Технологические свойства древесины
Udinart.ru

Строительный портал

Технологические свойства древесины

Свойства древесины

Физическими свойствами древесины называются такие, которые можно определить без нарушения целостности испытываемого образца и изменения ее химического состава, т.е. путем осмотра , взвешивания, измерения, высушивания. К физическим свойствам относятся: внешний вид и запах, плотность, влажность и связанные с нею изменения, усушка, разбухание, растрескивание и коробление. Кроме того, физические свойства определяют ее электро-, звукопроводимость, теплопроводность, показатели макроструктуры.

Физические свойства древесины

  • Цвет ей придают находящиеся в ней дубильные, смолистые и красящие вещества, которые находятся в полостях клеток.
  • Цвет имеет важное значение в производстве мебели, музыкальных инструментов, столярных и художественных изделий. Насыщенный богатством оттенков цвет придает изделиям из древесины красивый внешний вид. Цвет некоторых пород улучшают, подвергая различной обработке, пропариванию(дуб, каштан) или окрашиванию различными химическими веществами. Цвет древесины и его оттенки характеризуются красным, белым, розовым и лишь при особой необходимости – атласом или шкалой цветов.
  • Блеск- способность направленно отражать световой поток, который зависит от ее плотности, количества, размеров и расположения сердцевинных лучей. Особым блеском отличается древесина бука, клена, ильма, платана, белой акации, дуба.
  • Блеск придает ей красивый вид и может быть усилен полированием, лакированием, вощением или оклеиванием прозрачными пленками из искусственных смол.
  • Текстура- рисунок, который получается на разрезах древесины при перерезании ее волокон, годичных слоев и сердцевинных лучей. Он зависит от особенностей анатомического строения отдельных пород и направления разреза. Особенно красивый рисунок имеют поверхности из древесины неправильного и путаного(свилеватого) расположения волокон(капы, наросты).
  • Текстура определяет декоративную ценность древесины, что особенно важно при художественном оформлении мебели, различных поделок, украшении музыкальных инструментов и т.д.
  • Запах зависит от находящихся в ней смол, эфирных масел, дубильных и других веществ. Характерный запах скипидара имеют хвойные породы- сосна, ель. Дуб имеет запах дубильных веществ, бакаут и палисандр- ванили.
  • Ядро пахнет сильнее заболони. По запаху древесины можно определить отдельные породы.

Влажность древесины

Под влажностью понимают отношение количества удаленной влаги к массе древесины в абсолютно сухом состоянии. Влажность выражается в процентах.

Абсолютно сухую древесину в небольших образцах можно получить путем высушивания ее в специальных шкафах. В природе и на производстве она всегда содержит в себе то или иное количество влаги.

Различают следующие ступени влажности:

  • мокрая- длительное время находившаяся в воде, влажность выше 100%;
  • свежесрубленная – влажность 50-100%;
  • воздушно-сухая – долгое время хранившаяся на воздухе, влажность – 15-20% (в зависимости от климатических условий и времени года);
  • комнатно-сухая – влажность-8-12% и
  • абсолютно сухая – влажность -0%.

Усушка древесины

Усушкой называется уменьшение линейных размеров и объема древесины при высыхании. Усушка начинается после полного удаления свободной влаги и с начала удаления связанной влаги.

По величине усушки наши древесные породы можно разделить на три группы:

  1. малоусыхающие (коэффициент объемной усушки не более 0,40%) – ель сибирская и обыкновенная, пихта сибирская, кедры сибирский и корейский, тополь белый;
  2. среднеусыхающие (коэффициент объемной усушки – от 0,40 до 0,47%) – бук восточный, вяз, дуб, липа мелколистная, ольха черная, осина, пихта белокорая кавказская и маньчжурская, тополь черный. ясень;
  3. сильноусыхающие (коэффициент объемной усушки -0,47% и более) – березы, плакучая и белая, бук восточный, граб, лиственницы, сибирская и даурская, клен остролистый.

Напряжения, которые возникают без участия внешних сил, называют внутренними. Причина образования напряжений при сушке древесины- неравномерность распределения влаги.

  • Вначале испаряется влага с поверхостных слоев древесины. Если в поверхостных слоях влажность снизится за предел гигроскопичности, то происходит усушка. Однако из-за сопротивления более влажных внутренних слоев поверхостные слои усохнут не полностью.В результате этого в древесине появляются напряжения, растягивающие ее в поверхостных зонах и сжимающие во внутренних.
  • При снижении влажности за предел гигроскопичности во внутренней зоне она также начнет усыхать.Это приводит к тому, что растягивающие напряжения в поверхостной зоне уменьшатся. Однако полностью они не исчезают. Из-за остаточных удлинений в поверхостных зонах нормальная усушка внутренней зоны задерживается. Тогда во внутренней зоне появятся растягивающие напряжения, а в поверхостных зонах – сжимающие, т.е. напряжения переменят знак.
  • Если растягивающие напряжения достигнут предела прочности на растяжение поперек волокон, то могут возникнуть трещины в начале сушки на поверхности, а в конце – внутри.
  • При высыхании или увлажнении древесины изменяется форма поперечного сечения доски. Такое изменение формы называется короблением.
  • Разбухание вызывается увеличением линейных размеров и объема древесины, повышением содержания связанной влаги.

Плотность

  • Плотность зависит от влажности. Поэтому все показатели физико-механических свойств должны приводится к стандартной влажности 12%.
  • С увеличением влажности плотность древесины увеличивается. Например, плотность бука при влажности 12% составляет 670 кг/м, а при влажности 25-710 кг/м.
  • Между плотностью и прочностью существует тесная связь. Более тяжелая древесина , как правило , является более прочной.

По плотности при влажности 12% древесину можно разделить на три группы:

  1. породы малой плотности (510кг/м и менее): сосна, ель, пихта, кедр, тополь, липа, ива, ольха, каштан, орех манчжуйский, бархатное дерево);
  2. породы средней плотности (550-740 кг/м): лиственница, тис, береза, бук, вяз, груша, дуб, ильм. карагач, клен, платан, рябина, яблоня, ясень;
  3. породы высокой плотности (750 кг/м и выше): акация белая, береза железная, граб, самшит. саксаул, фисташка, кизил.

Древесину с высокой плотностью особенно ценят на производстве за ее прочность и хорошую обрабатываемость.

Теплопроводность, звукопроводимость, электропроводность

Теплопроводностью называется ее способность проводить тепло через свою толщину от одной поверхности к другой. Теплопроводность сухой древесины незначительна, что объясняется пористостью ее строения.

  • Звукопроводимость — свойство материала проводить звук с определенной скоростью. В ней быстрее всего звук распространяется вдоль волокон, медленнее – в радиальном и тангентальном направлениях. Звукопроницаемость древесины в продольном направлении в 16 раз, а в поперечном –в3-4 раза больше звукопроницаемости воздуха. Это отрицательное свойство требует при устройстве деревянных перегородок, потолков и т.д. применения звукоизолирующих материалов. Способность усиливать звук широко используется при изготовлении музыкальных инструментов. Наилучший тип для этого – древесина ели, пихты кавказской и сибирского кедра.
  • Электропроводность характеризуется ее сопротивлением прохождению электрического тока. Она зависит от породы, температуры, направления волокон и ее влажности.

Механические свойства

Механические свойства характеризуют способность древесины сопротивляться воздействию внешних сил (нагрузок). По характеру действия сил различают нагрузки статические, динамические, вибрационные и долговременные. Статическими называют нагрузки, возрастающие медленно и в полную силу. Вибрационными называют нагрузки, у которых меняются и величина, и направление. Долговременные нагрузки действуют в течение очень продолжительного времени. Динамические, или ударные, нагрузки действуют на тело мгновенно и в полную силу.

К механическим свойствам относятся прочность, твердость, деформативность, ударная вязкость.

  1. Прочность определяется ее сопротивлением действию механических сил: растяжению, сжатию, изгибу, скалыванию.
  2. Твердостью называется способность сопротивляться проникновению твердых тел. Она имеет существенное значение при обработке ее режущими инструментами: фрезеровании, пилении, лущении, а также в тех случаях, когда она подвергается истиранию при устройстве полов, лестниц, перил.
  3. Деформативностью называют способность древесины изменять свои размеры и форму при воздействии.
  4. Ударная вязкость характеризует способность поглощать работу при ударе без разрушения. Древесина лиственных пород в среднем имеет ударную вязкость в 2 раза большую, чем у хвойных пород.

Технологические свойства

Способность удерживать металлические крепления. При вбивании гвоздя в древесину перпендикулярно волокнам они частично перерезаются, частично изгибаются; волокна древесины раздвигаются и оказывают на боковую поверхность гвоздя давление, которое вызывает трение, удерживающее гвоздь в древесине.

Наибольшей способностью к гнутью обладают лиственные кольцесосудистые породы (дуб, ясень) и рассеянно-сосудистые( береза). У хвойных пород способность к гнутью невысокая. У влажной способность к гнутью выше, чем у сухой.

Износостойкость характеризуется ее способностью противостоять износу, т.е. разрушению в процессе трения.

Технологические свойства древесины

Применение древесины в качестве конструкционного материала обусловлено способностью сопротивляться действию усилий, т.е. механическими свойствами.

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 древесины определяют обычно при следующих видах испытаний: растяжении, сжатии, изгибе и сдвиге. Поскольку древесина — анизотропный материал, т.е. материал с различными 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.

Прочность древесины

Предел прочности определяют на малых, чистых и не имеющих пороках образцах в лабораториях на испытательных машинах. Эти образцы имеют базисное сечение с размерами20 * 20 мм и должны включать не менее 4-5 годичных слоёв. Некоторые виды испытаний производят на образцах, сечение которых отличается от указанного.

Прочность древесины при сжатии определяется на образцах призматической формы. Схема испытания на прочность при сжатии вдоль волокон и размер образца показаны на рисунке:

Образец постепенно нагружают до разрушения. Затем по силоизмерителю испытательной машины отсчитывают максимальную нагрузку Рмах, Н. Предел прочности б, МПа, вычисляют по формуле: бw = Pmax / (a * b), где (a * b) — площадь сечения образца, мм2.

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

Прочность при сжатии поперёк волокон определяется по схеме на рисунке. 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 деревьев он составляет 1/10 предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Испытания на прочность древесины при растяжении проводятся на образцах другого вида:

Такая форма образцов обусловлена стремлением обеспечить разрушение в тонкой рабочей части, а не в месте закрепления, под воздействием именно растягивающих напряжений.

В среднем для всех пород предел прочности при растяжении вдоль волокон равен 130 МПа, а предел прочности при растяжении поперёк волокон в 20 раз ниже. Поэтому при конструировании изделий из древесины избегают растягивающих нагрузок, направленных поперёк волокон.

Для испытания древесины на статический изгиб применяют образцы в форме бруска размерами 20 * 20 * 300 мм:

Предел прочности при статическом изгибе, МПа, вычисляют по формуле: бw = (3/2) * ((Pmax*l) / (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.

Читать еще:  Как защитить древесину от гниения?

В среднем предел прочности при статическом изгибе составляет 100 МПа.

При испытаниях к образцу прикладывают две равные и противоположно направленные силы, вызывающие разрушение в параллельной им плоскости, происходит сдвиг. Различают три вида испытаний на сдвиг: скалывание вдоль волокон, скалывание поперёк волокон и перерезание древесины поперёк волокон. Схемы действия сил при этих испытаниях показаны на рисунке:

Для испытания на скалывание вдоль волокон применяют образец, форма и размеры которого показаны на рисунке:

Предел прочности при скалывании вдоль волокон определяют по формуле: Tw = Pmax / (b * l), где (b * l) — площадка скалывания, мм2.

Величина предела прочности — касательных максимальных напряжений при скалывании вдоль волокон в среднем для всех пород составляет примерно 1/5 от предела прочности при сжатии вдоль волокон. Предел прочности при скалывании поперёк волокон в 2 раза меньше, а предел прочности при перерезании поперёк волокон в 4 раза больше, чем предел прочности при скалывании вдоль волокон.

Деформативность древесины

При кратковременных нагрузках в древесине возникают преимущественно упругие деформации, которые после нагрузки исчезают. До определённого предела зависимость между напряжениями и деформациями близка к линейной (закон Гука). Основным показателем деформативности служит коэффициент пропорциональности — модуль упругости.

Модуль упругости вдоль волокон Е = 12-16 ГПа, что в 20 раз больше, чем поперёк волокон. Чем больше модуль упругости, тем более жесткая древесина.

С увеличением содержания связанной воды и температуры древесины, жесткость её снижается. В нагруженной древесине при высыхании или охлаждении часть упругих деформаций преобразуется в «замороженные» остаточные деформации. Они исчезают при нагревании или увлажнении.

Поскольку древесина состоит в основном из полимеров с длинными гибкими цепными молекулами, её деформативность зависит от продолжительности воздействия нагрузок. Механические свойства древесины, как и других полимеров, изучаются на базе общей науки реологии. Эта наука рассматривает общие законы деформирования материалов под воздействием нагрузки с учётом фактора времени.

Эксплуатационные и технологические свойства древесины

Прочность древесины при длительных постоянных нагрузках важно знать в связи с применением её в строительных конструкциях. Показателем этого свойства является предел длительного сопротивления бд.с., который в среднем для всех видов нагрузки составляет примерно 0,5 — 0,6 величины предела прочности при кратковременных статических испытаниях.

Показателем древесной прочности при переменных нагрузках является предел выносливости, средняя величина которого составляет примерно 0,2 от статического предела прочности.

При проектировании деревянных конструкций в расчётах используют не пределы прочности малых образцов древесины, а в несколько раз меньшие показатели — расчётные сопротивления. Они учитывают большие размеры элементов конструкций, наличие пороков древесины, длительность действия нагрузки, влажность, температуру и другие факторы.

Удельная вязкость характеризует способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения и определяется при испытаниях на изгиб. Ударная вязкость у древесины лиственных пород в среднем в 2 раза больше, чем у древесины хвойных пород.

Твёрдость характеризует способность древесины сопротивляться вдавливанию более твёрдого тела. Испытания на статическую твёрдость проводят по схеме, показанной на рисунке:

Для испытания на твёрдость используют приспособление, которое имеет пуансон с полусферическим наконечником. Его вдавливают на глубину радиуса. После испытания в древесине остаётся отпечаток, площадь проекции которого при указанном радиусе полусферы составляет 100 мм2. Показателем статической твёрдости образца, Н/мм2, является усилие, отнесенное к этой площади. Статическая твёрдость торцевой поверхности выше, чем боковых поверхностей.

Все отечественные породы деревьев и кустарников по твёрдости торцевой поверхности при влажности 12% делят на 3 группы: мягкие (твёрдость 40 Н/мм2 и менее), твёрдые (41-80) и очень твёрдые (более 80 Н/мм2).

Ударную твёрдость определяют, сбрасывая стальной шарик диаметром 25 мм с высоты 0,5 м на поверхность образца, величена которого тем больше, чем меньше твёрдость древесины.

Износостойкость — способность древесины сопротивляться износу, т.е. постепенному разрушению её поверхностных зон при трении. Испытания на износостойкость древесины показали, что износ с боковых поверхностей значительно больше, чем с поверхности торцевого разреза. С повышением плотности и твёрдости древесины износ уменьшился. У влажной древесины износ больше, чем у сухой.

Уникальным свойством древесины является способность удерживать крепления: гвозди, шурупы, скобы, костыли и др. При забивании гвоздя в древесину возникают упругие деформации, которые обеспечивают достаточную силу трения, препятствующую выдёргиванию гвоздя. Усилие, необходимое для выдёргивания гвоздя, забитого в торец образца, меньше усилия, прилагаемого к гвоздю, забитому поперёк волокон. С повышением плотности сопротивление древесины выдергиванию гвоздя или шурупа увеличивается. Усилия, необходимые для выдёргивания шурупов (при прочих равных условиях), больше, чем для выдёргивания гвоздей, так как в этом случае к трению присоединяется сопротивление волокон перерезанию и разрыву.

Технологическая операция гнутья древесины основана на её способности сравнительно легко деформироваться при действии избегающих усилий. Способность гнуться выше у кольцесосудистых пород — дуба, ясеня и др., а из рассеянно-сосудистых — бука; хвойные породы деревьев обладают меньшей способностью к загибу. Гнутью подвергают древесину, находящуюся в нагретом и влажном состоянии. Это увеличивает податливость древесины и позволяет вследствие образования замороженных деформаций при последующем охлаждении и сушке под нагрузкой зафиксировать новую форму детали.

Для сравнительной оценки качества древесины используют так называемые удельные характеристики механических свойств, т.е. показатели ее механических свойств, отнесенные к единице плотности.

Удельная прочность при сжатии и статическом изгибе у хвойных пород выше, чем у лиственных. Значительно выше у хвойных пород и удельная жесткость. По остальным свойствам удельные характеристики у древесины лиственных пород выше, чем у хвойных.

Удельные характеристики древесины имеют особое значение, когда от изделия или конструкции требуется высокая прочность при малом весе. Это важно для транспортного машиностроения, авиастроения, судостроения и в других случаях.

Свойства древесины

Очень важную роль в строительстве играет качество материалов. Как и другие строительные материалы, древесина (любые пиломатериалы) различается по свойствам и характеристикам. Зависят эти характеристики от породы дерева, применяемого в качестве используемого материала. Для тех или иных задач и назначений подбирают соответствующие породы древесины, способные выполнять поставленные перед ними задачи.

Свойства относящиеся к древесине:

Плотность древесины

Что такое плотность древесины

Плотность древесины — это отношение массы древесины к объёму древесины, то есть плотность определяется массой древесного вещества в единице своего объёма. Выражается плотность в кг/м³.

Плотность древесины зависит от её влажности. Как и все остальные показатели физико-механических свойств древесины, она определяется при влажности 12 %. Между прочностью и плотностью существует тесная связь. Более тяжелая древесина, как правило, является более прочной. При определении плотности древесинного вещества его массу определяют взвешиванием, а объем рассчитывают по разнице объема образца древесины и объема жидкости, заполнившей пустоты в этом образце.

По плотности древесины при влажности 12 % все породы делят на три группы:

  • с малой плотностью (540 кг/м³ и меньше-) — бальза, ель, пихта, сосна, кедр, можжевельник, тополь, осина, ива, липа, ольха, каштан;
  • средней плотности (540. 740 кг/м³) — лиственница, берёза, бук, дуб, клён, ясень, орех грецкий, рябина, яблоня, груша, вяз (карагач), лещина;
  • высокой плотности (750 кг/м³ и более+) — акация, граб, береза железная, дуб, ясень, самшит, фисташка.

Необходимо отметить, что почти вся древесина у хвойных пород деревьев, за исключением лиственницы и некоторых видов сосны, имеет низкую плотность.

Твёрдость древесины

Твёрдость древесины, в первую очередь, зависит от породы. Условия роста дерева также влияют на этот показатель (одна порода древесины может иметь различную твердость в зависимости от окружающих природных условий, в которых росло конкретное дерево). Также на величину твердости влияет влажность древесины. В европейских странах и в России принято измерять твердость по методу Бринелля, в США — по методу Янка (Janka). Твердость древесины в пределах одной породы может отличаться в зависимости от распила (У торцовой поверхности твердость выше, чем у тангенциальной и радиальной в среднем на 30 % у лиственных и на 40 % — у хвойных пород.).

Суть метода Бринелля заключается в способности древесины сопротивляться внедрению (вдавливанию) в неё более твёрдого тела (индентора). При измерениях по Бринеллю используются инденторы в виде шариков из закалённой стали. Первоначально индентор устанавливают на проверяемом образце древесины, следом прилагается основная нагрузка. Спустя определенное время после приложения, нагрузку снимают и измеряют глубину оставшегося на дереве отпечатка. Рассчитывают твёрдость древесины по Бринеллю таким образом: приложенную нагрузку делят на площадь поверхности отпечатка, при этом соответствующими нормативными документами определены диаметры индентора и время экспозиции.

При методе Янка также используется индентор в виде металлического шарика, однако оценивается не глубина вдавливания, а сила, которую надо приложить, чтобы вдавить шарик в древесину на половину диаметра.

Все древесные породы по твёрдости делят на три группы:

  1. мягкие породы (торцовая твёрдость равна или меньше 38,5 Мпа). К мягкой древесине относят: ель, сосну, кедр, пихту, тополь, липу, осину, ольху.
  2. твёрдые (торцовая твёрдость породы древесины от 38,5 до 82,6 МПа). К этой группе относятся: берёза, лиственница сибирская, бук, клён, карагач, ясень, яблоня.
  3. очень твёрдые (торцовая твёрдость более 82,6 МПа). В эту группу входят: акация белая,керуинг, берёза железная, самшит, кизил.

Влажность древесины

Влажность это соотношение массы влаги (воды), находящейся в данном объёме древесины, к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах ( % ). В древесине вода пропитывает клеточные оболочки и заполняет полости клеток и межклеточные пространства. Влага, пропитывающая клеточные оболочки, называется связанной. Влага, заполняющая полости клеток и межклеточные пространства, называется свободной.

Различают следующие степени влажности древесины:

Мокрая — длительное время находящаяся в воде. Влажность мокрой древесины выше 100 %.

Свежесрубленная (свежепил) — влажность такой древесины от 50 до 100 %.

Воздушно-сухая — к этой категории относится древесина долгое время хранившаяся на воздухе. Её показатели влажности зависят от влажности окружающего воздуха, но в среднем находятся в пределах от 20 до 35 %.

Базовая (влажность 15 — 20 %) в зависимости от климатических условий и времени года, такая древесина показывает содержание влаги от 15 до 20 %.

Комнатно-сухая влажность 8 — 12 %

Абсолютно сухая влажность 0 %, древесина высушена при температуре t = 103°C.

Содержание влаги в стволе растущего дерева изменяется по высоте и радиусу ствола, а также в зависимости от времени года. Например, влажность заболони сосны в 3 раза выше влажности ядра. У лиственных пород изменение влажности по диаметру более равномерное. По высоте ствола влажность заболони у хвойных пород увеличивается вверх по стволу, а влажность ядра не изменяется. У лиственных пород влажность заболони не изменяется, а влажность ядра вверх по стволу снижается.

Читать еще:  Обработка древесины под старину

Влажность у молодых деревьев выше и её колебания в течение года больше, чем у старых деревьев. Наибольшее количество влаги содержится в зимний период (ноябрь-февраль), минимальное – в летние месяцы (июль-август).

КОЭФФИЦИЕНТЫ УСУШКИ ДРЕВЕСИНЫ, %

Порода Усушка
объёмная в тангенциальном направлении в радиальном направлении
Лиственница 0,52 0,35 0,19
Сосна 0,44 0,28 0,17
Ель 0,43 0,28 0,16
Пихта 0,39 0,28 0,11
Кедровая сосна 0,37 0,26 0,12
Берёза 0,54 0,31 0,26
Бук 0,47 0,32 0,17
Ясень 0,45 0,28 0,18
Осина 0,41 0,28 0,14

Усушка, разбухание и коробление древесины

Усушка — это уменьшение объёма древесины и линейных размеров при удалении из неё связанной влаги. Удаление свободной влаги не вызывает усушки. Она начинается только после полного удаления свободной влаги в момент начала удаления влаги связанной. Чем больше клеточных стенок в единице объёма древесины, тем больше в ней связанной воды и выше усушка.Усушка древесины не одинакова в разных направлениях: в тангенциальном направлении в 1,5 — 2 раза больше чем в радиальном.

В среднем линейная усушка древесины наиболее большинства пород в тангенциальном направлении составляет 8 — 10 %, в радиальном 3 — 7 %, а вдоль волокон 0,1 — 0,3 %. Полная объёмная усушка находится в пределах 11 — 17 %. Усушка древесины учитывается при распиловке брёвен на доски (припуски на усадку), при сушке пиломатериалов и т.д.

При сушке в древесине, вне зависимости от участия внешних нагрузок, возникают внутренние напряжения. Они образуются в результате неодинаковых изменений объёма тела при сушке (сушильные напряжения), пропитке и в процессе роста дерева. Полные сушильные напряжения удобно представить, как совокупность двух составляющих — влажностных и остаточных напряжений.

Влажностные напряжения вызваны неоднородной усушкой материала. В поверхностных слоях древесины, где влажность ниже, чем в центре, из-за стеснения свободной усушки возникают растягивающие напряжения, а во внутренних — сжимающие. Остаточные напряжения обусловлены появлением в древесине неоднородных остаточных деформаций. Остаточные напряжения, в отличие от влажностных, не исчезают при выравнивании влажности в доске и наблюдаются как во время сушки, так и после её полного завершения.

Если растягивающие напряжения достигают предела прочности древесины на растяжение поперёк волокон, появляются трещины. Так появляются поверхностные трещины в начале сушки и внутренние в конце сушки.

Наличие различных напряжений внутри древесины может привести к её короблению.

Коробление — это изменение формы древесины при сушке, хранении, и выпиловке. Чаще всего коробление происходит из-за различной степени усушки по разным структурным направлениям. Коробление может возникать и при механической обработке сухих пиломатериалов: при несимметричном строгании, ребровом делении из-за нарушения равновесия остаточных напряжений.

Разбухание — это увеличение линейных размеров и объёмов древесины при повышении содержания связанной влаги. Оно происходит при увлажнении древесины и представляет собой явление, обратное усушке. Разбухание наблюдается при увеличении влажности до предела гигроскопичности. Наибольшее разбухание происходит по ширине волокон (тангенциально), наименьшее – вдоль волокон.

Разбухание, также как и усушка — отрицательные свойства древесины. Однако в некоторых случаях оно играет положительную роль, например, обеспечивает плотность соединений в лодках или винных бочках.

Породы, свойства и характеристики древесины как строительного материала

Если рассматривать дерево, как строительный материал, с учетом комплекса механических, технологических, эстетических и экологических характеристик, у него явно нет конкурентов.

Натуральное дерево обладает привлекательными для человека качествами: низкой теплопроводностью, способностью поддерживать оптимальный уровень влажности, уничтожать в помещении вредные вещества, возможностью быстрого прогрева и сохранения комфортного климата внутри помещения в любое время года.

Древесина — плотный материал, из которого в основном состоят ствол, корни и ветви дерева.

Использование стволов хвойных пород:

1. Дрова;

2. Промышленная древесина;

3. Вершинный отруб (очень сучковатый) для брусков;

4. Серединный отруб (сучковатый) для брусьев, пластин, досок;

5. Нижний (комлевый) отруб почти без сучков для пластин, досок;

6. Подпил или подруб, который делается со стороны падения ствола;

7. Основной пропил напротив и несколько выше пропила (подруба);

8. Пень

Описание пород

Хвойные породы

Сосна занимает около 1/6 площади всех лесов России. Более распространенной породой является сосна обыкновенная. Она произрастает в Крыму и на Кавказе.

Древесина сосны достаточно мягкий материал. Хорошо обрабатывается. Используется для изготовления оконных, дверных блоков, мебели, лестничных маршей.

Ель занимает 1/8 часть покрытой лесом площади .

Древесина ели из-за большей сучковатости обрабатывается несколько хуже. Преимущества ее — однородность строения, белый цвет и малая смолистость.

Применяется в строительстве для изготовления оконных и дверных блоков, досок для покрытия полов, плинтусов, наличников, обшивки и раскладки, для изготовления бытовой мебели.

Ели используется для получения драни, гонта, стружки для упаковок яиц. Из коры ели получают дубильные материалы для кожевенной промышленности.

Лиственница занимает около 2/3 площади всех лесов нашей страны.

Древесина лиственницы имеет высокие физико-механических свойства: плотность и прочность ее древесины почти на 30 % выше, чем древесины сосны. Она обладает высокой стойкостью против гниения. Древесина лиственницы тяжелая.

Древесину лиственницы используют в случаях, когда требуется высокая прочность и стойкость против гниения (гидротехнические сооружения, сваи, столбы, связи, шпалы, рудничная стойка). В вагоностроении древесину лиственницы иногда применяют вместо древесины дуба. Используют ее в мебельном производстве, так как она имеет красивую текстуру.

Пихта. Древесина пихты обладает наиболее высокими физико-механическими свойствами пи не уступает древесине ели.

Древесину пихты используют наравне с древесиной ели.

Кедр. По физико-механическим свойствам древесина кедра занимает промежуточное положение между древесиной сибирской ели и пихты, но по стойкости против гниения превышает их.

Древесина кедра хорошо обрабатывается в разных направлениях; используется для производства карандашей, в столярно-мебельном производстве, для изготовления шпал, рудничной стойки и др.

Тис. Древесина тиса имеет красивый внешний вид и поэтому ценится в мебельном производстве, используется для внутренней отделки помещений, изготовления токарных и резных изделий, мелких художественных изделий.

Лиственные породы

Кольцесосудистые лиственные породы.

Дуб произрастает отдельными массивами на территории европейской части России, а также в Крыму и на Кавказе.

Древесина дуба характеризуется высокой прочностью и стойкостью против гниения, способностью к гнутью, красивой текстурой и цветом.

Древесина дуба используется в столярно-мебельном, паркетном и фанерном производствах. Высокая прочность и способность к гнутью обусловливают применение дуба в вагоно-, судо-, обозостроении, для изготовления клепки для бочек. Отходы дуба и дрова используют для дубильно-экстрактного производства.

Ясень обыкновенный произрастает в средней и южной полосе европейской части России, на Кавказе, в Крыму. Древесина ясеня отличается высокой прочностью и вязкостью, малой склонностью к растрескиванию, красивой текстурой.

Применяется наравне с древесиной дуба. Высокая ударная вязкость, способность к гнутью обусловливают применение ее для производства спортивного инвентаря (лыж, весел, теннисных ракеток), в обозо-, судо-, вагоно-, авиа- и автостроении, для изготовления лестничных перил и рукояток инструментов и др.

Вяз произрастает на европейской территории России. Древесина его довольно тяжелая, прочная, вязкая, хорошо обладает гнутостью. Применяют ее в основном в обозостроении для изготовления обода, полоза, дуг; в вагоно- и машиностроении (винты) и в столярно-мебельном производстве.

Ильм произрастает на европейской территории России и на Дальнем Востоке. Красивая текстура древесины ильма ценится в мебельном и фанерном производствах.

Карагач произрастает в южной полосе европейской части России, в Крыму, на Кавказе.

Карагач — ядовитая порода с узкой желтовато-бурой заболонью и коричневато-бурым ядром. Древесина его похожа на древесину ильма, поэтому области применения практически одинаковы.

Рассеянно-сосудистые лиственные породы с мягкой древесиной

Береза растет повсеместно.

Древесина березы применяется для производства лущеного шпона, фанеры, лож охотничьих ружей, лыж и древеснослоистых пластиков, древесностружечных и древесноволокнистых плит, целлюлозы, паркета, в строительстве и др. Из коры березы получают деготь.

Наросты и капы березы используют в качестве облицовочного материала в производстве мебели.

Высоко ценится и применяется при изготовлении сувениров, художественной мебели.

Тополь. Древесина у тополя мягкая, мало стойкая против гниения. Применяется в производстве целлюлозы, для изготовления долбленых лодок, корыт, деревянных лопат, деревянной посуды.

Кора осокоря (балабера) применяется для изготовления поплавков к рыболовным сетям.

Осина. Применение осины ограничивается наличием в древесине ядровой гнили. Основное применение древесины осины — в спичечной промышленности, для получения вискозы (искусственный шелк). Из древесины осины изготавливают игрушки, посуду, древесную стружку, кровельную плитку, дрань и стружку, гонт, кровельную стружку и пр.

Ольха. Растет на сильно увлажненных почвах. Свежесрубленная древесина ольхи белого цвета на воздухе быстро краснеет.

Древесина ольхи мягкая, легкая, однородного строения. Применяется в фанерном, столярно-мебельном производстве, а также для производства ящичной тары.

Липа. Древесина липы мягкая, легкая, однородного строения, хорошо режется, мало трескается и коробится. Малая формоизменяемость древесины липы обусловливает применение ее для изготовления чертежных досок, моделей в литейном деле. Резных изделий, деревянной посуды, карандашей; из липы изготавливают тару под пищевые продукты (мед), древесную стружку, игрушки; из коры липы получают мочало.

Рассеянно-сосудистые лиственные породы с твердой древесиной

Бук произрастает на Кавказе и в Крыму, в Белоруссии.

Древесина бука очень прочная, с красивой текстурой на радиальном разрезе, хорошо гнется, подвержена загниванию. Из древесины бука изготавливают гнутую мебель, клепку для бочек под сливочное масло и нефтепродукты, паркетный фриз, строганый шпон, чертежные принадлежности (линейки, треугольники), сапожные колодки, корпуса для столярного инструмента, применяют ее в обозо- и машиностроении.

Древесина бука — ценное сырье для сухой перегонки, так как дает высокие выходы уксусной кислоты и креозота.

Орех произрастает на Кавказе и Дальнем Востоке. Древесина ореха довольно тяжелая, твердая и прочная, имеет красивый цвет и текстуру. Она хорошо обрабатывается, полируется и поэтому высоко ценится в мебельном и фанерном производстве; идет на внутреннюю отделку помещений, изготовление токарных и резных изделий, лож охотничьих ружей.

Граб обыкновенный произрастает в Крыму и на Кавказе. Древесина граба очень тяжелая, твердая, хорошо сопротивляется истиранию, при высыхании коробится и растрескивается.

Применяется в машиностроении (изготавливают винты. Шестерни, погонялки для ткацких станков, рукояти инструментов), для изготовления токарных изделий, сапожных гвоздей.

Клен произрастает на Кавказе, в Крыму и на Украине. Древесина клена твердая, плотная, тяжелая и прочная. Применяют ее в мебельном производстве, музыкальной промышленности, машиностроении (детали текстильных машин); из клена изготавливают колодки рубанков, сапожные колодки и др.

Груша произрастает в средней и южной полосе европейской части России, в Крыму и на Кавказе. Древесина груши твердая, тяжелая, однородного строения. Хорошо обрабатывается и полируется, имитируется под черное дерево. Используется для изготовления высококачественной мебели, музыкальных инструментов. Строганого шпона. Она мало коробится и из нее изготавливают чертежные принадлежности (линейки, лекала), оправы для оптических приборов.

Платан или чинара, произрастает на Кавказе и в Закавказье. Древесина платана используется в мебельном производстве в качестве отделочного материала и для изготовления различных художественных изделий.

Самшит произрастает на Черноморском побережье Кавказа и в Крыму. Древесину самшита применяют для изготовления духовых инструментов (флейты), ткацких челноков, гравировальных досок, пуговиц, резных и токарных изделий.

Рябина произрастает в России повсеместно. Древесина плотная, тяжелая, твердая и прочная, хорошо сопротивляется ударам. Древесина рябины применяется для изготовления рукояток к ударным инструментам, токарных изделий и др.

Иноземные породы

Секвойя произрастает в основном в Северной Америке. Это самое крупное дерево на земном шаре, отличается большой долговечностью. Сохранились деревья, имеющие высоту 120 метров и диаметр в комле 15 метров в возрасте 6000 лет. Разводится и хорошо культивируется на южном берегу Крыма и Черноморском побережье Кавказа.

По физико-механическим свойствам секвойя близка к древесине ели, но более стойкая против гниения. Применяется древесина секвойи в мебельном производстве, для отделки вагонов, кают, в карандашном производстве.

Красное дерево. Под названием красного дерева в международной торговле идет древесина ряда древесных пород, дающих древесину красного цвета различных оттенков.

Наиболее распространенная порода по красоте и цвету древесины — американское махагони, произрастающее в Центральной Америке.

Древесина махагони отличается высокими механическими свойствами, почти не коробится и не растрескивается, хорошо полируется. Применяется для изготовления высококачественной мебели, внутренней отделки пассажирских вагонов, пароходных кают.

Черное дерево. Под этим названием в торговле идут породы, дающие древесину черного цвета. Один из лучших сортов — индийское черное, или эбеновое, дерево, произрастающее в Индии.

Применяют эту древесину для изготовления деревянных духовых инструментов, клавишей роялей и пианино, для инкрустаций в мебельном производстве.

Бакаут — вечнозеленое дерево, произрастающее в тропической зоне.

Древесина бакаута очень плотная, твердая, тяжелая, с запахом ванили. Она трудно поддается обработке, трудно раскалывается. В древесине бакаута содержится до 26% смолы и около 3% слизистых веществ. Которые с водой дают эмульсию и тем самым уменьшают трение.

Древесина бакаута применяется для изготовления деталей машин, от которых требуется твердость и высокое сопротивление истиранию.

Палисандр. Древесина очень тяжелая, мало усыхает, хорошо полируется. Применяют ее для изготовления пианино, художественной мебели, наборного паркета.

Каждая порода дерева обладает механическими свойствами и характеризуется способностью древесины сопротивляться воздействию внешних сил , а также технологическими свойствами.

К механическим свойствам древесины относятся: прочность, твердость, ударная вязкость (табл. 1)

Древесные породы

Плотность

кг/м 3

(при 12% влажности)

Предел прочности, МПа

Торцовая твердость, МПа

Ударная вязкость, Дж/м 2 (при 12% влажности)

Технологические, физические и механические свойства древесины

Натуральное дерево имеет привлекательные качества. Это низкая теплопроводность, поддержание оптимального уровня влажности, быстрый прогрев и поддержка комфортного климата в помещениях. Из древесины делают мебель, используют ее для отопительных целей. Происходит это благодаря уникальным характеристикам и свойствам древесины.

Основные свойства и характеристики древесины

Свойства древесины можно подразделить на четыре вида:

  • физические. Они характеризуются плотностью, весом, проницаемостью и способностью сопротивления агрессивным воздействиям внешней эксплуатационной среды;
  • химические характеризуются показателями стойкости при действии химических реагентов, способствующих разрушению материала;
  • механические свойства оцениваются способностью сопротивления сжатию и растяжению. Стойкостью к ударам и другим видам силовых воздействий;
  • технологические свойства указывают на способность древесины удерживать крепления.

Исходя из этих свойств, определяют сферу их применения. При рассмотрении древесины с учетом комплекса всех характеристик, явно видно, что у нее нет конкурентов.

Плотность и коэффициент плотности

Каждая порода дерева обладает различным коэффициентом плотности. Он зависит от влажности древесины. Плотность древесины представляет объемную массу. Для ориентировочных расчетов можно воспользоваться специальной таблицей.

Средние показатели плотности различных пород древесины

Древесные породы Плотность кг/м3 (при влажности 12%)
Ель 445
Пихта 375
Береза 650
Лиственница 660
Сосна 500
Ясень 680
Граб 800
Дуб 690

Строение древесины

Различают два понятия: «дерево» и «древесина». Живое, растущее дерево состоит из корня, ствола и ветвей с листьями или хвоей.

Древесина — ткань дерева, она получается при распиливании его частей. Ствол дает основную массу древесины. Он подразделяется на вершину и комель.

В центре находится сердцевина. Она рыхлая и мягкая. От сердцевины расходятся лучи. По этим лучам древесина может растрескиваться при высыхании.

Вокруг сердцевины находится – спелая древесина. Она имеет большую прочность.

Древесина, находящаяся ближе к коре, называется заболонью. Она менее прочная, имеет большую влажность, имеет сильную усушку и коробится.

Из чего состоит древесина наглядно показано на картинке

Химический состав

Сухая древесина состоит из углерода, кислорода и водорода, из которых образуются сложные органические вещества:

  • Целлюлоза. Это очень стойкое вещество не растворяется в воде и в органических растворителях. Из нее делают множество различных материалов: бумагу, вату, целлофан, лаки, искусственные волокна, порох и другие материалы.
  • Лигнин и гемицеллюлоза – полимеры ароматической природы. Из них получают этиловый спирт, сухой лед, кормовые дрожжи, ванилин.
  • Остальной состав – это дубильные вещества и смолы.

Цвет древесины важен при выборе материала для изготовления мебели, при производстве художественных поделок, для отделки интерьеров. Древесина имеет самые разнообразные цвета и оттенки. Даже в одной доске может сочетаться несколько цветов. Интенсивность окраски может увеличиваться с возрастом дерева. Изменение цвета свидетельствует о загнивании древесины, поражении грибами.

Цвет древесины легко установить с помощью атласа цветов. Также можно воспользоваться визуальными и фотоэлектрическими колориметрами.

Пример каталога цветов древесины

Естественная влажность

Для древесины различных пород естественная влажность колеблется от 23 до 35 % . Показатели влажности сосны, выросшей в сухом месте и ели, которая росла в заболоченном месте, сильно отличаются.

Влажность измеряют с помощью:

  • электровлагомера. Этот специальный прибор имеет металлические датчики с острыми концами. Их острия вонзают в исследуемый образец, после чего включают ток. На шкале прибора можно увидеть результат.
  • Номограмм. Они дают более точные результаты.
  • Взвешиванием. Для этого берут образец древесины, высушивают его и взвешивают.

Помимо сушки воду можно удалять с помощью прессования.

Вес куба древесины

Вес древесины является отличительным признаков пород. Для удобства расчетов пользуются онлайн кубатурником. Это специальная таблица со встроенным механизмом расчета. Чтобы узнать вес дерева, надо набрать его породу, влажность и указать требуемое количество древесины в кубометрах. Встроенный механизм рассчитает вес.

Удельный и объемный вес

Удельный вес древесины учитывается без содержания влаги и воздуха. Это очень нестабильная величина. Рассчитывают его специальной таблице. На практике чаще пользуются объемным весом древесины. Его измеряют килограммами веса на кубометр. Этот вес учитывается с содержащимся в древесине воздухом и водой. Показатели объемного веса постоянно меняются и обязательно учитываются при переработке отходов древесины.

Модуль упругости

Модули упругости – это важные расчетные величины. Они характеризуют жесткость материала, способность менять форму под действием механического сопротивления. Определить модуль упругости очень сложно, для этого нужны сверхточные приборы.

Расчетное сопротивление изгибу

Расчетное сопротивление древесины измеряется в кг/см?. Эти параметры необходимо знать при проектировании деревянных конструкций. Они имеют разные значения под воздействием различных нагрузок. В расчетных сопротивлениях учитывается снижение прочности древесины.

Прочность

Прочность указывает на способность древесины сопротивляться разрушениям под действием нагрузок. Испытания на прочность проводят стандартными методами на образцах древесины, не имеющих пороков. При проведении испытаний выявляют действий сил на растяжение, изгиб, сжатие и скалывание.

Показатели прочности на сжатие различных пород древесины

Порода Предел прочности при сжатии вдоль волокон, МПа Предел прочности при сжатии вдоль волокон, МПа
При влажности, % 12 30 и более
Лиственница 64,5 25,5
Сосна 48,5 21,0
Ель 44,5 19,5
Кедр 42,0 18,5
Пихта сибирская 39,0 17,5
Акация белая 77,5 41,5
Граб 60,0 26,5
Клен 59,5 28,0
Ясень 59,0 32,5

Твердость по Бринеллю

Твердость древесины у нас в стране указывают по шкале Бринелля. Твердость древесины характеризуется ее способностью сопротивляться внедрению твердого тела. Чем выше твердость, тем сложнее обработка.

Чтобы определить твердость берут образец древесины и стальной шар, который вдавливают в образец течение 30 секунд с силой 100 кг. После вдавливания замеряют углубление и рассчитывают показатель по шкале Бринелля.

Таблица твердости некоторых пород древесины по Бринеллю (кгс/мм?)

Акация 7.1
Береза 3.5
Бук 3.8
Дуб 3.7
Клен 4.1
Лиственница 2.5
Ольха(Alnus) 3.0
Ясень(Ash) 4.0

В таблице приведены усредненные значения. Твердость древесины зависит от множества условий, поэтому разброс значений бывает очень значительный.

Нормы по ГОСТу

Все древесные пиломатериалы должны соответствовать ГОСТам, в которых прописаны основные параметры и размеры. По согласованию с потребителем на внутреннем рынке допускаются небольшие отклонения.

Теплопроводность

Коэффициент теплопроводности древесины независимо от породы невысокий. Чем плотнее древесина, тем выше теплопроводность.

Сравнение показателей теплопроводности бруса и кирпичной кладки

Удельная теплота сгорания древесины

Удельная теплота сгорания измеряется в Дж/м?. Чтобы измерить эту величину пользуются методами калориметрии. Удельный расход топлива получается меньше, если удельная теплота его сгорания высокая

Для отопления лучше использовать древесину твердых пород с высокой удельной теплотой сгорания. Она медленно разгорается, зато потом горит спокойным мощным пламенем. Древесина мягких пород имеет низкую удельную теплоту сгорания.

Температура горения

Температурой воспламенения (возгорания) называется низшая температура нагрева древесины до самовоспламенения. Древесина относится к сгораемым материалам — она легко воспламеняется и быстро распространяет огонь. Температура самовоспламенения древесины от 210—300°.

Гигроскопичность

Древесина – гигроскопический материал. Она изменяет свою влажность при изменении состояния окружающей среды. После длительной выдержки во влажной среде древесина приобретает устойчивую влажность.

Зольность

Зола – нежелательная часть топлива, она затрудняет эксплуатацию топочных устройств. В золе содержится множество микроэлементов, поэтому она используется для удобрения почвы. Зольность определяют путем сжигания предварительно высушенной древесины в платиновом тигле. Ее прокаливают в муфельной печи. После этого золу остужают и тигель помещают в эксикатор с безводным глиноземом и взвешивают.

Зольность элементов коры варьируется от одного до восьми процентов, различных пород на сухую массу. Зольность элементов кроны зависит от породы древесины и места произрастания. Зольность листьев составляет – 3,5%. У веток и сучьев внутренняя зольность составляет от 0,3 до 0,7%.

Паспорт (сертификат) на древесину

Российское законодательство не обязывает проводить обязательную сертификацию пиломатериалов. Но производители, планирующие участвовать в тендерах или экспортировать свою продукцию, могут оформить добровольный сертификат. Он гарантирует качество и безопасность продукции. Заказчик сертификата на пиломатериалы может самостоятельно выбирать параметры лабораторных испытаний.

В завершении, можно посмотреть учебный фильм, который еще раз расскажет о свойствах древесины:

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector