Физические свойства древесины
Плотность древесины представляет собой частное от деления массы образца на его объем.
От плотности зависят важные для древесины физические и технические свойства. По этому показателю можно судить о пригодности древесины в тех или иных случаях.
Древесина по своей макроструктуре представляет собой в большей или меньшей степени пористый материал. Плотность собственно древесной субстанции для всех пород практически одинакова и равна 1,55 г/см3. Что касается плотности древесины в стволе, то она колеблется в значительных пределах в зависимости от того, где выросло дерево и какая часть ствола взята для пробы. Она зависит также от содержания влаги в древесине. Поэтому, указывая плотность, следует учитывать и влагосодержание древесины.
Влажность древесины влияет не только на вес, но и на основные механические, физические и технические свойства древесины и древесных материалов. Так, например, изменения влажности влияют на размеры древесины и древесных материалов, отражаются на прочности и способности древесины к деформации.
Древесина, будучи гигроскопическим материалом, поглощает водяные пары из окружающего воздуха стенками клеток, а свободную, или капиллярную, влагу набирает в межклеточные пространства. В связи с этим различаются две категории влажности:
• гигроскопическая влажность ниже точки насыщения волокон, которая наблюдается примерно при 28 %; в данном случае влажность древесины зависит от относительной влажности и температуры окружающего воздуха;
• капиллярная влажность выше точки насыщения волокон, когда при насыщении стенок клеток полости клеток более или менее заполняются водой; такое состояние наблюдается у только что срубленной древесины (влажность обычно более 40 %) и у строительных элементов, которые целиком или частично соприкасаются с водой.
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к качеству круглого и пиленого лесоматериала, имеются три категории влажности:
• сухой лесоматериал, u < 20 %;
• полусухой лесоматериал, u < 30 % (при поперечном сечении более 200 см2 – максимум 35 %);
• свежесрубленный лесоматериал, значение и не ограничено.
Гигроскопическая влажность влияет на прочность, в особенности на прочность при сжатии. Поэтому в тех случаях, когда деревянные строительные элементы подвергаются воздействию влаги и сырости, установленные для древесины и древесных материалов допускаемые напряжения должны быть снижены. Чтобы сократить нежелательные и вредные деформации, рекомендуется использовать в строительстве максимально сухой лесоматериал или обеспечивать условия для быстрого высыхания элементов из полусухого материала.
Кроме того, сырая древесина плохо обрабатывается, склеивается и отделывается, объем и масса ее увеличиваются. Высыхая, древесина трескается и коробится, в результате чего изделие делается непригодным для использования, поэтому обрабатывать и отделывать следует только высушенную древесину.
Таким образом, качество древесных материалов в значительной мере зависит от влажности древесины.
Сушить древесину нужно медленно и равномерно, так как при быстром и неравномерном высушивании она коробится и трескается.
Для сушки бревна очищают от коры. Зимой это необходимо сделать до прихода тепла, летом – не позже, чем через две недели после рубки. Кору снимают с помощью остро заточенной лопаты. Чтобы предохранить бревно от растрескивания, с обоих его концов оставляют пояски из коры шириной 100 мм, а торец замазывают битумом, солидолом, глиной, густой известью, смесью глины с известью или закрашивают масляной краской. Бревна складывают в штабеля, которые устанавливают на подкладках. Между рядами бревен делают прокладки из обрезков горбылей или жердей. Для защиты древесины от атмосферных осадков над штабелем делают крышу.
В целях обеспечения вентиляции и лучшей сушки древесины расстояние от верха штабеля до крыши должно быть 12–15 см.
Доски и брусья сушат в штабелях (с обязательным устройством прокладок) под навесом или в подсобных помещениях. Растрескивания досок во время сушки можно избежать, если их торцы замазать оконной замазкой или окрасить масляной краской. Чтобы в процессе сушки доски не покоробились, их следует оберегать от прямых солнечных лучей, для чего надо устроить навес или крышу. Кроме того, на доски сверху кладут тяжелый груз, обязательно распределив его равномерно на поверхности штабеля.
В сарае, кладовой доски и брусья рекомендуется хранить на перекладинах, подвешиваемых к балкам перекрытия. Снизу на перекладины кладут длинные доски и брусья, сверху на них— более короткий пиломатериал.
Бревна сохнут год – два, в зависимости от диаметра. Пиломатериал сохнет от 10 дней до 2–3 месяцев, в зависимости от его толщины и времени года. В холодное время года древесину можно высушить в помещении, предусмотрев хорошую вентиляцию.
Влажность древесины определяется двумя способами: после сушки или – для цельной древесины – с помощью электрических приборов, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления от влажности древесины. По сравнению со способом определения влажности после сушки, второй способ имеет то преимущество, что показатели можно получить сразу, в то время как в первом случае для сушки требуется довольно длительное время.
На практике часто используют следующий способ определения влажности древесины. На расстоянии 25–30 мм от конца доски отрезают брусочек длиной 30 мм, который обрезают с обеих сторон до ширины 150 мм. Брусочек тщательно взвешивают, а потом сушат в печке или духовке при температуре 100 °C на протяжении 4–5 ч или на радиаторе центрального отопления – 48 ч. Высушенный брусок снова взвешивают. Разницу в массе делят на массу сухого бруска, умножают на 100 и в результате определяют процентное содержание влаги в древесине.
Пример. Брусок сначала весил 200 г, после сушки— 150 г, разница в массе 50 г. Определяем влажность:
50:150=0,33 × 100=33 %.
Для мебели влажность древесины должна составлять от 6 до 10 %, для дверей и оконных переплетов – 15–18 %, для внешних работ – до 25 %.
При упрощенном способе определения влажности древесины в домашних условиях на остроганной плоскости бруска химическим карандашом, сильно вдавливая, прочерчивают линию. Если через 20–30 мин линия не окрасится в фиолетовый цвет, то материал можно считать сухим.
Если стучать любым деревянным предметом по просушенному материалу, то сухая древесина издает мягкий и тонкий звук, сырая – глухой.
Стружка сухой древесины хрупкая, сырой – гибкая и эластичная.
У сосновых, кедровых и лиственничных досок на концах в торцевой части во время сушки выступает смола беловатого цвета. Если смола высохла и при надавливании каким-либо предметом осыпается или мелко крошится, то древесина сухая.
Поскольку для естественной сушки требуется довольно длительное время, а конечная влажность в этом случае зависит от атмосферных условий (проветривания), в настоящее время широко применяется техническая сушка, при которой древесина подвергается в камерах воздействию рассеянного потока воздуха определенной влажности и температуры. Этим способом за несколько дней или часов достигается практически любая требуемая влажность – от 6 до 25 %. Техническая сушка используется, в первую очередь, при производстве клееных строительных элементов из древесины, отдельные части которых должны склеиваться при влажности от 8 до 12 %.
Для древесины, находящейся внутри помещения (обшивка потолков или стен, изготовление полов и лестниц), желательно обеспечить эти показатели еще до ее использования, чтобы избежать последующего образования трещин и щелей, коробления и изменения поверхности.
В зависимости от процесса изготовления лесоматериал может сразу выпускаться со сравнительно низким содержанием влаги. Для фанерных и столярных плит установлена влажность 6 %, в то время как для древесно-стружечных плит она может быть в пределах 9 ± 4 %, а для древесно-волокнистых – 5 ± 3 %. Чтобы исключить последующие нежелательные деформации, эти материалы перед использованием подвергаются сушке для достижения определенной влажности.
Разбухание и усушка. Под разбуханием и усушкой следует понимать изменение размеров древесины вследствие изменения ее влажности. Повышение влажности ведет к увеличению, а снижение – к уменьшению первоначальных размеров.
Поскольку в гигроскопической области определенному содержанию влаги соответствует определенная толщина стенок клеток, то при изменениях влажности толщина этих стенок также изменяется. Снижение влажности ведет к усушке, а увеличение – к разбуханию древесины. В гигроскопической области существует практически линейная зависимость между изменениями влажности и формы. После достижения точки насыщения волокон практически никаких изменений размеров уже не наблюдается.
Разбухание и усушка в значительной степени взаимосвязаны. В зависимости от ширины годичного кольца и положения волокон они проявляются в различных направлениях по-разному. Изменение размеров происходит больше всего в тангенциальном направлении, вдвое меньше – в радиальном, а вдоль волокон оно совсем незначительно.
Величины усушки и разбухания зависят от плотности древесины, так как большие их величины соответствуют большей массе стенок клеток. Как правило, легкие породы древесины в меньшей мере склонны к деформации под влиянием влажности, чем тяжелые.
Различные величины усушки при разной влажности ядровой и заболонной зон могут в процессе сушки кусков древесины, выпиленных из ствола, вызвать их разрывы и перекручивание.
У круглого и пиленого лесоматериала при сушке часто образуются трещины, которые, однако, почти не отражаются на несущей способности. Искривления и выпуклости могут вызвать затруднения при соединении отдельных стандартных элементов из древесины и использовании деревянных фасонных деталей.
Деформации, полученные в результате изменения влажности, могут передаваться и на другие строительные элементы, соединения и т. д. Если деформации встречают сопротивление, то могут возникнуть дополнительные усилия, которые необходимо учитывать при изготовлении деревянных конструкций.
Теплотехнические свойства древесины при нормальной температуре(от -25 до +60 °C)определяют в значительной степени пригодность лесоматериала для несущих конструкций, внутренней отделки и как изоляционного материала.
Термическое расширение. Древесина, как и другие строительные материалы, меняет свои размеры при изменениях температуры. По сравнению со сталью, легкими металлами и бетоном коэффициент термического расширения древесины незначителен. В пределах нормальных температур изменения размеров практически прямо пропорциональны изменению температуры.
Для обычных деревянных конструкций тепловое расширение, как в продольном, так и в поперечном направлениях, не играет никакой роли, поскольку одновременно наблюдающиеся изменения влажности вызывают явления обратного знака (усушка, разбухание). Очень малое термическое 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.
Коэффициенты термического расширения отдельных видов плит, имеющих разную структуру, ненамного отличаются друг от друга.
Теплопроводность. Для определения тепло- и звукоизолирующих свойств элементов из древесины и древесных материалов решающую роль играет величина коэффициента теплопроводности (Вт/м хК), которая показывает, какое количество тепла в ваттах проходит в течение 1 ч через 1 м2 материала толщиной 1 м при разнице температуры 1 °C = 1К. Поскольку коэффициент теплопроводности для воздуха в малых пространствах (порах) невелик и равен 0,026 Вт/м × К, а для воды сравнительно высок – 0,58 Вт/м × К, при уменьшении влажности древесины он снижается, а с увеличением влажности – повышается. Величина коэффициента теплопроводности в направлении поперек волокон значительно ниже, чем вдоль волокон.
В целом при расчете теплоизоляции для древесины и древесных материалов величина коэффициента принимается 0,14—0,17 Вт/м × К.
Эти величины соответствуют воздушно-сухому состоянию древесины, когда ее влажность составляет 15–20 %.
Коэффициенты теплопроводности древесины и древесных материалов при возможной в строительной практике влажности значительно ниже, чем у большинства неорганических строительных материалов.
