Обзор основных свойств древесины
Мы называем лес «зеленым другом» и совсем не склонны давать поэтические познания деловой древесине. Между тем именно она входит к нашу жизнь к виде архитектурной формы, мебели, музыкальных инструментов и необходимой и любом строительстве «столярки». И это потому, что древесина обладает специфическими свойствами, подаренными ей природой. Человек с глубокой древности оценил это и приспособил древесину к своей повседневной жизни. Физические и механические свойства древесины — это и есть то, что резко выделяет ее среди других материалов и способствует широкому использованию в строительстве и архитектуре. При этом используется не только ствол дерева, но и ветви, которые находят употребление при изготовлении древесноволокнистых плит.
Физические свойства древесины характеризуются ее плотностью, влажностью, гигроскопичностью, теплоемкостью, а также внешним видом, определяющим ее художественные качества — цвет, блеск, текстуру, что имеет немаловажное значение в архитектуре. Плотность древесины колеблется в значительных пределах в зависимости от пород, условий роста дерева, влажности. При сосудисто-волокнистом строении древесной массы ее плотность, равная в среднем 1,54 г/см3, в большей степени зависит от толщины стенок волокон и количества пустот.
Физические свойства древесины находятся в тесной зависимости от количества и качества содержащихся в ней соков. Их главной составной частью служит вода, которая определяет влажность древесины. В то же время вода оказывает существенное влияние на механические свойства древесины и применение ее в строительстве. Древесина живого и свежесрубленного дерева содержит такое количество влаги, которое по массе часто превышает массу самого материала. Находящаяся в древесине вода заполняет частично каналы сосудов, полости клеток, межклеточное пространство и определяется как свободная влага, а та, которая частично пропитывает оболочки клеток, является гигроскопической (связанной) влагой. Влажность, соответствующая пределу гигроскопичности, составляет н среднем 30% (точка насыщения клеточных оболочек является пределом гигроскопичности).
Древесина обладает высокой прочностью на разрыв и сжатие, что дает возможность применять ее в строительстве наряду с такими конструкционными материалами, как бетон, металл и пластмассы. Следует только добавить, что к положительным качествам дерева относятся также его художественно-эстетические возможности.
Одним из достоинств древесины является ее сравнительно низкая теплопроводность. Древесина благодаря пористому строению плохо проводит тепло, особенно поперек волокон и в сухом состоянии. В связи с этим толщина стен деревянных зданий может быть значительно меньше, чем каменных. Например, по теплоотдаче венец северной избы толщиной в 20 см эквивалентен кирпичной стене в три кирпича 77 см. Коэффициент теплопроводности зависит от температуры воздуха, влажности древесины, породы дерева, направления теплового потока. В деревянных домах наблюдается и лучший обмен воздухом между внутренними помещениями и внешней средой — своеобразная естественная «вентиляция», имеющая большое гигиеническое значение. Таким образом, малая теплоотдача и гигиеничность древесины обусловили ей издавна широкое применение в ограждающих конструкциях отапливаемых зданий.
Другое важное качество древесины — механическая прочность. Этим обусловливается применение древесины для самых разнообразных целей. Ограничимся рассмотрением только тех механических свойств, которые имеют значения в строительно-архитектурной практике.
Прочность дерева определяется его способностью сопротивляться механическим усилиям. По способу действия внешние силы разделяются на растягивающие, сжимающие, изгибающие, сминающие, скалывающие и др. Благодаря особенностям строения древесины, представляющей из себя анизотропный материал, ее механические свойства неодинаковы в разных направлениях. Прочность древесины зависит от угла между направлением волокон и направлением усилия. Поэтому сопротивление дерева неодинаково в разных направлениях — вдоль или поперек волокон (по радиусу годовых колец или по касательной к ним). Например, прочность древесины при растяжении поперек волокон мала и составляет около 1/20 прочности при растяжении вдоль волокон. Механическая прочность наиболее высоки при действии нагрузок вдоль волокон, а в плоскости, перпендикулярной к ним, резко снижается.
Прочность сосны несколько выше, чем ели, и потому ель используют в менее ответственных местах. В старину плотники прекрасно разбирались в строительных свойствах пород и, как свидетельствуют конструкции памятников деревянного зодчества, умело использовали древесину различных пород.
К показателям механической прочности древесины относится коэффициент конструктивного качества (отношение предела прочности к плотности). Древесина стойко сопротивляется ударным и вибрационным нагрузкам. Это позволяет изготавливать из нее детали сложной конфигурации и надежно их соединять. Прочность древесины снижается при наличии пороков и увеличении ее влажности.
К строительным материалам предъявляются требования в отношении сопротивления агрессивным химическим средам. Как показала практика последних десятилетий, дерево является химически более стойким, чем железобетон или металл. При строительстве вкладов химикатов и некоторых видов химических заводов деревянные конструкции могут быть использованы без особой дополнительной защиты, которая обязательна для железобетонных или металлических конструкций.
В отличие от других видов строительных материалов дерево легко поддается обработке. Это его качество, а также малая масса (но сравнению, например, с железобетоном и металлом) облегчают конструирование не только простых, но и сложных изделий. Для обработки древесины не требуются большие физические усилия, при том применяются простые инструменты. Именно поэтому дерево издревле служило материалом для возведения жилищ, изготовления орудий труда, предметов быта.
Положительные качества древесины: достаточная механическая прочность, низкая теплопроводность, малая объемная масса, легкость обработки — сделали употребление ее в архитектуре экономически выгодным почти во всех областях, начиная с малых архитектурных форм и кончая большепролетными общественными и производственными зданиями.
Современный строительный материал при определенном функциональном назначении должен обладать еще и высокими художественными достоинствами. Поэтому нельзя обойти молчанием эстетические характеристики древесины. Ее прекрасная фактура и текстура, ее естественный цвет относятся к замечательным художественным качествам этого материала. Каждая древесная порода обладает специфической поверхностью, дающей возможность использовать ее и тех или иных архитектурных элементах. Сосна отличается прекрасной фактурой, береза имеет более живописную поверхность. Особое благородство свойственно фактуре дуба.
Будучи природным материалом дерево редко бывает лишено различных дефектов, которые снижают его строительные качества. В совокупности их следует рассматривать как дефекты древесины, которые можно разделить на две группы: естественные пороки, возникшие под действием факторов, влияющих на ткань дерева, и дефекты, полученные от внешних воздействий на срубленное или упавшее дерево. В первом случае — это различные неправильности или уродства в строении дерева, внутренние или наружные повреждения: трещины, неправильности в расположении волокон (свилеватость, косослойность) смоляные полости, впадины коры (дупловатость) ненормальное развитие отдельных частей дерева, свили (узлы) и повреждения вследствие внешних причин, а также болезни дерева, выражающиеся в развитии на нем различных гнилей. Во втором случае происходит порча срезанной древесины биологическими разрушителями, главным образом, дереворазрушающими грибами и вредителями-насекомыми. В настоящее время разработаны эффективные методы защиты древесины от биоразрушений — пропитки и обмазки различными антисептиками. Эти методы получили достаточное освещение в специальной литературе.
К строительным недостаткам древесины относятся — усушка т разбухание, доставляющие строителям немало хлопот. Иногда прекрасно выполненные декоративные и конструктивные элементы здания коробятся, растрескиваются, из них выпадают детали. Этого можно избежать, если правильно просушить древесину в естественной среде или и специальной сушилке.
Существенным недостатком древесины как строительною материала является ее горючесть. Для придания древесине огнестойкости служит поверхностная обработка и пропитка ее специальными растворами — антипиренами.