Древесина. Свойства, характеристики древесины как конструкционного материала

Физические свойства древесины как строительного материала

Древесина. Виды, свойства, классификация и пороки древесины

• Опубликовано: 26 июля, 2020

1. Строение древесины

Все деревья, растущие на земле, можно разделить на два вида: лиственные (покрытосеменные) и хвойные (голосеменные) – с листьями в виде иголок. К хвойным породам относятся сосна, кедр, ель, пихта, лиственница, можжевельник, тис. Лиственные деревья очень распространены и представлены множеством пород (береза, липа, дуб, орех, бук, ясень, клен, яблоня, вяз, ива и т. д.)

Дерево имеет три части: корень, ствол и крону (рис. 1). Резчики по дереву используют в основном ствол, в котором заключена основная масса древесины. Остальные части дерева также могут использоваться для производства различных изделий. Например, крону используют в качестве сырья для производства древесно-волокнистых плит, из ветвей ивы делают корзины и плетеную мебель, корни используются в декоративно-прикладном искусстве (корнепластика).

Рис. 1. Части дерева

Место перехода ствола в корень называют комлевой частью или комлем. Древесина в комлевой части имеет красивую текстуру и переливчатый блеск, что очень ценится в производстве художественных изделий из дерева.

Чтобы лучше понять свойства древесины, нужно хорошо представлять себе ее строение. Удобнее всего строение древесины рассматривать на трех основных разрезах ствола (рис. 2 и 3):

1. поперечном, или торцевом, когда плоскость разреза проходит перпендикулярно (поперек) стволу;
2. радиальном, когда плоскость разреза проходит вдоль оси ствола (параллельно волокнам древесины) через центр;
3. тангенциальном, когда плоскость разреза проходит вдоль оси ствола, но на некотором расстоянии от центра и по касательной к годичным кольцам.

Рис. 2. Разрезы ствола

Рис. 3. Строение древесины

В самом центре ствола расположена сердцевина, состоящая из рыхлых, непрочных тканей, образованных в первые годы жизни дерева.

Сердцевину окружают годичные кольца – слои прироста древесины за один год жизни дерева. На радиальном разрезе годичные слои видны в виде параллельных полос, а на тангенциальном – в виде извилистых линий. В годичном кольце различают внутренние слои из крупных светлых клеток, которые появляются весной, и наружные слои из мелких темных клеток – это область поздней, летней и осенней древесины.

У некоторых пород деревьев на поперечном (торцевом) разрезе можно увидеть более темную центральную часть – ядро и более светлую часть вокруг ядра – заболонь. Ядро отличается большей плотностью, твердостью и меньшим содержанием влаги, так как это самая старая по возрасту древесина, состоящая из омертвевших клеток, не принимающих участия в обмене питательных веществ.

Заболонь – самая молодая часть древесины, она служит для проведения воды и других питательных веществ по стволу из корней в крону. Древесина заболони менее прочная, чем ядровая, она сильнее усыхает и растрескивается, поэтому резчики не используют в работе заболонь некоторых пород деревьев, а используют только ядро.

В зависимости от наличия ядра, заболони и спелой древесины породы деревьев подразделяются на следующие виды.

Ядровые – такие породы имеют и ядро, и заболонь. К ядровым породам относятся сосна, кедр, лиственница, можжевельник, дуб, ясень, яблоня и другие.

Спелодревесные – у этой группы деревьев древесина в центральной части ствола почти полностью отмирает, но не отличается от заболони по цвету. Такую древесину называют спелой. К спелодревесным породам относятся ель и осина.

Заболонные – это породы деревьев, у которых между центральной и остальной частью ствола нет разницы ни в цвете, ни в содержании влаги. К заболонным породам относятся береза, липа, клен, груша и др.

На границе между древесиной и корой находится камбий – тонкий слой, состоящий из живых клеток, которые, развиваясь, каждый год образуют новый слой древесины.

Кора состоит из двух слоев – пробкового и лубяного. Расположенный снаружи пробковый слой защищает древесину ствола от морозов, солнечных лучей и механических повреждений. Лубяной слой коры (луб) проводит воду и выработанные в листьях органические вещества по стволу.

На торцовой поверхности древесного ствола у некоторых пород деревьев хорошо видны светлые блестящие полоски, направленные от сердцевины к коре, – это сердцевинные лучи. Они проводят в стволе воду в горизонтальном направлении, а также запасают питательные вещества. У всех хвойных деревьев и у таких лиственных, как береза, осина и груша, сердцевинные лучи настолько узкие, что почти не заметны; у дуба и бука, наоборот, лучи широкие и хорошо видны на всех разрезах.

2. Физические свойства древесины

К физическим свойствам древесины относятся свойства, которые определяют ее внешний вид: текстура, цвет, блеск, влажность, усушка, разбухание и плотность.

Текстура древесины – это рисунок, образующийся на ее поверхности при разрезе. Чем сложнее строение древесины, там богаче, интереснее текстура. На характер текстуры влияет следующее:

1. направление разреза (радиальное или тангенциальное);
2. часть дерева, попавшая в разрез (ствол, комель, наплыв, кап);
3. строение древесины (расположение волокон и сердцевинных лучей, ширина и форма годичных колец).

Текстура определяет декоративную ценность древесины. Лиственные породы деревьев имеют более богатую текстуру, чем хвойные. Особо красивую текстуру имеют дуб, ясень, орех.

Цвет древесины зависит от ее породы, возраста, климата и условий, при которых росло дерево. Цвет определяют находящиеся в древесине красящие и дубильные вещества и смолы. По цвету и текстуре древесины можно определить породу дерева. Чаще всего встречаются желтовато-бурые и красновато-коричневые тона древесины, но бывают породы с почти белой древесиной (береза, осина, граб, пихта) и древесиной черного цвета (эбеновое дерево).

Блеск древесины – это свойство ее поверхности отражать свет. Особенно хорошо блеск виден на радиальном разрезе. Блеск у разных пород различается по своему характеру:

• матовый (сатиновый) блеск имеют тополь, липа, осина, рябина, груша;
• шелковистый – кедр, сосна, вяз, ясень, черемуха.
• муаровый (переливающийся) – береза, серый клен, лавровишня.

Влажностью древесины называется отношение массы влаги, находящейся в данном объеме древесины, к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах. Влажность оказывает большое влияние на свойства древесины как поделочного материала. Изделия, изготовленные из сырой древесины, легко поражаются плесенью и загнивают, при сушке изменяют размеры и форму, коробятся и растрескиваются. Влажность измеряется специальным прибором – влагомером. По степени влажности древесину подразделяют на следующие виды:

• мокрая – долгое время пробывшая в воде (100 %);
• свежесрубленная (50…100 %);
• воздушно-сухая – долгое время пролежавшая на воздухе (15…20 %);
• комнатно-сухая – (8…12 %);
• абсолютно сухая – (около 0 %).

Влажность, при которой эксплуатируется изделие, называют эксплуатационной, или рабочей влажностью древесины. Так, эксплуатационная влажность древесины, из которой будет изготавливаться мебель для помещений (интерьера), должна составлять 6…12 %; влажность изделий из древесины, которые будут эксплуатироваться на улице (деревянные скамейки, ступеньки, перила), должна составлять 15…20 %. Важно, чтобы влажность древесины соответствовала влажности окружающей ее среды.

Усушка и разбухание – свойства, связанные с изменением влажности древесины.

Усушка древесины – это уменьшение линейных размеров и объема древесины при ее высыхании, т. е. при испарении из нее влаги. Уменьшение размеров при высыхании не одинаково по разным направлениям, например, в тангенциальном направлении усушка сильнее, чем в радиальном. Неравномерность усушки в разных направлениях приводит к деформациям древесины и даже к ее растрескиванию (рис. 4).

Рис. 4. Усушка древесины в различных частях ствола

Деформации древесины, связанные с ее усушкой, называются короблением (рис. 5). Коробление также может возникать из-за неправильной механической обработки сухой древесины, например, несимметричного строгания или неправильного хранения пиломатериалов. Различают поперечную и продольную покоробленность. Для предупреждения появления коробления необходимо правильно укладывать, сушить и хранить древесину.

Рис. 5. Усушка и коробление граней: I – грани древесины, не подвергавшиеся сушке; II – грани высушенной древесины; а, б, в, г – схемы усушки граней древесины в зависимости от их места в стволе

Разбухание древесины – свойство, обратное усушке. Разбуханием называют увеличение линейных размеров и объема древесины при повышении содержания в ней влаги. Разбухание происходит из-за способности древесины поглощать, впитывать влагу из окружающего ее воздуха. Так же, как и усушка, разбухание происходит неравномерно в разных направлениях.

Плотность древесины характеризуется отношением массы древесины к ее объему и имеет размерность [кг/м 3 ] или [г/см 3 ] . Плотность древесины зависит от ее породы и влажности. С уменьшением влажности древесины снижается ее плотность, и она становится легче почти в два раза.

По плотности при влажности 12 % древесину можно разделить на три группы:

1. породы с малой плотностью (до 510 кедр, тополь, липа, ива, ольха, каштан;
2. породы средней плотности (550…740 кг/м 3 ): сосна, ель, пихта, кг/м 3 ): лиственница, тис, береза, бук, вяз, груша, дуб, ильм, карагач, клен, платан, рябина, яблоня, ясень;
3. породы с высокой плотностью (от 750 граб, самшит, саксаул, фисташка, кизил. кг/м 3 ): акация белая,

3. Механические свойства древесины

Механические свойства характеризуют способность древесины сопротивляться внешним воздействиям. К механическим свойствам древесины относятся прочность, твердость и жесткость.

Прочность – это способность древесины сопротивляться разрушению от механических усилий, таких как растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг, кручение. Растяжение и сжатие могут быть вдоль и поперек волокон, сжатие – в радиальном и тангенциальном направлениях, поперечный изгиб может быть радиальным (действующая сила направлена к сердцевинным лучам) и тангенциальным (по касательной к годичным слоям).

Прочность характеризуется пределом прочности, после которого происходит разрушение древесины под воздействием внешней нагрузки. Прочность древесины зависит от направления действия нагрузки, породы дерева, плотности, влажности, наличия пороков. При увеличении влажности древесины ее прочность снижается, большое количество пороков (трещин, сучков) также значительно понижает прочность древесины.

Прочность древесины имеет большое значение при изготовлении мебели и несущих конструкций из дерева в строительстве.

Твердость – это способность древесины сопротивляться проникновению в нее более твердых тел (например, режущего инструмента). Поэтому твердость имеет большое значение при обработке древесины: пилении, строгании, фрезеровании, резьбе. Чем выше твердость древесины, тем труднее ее обрабатывать.

Твердость торцовой поверхности выше твердости боковой поверхности (тангенциальной и радиальной) на 30 % у лиственных пород и на 40 % – у хвойных. Твердость древесины, высушенной до 12 % влажности, в полтора-два раза больше твердости древесины 30 %-й влажности.

По степени твердости все древесные породы можно разделить на три группы:

1. к мягким породам относят сосну, ель, кедр, пихту, можжевельник, тополь, липу, осину, ольху, каштан;
2. к твердым – лиственницу, берёзу, бук, дуб, вяз, платан, рябину, клен, орех, яблоню, ясень;
3. к очень твердым – акацию белую, граб, кизил, самшит, фисташку, тис.

Твердость древесины в разных частях дерева неодинакова. Выше она в комлевой части ствола, в сучках и наростах. Ранняя и поздняя древесина годичных слоев некоторых пород (например, лиственница) резко отличаются по твердости.

Жесткость – это способность сопротивляться изменению размеров и формы, проявляется при гнутье древесины. Чем меньше жесткость древесины, тем легче она гнется. Жесткость древесины снижается при повышении ее влажности и нагревании.

Важными технологическими свойствами древесины являются износостойкость – способность древесины сопротивляться износу, т. е. постепенному разрушению ее поверхностных зон при трении, и способность удерживать механические крепления (гвозди, шурупы, саморезы, скобы). Особо прочными бывают соединения, если шурупы и гвозди завинчены или забиты в тангенциальном направлении. Чем больше плотность древесины, тем лучше она удерживает крепления.

4. Классификация древесных пород

Для художественных работ по дереву в качестве материала можно использовать разные породы дерева. Выбор материала зависит от вида работ, творческого замысла, а также наличия и цены древесины.

Все породы деревьев разделяются на хвойные и лиственные.

Хвойные породы обладают характерным смолянистым запахом, так как содержат смолу, которая защищает древесину от гниения. Иногда на пиломатериалах хвойных пород можно отчетливо увидеть смоляные ходы – тонкие узкие каналы, заполненные смолой. Хвойные породы деревьев не имеют сосудов, а сердцевинные лучи очень узкие и невооруженным глазом не видны.

Лиственные породы древесины бывают кольцесосудистыми и рассеянно-сосудистыми. У кольцесосудистых пород на поперечном разрезе хорошо видны скопления небольших круглых отверстий – это сосуды, по которым, как по трубкам, проводятся влага и питательные вещества. Крупные сосуды сосредоточены в ранней древесине годичных слоев и образуют сплошное кольцо из сосудов. У кольцесосудистых лиственных пород годичные слои хорошо заметны из-за резкого различия между ранней и поздней древесиной. У рассеянно-сосудистых пород сосуды расположены равномерно внутри годичного кольца.

При строительстве деревянных домов и их внешней отделке чаще используют хвойные породы деревьев (например, лиственницу, сосну, ель), так как эти породы более прочные, стойкие к загниванию и экономичные в использовании (имеют невысокую цену). К тому же ствол хвойных пород имеет более правильную форму и меньшее количество дефектов.

Лиственные породы, как правило, имеют более сложную, интересную текстуру и большее цветовое разнообразие, поэтому их используют тогда, когда важны декоративные свойства древесины. Лиственные породы обычно используют для внутренней отделки помещений, изготовления мебели, паркета, дверей, элементов декора, музыкальных инструментов.

Основные признаки для определения породы древесины:

• наличие ядра, ширина заболони и степень резкости перехода от ядра к заболони;
• степень видимости годичных слоев, разница между ранней и поздней древесиной;
• наличие и размеры сердцевинных лучей;
• размеры сосудов; наличие смоляных ходов, их размеры и количество;
• дополнительные признаки – цвет, блеск, текстура (рисунок), плотность и твердость.

4.1. Твердые хвойные породы

Лиственница – ядровая порода. Ядро желто-красное или красное с грубым рисунком. Заболонь желтовато-белая. Граница между ядром и заболонью четкая, на разрезе видны годичные кольца. Из-за особенностей смолы, пропитывающей лиственницу, дерево не подвергается нападению насекомых-древоточцев, а также может использоваться без какой-либо химической обработки в тех случаях, когда другие породы подвержены гнили. Древесина очень прочная, долговечная, дает небольшую усадку. Обрабатывается с большим трудом. Пробыв в воде большой срок, древесина становится твердой, как камень, поэтому ее используют при строительстве мостов, плотин, телеграфных столбов, в строительстве кораблей. Также используется в строительстве жилых домов, мебельном производстве и при изготовлении скульптур.

Можжевельник – ядровая порода. Ядро буровато-коричневое. Заболонь светло-желтая с зеленоватым оттенком. Древесина крепкая, плотная, хорошо обрабатывается. Режется без сколов во всех направлениях. Применяется для изготовления мелких резных и токарных изделий, игрушек. Из древесины можжевельника добывают смолу, которая используется для приготовления белого лака.

4.2. Мягкие хвойные породы

Сосна – ядровая порода. Ядро красно-бурое. Заболонь бело-желтого цвета. На срезе – четкие годичные кольца. Древесина мягкая, легкая, прочная, хорошо раскалывается в радиальном и тангенциальном направлении. Окрашивается и протравливается плохо из-за наличия смоляных ходов. После обессмоливания хорошо обрабатывается, легко режется. Широко применяется в строительстве, мебельном производстве, в деревянном зодчестве и резьбе.

Кедр – ядровая порода. Ядро красновато-розовое, заболонь желтовато-розовая. Годичные слои заметны на всех разрезах, но переход от более темной, поздней древесины слоя к ранней – плавный. Древесина кедра мягкая, легкая, хорошо обрабатывается. Имеет довольно красивую текстуру и окраску и обладает стойким приятным запахом. Кедр используют в резной скульптуре и для изготовления токарных художественных изделий. Население Урала и Сибири во все времена предпочитало сибирский кедр для отделки жилищ. Из продольно распиленных бревен получали доски в два аршина и больше, которые шли на изготовление дверей, половиц и других столярных изделий. Из смолистой древесины кедра делали сундуки, гардеробы, шкафы и комоды. Высокое содержание в кедровой древесине фитонцидов отпугивает различных насекомых, в том числе моль. Сейчас кедр используется в мебельном производстве, для всех видов резьбы. Из древесины кедра делают карандаши, ее используют в строительстве, так как она очень устойчива по отношению к гниению.

Ель – спелодревесная порода. Древесина ели белая с желтоватым, иногда с розоватым оттенком. На срезе хорошо видны годичные кольца. Древесина мягкая, легкая, хорошо раскалывается. Широко применяется в целлюлозно-бумажной промышленности. Древесина ели обладает высокими акустическими свойствами, поэтому ель незаменима при изготовлении гитар, скрипок, балалаек, пианино и других музыкальных инструментов.

Пихта – безъядровая спелодревесная порода. Древесина пихты белая, со слабым желтоватым (у некоторых видов красноватым) оттенком, очень похожа по внешнему виду на древесину ели, от которой она отличается отсутствием смоляных ходов. Годичные кольца видны на всех разрезах. Пихта – самая мягкая из хвойных пород. Используется при изготовлении различной тары, для изготовления отделочного шпона, в домовой резьбе, в целлюлозно-бумажной промышленности.

4.3. Твердые лиственные породы

Дуб считается классической резной породой. Дуб – ядровая порода. Ядро темно-красное или желто-коричневое, заболонь – светло-желтая. Сердцевинные лучи широкие и видны на всех срезах. Дуб относится к кольцесосудистым породам, годичные кольца хорошо видны. Древесина дуба крепкая, твердая, характеризуется высокой прочностью и стойкостью против гниения. Дуб всегда используется там, где требуется особая прочность. У древесины дуба красивая текстура. Это незаменимый материал для изготовления мебели, скульптурных и резных работ. Очень ценится мореный дуб. Этот дуб необыкновенно тверд и прочен. Дуб естественного морения получается из дубовых стволов, находящихся десятилетиями в воде, при этом стволы приобретают черный или темно-коричневый цвет. Обычно мореный дуб используется в кораблестроении.

Ясень – ядровая порода. Ядро светло-бурое, с коричневым оттенком. Заболонь розовая или желтоватая. Переход от заболони к ядру нечеткий. Ясень относится к кольцесосудистым породам, годичные кольца хорошо видны. Древесина ясеня очень прочная и крепкая, обладает высокими физическими и механическими свойствами, имеет очень красивую текстуру, напоминающую древесину дуба. Из ясеня изготавливают игрушки, декоративную посуду; в мебельном производстве – резную мебель и отделочный шпон, в строительной промышленности – лестничные перила, паркет. Благодаря высокой ударной вязкости и гибкости ясень используют в производстве спортивного инвентаря: теннисных ракеток, лыж, весел, луков.

Вяз (ильм, карагач) – кольцесосудистая ядровая порода. Ядро светло-бурое. Заболонь широкая, желтовато-белая, постепенно переходит в ядро. Сердцевинные лучи узкие и почти не видны, годичные слои хорошо различимы. Древесина вяза твердая, прочная и упругая. Расколоть ее нелегко, обрабатывается она с трудом, зато почти не коробится, слабо растрескивается при высыхании, хорошо полируется и очень красива в изделиях. Используется в производстве мебели, строганого шпона, в резных работах.

Орех – кольцесосудистая ядровая порода. Ядро коричневато-серое. Заболонь сероватая, самых разных оттенков. Годичные кольца хорошо заметны. Древесина имеет красивую текстуру и высоко ценится в мебельной промышленности. Хорошо обрабатывается, легко режется, точится. Из ореха изготавливают мебель, отделочный шпон, рукоятки охотничьих ножей, приклады ружей, различные резные изделия.

Клен – безъядровая, заболонная, рассеянно-сосудистая порода. Древесина клена белая, иногда с желтоватым, красноватым или буроватым оттенком, желтеющая со временем под действием солнечных лучей. Годичные слои заметны на всех разрезах. Узкие сердцевидные лучи буроватого цвета особенно хорошо заметны на радиальном разрезе. Древесина клена крепкая и твердая, прочная и тяжелая, мало разбухает. Клен используется для производства мебели, паркета, музыкальных инструментов, кухонной утвари. Подходит для различных видов резьбы.

Бук – рассеянно-сосудистая безъядровая спелодревесная порода. Древесина бука светлая с желтоватым или красноватым оттенком. Годичные слои хорошо видны. Сердцевинные лучи широкие, на радиальном разрезе имеют вид блестящих полосок, а на тангециальном – коричневых черточек, создающих характерный крапчатый рисунок. Старые деревья иногда имеют окрашенную в красно-коричневый цвет спелую древесину – «красное ядро». Древесина бука твердая и прочная, но не устойчива к загниванию, поэтому используется только внутри помещений. Бук используют для отделки помещений, изготовления мебели, лестниц, паркета, токарных изделий, музыкальных инструментов, фанеры. Обработанный паром бук легко гнется. Такая особенность позволяет использовать древесину при изготовлении венских стульев и деталей округлой формы.

Береза – безъядровая рассеянно-сосудистая порода. Древесина белая, с желтоватым или красноватым оттенком. Годичные слои заметны плохо. Сердцевинные лучи видны только на радиальных разрезах (расколах). Для древесины березы характерны высокая прочность, твердость, ударная вязкость, но малая стойкость к гниению. Древесина березы хорошо полируется, окрашивается, легко поддается обработке инструментами, хорошо гнется в распаренном состоянии. Используется для изготовления шпона, фанеры и столярных плит, лыж, мебели, токарных изделий, рукояток для инструментов, прикладов огнестрельного оружия. Особенно ценится карельская береза, которая отличается очень сложной фактурой древесины. Ценным поделочным материалом считается березовый кап – большие наросты на стволах, крупных сучьях, корнях. Срез нароста дает сложный и красивый рисунок, поэтому его и используют для изготовления сувенирных изделий.

Яблоня – рассеянно-сосудистая ядровая порода. Вокруг краснокоричневого ядра расположена желто-розовая широкая заболонь. Переход от ранней древесины годичного слоя к поздней происходит постепенно. Годичные слои яблони слегка извилисты и неодинаковы по ширине. Каждый годичный слой то сужается, то расширяется, образуя кольцо неправильной формы. На всех разрезах они видны, но особенно четкий текстурный рисунок проявляется на торцовом срезе. У яблони очень узкие сердцевинные лучи, которые почти не видны. Древесина яблони твердая, плотная, сильно усыхающая, при усыхании сильно растрескивается. Древесина хорошо режется, точится, прекрасно шлифуется и полируется. Из яблони изготавливают инструменты, дорогую мебель, шкатулки, красивую и прочную посуду. На яблоневой древесине выполняется очень тонкая резьба.

4.4. Мягкие лиственные породы

Липа – лучший материал для резьбы любого вида. Липа – безъядровая спелодревесная рассеянно-сосудистая порода. Древесина липы белого цвета с розоватым или желтоватым оттенком, чистая и однородная. Годичные слои на ней почти незаметны. Древесина липы мягкая, сравнительно мало усыхает, почти не коробится, легка в обработке, хорошо точится, режется, отлично гнется и полируется. Свежесрубленная древесина липы мягкая, но, высохнув, становится достаточно твердой, поэтому из липы вырезают сувениры, игрушки, различную кухонную утварь (ковши, черпаки, блюда) и многое другое. Хохломскую посуду и матрешки тоже делают из липы.

Осина – заболонная безъядровая рассеянно-сосудистая порода. Древесина белого цвета, мягкая, с однородной текстурой, на всех срезах видны годичные кольца. Умеренно усыхает, почти не трескается, что позволяет делать порезки в любом направлении, не скалывается. Поэтому осина широко используется для всех видов резьбы. Древесина осины прямослойная, легко колется и при сгорании не дает копоти, поэтому она незаменима в спичечном производстве. Осиновая стружка используется как упаковочный материал. Древесина осины очень долго не гниет в воде, поэтому из нее делают колодезные срубы, легкие рыбачьи лодки. Очень хорошо использовать осину при строительстве бань, так как древесина осины легко обрабатывается. Из осины также изготавливают прекрасную прочную посуду и деревянные игрушки.

Ольха – рассеянно-сосудистая безъядровая заболонная порода. Древесина ее в свежесрубленном состоянии белая, но на воздухе приобретает окраску от оранжево-желтой до желто-красной или красновато-бурой. Годичные кольца почти незаметны. Древесина ольхи хорошо режется, мало коробится, легко окрашивается, полируется и протравливается, долго не гниет в воде. Легко обрабатывается режущими инструментами, порезки получаются четкими и чистыми, поэтому ольха, так же как липа и осина, широко используется при резьбе. Из ольхи изготавливают различную кухонную посуду: чаши, ковши, миски. Это также хороший поделочный материал. Ольху применяют для скульптуры, различных настенных украшений. Ее также используют для получения шпона – как лущеного (для фанеры), так и строганого (для отделки мебели).

Тополь – ядровая рассеянно-сосудистая порода с широкой белой заболонью, которая нерезко ограничена от ядра светло-бурого или желтовато-бурого цвета. Годичные слои широкие, слабозаметные. Сосуды мелкие, сердцевинные лучи очень узкие. Малостойка против гниения и других биоповреждений. При сушке почти не коробится и не трескается, хорошо обрабатывается режущими инструментами. Тополь используют для изготовления бумаги, в мебельной промышленности для производства отделочного шпона, а также для изготовления деревянной посуды.

Ива (ветла, ракита, лоза) – рассеянно-сосудистая ядровая порода с широкой белой заболонью и буровато-розовым ядром. Годичные слои и сердцевинные лучи заметны слабо, сосуды мелкие. По своим свойствам древесина ивы близка к липе и тополю. Древесина ивы легкая, мягкая, эластичная, мало усыхает, очень гибкая. Ивовые прутья – универсальный материал для плетения. Из них плетут корзины, изготавливают плетеную мебель. Древесина ивы хорошо обрабатывается различными режущими инструментами и точится, поэтому из нее изготавливают токарную и резную посуду.

5. Пороки древесины

Пороками древесины называют изменения ее внешнего вида, нарушения правильности строения и другие недостатки, снижающие качество древесины и ограничивающие возможности ее использования в работе. Влияние пороков на пригодность древесины как материала зависит от вида порока, размеров поражения им древесины, а также характера изготавливаемого изделия и условий его эксплуатации.

Некоторые пороки осложняют работу или делают древесину вообще непригодной для использования. Но при изготовлении художественных изделий некоторые отклонения от нормального строения (например, наросты или неравномерная окраска) могут повышать декоративные качества материала.

Все пороки разделены на следующие девять групп (ГОСТ 2140–81):

1. сучки;
2. трещины;
3. пороки формы ствола;
4. пороки строения древесины;
5. химические окраски;
6. грибные поражения;
7. биологические повреждения;
8. инородные включения, механические повреждения и пороки обработки;
9. покоробленности.

Сучки (рис. 6) – это основания ветвей, заключенные в древесине ствола. Наличие сучков в древесине называют сучковатостью. Сучковатость – один из наиболее распространенных пороков древесины, особенно хвойных пород, из которой со временем сучки могут выпадать. Древесина сучков в два-три раза выше твердости окружающей их древесины, что затрудняет обработку режущими инструментами. При работе нужно учитывать невозможность соединений в этих местах.

Рис. 6. Основные разновидности сучков: 1 – круглый; 2 – овальный; 3 – продолговатый; 4 – пластевой; 5 – кромочный; 6 – ребровой; 7 – сшивной; 8 – групповой; 9 – разветвленный

Трещины – это разрывы древесины вдоль волокон (рис. 7). На их образование влияют природные факторы и внутренние напряжения, возникшие в стволе. Различают морозные, отлупные и метиковые трещины. Морозные трещины появляются в результате расширения внутренней влаги при сильных морозах. В результате возникают сквозные трещины, направленные радиально.

Рис. 7. Основные разновидности трещин: а – метиковые: 1 – простая в круглом лесоматериале; 2 – в пиломатериале с выходом на пласть, кромку и торец; б – отлупные: 1 – в круглых лесоматериалах; 2 – в пиломатериалах (пластевая, кромочная, торцевая); в – трещины усушки: 1 – в круглых лесоматериалах; 2 – в пиломатериалах (пластевая, кромочная, торцевая); г – морозные: 1 – в круглых лесоматериалах; 2 – в пиломатериалах

Внутренние напряжения, возникающие в стволе, приводят к появлению отлупных (отслоение друг от друга годичных слоев) и метиковых (направленных вдоль ствола от корня к вершине) трещин. Помимо этого могут появиться трещины, являющиеся результатом усушки.

Трещины нарушают целостность древесины и снижают ее механические свойства. При выборе материала следует не допускать этот порок. Если трещина возникла во время работы, ее необходимо заделать.

Пороки формы ствола возникают в результате изменения условий роста дерева, механических повреждений или заболеваний. Такие пороки затрудняют распиловку бревен и снижают полезный выход пиломатериалов. Чаще всего встречаются следующие пороки формы ствола.

• Кривизна – искривление ствола по длине. Кривизна может быть простой и сложной (ствол имеет несколько изгибов в разном направлении).
• Сбежистость – резкое уменьшение диаметра от комля к вершине, что вызывает наклон волокон.
• Закомелистость – резкое увеличение диаметра в нижней части ствола.
• Наросты на стволе – местные утолщения ствола. Наросты бывают двух видов: наплывы, которые имеют гладкую поверхность и появляются в комлевой части дерева, и капы, имеющие неровную поверхность и свилеватое строение. Древесина наростов плохо поддается обработке и мало пригодна в качестве конструкционного материала, но отличается очень красивой текстурой. Капы используются для производства строганого шпона и мелких художественных изделий.

Пороки строения древесины (рис.

• Наклон волокон (косослой) – винтообразное направление волокон древесины. Такую древесину лучше не использовать для токарных и резных работ.
• Свилеватость – волнообразное или переплетное расположение волокон. Чаще всего это явление наблюдается в комлевой части ствола. Свилеватое дерево трудно раскалывается и обрабатывается, но имеет красивый рисунок.
• Двойная сердцевина – наличие в древесине двух и более сердцевин, каждая из которых имеет свою систему годичных колец. Это затрудняет обработку, увеличивает отходы, способствует растрескиванию.
• Прорость – дефект на участке дерева, возникший в результате механических повреждений. Прорость бывает открытая и закрытая. Такой участок древесины портит внешний вид и затрудняет отделку. Часто в этом месте встречаются грибные пятна и засмолки.
• Смоляной кармашек (засмолок) – полость внутри годичных слоев, заполненная смолой. Смоляной кармашек портит поверхность изделий, плохо поддается отделке и склеиванию, пачкает инструменты, снижает прочность древесины.
• Химические окраски – ненормально окрашенные, неравномерные по цвету участки в древесине, возникающие в результате развития химических и биологических процессов. Химические окраски не влияют на механические свойства древесины, но изменяют ее цвет и блеск. При интенсивной окраске ухудшают внешний вид.
• Грибные поражения – один из опасных пороков древесины. Они могут привести к загниванию древесины, изменению ее цвета и ее быстрому разрушению. Гниль – ненормальные по цвету участки древесины без понижения или с понижением твердости, возникающие под воздействием дереворазрушающих грибов. Мягкая гниль резко снижает прочность древесины.

Рис. 8. Пороки строения древесины: 1 – наклон волокон; 2 – свилеватость; 3 – двойная сердцевина; 4 – прорость открытая; 5 – прорость закрытая; 6 – смоляной кармашек

Основным видом биологических повреждений являются червоточины – ходы и отверстия, проделанные в древесине насекомыми. По глубине проникновения в древесину червоточины подразделяют на поверхностные, неглубокие, глубокие и сквозные. Червоточина ухудшает внешний вид древесины и может снижать ее механические свойства.

Древесина может содержать инородные включения, такие как камни, песок, проволока, гвозди, металлические осколки. Инородные включения могут привести к порче инструмента при обработке такой древесины, а также к травме человека, ее обрабатывающего.

• Механические повреждения и пороки обработки – повреждения древесины, полученные в процессе ее заготовки, транспортировки, сортировки и обработки механическим инструментом.
• Покоробленность (рис. 9) – деформации, которые возникают при распиловке, сушке или хранении древесины. Покоробленность затрудняет, а иногда и полностью исключает использование такой древесины в работе.

Рис. 9. Покоробленность: а – простая продольная по пласти; б – сложная; в – продольная по кромке; г – поперечная; д – крыловатость; п – прогиб

Древесина. Свойства, характеристики древесины как конструкционного материала

1. Сфера использования древесины. Её достоинства и недостатки как конструкционного материала

В отличие от многих видов сырья, используемых и невозобновляемых (газ, уголь, руда, нефть, торф, горючие сланцы и т.д.), древесина – это сырье, запасы которого могут непрерывно восстанавливаться. На земном шаре примерно треть площади занимает суша, и около трети ее покрыто лесами. На долю России приходится около пятой части всех лесов земного шара.

Древесину как сырье используют для получения многих видов изделий. Это мебель (корпусная, решетчатая, мягкая), столярно-строительные изделия (окна, двери, паркет, фрезерованные погонажные детали), музыкальные инструменты (рояли, пианино, скрипки, гитары, виолончели), деревянные суда (шлюпки, яхты, каноэ, суда для академической гребли), спортивный инвентарь (лыжи, клюшки, городки, биты), тара (ящики, бочки, буты) и др. Древесина – прекрасный материал для внутреннего оборудования пассажирских железнодорожных вагонов и теплоходов, из нее изготавливают детали и узлы грузовых автомашин сельскохозяйственной техники, футляры радиоприемников и телевизоров, часов, микроскопов и приборов точной механики, шкатулки, посуду, художественные изделия, из древесины получают пилопродукцию, а также фанеру, столярные и стружечные плиты, ее используют в строительстве мостов, пристаней, она незаменима в производстве колодок для обуви, ручек инструмента, катушек, челноков, спичек, карандашей.

При этом в силу анизотропии свойств усушка и разбухание древесины в разных направлениях различны. Вдоль волокон усушка практически равна нулю, наибольшую величину она имеет в тангентальном направлении. В радиальном направлении усушка древесины примерно в 2 раза меньше, чем в тангентальном.

К недостаткам древесины как конструкционного материала относят также легкую возгораемость, загниваемость, особенно в условиях переменных температур и влажности воздуха, изменение цвета под воздействием световых лучей, различных веществ, невысокое сопротивление изнашиванию, особенно вдоль волокон и т.д.

Однако достоинства древесины как материала для конструкции настолько велики, что, несмотря на значительное развитие технологии искусственных материалов – заменителей древесины, полностью ее заменить каким-либо другим материалом не представляется возможным. Кроме того, за тысячелетия использования древесины человек научился так конструировать изделия из нее, чтобы максимально устранить недостатки и выявить достоинства. В некоторых же случаях отдельные недостатки используются в нужных целях. Так, например, набуханием пользуются для изготовления баковой тары, изготавливают клееные несущие конструкции большого сечения, которые при возможном возгорании обугливаются снаружи, оставаясь нетронутыми внутри и т.д.

Древесина как материал для изготовления изделий имеет ряд достоинств, которыми не обладает ни один из конструкционных материалов. Древесина обладает малым объемным весом при сравнительно высокой прочности; древесина сосны, лиственницы, пихты на каждый грамм своего веса выдерживает при растяжении такую же нагрузку, как сталь, в 3 раза большую, чем литой алюминий и в 7 раз большую, чем чугун. Теплопроводность древесины в 2-4 раза меньше теплопроводности стекла, в 4-9 раз меньше теплопроводности железобетона и в сотни, раз меньше теплопроводности стали.

Древесина легко обрабатывается режущими инструментами, хорошо склеивается различными клеями, скрепляется шурупами и гвоздями, окрашивается, лакируется, полируется. Она обладает высокой упругостью, хорошо поглощает звуки, возникающие при ударе, поэтому широко применяется в вагоностроении и строительстве.

Высокие резонансные свойства (особенно мелкослойной ели) делают древесину незаменимым материалом в производстве музыкальных инструментов, в том числе со сложной деревянной механикой.

Большая стойкость древесины против кислот и щелочей позволяет изготовлять фанерные трубы для агрессивной жидкости. Такие трубы находят большее применение по сравнению с металлическими.

Ее значительная пластичность дает возможность делать из нее гнутые изделия.

Древесина хорошо прессуется, повышая при этом свои физикомеханические свойства, что позволяет применять ее вместо известных металлов в ответственных деталях машиностроения (подшипниках скольжения).

Обладая низкой электропроводностью, древесина применяется как диэлектрик в таких ответственных установках, как установки с применением токов высокой частоты (ТВЧ).

Вместе с тем древесина как конструкционный материал имеет существенные недостатки. Древесина анизотропна, т.е. ее физико-механические свойства в различных структурных направлениях неоднородны. Например, при сжатии вдоль волокон прочность древесины в 3-4 раза больше, чем при сжатии поперек волокон. Прочность древесины при растяжении поперек волокон в 30 раз меньше, чем при растяжении вдоль волокон. Сучки значительно снижают прочность древесины. Так, при ширине бруска 100 мм здоровый сучок d=50 мм на пласти снижает прочность в 2 раза.

Чем древесина суше, тем она прочнее. Древесина влажностью 30 % имеет прочность на изгиб 70 % от прочности при влажности 15 %.

Значительным недостатком древесины является изменение формы и размеров в зависимости от температуры и влажности воздуха. Древесина усыхает, коробится, разбухает. Изменение влажности воздуха влечет за собой изменение объема древесины: чем выше влажность, тем больше объем древесины. Например, влажность древесины наружных дверей в течение года изменяется от 10 до 26 %.

Из древесины, измельченной до размеров волокна, получают бумагу, картон, древесноволокнистые плиты, бумажно-декоративные слоистые пластики. В процессе химической и микробиологической ее переработки получают различные изделия и вещества: искусственные ткани и меха, кино- и фотопленку, спирты, лекарственные средства, ветеринарные и косметические препараты, смазочные масла, лаки и краски, клей, ядохимикаты, кормовые дрожжи, пищевые кислоты, глюкозу, упаковочные пленки, искусственную кожу, дубители, глицерин. Из хвои и листьев получают эфирные масла, хвойные лечебные экстракты, хвойную витаминную муку и другие продукты. Подсчитано, что человеком в быту и на производстве используется до 20 тысяч различных вещей, сделанных из дерева. Нет ни одной отрасли производства, которая в той или иной степени не использует изделий из древесины или продуктов ее химической переработки.

2. Физико-механические, технологические и декоративные свойства древесины

2.1. Физические свойства древесины

Различные свойства древесины напрямую зависят от строения древесины.

Внешний вид древесины. Древесина характеризуется цветом, блеском, текстурой, запахом.

Цвет – зрительное восприятие, зависящее от спектрального состава отраженного ею светового потока. Наука о цветовых измерениях – колориметрия – характеризует количественную характеристику цвета тремя показателями – цветовым тоном, чистой и светлой. Цвет древесины можно установить, пользуясь атласом цветов или колориметром. Он варьируется от белого до черного и зависит от породы, климата, условий произрастания, возраста. Первоначальный цвет древесины меняется под воздействием солнца, воздуха, окисления, соединения с солями металлов, поражения грибами и загнивания. При производстве изделий иногда специально меняют цвет древесины, отбеливая ее или окрашивая в более темные или яркие цвета.

У молодых деревьев древесина обычно светлее, чем у старых. Устойчивым цветом обладают дуб, груша, белая акация, самшит, каштан, яблоня.

Условная классификация пород по цвету древесины:

• Белый – береза, клен, осина, липа, граб, ель, пихта;
• Серый – грецкий орех, хурма, ясень, белая акация (ядро);
• Черный – эбеновое дерево, макасар;
• Коричневый:
  • светлый – орех, каштан, карагач, дуб, груша;
  • темный – полисандр, абрикос, тик;
  • красный – маклюра, падуб, махагони, ольха;
  • красно-фиолетовый – амарант;
  • бурый – дуб, карагач, лиственница, кедр, орех, тис, бук, махагони;
  • розовый – груша, бук, ольха, чинара, яблоня;

  Блеск древесины проявляется при отражении падающего света. Такой способностью обладают сердцевинные лучи, остальная поверхность заметно выраженного блеска не имеет. Поскольку в большинстве случаев изделия из древесины покрывают лакокрасочными материалами, естественный блеск древесины перекрывается зеркальной, матовой или кроющей поверхностью отделочного слоя.

  Особым блеском отличается древесина бука, клена, ильма, платана, белой акации, дуба. Шелковистый блеск свойственен древесине бархатного дерева. Древесина осины, тополя, липы с очень узкими сердцевинными лучами и сравнительно тонкими стенками клеток имеет матовую поверхность.

  Текстура древесины – это рисунок, образующийся на поверхности вследствие перерезания элементов древесины (сосудов, годичных слоев, сердцевинных лучей и др.). Текстура зависит от породы древесины (у хвойных более простая и однообразная, у лиственных более сложная и разнообразная), плоскости разреза (радиальная, тангентальная, торцевая), волнистости, свиливатости, от различия в окраске отдельных элементов. Хвойные породы на тангентальном и торцевом разрезе из-за резкого различия в цвете ранней и поздней древесины имеют красивую текстуру. Лиственные породы с ярко выраженными годичными слоями и развитыми сердцевинными лучами (дуб, бук, клен, карагач, ильм, платан) имеют очень красивую текстуру радиального и тангентального разрезов. Особенно красивый рисунок на разрезах древесины с направленным и путаным (свилеватым) расположением волокон (капы, наросты), а также со следами спящих почек (глазки).

  Текстурой характеризуется декоративная ценность изделия из древесины.

  Запах древесины зависит от присутствия в ней пахучих и ароматических веществ – эфирных масел, смол, дубильных веществ. Наиболее сильный запах у свежесрубленных хвойных пород. С фактором запаха считаются при изготовлении тары для хранения и перевозки различных изделий. Так, тару под мед следует изготавливать из липы, масло лучше упаковывать в буковую тару, для вина использовать дубовые бочки, а шерстяные вещи отлично хранятся и не портятся молью в кедровых сундуках, комодах. Характерный запах скипидара у хвойных пород – сосны, ели. Дуб имеет запах дубильных веществ, бакаут и палисандр – ванили. По характерному запаху древесины можно определить породу.

  Макроструктура характеризуется шириной годичных слоев, определяемой числом годичных слоев на 1 см отрезка, отмеренного в радиальном направлении на поперечном срезе. Древесина хвойных пород имеет более высокие физико-механические показатели, если в одном см не менее 3 и не более 25 слоев. У лиственных кольцесосудистых пород (дуба, ясеня) увеличение ширины годичных слоев происходит за счет поздней зоны, и поэтому увеличиваются прочность, плотность и твердость. У древесины лиственных рассеяннососудистых пород (березы, бука) нет четкой зависимости свойств от ширины годичных слоев. По образцам древесины хвойных и кольцесосудистых лиственных пород определяют содержание поздней древесины в процентах. Чем выше содержание поздней древесины в процентах, тем больше ее плотность и, следовательно, лучше механические свойства.

  Влажность древесины, свойства связанные с ее изменением. Влажность характеризует количественную оценку содержания влаги в древесине.

  Абсолютная влажность (W) – это процентное отношение массы влаги к массе абсолютно сухой древесины:

  

  (1)

  где m – масса влажной древесины, г; m_c – масса абсолютно сухой древесины, г.

  Древесина влажностью более 100 % считается мокрой, в интервале 100…50 % – свежесрубленной, в интервале 20…15 % – воздушно-сухой, в интервале 12…8 % – комнатно-сухой и около нуля – абсолютно сухой. Влажность 20…22 % называется транспортной, в период эксплуатации изделий из древесины – эксплуатационной, в процессе изготовления деталей и узлов – производственной (обычно меньше на 1…2 % эксплуатационной). Значения эксплуатационной влажности, %, пиломатериалов и деревянных деталей:

  • Пиломатериалы — 20…22
  • Детали и заготовки:
    • для обозостроения — 10…12
    • автомобильные — 12…15
    • сельскохозяйственных машин — 12
    • товарных вагонов — 18
    • пассажирских внутренних — 10
    • пассажирских наружных — 15
    • оконных переплетов и дверных полотен — 1-2
    • коробок наружных дверей и окон — 18
    • коробок внутренних дверей и фрамуг — 15

    Влажность растущей древесины в зависимости от породы и элемента (ядро, заболонь) составляет от 30 до 120 %.

    В срубленной древесине различают два вида влаги – свободную и связанную. Свободная – это влага, заполняющая полости клеток и сосудов. Связанная – это влага, находящаяся в стенках клеток. Состояние древесины, при котором количество связанной влаги максимально возможное, а свободной влаги нет, называется пределом насыщения клеточных стенок, для большинства пород он равен примерно 30 %. При влажности выше предела насыщения волокна в полостях клеток начинает появляться свободная влага. Максимальное количество свободной влаги, которое может быть в древесине, зависит от ее строения и может доходить до 250 %. Древесина, содержащая только связанную влагу, называется влажной; древесина, содержащая связанную и свободную влагу, – сырой.

    Влажность, к которой стремится влажность древесины при длительной выдержке на воздухе постоянного состояния, называется равновесной.

    Величина фактической влажности, которой достигает древесина, стремясь к равновесной, называется устойчивой влажностью. Для массивной древесины (длиной более 100 мм и толщиной более 15 мм) устойчивая влажность примерно на 1,25 % больше или меньше равновесной. Для измельченной древесины (опилки, стружка, щепа) устойчивая влажность мало отличается (±0,15 %) от равновесной.

    Влагопоглощение – способность древесины поглощать влагу из окружающего воздуха. Это отрицательное свойство древесины (для большинства случаев). Для уменьшения его влияния древесину покрывают лаками, пропитывают различными составами.

    Водопоглощение – способность древесины впитывать капельножидкую влагу. Она имеет значение при сплаве древесины, получении целлюлозы и т.д.

    Влагопроводность – способность древесины пропускать влагу из зон повышенной влажности в зоны с пониженной влажностью. Она имеет важное значение при гидротермической обработке древесины. Влагопроводность характеризуется коэффициентом влагопроводности, величина которого зависит от температуры, породы, плотности, местоположения древесины в стволе, направления тока влаги относительно волокон древесины.

    Усушка и разбухание – явления, связанные с уменьшением или увеличением содержания влаги в древесине и заключающиеся в уменьшении или увеличении ее линейных размеров и объема. Они наблюдаются при изменении влажности древесины в пределах от 0 до 30 %. Полная усушка – уменьшение линейных размеров или объема древесины при изменении влажности от точки насыщения волокон до удаления всей связанной влаги. Величина линейной усушки не одинакова в различных направлениях относительно направления волокон. Наибольшая полная усушка наблюдается в тангенциальном направлении 6-10 %; в радиальном – 3-5 %; вдоль волокон – 0,1-0,3 %; полная объемная усушка составляет 12-15 %.

    Внутренние напряжения в древесине возникают при удалении связанной влаги в результате усушки. Причины возникновения напряжений следующие: неравномерное удаление влаги по сечению и различная величина усушки в различных (радиальном и тангенциальном) направлениях.

    В пиломатериалах (досках, брусках) неоднородность усушки влечет за собой изменение формы поперечного сечения материала, т.е. поперечную покоробленность древесины. Продольная покоробленность древесины может быть следствием различной величины усушки вдоль волокон различных зон (например, ядровой, заболонной). Крыловатость – это спиральная покоробленность, являющаяся следствием наклона волокон.

    Плотность древесины. Плотность, кг/м 3 или г/см 3 , – масса единицы объема материала. Для характеристики плотности древесины используют несколько показателей.

    Плотность древесного вещества – масса единицы объема материала, образующего клеточные стенки.

    Плотность абсолютно сухой древесины – масса единицы объема древесины при отсутствии в ней воды.

    Относительная плотность древесинного вещества определяется отношением плотности клеточной оболочки к плотности воды при температуре 3,98 0 С и составляет в среднем 1,54, т.е. древесинное вещество в 1,54 раза тяжелее воды.

    Плотность древесины зависит от ее породы и влажности. Для того чтобы результаты измерений были сравнимы, принято плотность исчислять при стандартной влажности древесины, равной 12 %.

    Значение плотности тогда вычисляется по формуле, кг/м 3 :

    

    (2)

    где m₁₂ – масса образца древесины при влажности 12 %; V₁₂ – объем образца древесины при влажности 12 %.

    Проницаемость древесины – способность древесинного вещества пропускать жидкости и газы. Это свойство следует учитывать при разработке режимов пропитки и сушки древесины, в случаях использования ее для изготовления бочек, трубопроводов, деревянных судов, а также при дезинфекции древесины, зараженной насекомыми или грибами. Проницаемость зависит от направления волокон, породы, положения в стволе (ядро, заболонь). Существенное влияние на проницаемость поперек волокон оказывают сердцевинные лучи. Водопроницаемость оценивают количеством воды, см 3 , прошедшей через образец диаметром 47 мм и высотой 20 мм при давлении 0,01 мПа за 24 часа при установившемся движении воды, и конечной влажностью образца по ГОСТ 16483.15 «Древесина. Метод определения водопроницаемости».

    Газопроницаемость оценивают количеством воздуха, м 3 , прошедшего через поверхность образца площадью в 1 см 2 за 1 секунду ГОСТ 16483.34 «Древесина. Метод определения газопроницаемости».

    Тепловые свойства древесины. К основным тепловым свойствам древесины относятся: теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение. Показателем теплоемкости является удельная теплоемкость С, Дж/(кгград.), – это количество тепла, которое необходимо затратить, чтобы нагреть 1 кг массы древесного вещества на 1 0 С. Чем больше С, тем большее количество тепла можно аккумулировать в единице объема.

    Теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности λ Вт/(м·град) – это количество тепла, проходящего в единицу времени через стенку из данного материала толщиной в 1 м, площадью 1 м 2 , при разности температур на противоположных сторонах стенки 1 0 С. Значения теплопроводности и теплоемкости древесины необходимы при выполнении расчетов процессов гидротермической обработки древесины, при использовании древесины в строительстве и изготовлении древесной посуды.

    Температуропроводность характеризуется коэффициентом температуропроводности a, м 2 /с (скорость распространения тепла) – это способность древесины выравнивать температуру по сечению. У абсолютно сухой древесины с уменьшением плотности коэффициент температуропроводности возрастает, так как температуропроводность воздуха в 100 раз больше чем у древесинного вещества, и примерно в 150 раз больше чем у воды.

    Тепловое расширение древесины характеризуется коэффициентом линейного теплового расширения α, 1/град, – это изменение единицы длины тела при нагревании его на 1 0 С. В практике обычно не считаются с этим свойством, т.к. линейное расширение вдоль волокон в 3-10 раз меньше, чем металлов, и им можно пренебречь, а расширение поперек волокон (при влажности меньше 30 %), вызванное повышением температуры, гораздо меньше, чем расширение влажностное, происшедшее вследствие повышения температуры.

    Звуковые свойства древесины. Эти свойства характеризуются способностью древесины проводить, поглощать, отражать, резонировать звук.

    Звукопроводность характеризуется скоростью распространения звука:

    

    (3)

    где С – звукопроводность. м/с; l – длина образца, м; f – резонансная частота, с -1 ; τ – время распространения упругой волны, с.

    Значение С вдоль волокон древесины в зависимости от ее породы составляет 4700-5600 м/с, поперек волокон в 3-4 раза меньше. По изменению скорости распространения ультразвука в древесине можно контролировать ее качественные показатели.

    Звукопроницаемость древесины оценивается разницей уровней звукового давления (дБ – децибел) перед и за перегородкой из древесины. Звукопоглощение оценивается коэффициентом звукопоглощения – отношением звуковой энергии, теряемой в материале, к величине подводимой энергии.

    Резонансная способность – это свойство древесины усиливать и излучать звук, еще называемое резонансным. В деревянных музыкальных инструментах колебания струны передаются деке, а она излучает их в воздух. Деку изготавливают из специальных сортов древесины, называемой резонансной древесиной. Это, прежде всего, ель, кедр, пихта.

    Электрические свойства древесины. Электропроводность – способность древесины проводить электрический ток – находится в обратной зависимости от ее электрического сопротивления. Полное сопротивление образца древесины, размещенного между двумя электродами, определяется как результирующее двух составляющих: объемного (сквозь толщу образца) и поверхностного сопротивлений. Удельное объемное сопротивление, Омxсм, равно сопротивлению прохождения тока через образец древесины размером 1x1x1 см; удельное поверхностное сопротивление, Ом, равно сопротивлению квадратного участка поверхности образца при подведении тока к электродам, ограничивающим две противоположные стороны этого квадрата. Испытания для измерения электрического сопротивления древесины проводят по ГОСТ 18408 «Древесина. Методы определения электрических сопротивлений при постоянном напряжении». Удельное сопротивление древесины имеет практическое значение, если древесина используется для столбов связи и линий электропередачи, при измерении влажности древесины, нанесение лаков в электрическом поле.

    Электрическая прочность характеризуется отношением напряжения, при котором наступил пробой материала к толщине материала:

    

    (4)

    где Е_пр. – электрическая прочность, кВ/мм; U_пр – напряжение пробоя, кВт; h – толщина материала, мм.

    Этот показатель имеет значение при оценке древесины как электроизолирующего материала.

    Диэлектрические свойства древесины оцениваются двумя показателями: диэлектрической проницаемостью ε и тангенсом угла диэлектрических потерь tg δ. Первый показатель численно равен отношению емкости конденсатора с прокладкой из древесины к емкости того же конденсатора с воздушным зазором. Второй показатель характеризуется углом потерь δ. Это угол между двумя векторами тока, один из которых опережает вектор напряжения на угол 90 0 , если нет потерь, второй опережает вектор напряжения на угол меньший, чем 90 0 вследствие диэлектрических потерь в древесине. Значение ε для воздуха 1, древесины 2-4, клея 25, tg δ для древесины 0,07; клея 0,6. Эти свойства зависят от плотности древесины и учитывают при расчете процессов нагрева материала в поле токов высокой частоты во время сушки, а также склеивания и гнутья древесины.

    Свойства древесины, проявляющиеся при воздействии излучений. Инфракрасное (ИК) излучение. Способность древесины пропускать, поглощать и отражать инфракрасные лучи, зависит от длины волны подающего излучения (их диапазон длин волн от 1000 до 0,77 мкм). Эта способность дает возможность измерять влажность поверхностных зон массивной древесины, измерять влажность древесных частиц в производстве древесностружечных плит. Поглощение ИК-лучей вызывает нагревание материала, что позволяет их использовать для сушки шпона, щепы, стружки, нагревания древесины при склеивании, а также для ее стерилизации. ИК-лучи довольно широко используются для сушки лакокрасочных покрытий.

    Световое излучение охватывает часть спектра с длинами волн от 0,76 до 0,44 мкм. Эти лучи обладают большей проникающей способностью, чем ИКлучи, и используются для обнаружения скрытых дефектов внутри древесины или изделий из нее. В последнее время успешно развивается лазерная технология. Лазер используется для фигурного раскроя листовых древесных материалов, резьбы, граверных работ.

    Ультрафиолетовое (УФ) излучение. Эти лучи имеют длину волн от 0,38 мкм до 10 нм. УФ-излучение вызывает свечение – люминесценцию некоторых веществ. Цвет и интенсивность свечения зависит от породы и состояния древесины (влажности, температуры, шероховатости поверхности и т.д.). Это позволяет использовать люминесценцию для обнаружения пороков, контроля качества обработки и др.

    Рентгеновское излучение охватывает часть спектра с длиной волн от 5 нм до 0,6 пм. Рентгеновские лучи могут быть использованы для обнаружения в древесине скрытых пороков, для определения влажности и характера ее распределения, для изучения плотности древесины и тонкого строения клеточной стенки.

    Ионизирующие излучения возникают при распаде радиоактивных веществ, делении атомов тяжелых ядер, ядерных реакциях. Данные излучения применяют для измерения плотности древесины, ее влажности, для контроля размеров деталей, для обнаружения скрытых дефектов.

    2.2. Механические свойства древесины

    Прочность древесины. Прочность – это способность древесины сопротивляться разрушению от воздействия механических усилий.

    В зависимости от направления действий сил различают растяжение, сжатие, сдвиг, поперечный изгиб, кручение и продольный изгиб. Под действием сил в древесине возникают напряжения, и появляется деформация, т.е. изменение размеров и формы образца. Если после прекращения действия силы деформация полностью исчезает, она называется упругой, если частично остается – остаточной. Прочность древесины характеризуется пределом прочности – максимальной величиной напряжений.

    При расчете конструкции принимают так называемые допустимые напряжения. Отношение величины предела прочности к величине допускаемого напряжения называется коэффициентом запаса. Для расчета элементов из сосны и ели, эксплуатируемых в сухом помещении при длительных нагрузках, принимают следующие допускаемые напряжения, МПа:

    • изгиб и сжатие вдоль волокон 10;
    • растяжение вдоль волокон 7;
    • перерезание поперек волокон 4,5;
    • смятие поперек волокон 3,5;
    • скалывание вдоль волокон 1-2;
    • скалывание поперек волокон 0,5.

    Для древесины ясеня, дуба, клена допускаемые напряжения могут быть выше в 2 раза, кроме скалывающих напряжений, которые выше в 1,6 раза.

    Твердость. С этим показателем приходится сталкиваться при изучении ее стойкости на истирание (деревянные полы, паркет, деревянные настилы), при обработке режущим инструментом, скреплении (тара, строительные конструкции). Твердость различна на торцевой, радиальной и тангентальной поверхностях. Наиболее твердая торцевая поверхность (22-97 мПа в заисимости от породы при влажности 12 %). Твердость радиальной и тангентальной поверхностей почти одинаковы между собой, а по отношению к торцевой ниже на 30-40 %. При увеличении влажности твердость уменьшается.

    Коэффициенты качества древесины. При использовании древесины, если решающее значение имеет не только прочность, но и масса деталей и узлов, изготовленных из различных материалов, комплексным показателем свойств материала является коэффициент качества – отношение показателя механических свойств к плотности материала. Если сравнить коэффициенты качества различных материалов при растяжении, окажется, что древесина по этому показателю стоит выше многих металлов, соперничая с лучшими сортами стали:

    • сталь легированная 0,95-2,3
    • стальное литье 0,45-0,55
    • железо 0,32-0,42
    • дюралюминий 1,1-1,7
    • алюминий 0,3-0,4
    • чугун 0,3-0,51
    • Древесина:
    • ель, сосна 1,4-2,1
    • липа 1,7-2,4
    • береза 1,9-2,7

    Коэффициенты качества могут быть определены для любого показателя прочности. При сравнении показателей хвойных и лиственных пород древесины можно установить, что лиственные породы по многим механическим свойствам превосходят хвойные. Однако показатели качества при сжатии и статическом изгибе у хвойных пород выше, чем у лиственных.

    2.3. Технологические свойства древесины

    Древесина как конструкционный материал имеет ряд важных технологических свойств:

    1. Способность древесины удерживать металлические крепления.
    2. Способность древесины к гнутью (наилучшей способностью к гнутью обладают лиственные кольцесосудистые породы, например, дуб, бук, ясень и рассеянососудистые породы – береза).
    3. Износостойкость древесины – характеризует ее способность противостоять износу, то есть разрушению в процессе трения. Износ древесины с боковой поверхности больше, чем с торцевой. Влажная древесина больше подвержена износу, а вот с повышением плотности и твердости износ древесины уменьшается.
    4. Сопротивление древесины раскалыванию (разделению вдоль волокон).
    5. Ударная вязкость древесины – способность поглощать усилия (работу) при ударе без разрушения. Чем больше величина работы, необходимой для излома образца, тем выше ее вязкость.
    6. Твердость древесины – способность сопротивляться вдавливанию тела из более твердого материала. Все породы по твердости торцевой поверхности делятся на три группы: мягкие – твердостью до 40 Н/мм 2 , твердые – 41- 80 Н/мм 2 и очень твердые – более 80 Н/мм 2 .

    3. Лесные древесные породы и их отличительные особенности

    Леса России разнообразны по своему породному составу. Преобладают хвойные породы. Доля хвойных насаждений уменьшается с севера на юг (%): тайга – 78, зона смешанных лесов – 53, лесостепь – 25, степь – 12. Соответственно увеличивается доля лиственных насаждений: в зоне смешанных насаждений за счет мягких лиственных пород (березы, осины, липы и др.), в лесостепной зоне, кроме того, за счет твердых лиственных пород, среди которых преобладает дуб.

    Основную массу хвойных лесов составляют лиственничные леса (более 1/3 всей лесопокрытой площади страны), сосновые, еловые, пихтовые и кедровые. Среди лиственных лесов наиболее распространены березовые леса, занимающие 60 % площади всех лиственных лесов, осиновые – до 13 %, затем дубовые и буковые леса, леса с преобладанием липы. Площадь остальных лесов незначительна.

    Древесные растения, используемые для получения древесных материалов, делятся по породам на две группы – хвойные и лиственные. Деревья хвойных пород имеют в России наибольшее распространение, они занимают около 75 % лесных площадей. Отличительная черта деревьев хвойных пород – смолистость, игольчатая и чешуйчатая форма листьев (хвоя), не опадающих (в России — кроме лиственницы) на зиму. Деревья лиственных пород имеют пластинчатые листья различных очертаний, опадающих на зиму. Лиственные породы делятся на две подгруппы в зависимости от твердости древесины: твердые лиственные породы (дуб, бук, ясень, граб и др.), мягкие лиственные породы (липа, осина, ольха и др.). В зависимости от расположения сосудов, проводящих воду и растворенные в ней соли из корней в крону деревьев, лиственные породы можно разделить на кольцесосудистые, у которых в ранней зоне годичного кольца образован ряд из крупных сосудов, и рассеянно-сосудистые, у которых сосуды расположены по годичному слою относительно равномерно.

    У кольцесосудистых пород древесины (дуба, ясеня, каштана, вяза, ильма, карагача, бархатного дерева, фисташки) очень хорошо заметны годичные слои. У рассеянно-сосудистых с крупными сосудами (грецкого ореха, хурмы) и мелкими (березы, бука, самшита, ольхи, осины, клена, платана, тополя, ивы, рябины и груши) нет резкого различия между ранней и поздней зонами древесины, поэтому границы между годичными слоями выражены слабо. Более подробно о строении древесины различных пород и ее применении можно узнать из работ Б.Н. Уголева, Т.К. Курьяновой.

    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:

    • Внешний вид
    • Влажность
    • Усушка
    • Коробление
    • Влагопоглощение
    • Разбухание
    • Водопоглощение
    • Плотность
    • Проницаемость
    • Тепловые свойства
    • Звукопроводность
    • Электропроводность
    • Электрическая прочность
    • Диэлектрические свойства
    • Свойства, проявляющиеся под воздействием электромагнитных излучений

    Рассмотрим каждое из физических свойств древесины более подробно.

    

    Внешний вид древесины

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

    • Цвет древесины, одна из важнейших характеристик внешнего вида. Для некоторых пород древесины, цвет настолько характерен, что может быть признаком для распознавания. Цвет может быть различным, в зависимости от породы дерева, климата, где оно выросло, а также его возраста. Различная древесина, под воздействием воздуха, света, поражения грибами, длительном пребывании в воде, может значительно изменять свой цвет от первоначального, который был сразу после спила дерева.
    • Блеск это способность поверхности древесины, отражать поток света. Из самых используемых пород древесины, в России, самыми «блестящими» породами являются: дуб, бук, белая акация, бархатное дерево
    • К текстуре и макроструктуре относят рисунок, который образуется вследствие перерезания сердцевинных лучей, сосудов и годичных слоев, на поверхности древесины. Оценка качества по внешнему виду происходит по ширине годичных слоев и содержания поздней древесины

    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

    • Мокрую древесину, которая долго находилась под водой (100%)
    • Свежесрубленную древесину, которая имеет влажность растущего дерева (50-100%)
    • Воздушно-сухую древесину, которая сохла на открытом воздухе (15-20%)
    • Комнатно-сухую, которая длительное время находилась в отапливаемом помещении (8-12%)
    • Абсолютно сухую, которая была высушена в специальных камерах, с температурой 103+-2 градуса по Цельсию.

    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.

    • Усушку древесины необходимо учитывать при распиловке бревен на доски, так называемые припуски на усадку. Например, при сушке пиломатериалов и т. д.
    • Усушка, в разных направлениях неодинакова. Так, в радиальном направлении усушка меньше в 1,5-2 раза, чем в тангенциальном.
    • Максимальная усушка происходит при удалении всего количества связанной воды.

    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:

    • Теплоемкость удельная это количество теплоты, необходимое для нагревания одного килограмма древесины на один градус. Это показатель способности древесины аккумулировать тепло.
    • Теплопроводность характеризует свойство, которая определяет интенсивность переноса тепла в древесине.
    • Тепловое расширение-это увеличение объема и линейных размеров древесины при нагревании

    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 https://itexn.com/6440_drevesina-vidy-svojstva-klassifikacija-i-poroki-drevesiny.html

    Источник https://extxe.com/20840/drevesina-svojstva-harakteristiki-drevesiny-kak-konstrukcionnogo-materiala/

    Источник https://drevologia.ru/fizicheskie-svojstva-drevesiny/

    Похожие записи:

    1. Стоимость стройматериалов: чего ждать в 2022–2023
    2. Запускаем производство стройматериалов: первые шаги к собственному цеху
    3. Как оптовым продавцам стройматериалов найти покупателей — 5 способов
    4. КОСГУ 344 – расшифровка