Древесина представлена как хвойными, так и лиственными породами, каждая из которых обладает уникальными свойствами. Эти индивидуальные характеристики имеют значение при строительстве и обработке древесины, что подчеркивает важность выбора соответствующей породы для конкретного проекта. В то время как на рынке появляются разнообразные инновационные материалы, изделия из дерева по-прежнему остаются популярными и зачастую незаменимыми в строительной отрасли и других областях применения.
Физические и механические свойства древесины
Физические свойства древесины включают ее внешний вид, который определяется цветом и текстурой, а также запах, гигроскопичность, вес, теплопроводность, звукопроводность и электропроводность. Механические свойства отражают способности древесины противостоять внешним СИЛАМ. К ним относятся прочность, твердость, упругость, гибкость, хрупкость, раскалываемость и гвоздимость.
Цвет древесины является одним из ключевых признаков, позволяющих определить вид дерева. Разные породы обладают различной яркостью окраски древесины в различных частях ствола; к примеру, береза и липа имеют более однородную окраску, тогда как сосна и дуб демонстрируют заметную темную окраску ядра.
Состояние древесины можно определить по ее цвету; например, наличие бурых или синих пятен и полос говорит о грибковых заболеваниях.
Текстурой древесины называют уникальный рисунок, который характерен только для данной породы, и который можно увидеть на продольном или поперечном сечении ствола.
Для древесины, используемой в строительных работах, цвет и текстура не являются решающими факторами, однако при столярно-отделочных работах, а также при производстве мебели и паркета, высоко ценится древесина с привлекающим цветом и текстурой.
Запах древесины также служит важной отличительной чертой. Например, древесина сосны, березы и осины обладают характерным запахом, который трудно перепутать с другими породами. Кроме того, изменение запаха может указывать на появление грибов и фитовредителей, что может серьёзно повлиять на качество лесоматериалов, используемых для упаковки пищевых и косметических товаров.
Гигроскопичность древесины представляет собой способность материала поглощать влагу из окружающего воздуха и отдать её в сухую атмосферу. Древесина является пористым материалом с общим объемом пор, составляющим от 30% до 80% ее объема, причем форма и размеры пор различаются у разных пород. Из-за своей пористости древесина обладает высокой гигроскопичностью.
Эта особенность часто приводит к деформациям изделий, таким как коробление или появление трещин. Поэтому для снижения гигроскопичности древесины рекомендуется покрывать поверхности изделий масляными красками, лаками, эмалями и другими негигроскопичными составами. Важно регулярно обновлять покрытия, поскольку их защитные свойства со временем снижаются.
Влажность древесины обозначает степень насыщенности материала влагой. Из-за своей пористости и гигроскопичности, влажность древесины может значительно варьироваться. Повышенная влажность снижает прочность древесины и увеличивает ее подверженность гниению. Поэтому использовать древесину с влажностью выше 25% для создания наземных конструкций запрещено. Для определения влажности древесины, образец высушивают до постоянного веса, затем вычисляют вес испарившейся воды и делят его на вес высушенного образца, после чего результат умножают на 100. Если начальный вес образца составлял 230 граммов, а после высушивания — 200 граммов, влажность составит:
Таким образом, определяется абсолютная влажность, в то время как относительная влажность рассчитывается, деля потерю веса на вес влажного образца.
Разделение древесины по степени влажности:
- а) абсолютно сухая с влажностью, равной нулю; такую древесину можно получить только в лабораторных условиях; на практике древесина всегда содержит некоторое количество влаги, поглощаемой из воздуха;
- б) комнатно-сухая с влажностью 8-13 %; такую влажность имеют деревянные конструкции, которые долго находились внутри помещений;
- в) воздушно-сухая с влажностью 15-20%; такая влажность может быть у конструкций, находящихся на открытом воздухе;
- г) влажная с содержанием влаги 20-25%;
- д) свежесрубленная — с влажностью от 35 до 120%;
- е) мокрая, насыщенная водой древесина, которая, например, используется в подводных конструкциях.
Механические свойства древесины
Прочность материала определяется его способностью сопротивляться внешним воздействиям. В зависимости от направления и характера нагрузки деревянные элементы могут работать на сжатие, изгиб, растяжение, раскалывание и сдвиг.
Сваи, колонны, стойки и другие элементы подвергаются сжимающим нагрузкам. В зависимости от направления усилия относительно волокон древесины различают сжатие вдоль волокон (рис. 3, а) и поперек волокон (рис. 3, б).
Сопротивляемость древесины сжимающим нагрузкам поперек волокон в 5-10 раз меньше, чем вдоль. Это приводит к тому, что древесина проявляет отличные характеристики на изгиб, что позволяет ее широко использовать в строительстве, включая ответственные конструкции, такие как балки, прогоны, стропила и мостовые брусья.
При изгибе (рис. 4, а) нижние волокна балки находятся в состоянии растяжения, тогда как верхние — в сжатии.
Сопротивление древесины растяжению вдоль волокон достаточно высоко, но может значительно варьироваться для одной и той же породы. Это связано со структурными особенностями древесины, длиной волокон, а также углом их наклона относительно приложенной силы. На растяжение вдоль волокон работают такие элементы, как затяжки висячих стропил (рис. 4, б).
Важно заметить, что сопротивление растяжению поперек волокон у древесины минимально и составляет лишь 2-5% от прочности на растяжение вдоль волокон. В большинстве строительных конструкций древесина поперек волокон как правило не используется.
Скалывание древесины происходит при использовании соединений на шпонках. Различают скалывание вдоль волокон (рис. 5, а), когда внешние силы, действуя параллельно волокнам, стремятся сдвинуть одну их часть относительно другой вдоль длины волокон, и скалывание поперек волокон, когда внешние силы действуют перпендикулярно волокнам.
Скалывание, при котором внешние силы, направленные перпендикулярно волокнам, стремятся их перерезать, называется перерезанием (рис. 5, в).
На скалывание вдоль волокон работают элементы конструкций, соединяемые на деревянных призматических шпонках, а на скалывание поперек волокон — шпонки в подобных конструкциях. Примером элементов, работающих на перерезание, могут служить пластинчатые нагели, используемые в составных по высоте балках.
Наивысшей сопротивляемостью обладает древесина при перерезании; в этом случае необходимо перерезать волокна древесины. С другой стороны, при скалывании вдоль и поперек волокон требуется лишь преодоление сцепления, и характеристики механических свойств древесины определяются в первую очередь пределом прочности.
В таблице 2 приведены средние значения прочности древесины для основных пород. Важно отметить, что влажность древесины значительно влияет на ее прочность. Считается, что повышение влажности древесины на 1% (в пределах от 8 до 23%) снижает сопротивляемость изгибу и сжиму на 4-5%.
На прочность древесины также влияют сучки, трещины, неправильное расположение волокон и другие факторы. Порой снижение прочности из-за этих причин может достигать 50-60% и даже больше.
Твердость дерева определяется его способностью сопротивляться проникновению твердых тел, например, режущих инструментов. Твердость зависит от структуры волокон и толщины клеток древесины: обычно более плотные и тяжелые породы также более твердые. При увеличении влажности, твердость древесины значительно снижается.
К твердым породам относятся дуб, клен, ясень и лиственница, тогда как наиболее мягкие породы — это липа и осина. В общем, древесину можно считать мягким строительным материалом, который хорошо поддается механической обработке.
Особенности
Механические свойства древесины отражают общее качество материала и находятся в прямой зависимости друг от друга. Важнейшими показателями механической прочности являются способности дерева воспринимать как статические, так и динамические нагрузки.
Для определения механических свойств материал подвергается растяжению, сжатию, изгибу и сдвигу. Примечательно, что древесина является анизотропным материалом, то есть ее свойства могут различаться в зависимости от направления, в котором оказывается воздействие. Существует два направления: радиальное и тангенциальное.
Что такое прочность и от чего она зависит?
Одной из главных механических характеристик древесины является ее прочность. Эти характеристики напрямую влияют на то, в какой степени материал может противостоять разрушительным воздействиями.
Примечательно, что существует прямая зависимость между прочностью древесины и направлением приложения нагрузки. Например, прочность древесины увеличивается в 20 раз, когда сила применяется вдоль волокон по сравнению с нагрузкой, действующей поперек.
Средний уровень прочности занимает хвойные породы. Более высокие показатели, например, характерны для березы, именно поэтому эта древесина часто используется для создания опорных и несущих конструкций, а также элементов, для которых важна высокая износостойкость.
Это любопытно. Минимальные и максимальные пределы допустимой прочности невозможно определить в домашних условиях. Такие испытания проводятся исключительно в лабораториях, и эксперименты осуществляются на основании действующих государственных стандартов.
Следует также подчеркнуть, что уровень влажности существенно влияет на прочность и упругость древесины. Влажность приводит к определённым реакциям внутри древесины, которые снижают её прочность. Этот эффект заметен лишь при влажности выше 25%. Дальнейшая увлажненность не ведет к значительным изменениям в прочности, что понимают и специалисты.
Для сравнения прочности различных пород древесины важно, чтобы уровни их влажности были эквивалентными, поскольку только в этом случае можно говорить о корректности результатов.
Кроме влажности, важно также учитывать характер и продолжительность нагрузки при измерении прочности. Статические нагрузки стабильны и постепенно увеличиваются, в то время как динамические нагрузки кратковременны, хотя могут быть опасны для древесины, как и статические.
Также следует помнить, что пределы прочности и прочностные характеристики варьируются в зависимости от вида деформации.
- Растяжение. По прочности древесины на растяжение: данный показатель составляет около 1 300 кгс/см² для всех пород. Структура волокон имеет решающее значение; правильно расположенные волокна увеличивают прочность, а неправильные — уменьшают. Прочность различается по направлениям: вдоль волокон — высока, а поперек — в 20 раз ниже, составляя всего 65 кгс/см², что объясняет редкое использование древесины для изделий, работающих на поперечное растяжение.
- Сжатие. Влияние на древесину может быть как продольным, так и поперечным. При сжатии вдоль волокон древесина укорачивается, в то время как поперечное сжатие в 8 раз снижает прочность. Лабораторные эксперименты фиксируют прочность в радиальном и тангенциальном направлении, при этом хвойные породы показывают высокие результаты даже при тангенциальном сжатии.
Механические свойства древесины
Древесина является анизотропным материалом, поэтому ее механические свойства отличаются в зависимости от направления.
У хвойных пород прочность поздней древесины в 2-3 раза выше, чем ранней. Как слишком узкие, так и слишком широкие годовые кольца приводят к снижению прочности. Время деформации, а также скорость ее приложения оказывают значительное влияние на прочность. При быстром применении нагрузки предел прочности возрастает. Древесина обладает свойством остаточной деформации, при котором возможен рост деформаций после нагрузки.
Хвойные сорта дерева показывают высокую прочность на растяжение вдоль волокон, в то время как наименьший предел прочности при разрыве поперёк волокон в 20-30 раз меньше. Сопротивление древесины на изгиб зависит от формы поперечного сечения, максимальные показатели у древесины с круглым сечением.
Время рубки древесины также влияет на ее физические и механические характеристики. Древесина, заготовленная зимой, считается более прочной, так как в этот период движение соков замедляется. Отклонения от нормальных структурных условий являются пороками, включающими атмосферные влияния, такие как косослойность, свилеватость, наросты на стволах, суховершинность, отлупы и сучковатость. К порокам также относятся трещины, включая сердцевинные трещины и морозобойные трещины.
Биологические разрушители древесины
К ним относятся грибы, насекомые и плесень, способные разрушить древесину.
Наиболее опасные разрушители — домовые грибы, среди которых существует несколько видов. условия для их роста включают определенную влажность древесины (20–55%), температуру воздуха выше +5 и влажность воздуха 80–95%. При снижении влажности грибница постепенно погибает. Такие грибы выделяют влагу, что способствует дальнейшему испорчению древесины — ее цвет меняется на желтоватый, красноватый или коричневый, затем древесина становится темнее, менее прочной, и в конечном счете распадается на куски вдоль и поперек волокон.
Среди насекомых, разрушающих древесину, можно выделить усача-дровосека, жука-точильщика и других. Процесс разрушения ведется внутри древесины, и на поверхности образуются отверстия различной формы и размеров от 1 до 9 мм. Внутри древесина пронизывается ходами личинок, из которых высыпается древесный порошок. Свежие повреждения выглядят светлее по сравнению со старой буровой мукой и ходами.
Строение
Как продукт растительного происхождения, древесина является пористым слоисто-волокнистым веществом, состоящим из прочно соединенных между собой элементарных клеток разной формы и размеров. Большинство из них вытянуты вдоль ствола дерева.
Структура древесины определяется такими признаками, как расположение и плотность волокон, количество годовых колец и текстура. Природную текстуру лучше всего видно на распилах, сделанных как в поперечном, так и в радиальном и тангенциальном направлениях. В центре ствола находится сердцевина (ядро), образующаяся из отмирающей части заболони молодого ствола.
Ключевые прочностные свойства древесины
Проанализировав теоретические аспекты, можно перейти к основным характеристикам, которые относятся к прочностным свойствам древесины.
Плотность и твердость древесины
Плотность и твердость являются основными характеристиками древесины. Они сильно влияют на другие свойства и часто между ними возникает путаница.
Плотность древесины — это отношение массы к объему, измеряется в кг/м³. Она зависит от влажности: древесина, насыщенная влагой, будет тяжелее, чем сухая аналогичного размера. Поэтому плотность для сравнения у всех пород измеряют при одинаковой влажности — 12%. На плотность также влияют внешние условия, при которых росло данное дерево. Если условия были более благоприятными, древесина растет быстрее, что ведет к более рыхлому массиву. В целом, чем больше плотность и плотнее волокна в массиве, тем выше прочностные характеристики. Например, средняя плотность дуба составляет 690-750 кг/м³, а сосны — 500-520 кг/м³. Операция с деревом показывает, что дуб значительно прочнее сосны.
Твердость — это способность древесины сопротивляться механическим повреждениям. Например, сосновую заготовку можно повредить ногтем, тогда как на дубовой или ясеньковой поверхности такой след не останется. Логично, что более твердые породы, как правило, более прочные, однако из-за за счет твердости массив становится менее вязким и более склонным к раскалыванию, что особенно заметно на мелких деталях отделки. Например, мягкая, но более вязкая липа хорошо выдерживает тонкую резьбу, тогда как на твердых породах такая работа может нарушать целостность изделия на этапе обработки.
Существует несколько методов измерения твердости пород, но наиболее распространенный — это испытание по Бринеллю, при котором в поверхность деревянной заготовки вталкивается металлический шарик. Итоговые результаты могут быть представлены в различных величинах:
1 HB (Hardness Brinell) = 10 МПа = 10 Н/мм².
Объемные таблицы прочности и подробный анализ этой характеристики можно найти в соответствующих материалах. Здесь я приведу лишь значения для наиболее распространенных пород:
| Порода | Плотность, кг/м³ | Твердость по Бринеллю, HB |
| Ольха | 420 | 2,7 |
| Сосна | 520 | 2,5 |
| Вишня | 580 | 3,2 |
| Клен | 600 | 3,5 |
| Бук | 650 | 3,8 |
| Ясень | 700 | 4,1 |
| Лиственница | 700 | 2,6 |
| Клен Канадский | 720 | 4,8 |
| Дуб | 750 | 3,7 |
Уже по этой таблице видно, что плотность и твердость не всегда взаимосвязаны.
Предел прочности при сжатии
Дерево, как волокнистый и пористый материал, будет иметь различие в прочности в зависимости от направления сжатия, то есть, если нагрузка прикладывается в продольном или поперечном направлении, показатели прочности будут различны. В частности, прочность при сжатии вдоль волокон всегда будет выше.
Для определения прочности используется заготовка размером 20*20*30 мм, подвергнутая действию равномерно увеличиваемой нагрузки в пресс.
Другие механические свойства древесины
Помимо вышеперечисленных свойств, у древесины также есть качества, которые непрямо влияют на прочностные характеристики, и их рассмотрение также имеет значение.
- Способность удерживать металлический крепеж. Как правило, эта способность увеличивается с плотностью древесины — чем плотнее волокна, тем выше сила трения, удерживающая гвозди или саморезы.
- Гибкость. В отличие от сопротивления на изгиб, этот показатель отражает степень, в которой можно изогнуть заготовку, не повреждая её. Гибкость древесины — также важный аспект при производстве деталей, например, лыж и рекурсивных луков, что детально рассматривается в других материалах.
