Лекция № 9

Тема: 14, 15. Лесные материалы

Учебные вопросы:

1. Древесина, ее основные свойства и применение.

2. Основные виды материалов и изделий из древесины, защита древесины.

1. Древесина, ее основные свойства и применение

Древесина – природный органический материал анизотропной структуры, получаемый в результате распиловки ствола дерева.

Древесина как строительный материал обладает многими положительными свойствами: относительно высокой прочностью, небольшой средней плотностью, малой теплопроводностью, технологичностью, красивым внешним видом и экономичностью.

Вместе с тем древесина имеет и ряд недостатков: гигроскопичность приводит к изменению прочностных и других свойств; анизотропность обусловливает изменение свойств в зависимости от направления волокон.

Лестные материалы применяют в строительстве для возведения деревянных конструкций, для наружной и внутренней отделки зданий и сооружений, в виде круглых сортиментов, пиломатериалов, погонажных строганых изделий и т.п. Кроме них в строительстве используются готовые изделия и конструкции из древесины, изготавливаемые в заводских условиях, а также композиционные материалы, получаемые переработкой древесины с применением клеев, синтетических и минеральных вяжущих.

Строение древесины изучают на трех главных разрезах ствола: поперечном и двух продольных – радиальном и тангенциальном (рис. 13.1).

Различают макро- и микроструктуру древесины. По макроструктуре можно ознакомиться со строением древесины, определить породу и получить предварительные характеристики ее свойств. Макроструктура хорошо различима на поперечном разрезе ствола (рис. 13.2). Под корой находится тонкий слой камбия, в котором в растущем дереве происходит деление клеток и откладывание их внутрь ствола. В центре ствола расположена сердцевина, образованная клетками с тонкими рыхлыми стенками, наиболее слабыми по прочности и менее гнилостойкими. Часть ствола между сердцевиной и корой и является собственно древесиной, состоящей из клеточной ткани древесных волокон.

Физические свойства

Гигроскопичность древесины – это способность сорбировать водяные пары из окружающей среды в зависимости от ее температурно-влажностного состояния.

Влажность древесины w изменяется в зависимости от ее состояния, условий хранения и эксплуатации. По степени влажности различают древесину мокрую (), свежесрубленную (), воздушно-сухую (), комнатно-сухую () и абсолютно сухую ().

Все показатели основных свойств древесины должны определяться с учетом содержания связанной воды и затем приводиться к стандартной влажности, равной 12%.

Свободная вода легко удаляется из древесины при обычной сушке и не влияет на ее деформации и прочность.

Общая влажность древесины определяется суммарным содержанием связанной и свободной воды. Влажность древесины, соответствующую определенным параметрам воздуха, называют равновесной (рис. 13.5).

Равновесную влажность древесины можно установить с точностью до 0,75% по диаграмме (см. рис. 13.5). Наиболее быстрым, но приближенным является электрический метод. Он основан на зависимости электропроводимости древесины от ее влажности. С помощью электровлагомеров (Тима ЭВА-2, ИВД-1 и др.) определяют ее фактическую влажность с точностью 1-1,5% в диапазоне до 30%.

Усушка и разбухание древесины характеризуют изменение ее линейных размеров и объема при высыхании и увлажнении. При этом линейные и объемные деформации древесины зависят только от количества связанной воды. При ее удалении происходит уменьшение размеров древесины – усушка, а при поглощении – увеличение (разбухание).

Полная линейная усушка древесины наблюдается при полном удалении связанной воды; уменьшение ее объема при этом называется полной объемной усушкой. Вследствие анизотропного строения древесины линейная усушка не одинакова по разным направлениям. Линейную усушку в процентах определяют на поперечном разрезе ствола по тангенциальному t и радиальному r направлениям (и):

Значение объемной усушки (так же в процентах) без учета продольной деформации находят следующим образом:

,

где a, b и a₀, b₀ – линейные размеры образца древесины соответственно по тангенциальному и радиальному направлениям во влажном и абсолютно сухом состояниях, мм.

Усушка древесины вдоль волокон незначительная и для большинства пород, применяемых в строительстве, не превышает 0,1%. Наибольшая линейная усушка происходит в тангенциальном на правлении – 7-12%, а в радиальном она составляет 3-6% (рис. 13.6)

Показателями интенсивности усушки и разбухания древесины являются коэффициенты линейной ,и объемнойусушки.

или ;.

Средняя плотность древесины в абсолютно сухом состоянии вследствие значительной пористости меньше плотности и изменяется в сравнительно широком интервале – от 0,38 до 1,3 г/см³. В пределах годичного слоя средняя плотность поздней древесины в 2-3 раза выше, чем ранней, поэтому с увеличением ее содержания средняя плотность и прочность древесины возрастают. Общая влажность древесины также влияет на ее среднюю плотность.

Обычно определение средней плотности древесины производят при влажности в момент испытания на кондиционированных или некондиционированных образцах. Кондиционированием называют процесс выдерживания древесины при атмосферном давлении, заданных температуре и относительной влажности воздуха до достижения ею равновесной влажности. Равновесную влажность древесины, приобретаемую при температуре 20±2⁰С и относительной влажности воздуха 65±5%, называют нормализованной (12±1%).

Среднюю плотность, кг/м³, при влажности в момент испытания для некондиционированных образцов вычисляют по формуле

,

где - масса образца при влажностиw, кг;

- объем образца при влажности w, м³.

Пористость древесины хвойных пород колеблется от 46 до 85%, лиственных – от 32 до 80%.

Теплопроводность древесины зависит от ее влажности, температуры, средней плотности и увеличивается с их повышением. На нее влияет также анизотропность структуры древесины.

Теплоемкость сухой древесины одинакова для всех пород и примерно равна 1,38 кДж/(кг·К).

Температурный коэффициент линейного расширения древесины вдоль волокон составляет (35)·10^-6 К^-1, т.е. он в 2-3 раза меньше чем у стали и бетона.

Электропроводность древесины зависит от ее влажности. Электрическое сопротивление сухой древесины в среднем составляет 75·10⁷ Ом·см, а сырой – в 10 раз меньше.

Коррозионная стойкость древесины достаточно высока во многих агрессивных средах (растворах солей, щелочей, большинстве органических и слабых растворах минеральных кислот) и возрастает при повышении средней плотности. В морской воде древесина сохраняется хуже, чем в пресной речной. Жидкая среда с высокой биологической активностью понижает долговечность древесины. Концентрированные растворы минеральных кислот (азотная – в любых концентрациях) разрушают ее. Древесины хвойных пород, пропитанная смолистыми веществами, имеет более высокую коррозионную стойкость, чем лиственных.

Цвет древесине придают дубильные, смолистые и красящие вещества. Он изменяется от светлой до темной окраски в зависимости от породы, условий произрастания, возраста и других факторов. Обычная окраска нарушается в результате поражения древесины гнилями. поэтому цвет косвенно характеризует состояние древесины, а также ее пригодность как конструкционного и отделочного материала.

Горючесть древесины ухудшает ее эксплуатационные свойства. Длительный нагрев древесины уже при 120-150⁰С приводит к обугливанию. Возгорание ее от открытого огня происходит при температуре более 250⁰С, а самовозгорание – при 350⁰С и выше.

Текстура древесины – это рисунок на поверхности ее разреза свойственный лишь данной породе, получаемый сочетанием и контрастом элементов макроструктуры. Текстура определяет декоративную ценность древесины для отделочных работ.

Запах древесины обусловливается присутствием в ней смол, эфирных масел и дубильных веществ. Наиболее сильно он выражен у хвойных пород. Приятный запах здоровой древесины при ее загнивании становится неприятным и поэтому является косвенным признаком ее доброкачественности.

Механические свойства

Прочность древесины зависит от ее влажности и температуры, на нее влияют также анизотропность строения и наличие пороков. Существенное влияние на прочность древесины оказывает только связанная вода. Уменьшение ее содержания ведет к уплотнению клеточных стенок и межклеточного пространства и, как следствие, к увеличению прочности древесины.

Во всех случаях показатели прочностных свойств кондиционированных образцов пересчитывают на влажность 12% (в МПа) по соответствующим формулам:

при влажности образцов w = 820%

,

где -предел прочности образца с влажностьюw в момент испытания, МПа;

- поправочный коэффициент для всех пород, равный 0,04, при вычислении пределов прочности при сжатии и изгибе, и 0,03 при скалывании;

при влажности образцов w ≥ 30%

,

где - коэффициент пересчета, принимаемый в соответствии с приложение 8, табл. 1.

Предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон в 3-5 раз больше, чем прочность поперек волокон и составляет для сосны 45-50 МПа.

Защитные свойства

Динамическая прочность древесины в зависимости от скорости нагружения может превышать статическую примерно на 20-40%. Ориентировочная зависимость между коэффициентом динамического упрочнения и скоростью нагружения древесины при изгибе приведена на рис. 13.11. Увеличение прочности древесины при динамическом нагружении наблюдается только до определенной (критической) скорости.

Радиационная непроницаемость сосны для излучения, оцениваемая слоем половинного ослабления, примерно равна 40 см (при энергии квантов 2,5 МэВ).

Технологические свойства древесины, определяющие ее способность к механической обработке (пилению, резке, сверлению, гнутью, гвоздимости и т.д.), очень высоки и широко используются в процессе механической переработки древесины и в строительных работах.