Архит._материал._-_Шеина_Ч1

Рисунок 124 – Схематическое изображение клеток, из которых состоит древесина:

1– трахеида со щелевыми окаймленными порами; 2 – трахеида с окаймленными порами; 3 – трахеида со спиральным утолщением; 4 – спиральный сосуд; 5 – пористый сосуд; 6 – перегородчатый либри-

форм; 7 – либриформ со щелевидными порами

Рисунок 125 – Динамика развития пористого сосуда:

1 – пористый сосуд, пронизывающий древесину, начинает развиваться из меристемных клеток; 2 – затем они вырастают; 3 – на утол-

Проводящие клетки – сосуды у лиственных пород и трахеиды – у хвойных, сообщающиеся между собой с помощью микроскопических отверстий. Сосуды представляют собой тонкостенные трубочки, расположенные вдоль ствола, диаметром 0,04…0,3 мм. В растущем дереве по сосудам передвигаются влага и питательные вещества от корней к ветвям и листьям.

По распределению сосудов в поперечном сечении лиственные породы

разделяют на кольце сосудистые (дуб, вяз и ясень) и рассеянно сосудистые (бук,

граб, ольха, береза и осина).

Механическая или опорная ткань древесины придает ей высокую прочность.

В древесине хвойных пород опорную ткань образуют трахеиды. Опорная ткань лиственных пород состоит из веретенообразных толстостенных клеток, называемых «древесными волокнами».

Запасающие клетки находятся большей частью в сердцевидных лучах и служат для хранения и передачи питательных веществ живым клеткам в горизонтальном направлении. Срубленная древесина состоит из отмерших клеток, т.е. только из клеточных оболочек.

10.3 Химические, физические и механические свойства древесины

Химические свойства древесины

Древесина состоит преимущественно из органических веществ (99 % общей массы). Элементный химический состав древесины разных пород практически одинаков. Абсолютно сухая древесина в среднем содержит 49 % углерода, 44 % кислорода, 6 % водорода и 0,1…0,3 % азота. При сжигании древесины остаётся её неорганическая часть – зола, количество которой в зависимости от породы древесины составляет 0,1…1,7 %. В состав золы входят кальций, калий,

152

натрий, магний и другие элементы. Перечисленные химические элементы образуют основные органические вещества: целлюлозу (43…56 %), лигнин (до 30 %) и гемицеллюлозы.

Целлюлоза – природный полимер, полисахарид с длинной цепной молекулой. Формула целлюлозы (C6H10O5)n, где n – степень полимеризации, равная 6000…14000. Это очень стойкое вещество, не растворимое в воде и обычных органических растворителях (спирте, эфире и др.), белого цвета. Пучки макромолекул целлюлозы – тончайшие волоконца, называются микрофибриллами. Они образуют целлюлозный каркас стенки клетки. Микрофибриллы ориентированы преимущественно вдоль длинной оси клетки, между ними находится лигнин, гемицеллюлозы, а также вода.

Лигнин – полимер ароматической природы (полифенол) сложного строения; содержит больше углерода и меньше кислорода, чем целлюлоза. Именно с этим веществом связан процесс одревеснения молодой клеточной стенки. Лигнин химически нестоек, легко окисляется, взаимодействует с хлором, растворяется при нагревании в щелочах, водных растворах сернистой кислоты и её кислых солей.

Гемицеллюлозы – группа полисахаридов, в которую входят пентозаны (C5H8O4)n и гексозаны (C6H10O5)n. Формула гексозанов на первый взгляд идентична формуле целлюлозы. Однако степень полимеризации у всех гемицеллюлоз гораздо меньше и составляет 60…200. Это свидетельствует о более коротких цепочках молекул и меньшей стойкости этих веществ по сравнению с целлюлозой.

Кроме основных органических веществ, в древесине содержится сравнительно небольшое количество экстрактивных веществ (танинов – дубильных веществ, смол, камедей, пектинов, алкалоидов, жиров и др.), растворимых в воде, спирте или эфире.

Физические свойства древесины

Внешний вид древесины характеризуется следующими свойствами: цветом, блеском, текстурой и макроструктурой.

Под цветом древесины понимают определённое зрительное ощущение, которое зависит в основном от спектрального состава отражённого ею светового потока. Окраска древесины зависит от породы, возраста дерева и климата района произрастания: деревья умеренного климата по сравнению с деревьями тропической зоны имеют более светлую окраску. Древесина может изменять цвет при выдержке под влиянием воздуха и света, при поражении грибами, а также при длительном нахождении под водой. Тем не менее, цвет многих пород настолько характерен, что может служить одним из признаков при их распознавании.

Характеристики цвета у древесины различных пород изменяются в широких пределах. Цветовой фон находится в пределах 578…585 нм, чистота цвета 30…60 %, светлота 20…70 %. Белая окраска – у ивы и кедра; светлая, слегка окрашенная в желтый или розовый цвет – у ели, пихты, осины, березы, клена, бука и граба; желтая – у самшита и желтой березы, желто-коричневая – у вяза, груши и дуба. Красно-коричневая – у пихты, вишни и черешни; серокоричневая – у тика, туи и грецкого ореха. Желто-зеленая окраска – у белой

153

акации; вишнево-красная – у секвойи и красного дерева. Черно-коричневая окраска – у терна и черного ореха; черная – у эбенового дерева.

Блеск – это способность древесины направленно отражать световой поток. Наибольшим блеском из отечественных пород отличается древесина дуба,

бука, белой акации, бархатного дерева; из иноземных пород – древесина атласного дерева и махагони (красного дерева).

Текстурой называется рисунок, образующийся на поверхности древесины вследствие перерезания анатомических элементов (годичных слоёв, сердцевинных лучей, сосудов).

Для оценки качества древесины по внешнему виду используют такие характеристики, как ширина годичных слоёв и содержание поздней древесины.

Ширина годичных слоёв – число слоёв, приходящихся на 1 см отрезка, отмеренного по радиальному направлению на торцевой поверхности образца.

Содержание поздней древесины определяется соотношением (в процентах) между суммарной шириной зон поздней древесины и общей протяжённостью (в радиальном направлении) участка измерения, включающего целое число слоёв.

Влажность древесины и свойства, связанные с её изменением. Под влаж-

ностью древесины понимают выраженное в процентах отношение массы воды к массе сухой древесины:

W = (m – mо) / mо100 %,

где m – начальная масса образца древесины, г; mо – масса образца абсолютно сухой древесины, г.

Различают три формы воды, содержащейся в древесине: капиллярную (или свободную), коллоидно-связанную (гигроскопическую) и химически связанную. Капиллярная (свободная) вода заполняет в древесине полости клеток,

межклеточные пространства и сосуды. Коллоидно-связанная (гигроскопическая)

вода находится в оболочках клеток и в сосудах древесины в виде тончайших гидратных оболочек на поверхности мельчайших элементов, слагающих их клетки. Химически связанная вода входит в состав отдельных веществ, образующих древесину. В заболони растущего дерева вода находится во всех формах, в ядре – только коллоидная и химически связанная. Связанная вода удерживается в основном физико-химическими связями, изменение её содержания существенно отражается на большинстве свойств у древесины. Свободная вода, удерживаемая только механическими связями, удаляется легче, чем связанная вода, и оказывает меньшее влияние на свойства древесины.

При испытаниях с целью определения показателей физико-механических свойств у древесины её кондиционируют, приводя к нормализованной – 12 % влажности.

На практике по степени влажности различают древесину: мокрую, W > 100 %, длительное время находившуюся в воде;

свежесрубленную, W = 50…100 %, сохранившую влажность растущего дерева; воздушно сухую, W = 15…20 %, выдержанную на открытом воздухе; комнатносухую, W = 8…12 %, долгое время находившуюся в отапливаемом помещении;

абсолютно сухую, W = 0 %, высушенную при температуре 103±2 °C.

154

Усушка – уменьшение линейных размеров и объёма древесины при удалении из неё связанной воды. Удаление свободной воды не вызывает усушки. Чем больше клеточных стенок в единице объёма древесины, тем больше в ней связанной воды и выше усушка. Усушка древесины не одинаковая в разных направлениях. В тангенциальном направлении в 1,5…2 раза больше, чем в радиальном направлении.

Под полной усушкой, или максимальной усушкой Bmax понимают уменьшение линейных размеров и объёма древесины при удалении всего количества связанной воды. Формула для вычисления полной усушки имеет вид:

Bmax = (amax – amin) / amax 100 %,

где amax и amin – размер (объём) образца соответственно при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок и в абсолютно-сухом состоянии, мм (мм3).

Полная линейная усушка древесины наиболее распространенных отечественных пород в тангенциальном направлении составляет 8…10 %, в радиальном – 3…7 %, а вдоль волокон – 0,1…0,3 %. Полная объёмная усушка древесины находится в пределах 11…17 %. Усушка древесины учитывается при распиловке бревен на доски (припуски на усадку) и при сушке пиломатериалов.

Коробление – изменение формы пиломатериалов и заготовок при сушке, а также выпиловке и неправильном хранении. Чаще всего коробление происходит из-за различия усушки по разным структурным направлениям. Различают поперечную и продольную покоробленность (рисунок 126).

Рисунок 126 – Поперечная (А – а, б, г) и продольная (Б – е, ж) покоробленности:

а – желобчатая; б – трапециевидная; в – ромбовидная; г – овальная; д – по

кромке; е – по пласти; ж – крыловатость

Коробление может возникать при механической обработке сухих пиломатериалов: при несимметричном строгании, ребровом делении из-за нарушения равновесия остаточных напряжений.

Влагопоглощение – способность древесины вследствие её гигроскопичности поглощать влагу (пары воды) из окружающего воздуха. Влагопоглощение практически не зависит от породы. Способность к поглощению влаги является отрицательным свойством древесины. Сухая древесина, помещённая в очень влажную среду, сильно увлажняется, что ухудшает её физико-механические характеристики, снижает биостойкость и т.д. Чтобы защитить древесину от влияния влажного воздуха, поверхность деревянных деталей и изделий покрывают различными лакокрасочными и плёночными материалами.

Разбухание – увеличение линейных размеров и объёма древесины при повышении в ней содержания связанной воды. Разбухание происходит при вы-

155

держивании древесины во влажном воздухе или воде. Это свойство, обратное усушке, и подчиняется в основном тем же закономерностям. Полное разбухание вычисляют по формуле

Рmax = (amax – amin) / amin 100 %,

где amax и amin – размер (объём) образца соответственно при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок, и в абсолютно сухом состоянии, мм (мм3).

Так же, как и усушка, наибольшее разбухание древесины наблюдается в тангенциальном направлении поперёк волокон, а наименьшее – вдоль волокон.

Разбухание – отрицательное свойство древесины, но в некоторых случаях оно приносит пользу, обеспечивая плотность соединений (в бочках, чанах, судах).

Водопоглощение – способность древесины увеличивать свою влажность при непосредственном контакте с капельножидкой водой. Максимальная влажность, которой достигает погруженная в воду древесина, складывается из предельного количества связанной воды и наибольшего количества свободной воды. Очевидно, что количество свободной воды зависит от объёма полостей в древесине, поэтому, чем больше плотность древесины, тем меньше её влажность, характеризующая максимальное водопоглощение.

Способность древесины поглощать воду, а также другие жидкости имеет значение в процессах варки древесины для получения целлюлозы, при пропитке её растворами антисептиков и антипиренов, при сплаве лесоматериалов и в других случаях.

Плотность – это свойство, которое характеризуется массой единицы объёма материала, и имеет размерность в кг/м3 или г/см3 (таблица 25).

Истинная плотность древесинного вещества pд.в., г/см3, т.е. плотность ма-

териала клеточных стенок, равна: pд.в. = mд.в. / vд.в., где mд.в. и vд.в. – соответственно масса, г, и объем, см3, древесинного вещества. Этот показатель равен

для всех пород 1,53 г/см3, поскольку одинаков химический состав клеточных стенок древесины.

Плотность древесины меньше плотности древесинного вещества, так как она включает пустоты (полости клеток и межклеточные пространства, заполненные воздухом).

Относительный объём полостей, заполненных воздухом, характеризует пористость древесины:

П = (vо – vд.в.) / vо100 %,

где vо и vд.в. – соответственно объём образца и содержащегося в нём древесинного вещества при W = 0 %.

Пористость древесины колеблется в пределах 40…80 %.

Величина средней плотности древесины изменяется в очень широких пределах и зависит от ее влажности и объема пор. Обычно среднюю плотность древесины приводят к нормальной 12 %-й влажности, пользуясь формулой

о (12) = о (W) 1 + 0,01(1 – Ко (15 – W),

где о (12) – средняя плотность образца при 12 % , г/см3;

о (W) – средняя плотность образца при той влажности, которую он имел в момент определения, г/см3;

156

Ко – коэффициент объемной усушки (для березы, бука, лиственницы он равен 0,6, для прочих пород - 0,5);

W – влажность древесины в момент определения средней плотности.

По плотности при 12 %-й влажности древесные породы разделяют на группы: очень легкая ( о = 450 кг/м3) у кедра и пихты; легкая ( о = 450…600 кг/м3) у ивы, вяза, ели, липы, осины и сосны; среднетяжелая ( о = 610…750 кг/м3) у березы, бука, груши, дуба и лиственницы и очень тяжелая ( о 900 кг/м3) у самшита, фисташки, кизила, улина и мербау. Диапазон изменения плотности древесины иноземных пород шире: от 100…130 (бальза) до 1300 кг/м3 (бакаут).

Проницаемость характеризует способность древесины пропускать жидкости или газы под давлением. Водопроницаемость древесины вдоль волокон значительно больше, чем поперёк волокон, при этом у древесины лиственных пород она в несколько раз больше, чем у хвойных пород.

Теплофизические свойства

К тепловым свойствам относятся теплоёмкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение.

Теплоёмкость. Показателем способности древесины аккумулировать тепло является удельная теплоёмкость (С), представляющая собой количество теплоты, необходимое для того, чтобы нагреть 1 кг массы древесины на 1 о С. Удельная теплоёмкость для всех пород одинакова и для абсолютно сухой древесины составляет 6,67 ккал/м ч оС. С увеличением влажности теплоёмкость увеличивается.

Теплопроводность – свойство, характеризующее интенсивность переноса тепла в материале. Коэффициент теплопроводности с увеличением температуры, влажности и плотности увеличивается, причем вдоль волокон в 2 раза

больше, чем поперёк ( сосна II = 0,35 Вт/м оС, сосна = 0,17 Вт/м оС). Температуропроводность характеризует способность древесины выравни-

вать температуру по объёму.

Тепловое расширение – способность древесины увеличивать линейные размеры и объём при нагревании. Коэффициент теплового расширения древесины в 3…10 раз меньше, чем у металла, бетона, стекла.

Электрические свойства

Электропроводность – способность древесины проводить электрический ток, которая находится в обратной зависимости от электрического сопротивления. Сухая древесина относится к диэлектрикам. С повышением влажности древесины сопротивление уменьшается. Особенно резкое снижение (в десятки миллионов раз) сопротивления наблюдается при увеличении содержания связанной воды. Дальнейшее увеличение влажности вызывает падение сопротивления лишь в десятки или сотни раз. Этим объясняется снижение точности определения влажности электровлагомерами в области выше Wпн.

Электрическая прочность – способность древесины противостоять пробою, т.е. снижению сопротивления при больших напряжениях.

157

Таблица 25 – Плотность и твердость широко применяемых пород древесины

158

Диэлектрические свойства характеризуют поведение древесины в переменном электрическом поле. Показатели: диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь. Диэлектрическая проницаемость равна отношению ёмкости конденсатора с прокладкой из древесины, к ёмкости конденсатора с воздушным зазором между электродами. Этот показатель для сухой древесины равен 2…3.

Тангенс угла диэлектрических потерь характеризует долю подведённой мощности тока, которая поглощается древесиной и превращается в тепло.

Пьезоэлектрические свойства проявляются в том, что под действием механических усилий на поверхности древесины возникают электрические заряды.

Звуковые свойства

Один из этих свойств – звукопроводность, показателем которой являются скорость звука. Скорость звука (С, м/с), в древесине можно определить по фор-

муле

C = (E/ρ)½,

где Е – динамический модуль упругости; Н/м2; – плотность древесины, кг/м3.

Древесина является хорошим проводником звука, который в ней распространяется в 2…17 раза быстрее, чем в воздухе. Древесина хорошо проводит звук вдоль волокон, хуже – в радиальном направлении и плохо – в тангентальном. Так, например, сосна проводит звук вдоль волокон со скоростью 5030 м/с, в радиальном направлении со скоростью 1450 м/сек, в тангентальном направлении со скоростью 850 м /с, а береза соответственно – 3625, 1995 и 1535 м/с.

Другой важный показатель, характеризующий способность древесины отражать и проводить звук, – акустическое сопротивление, Пас/м: R = pC.

Акустические свойства древесины необходимо учитывать при применении древесных материалов для внутренней отделки зданий. Древесина с малой плотностью обладает высокими резонансными свойствами.

У воздуха звукопроводность – 340 м/с ( о – 1,3 кг/м3); у пробки – 500 м/с

( о – 200 кг/м3); у дуба – 3380 м/с ( о – 700 кг/м3); у ели – 5250 м/с ( о – 500 кг/м3); у меди – 3700 м/с ( о – 8900 кг/м3).

Свойства древесины, проявляющиеся под воздействием электромагнитных излучений

Поверхностные зоны древесины могут эффективно прогреваться с помощью невидимых инфракрасных лучей. Значительно глубже – до 10…15 см – проникают в древесину лучи видимого света. По характеру отражения световых лучей можно оценивать наличие видимых пороков древесины. Световое лазерное излучение прожигает древесину и в последнее время успешно используется для выжигания деталей сложной конфигурации.

Ультрафиолетовые лучи проникают гораздо хуже в древесину, но вызывают свечение – люминесценцию, которое может быть использовано для определения качества древесины.

Рентгеновские лучи используются для определения особенностей тонкого строения древесины, выявления скрытых пороков и в других случаях. Из ядерных излучений можно отметить -излучения, которые используются при денсиметрии растущего дерева. Гораздо шире могут применяться -излучения,

159

которые глубже проникают в древесину и используются при определении её плотности, обнаружении гнилей в рудничной стойке, конструкциях и т.д.

Механические свойства древесины

Применение древесины в качестве конструкционного материала обусловлено способностью сопротивляться действию усилий, поэтому необходимо знать ее механические свойства.

Различают следующие свойства древесины, проявляющиеся под воздействием механических нагрузок: прочность – способность сопротивляться разрушению, деформативность – способность сопротивляться изменению размеров

и формы, технологические и эксплуатационные свойства.

Показатели механических свойств у древесины определяют обычно при следующих видах испытаний: растяжении, сжатии, изгибе и сдвиге. Поскольку древесина анизотропный материал, отличающийся свойствами в разных направлениях, указывают направление действия нагрузок: вдоль или поперек волокон (в радиальном или тангенциальном направлении).

Из-за сопротивления древесины внешним нагрузкам в ней возникают внутренние силы. Эти силы, отнесённые к единице площади сечения (1 см2) называются напряжениями. Максимальное напряжение, предшествующее разрушению тела, называют пределом прочности.

Предел прочности определяют на малых, чистых и не имеющих пороках образцах в лабораториях на испытательных машинах. Эти образцы имеют базисное сечение с размерами 20х20 мм и должны включать не менее 4…5 годичных слоёв. Некоторые виды испытаний производят на образцах, сечение которых отличается от указанных выше.

Прочность при сжатии определяется на образцах призматической формы (рисунок 127, таблица 26).

Образец постепенно нагружают до разрушения. Затем по силоизмерителю испытательной машины отсчитывают максимальную нагрузку Рмах, Н. Предел прочности R, МПа, вычисляют по формуле

Rw = Pmax / (a.b),

где (a.b) – площадь сечения образца, мм2.

Рисунок 127 – Схема испытания на прочность при сжатии вдоль волокон и размер образца

Всреднем для всех отечественных пород при влажности древесины 12% предел прочности на сжатие вдоль волокон составляет около 50 МПа.

Всвязи с тем, что механические свойства древесины зависят от влажности, для сравнения результатов испытаний предел прочности при сжатии вдоль волокон древесины данной влажности приводят к пределу прочности древесины при стандартной 12 %-й влажности по формуле

R сж (12) = Rсж (W) 1 + α(W – 12) ,

где α – поправочный коэффициент на влажность. Для сосны, кедра, бука, ясеня, березы - 0,05; для ели, дуба и других лиственных пород – 0,04.

160

Сопротивление древесины сжатию вдоль волокон напрямую зависит от средней плотности и может быть приближенно, определяться по следующим формулам

для сосны R сж (12) = 920 о (12) – 50;

для дуба R сж (12) = 850 о (12) – 67.

Прочность при сжатии поперёк волокон определяется по схеме на рисунке 128. Здесь указана равнодействующая сил, которые либо равномерно распределены по всей поверхности образца, либо по всей ширине, но на части длины его (местное сжатие). И в том, и в другом случаях определяют условный предел прочности. В качестве этого показателя используют предел пропорциональности, т.е. величину напряжений, до которых наблюдают линейную зависимость между напряжениями и деформациями. В среднем для всех пород он составляет 1/10 предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Рисунок 128 – Схема испытания на прочность при растяжении

Испытания на прочность при растяжении проводятся на образцах другого вида (рисунок 129).

Такая форма образцов обусловлена стремлением обеспечить разрушение в тонкой рабочей части, а не в месте закрепления, под воздействием именно растягивающих напряжений. Древесина имеет высокий показатель прочности на растяжение вдоль волокон. Для основных пород этот показатель колеблется в пределах 80…190 МПа. На растяжение поперек волокон древесина работает хуже (10…15 МПа). Поэтому при конструировании изделий из древесины избегают растягивающих нагрузок поперёк волокон.

Для испытания древесины на статический изгиб применяют образцы в форме бруска размерами 20х20х300 мм (рисунок 11).

Предел прочности при статическом изгибе, МПа, вычисляют по формуле

Rw = (3/2) [(Pmaxl) / (b h2)],

где Pmax – максимальная нагрузка, Н; l – пролет, т.е. расстояние между центрами опор, равный 240 мм; b и h – ширина (в радиальном) и высота (в тангенциальном) направлениях, мм.

В среднем предел прочности при статическом изгибе составляет 100 МПа.

Рисунок 129 – Испытание древесины на статический изгиб

Предел прочности древесины на изгиб должен быть приведен к стандартной 12 %-й влажности по формуле

R изг (12) = Rизг (W) 1 + α(W – 12) ,

где α – поправочный коэффициент на влажность, равный 0,04 для всех пород древесины.

161