Свойства древесины

Основные свойства древесины классифицируются на физические и механические. Физические свойства древесины характеризуются цветом, блеском, текстурой, плотностью, гигроскопичностью и др. Механические свойства древесины характеризуются прочностными и деформативными показателями при различном ее напряженном состоянии (прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании, модуль упругости и сдвига, ползучесть, усадка и др.).

Физические свойства древесины. Рассмотрим те физические свойства древесины, которые имеют наибольшую значимость для строительной индустрии.

Влажность древесины оказывает значительное влияние на ее свойства. Древесина содержит свободную (в полостях клеток) и связанную (в оболочках клеток) влагу. Влажность древесины %

где m - масса образца влажной древесины; mсух- масса образца в абсолютно сухом состоянии.

При высыхании древесина сначала теряет свободную влагу и только затем гигроскопическую. Влажность древесины, содержащей предельные количества гигроскопической влаги, называется точкой насыщения волокон. Числовая величина предела гигроскопичности Wпг при t = 20 °С составляет в среднем 30 %.

Влажность, которую приобретает древесина, находясь долгое время на воздухе с постоянной его относительной влажностью и температурой, называется равновесной влажностью. Древесина достигает равновесной влажности, когда упругость паров воды окружающего воздуха становится одинаковой с упругостью паров воды на поверхности древесины.

Древесина принадлежит к материалам, размеры которых нестабильны и изменяются при изменении температуры и влажности. Температурные деформации древесины сравнительно невелики. Влажностные же деформации ее значительно больше температурных. Уменьшение линейных размеров или объема древесины, происходящее при снижении влажности, называют усушкой, а увеличение размеров или объема при повышении влажности - разбуханием. У сушка и разбухание древесины объясняются особенностями ее строения и взаимодействия с влагой. Разбухание сухой древесины на воздухе или пару прекращается при достижении ее влажности предела гигроскопичности Wпг, а в воде - предела насыщения клеточных стенок Wпн. Усушка сырой древесины начинается только от предела насыщения.

Усушка древесины % выражается формулой:

где ky - коэффициент усушки, характеризующий ее величину при изменении влажности клеточных стенок на 1 %


Полная (при удалении всей связной влаги) усушка составляет в тангенциальном направлении для древесины различных пород 6 ... 10 %, а в радиальном направлении 3 ... 5 %, вдоль волокон 0,1 ... 0,3 %, полная объемная усушка примерно 12 ... 15 %. Вследствие разницы значений радиальной и тангенциальной усушки при высыхании (или увлажнении) наблюдается коробление древесины.

Объемная масса, или средняя плотность древесины зависит от ее влажности и объема пор. Плотность древесного вещества (удельная масса) у всех пород одинакова (так как одинаков их химический состав) и примерно равна 1,5. Плотность древесины из-за наличия в ней полостей меньше плотности древесного вещества и колеблется в значительных пределах в зависимости от породы, условий роста, положения образца древесины в стволе и т.д.

Плотность древесины при данной влажности определяется по формуле:

где mw и Vw - масса и объем образца при данной влажности W.

Механические свойства древесины. При использовании древесины в качестве конструкционного материала и создании композиционных материалов возникает необходимость учитывать способность древесины сопротивляться действию усилий, т.е. ее механические свойства. К механическим свойствам древесины относятся ее прочность и деформативность, а также связанные с механическими воздействиями некоторые ее эксплуатационные свойства.

Прочность древесины характеризует ее способность сопротивляться разрушению под действием механических нагрузок. Показателем этого механического свойства служит предел прочности - максимальная величина напряжений, которые выдерживает материал без разрушения. Предел прочности устанавливают при испытаниях образцов древесины на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг и (очень редко) при кручении. Древесина относится к анизотропным материалам, поэтому определение показателей прочности проводят по разным структурным направлениям - вдоль и поперек волокон (по радиальному и тангенциальному направлениям).

Деформативностью древесины называют ее способность изменять свои размеры и форму при воздействии усилий. Показателем деформативности древесины служат модули упругости, коэффициенты поперечной деформативности, модули сдвига, длительные модули упругости, ползучесть, усадка и др.

При расчете элементов деревянных конструкций необходимо знать механические свойства древесины и аналитическое определение напряженного и деформированного ее состояний. Многие конкретные задачи решаются методами теории упругости и сопротивления материала.

К числу эксплуатационных и технологических свойств, проявляющихся при воздействии усилий, можно отнести: твердость, ударную вязкость, износостойкость, способность удерживать крепления и др. По своим механическим свойствам древесина относится к анизотропным материалам. Она имеет существенное различие в показателях прочностных и деформативных свойств по разным структурным направлениям. Наибольшую прочность и жесткость древесина имеет вдоль волокон, наименьшую - в поперечном направлении.

Показатели механических свойств древесины зависят от ее влажности. При увлажнении древесины до предела насыщения клеточных стенок показатели всех механических свойств резко уменьшаются. При дальнейшем повышении влажности древесины (свыше 30 %) показатели механических свойств практически не изменяются.

Для пересчета показателей механических свойств (кроме показателей деформативности) к нормализованной влажности используют формулу:

где B12 - показатель данного свойства при влажности 12 %; Bw - древесины в момент испытаний; а - поправочный коэффициент на влажность, показывающий, насколько изменяется показатель данного свойства при изменении влажности на 1 %.