Свойства и характеристики древесины

1. Основные свойства древесины

Нагрузки, которым подвергаются деревянные строительные конструкции, складываются из собственного веса конструкции и других элементов постройки, а также веса снега, находящихся в здании людей, веса машин и оборудования, давления от ветра и т. д. Кроме того конструкции нагружены внутренними напряжениями, возникающими при изменении их размеров под действием температуры, влажности и других факторов внешней среды.

Под действием нагрузок или внешних сил в частях сооружения появляются усилия сжатия, изгиба и растяжения. Например, опорная колона сжимается, балка изгибается, затяжка висячих стропил растягивается. Мауэрлат или опорная подушка под весом стропил будет сминаться. Шпонки в составной балке скалываются. Растяжение, сжатие, изгиб, скалывание и смятие являются основными видами усилий в частях сооружений.

Весьма часто могут возникнуть одновременно растяжение и изгиб или сжатие и изгиб. Например, если к затяжке подвесить потолок, то под действием веса потолка к растяжению добавится изгиб. Стропильная нога в той же висячей ферме будет под действием веса кровли и снега изгибаться и кроме того сжиматься.

Характер и величина усилия определяют размеры и материал строительной конструкции.

Древесина представляет собой материал с ярко выраженной анизотропией. Это значит, что прочность и другие ее свойства в различных направлениях будут разными. Анизотропия древесины объясняется ее волокнистым строением.

Временное сопротивление сжатию вдоль волокон в дереве равно около 300 — 400 кг на кв. см. Однако следует иметь в виду, что разрушающая сила будет значительно меньше при сжатии стойки. Это объясняется тем, что стойка при сжатии изгибается и ломается. Причем изгиб сжатой стойки наступит тем раньше, чем стойка длиннее. Безопасное или допускаемое усилие на 1 кв. см при сжатии равно для хорошей сухой сосны около 100 кг на кв. см. В случае длинных стойках оно быстро падает.

Поперек волокон дерево на сжатие работает значительно хуже, так как при этом получаются большие обмятия. Это происходит вследствие того, что пучок трубочек со сравнительно тонкими стенками быстро сминается.

На растяжение дерево работает лучше, чем на сжатие, примерно в два раза. Временное, сопротивление его равно около 600 — 900 кг на кв. см. Надо учитывать, что доски и бревна всегда имеют сучки, действие которых подобно действию отверстий. Растянутое сечение ослабляется при этом тем сильнее, чем больше сучок. Очевидно, что это ослабление понижает способность сопротивляться растяжению. Поэтому допускаемое усилие должно назначаться с большим запасом прочности. Допускаемое усилие принимается для сухой хорошей сосны в 100 кг на 1 кв. см.

Сопротивление дерева растяжению поперек волокон почти отсутствует, в особенности при наличии трещин.

При изгибе бруса нижняя его часть растягивается, а верхняя сжимается. Поэтому временное сопротивление на изгиб является средней величиной между такими же сопротивлениями на сжатие и растяжение.

Сопротивление скалыванию является наиболее слабым местом в дереве. Поэтому временное сопротивление образцов на скалывание вдоль волокон почти в 10 раз меньше, чем на сжатие. Еще хуже работает дерево на скалывание поперек волокон. Надо весьма внимательно относиться, поэтому ко всем частям, работающим на скалывание, выбирая для них лес без трещин, чтобы не создавать добавочных ослаблений конструктивных элементов.

Смятие дерева зависит также от того, как расположены волокна по отношению к сминающей нагрузке. В общем, сопротивление смятию немногим отличается от сопротивления сжатию. Следует иметь в виду, что величина смятия поперек волокон очень велика.

Все механические сопротивления сильно зависят от породы дерева, влажности, наличия пороков и условий, в которых дерево росло. Наиболее прочным из хвойных пород является лиственница, затем идет сосна, ель, пихта. Увеличение влажности быстро уменьшает сопротивляемость дерева. Чем суше лес, тем он прочнее.

Естественные пороки дерева — сучковатость, косослой, свилеватость различно влияют на различные сопротивления. Наиболее опасными они являются для растяжения и изгиба. Условия произрастания, т. е. климат, почва, затененность расположения дерева в лесонасаждении также отражаются на механической прочности. Наиболее прочным является мелкослойное дерево с большим количеством летней древесины, выросшее на сухой песчаной почве.

По степени твердости породы дерева разделяют на 3 группы:

• Мягкие: ель, липа, сосна, пихта, кедр, осина, ольха, тополь.
• Твердые: ясень, береза, вяз, ильм, лиственница сибирская, бук, клен, карагач, яблоня.
• Очень твердые: граб, акация белая, береза, кизил, самшит.

Кроме прочности, упругости и сжимаемости к физическим и конструкционным свойствам древесины относятся:

• влажность,
• усушка и разбухание,
• растрескивание и коробление,
• вес,
• теплопроводность и звукопроводимость.

Влажность. Влага жизненно необходима для роста и развития дерева. В ней растворены питательные вещества, поэтому в дереве ее очень много. В дереве как строительном материале большое количество влаги является негативным фактором. Все крупные недостатки дерева – легкое возникновение гнили, способность растрескиваться и коробиться — в большей или меньшей степени зависят от количества влаги в нем.

Степень влажности дерева измеряется отношением веса воды к первоначальному весу дерева и выражается в массовых процентах, и называется относительной влажностью. Если кусок влажной древесины имеет первоначальный вес 800 г, а после высушивания вес его оказался равным 400 г, то относительная влажность куска равна 50%.

Различают следующие состояния влажности:

• 1) влажность в свежесрубленном состоянии,
• 2) влажность в воздушно-сухом состоянии,
• 3) влажность в сухом состоянии,
• 4) абсолютно сухое состояние древесины.

Содержание влаги в свежесрубленном дереве в среднем достигает:

• в хвойных породах 54—61%,
• в мягких лиственных породах 45—53%,
• в твердых 35—41%.

Содержание воды в различные месяцы года бывает различно и колеблется в узких пределах, не имеющих практического значения.

При выдерживании на открытом воздухе срубленное дерево постепенно теряет воду и высыхает. Сильнее всего высыхает дерево в первые шесть месяцев, а затем сушка замедляется. Следует учитывать, что через 24 месяца влажность дерева, находящегося на открытом воздухе, немного увеличивается. В среднем, после просушки на воздухе в дереве остается влаги от 15 до 18%. С таким содержанием влаги дерево называется воздушно-сухим.

Содержание воды в воздушно-сухом дереве не бывает постоянным, оно увеличивается или уменьшается, изменяясь в зависимости от времени года и состояния погоды. Дерево с таким содержанием влажности пригодно на все плотницкие работы.

При дальнейшем пребывании древесины в закрытом и отапливаемом помещении она будет продолжать терять влагу и высыхать. Получающаяся при этом древесина называется сухой. В сухой древесине в среднем остается от 9 до 14% влаги. Сухая древесина получается путем искусственной сушки дерева в специальных сушилках. Сухое дерево идет на изготовление мебели и других предметов, предназначенных для закрытых и отапливаемых помещений.

Абсолютно сухую древесину можно получить при нагревании высушивании в особых сушильных шкафах при температуре 100—105° С, пока она не перестает уменьшаться в весе. В абсолютно сухом состоянии дерево трудно сохранить, так как оно гигроскопично и интенсивно впитывает в себя влагу, пока не будет достигнуто динамическое равновесие процесса обмена влагой между деревом и окружающим воздухом помещения, в котором оно находится. Поэтому дерево для строительных целей никогда не высушивается до абсолютно сухого состояния; в таком состоянии оно бывает лишь в лабораториях.

Усушка и разбухание. Теряя влагу, дерево подвергается усушке, при этом оно уменьшается в размерах. Это обстоятельство может привести к неблагоприятным последствиям для деревянных конструкций и изделий из дерева.

Рис. 1. Усушка древесины

Различают следующие виды усушки:

• 1) вдоль волокон, составляющую около 0,1%;
• 2) по радиусу поперечного сечения, в среднем 5°/о;
• 3) по окружности поперечного сечения (по тангенсу), в среднем 10%,
• 4) по объему.

Последние три вида усушки необходимо особенно учитывать в строительстве. Усушка древесины проходит в следующей последовательности: первоначально, высыхая до 20 — 35%, свежесрубленное дерево, не изменяет своих размеров, изменяя только свой вес, так как в это время происходит испарение влаги внутри клеток и в промежутках между ними. Когда влага начнет испаряться из самих стенок клеток, последние будут сокращаться, уменьшаясь в размерах тем больше, чем больше испарится воды.

Рис. 2. Разбухание древесины

Разбухание дерева представляет собой явление, противоположное усушке. Оно наблюдается тогда, когда дерево погружается в воду или когда его помешают во влажный воздух. Для того чтобы избежать усушки и разбухания дерева в конструкциях необходимо применять дерево того состояния влажности, которое соответствует условиям работы конструкции. Например, для наружных конструкций применяют воздушно-сухую древесину, а для мебели и внутренней отделки помещений — сухую.

Породы дерева принято разделять на 3 группы, в соответствии с коэффициентом объемной усушки.

• Мало усыхающие: кедр, ель, сосна, белый тополь, пихта и др.
• Средне усыхающие: вяз, дуб, осина, бук, черный тополь, ясень, липа мелколистная и др.
• Сильно усыхающие: граб, лиственница, остролистный клен, береза.

Растрескивание и коробление. Усыхание и разбухание сопровождаются короблением, а усыхание кроме того и растрескиванием.

Растрескиванием дерева называется появление на нем трещин. Оно происходит из-за возникновения в массиве древесины внутренних напряжений, связанных с изменением размеров отдельных частей древесины при неодинаковой усушке. Быстрее всего испаряется влага с торцов и наружных слоев дерева. Если при этом высыхание происходит быстро, то влага из внутренних слоев древесины не успевает дойти до наружных слоев, вследствие чего последние сокращаются.

Рис.3. Растрескивание древесины

Внутренние слои, как более сырые имеют большие размеры и, испытывая сжатие, создают разрывающее усилие, действующее на наружные слои, отчего происходит разрыв наружных слоев и образование трещин. Избежать растрескивания можно только благодаря замедлению сушки, чтобы влага из внутренних слоев успела доходить до наружного слоя. Бревна без коры растрескиваются сильнее, чем бревна, имеющие кору, так как кора замедляет высыхание.

Короблением называется изменение правильной геометрической формы дерева. Оно вызывается неравномерным и неодинаковым усыханием плотных и рыхлых клеток древесины. При короблении выпуклость доски всегда обращена в сторону сердцевины. При этом сильнее коробятся заболонные доски, которые, отстоят дальше от центра.

Рис. 4. Коробление древесины

В строительной практике для предохранения дерева от коробления принимают специальные мер, как, например при устройстве пола, доски чередуют, т. е. одну доску укладывают сердцевинной частью вниз, а другую — вверх, кроме того избегают применения широких досок. В особенности обращают внимание на возможность коробления клееных щитов.

В качестве мер против коробления устраивают шпунтовые соединения торцовых досок с поперечной доской, а также скрепляют весь щит шпонками.

Вес. В строительстве практическое значение приобретает объемный вес дерева. Объемным весом древесины называется вес 1 кубической единицы дерева, выраженной в граммах, если за 1 кубическую единицу берется 1 куб. см, или в тоннах, если за единицу объема берется 1 куб м. Объемный вес древесины и большинстве случаев меньше единицы. Это значит, что древесина легче воды, поэтому дерево плавает в воде.

Вес дерева изменяется в зависимости от:

• 1) породы,
• 2) влажности,
• 3) возраста,
• 4) плотности.

Кроме того в разных местах одного и того же дерева вес может быть не одинаков. Поэтому принято говорить о среднем весе различных пород древесины.

Теплопроводность. Теплопроводностью дерева называется способность проводить через себя тепло или холод.

Дерево по сравнению с другими строительными материалами очень слабо проводит тепло или, то есть дерево имеет малую теплопроводность, что является хорошим свойством. Поэтому наружные стены из дерева можно делать в три раза тоньше, чем из кирпича.

Звукопроводимость. Звукопроводимостью древесины называется способность ее проводить звук. Эта способность у древесины по сравнению с воздухом относительно большая. Скорость распространения звука в дереве в среднем, в зависимости от разных пород дерева по длине волокон будет в 11 —16 раз больше, чем в воздухе, а по направлению радиуса в 4,5 — 5,5 раз.

Однако большая звукопроводимость дерева в жилищном строительстве является отрицательным его свойством, так как для защиты от внешнего шума приходится увеличивать толщину материала, что вызывает лишний расход материала и средств.

Для улучшения звукоизоляции применяют дополнительные прокладки из заглушающих звук изоляционных материалов, либо нанося слой штукатурки, либо в виде закладки матов из минеральной ваты и т. п..

2. Основные характеристики древесины как строительного материала

Для реставраторов важнейшим является тот факт, что до недавнего времени в России древесина была главным и наиболее распространенным строительным материалом, из которого делали, практически все. Помимо прочего это означает, что старые мастера имели огромный опыт обработки древесины, который с появлением новых современных промышленных строительных материалов был утрачен.

Древесина не относится к капризным строительным материалам, однако изготовленный из нее предмет невозможно вернуть в состояние первоначальной заготовки, чтобы исправить обнаружившиеся ошибки. Поэтому при работе с древесиной огромное значение имеет предварительное выполнение расчетов и проектных разработок на всю глубину технологического цикла обработки изделия.

Срез под углом в 45° называется тангентальным срезом. Он имеет текстурованный рисунок в виде конусообразных линий.

Рис. 5. Тангентальный срез

Срез вдоль волокон дает радиальный срез, который показывает параллельные линии волокон.

Рис. 6. Радиальный срез

Срез, проходящий поперек волокон, по сути дела представляет текстурованный рисунок из годичных колец.

Такой срез так и будет называться – поперечный.

Рис. 7. Поперечный срез

Под корой дерева расположен тонкий слой влажной растительной ткани, который называется камбием. Древесина, расположенная под камбием и составляющая основную массу ствола, называется заболонью. У заболонных пород она однородна по всему сечению ствола дерева.

Рис. 8. Заболонная древесина

У некоторых пород деревьев в центре ствола имеется хорошо различимое ядро, часто имеющее более темный цвет.

К ядровым относятся все хвойные (сосна, кедр, ель, тис, лиственница) и некоторые лиственные породы, например дуб, ясень, тополь. Большинство лиственных пород составляет ряд заболонных, или безъядровых: береза, граб, ольха, клен, граб.

Рис. 9. Ядровая древесина

Микроструктура древесины образована древесными клетками, а макроструктура – годичными кольцами, сердцевидными сосудами, сучками, наростами, свилеватостью.

3. Стандартизованные физические свойства строительной древесины

В перечень стандартизованных физических свойств строительной древесины включены ее плотность, влажность, теплопроводность, звукопроводность, электропроводность, стойкость к коррозии (то есть способность противостоять действию агрессивной среды), а также ее декоративные качества (цвет, блеск, запах и текстура).

Плотность древесины – это отношение ее массы к объему, измеряемой в г/см³ или кг/м³. Она зависит от породы древесины, возраста, условий роста, ее влажности. Древесина, имеющая большую плотность, служит дольше и менее подвержена необратимым изменениям, чем менее плотная. Следует учесть, что плотность древесины необходимо измерять на образцах влажностью 15 %, чтобы получить данные, пригодные для сравнения и анализа. Среди наиболее распространенных пород самая большая плотность у дуба, далее по убывающей следуют ясень, клен, лиственница, бук, береза, орех, сосна, липа, осина, ель, пихта.

Влажность строительной древесины, является показателем ее качества и долговечности. На практике различают: комнатно-сухую древесину, с влажностью 8–12 %; воздушно-сухую искусственной сушки, с влажностью 12–18 %. Эти два вида древесины получают путем сушки пиломатериалов в сушильных камерах. Атмосферно-сухую естественной сушки, с влажностью 18–23 % получают в результате продолжительного хранения лесоматериалов, уложенных штабелями на прокладках в сухих, проветриваемых помещениях или под навесом, без допуска воздействия прямых солнечных лучей. Влажной считается древесина, с содержащая более 23% воды по массе.

Чем меньше показатель влажности древесины, тем меньше она подвержена гниению. Однако выбор для работы максимально сухой древесины не является правильным решением во всех случаях. Древесина очень гигроскопична, она легко впитывает влагу, изменяясь при этом в размере, что приводит короблению и деформации конструкций. Правильным решением будет использование древесины, влажность которой соответствует текущей эксплуатационной влажности.

Теплопроводность, звукопроводность. Деревянные дома из сруба или бруса хорошо удерживают тепло. Здоровая древесина способна хорошо распространять звук вдоль волокон: если после удара по комлевой части бревна, доски или бруса слышится чистый звенящий звук, то это говорит о высоком качестве древесины; прерывистый, глухой звук свидетельствует о ее загнивании.

Коррозионная стойкость древесины очень важна для строений и изделий, из нее изготовленных, особенно тех, которые эксплуатируются в основном под открытым небом.

Хвойные породы более стойки к коррозии, чем лиственные, благодаря пропитке природными смолистыми веществами.

Цвет, блеск, запах и текстура являются физическими свойствами древесины, позволяющими визуально определить ее породу.

Цвет способен указать на качество. Например, синеватая окраска хвойной древесины свидетельствует о начальной стадии загнивания. Здоровая сосна имеет цвет от коричневато-желтого в зонах, насыщенных смолой, до светло-желтого. Цвет ели – от светложелтого до белого. Черные и темно-коричневые пятна на буковой древесине – признак загнивания. Цвет здорового бука – от желто-бежевого до розоватобежевого.

На пороки древесины может указывать ее запах. Если в помещении, где хранится древесина бука, ощущается стойкий запах прелой листвы, а в помещении, где хранятся сосновые лесоматериалы, затхлый запах, – это явный признак процессов гниения.

Рис. 10. Составные части поперечного распила ствола и текстура древесины на трех разрезах: а – составные части поперечного распила ствола: 1 – лубяной слой коры; 2 – камбий; 3 – заболонь; 4 – ядро; 5 – сердцевина; 6 – сердцевидные лучи; б – текстура древесины сосны на трех разрезах: 1 – на поперечном; 2 – на радиальном; 3 – на тангентальном.

4. Эксплуатационные механические свойства строительной древесины

Механическая прочность древесины – это ее возможность противостоять различным статическим и динамическим нагрузкам. Различают прочность на сжатие, изгиб, скалывание (сдвиг), растяжение. При этом предел прочности древесины на сжатие и растяжение при направлении нагрузки вдоль волокон значительно выше, нежели при направлении нагрузки поперек волокон.

Рис. 11. Испытание прочности древесины по направлению нагрузки: 1 – вдоль волокон; 2 – поперек волокон радиально; 3 – поперек волокон тангентально.

Механическая прочность древесины зависит от ее физических свойств: увеличение влажности снижает прочность, а плотная древесина более прочна, чем легкая и рыхлая.

Пластичность – способность деревянной детали изменять форму под воздействием нагрузки и сохранять эту форму после снятия приложенной нагрузки. Это свойство важно для изготовления гнутых деталей. С увеличением влажности и температуры пластичность древесины увеличивается; поэтому детали, предназначенные для гнутья, обрабатывают горячей водой или паром.

Высокой пластичностью (по убывающей) обладает древесина бука, вяза, дуба, ясеня. Хвойные породы имеют прямолинейную структуру волокон и поэтому не обладают достаточной пластичностью для гнутья.

Твердость древесины обусловлена ее способностью сопротивляться внедрению инородных тел. По этому признаку древесину разделяют на твердую – бук, дуб, клен, ясень, вяз, лиственница (самые твердые – самшит и акация) и мягкую – липа, ель, сосна, ольха.

Износостойкость древесины – способность противостоять трению. Чем тверже древесина, тем выше ее износостойкость.