа, затрачиваемая на излом образца, Дж;

b

и
h
– ширина и высота образца.

Твердость древесины

– это ее способность сопротивляться вдавливанию тела из более твердого материала – стального пуансона с полусферическим наконечником радиусом
r
= = 5,64 мм на глубину 5,64 мм. При этом в конце нагружения по шкале силоизмерителя машины отсчитывают нагрузку Р. После испытания в древесине остается отпечаток площадью 100 мм 2. Статическую твердость образца определяют в Н/мм по формуле:

Н = Р / ? ? r2,

где ? ? r2

– площадь отпечатка в древесине при вдавливании в нее полусферы радиусом
r,
мм.

Если имеет место раскалывание образцов в процессе испытаний, то пуансон вдавливают на меньшую глубину – 2,82 мм, а твердость определяют по формуле:

Н = 4Р / (3? ? r2).

Все породы по твердости торцовой поверхности делят на три группы: мягкие – твердостью 40 Н/мм 2 и меньше, твердые – 41–80 Н/мм 2 и очень твердые – более 80 Н/мм 2.

Износостойкость

древесины характеризует ее способность сопротивляться износу при трении о поверхность абразивных элементов или микронеровностей более твердого тела. При испытании на истирание создают условия, которые имитируют реальный процесс истирания древесины, используемой для полов, лестниц, настилов. Истирания производят на специальной машине. При этом показатель истирания
t
вычисляют в мм по формуле:

t = h ? (m1 – m2) / m1,

где h

– высота образца до истирания, мм;

m
1
и
m2
– масса образца соответственно до и после испытания, г.

Удельное сопротивление выдергиванию гвоздя или шурупа определяется по формуле:

Руд. = Рmax / l (Н/мм),

где Pmax – максимальная нагрузка при выдергивании гвоздей или шурупов;

l

– длина забивки гвоздя или ввинчивания шурупа. Способность древесины удерживать крепежные элементы зависит от ее породы, плотности и влажности. Сопротивление выдергиванию гвоздей, забитых в радиальном и тангенциальном направлениях, примерно одинаковое, но оно выше, чем при забивании гвоздей в торец образца.

Способность древесины к гнутью

– наилучшая у бука, дуба, ясеня, хуже – у хвойных пород. Для улучшения податливости древесины перед гнутьем ее пропаривают, затем после гнутья охлаждают и сушат в зафиксированном состоянии, в результате чего она приобретает стабильную изогнутую форму.

Способность древесины раскалываться

– это процесс разделения ее вдоль волокон под действием нагрузки, передаваемой на клин. Это является отрицательным свойством древесины при забивании гвоздей близко от кромки, а также костылей, шурупов при ввинчивании, но положительным – при колке дров или заготовке колотых сортиментов.

Оглавление

Вес куба древесины

Вес древесины является отличительным признаков пород. Для удобства расчетов пользуются онлайн кубатурником. Это специальная таблица со встроенным механизмом расчета. Чтобы узнать вес дерева, надо набрать его породу, влажность и указать требуемое количество древесины в кубометрах. Встроенный механизм рассчитает вес.

Удельный и объемный вес

Удельный вес древесины учитывается без содержания влаги и воздуха. Это очень нестабильная величина. Рассчитывают его специальной таблице. На практике чаще пользуются объемным весом древесины. Его измеряют килограммами веса на кубометр. Этот вес учитывается с содержащимся в древесине воздухом и водой. Показатели объемного веса постоянно меняются и обязательно учитываются при переработке отходов древесины.

Модуль упругости

Модули упругости – это важные расчетные величины. Они характеризуют жесткость материала, способность менять форму под действием механического сопротивления. Определить модуль упругости очень сложно, для этого нужны сверхточные приборы.

Расчетное сопротивление изгибу

Расчетное сопротивление древесины измеряется в кг/см?. Эти параметры необходимо знать при проектировании деревянных конструкций. Они имеют разные значения под воздействием различных нагрузок. В расчетных сопротивлениях учитывается снижение прочности древесины.

Прочность

Прочность указывает на способность древесины сопротивляться разрушениям под действием нагрузок. Испытания на прочность проводят стандартными методами на образцах древесины, не имеющих пороков. При проведении испытаний выявляют действий сил на растяжение, изгиб, сжатие и скалывание.

Показатели прочности на сжатие различных пород древесины

Твердость по Бринеллю

Твердость древесины у нас в стране указывают по шкале Бринелля. Твердость древесины характеризуется ее способностью сопротивляться внедрению твердого тела. Чем выше твердость, тем сложнее обработка.

Чтобы определить твердость берут образец древесины и стальной шар, который вдавливают в образец течение 30 секунд с силой 100 кг. После вдавливания замеряют углубление и рассчитывают показатель по шкале Бринелля.

Таблица твердости некоторых пород древесины по Бринеллю (кгс/мм?)

В таблице приведены усредненные значения. Твердость древесины зависит от множества условий, поэтому разброс значений бывает очень значительный.

Сфера использования древесины. Её достоинства и недостатки как конструкционного материала

В отличие от многих видов сырья, используемых и невозобновляемых (газ, уголь, руда, нефть, торф, горючие сланцы и т.д.), древесина – это сырье, запасы которого могут непрерывно восстанавливаться. На земном шаре примерно треть площади занимает суша, и около трети ее покрыто лесами. На долю России приходится около пятой части всех лесов земного шара.
Древесину как сырье используют для получения многих видов изделий. Это мебель (корпусная, решетчатая, мягкая), столярно-строительные изделия (окна, двери, паркет, фрезерованные погонажные детали), музыкальные инструменты (рояли, пианино, скрипки, гитары, виолончели), деревянные суда (шлюпки, яхты, каноэ, суда для академической гребли), спортивный инвентарь (лыжи, клюшки, городки, биты), тара (ящики, бочки, буты) и др. Древесина – прекрасный материал для внутреннего оборудования пассажирских железнодорожных вагонов и теплоходов, из нее изготавливают детали и узлы грузовых автомашин сельскохозяйственной техники, футляры радиоприемников и телевизоров, часов, микроскопов и приборов точной механики, шкатулки, посуду, художественные изделия, из древесины получают пилопродукцию, а также фанеру, столярные и стружечные плиты, ее используют в строительстве мостов, пристаней, она незаменима в производстве колодок для обуви, ручек инструмента, катушек, челноков, спичек, карандашей.

При этом в силу анизотропии свойств усушка и разбухание древесины в разных направлениях различны. Вдоль волокон усушка практически равна нулю, наибольшую величину она имеет в тангентальном направлении. В радиальном направлении усушка древесины примерно в 2 раза меньше, чем в тангентальном.

К недостаткам древесины как конструкционного материала относят также легкую возгораемость, загниваемость, особенно в условиях переменных температур и влажности воздуха, изменение цвета под воздействием световых лучей, различных веществ, невысокое сопротивление изнашиванию, особенно вдоль волокон и т.д.

Однако достоинства древесины как материала для конструкции настолько велики, что, несмотря на значительное развитие технологии искусственных материалов – заменителей древесины, полностью ее заменить каким-либо другим материалом не представляется возможным. Кроме того, за тысячелетия использования древесины человек научился так конструировать изделия из нее, чтобы максимально устранить недостатки и выявить достоинства. В некоторых же случаях отдельные недостатки используются в нужных целях. Так, например, набуханием пользуются для изготовления баковой тары, изготавливают клееные несущие конструкции большого сечения, которые при возможном возгорании обугливаются снаружи, оставаясь нетронутыми внутри и т.д.

Древесина как материал для изготовления изделий имеет ряд достоинств, которыми не обладает ни один из конструкционных материалов. Древесина обладает малым объемным весом при сравнительно высокой прочности; древесина сосны, лиственницы, пихты на каждый грамм своего веса выдерживает при растяжении такую же нагрузку, как сталь, в 3 раза большую, чем литой алюминий и в 7 раз большую, чем чугун. Теплопроводность древесины в 2-4 раза меньше теплопроводности стекла, в 4-9 раз меньше теплопроводности железобетона и в сотни, раз меньше теплопроводности стали.

Древесина легко обрабатывается режущими инструментами, хорошо склеивается различными клеями, скрепляется шурупами и гвоздями, окрашивается, лакируется, полируется. Она обладает высокой упругостью, хорошо поглощает звуки, возникающие при ударе, поэтому широко применяется в вагоностроении и строительстве.

Высокие резонансные свойства (особенно мелкослойной ели) делают древесину незаменимым материалом в производстве музыкальных инструментов, в том числе со сложной деревянной механикой.

Большая стойкость древесины против кислот и щелочей позволяет изготовлять фанерные трубы для агрессивной жидкости. Такие трубы находят большее применение по сравнению с металлическими.

Ее значительная пластичность дает возможность делать из нее гнутые изделия.

Древесина хорошо прессуется, повышая при этом свои физикомеханические свойства, что позволяет применять ее вместо известных металлов в ответственных деталях машиностроения (подшипниках скольжения).

Обладая низкой электропроводностью, древесина применяется как диэлектрик в таких ответственных установках, как установки с применением токов высокой частоты (ТВЧ).

Вместе с тем древесина как конструкционный материал имеет существенные недостатки. Древесина анизотропна, т.е. ее физико-механические свойства в различных структурных направлениях неоднородны. Например, при сжатии вдоль волокон прочность древесины в 3-4 раза больше, чем при сжатии поперек волокон. Прочность древесины при растяжении поперек волокон в 30 раз меньше, чем при растяжении вдоль волокон. Сучки значительно снижают прочность древесины. Так, при ширине бруска 100 мм здоровый сучок d=50 мм на пласти снижает прочность в 2 раза.

Чем древесина суше, тем она прочнее. Древесина влажностью 30 % имеет прочность на изгиб 70 % от прочности при влажности 15 %.

Значительным недостатком древесины является изменение формы и размеров в зависимости от температуры и влажности воздуха. Древесина усыхает, коробится, разбухает. Изменение влажности воздуха влечет за собой изменение объема древесины: чем выше влажность, тем больше объем древесины. Например, влажность древесины наружных дверей в течение года изменяется от 10 до 26 %.

Из древесины, измельченной до размеров волокна, получают бумагу, картон, древесноволокнистые плиты, бумажно-декоративные слоистые пластики. В процессе химической и микробиологической ее переработки получают различные изделия и вещества: искусственные ткани и меха, кино- и фотопленку, спирты, лекарственные средства, ветеринарные и косметические препараты, смазочные масла, лаки и краски, клей, ядохимикаты, кормовые дрожжи, пищевые кислоты, глюкозу, упаковочные пленки, искусственную кожу, дубители, глицерин. Из хвои и листьев получают эфирные масла, хвойные лечебные экстракты, хвойную витаминную муку и другие продукты. Подсчитано, что человеком в быту и на производстве используется до 20 тысяч различных вещей, сделанных из дерева. Нет ни одной отрасли производства, которая в той или иной степени не использует изделий из древесины или продуктов ее химической переработки.

Нормы по ГОСТу

Все древесные пиломатериалы должны соответствовать ГОСТам, в которых прописаны основные параметры и размеры. По согласованию с потребителем на внутреннем рынке допускаются небольшие отклонения.

Теплопроводность

Коэффициент теплопроводности древесины независимо от породы невысокий. Чем плотнее древесина, тем выше теплопроводность.

Сравнение показателей теплопроводности бруса и кирпичной кладки

Удельная теплота сгорания древесины

Удельная теплота сгорания измеряется в Дж/м?. Чтобы измерить эту величину пользуются методами калориметрии. Удельный расход топлива получается меньше, если удельная теплота его сгорания высокая

Для отопления лучше использовать древесину твердых пород с высокой удельной теплотой сгорания. Она медленно разгорается, зато потом горит спокойным мощным пламенем. Древесина мягких пород имеет низкую удельную теплоту сгорания.

Температура горения

Температурой воспламенения (возгорания) называется низшая температура нагрева древесины до самовоспламенения. Древесина относится к сгораемым материалам — она легко воспламеняется и быстро распространяет огонь. Температура самовоспламенения древесины от 210—300°.

Деревянные изделия с гладкой поверхностью имеет высокую теплоотражающую способность, поэтому они воспламеняются при максимальных значениях температуры.

Гигроскопичность

Древесина – гигроскопический материал. Она изменяет свою влажность при изменении состояния окружающей среды. После длительной выдержки во влажной среде древесина приобретает устойчивую влажность.

Зольность

Зола – нежелательная часть топлива, она затрудняет эксплуатацию топочных устройств. В золе содержится множество микроэлементов, поэтому она используется для удобрения почвы. Зольность определяют путем сжигания предварительно высушенной древесины в платиновом тигле. Ее прокаливают в муфельной печи. После этого золу остужают и тигель помещают в эксикатор с безводным глиноземом и взвешивают.

Зольность элементов коры варьируется от одного до восьми процентов, различных пород на сухую массу. Зольность элементов кроны зависит от породы древесины и места произрастания. Зольность листьев составляет – 3,5%. У веток и сучьев внутренняя зольность составляет от 0,3 до 0,7%.

Упругость древесины

Упругостью древесины называется ее способность изменять (в известных пределах) свою форму под действием внешнего усилия и возвращаться к первоначальной форме после прекращения этого воздействия.

Упругость древесины — способность возвращаться к первоначальной форме после прекращения воздействия нагрузки

При кратковременной растягивающей нагрузке вдоль волокон древесина до определенного предела ведет себя практически совершенно упруго, в ней возникают преимущественно упругие деформации. То есть, деформация, вызванная растяжением, исчезает, как только снимается нагрузка.

Основным показателем деформативности служит коэффициент пропорциональности – модуль упругости Е – гипотетическое напряжение в Н/мм2, при котором длина испытываемого стержня увеличивается вдвое. Модуль упругости Е может колебаться в значительных пределах даже для одних и тех же пород древесины. Заметное влияние на него оказывает влажность.

Модуль упругости при растяжении и сжатии фактически одинаков, так же, как и при изгибе.

При действия усилия под углом к направлению волокон, по мере увеличения угла, модуль упругости Е уменьшается. При усилиях, действующих поперек волокон, деформации из-за трубчатого строения клеток значительно больше, чем при действии вдоль волокон, а значит, значительно уменьшается модуль упругости. Чем больше модуль упругости, тем более жесткая древесина.

В строительной практике устанавливается средняя величина модуля упругости Е в направлении поперек волокон, которая для хвойных пород равна 300 МПа (Н/мм2), а для лиственных – 600 МПа (Н/мм2). Следовательно, модуль упругости вдоль волокон примерно в 20 раз больше, чем поперек.

Проектировщику модуль упругости Е древесины необходимо знать при расчете конструкций по второй группе предельных состояний — состояний, при которых нарушается нормальная эксплуатация сооружений, конструкций или исчерпывается ресурс их долговечности вследствие появления недопустимых деформаций (прогибов, трещин), колебаний и иных нарушений, требующих временной приостановки эксплуатации сооружения и выполнения его ремонта. То есть, вторая группа определяется непригодностью конструкций к нормальной эксплуатации.

Возможны случаи, когда конструкция не потеряла несущую способность, т.е. удовлетворяет требованиям первой группы предельных состояний, но ее деформации, например, прогибы таковы, что нарушают технологический процесс или нормальные условия нахождения людей в помещении.

При расчете по второй группе предельных состояний определяется максимальный прогиб fmax в элементе конструкции. Как правило, это однопролетная разрезная балка постоянного сечения. Максимальный прогиб зависит от того, чем нагружена балка (сосредоточенной силой Q, распределенной нагрузкой q или моментом M), и от того, какие опоры на концах балки (подвижный или неподвижный шарнир, жесткая заделка или свободный конец), то есть, от расчетной схемы балки.

Значение максимального прогиба fmax для каждого конкретно случая можно найти в любом справочнике по строительным конструкциям. Если под рукой нет такого справочника, то значение прогиба можно рассчитать по универсальной формуле, найдя предварительно нормативное значение максимального момента Мн:

fmax = Mнl2 / 10EJx

где:

Мн — нормативное значение максимального изгибающего момента;

l — пролет балки (расстояние между опорами);

Jx — момент инерции сечения, для прямоугольного сечения равен bh3/12;

Е — модуль упругости материала конструкции.

Поскольку древесина состоит в основном из полимеров с длинными гибкими цепными молекулами, ее деформативность зависит от продолжительности воздействия нагрузок.

Упругие свойства древесины поперек волокон используются главным образом в сочетании с другим свойством, с его вязкостью – способностью дерева держать гвозди, костыли, шурупы. И это ценное качество дерева не удается воспроизвести ни в одном из современных материалов. При забивании гвоздя в древесину возникают упругие деформации, которые обеспечивают достаточную силу трения, препятствующую выдергиванию гвоздя. Усилие, необходимое для выдергивания гвоздя, забитого в торец образца, меньше усилия, прилагаемого к гвоздю, забитому поперек волокон.

С повышением плотности сопротивление древесины выдергиванию гвоздя или шурупа увеличивается. Усилия, необходимые для выдергивания шурупов (при прочих равных условиях), больше, чем для выдергивания гвоздей, так как в этом случае к трению присоединяется сопротивление волокон перерезанию и разрыву.

Паспорт (сертификат) на древесину

Российское законодательство не обязывает проводить обязательную сертификацию пиломатериалов. Но производители, планирующие участвовать в тендерах или экспортировать свою продукцию, могут оформить добровольный сертификат. Он гарантирует качество и безопасность продукции. Заказчик сертификата на пиломатериалы может самостоятельно выбирать параметры лабораторных испытаний.

В завершении, можно посмотреть учебный фильм, который еще раз расскажет о свойствах древесины:

Механические свойства древесины

Свойства древесины оказывать сопротивление действующим на нее внешним механическим силам (нагрузкам) называют механическими. В зависимости от характера действий и направления нагрузки вызывают в древесине различные напряжения. В соответствии с этим различают прочность древесины на растяжение, сжатие, изгиб (излом), скалывание, срез, кручение, раскалывание. К механическим свойствам древесины также относятся упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, твердость, износостойкость и способность удерживать крепеж — гвозди, нагели и шурупы.

Древесина имеет неоднородное строение, поэтому механические свойства ее в разных направлениях неодинаковы. Принято определять сопротивление древесины силам, действующим вдоль волокон (в торец), а также поперек — в радиальном и тангентальном направлениях.

При постепенном нарастании внешней механической силы разрушение древесины наступает не сразу. Материал в значительной мере противодействует разрушающему действию нагрузки, изменяя форму или размеры (изгибается, удлиняется, сжимается). Это изменение под действием нагрузок называется деформацией. Деформация, исчезающая с прекращением действия силы, называется упругой. Если с прекращением действия силы форма или размеры древесины не восстанавливаются, то деформация называется остаточной. При определенной величине нагрузки упругая деформация переходит в остаточную. Момент такого перехода называют пределом упругости.

Пластичность древесины

Пластичностью древесины называется ее способность под воздействием продолжительных нагрузок, не разрушаясь, сохранять приданную ей измененную форму, давать остаточную деформацию. Древесина лиственных пород обладает большей пластичностью, чем древесина хвойных пород.

Пластичность древесины — способность сохранять приданную ей измененную форму под воздействием продолжительных нагрузок

Пластичность можно отнести как к положительным, так и к отрицательным свойствам. Она возрастает с повышением температуры и увеличением влажности.

Достаточно большая пластичность дерева в воздушно-сухом состоянии, при обычных температурных условиях, используется в строительстве в качестве арочных гнутых конструкций, в мебельном производстве, при производстве перил для лестниц в частных домах.

Большая пластичность дерева в воздушно-сухом состоянии используется при производстве перил для лестниц

Технологическая операция гнутья древесины основана на ее способности сравнительно легко деформироваться при действии изгибающих усилий. Способность гнуться выше у лиственных кольце-сосудистых пород – дуба, ясеня и др., а из рассеянно-сосудистых – бука. Хвойные породы обладают меньшей способностью к загибу.

Гнутью подвергают древесину, находящуюся в нагретом и влажном состоянии. В нагруженной древесине при высыхании или охлаждении часть упругих деформаций преобразуется в «замороженные» остаточные деформации, что позволяет зафиксировать новую форму детали под нагрузкой.

Отрицательные проявления пластичности дерева сказываются главным образом на старых балочных перекрытиях больших пролетов, дающих заметное на глаз провисание иногда лишь по прошествии десятков лет. У стропильных деревянных ферм, благополучно простоявших более 100 лет, вдруг начинает наблюдаться катастрофическое нарастание прогибов из-за пластических деформаций в перенапряженных частях.

В некоторых деревянных конструкциях пластические деформации являются причиной не только традиционного провисания, но и их разрушения.

Пластические деформации — причина не только провисания, но и разрушения деревянных стропил крыши