Прочность древесины зависит в основном от ее породы, температуры и влажности. При сушке влажность и температура древесины изменяются, поэтому ее прочность также не остается постоянной. Изменчивость прочности древесины наблюдается лишь в диапазоне влажности ниже предела гигроскопичности, причем понижение влажности приводит к существенному увеличению прочности. Изменение влажности в диапазоне выше предела гигроскопичности не влияет на прочность древесины.
Изменения прочности, связанные с влажностью, обратимы, т. е. при увлажнении сухой древесины снижается ее прочность, а при последующем высушивании прежние прочностные показатели полностью восстанавливаются.
Повышение температуры приводит к снижению прочности древесины. Кратковременное воздействие не слишком высокой температуры дает обратимые изменения прочности. С повышением температуры и длительности ее воздействия в древесине происходят необратимые процессы, приводящие к изменению ее прочностных показателей при последующей эксплуатации.
Поэтому различают прочность древесины в процессе обработки При том или ином ее состоянии и эксплуатационную прочность, которую имеет древесина после доведения ее влажности и температуры до эксплуатационных норм.
Прочность древесины в процессе обработки, как отмечалось, выще, повышается с понижением температуры и влажности. Это
хорошо.иллюстрирует диаграмма предела прочности древесины березы при растяжении поперек волокон (тангенциальное направление). Так, предел прочности холодной сухой древесины выше предела прочности горячей сырой древесины в 15-20 раз. Для других показателей механических свойств древесины и иных пород характер изменения прочности аналогичен, однако абсолютные значения предела прочности и их соотношения могут колебаться в широких пределах.
На эксплуатационную прочность древесины оказывают влияние ее порода, влажность и характер предшествующей сушки. В качестве эталона эксплуатационной прочности принято считать прочность древесины, которая не подвергалась воздействию повышенной температуры (например, древесины, прошедшей атмосферную сушку). Исследованиями установлено, что воздействие на древесину температуры ниже 60° С не снижает ее эксплуатационную прочность независимо от
длительности сушки. Влияние более высокой температуры начинает сказываться, если продолжительность сушки при t=80°С превышает 40-50 ч, а при f=120°C -2-3 ч.
Степень снижения прочности древесины зависит от породы, влажности, температуры и длительности сушки. Так, например, в высокоинтенсивных процессах сушки, когда температура составляет 120-130° С при длительности действия. 30-60 ч, показатели механических свойств древесины снижаются: при растяжении, сжатии и статическом изгибе на 5-8%, а при скалывании и раскалывании- на 15-20%
Например, сосна, которая росла на сухой земле и елка, которая росла на болотах, будут иметь разный уровень влажности. Если, к примеру, во время сплавления дерево в себе набрало слишком много воды, то влажность будет расти. Если из такого влажного дерева изготовить древесину, забыв при этом первоначально его просушить, то, естественно, через некоторое время древесина будет коробить. В таком случае понадобится отрывание доски, перебирая обшивку.
При сушке дерево становится меньше примерно от пяти до семи процентов (и толщина, и ширина уменьшаются). Однако длина меняется не так быстро, разница составляет лишь один процент.
Перед изготовлением древесины обязательно нужно просушить дерево. Влажность древесины контролируется ГОСТом. Например, если нужна внутренняя обшивка, то нужна древесина, у которой уровень влажности не более чем пятнадцать процентов. Если нужна наружная обшивка, то можно использовать древесину, у которой уровень влажности - до двадцати процентов. Для пола подойдет древесина, влажность которой составляет менее пятнадцати процентов.
Способы определения влажности древесины
В быту часто используют электрический влагомер. Иголочки, которые подведены к устройству проводами, нужно вводить в дерево, через эти провода проходит ток, и специальная шкала приборов показывает влажность именного того места, куда воткнуты иголки.
Есть такие профессиональные резчики дерева, которые обладают способностью определять влажность дерева, лишь взглянув на него. Они определяют это по плотности и другим физическим свойствам дерева, по толщине, длине и рядом других признакам.
Уровень влажности древесины можно также определить, исходя из его цвета, в том числе цвета коры дерева. Разные деревья обладают разной способностью впитывания влаги. Высокой способностью поглощать влагу обладают такие деревья, как груша, бук и другие. Их реакция на изменения уровня влаги сразу ощущается. Другие же деревья, такие как, к примеру, дуб, обладают высокой стабильностью и устойчивостью к разным условиям и изменениям климата. У березы, ясени и ряда других деревьев уровень влажности низка - до пятнадцати процентов, другие обладают умеренной влажностью - до двадцати процентов, к примеру, такие из таких деревьев можно отметить орех или дуб. Наибольшей устойчивостью обладает ольха - тридцать процентов влажности.
Именно влажность и считается одной из главнейших характеристик древесины. Говоря влажность, подразумевается процентное соотношение объема воды и сухой массы.
Под абсолютной влажностью подразумевается отношение объема влаги, который содержится в конкретной древесине, к объему совершенно сухой древесины. По ГОСТу, паркет должен обладать абсолютной влажностью примерно в девять процентов (плюс-минус три процента).
Под относительной влажностью древесины подразумевается отношение объема влаги, который содержится в конкретной древесине, к объему влажной древесины.
В древесине есть два типа влаги:
- Связанная, также так называемая гигроскопическая вода
- Свободная вода
Первый тип есть в стенках клеток древесины, а второй тип находится в межклеточных пространствах. Второй тип легче удалить, чем первый, и также он имеет меньшее влияние на характеристику самой древесины.
Типы древесины, исходя из уровня влажности
- Мокрая - в данном случае речь идет о стопроцентной влажности. Так может происходить в случае, если древесина лежала в воде очень длительное время
- Свежесрубленная - влажность от пятидесяти до ста процентов
- Воздушная-сухая - поскольку этот тип длительное время находится на открытом воздухе, то влажность колеблется примерно от пятнадцати до двадцати процентов. Конкретная цифра зависит от климата.
- Комнатная-сухая - небольшая влажность, приблизительно от восьми до десяти процентов
- Совершенно сухая - влажность составляет ноль процентов.
Характеристики древесины влияют на характеристику изделий, полученных из нее. Если древесина впитывает меньше влаги или отдает много влаги, то в соответствии с этим она становится больше или меньше. Если в помещении большая влажность, то древесина разбухает, а в противоположном случае - наоборот, происходит усыхание древесины. Все изделия, полученные из древесины, нуждаются в тщательном уходе. Для того чтобы не было деформаций изделий, к примеру, пола, нужно в помещении обеспечивать определенной уровень влажности и температуры. Таким образом, многократно повышается качество и долговечность деревянных изделий. Если температура или влажность резко меняются в помещении, то вследствие этого древесина может треснуть и деформироваться. Идеальная температура составляет около двадцати градусов по Цельсию. Идеальная влажность помещения должна быть от сорока до шестидесяти процентов. Чтобы контролировать и обеспечивать идеальную температуру в помещении, нужно использовать гидрометр, а для того чтобы поддержать оптимальную влажность, можно пользоваться увлажнителем воздуха или же ставить большую открытую тару с водой.
Сезонные изменения в температуре и влажности в помещении оказывают влияние на свойство древесины. Начиная с осени и до начала весны, когда помещения отапливаются, в помещениях температура выше, а влажность ниже. В такой период влажность пола понижается на уровень - меньше чем двадцать пять процентов. Такие изменения не лучшим образом влияют на состояние древесины. Чтобы избежать тяжелых последствий, следует снижать температуру в помещении и обеспечить оптимальную влажность.
В летний период влажность повышается до шестидесяти процентов. Древесина разбухает и деформируется. В такие периоды следует снижать влажность в помещениях для сохранения свойств древесины.
При таких резких изменениях влажность древесины также меняется, разница во влажности в таких условиях может составлять около пяти процентов.
С помощью термогидрометра можно обеспечивать в помещениях оптимальное соотношение температуры и влажности. Таким образом, древесина не будет деформироваться. Для изменения температуры можно использовать кондиционер, либо нужно часто проветривать помещение. Чтобы повысить влажность в помещениях, нужно ставить открытую тару с водой, либо использовать увлажнитель воздуха. Есть разные увлажнители - ультразвуковые или паровые.
Как правильно сушить древесину
У сухой древесины есть ряд преимуществ:
- Она обладает высокой прочностью
- Она не коробится
- Она не гниет
- Она хранится длительное время
Разные древесины по-разному реагируют на изменения уровня влажности, однако все они, несомненно, при этом сами подвергаются изменениям. У всех лесных ресурсов есть данное свойство. Когда влажность в помещениях большая, древесина активно впитывает влагу, при этом разбухая. При больших температурных условиях древесина подвержена усыханию. В открытой местности влажность древесины достаточна менее чем восемнадцать процентов, а внутри помещения - менее десяти процентов.
Виды сушки древесины
Есть многочисленные способы сушить древесины.
- Наипростейший из них - сушка под открытым небом, воздушная сушка. Древесину нужно ставить при этом на сквозняке, не под солнцем, сверху должен быть навес. Если сушить под солнцем, то внешняя часть древесины просушится, но внутри все будет сырое. По этой причине древесина трескается и коробится. Внутренние пласты досок должны быть выложены кверху, чтобы уменьшить коробление. Подставка должна быть минимум пятьдесят сантиметров в высоту (можно использовать подставки из металла, дерева или других материалов). Можно ставить древесину также на кромки, однако в данном случае говорят, что древесина проветривается быстрее, более интенсивно испаряется влага, из-за чего древесина начинает коробить. При сушке древесины естественным путем торцы всегда трескаются. Чтобы не дать им растрескаться, нужно масляной краской покрасить их, либо же использовать олифу для пропитки и защиты древесины. Для деревьев с высокой влажностью используют паяльную лампу для просушки торца. После этого можно его закрасить. Ствол древесины в обязательном порядке очищается от коры, однако рядом с торцами остаются маленькие пояски, ширина у которых от двадцати до двадцати пяти сантиметров, чтобы не дать им растрескаться. Кора дерева очищается, поскольку так дерево более интенсивно просыхает, это также защищает от вредителей, таких как жуки. Если ствол остается в коре, при большой влажности он гниет, что порождает грибковые болезни. В теплую погоду оптимальная влажность древесины после естественной сушки должна составлять от двенадцати до восемнадцати процентов.
- Еще один способ сушки древесины - так называемый метод выпаривания. В Руси его в народе также называли выпариванием. Такой метод используется уже давно. Все заготовки пилят на несколько частей, учитывая размер изделия, которое будет изготавливаться из данной древесины. Далее закладывается обычный чугун, подсыпаются опилки из похожей заготовки, туда заливается обычная вода. Далее все это ставится на некоторое время в предварительно протопленную, но уже остывающую печь. Температура в печи должна быть от шестидесяти до семидесяти градусов по Цельсию. Таким образом, происходит выпаривание. Весь натуральный сок уходит из дерева, оно становится шоколадного цвета, при этом природная текстура ярко выражена. Древесину после такой сушки легче обрабатывать, она меньше подвержена трещинам или короблению.
- Также для сушки древесины используется парафин, откуда и название метод парафинирования. Древесина опускается в раскаленный парафин, ставится на печь. Температура при этом - около сорока градусов по Цельсию. В печи древесина остается в течение нескольких часов. После этого в течение нескольких дней происходит просыхание древесина, после чего та имеет те же характеристики, что и после метода выпаривания: не подвержена трещинам или короблению. Отчетливо видна природная текстура древесины.
- Для сушки древесины можно также использовать льняное масло. Например, если посуду, изготовленную из древесины, пропарить в таком масле, то она становится водостойкой, не трескается, даже если им пользоваться длительно и интенсивно в быту. Этим методом пользуются издавна, и также в современном мире. Можно в тару положить заготовку из древесины, сверху залить льняное масло, а далее пропаривать на небольшом огне. В итоге также отчетливо видна природная текстура, древесина не трескается и не коробит.
К свойствам, характеризующим внешний вид древесины, относят цвет, блеск, текстуру и запах.
Цвem древесины как определенное зрительное ощущение зависит спектрального состава отраженного светового потока. Цвет различных древесных пород изменяется от белого до черного со всевозможными оттенками и определяется многими факторами, среди которых особое значение имеет область произрастания дерева. Чем ближе к экватору, тем ярче и интенсивнее окраска даже у деревьев одной породы. Например, заболонь становится светлее, а ядро темнее.
Окраску древесине придают экстрактивные, дубильные вещества и смолы. Молодые деревья имеют более светлую окраску, чем спелые. Это свойство существенно изменяют развивающиеся в материале грибы. Цвет древесины особо важное значение имеет при изготовлении мебели и отделке интерьеров.
Блеск древесины -- способность направленно отражать световой поток. Лучшим блеском обладают гладкие плотные материалы, древесина же характеризуется пористым строением и поэтому слабым матовым блеском. Более выраженный блеск имеют сердцевинные луч"и на радиальных разрезах, так как их клетки плотно прилегают друг к другу. Выраженным блеском обладают бархат амурский и осина.
Текстура - рисунок, образующийся на поверхности древесины при перерезании анатомических элементов. Текстуру формируют годичные слои с разной окраской, сердцевинные лучи, сосуды, капы или наросты. Капы - это почки, по разным причинам не давшие веток, а заросшие древесиной. Высоко ценится как отделочный материал древесина клена с капами, при перерезании которых образуется рисунок «птичий глаз». Текстура древесины, как и цвет, имеет большое значение при выборе материалов для производства мебели, отделки интерьеров и изготовления художественных поделок.
Более или менее выраженный специфический запах древесине придают находящиеся в ней эфирные масла и смолы. Часто запах служит признаком определения породы. Так, характерным запахом обладают сандаловое, розовое, земляничное дерево, хвойные породы и др. Некоторые деревья выделяют ядовитые вещества с неприятным запахом, раздражающие слизистые оболочки и кожу. Эфирное масло кедра отпугивает моль, поэтому шерстяную одежду хорошо хранить в шкафах из массива кедра.
Влажность - показатель содержания воды в древесине. В древесине может содержаться три вида влаги: химически связанная, связанная (гигроскопическая) и свободная.
Свободная влага содержится в полостях клеток и межклеточных пространствах, она не оказывает влияния на прочность и изменение размеров древесины.
Связанная влага заполняет субмикрокапилляры в клеточных стенках. Максимальное содержание связанной влаги в клеточных стенках называется пределом гигроскопичности или пределом насыщения. Влажность древесины, соответствующая пределу гигроскопичности, мало зависит от породы и в среднем принимается при температуре 20 °С равной 30%. При отклонении от температуры 20 °С величина влажности, соответствующая пределу гигроскопичности, изменяется. Например, в мерзлой древесине (температура -20 °С) или нагретой до температуры 100 °С предел гигроскопичности W соответствует 20%.
Химически связанная влага входит в состав лигноцеллюлозно-го комплекса и выделяется только при химической переработке древесины.
Связанная влага удаляется из древесины труднее, чем свободная. Например, 50%-ная влажность означает, что 30% влаги - связанная вода, 20% - свободная. В пределах от 0 до 30% влажности происходит увеличение объема древесины, дальнейшее увеличение содержания влаги на размеры не влияет.
В зависимости от степени влажности различают древесину мокрую, длительное время пробывшую в воде (W > 100%), свеже-срубленную (W = 50...100%), воздушно сухую {W = 8...12%) и абсолютно сухую {W = 0). Максимально возможное количество свободной влаги зависит от плотности древесины: чем выше плотность, т.е. толще стенки клеток, тем меньше их полости и меньше содержание свободной влаги.
При длительной выдержке материала в воде, когда влага заполняет в нем практически все пустоты, древесина будет иметь максимальную влажность (у каждой породы она своя). Так, максимальная влажность лиственницы - 123%, сосны - 178, ели - 203, кедра - 208, пихты - 250, граба - 96, дуба - 119, березы - 131, осины - 180, тополя - 198%.
Влажность древесины измеряют прямыми и косвенными методами. Прямые методы основаны на удалении воды из древесины, в частности, путем высушивания материала в сушильных шкафах. Этот метод длителен (6-8 ч), но дает высокую точность - до 0,1%. Распространенным экспресс-методом определения влажности служит измерение электропроводности древесины, зависящей от ее влажности, электровлагомером. Таким образом определяют влажность в пределах 7-60%.
Определяют абсолютную и относительную влажность древесины в процентах по формулам
Абсолютная влажность может быть более 100%, ее значение принимается во всех расчетах, связанных с характеристикой древесины. Относительная влажность всегда меньше 100%, она имеет значение при продаже дров.
Под усушкой древесины понимается уменьшение линейных размеров и объема древесины в результате удаления связанной влаги, заполняющей субмикрокапилляры. Поэтому при распиловке круглых лесоматериалов на пиломатериалы обязательно делают прибавку размеров на усушку. Усушка зависит от следующих факторов:
породы древесины (у разных пород она различна в связи с неодинаковым строением древесины);
плотности древесины (при большей плотности усушка больше);
количества удаленной влаги; при испарении максимального количества связанной влаги (от 30% до 0) происходит полная усушка, части влаги - частичная;
структурного направления; усушка по разным направлениям неодинакова; любая клетка в поперечном направлении усыхает больше, чем вдоль оси; это связано с тем, что размеры клетки в радиальном и тангентальном направлениях изменяются больше, чем вдоль волокон.
Усушка в тангентальном направлении в 1,5-2 раза больше, чем в радиальном. В среднем полная линейная усушка в тангентальном направлении составляет 6-10%, в радиальном - 3-5%, вдоль волокон - 0,1-0,3% и объемная - 12-15%. Рассчитывают усушку (Y) по формуле
Аналогично рассчитываются усушка радиальная и объемная.
Существует коэффициент усушки, который показывает величину усушки древесины при изменении влажности на 1%. Вследствие неравномерности усушки в разных структурных направлениях при резком изменении влажности древесины (несоблюдении режимов сушки) появляются трещины и коробление.
Разбухание древесины - явление, обратное усушке.
В любом деревообрабатывающем производстве и строительстве древесина подвергается сушке, в результате которой резко улучшаются многие свойства этого материала. С физической стороны процесс сушки выражается в воздействии на сырую древесину пара, нагретого сухого и влажного воздуха, токов высокой частоты и других факторов, приводящих в конечном результате к снижению содержания свободной и связанной влаги.
Существует несколько способов сушки. Наиболее распространены атмосферная (когда древесина высыхает в штабелях на открытом воздухе) и камерная сушка (когда древесина с целью ускорения процесса удаления влаги высушивается в особых камерах при температуре более высокой, чем температура окружающего воздуха). Правильно (при соответствующих режимах) проведенная камерная сушка дает древесину, вполне равноценную материалу, получаемому в результате атмосферной сушки, происходящей при наиболее благоприятных условиях. Однако если высушивать древесину в камере слишком быстро и при высокой температуре, это может привести не только к сильному растрескиванию и значительному внутреннему напряжениею, но и к нарушению строения и химическому изменению клеточных оболочек, а также механических свойств древесины.
Сушка древесины в поле токов высокой частоты не оказывает заметного влияния на физико-механические свойства материала.
Одна из основных характеристик древесины - плотность, она учитывается при выборе инструмента для обработки древесины, а также выборе грузоподъемности транспортных средств для перевозки лесо- и пиломатериалов. Характеризуется плотность массой в единице объема и обозначается буквой р, имеет размерность кг/м 3 или г/см 3 (1 кг/м 3 = 1000 г/см 3). Химический состав органических веществ, образующих клеточные стенки древесины разных пород, практически одинаков, поэтому плотность древесинного вещества (или плотность клеточных стенок) у всех пород равняется 1530 кг/м 3 . Вследствие пористого строения плотность древесины меньше плотности древесинного вещества.
По плотности древесины при 12%-ной влажности породы делят на три группы: малой плотности - до 540 кг/м 3 (сосна, ель, кедр, пихта, ольха, осина, липа, тополь, ива), средней плотности - 550-740 кг/м 3 (груша, дуб, клен, ясень, бук, вяз, береза, орех) и высокой плотности - 750 кг/м 3 и более (граб, белая акация).
Среди иноземных пород встречаются древесные породы, плотность древесины которых около 100 кг/м 3 , например бальза, и с очень высокой плотностью - до 1300 кг/м 3 (бакаут).
Между плотностью и влажностью существует прямая связь. С увеличением влажности древесины от 0 до 30% (связанная влага) плотность повышается незначительно, так как увеличиваются масса и объем (происходит разбухание), а может и несколько понижаться, если плотность больше 1000 кг/м 3 . При повышении влажности более чем на 30% плотность увеличивается значительнее.
На плотность древесины хвойных и лиственных кольцесосуди-стых пород оказывает влияние содержание поздней древесины в годичном слое. Так как плотность поздней древесины в 2,5 раза больше, чем ранней, следовательно, чем ее больше, тем выше плотность материала.
Плотность древесины может оцениваться несколькими показателями: плотностью в абсолютно сухом состоянии (р 0), во влажном (p w), при стандартной (нормированной) влажности (р!2) и базисной плотностью (рбаз). Рассчитывают значение плотности с точностью до 5 кг/м 3 .
Плотность влажной древесины (p w) характеризуется отношением массы влажной древесины (m w) к объему при той же влажности (Vw) и рассчитывается по формуле
Плотность древесины в абсолютно сухом состоянии (ро) характеризуется отношением массы абсолютно сухой древесины (то) к ее объему в абсолютно сухом состоянии (Ко) и находится по формуле
Увеличение содержания воды в древесине ведет к увеличению плотности материала. Поэтому для возможности сравнения показателей плотности принято определять их при стандартной влажности (W= 12%).
Прочность древесины характеризуется пределом прочности при растяжении, сжатии и изгибе, который определяют на образцах стандартной формы и размеров на специальных машинах. Наиболее прочная древесина сухая, здоровая, без дефектов, с большой объемной массой, у одной и той же породы прочность выше вдоль волокон.
Прочность древесины при изгибе уступает прочности при растяжении вдоль волокон, но выше прочности при сжатии вдоль волокон и находится в пределах от 56 до 113,5 МПа. Поэтому древесину широко используют в мебельном производстве в качестве опорных
элементов столов, стульев, шкафов и других видов изделий. Для хвойных пород прочность при изгибе в тангентальном направлении на 10-12% выше, чем в радиальном.
Прочность при скалывании вдоль волокон невелика и составляет примерно 20% прочности при сжатии вдоль волокон.
Прочность на скалывание поперек волокон в 2 раза ниже прочности вдоль волокон, что учитывают при изготовления шкантов и шпунтов, необходимых для соединения отдельных деталей мебели.
Способность древесины к загибу учитывают при изготовлении гнутой мебели, когда заготовке необходимо придать форму шаблона без разрушения волокон древесины и снижения механической прочности.
Прочность древесины при статическом изгибе по величине занимает промежуточное положение между прочностью при растяжении и сжатии вдоль волокон и может быть для разных пород принята в среднем около 1000 кг/см 2 . Если прочность при сжатии вдоль волокон принять за единицу, прочность при статическом изгибе будет выше примерно в 2 раза, а при растяжении вдоль волокон - в 2,6 раза. Предел пропорциональности при статическом изгибе составляет в среднем 0,7 предела прочности.
Древесина - гигроскопичный материал, что приводит к изменению линейных размеров, повышению массы, уменьшению прочности изделий.
Она легко отдает влагу, поэтому ей присущи усушка и коробление. Из-за неравномерного удаления влаги возникают напряжения, которые вызывают растрескивание материала.
Каждому сочетанию температуры и относительной влажности воздуха соответствует так называемая устойчивая влажность древесины, практически одинаковая для всех пород.
Способность древесины к деформированию значительно выше, если она находится в нагретом и влажном состоянии. Технологическая операция гнутья древесины основана на ее способности сравнительно легко деформироваться при действии изгибающих усилий.
Лучшей способностью к загибу характеризуются кольцесосу-дистые (дуб, ясень) и некоторые рассеяно-сосудистые породы с повышенной пластичностью (бук). Способность древесины к загибу повышается по мере увеличения ее влажности до точки насыщения, а также температуры. С повышением температуры происходит размягчение веществ, склеивающих волокна древесины, повышается ее пластичность, поэтому древесину перед изгибанием пропаривают. После высыхания пропаренный материал хорошо сохраняет свою форму. Древесина ели, сосны и других пород непригодна для изготовления гнутых изделий.
Твердость древесины характеризует ее способность сопротивляться внедрению тела определенной формы. В зависимости от скорости нагружения древесины при испытаниях различают статическую и ударную твердость.
Статическая твердость торцевой поверхности выше, чем боковых: для хвойной пород в среднем на 40%, а для лиственных на 30%. У большинства пород различия между твердостью радиальной и тангенциальной поверхности практически нет. Исключение составляют породы с хорошо развитыми сердцевинными лучами (дуб, бук, ильм), у которых твердость радиальной поверхности на 5-10% выше твердости тангенциальной поверхности.
Древесину отечественных пород по твердости торцевой поверхности при 12%-ной влажности можно подразделить на три группы:
мягкую (твердость - 400 кгс/см 2 и менее) - сосна, ель, пихта сибирская, кедр, осина, тополь, липа, ольха;
твердую (401-800 кгс/см 2) - лиственница, груша, клен, дуб, бук, вяз, береза, ясень;
очень твердую (более 800 кгс/см 2) - граб, акация белая, кизил, самшит, железное дерево, тис, фисташка, береза железная.
Износостойкость древесины характеризует способность ее поверхностных слоев противостоять износу, т.е. постепенному разрушению под действием механических факторов в процессе трения.
Истирание зависит от направления по отношению к волокнам (износ с боковой поверхности значительно больше, чем с торца), плотности и твердости (с повышением этих показателей износ уменьшается), а также от влажности, с увеличением которой износ возрастает.
Сопротивление древесины выдергиванию гвоздей зависит прежде всего от направления. Усилие, необходимое для выдергивания гвоздя, забитого в торец образцов из древесины дуба, сосны, осины, ольхи и ели, на 10-50% меньше усилия, прилагаемого к гвоздю, забитому поперек волокон; сопротивление выдергиванию гвоздей, забитых в радиальном и тангенциальном направлениях, практически одинаково.
Способность удерживать гвозди и шурупы зависит также от породы, плотности и влажности древесины. С повышением плотности сопротивление древесины выдергиванию гвоздя или шурупа увеличивается; так, вдавливание и выдергивание гвоздей из древесины граба (плотность - 730 кг/м 3) требует усилий примерно в 4 раза больших, чем для древесины сосны (440 кг/м 3).
Чем выше влажность древесины, тем легче вбивать гвозди. При высыхании способность древесины удерживать гвозди снижается, так как упругие деформации переходят в остаточные, и трение, удерживающее гвоздь, становится меньше. Во влажной древесине железные гвозди ржавеют, и по мере их коррозии сила, удерживающая их, также ослабевает.
Усилия, необходимые для выдергивания шурупов, при прочих равных условиях больше, чем гвоздей, так как в этом случае к трению присоединяется сопротивление волокон перерезанию и разрыву. Для шурупов одинакового с гвоздями диаметра, но вдвое меньшей длины, это усилие оказывается в 2 раза больше.
Химическая стойкость древесины. Древесина под действием кислот и щелочей постепенно разрушается. Она обладает большей стойкостью по отношению к щелочам и меньшей - к кислотам. С увеличением концентрации щелочей и кислот химическая стойкость древесины снижается. Большей стойкостью характеризуется древесина хвойных пород, и прежде всего ее ядровая часть, меньшей - заболонная. Древесина лиственных пород отличается от хвойных меньшей стойкостью к кислотам, в первую очередь к минеральным. Их воздействие на древесину сопровождается изменением ее цвета - побурением, иногда происходит полное обугливание.
Свойства древесины, длительно находившейся в воде, практически не изменяются. Однако цвет древесины дуба вследствие взаимодействия солей железа с танидами изменяется от серовато-бурого до светло-коричневого и черного.
Биологическую стойкость древесины повышают путем обработки ее специальными химическими веществами - антисептиками. К ним относятся органические и минеральные вещества, которые имеют высокую токсичность к грибам и насекомым и сохраняют ее в течение длительного времени, безвредны для древесины, человека и животных, легко проникают в кору, недороги и просты в применении.
Антисептики подразделяются на водорастворимые и нерастворимые в воде (маслянистые). К водорастворимым относятся фтористый натрий, кремнефтористый натрий, хлористый цинк, кремнефтористый алюминий, препарат ГР-48 и др. Маслянистые антисептики представляют собой продукты сухой перегонки каменного угля, торфа и древесины, а также креозотовое, антраценовое, сланцевое масла и др.
Наличие влаги в древесине обусловлено нормальной жизнедеятельностью живого растущего организма. В древесине срубленного дерева содержание влаги (в зависимости от условий хранения, и эксплуатации изделий) может увеличиваться или уменьшаться. В большинстве случаев практики влагу из древесины удаляют, чтобы избежать ряда отрицательных явлений. Для количественной характеристики содержания влаги в древесине используют показатель влажности древесины. Под влажностью (абсолютной) древесины понимают выраженное в процентах отношение массы влаги, содержащейся в данном объеме древесины, к массе сухой древесины:
где m - масса пробы (образца) влажной древесины; m 0 - масса пробы (образца) абсолютно сухой древесины, г.
Для измерения влажности древесины применяют прямые и косвенные методы. Прямые методы основаны на выделении тем или иным способом влаги из древесины. Влагу можно отделить путем высушивания и определить влажность с высокой точностью, осуществляя следующую процедуру. В лабораторных условиях небольшие образцы древесины взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,001 г и определяют начальную массу. С такой точностью взвешивают образцы, если масса их не превышает 5-6 г. Для того чтобы влажность образцов древесины во время взвешивания не изменялась, их помещают в стеклянные бюксы с притертыми крышками. Масса каждой бюксы определяется заранее на тех же весах. Образцы находятся в бюксах (но с открытыми крышками) и во время высушивания.
Образец высушивают в сушильных шкафах, представляющих собой обогреваемые камеры с автоматическими регуляторами температуры. Из большого разнообразия конструкций сушильных шкафов наилучшими эксплуатационными свойствами обладают электрические шкафы, которые и находят повсеместное применение. Высушивание проводится при температуре воздуха 103±2°С; бюксы с образцами находятся в шкафу до тех пор, пока не будет достигнуто постоянное значение массы, устанавливаемое контрольными определениями при помощи весов. Если разница в отсчетах по весам при двух последних с интервалом 1-2 ч определениях составляет менее 0,002 г, считают, что достигнуто абсолютно сухое состояние древесины. Перед каждым определением массы бюксы закрывают крышками и охлаждают в сухом воздухе в эксикаторах - сосудах с безводным хлористым кальцием или серной кислотой при концентрации 94-100%. Влажность вычисляют с точностью до 0,1% по формуле:
где m - масса бюксы, г; m 2 - масса бюксы с образцом до высушивания, г; m 3 - масса бюксы с образцом после высушивания, г. В производственных условиях (на складах, в сушильных камерах и пр.) обычно ограничиваются меньшей точностью: пробу берут массой примерно 50 г, взвешивают с точностью до 0,1 г, а влажность подсчитывают с точностью до 1%.
Пробу из доски или бруска вырезают в этих случаях, отступя 0,5 м от торца и захватывая все сечение. Описанный простой и надежный способ определения влажности нашел широкое применение. Значительно реже применительно к древесине используется другой прямой метод, основанный на отгонке влаги с парами толуола (метод дистилляции). По этому методу сначала при помощи весов определяется масса образца влажной древесины. Затем образец нагревается с толуолом; образующиеся пары конденсируются, благодаря разной плотности жидкостей вода легко отделяется от толуола и можно измерить ее объем (массу). Зная массу влажной древесины и массу содержащейся в ней влаги, можно определить влажность древесины в процентах. Основной недостаток прямых методов заключается в том, что продолжительность процедуры очень велика. При методе высушивания она занимает 8-10 ч, а иногда и более. Этого недостатка лишены косвенные методы.
Косвенные методы определения влажности основаны на измерении показателей других физических свойств древесины, которые функционально зависят от содержания влаги в древесине. Поскольку влага оказывает влияние по существу на все физические свойства древесины, косвенных методов измерения влажности древесины может быть очень много. Однако не все из них могут быть с равным успехом использованы для создания быстродействующих, точных, простых по конструкции и удобных, в эксплуатации приборов - влагомеров. Для создания влагомеров очень широко используются достаточно строгие зависимости между влажностью и электрическими параметрами древесины. Наибольшее распространение получили кондуктометрические электровлагомеры, основанные на измерении электропроводности древесины.
Влагомер ЦНИИМОД-2 предназначен для измерения влажности древесины от 8 до 30%. Шкала прибора состоит из пяти диапазонов с пределами 8-11; 9-12; 15-21; 19-29% влажности. Принцип действия влагомера основан на определении времени зарядки конденсатора постоянным током, проходящим через древесину, сопротивление которой связано обратной логарифмической зависимостью с влажностью. Контакт с древесиной осуществляется при помощи датчика с тремя игольчатыми электродами, которые вводят через боковую (не торцовую) поверхность в древесину на полную их длину (8 мм). Время, необходимое для определения влажности этим прибором, составляет всего лишь несколько минут. Точность измерения влажности равна ±1,5%. Электровлагомер ЭВ-8-100 основан на измерении активного сопротивления влажной древесины по схеме моста постоянного тока. Этот прибор позволяет измерять влажность в более широких пределах. Каждому из трех диапазонов (8-18%, 18-31% и 30-100%) соответствует своя мостовая схема. Точность измерения влажности влагомером на первом и втором диапазонах составляет около±1%. При влажности свыше 30% точность значительно ниже (до ±10%).
К недостаткам этих приборов, помимо меньшей точности (по сравнению с методом высушивания), относится также и то, что они дают значения локальной влажности древесины в месте введения игольчатых контактов. При обычно неравномерном распределении влажности по объему доски или заготовки этот недостаток может быть причиной дополнительных погрешностей в определении интегральной влажности древесины.
Известны также емкостные электровлагомеры, при помощи которых по емкости конденсатора с диэлектриком из древесины определяется зависящая от влажности диэлектрическая проницаемость древесины. Разработаны конструкции индуктивных электровлагомеров, позволяющие определять влажность калиброванных образцов древесины бесконтактным способом. Эти приборы основаны на измерении индуктивности или добротности контура катушки самоиндукции с сердечником из влажной древесины. Влажность древесины может быть измерена при помощи тепловых методов. Например, в качестве измеряемого параметра может быть время, необходимое для нагрева до определенной температуры одного из спаев термопары, заделанного в древесину. Чем меньше влажность древесины, тем меньше отвод тепла от нагреваемого слоя ее: следовательно, при низкой влажности потребная продолжительность нагрева окажется меньшей.
В процессе сушки древесины влажность на конечном этапе может быть измерена по температуре материала. Некоторые исследователи предлагают измерять влажность по проницаемости древесины для рентгеновского, бета- и гамма-излучения. Различают две формы влаги, содержащейся в древесине: связанную (или гигроскопическую) и свободную. Связанная (адсорбционная и микрокапиллярная) влага находится в толще клеточных оболочек, свободная влага содержится в полостях клеток и в межклеточных пространствах. Связанная влага удерживается в основном физико-химическими связями; ее удаление сопряжено со значительными затратами энергии и существенно отражается на большинстве свойств древесины. Свободная влага удерживается только физико-механическими связями, удаляется значительно легче и оказывает меньшее влияние на свойства древесины. Состояние древесины, при котором в клеточных оболочках содержится максимальное количество связанной влаги, а свободной влаги нет, называется пределом гигроскопичностиW nr .
Влажность, соответствующую пределу гигроскопичности W nr , в среднем для всех пород при комнатной температуре принято считать равной 30 % W nr: для сосны и дуба 30%, кедра сибирского 28-30%, лиственницы сибирской 31 - 33 %. При пределе гигроскопичности влажность существенно зависит от способа определения. Этот критерий можно определять но только непосредственным путем, измеряя максимальное количество поглощенной связанной влаги, но и по косвенным признакам, поскольку при пределе гигроскопичности резко изменяется характер зависимости между показателями многих свойств древесины и влажностью.
Влажность W nr заметно зависит от температуры; так у древесины ели при температуре 20° она оказалась равной 31%. а при температуре 100° - всего 23%; аналогичные данные получены и для сосны. Наблюдается также некоторая зависимость влажности W nr от химического состава древесины: с увеличением содержания лигнина влажность при пределе гигроскопичности уменьшается. Различают следующие степени влажности древесины: мокрая, долгое время пробывшая в воде (больше 100%); свежесрубленная (50-100 %); воздушносухая, долгое время пролежавшая на воздухе (15-20%, в зависимости от климатических факторов и времени года); комнатносухая (8-12%); абсолютно сухая (около 0%). Распределение влаги в стволе растущего дерева неравномерно как по сечению, так и по высоте. У хвойных пород влажность заболони в 3-4 раза выше влажности ядра и спелой древесины. Так, у сосны и ели Ленинградской области среднегодовая влажность заболони оказалась 112 и 122%, влажность ядра или спелой древесины - 33 и 38%.
Древесина хвойных пород Восточной Сибири показала, что в пределах ядра (спелой древесины) влажность у сосны, ели и лиственницы распределена равномерно. В то же время у пихты влажность центральной зоны спелой древесины намного выше, чем периферической. То же наблюдается у кедра. Разница между влажностью центральной и периферической зон ядра достигает в нижней части ствола 50%.
У лиственных пород как ядровых (дуб, ясень, ильм), так и безъядровых (береза, осина, липа) существенной разницы между заболонью и ядром или периферической и центральной частями ствола не наблюдается; оказалось, что влажность заболони дуба из Воронежской области 73%, ядра 71%; вяза соответственно 72 и 97%, ивы белой 82 и 72%, у ясеня влажность ядра и заболони оказалась одинаковой - около 35 %; среднегодовая влажность периферической части ствола березы и осины из Ленинградской области 70 и 92%, центральной - 82 и 91%.
По высоте ствола влажность заболони в хвойных породах увеличивается в направлении от комля к вершине (например, у сосны Красноярского края VI класса возраста влажность заболони на высоте 1,3 м оказалась 120%, на высоте 6 м- 134% и на высоте 12 м - 146%), а влажность ядра остается практически без изменения. В стволах ядровых лиственных пород (дуба, ясеня, вяза, ильма) влажность ядра по направлению от комля к вершине слегка понижается, а влажность заболони почти не изменяется, у лиственных безъядровых пород (осины, липы) влажность увеличивается от комля к вершине. Влажность в стволах молодых деревьев несколько выше и ее колебания в течение года больше, чем у старых; это объясняется, по-видимому, тем, что древесина молодых деревьев полностью или преимущественно заболонная.
Рис. 32. Диаграмма изменения влажности в стволах растущих деревьев: а - сосна; б - ель; в - береза; г - осина; сплошные линии - средняя влажность; пунктир черточками - влажность заболони, или периферичесской части; пунктир точками - влажность ядра, или центральной части ствола.
Изменения влажности древесины в стволах растущих деревьев по временам года в Ленинградской области показаны на рис. 32. Кроме сезонных изменений, влажность в стволах растущих деревьев подвержена суточным колебаниям: так, в заболони ели утром наблюдалась влажность 186%, в полдень 132% и вечером 150%; в заболони дуба утром (в августе) 68%, в полдень 72%, вечером 66%, ночью 71%. Данные рис. 32 показывают, что максимум влаги в стволе растущего дерева содержится в зимний период (ноябрь-февраль), минимум - в летний (июль-август), причем в ядровых и спелодревесных хвойных породах меняется только влажность заболони за счет увеличения или уменьшения свободной влаги. Так как свободная влага легко испаряется, можно считать, что изменения влажности растущего дерева для времени рубки значения не имеют.
Загрузка...