Тепловые свойства древесины

Тепловые свойства древесины

К теплофизическим свойствам древесины относятся теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение. Теплоемкость- представляющая собой количество теплоты, необходимое для того, чтобы нагреть 1 кг массы материала на на 1 °С. Удельная теплоемкость измеряется в кДж/(кг°С). Процессы распространения (переноса) тепла в материале характери­зуются — коэффициентами теплопроводности и температуропроводности. Первый из них входит в уравнение стационарного теплообмена

устанавливающее связь между количеством теплоты Q, распространяю­щейся внутри тела, и площадью сечения F, перпендикулярного тепловому потоку, временем т, перепадом температур At на двух изотермических поверхностях, а также расстоянием между ними Ах. Коэффициент теплопроводности X численно равен количеству теплоты, прохо­дящей в единицу времени через стенку из данного материала площадью 1 м 2 и толщиной 1 м при разности температур на противоположных сторо­нах стенки в 1 °С. Коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/(м-°С). Второй из указанных выше показателей, характеризует скорость из­менения температуры материала при нестационарном теплообмене (нагре­вании или охлаждении). Коэффициент температуропровод­ности а определяет инерционность материала, т. е. его способность выравнивать температуру. Показатель а, м 2 /с, численно равен отношению ко­эффициента теплопроводности к теплоемкости единицы объема материала:

где р — плотность, кг/м 3 . Экспериментально удельную теплоемкость материала определяют калориметрами.

Теплоемкость древесины.Сухая древесина представляет собой двухфазную систему, включающую в себя древесинное вещество и воздух. Однако доля воздуха (по массе) в древесине крайне мала, и теплоемкость сухой древесины практически равна теплоемкости древесинного вещества. Поскольку состав древесинного вещества у всех пород одинаков, удельная теплоемкость древесины не зависит от породы и по современным данным при О°С для абсолютно сухой древесины равна 1,55 кДж/кг°С. С повышением температуры удельная теплоемкость древесины несколько воз­растает по линейному закону и при 100 °С увеличивается примерно на 25 %. Значительно сильнее влияет на теплоемкость увлажнение древесины. Например, увеличение влажности древесины от 0 до 130 % приводит к по­вышению теплоемкости примерно в 2 раза. Теплопроводность древесины. На способность древесины прово­дить тепло оказывает влияние ее плотность. Ловецкий рассчитал коэффициент теплопроводности древесинного вещества, рассматривая древесину как набор пустотелых стержней прямоугольного сечения и используя экспериментальные данные о теплопроводности древесины березы. Увеличение плотности сухой древесины, приводит к возрас­танию теплопроводности древесины. Это объясняется тем, что древесин­ное вещество имеет примерно в 20 раз больший коэффициент теплопроводности, чем воздух. Можно рассчитать теплопроводность древе­синного вещества по теплопроводности древесины, вдоль волокон, полагая, что тепло передается параллельно по клеточным стенкам и возду­ху, заключенному в полостях клеток. Поскольку микрофибриллы ориентированы преимущественно вдоль оси клеток, теплопроводность в этом направлении примерно в 1,5-2 раза выше, чем в поперечном направлении. Поздняя древесина, особенно у хвойных пород, более плот­ная, чем ранняя. Уве­личению теплопроводности в радиальном направлении способствуют сердцевинные лучи с преимущественным расположением микрофибрилл вдоль длины луча. Повышение температуры влажной древесины приводит к еще боль­шему увеличению теплопроводности.

Температуропроводность древесины.Увеличение содержания свободной воды (W > W_{n и}) приводит к резкому падению температуропроводности, потому, что воздух в полостях клеток замещается водой, имеющей примерно в 150 раз меньший коэффициент температуропроводности. Влияние влажности на величину а практически не наблюдается. Это объясняется тем, что воздуха в клеточных стенках почти нет, и влажная клеточная стенка состоит из двух фаз — древесинного вещества и воды, коэффициенты температуропроводности которых до­вольно близки.

Тепловое расширение древесины.При нагревании твердых мате­риалов происходит увеличение их объема. Ко­эффициент линейного теплового расширения а представляет собой изме­нение единицы длины тела при нагревании его на 1 °С. Наименьший коэффициент линейного расширения в направлении вдоль волокон. Тепловое рас­ширение поперек волокон значительно больше, причем в тангенциальном направлении оно обычно в 1,5-1,8 раза выше, чем в радиальном. Коэффициент линейного расширения вдоль волокон древесины составляет 1/3 — 1/10 коэффициен­тов теплового расширения металлов, бетона и стекла. При нагревании влажной древесины вы­званного повышением температуры, одновременно происходит значитель­но большая влажностная деформация. Изменение влажности на 1 % в об­ласти ниже W_n „ вызывает деформацию в десятки раз большую, чем изме­нение температуры на 1 °С, Таким образом, усушка и разбухание маски­руют чисто температурные деформации древесины поперек волокон. Если повышается температура свежесрубленной древесины, находящейся в во­де, то при первом нагреве происходит увеличение размеров в тангенциаль­ном направлении и сокращение их в радиальном. При последующих нагре­ваниях наблюдается некоторое уменьшение размеров в обоих направлени­ях. Причина увеличения деформации при первом нагреве, очевидно, за­ключается в снятии внутренних напряжений роста. В растущем дереве в тангенциальном направлении действуют сжимающие напряжения, поэтому при снятии их обнаруживается удлинение образца в этом направлении. В радиальном направлении происходит обратное явление.

№20

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Тепловые свойства древесины

К теплофизическим свойствам древесины относятся теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение.

Известно, что теплоемкость материала характеризует его способ­ность аккумулировать тепло. Показателем этого свойства является удельная теплоемкость с, представляющая собой количество теплоты, необходимое для того, чтобы нагреть 1 кг массы материала на 1 К (или на 1°С). Удельная теплоемкость измеряется в кДж/(кг·°С).

Процессы распространения (переноса) тепла в материале характери­зуются — коэффициентами теплопроводности и температуропроводности. Первый из них входит в уравнение стационарного теплообмена

, (56)

устанавливающее связь между количеством теплоты Q, распространяю­щейся внутри тела, и площадью сечения F , перпендикулярного тепловому потоку, временем τ, перепадом температур Δt на двух изотермических поверхностях, а также расстоянием между ними Δх. Коэффициент теплопроводности λ, численно равен количеству теплоты, прохо­дящей в единицу времени через стенку из данного материала площадью 1 м 2 и толщиной 1 м при разности температур на противоположных сторо­нах стенки в 1 °С. Коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/(м-°С). При стационарном теплообмене температурное поле в материале остается постоянным во времени.

Второй из указанных выше показателей, характеризует скорость из­менения температуры материала при нестационарном теплообмене (нагре­вании или охлаждении). Коэффициент температуропровод­ности а определяет инерционность материала, т. е. его способность выравнивать температуру. Показатель а, м 2 /с, численно равен отношению ко­эффициента теплопроводности к теплоемкости единицы объема материала:

, (57)

где ρ — плотность, кг/м .

Экспериментально удельную теплоемкость материала определяют калориметрами. Также прямым методом можно установить коэффициент теплопроводности при стационарном потоке тепла. Однако для древесины, особенно влажной, более удобны нестационарные методы. Один из таких методов, основанный на использовании «мгновенного» источника тепла, достаточно подробно описан в учебном пособии [63].

Теплоемкость древесины. Сухая древесина представляет собой двухфазную систему, включающую в себя древесинное вещество и воздух. Однако доля воздуха (по массе) в древесине крайне мала, и теплоемкость сухой древесины практически равна теплоемкости древесинного вещества.

Поскольку состав древесинного вещества у всех пород одинаков, удельная теплоемкость древесины не зависит от породы и по современным данным [76] при 0°С для абсолютно сухой древесины равна 1,55 кДж/кг·°С. С повышением температуры удельная теплоемкость древесины несколько воз­растает по линейному закону и при 100 °С увеличивается примерно на 25 %.

Значительно сильнее влияет на теплоемкость увлажнение древесины. Например, увеличение влажности древесины от 0 до 130 % приводит к по­вышению теплоемкости примерно в 2 раза.

Одновременное влияние температуры и влажности на теплоемкость древесины можно проследить по диаграмме (рис. 36), построенной П.С. Сер-говским по данным К.Р. Кантера. На этой же диаграмме представлены зна­чения теплоемкости при отрицатель­ных температурах. Замораживание сырой древесины приводит к умень­шению теплоемкости, так как лед имеет вдвое меньшую теплоемкость, чем вода.

Однако главным фактором, влияющим на теплоемкость мерзлой древесины, является не влажность, а температура [74].

Теплопроводность древесины. На способность древесины прово­дить тепло оказывает влияние ее плотность.

На рис. 37 показан график зависимости между коэффициентом теп­лопроводности древесины поперек волокон λ_┴ и ее плотностью в абсо­лютно сухом состоянии ρ₀, построенный автором по данным отечествен­ных и зарубежных исследователей.

Нижний экстраполированный участок кривой отсекает на оси орди­нат отрезок, равный величине теплопроводности воздуха — 0,0253 Вт/(м·°С); верхний участок кривой, продолженный до плотности ρ₀ =1530 кг/м 3 , дает возможность ориентировочно оценить теплопровод­ность древесинного вещества λ_д.в.┴. Как видим, этот показатель оказывает­ся равным примерно 0,5 Вт/(м·°С). Точные данные о теплопроводности древесинного вещества отсутствуют.

В.П. Ловецкий (СибТИ) рассчитал коэффициент теплопроводности древесинного вещества, рассматривая древесину как набор пустотелых стержней прямоугольного сечения и используя экспериментальные данные о теплопроводности древесины березы. Подставляя в формулу В.П. Ловецкого вместо ρ_б величину ρ₀ для березы получаем λ_д.в.┴, равную 0,48; для сосны в тангенциальном направлении — 0,53, т. е показатели, близкие к 0,5 Вт/(м·°С).

Увеличение плотности сухой древесины, т. е. повышение доли, за­нимаемой в единице объема древесинным веществом, приводит к возрас­танию теплопроводности древесины. Это объясняется тем, что древесин­ное вещество имеет примерно в 20 раз больший коэффициент теплопроводности λ_д.в.┴, чем воздух. Можно рассчитать теплопроводность древе­синного вещества λ_д.в.║ по теплопроводности древесины λ_║ вдоль волокон, полагая, что тепло передается параллельно по клеточным стенкам и возду­ху, заключенному в полостях клеток. Тогда λ, древесинного вещества ока­зывается для березы 0,94, а для сосны 0,87 Вт/(м·°С).

Поскольку микрофибриллы ориентированы преимущественно вдоль оси клеток, теплопроводность в этом направлении примерно в 1,5-2 раза выше, чем в поперечном направлении.

По радиальному и тангенциальному направлениям поперек волокон коэффициенты теплопроводности λ_r и λ_t могут различаться. Дело в том, что в тангенциальном направлении вытянуты зоны поздней древесины го­дичных слоев. Поздняя древесина, особенно у хвойных пород, более плот­ная, чем ранняя, и следовательно, более теплопроводная.

Расчеты [74, 76] показывают, что теплопроводность древесины в тангенциальном направлении несколько больше, чем в радиальном. Уве­личению теплопроводности в радиальном направлении способствуют сердцевинные лучи с преимущественным расположением микрофибрилл вдоль длины луча. Играет роль и форма сечения анатомических элементов. Все это приводит к тому, что по экспериментальным данным многих ис­следователей у древесины хвойных и большинства лиственных пород практически нет разницы между λ_r и λ_t. Только у лиственных пород с большим объемом сердцевинных лучей (дуб, бук), λ_r больше λ_t, примерно на 15 %

Увлажнение древесины, т. е. замещение содержащегося в ней возду­ха водой, имеющей в 23 раза большую теплопроводность, приводит к воз­растанию теплопроводности древесины По мере заполнения полостей клеток водой скорость изменения функции λ = f(w) постепенно уменьша­ется (рис. 38).

Повышение температуры влажной древесины приводит к еще боль­шему увеличению теплопроводности. Это можно проследить по обобщен­ной диаграмме (рис. 39) для древесины березы [по 54, 76]. На этом же ри­сунке показана диаграмма коэффициентов теплопроводности в области от­рицательных температур [по 74]. Замораживание древесины влажностью выше предела насыщения клеточных стенок ведет к скачкообразному уве­личению ее теплопроводности, так как коэффициент теплопроводности льда при t = 0°С в 4 раза больше, чем воды. При дальнейшем понижении температуры теплопроводность возрастает, что связано главным образом с повышением теплопроводности льда. При влажности ниже W_п.н. фазовые превращения испытывает лишь небольшая часть связанной воды, поэтому таких скачков здесь не наблюдается.

Используя диаграмму на (рис. 39), можно определить, предложен­ным П.С. Серговским методом, теплопроводность древесины других по­род. Для этого, приняв значение λ, для березы (ρ_б =500 кг/м 3 ) за номи­нальное, надо умножить его на коэффициент К_ρ учитывающий плотность древесины данной породы. Ниже приведены коэффициенты К_ρ для разных значений базисной плотности древесины ρ_б:

ρ_б 350 375 400 425 450 475 525 550 575 600

К_ρ 0,80 0,84 0,87 0,90 0,93 0,97 1,05 1,11 1,20 1,28

Для учета влияния направления теплового потока надо найденные значения коэффициента теплопроводности умножить еще на К_х, равный для дуба, бука в тангенциальном направлении 0,87, а вдоль волокон 1,6. Для остальных пород учитывается только различие в теплопроводности вдоль и поперек волокон; при тепловом потоке вдоль волокон К_х = 2,2.

Значения коэффициентов λ у древесины сравнительно невелики, по­этому древесина относится к довольно хорошим теплоизоляционным ма­териалам.

Температуропроводность древесины. Величина коэффициента температуропроводности а определяется по уравнению (57), если извест­ны значения двух других тепловых коэффициентов λ и с. У абсолютно сухой древесины с уменьшением плотности ρ коэффициент температуро­проводности возрастает. Это связано с увеличением в единице объема древесины доли воздуха, имеющего температуропроводность примерно в 100 раз большую, чем древесинное вещество. Влияние влажности на температуропроводность поперек волокон иллюстрирует рис. 38. Увеличение содержания свободной воды (W >W_п.н.) приводит к резкому падению температуропроводности, потому, что воздух в полостях клеток замещается водой, имеющей примерно в 150 раз меньший коэффициент температуропроводности.

В области ниже W_п.н. влияние влажности на величину а практически не наблюдается. Это объясняется тем, что воздуха в клеточных стенках почти нет, и влажная клеточная стенка состоит из двух фаз — древесинного вещества и воды, коэффициенты температуропроводности которых до­вольно близки.

Тепловое расширение древесины. При нагревании твердых мате­риалов, в том числе и древесины, происходит увеличение их объема. Ко­эффициент линейного теплового расширения α’ представляет собой изме­нение единицы длины тела при нагревании его на 1°С. Вследствие анизо­тропии древесины коэффициенты α’ по трем структурным направлениям различны. Наименьший коэффициент линейного расширения α_║‘ в направлении вдоль волокон; величина его по данным из разных источников для сухой древесины колеблется в пределах (2,5-5,4)10 -6 1/°С. Тепловое рас­ширение поперек волокон значительно (иногда в 10-15 раз) больше, чем вдоль волокон, причем в тангенциальном направлении оно обычно в 1,5-1,8 раза выше, чем в радиальном. Таким образом, наблюдается известная аналогия с анизотропией усушки (разбухания).

Некоторые данные о коэффициентах линейного расширения абсо­лютно сухой древесины приведены в табл. 22. Коэффициент линейного расширения вдоль волокон древесины составляет 1/3 — 1/10 коэффициен­тов теплового расширения металлов, бетона и стекла. При нагревании влажной древесины кроме теплового расширения поперек волокон, вы­званного повышением температуры, одновременно происходит значитель­но большая влажностная деформация. Изменение влажности на 1 % в об­ласти ниже W_п.н. вызывает деформацию в десятки раз большую, чем изме­нение температуры на 1 °С. Таким образом, усушка и разбухание маски­руют чисто температурные деформации древесины поперек волокон. Если повышается температура свежесрубленной древесины, находящейся в во­де, то при первом нагреве происходит увеличение размеров в тангенциаль­ном направлении и сокращение их в радиальном. При последующих нагре­ваниях наблюдается некоторое уменьшение размеров в обоих направлени­ях.

22. Коэффициенты теплового расширения сухой древесины

Порода	α / ║·10 6	α / r·10 6	α / t·10 6	Источник
Сосна Ель Дуб Береза Бук	4,2 2,6 3,6 2,5 5,4	15,0 29,3 29,3 27,2 22,0	29,0 50,2 41,9 30,0 34,8	В. Стивене Я.Н. Рудобельская (Станко) Медисонская лаборатория В. Стивене

В табл. 23 представлены данные Я.Н. Станко (МЛТИ) о коэффици­ентах а‘ для сырой и сухой древесины ели; знаки «+» и «-» показывают со­ответственно удлинение и укорочение.

23. Коэффициенты теплового расширения сырой и сухой

Структурное направление	Коэффициенты теплового расширения древесины α’·10 6 , 1/ о С
сырой	сухой
Первый нагрев	Последующие нагревы
Радиальное Тангенциальное	-29 +25	-5 -5	+28, +48,0

Причина увеличения деформации при первом нагреве, очевидно, за­ключается в снятии внутренних напряжений роста. В растущем дереве в тангенциальном направлении действуют сжимающие напряжения, поэтому при снятии их обнаруживается удлинение образца в этом направлении. В радиальном направлении происходит обратное явление. Удовлетворитель­ного объяснения причин сокращения образца при последующих нагревах пока еще не найдено.

Показатели, характеризующие тепловые свойства древесины, ис­пользуются для расчета процессов ее нагревания, сушки, оттаивания, за­мораживания, потерь тепла через ограждения из древесины.

Дата добавления: 2015-04-30 ; Просмотров: 1920 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

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.

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.

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.

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.

Теплопроводность древесины: таблицы, коэффициент, другие свойства

Противоположные поверхности материала имеют разные температуры. Из-за этого образуется тепловой поток, с помощью которого можно определить теплопроводность. В данной статье мы изучим конкретный строительный материал – дерево. Помогут изучить вопрос подробные таблицы, а также видеозаписи.

Чем хорошо дерево? Материал легок в обработке, с ним можно самостоятельно возвести частный дом. Один из самых очевидных плюсов дерева – это его цена. В России древесный ресурс есть в достатке.

Теплопроводность – изучаем свойство

Древесина удобна для строительства коттеджей, дач и частных домов по той причине, что её теплопроводность не меняется при широком температурном диапазоне – от -40°C до +40°С. Но есть и другие факторы, от которых зависит теплопроводность того или иного материала. К примеру, влажность – она оказывает наибольшее влияние на показатель теплопроводности.

Таблица ниже наглядно демонстрирует теплопроводность различных пород дерева:

Разобраться с таблицей довольно легко: чем ниже коэффициент проводимости, тем лучше материал. Для обозначения теплопроводности используется буква «R». Теперь стоит рассмотреть разные породы, а поможет в этом таблица.

Породы древесины для строительства

О пробковом дереве мы пока говорить не будем, так как построить из него дома будет довольно проблематично. Что касается лучшего варианта, то им является кедр. Он имеет самый низкий коэффициент – 0,095 Вт/(м*С). Коттедж или дача, построенная из кедрового дерева, получится самой теплой, если сравнивать с постройками из других древесных материалов.

Важным моментом является показатель толщины, который влияет на теплопроводность дерева. Буквой «R» определяется соотношение толщины слоя и проводимости тепла. В идеале показатель «R» должен быть 3 или 4. К примеру, чтобы получить R=3 при строительстве дома из кедра, необходимо делать толщину стен не менее 30 сантиметров. Таблица физических свойств дерева. Они также влияют на коэффициент проводимости тепла между противоположными поверхностями материала.

Ель является не менее удачным материалом для постройки частного дома, при этом она имеет показатель 0,110 Вт/(м*С). Чтобы R был около трех, потребуются слои 33-35 см. Береза, сосна, пихта – эти породы уже идут с большим отрывом – 0,150 Вт/(м*С). Если есть желание, чтобы частный дом, коттедж или дача была построена из березы или пихты, то необходимо позаботиться о толщине стен. Чтобы добиться R=3 потребуются стены 45 см.

Далее идут самые «холодные» породы:

• Дуб – 200 Вт/(м*С);
• Клен – 190 Вт/(м*С);
• Тополь – 170 Вт/(м*С).

Разумеется, что дубовый дом смотрелся бы оригинально и роскошно, но для R=3 стена такой постройки должна быть 55-60 см. Да и найти рубанок с толщиной полметра будет проблематично.

Расположение волокон

Коэффициент теплопроводности может отличаться в зависимости от расположения волокон. В таблице можно увидеть, что напротив некоторых материалов стоит указание – вдоль волокон или поперек. Показатель теплопроводности тепла вдоль волокон обычно равен 0.4. В минусовые температуры материал будет замерзать в четыре раза сильнее вдоль волокон, чем поперек. Об этом могут сообщить промерзшие углы, которые можно наблюдать у многих деревянных построек.

Чтобы понимать разницу между деревом и другими материалами, использующимися для строительства, стоит ознакомиться с этим графиком :

Также, если напротив определенной породы указано «вдоль волокон», то стоит знать, что торцы стропил или брусьев будут быстрее промерзать при небольших морозах. Такие материалы не рассчитаны для суровых зим, так они несут холод в помещения вдоль волокон. Теперь можно вернуть к пробковому дереву, которое имеет минимальный коэффициент. Использовать его в строительстве нельзя по той причине, что пробка имеет минимальную прочность. Но зато эта порода отлично подходит для утепления.

Особенности конструкции из древесины

Для строительства дач, коттеджей, а также частных домов используется стандартный брус с толщиной 100-150 миллиметров. Брус изготавливают из хвойных пород, которые имеют оптимальное соотношение теплопроводности и стоимости. Толщина стены из хвойного дерева должна быть около 45 сантиметров для снижения проводимости, а брус имеет толщину около 15 см. В чем же дело? Сегодня в строительстве не используется только один материал, ведь это не выгодно. Полезная таблица для тех, кто собирается возводить постройки из древесины.

Более рационально делать относительно тонкие стены с утеплением. Особенно оно требуется в холодных регионах, где температура -20°C является обычным делом. Помимо подходящего для частных домов показателя теплопроводности, древесина обладает и другими полезными свойствами, которых нет у бетона, кирпича:

• Обрабатываемость;
• Упругость;
• Износостойкость.