Что такое разбухание древесины

Влажность древесины

При увлажнении древесины в результате увеличения содержания связанной влаги микрофибриллы в клеточных оболочках раздвигаются. Это вызывает увеличение размеров (объема) анатомических элементов и древесины в целом — разбухание. Мерой разбухания является влажностная деформация, отнесенная к размеру (объему) образца в абсолютно сухом состоянии:

где P_w — разбухание образца при достижении данной влажности W, %; aw— размер (объем) образца при данной влажности W, мм (мм 3 ); а_о — размер (объем) образца в абсолютно сухом состоянии (W=0%), мм (мм 3 );

Разбухание представляет собой явление, обратное усушке, и практически подчиняется одним и тем же количественным закономерностям. Полное разбухание Р наступает при увлажнении древесины от абсолютно сухого состояния до предела гигроскопичности. Дальнейшее увеличение влажности древесины вследствие повышения содержания свободной влаги разбуханием не сопровождается. Объем разбухшей древесины получается несколько меньше суммы объемов древесины до разбухания и поглощаемой ею воды. Это уменьшение объема системы (древесина — вода) называется контракцией и объясняется сжатием (уплотнением) воды, происходящим под большим давлением. Вода в оболочке клеток находится под давлением 3000—4000 ат и имеет поэтому повышенную плотность. Полученные данные указывают на то, что контракция происходит при увеличении влажности от 0 до примерно 6%; последующие количества поглощаемой воды не претерпевают сжатия. Коэффициент разбухания К_р, если известно частичное P_w или полное Р разбухание, определяется по формулам:

где W влажность образца в области до W_nT =30%.

Для характеристики явления разбухания ограничиваются непосредственным экспериментальным определением полного линейного радиального и тангенциального разбухания Р. Часто совмещают определение разбухания и водопоглощения (см. ниже). Соблюдая ранее отмеченные требования к расположению годичных слоев, изготовляют образец в виде прямоугольной плитки размером 30X30X10 мм (наименьший размер вдоль волокон). Образцы высушивают в сушильном шкафу при температуре, постепенно (во избежание растрескивания) поднимающейся к 103±2°С, до абсолютно сухого состояния. При высушивании и взвешивании образцы находятся в бюксах. На торцовой поверхности высушенных и охлажденных в эксикаторе с безводным хлористым кальцием образцах наносят карандашные риски по двум взаимно перпендикулярным (радиальному и тангенциальному) направлениям. Измеряя расстояние между продольными плоскостями образца в местах, отмеченных рисками, определяют радиальный и тангенциальный размеры образца до с точностью до 0,01 мм. Затем образцы помещают в закрываемый крышкой сосуд с дистиллированной водой, имеющей температуру 20±2° С. Образцы выдерживают в сосуде до тех пор, пока два контрольных измерения тангенциального размера не покажут повторения результатов. После окончания выдерживания вновь в тех же местах определяют радиальный и тангенциальный размеры образца а_пг. Полное разбухание в радиальном и тангенциальном направлениях вычисляют по формуле:

Таблица 17. Величина давления при набухании древесины различных пород.

Источник

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 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:

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

Твёрдость древесины

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:

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:

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, %

Усушка, разбухание и коробление древесины

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.

Раскалываемость древесины

Износостойкость и гибкость древесины

Наибольшей способностью к гнутью (загибу) обладают лиственные кольце-сосудистые породы деревьев (дуб, ясень) и рассеянно сосудистые (бук, берёза). У хвойных пород эта способность очень невысока.

Способность к гнутью широко используется при изготовлении мебели, предметов интерьера.

Тепловые свойства

К тепловым свойствам относятся теплоёмкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение.

Деформативность

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

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

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

Источник

Усушка и разбухание древесины

Древесина обладает такими свойствами, как усушка или разбухание, что ведет к изменению размеров изделий из данного материала. Это вполне допустимо, если деревянное изделие усыхает или разбухает равномерно по всей своей площади. В противном случае деталь из дерева начинает коробиться.
В результате коробления происходит искажение либо формы изделия, либо его размера, поскольку усушка произошла неравномерно, вызвав напряжение в определенных частях детали из древесины.

Приведем примеры шести разновидностей коробления доски:

О ромбовидности речь пойдет позже.

Выбирая разновидность древесины для своих хозяйственных нужд, помните, что разные ее породы имеют различную склонность к короблению. Так, из хвойных пород кедр, ель и сосна коробятся в низкой степени, а кипарис и лиственница более подвержены этому процессу.
Их лиственных пород наиболее подвержены короблению бук, тополь и платан; дуб, ясень, липа, ильм и клен коробятся в средней степени; наиболее устойчивы же к различного вида деформации в результате усушки ольха, орех, осина, вишня и береза.
В случаях, когда напряжение, вызванное неравномерной усушкой, бывает настолько сильным, что превышает прочность древесины, возникают трещины.
Трещиной называют разделение клеток материала вдоль волокна. Чаще всего трещины появляются на поверхности деревянных деталей, но в некоторых случаях образуются и внутри.

Усушка тангенциальная и радиальная

Специалисты выделяют две разновидности усушки: тангенциальная и радиальная.
Радиальная усушка происходит в направлении, перпендикулярном годичным кольцам, а
тангенциальная – по касательной. Работая с древесиной, следует учитывать, что тангенциальная усушка сильнее радиальной в 1. 5

2 раза. Среди деревообработчиков бытует мнение, что таким образом кольца «пытаются распрямиться». Это нехитрое наблюдение помогает определить, в какую сторону доска начнет выгибаться в результате усушки.

В качестве демонстрации процессов коробления и разбухания проделали такой опыт: от торца дубовой доски отпилили три одинаковые полоски. Одна из них, при сохраненной исходной влажности в 14%, имеет совершенно ровную плоскость. Вторая полоска, высушенная до 4%, выгнулась в результате усушки, продемонстрировав поперечное коробление. Третья же, увлажненная до 20%, разбухла, выгнувшись в противоположном направлении. Этот опыт демонстрирует утверждение, что разбухание – процесс, обратный короблению.

Чтобы продемонстрировать неизбежность естественной усушки и коробления, достаточно провести такой эксперимент: свежевыпиленную доску поместить под пресс, пытаясь сохранить ровную поверхность. Разюухание доски не зависит от того, каким видом распила происходила ее обработка. Стремясь «раскрыться», доска треснет посередине.

Ромбовидность

Такой вид коробления как ромбовидность, возникает у деталей с прямоугольным или квадратным сечением в случае, когда годовые кольца расположены по диагонали торца. В результате коробления сечение такой детали будет представлять собой ромб, усохнув по одной из диагоналей сильнее.
У заготовок с квадратным сечением, получивших при токарной обработке форму цилиндра, по той же самой причине круглое сечение может обратиться в овальное.
Важный совет для тех, кто собирается делать клеевой стык досок: производя эту операцию, старайтесь делать так, чтобы край, расположенный у сердцевины дерева, где годовые кольца искривлены сильнее и будет иметь место радиальная усушка, стыковался с таким же «сердцевинным» краем другой доски. Соответственно, внешние края досок, подверженные тангенциальной усушке, тоже должны быть состыкованы вместе. Соблюдя это условие, можно сделать стыки менее заметными.

Процесс сушки древесины

Для того чтобы свести к минимуму последствия коробления древесины, необходимо ее правильно высушить. Правильная сушка производится по специально выработанной технологии, благодаря чему механико — физические свойства материала не ухудшаются. Начинается процесс сушки с удаления капиллярной влаги, по окончании которого механические свойства и объем древесины остаются прежними. Следующий шаг – испарение гигроскопической влаги, в результате чего материал уменьшается в объеме, но становится прочнее.
Рассмотрим подробнее этапы сушки древесины. Начинается процесс с предварительной сушки, для чего пиломатериалы, сложенные в штабеля, размещаются под навесом и выдерживаются несколько лет. Этот этап естественного атмосферного воздействия обязателен, поскольку материал приобретает определенную устойчивость к деформации. После этого производится сушка при помощи вакуума в специальной камере. Низкая температура и отсутствие воздействия воздуха на этом этапе сушки обеспечивают ее бережное течение, поскольку внутреннее напряжение практически отсутствует, в результате чего трещины не образуются. Использование компьютера при производстве вакуумной сушки делает этот процесс управляемым и качественным.
По достижении уровня влажности 12% сушка считается завершенной, но пиломатериал необходимо еще выдержать некоторое время в закрытом помещении, что необходимо для достижения нужного баланса влажности. Именно после этого высушенная по всем правилам древесина готова к дальнейшей обработке и использованию.

Достоинства древесины (натуральной):

Несмотря на некоторые проблемы, возникающие по причине коробления древесины, этот материал можно предпочесть другим благодаря таким его достоинствам, как высокие прочность и морозостойкость, низкие тепло- и звукопроводность, простота утилизации и легкость в обработке. Кроме того, древесине присущ низкий коэффициент линейного расширения под воздействием температуры.

Недостатки древесины (натуральной):

Из недостатков, присущих древесине, можно перечислить такие, как наличие сучков и трещин, гигроскопичность, горючесть. Отметим сразу, что недостатки устраняются при помощи специальных технологий.
Рассмотрим, к примеру, гигроскопичность. Являясь капиллярно-пористым материалом, древесина обладает свойством, как отдавать, так и поглощать влагу из окружающей среды. Поэтому усушке-разбуханию древесина обязана именно своей гигроскопичности. Это может привести как к изменению размеров деталей и конструкций из дерева, так и к развитию разрушающих микроорганизмов – грибков. С целью устранения гигроскопичности поверхность деревянных конструкций покрывают водо – и воздухонепроницаемыми составами: лаками, красками и т. д.

Источник

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 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