Зависимость основных свойств древесины от ее строения и влажности

Древесина — это капиллярно-пористое тело, свойства и качественные характеристики которого изменяются в зависимости от породы древесины, условий произрастания, климата, места отбора образцов для испытаний из различных частей ствола и т. д.

Учитывая практическое постоянство химического состава древесных волокон для различных пород, можно считать, что истинная плотность древесины (абсолютно сухой) составляет около 1500 кг/м3. В то же время, учитывая факторы условий произрастания древесины, средняя плотность может колебаться в довольно значительных пределах. Так, для дуба ρм = 550... 1000 кг/м3, для лиственницы ρм = 450... 850 кг/м3, для сосны ρм = 300... 700 кг/м3 (при влажности 12 %). Соответственно пористость указанной древесины составляет: ПД = 63... 33 %; Пл = 70... 43 %; Пс = 80... 53 %. Учитывая приведенные характеристики, а особенно малый размер пор и их направленность по оси роста, можно прийти к выводу, что свойства древесины прежде всего зависят от ее строения, которое во многом определяется величиной и характером пористости.

Влажность древесины во многом определяет ее пригодность для различных элементов отделки и конструкций. В древесине следует различать влагу, содержащуюся в полостях клеток (свободная влага), и связанную (гигроскопическую), находящуюся в оболочках клеток.

Пределом гигроскопичности для большинства древесных пород является 30%-я влажность. Процессы насыщения древесины влагой обратимы и зависят прежде всего от микропористости и состояния атмосферы. В этом случае рассматривают так называемую равновесную влажность, т.е. влажность, которая сохраняется в древесине под воздействием температуры и влажности окружающей среды. Проникая в ткань древесных волокон, вода вызывает в них появление внутренних напряжений. Следствием этого являются деформации набухания и соответственно при потере влаги деформации усушки. Результатом возникновения при увлажнении внутренних напряжений является снижение прочностных показателей. Поэтому необходимым условием получения отделочных материалов высокого качества является их тщательная сушка. Действующими нормами предусмотрены определения основных эксплуатационных характеристик при так называемой стандартной влажности 12%. Удаление влаги происходит по плоскостям разрезов. Соответственно деформации по трем разным направлениям значительно отличаются. Вдоль волокон деформации усушки минимальны и составляют 0,1...0,3%, в радиальном направлении — 3... 5% максимальных значений — 6... 10% — изменения размеров достигают в тангенциальном направлении.

Различия в строении древесины по трем направлениям предопределяют анизотропию основных характеристик древесины и, прежде всего механических и теплотехнических. Вытянутые в продольном направлении древесные волокна обеспечивают высокую прочность при растяжении и изгибе. Так, для березы со средней плотностью ρм = 610 кг/м3 прочность при растяжении равна 165 МПа. В то же время прочность при сжатии вдоль волокон составляет 65 МПа, а при сжатии поперек волокон (смятии) прочность достигает лишь 5 МПа. Важной характеристикой для древесины является прочность при скалывании. Так, при испытании березы в тангенциальном направлении она равна 10,5 МПа. Приведенные значения могут колебаться в зависимости от условий роста и других факторов, однако соотношение их относительных величин остается приблизительно одинаковым для всех пород древесины.

Для отделочных материалов прочностные показатели могут играть второстепенную роль. Вместе с тем деревянные конструктивные элементы в силу особенностей своего строения нередко используются и как декоративные формы. Применение древесины для отделки требует обязательного определения твердости. Указанная характеристика необходима при выборе механического оборудования для обработки древесины, а также для определения ее эксплуатационных свойств. Твердость в этом случае определяют по двум направлениям: торцевому и боковому (радиальному или тангенциальному). Величина твердости во многом определяет выбор материала для покрытия полов. Так, например, торцевая твердость дуба (ρм = 700 кг/м3) составляет 66 мН/м2, боковая — 53 мН/м2. Соответственно для лиственницы (ρн = 660 кг/м3) торцевая твердость — 43 мН/м2, а боковая — 29 мН/м2.

Уже отмечалось, что древесина сочетает в себе как декоративные, так и высокие конструкционные свойства, в ряде случаев превосходящие бетон, некоторые металлы и т. д. Одним из отличительных свойств древесины являются ее низкая теплопроводность, обусловленная пористостью и ее особенностями. Теплопроводность древесины — величина переменная, зависящая от ее средней плотности, температуры, направления теплового потока, а главное, от влажности. Для одной из наиболее используемых для ограждающих конструкций пород — сосны — коэффициенты теплопроводности по направлению (вдоль и поперек волокон) при температуре 22°С и равновесной влажности 20% резко отличаются. Так, для сосны с условной плотностью ρусл = 500 кг/м3 коэффициент теплопроводности вдоль волокон λвв = 0,4 Вт/(м∙°С), а в радиальном направлении λр = 0,19 Вт/(м∙°С).

Помимо высоких физико-механических свойств, описанных выше, материалы из древесины обладают эстетическими и декоративными свойствами, что в сочетании с экологичностью ставят их в группе отделочных материалов на одно из первых мест.

Совершенно не случайно, что широко выпускаемые в настоящее время материалы на основе полимеров имитируют различные породы древесины. Цвет древесины является ее важным отличительным признаком. В зависимости от условий произрастания, возраста, длительности и условий эксплуатации цвет древесины изменяется в значительных пределах. Светлоокрашенная древесина дуба после распиловки с течением времени становится темно-коричневой или почти черной; черно-коричневый цвет характерен для черного ореха; красно-коричневый — для вишни и пихты; желто-коричневый — для груши, вяза, кедра; слегка желтоватый или розоватый цвета характерны для березы, липы, клена, осины, граба, бука, ели, сосны. Характеристики цвета для древесины одной породы — величины непостоянные, а в целом эти характеристики лежат в интервале: чистота цвета 30...60%; светлота — 20...70%; цветовой тон 578... 585 нм. Не менее важной характеристикой чем цвет является текстура древесины. Текстура древесины — естественный рисунок разреза древесины, отражающий особенности ее анатомического строения. Для каждой породы древесины характерны форма и расположение клеток, толщина годовых колец, наличие и расположение сердцевинных лучей и т.д. Текстуру древесины следует рассматривать прежде всего на радиальном и тангенциальном разрезах. В ряде случаев для выделения характерных особенностей строения древесины применяют различные технологические приемы: коническое лущение, наклонное к оси ствола резание, подпрессовка, радиальное и волнистое строгание и т.д.

Текстуры хвойных и лиственных пород из-за различия в форме клеток и древесных волокон значительно отличаются. Хвойные породы обладают маловыразительной текстурой, значительно уступающей по декоративным качествам многим лиственным. Однако на разрезах липы, березы, осины, груши сложно выделить отдельные элементы макроструктуры. Такие породы относят к слабо текстурным. В то же время на продольных разрезах ясеня, дуба легко просматриваются чередующиеся светлые и темноокрашенные полосы, создающие так называемую полосоштриховую текстуру. Рассеянно-штриховая текстура ореха характеризуется прерывистыми полосами. Сердцевинные лучи дуба, бука, попадая в плоскость разреза, образуют на обрабатываемой поверхности сравнительно широкие полоски (на радиальном разрезе) или отдельные штрихи и пятнышки (на тангенциальном разрезе). Соответственно текстуры такой древесины носят название «зеркальная» и «чешуйчатая». Строение клеток сердцевинных лучей, их расположение, наличие в них смолистых и дубильных веществ обуславливают некоторый блеск на продольных разрезах. Отсюда и появились понятия зеркальной и чешуйчатой текстур.

Декоративные свойства древесины могут быть усилены за счет умелого использования дефектов строения древесины, а именно сучков, косослоя, свили и т.д.

Текстура древесины может быть усилена путем применения различных пропиток, содержащих пигменты, а также прозрачных лаков.

Итог:

Свойства древесины очень сильно зависят от содержания влаги. Абсолютной влажностью древесины называется отношение массы влаги, находящейся в данном объеме древесины, к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах. Относительная влажность древесины — это отношение массы влаги, содержащейся в древесине, к массе древесины во влажном состоянии, выраженное в процентных. Общее количество влаги в древесине складывается из свободной и связанной влаги. Влага, находясь в полостях клеток и межклеточных пространствах, называется свободной, или капиллярной, а в клеточных стенках — связанной или гигроскопичной. В первую очередь из древесины испаряется свободная влага, при дальнейшей сушке начинается процесс испарения связанной влаги, в результате которого происходит значительное изменение физико-механичеких свойств древесины. У живого (свежесрубленного) дерева содержание влаги будет обычно находиться в районе 50% -100%. После рубки содержание влаги снижается. Вначале испаряется свободная влага, пока не будет достигнута так называемая точка насыщения волокна. Это та точка, при которой вся свободная вода ушла, а оставшаяся влага связана внутри стенок клетки. При удалении из древесины связанной влаги происходит уменьшение линейных размеров и объема древесины. Такой процесс называется усушкой. Усушка по разным направлениям не одинакова. В поперечном направлении степень усушки вдвое выше усушки в радиальном направлении. Продольная усушка незначительна и практически не имеет значения. Усушка обычно зависит от плотности древесины, при этом лиственные породы дают большую усушку, чем хвойные. Вследствие различий в усушке по трем основным направлениям, высыхание древесины может приводить к деформации. Процесс потери влаги продолжается до тех пор, пока уровень влаги в древесине не достигнет определенного предела (равновесной влажности), который напрямую зависит от температуры и влажности окружающего воздуха.