Что относится к физическим свойствам древесины ответ

Физические свойства древесины

Испытания, которые не приводят к изменению химического состава древесины, выявляют ее физические свойства. К физическим относят следующие свойства древесины. Физические свойства древесины:

Рассмотрим каждое из физических свойств древесины более подробно.

Внешний вид древесины

К внешнему виду, в разрезе физических свойств древесины относят следующие:

Влажность древесины

Отношение массы воды, содержащейся в древесине к массе сухой древесины является физическим показателем влажности древесины. Влажность древесины вычисляют прямым и косвенным методами.

К косвенному методу относится измерение кондуктометрическим электровлагомером, который определяет электропроводность древесины. Использование косвенного метода экономит время, но его показания могут иметь погрешность до 30%.

Прямые методы занимают значительно больше времени для измерения влажности. Суть прямых методов заключается на выделении тем или иным образом воды из древесины, при высушивании, например.

Вода, содержащаяся в древесине различают по двум типам — связанную, находящуюся в клеточных стенках и свободную, находящуюся в полостях клеток и межклеточных пространствах. Свободная вода удаляется легче, чем связанная.

Поры древесины

Показатель нормализованной влажности составляет 12%, если нет примечаний.

Физические свойства древесины. По степени влажности различают

Усушка древесины

При удалении связанной воды происходит уменьшение объема древесины и линейных размеров. Это свойство и называют усушка. Усушки не вызывает удаление свободной воды. Большее количество клеточных стенок на единицу объема древесины, способствует более сильной усушке.

Без участия внешних нагрузок, в древесине возникает внутреннее напряжение, которое образуется при неодинаковых изменениях объема древесины.

В поверхностных зонах доски влажность ниже, чем в центре. Поэтому из-за того что свободная сушка стеснена, возникают напряжения «растягивающие». При этом внутри доски возникают сжимающие напряжения.

Если будет достигнут предел прочности на растяжение поперек волокон, растягивающего напряжения, на древесине появятся трещины. Внутренние и поверхностные.

Коробление древесины

Коробление древесины различают поперечную и продольную. Под термином «коробление» понимают изменение формы пиломатериалов.

Коробление может происходить при выпиловке, неправильном хранении, при несимметричном строгании,ребровом делении из-за нарушения равновесия остаточных направлений. Чаще всего при сушке. Из-за усушки по разным структурным направлениям.

Покоробленность делят на два вида: продольная (по кромке, по пласти и крыловатость) и поперечная

Покоробленности древесины

Влагопоглощение древесины

Влагопоглощение из окружающего воздуха древесиной не зависит от породы. Способность к влагопоглощению это отрицательная характеристика древесины. Поэтому изделия и постройки из дерева покрывают различными пленочными и лакокрасочными материалами.

Увлажненная древесина становится хуже, ухудшаются ее механические характеристики и биостойкость.

Разбухание древесины

При повышении в древесине связанной воды происходит изменение объема и линейных размеров, которое происходит при нахождении древесины в воде или на влажном воздухе.

Поперек волокон древесина разбухает больше, чем вдоль волокон. Разбухание, в целом, отрицательное свойство, но полезно для обеспечения плотности соединений элементов, например в бочках, судах.

Водопоглощение древесины

Древесина способна увеличивать свою естественную влажность при непосредственном контакте с водой. Количество свободной воды зависит от объема полостей. Чем больше плотность древесины, тем меньше ее влажность и тем больше у нее водопоглощение.

Для получения целлюлозы и при пропитке древесины растворами антисептиков и протрав, способность поглощать влагу является важным и весьма полезным.

Бумажная фабрика

Плотность древесины

Плотность древесины выражается в кг/м3 или г/см, характеризуется массой единицы объема материала.

Для оценки качества сырья в деревообработке, основным показателем плотности является базисная плотность. Базисная плотность выражается отношением массы абсолютно сухого образца к его объему при влажности, равной или выше предела насыщения стенок клеток древесины.

По плотности древесину разделяют на три группы (при 12 процентной влажности):

Проницаемость древесины

Степень проницаемости определяют, выявляя способность древесины пропускать газы или жидкости под давлением

Тепловые свойства древесины

Тепловые свойства древесины складываются из трех показателей:

Звукопроводность древесины

Скорость распространения звука в древесине определяет ее звукопроводность. Самая низкая звукопроводность в тангентальном направлении волокон. Самая высокая звукопроводность у древесины наблюдается вдоль волокон, средняя – в радиальном направлении.

В 16 раз звукопроводность древесины в продольном направлении превышает звукопроводность воздуха. В поперечном в 4 раза. Это свойство называют резонированием звука. Используется при изготовлении музыкальных инструментов

Электропроводность древесины

Способность древесины проводить электрический ток. Эта способность древесины находится в обратной зависимости от электрического сопротивления.

Сухую древесину относят к диэлектрикам. Сопротивление уменьшается с повышением влажности древесины.

В десятки миллионов раз снижается сопротивление при увеличении связанной воды в древесине.

Диэлектрические свойства древесины

Диэлектрические свойства характеризуют поведение древесины в переменном электрическом поле.

Диэлектрическая проницаемость равна отношению емкости конденсатора с прокладкой из древесины к емкости конденсатора с воздушным зазором между электродами

Под действием механических усилий на поверхности древесины возникают электрические заряды проявляются пьезоэлектрические свойства древесины.

Источник

Физические и механические свойства древесины

К физическим свойствам древесины относятся: ее внешний вид, характеризуемый цветом и текстурой, запах, гигроскопичность, вес, теплопроводность, звукопроводность и электропроводность. Механические свойства характеризуют способность древесины сопротивляться воздействию внешних СИЛ. К ним относятся: прочность, твердость, упругость, гибкость, хрупкость, раскалываемость и гвоздимость.

Физические свойства древесины

По цвету древесины можно судить о ее состоянии; так, например, появление на древесине бурых или синих пятен и полос свидетельствует о наличии грибковых заболеваний.

Текстурой древесины называют характерный и свойственный лишь данной породе рисунок на поверхности продольного или поперечного разреза ствола.

Для древесины, используемой в плотничных работах, цвет и текстура дерева не имеют практического значения, однако в столярно-отделочных работах, при изготовлении мебели, паркета и т. п. древесина с красивыми цветом и текстурой ценится высоко.

Запах древесины также является отличительной особенностью породы дерева; так, например, характерный, присущий только этим породам дерева запах имеет древесина сосны, березы, осины. Кроме того, изменение запаха древесины является одним из признаков появления грибов. Запах древесины важен для лесоматериалов, идущих на изготовление тары для пищевых и косметических товаров.

Гигроскопичностью называется способность материала легко поглощать влагу из воздуха и отдавать ее в сухую воздушную среду. Древесина является пористым материалом: общий объем пор для разных пород составляет от 30 до 80% объема древесины, причем величина и форма пор различны. Вследствие большой пористости гигроскопичность древесины велика.

Это часто является причиной деформации изделий (коробления, появления трещин и т. п.). Поэтому стремятся понизить гигроскопичность древесины путем окрашивания поверхностей изделий масляной краской, лаком, эмалями и другими негигроскопичными составами. Следует иметь в виду, что покрытие древесины нужно периодически повторять, так как защитная способность покрытий с течением времени уменьшается.

Влажностью называется степень насыщенности материала влагой. Вследствие пористости и гигроскопичности древесины влажность ее может колебаться в значительных пределах. Влажность понижает прочность древесины, повышает ее способность к загниванию и др. Поэтому использовать для изготовления деревянных наземных конструкций древесину, имеющую влажность выше 25%, запрещается. Для определения влажности древесины образец ее высушивают до постоянного веса, определяют вес испарившейся воды, делят эту величину на вес высушенного образца и умножают на 100. Если образец до высушивания весил 230 г, а после высушивания 200 г, то влажность его будет:
Влажность, определенная таким путем, носит название абсолютной в отличие от относительной влажности, определяемой путем деления потери веса на вес влажного образца.

По степени влажности древесину различают:

В результате неодинаковой усушки древесины в радиальном и тангентальном направлениях, а также из-за неравномерности высыхания возникает коробление и растрескивание древесины.

На рис. 2, а показано, в каких направлениях меняются после сушки размеры и формы заготовок, выпиленных из разных частей ствола.

Так как усушка в тангентальном направлении больше, чем в радиальном, то боковые края досок стремятся подняться в сторону выпуклости годичных слоев, следовательно, выпуклость доски при короблении всегда будет обращена в сторону сердцевины. Срединная доска не коробится, но по краям становится тоньше. Широкие доски коробятся больше, чем узкие. Так как в большинстве случаев волокна в дереве не параллельны оси ствола, доски могут перекашиваться винтообразно; это явление носит название крыловатости, или продольного коробления (рис. 2, б). При быстром испарении влаги с поверхности бревна, доски или бруска наружный слой уменьшается в объеме. При этом сближению клеток мешают прилегающие сырые внутренние слои, в результате чего происходит разрыв или растрескивание древесины. Трещины обычно расположены в радиальном направлении. Наибольшее количество радиальных трещин наблюдается в торцах бревна, доски или бруса, так как через торцы происходит наиболее быстрое испарение влаги.

При изготовлении деревянных конструкций и изделий также следует принимать ряд мер, например: использовать для обшивки стен более узкие доски; при настилке дощатых полов прибивать вначале не все доски, а каждую пятую и лишь nocлe окончательного высыхания их сплачивать и прибивать все; для уменьшения коробления плоскостей-из досок соединять последние в шпунт и гребень, а смежные доски в щитах располагать сердцевинной частью в разные стороны.

Усушка древесины связана с ее гигроскопичностью, поэтому Меры, принимаемые для уменьшения гигроскопичности древесины, ведут также и к уменьшению ее усушки.

Вес

Объемный вес древесины зависит от ряда причин и в первую очередь от ее строения: чем толще оболочки клеток и чем меньше их внутренние полости, тем выше объемный вес древесины. Поэтому объемный вес служит косвенным показателем прочности и других механических свойств древесины.

Так как растущее дерево является живым организмом, то даже для одной и той же породы объемный вес может колебаться в довольно значительных пределах, в зависимости от условий роста и развития дерева. Кроме того, объемный вес древесины зависит и от части ствола, откуда взят образец. Поэтому для оценки объемного веса принимают обычно средний объемный вес древесины.

Говоря об объемном весе древесины, всегда необходимо указывать, к какой влажности он относится, вследствие того, что содержание влаги может доходить до 100% и более по отношению к весу сухой древесины.

В табл. 1 приведены данные о среднем объемном весе наиболее распространенных в строительстве пород деревьев (объемный вес дан при влажности 15%).

Теплопроводностью называется способность материала пропускать тепло. Теплопроводность древесины сравнительно низка. Это объясняется ее большой пористостью, волокнистым строением и замкнутостью пор.

Древесина проводит тепло примерно втрое хуже, чем кирпич, что дает возможность делать деревянные стены, например, в средних районах СССР, толщиной 220 мм, тогда как толщина кирпичных стен в этих же условиях должна быть 640 мм (2/з кирпича).

Теплопроводность древесины зависит от ее влажности, объемного веса, породы и температуры воздуха. Более плотная и влажная древесина лучше проводит тепло, чем менее плотная и сухая. Теплопроводность зависит также от направления, в котором передается тепло; теплопроводность древесины вдоль волокон примерно в 1,8 раза больше, чем поперек волокон. Это следует учитывать, например, при выпуске наружу торцов балок в зданиях с рублеными бревенчатыми стенами.

Звукопроводностью называется способность материала проводить звук. Звукопроводность древесины довольно значительна. Это необходимо учитывать при устройстве перегородок, междуэтажных перекрытий и других конструкций, к которым предъявляются требования звукоизоляции. Поэтому приходится прибегать к дополнительным мерам звукоизоляции, например засыпке шлаком, обивке войлоком и т. п.

Механические свойства древесины

Прочностью материала называется способность его сопротивляться внешним воздействиям. В зависимости от направления и характера приложения нагрузок деревянные элементы могут работать на сжатие, изгиб, растяжение, скалывание и перерезание.

На сжатие работают сваи, колонны, стойки и другие элементы. В зависимости от направления усилия по отношению к направлению волокон древесины различают сжатие вдоль волокон (рис. 3, а) и поперек волокон (рис. 3, б).

Сопротивляемость древесины сжатию поперек волокон в 5-10 раз меньше, чем вдоль волокон.

Сопротивление древесины на изгиб достаточно высоко. Это дает возможность широко использовать в строительстве, в том числе в ответственных сооружениях, деревянные элементы, работающие на изгиб (балки, прогоны, стропила, мостовые брусья и др.).

Сопротивление древесины растяжению вдоль волокон довольно высоко, но меняется для одной и той же породы в значительных пределах, что связано со строением древесины, длиной волокон, углом их наклона по. отношению к направлению действующей силы и др.

На растяжение вдоль волокон работают такие элементы деревянных конструкций, как затяжка висячих стропил (рис. 4, б).

Сопротивление растяжению поперек волокон у древесины незначительно и составляет около 2-5% прочности на растяжение вдоль волокон. В строительных конструкциях древесина на растяжение поперек волокон, как правило, не работает.

Скалывание древесины имеет место при работе соединений на шпонках. Различают скалывание вдоль волокон (рис. 5, а), когда внешние силы, действуя параллельно волокнам, стремятся переместить одну их часть относительно другой по длине волокон, и скалывание поперек волокон, когда внешние силы, направленные перпендикулярно волокнам, стремятся переместить одну часть их относительно другой в плоскости, параллельной волокнам (рис. 5, б).

Скалывание, при котором внешние силы, направленные перпендикулярно волокнам, стремятся перерезать последние перпендикулярно их длине, называется перерезанием (рис. 5, в).

На скалывание вдоль волокон работают, например, элементы конструкций, соединяемые на деревянных призматических шпонках (см. рис. 121). Шпонки же в подобных конструкциях работают на скалывание поперек волокон. Примером элементов, работающих на перерезание, могут служить пластинчатые нагели, применяемые в составных по высоте балках (см. рис. 127).

Наибольшей сопротивляемостью Обладает древесина при работе на перерезание; в этом случае приходится перерезать волокна древесины, тогда как при скалывании вдоль и поперек волокон необходимо лишь преодолеть сцепление между ними, и механические свойства древесины характеризуются в первую очередь пределом прочности.

В табл. 2 приведена средняя прочность древесины основных пород. На прочность древесины большое влияние оказывает ее влажность. Считают, что повышение влажности древесины на 1% (в пределах от 8 до 23%) понижает сопротивление изгибу и сжатию на 4-5%.

Твердость древесины имеет большое значение для деталей, работающих на сжатие. Чем тверже древесина, тем меньше ока подвержена истиранию, что важно при устройстве полов. Однако излишняя твердость затрудняет обработку древесины.

Упругостью материала называется способность его восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия нагрузки, если эта нагрузка не достигла определенного предела.

Древесина обладает довольно большой упругостью, которая увеличивается по мере уменьшения влажности древесины.

Гибкость древесины может быть увеличена путем ее пропаривания или проваривания. Однако следует иметь в виду, что после пропаривания прочность древесины понижается. Сырое свежесрубленное дерево можно сделать более гибким путем простого нагревания.

Гвоздимостью называется способность материала удерживать металлические предметы (гвозди, костыли и шурупы).
Забиваемый в древесину гвоздь раздвигает волокна и частично перерезает их. Благодаря упругости волокон гвоздь зажимается в древесине и для его вытаскивания нужно затратить определенное усилие, величина которого зависит от породы дерева, его плотности и влажности,- а также от направления гвоздя по отношению к направлению волокон.

Древесина твердых пород обладает большей гвоздимостью, чем мягких. Забить гвоздь во влажную древесину легче, чем в сухую, но после высыхания ее гвоздь будет держаться слабо, так как уменьшится его трение о волокна. Гвоздь, забитый в торец дерева параллельно волокнам, легче извлечь (примерно на 25%), чем гвоздь, забитый перпендикулярно волокнам. При забивке гвоздей слишком близко один от другого возникает опасность раскалывания древесины, поэтому величина расстояния между гвоздями нормируется. В ряде случаев перед забивкой гвоздей большого диаметра в древесине, особенно твердых пород, просверливают отверстия.

Прочность древесины

Стандартная плотность древесины

Для определения плотности высушенной древесины за основу берут 12% влажность. Однако показатели плотности не высушенной древесины приблизительны, поскольку зависят от влажности древесины во время измерения. Плотность измеряется в кг/ м³.

Соединение древесины

Соединение – классификация прочности видов древесины в конструкции соединения. Значения варьируются от 1 (очень высокая прочность) до 6 (очень низкая прочность).

Цвет древесины

Цвет высушенных твёрдых пород древесины может изменяться между видами и часто внутри вида. Представленная информация должна использоваться только как общее руководство. В большинстве случаев, цвет заболонь имеет цвет либо светлых оттенков сердцевины, либо белый/кремовый.

Предел прочности при кручении (высушенной древесины)

Предел прочности при кручении – мера максимального напряжения, которое может выдержать древесина при медленной и непрерывной нагрузке. Измеряется в МПа (мегапаскаль).

Модуль упругости (высушенной) древесины

Максимальная прочность при сжатии (высушенная) древесины

Прочность при сжатии – способность древесины выдерживать нагрузку поперек волокон. Измеряется в МПа (мегапаскаль).

Прочность (высушенная) древесины

Измеряет возможность древесины выдерживать удары; синоним ударной вязкости. Измеряется в Нм (ньютонметр).

Твёрдость (не высушенная)

Показатель относится к тесту твёрдости Янка и измеряет сопротивление древесины механическим повреждениям.

Стойкость древесины

Стойкость определяется внутренней устойчивостью древесины к процессу гниения или разрушения насекомыми и ли морскими древоточцами. На стойкость проверяются только твёрдые породы древесины. Шкала с показателем от низкого до высокого (4 класс стойкости – низкая; 1 класс – высокая) приспособлена к стойкости в земле и над ней.

Стойкость древесины к воздействию морских древоточцев

Указывает, является ли вид устойчив (R) или не устойчивы (NR) к разрушению морскими древоточцами.

Определяет склонность материала к воспламенению, измеряется по шкале от 0 до 20. Индекс 0 указывает, что материал не воспламеняется в течение 20 минут, которые занимает тест. А индекс 20 означает, что материал воспламеняется на первой минуте.

НПБ – Индекс распространения пламени древесины

Cклонность материала к быстрому горению и распространению пламени по шкале от 0 до 10, где 0 означает, что материал не вызывает пламени достигающее потолка, и 10 показывает, что материал может вызвать пожар, достигающий потолка комнаты в течение 10 секунд от момента возгорания.

Показатель концентрации дыма (измеряется оптической плотностью), который выделяют материалы при горении. Показатель основан на условной шкале от 0 до 10. Чем выше индекс, тем больше риск возникновения дыма.

Стойкость древесины

Стойкость древесины к воздействию древогрыза указывает на то, подвержена ли древесина или нет воздействию древогрыза.

Стойкость древесины к повреждению термитами указывает на то, устойчива ли или не древесина к термитам.

Напряжение древесины

Ударостойкость древесины

Ударостойкость – способность древесины поглощать энергию при разрушении. Определяется методом испытания по Изоду и измеряется в Дж (джоуль).

Огнестойкость, зона тушения

Это значение определяется объемом дыма в расчёте на рассевание массы тестируемого образца в процессе «Тестирования на коническом калориметре» согласно АС/НЗС 3837 (австралийский и новозеландский стандарт по пожарной безопасности).

Источник

Физические свойства древесины

Не имея представления о физических и механических свойствах древесины, невозможно дать должную оценку древесному материалу, что в свою очередь вызывает затруднение в проектировании деревянных конструкций и недоразумения при их эксплуатации. Для того, чтобы понять, что же такое физические свойства древесины, чем они отличаются от механических, дадим краткое определение этих свойств.

Физическими называются такие свойства, которые можно наблюдать, не изменяя химический состав древесины, и не нарушая целостность изучаемого образца, то есть при осмотре и измерении.

Механические свойства – это способность древесины сопротивляться действию механических нагрузок. К таким свойствам относятся твердость, упругость, пластичность и прочность.

Физические свойства древесины

Физические свойства древесины сводятся в следующие группы:

Физические свойства древесины, определяющие её внешний вид: цвет, текстура, рисунок, блеск

Цвет древесины

Одним из признаков, по которому распознают породу дерева, является цвет древесины. Многочисленные оттенки цветов придают древесине дубильные, смолянистые и красящие вещества.

Оттенки древ есины:

Рисунок древесины, текстура

Рисунок на поверхности древесины, ее текстура также помогают определить породу дерева.

Рисунок на поверхности древесины, ее текстура определяют породу дерева

Блеск древесины

Блеском называют способность поверхности направленно отражать световой поток. Наибольший блеск и направленное отражение имеют идеально гладкие, зеркальные поверхности древесины. Даже тщательно обработанная древесина далека от зеркальной поверхности.

Некоторые породы древесины (белая акация, клён, дуб, бук) способны к зеркальному отражению света на радиальном разрезе, исходящего от сердцевинных лучей, то есть, от поверхности сердцевинных лучей. Особенно заметный блеск имеет древесина махагони (красного дерева).

Декоративную ценность древесины при изготовлении инструментов определяют текстура, цвет и блеск

Текстура, цвет и блеск определяют декоративную ценность древесины для изготовления мебели, музыкальных инструментов.

Запах древесины

Запах дерева зависит от содержания в нем смол, эфирных масел, дубильных веществ. Хвойные породы имеют характерный запах скипидара. А палисандровое дерево пахнет ванилью. Запахи древесины учитывают при изготовлении тары для пищевых продуктов.

Физические свойства древесины, определяющие её массу: удельный вес, объемный вес, плотность, пористость

Для правильного решения задач в строительстве, необходимо вначале определиться со значениями плотности. В строительной практике различают три вида плотности:

Истинная плотность

Вместе с понятием истинной плотности материала идет понятие удельный вес материала.

То есть, масса является скалярной величиной и не зависит от ускорения свободного падения, а вес пропорционален этому ускорению (равен m·g) и, как всякая сила, является вектором. В международной системе единиц СИ вес измеряется в Н (Ньютонах). 1 кг = 10 Н.

Значит, удельный вес – это произведение истинной плотности вещества ρ на g – ускорение свободного падения.

γ = ρ ∙ g

МКГСС – система единиц измерения, в которой основными единицами являются метр, килограмм-сила и секунда.

СИ – система единиц физических величин, наиболее широко используемая в мире.

Как было сказано выше, удельный вес — это отношение веса материала без пор и пустот P к занимаемому им объему V. Однако древесина – довольно пористый материал. Что касается удельного веса древесины, то это понятие связано с весом абсолютно сухого материала, без пор и пустот. Вес абсолютно сухой древесины составляет так называемое древесинное вещество. Его истинную плотность, а значит и удельный вес, определяют делением веса абсолютно сухой древесины на объем, занимаемый древесинным веществом.

Это намного больше плотности самой древесины (древесины в стволе), которая колеблется в значительных пределах в зависимости от того, где выросло дерево, и какая часть ствола используется, и от содержания влаги в древесине.

Средняя плотность

Чтобы найти среднюю плотность материала, надо разделить массу материала m на его объем V (с порами и пустотами):

Средняя плотность — это и есть объемный вес материала.

Различие между объемным весом и удельным весом определяется наличием в твердом материале пор. Древесина по своей макроструктуре представляет собой в большей или меньшей степени пористый материал. Поэтому у нее объемный вес меньше удельного. У абсолютно плотных, не имеющих пор материалов – стали, стекла, битума, величины объемного и удельного веса (истинной и средней плотности) равны.

Следует сказать, что в случае с объемным весом, также, как и с удельным весом, говоря о весе, имеется в виду масса материала: здесь также произошло смешение понятий. Да и само понятие «объемный вес» применялось больше в справочной литературе 50-60-х годов. В более поздней литературе, начиная с 70-х годов, начало применяться понятие «плотность» материала, очевидно, чтобы не путаться с понятиями «вес» и «масса».

Точное значение объемного веса (плотности) древесины вообще не может быть дано, так как оно сильно зависит от породы, пористости, влажности, смолистости, суковатости. Поэтому при определении веса деревянных конструкций принимается средний объемный вес древесины.

Различают объемный вес древесины:

Объемный вес ρ при данной влажности вычисляют по формуле:

где: G _w – вес образца при влажности W;

V _w – объем образца при влажности W.

Приведение ρ _w к объемному весу при стандартной влажности 15% (ρ ₁₅ ) производят по формуле:

где K ₀ – коэффициент объемной усушки (в процентах), равный для древесины лиственницы, бука и березы 0,6, и для остальных пород 0,5.

Приведенной формулой можно пользоваться, если влажность древесины не превышает точки насыщения волокон.

Объемный вес строительных материалов имеет большое практическое значение. Зная объемный вес и определив объем материала можно легко посчитать массу того или иного элемента конструкции. Именно показатели объемного веса используются при расчетах прочности строительных конструкций и подсчетах стоимости перевозки строительных материалов.

Дерево обладает очень ценным свойством, применяемым в строительстве – малым объемным весом при относительно большой прочности (при растяжении, сжатии и изгибе) вдоль волокон.

Насыпная плотность

Насыпная плотность ρ _н – масса единицы объема рыхло насыпанных зернистых или волокнистых материалов. В такой объем включаются пустоты между зернами или кусками материала.

Коэффициент плотности

Коэффициент плотности К _пл – степень заполнения объема материала твердым веществом.

Если объем материала вместе с порами равен V, а в абсолютно плотном состоянии V _a (меньше), то отношение V _a / V выражает коэффициент плотности материала К _пл . Подставляя в это отношение значения

где: ρ ₀ — средняя плотность;

ρ — истинная плотность

Коэффициент плотности выражают относительной величиной (формула выше) или в процентах:

Пористость

П орами называют мелкие ячейки в материале, заполненные воздухом или водой. Часто невооруженным глазом поры нельзя заметить (у мелкопористых материалов). В этом случае о пористости можно судить по различию в удельном и объемном весах этого материала, а также по водопоглощению.

Пустотами называют более крупные ячейки, а также полости, образующиеся между кусками рыхло насыпанного материала.

От степени и характера пористости материала зависят такие важнейшие его свойства, как прочность, водопоглощение, морозостойкость, теплопроводность и др.

Пористость П есть степень заполнения объема материала порами:

где: V _п – объем пор;

V _a – объем материала в абсолютно плотном состоянии

Пористость дополняет коэффициент плотности до 1 (выраженной относительной величиной):

или 100% (выраженной в процентах):

= (1 – ρ 0 /ρ)·100% ; П

Пористость строительных материалов колеблется в пределах от 0 до 98%.

Получается, в сумме

П + К _пл = 1 (или 100%),

Плотность и пористость древесины некоторых хвойных и лиственных пород

Физические свойства древесины, определяющие её отношение к влаге:
влажность, усушка, разбухание, водоемкость, гигроскопичность, водопроводность

Влажность древесины

Влажность древесины — это количество содержащейся в ней воды (в процентах по отношению к весу абсолютно сухой древесины). Влажность — один из наиболее важных факторов, влияющих на прочность, объемный вес и другие свойства древесины.

Вода в древесине находится в двух состояниях: свободная и связанная.

Свободная или капиллярная влага заполняет полости клеток, сосудов и межклеточное пространство древесины. За счёт сил капиллярного взаимодействия она поглощается из окружающей среды при прямом контакте с водой и удерживается только механическими связями. Поэтому и удаляется из материала сравнительно легко.

Связанная или гигроскопическая вода находится внутри стенок клеток (она буквально пропитывает оболочки клеток), способных поглощать влагу из воздуха. Поскольку эта вода удерживается физико-химическими связями (молекулярными силами), то и удаляется значительно труднее, с дополнительными затратами энергии.

Вода в древесине находится в двух состояниях: связанная вода и свободная вода

Абсолютную влажность определяют по стандартному методу, высушивая образец древесины при температуре 100 — 105°С до постоянного веса. Вычисляют влажность по формуле:

где: W — влажность древесины в процентах;

G ₁ — вес образца древесины до высушивания;

G ₂ — постоянный вес образца после высушивания при температуре 100 — 105°С.

Влажность лесоматериалов следующая:

Условная стандартная влажность составляет 15%. К ней приводят все показатели физико-механических свойств при испытаниях древесины.

Гигроскопичность древесины

При каждой данной температуре воздух может содержать определенное количество влаги. Любой избыток влаги выпадает в виде дождя, тумана, дымки или росы. Воздух в этом случае называется перенасыщенным — относительная влажность в сырой день примерно равна 100%. В сухую погоду или в помещении относительная влажность меньше, но она редко падаем ниже 30% даже в местах с сухим жарким климатом.

Так как древесина — это капиллярно-пористое тело, то основным ее свойством является гигроскопичность — способность поглощать из влажного воздуха влагу (находящуюся в нем в виде водяных паров) и отдавать влагу более сухому окружающему воздуху. При нахождении древесины на воздухе происходит их взаимный влагообмен. Древесина высокой влажности отдаёт влагу воздуху, высыхая при этом (усыхает). Древесина низкой влажности, наоборот, впитывает влагу из воздуха, увлажняясь при этом (разбухает).

Если свежесрубленную древесину положить в воду, то она впитает в себя еще некоторое количество воды. При длительном пребывании на воздухе (относительно сухом) свежесрубленная или мокрая древесина теряет влагу.

Поглощение древесиной влаги из воздуха зависит в первую очередь от температуры и влажности воздуха. Между содержанием влаги в древесине и относительной влажностью воздуха наблюдается следующая зависимость: при изменении влажности воздуха древесина стремится восстановить нарушенное равновесие, испаряя влагу или впитывая ее из окружающего воздуха.

Бесконечно влага испаряться или впитываться не может по той причине, что древесина при эксплуатации стремится к равновесному, устойчивому состоянию — к «равновесной влажности». Это состояние определяется температурой и влажностью воздуха той среды, где находится материал. Как правило, значение «равновесной влажности» для жилого помещения составляет 8-10%, для улицы 12-14%. То есть, сырое деревянное изделие в помещении будет усыхать, а сухое изделие вне помещения будет разбухать.

Определить «равновесную» (устойчивую) влажность древесины можно при помощи графика зависимости t — φ — W. На этом графике по вертикали отложена относительная влажность воздуха φ, по горизонтали — его температура t, наклонные линии соответствуют влажности древесины W.

График зависимости влажности древесины от температуры и относительной влажности воздуха

График зависимости влажности древесины от температуры и относительной влажности воздуха

Вследствие гигроскопичности происходит не только постоянное колебание влажности древесины, но и связанные с этим изменения веса, формы и размеров древесных материалов.

В свежесрубленной и мокрой (сплавной) древесине имеется и свободная, и связанная влага, в сухой древесине — только связанная.

Усушка и разбухание древесины

Если свежесрубленную древесину немного подсушить, то есть, убрать из нее только свободную (капиллярную) воду, оставив связанную, то до некоторого предела можно наблюдать лишь изменение веса древесного материала, без изменения размеров. Древесина, высыхая от самого влажного состояния, до точки насыщения волокон (предела гигроскопичности), т.е., приблизительно до влажности 30%, не меняет своих размеров.

При дальнейшем уменьшении влажности, то есть, при удалении связанной (гигроскопической) влаги, начинается процесс усушки : уменьшение линейных размеров и объема древесины. В конце процесса сушки в клетках древесины остается немного связанной воды и, возможно, водяной пар.

Таким образом, усушка бывает лишь при испарении гигроскопической влаги, и начинается она от точки насыщения волокон.

Как видно из графика ниже, изменение линейных размеров и объема образца древесины при усушке или разбухании прапорционально изменению количества связанной (гигроскопической) влаги.

Разбухание древесины сосны: 1 — вдоль волокон; 2 — в радиальном направлении; 3 — в тангентальном направлении; 4 — объемное разбухание; т.н.в. — точка насыщения волокон, соответствующая влажности около 30%.

Усушка обычно измеряется в процентах относительно размеров деталей. То есть, при усушке изменяются размеры деталей. Средняя величина этих изменений приблизительно равна:

Усушка вдоль и поперек волокон

Получается, что в тангенциальном направлении, вдоль годовых колец, происходит самое большое усыхание древесины.

В практике усушку древесины вдоль волокон обычно не учитывают вследствие слишком малой ее величины, чего не скажешь про усушку поперек волокон, которая должна учитываться всегда.

Эта же закономерность в одинаковой степени относится и к разбуханию древесины, с той лишь разницей, что процесс разбухания идет в обратном направлении процессу усушки.

Объемная усушка вычисляется по формуле:

где V ₁ и V ₂ — объемы образца до и после высушивания

Так как усушка вызывается уменьшением толщины стенок клеток, то древесина с толстостенными клетками усыхает сильнее, чем древесина с тонкостенными клетками. Отсюда следует, что плотные, тяжелые породы (лиственница, дуб) усыхают сильнее, чем рыхлые, легкие (осина, ольха).

Насколько усушка влияет на форму материала видно из следующего рисунка:

Картина деформаций торца заготовки древесины из-за неодинакового усыхания в радиальном и тангенциальном направлении

На рисунке можно увидеть, что в радиальном направлении, т.е. перпендикулярно годовым кольцам, деформация меньше, чем в тангенциальном, т.е. вдоль годовых колец. Величина усушки зависит также от толщины материала: тонкий материал высыхает одновременно по всему поперечному сечению, и поэтому дает большую усушку, чем толстый.

В пиломатериалах и строительных деталях, изготовленных из сырого или непросушенного лесоматериала, возникают внутренние напряжения, следствием которых являются коробления ( продольные и поперечные) и растрескивание. Это происходит из-за того, что влага во внутренних и наружных слоях удаляется неодновременно, а также из-за того, что древесина дает разную усушку в радиальном и тангенциальном направлениях.

Покоробившиеся при усушке доски поворачиваются выпуклостью к сердцевине бревна. Это объясняется тем, что поверхность доски, более удаленная от сердцевины, высыхает больше, так как направление усушки здесь приближается к тангенциальному.

Коробление, которое вызывается как усыханием, так и разбуханием древесины, делят на три основных вида:

Поперечное коробление древесины

Причина поперечного коробления при высыхании — из-за неравномерности высыхания слоев древесины. Слои, более удаленные от сердцевины высыхают быстрее. Поэтому коробление происходит «лодочкой».

Продольное коробление древесины

Причина продольного коробления — д оски, в сечение которых попадает и заболонь, и ядро, высыхая, изгибаются дугой.

Винтовое коробление древесины

Имеющие тангенциальный уклон волокна приобретают крыловатость.

У срединных досок коробления почти нет, зато они становятся заметно тоньше к краям.

Срединные доски становятся заметно тоньше к краям

Коробления эти происходят не столько из-за самой древесины, сколько из-за неправильного ее хранения, складирования. Качество древесины, в том числе и склонность ее к короблению, зависит и от времени ее заготовки, от условий содержания, от условий сушки, от выдержки.

Тот же дуб в сушильной камере можно высушить очень быстро, но хорошие мастера дуб менее чем четырехлетней выдержки даже в ступени не применяют, а для дверных полотен выдержка должна быть 5-7 лет как минимум.

Раньше в Карпатах лес начинали рубить в середине ноября и заканчивали в середине марта, то есть рубка леса была исключительно зимней. Все остальное время дерево только перерабатывалось. Зимой соки в дереве приостанавливают свое движение, и древесина не играет. Сейчас рубят и летом, и поздней весной, и ранней осенью.

При сушке древесины из-за неравномерного распределения влаги могут возникнуть трещины.

Трещины в круглых лесоматериалах и пиломатериалах

Испарение связанной влаги в начале создает условие для усушки наружных слоев материала. Более влажная внутренняя зона, действуя как клин, растягивает высыхающие слои и появляются трещины. В дальнейшем растянутые наружные слои препятствуют усушке внутренней зоны сечения. Внутренние слои древесины растягиваются и потому появляются трещины во внутренней зоне.

Физические свойства древесины, определяющие её отношение к теплу: теплоемкость, теплопроводность, расширение от тепла

Теплопроводностью называют способность древесины проводить тепло.

Для определения тепло- и звукоизолирующих свойств древесины и древесных материалов решающую роль играет величина коэффициента теплопроводности λ (Вт/м∙К), которая показывает, какое количество тепла в Вт проходит в течение 1 ч через 1 м 2 материала толщиной 1 м при разнице температуры 1°С. Чем меньше коэффициент теплопроводности, тем лучше теплоизоляционные свойства материала.

Поскольку коэффициент теплопроводности для воздуха в малых пространствах (порах) очень невелик (λ воздуха = 0,026 Вт/м∙К), а для воды сравнительно высок (λ воды = 0,58 Вт/м∙К), то при уменьшении плотности материала λ снижается, а с увеличением влажности — повышается.

При увеличении плотности и влажности древесины ее теплопроводность возрастает как вдоль, так и поперек волокон дерева. Это значит, что легкая и сухая древесина держит тепло лучше, чем плотная и влажная. Теплопроводность поперек волокон примерно в 2 раза меньше, чем вдоль.

Теплопроводность древесины зависит от ее объемного веса, влажности и направления теплового потока. Для сосны вдоль волокон λ=0,30, а поперек – 0,15. Для дуба соответственно вдоль волокон λ=0,35, поперек – 0,20.

Коэффициенты теплопроводности различных пород древесины:

Коэффициент теплопроводности λ сосны поперек волокон – 0,150 Вт/(м∙К). Если сравнивать с другими строительными материалами, то у кладки из глиняного кирпича он равен 0,82 Вт/(м∙К), у железобетона – 2,03 Вт/(м∙К). Это значит, что по теплотехническим качествам дерево более чем в 5 раз лучше кирпичной кладки и более чем в 13 раз превосходит железобетон.

Размеры древесины и древесных материалов, меняются при изменениях температуры. Эти изменения оцениваются коэффициентом линейного температурного расширения (коэффициентом термического расширения).

Если при этом учесть, что растяжению вдоль волокон дерево сопротивляется почти в 25 раз лучше, чем бетон и, что дерево не так глубоко промерзает, как железобетон, то можно утверждать, что даже в очень протяженных сооружениях деревянные конструкции не нужно разрезать температурными швами.

Также очень малое температурное расширение древесины в продольном направлении при высоких температурах, возникающих в случае пожара, благоприятно с точки зрения его влияния на огнестойкость, так как даже сильно нагретые деревянные элементы очень незначительно сдвигаются относительно своих опор. Чего не скажешь о металлических конструкциях, которые во время пожара распирают стены и разрушают здание.

Сопротивление дерева разрушительному действию высокой температуры само по себе довольно велико. Сухая перегонка дерева, правда, начинается уже при температуре близкой к 160°С. Однако процесс разрушения древесины протекает очень медленно, отчасти из-за малой теплопроводности самого дерева, отчасти же вследствие образования еще менее теплопроводного защитного слоя обугливающейся древесины. В этом отношении дерево может считаться даже более огнестойким строительным материалом, чем металл – материал крайне теплопроводный, с большим коэффициентом линейного расширения.

Недостатком дерева является не столько малая сопротивляемость его действию огня, сколько способность его поддерживать горение. Большое скопление дерева в сооружении, при отсутствии другого «горючего» в виде склада товаров, меблировки или оборудования, само по себе опасно в пожарном отношении.

Так, например, деревянное междуэтажное перекрытие по металлическим балкам более опасно в пожарном отношении, чем то же перекрытие по деревянным балкам, поскольку деревянные пол и подшивка будут своеобразным горючим, питающим пожар, а сама по себе металлическая балка при пожаре скорее потечет и вызовет большие разрушения, чем деревянная.

Недаром и пожарные раньше предпочитали во время пожара пользоваться деревянными лестницами, а не железными, быстро накаляющимися от огня. Деревянные фермы, несущие покрытие, тоже не так опасны для работы пожарных, как железные, так как процесс разрушения их протекает медленно, и каждая фаза его легко распознается глазом.

Физические свойства древесины, определяющие её отношение к звуку: звукопроводность, звукопроницаемость, резонансная способность

Звукопроводность – способность древесины проводить звук с определенной скоростью.

Способность дерева усиливать звук, не искажая тона, используют для создания музыкальных инструментов.

Физические свойства древесины, определяющая её отношение к электричеству: электропроводность

Электропроводность – способность древесины сопротивляться прохождению электрического тока. Практически, электропроводность — это способность древесины проводить электрический ток.

Электропроводность древесины зависит от породы, влажности, температуры и направления волокон. Так как у сухой древесины электропроводность незначительна, то это позволяет применять ее в качестве изоляционного материала. При увеличении влажности от 0 до 30% сопротивление древесины прохождению электрического тока падает в миллионы раз, а при увеличении влажности более 30% — в десятки раз.

Электрическое сопротивление древесины поперек волокон в несколько раз больше, чем вдоль волокон.

Источник