Повна версія

Головна arrow Техніка arrow Будівельне матеріалознавство. Т 1

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ЯКІСНІ ПОКАЗНИКИ ДЕРЕВНИХ МАТЕРІАЛІВ

Деревина хвойних і листяних порід володіє комплексом властивостей, рівень показників яких обумовлений видом деревини, анатомічною будовою і складом деревини, ступенем оптимізації загальної структури деревного матеріалу, що склалася в процесі росту дерева в реальних умовах. Особливо значний вплив на рівень показників властивостей надає капілярний простір в деревині і проникання води в капіляри. Одні з них (першого порядку) бувають відносно великими, хоча і змінюються з віком дерева, - міжклітинний простір, порожнини клітин, пори в стінках клітин. Інші значно меншого діаметру (другого порядку) складають межфібріллярное простір і простір усередині микрофибрилл. Однак і ті, й інші, хоча і з різним періодом дії проникла води, сприяють набухання деревних волокон в товщину на 20-30%, в довжину - на 1-3% внаслідок спіральної структури волокна [19].

У деревині завжди міститься певна кількість вологи. Зазвичай розрізняють: влагосодержание свежесрубленной деревини - від 35 до 60%, іноді до 100% і більше від маси абсолютно сухої деревини; влагосодержание повітряно-сухої деревини - зазвичай 15-20%, що залежить в основному від відносної вологості навколишнього повітря; влагосодержание мокрої деревини, яке може бути вельми високим. Наприклад, після тривалого перебування у воді вологи може міститися до 150% і більше від маси абсолютно сухої деревини. Абсолютно сухий деревиною умовно вважається деревина, висушена до постійної маси при температурі 105 ° С, хоча і в ній завжди міститься невелика кількість вологи.

Волога розподіляється в деревині нерівномірно: її більше в окоренкові частини стовбура, в заболонної частини, менше - в ядрі, хоча іноді ядерна частина листяних порід може виявитися вологіше заболоні.

Волога буває вільної, що заповнює внутрішні порожнини клітин, т. Е. Капілярний простір першого порядку, ігігроскопіческой, що знаходиться в найтонших капілярних просторах другого порядку з можливим переходом в колоїдно-зв'язаний стан під впливом взаємодії її з речовиною дерева. Коли деревина тривалий час знаходиться в повітряному середовищі, насиченою парами води, т. Е. При відносній вологості повітряного середовища, що дорівнює 100%, тоді клітинні стінки повністю насичуються гигроскопической вологою. Ця межа називається точкою насичення волокон, або межею гігроскопічної вологості. Для деревини різних порід величина межі гігроскопічності коливається від 23 до 35% маси сухої деревини. У середньому її приймають рівною 30%. До цього часу в волокнах вільної вологи поки ще немає, але набухання досягає свого максимуму, причому лінійне набухання становить не вище 6-13%. При набуханні спостерігається контракция (стиснення): обсяг набряклою деревини менше суми обсягів деревини до набрякання і поглиненої води. Явище контракції пов'язано зі стисненням води, зокрема її перших порцій (приблизно до 6%), коли вода має підвищену щільність (до 2,6 г / см 3 ), а обсяг поглинається води скорочується приблизно на 25%. Крім контракції в процесі поглинання води виникає також тиск набухання (до 100-400 МПа) і виділяється теплота набухання (змочування). Чим більше в целюлозі кристалічної частини і менше аморфної, тим менше набухають волокна і менше теплота змочування (набухання), а також стиснення води.

Явище, протилежне набухання, називається усиханням. Воно виражено зменшенням лінійних і об'ємних розмірів деревини при видаленні гігроскопічної вологи.

Внаслідок волокнистої будови деревина має різну усушку в різних напрямках. У радіальному напрямку вона становить 3-6%, в тангенціальному - в півтора-два рази більше, ніж в радіальному, і становить 6-12%. Усушку уздовж волокон з огляду на її незначної величини не визначають. Об'ємну усушку УГБ обчислюють у відсотках без урахування поздовжньої усушки за наближеною формулою

де а і b - розміри зразка відповідно в тангенціальному і радіальному напрямках; ат і Ьо - розміри зразка в тих же напрямках в абсолютно сухому стані.

Повний обсяг гігроскопічної вологи в деревині (25-30%) поділяють на адсорбційну, орієнтовану водневими зв'язками в найбільш тонких капілярних просторах (4-6% від абсолютно сухої деревини) і поглинену внаслідок капілярної конденсації (20-25% від абсолютно сухої деревини). Решта вільна волога знаходиться в капілярному просторі першого порядку. При висушуванні деревини особливо важко видалити ці 4-6% вологи, так як вона міцно зв'язується водневими зв'язками.

Крім вологості, гігроскопічності, вологопоглинання, влагоотдачи, що характеризують відношення деревини до водного середовища, є ще цілий ряд фізичних властивостей, що обумовлюють якість деревного матеріалу. Для використання деревини в будівельних цілях найбільш значущими з них є: істинна густина речовини деревини, яка приблизно однакова для різних порід і становить 1,53-1,55 г / см 3 ; середня щільність коливається в широкому інтервалі для різних порід, для однієї породи різного віку або при різному співвідношенні пізньої і ранньої деревини. Крім того, вона залежить від вологості і пористості деревини. Як правило, середня щільність деревини менше 1 г / см 3 (450-900 кг / м 3 ), так як обсяг пір в ній значний, наприклад, у сосни - 50-75, їли - 60-76, дуба - 32-64 , липи - 65-75, а обсяг деревного речовини всього лише 20-50%.

Так, наприклад, середня щільність деревини ялини становить 0,37-0,58, сосни - 0,3-0,7, дуба - 0,51-1,04, берези - 0,5-0,75 г / см 3 . Але є породи і значно легше, наприклад, бальзового дерево (0,1 г / см 3 ) і значно важче - залізне дерево, бакаут (1,35 г / см 3 ) і ін.

Середню щільність деревини з фактичної вологістю перераховують на стандартну вологість, прийняту дорівнює 12%:

де р, j - середня щільність зразка деревини при вологості W - = 12%; до - коефіцієнт об'ємної усушки, який показує, на скільки відсотків змінюється обсяг зразка при зміні його вологості на 1%. У деревини більшості порід до 0 = 0,5 (у берези, бука, модрини, граба до = 0,6). Його визначають за формулою: до = VJ (W-Wi), де Vo - об'ємна усушка; ІЛ і ІЛ - вологість деревини відповідно початкова і кінцева.

Деревина є поганим провідником теплоти, що обумовлено її пористістю (пори заповнені повітрям). Теплопровідність уздовж волокон значно більше, ніж поперек. Так, наприклад, у сосни уздовж волокон теплопровідність дорівнює 0,35 Вт / (м К), а поперек волокон - 0,17 Вт / (м К). Вона також вище в радіальному напрямку, ніж в тангенціальному.

Теплове розширення деревини невелика, причому поперек волокон воно вище в 12-15 разів, ніж уздовж (перевищуючи теплове розширення металів).

Теплоємність абсолютно сухої деревини різних порід приблизно однакова: 1,26-1,42 Дж / (ГК); в міру зволоження теплоємність деревини зростає. Теплота згоряння абсолютно сухої деревини різних порід порівняно мало різниться і становить 20160-21200 кДж / кг. Зрозуміло, що з зволоженням теплота згоряння деревини сильно знижується.

Температурний коефіцієнт розширення деревини залежить від породи і напрямки волокон: уздовж волокон він дорівнює 0,000002-0,00001, поперек волокон - 0,00003-0,00006.

Електропровідність сухої деревини дуже мала, особливо при поперечному напрямку волокон, тому вона є хорошим ізолятором. Але з зволоженням електропровідність зростає, що служить підставою для вимірювання вологості по цій фізичній властивості.

Абсолютно суха деревина володіє питомою опором 10 13 -10 15 Ом м, її відносять до полярних діелектриків. У міру зволоження питомий опір деревини знижується, а при вологості вище межі насичення клітинних стінок (30%) деревина може мати іонною провідністю. Це властивість враховують, тому що діелектричний нагрів використовують у виробництві арболіту. ДСП і ДВП, при модифікації деревини.

Деревина, будучи важливим будівельним матеріалом, має високу міцність при дії стискаючих і розтягуючих напружень, яка знаходиться в прямій залежності від вмісту пізньої деревини, пористості і вологості, напряму механічних сил по відношенню до розташування волокон, у чому особливо сильно проявляється се анізотропія. Анізотропія є наслідком повільно розвивається оптимізації (впорядкування) мікро- і макростроенія в умовах зростання дерева і максимального опору стовбура механічних навантажень, з виділенням зміцнюючих (армуючих) волокон в його тканинах. Ці волокна орієнтовані за напрямками дії головних напружень. Разом з тим вони поєднуються з більш податливими волокнами ранньої деревини. Можна стверджувати, що істотний вплив на анізотропію деревини надає її анатомічна будова (макроструктура), в першу чергу механічні тканини. Межа міцності деревини хвойних порід при стисканні в 10, при розтягуванні в 20-30 разів більше для направлення вздовж волокон, а модуль пружності майже в 40 разів більше поперек волокон. Різниця пружних властивостей в різних напрямках пов'язано з впливом серцевинних променів, особливо у листяних порід. Воно проявляється тим більше, чим більше частка серцевинних променів як своєрідних променів жорсткості в анатомічній будові деревини.

Орієнтоване мікро- і макростроеніе деревини обумовлює її анізотропію не тільки при механічних, але і при інших фізичних впливах. Так, наприклад, коефіцієнт теплового розширення менше вздовж волокон і більше - поперек волокон (в тангенціальному напрямку). Анізотропія набухання деревини виражена сильніше у хвойних порід, а відношення радіального тиску набухання до тангенціальному становить, за даними Я. Рачковського, для хвойних порід 0,6, а для листяних - від 0,8 до 1. Уздовж волокон лінійне набухання найменше (0, 1-0,15%), а тангенціальне - найбільше. Аналогічні анізотропні явища відзначаються, за даними Г.Г. Мудрова, щодо усушки, теплопровідності, електропровідності та інших властивостей деревини (рис. 7.12).

Набухання деревини сосни

Мал. 7.12. Набухання деревини сосни: / - уздовж волокон; 2 - в радіальному напрямку; 3 - в тангенціальному напрямку; 4 - об'ємне (THB - точка насичення волокон)

Межа міцності деревини (з вологістю W в момент випробування) при стисканні вздовж волокон (Rc * w) визначають на стандартних зразках (прямокутних призмах перерізом 20x20 мм і довжиною 30 мм) і розраховують за формулою

де ротах - максимальна руйнівне навантаження, Н; а й b - розміри поперечного перерізу, м.

Межа міцності при стисненні поперек волокон значно менше (10-30%) межі міцності при стисненні вздовж волокон.

Найбільшим є межа міцності при розтягуванні вздовж волокон; він в 2-3 рази вище, ніж при стисненні вздовж волокон. Межа міцності при статичному вигині Різг деревини (з вологістю W в момент випробування) визначають на зразках-балочках розмірами 20x20 мм і довжиною 300 мм при впливі двох симетрично розташованих сил і обчислюють за формулою

де ротах - руйнівна сила, Н; / - Відстань між опорами (проліт зразка-балки), м; b і h - ширина і висота балки, м.

Міцність деревини при сколюванні вздовж волокон невелика і складає приблизно 12-25% межі міцності при стисненні вздовж волокон.

Міцність деревини значно знижується зі збільшенням вологості. Вона повинна бути приведена до міцності при стандартній вологості 12% за формулою

де л ж- межа міцності при вологості * r,%; W - вологість випробуваної деревини,%; а - поправочний коефіцієнт на вологість, який показує, наскільки змінюється міцність деревини при зміні вологості на 1% (в межах вологості від Про до 30%).

Для сосни коефіцієнт, а при стисненні і вигині дорівнює 0,04, т. Е. Матеріал втрачає 4% міцності при збільшенні вологості всього на 1%.

Кореляційний зв'язок між міцністю і щільністю деревини, міцністю і відсотком пізньої деревини виражена у відповідних емпіричних формулах:

де Лежи - межа міцності при стисненні, кг / см 2 , при вологості 15% (після підрахунку перераховують на стандартну вологість 12%); Pois - середня щільність деревини при вологості 15%, г / см 3 ; т - відсоток пізньої деревини.

Жорсткість деревини, її здатність деформуватися під навантаженням характеризуються модулем пружності: Е = RI £, де R - межа міцності деревини, є - відносна деформація. Модулі пружності при стисненні і розтягуванні вздовж волокон однакові і для сосни становлять 12300 МПа.

Деформативність в напрямку вздовж волокон деревини порівняно низька. Невелика і твердість її. Статичну твердість визначають по навантаженню, необхідної для вдавлення в зразок деревини половинки металевої кульки радіусом 5,64 мм на глибину радіусу. Тоді площа відбитка дорівнює 1 см 2 . Твердість деревини сосни, ялини, липи, вільхи становить 30-50 МПа, а більш твердих порід - дуба, берези, ясена, модрини та ін. - 50-100 МПа. Важливим технологічним властивістю деревини є здатність утримувати цвяхи, гвинти (особливо сосни, ялини, вільхи). У листяних породах (наприклад, дубе) цвяхи і гвинти утримуються в 16 разів міцніше, ніж в деревині хвойних порід. У деяких породах при забиванні цвяха утворюються тріщини (бук, дуб, модрина).

Основні фізико-механічні властивості деревини хвойних і листяних порід, що застосовуються в будівництві, наведені в табл. 7.1.

Таблиця 7.1. Основні фізико-механічні властивості деяких порід деревини (середнє значення при вологості 12%)

породи дерева

Середня

ГУСТИНА,

кг / м 5

Коефіцієнт об'ємної усушки,%

Межа міцності

МПа, вздовж волокон при

вирощуючи

жении

стисканні

сколюванні

(Радіальному)

статичному вигині

Хвойні породи

сосна звичайна

500

0,44

103,5

48,5

7,5

86,0

ялина

445

0,43

103,0

44,5

6,9

79,5

модрина

660

0,52

125,0

64,5

9,9

111,5

ялиця сибірська

375

0,39

67,0

39,0

6,4

68,5

Листяні породи

дуб

690

0,43

123,0

57,5

10,2

107,5

береза

600

0,54

168,0

55,0

9,3

109,5

бук

670

0,47

123,0

55,5

11,6

108,5

липа

495

0,49

121,0

45,5

8,6

88,0

вільха

520

0,43

101,0

44,0

8,1

80,5

осика

495

0,41

125,5

42,5

6,3

78,0

На відміну від деяких інших будівельних матеріалів сортність деревних порід встановлюють не по міцності випробовуваних зразків, а на підставі ретельного огляду їх і оцінки наявних вад деревини, нерідко значно знижують фактичну міцність дощок, брусів, колод та іншої лісопродукції. Тому доцільно розглянути деякі, найбільш поширені, пороки деревини.

 
<<   ЗМІСТ   >>