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).

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%)

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.