Качественные показатели древесных материалов.

Древесина хвойных и лиственных пород обладает комплексом свойств, уровень показателей которых обусловлен видом древесной породы, анатомическим строением и составом древесины, степенью оптимизации общей структуры древесного материала, сложившейся в процессе роста дерева в реальных условиях. Особенно значительное влияние на уровень показателей свойств оказывает капиллярное пространство в древесине и проникание воды в капилляры. Одни из них (первого порядка) бывают относительно крупными хотя и изменяются с возрастом дерева, межклеточное пространство, полости клеток, поры в стенках клеток. Другие значительно меньшего диаметра (второго порядка) составляют межфибриллярное пространство и пространство внутри микрофибрилл. Однако и те, и другие, хотя и с разным периодом действия проникшей воды, благоприятствуют набуханию древесных волокон в толщину на 20 30 %, в длину на 1- 3 % вследствие спиральной структуры волокна.

В древесине всегда содержится некоторое количество влаги обычно до 60%, иногда до 100 % и более от массы абсолютно сухой древесины; влагосодержание воздушно-сухой древесины обычно 15-20%, что зависит в основном от относительной влажности окружающего воздуха; влагосодержание мокрой древесины, которое может быть весьма высоким. Например, после длительного пребывания в воде влаги может содержаться до 150% и более от массы абсолютно сухой древесины. Абсолютно сухой древесиной условно считается древесина, высушенная до постоянной массы при температуре 105 °С, хотя и в ней всегда содержится небольшое количество влаги.

Влага распределяется в древесине неравномерно: ее больше в комлевой части ствола, в заболонной части, меньше в ядре, хотя иногда ядровая часть лиственных пород может оказаться влажнее заболони.

Влага бывает свободной, заполняющей внутренние полости клеток, т. е. капиллярное пространство первого порядка, и гидроскопической, находящейся в тончайших капиллярных пространствах второго порядка с возможным переходом в коллоидно-связанное состояние под влиянием взаимодействия ее с веществом дерева. Когда древесина длительное время находится в воздушной среде, насыщенной парами воды, т. е. при относительной влажности воздушной среды, равной l00%, тогда клеточные стенки полностью насыщаются гигроскопической влагой. Этот предел называется точкой насыщения волокон, или пределом гигроскопической влажности

• Для древесины различных пород величина предела ГИГРОСКОПИЧНОСТИ колеблется от 23 до 35% массы сухой древесины. В среднем ее принимают равной 30%. К этому времени в волокнах свободной влаги пока еще нет, но набухание достигает своего максимума, причем линейное набухание составляет не выше 6-13%. При набухании наблюдается контракция (сжатие): объем набухшей древесины меньше суммы объемов древесины до набухания и поглощенной воды. Явление контракции связано со сжатием воды, в частности ее первых порций (примерно до 6%), когда вода имеет повышенную плотность (до 2, 6г/см3), а объем поглощаемой воды сокращается примерна на 25%. Кроме контракции в процессе поглощения воды возникает также давление набухания (до 100-400 МПа) и выделяется теплота набухания (смачивания). Чем больше в целлюлозе кристаллической части и меньше аморфной, тем меньше набухают волокна и меньше теплота смачивания (набухания), а также сжатие воды.

Явление, обратное набуханию, называется усушкой. Оно выражено уменьшением линейных и объемных размеров древесины при удалении гигроскопической влаги.

Вследствие волокнистого строения древесина имеет разную усушку в различных направлениях. В радиальном направлении она составляет 3-6%, в тангенциальном в полтора-два раза больше, чем в радиальном, и составляет 6-12%. Усушку вдоль волокон ввиду ее незначительной величины не определяют. Объемную усушку Уоб вычисляют в процентах без учета продольной усушки по приближенной формуле где а и Ь размеры образца соответственно в тангенциальном и радиальном направлениях; «о и Ьо-размеры образца в тех же направлениях в абсолютно сухом состоянии.

Полный объем гигроскопической влаги в древесине (25-30%) разделяют на адсорбционную, ориентированную водородными связями в наиболее тонких капиллярных пространствах (4-6% от абсолютно сухой древесины) и поглощенную вследствие капиллярной конденсации (20-25% от абсолютно сухой древесины). Остальная свободная влага находится в капиллярном пространстве первого порядка. При высушивании древесины особенно трудно удалить эти А-6% влаги, так как она прочно связывается водородными связями.

Кроме влажности, гигроскопичности, влагопоглощения, влагоотдачи, характеризующих отношение древесины к водной среде, имеется еще целый ряд физических свойств, обусловливающих качество древесного материала. Для использования древесины в строительных целях наиболее значимыми из них являются: истинная плотность вещества древесины, которая примерно одинакова для разных пород и составляет 1, 53-1, 55 г/см3; средняя плотность колеблется в широком интервале для различных пород, для одной породы разного возраста или при разном соотношении поздней и ранней древесины. Кроме того, она зависит от влажности и пористости древесины. Как правило, средняя плотность древесины меньше 1 г/см3 (450-900 кг/м3), так как объем пор в ней значителен, например у сосны 50-75, ели 60-76, дуба 32-64, липы 65-75, а объем древесного вещества всего лишь 20-50%. Так, например, средняя плотность древесины ели составляет 0, 37-0, 58, сосны 0, 3-0, 7, дуба 0, 51-1, 04, березы 0, 5-0, 75 г/см3. Но имеются породы и значительно легче, например, бальзовое дерево (0, 1 г/см3) и значительно тяжелее железное дерево, бакаут (1, 35 г/см3) и др.

Древесина является плохим проводником теплоты, что обусловлена ее пористостью (поры заполнены воздухом). Теплопроводность вдаль волокон значительно больше, чем поперек. Так, например, у сосны вдоль волокон теплопроводность равна 0, 35 Вт/(м-K), а поперек волокон 0, 17 Вт/(мК). Она также выше в радиальном направлении, чем в тангенциальном.

Тепловое расширение древесины невелико, причем поперек волокон оно выше в 12-15 раз, чем вдоль (превышая тепловое расширение металлов).

Теплоемкость абсолютно сухой древесины разных пород примерно одинакова: 1, 26-1, 42 Дж/(г-К); по мере увлажнения теплоемкость древесины возрастает. Теплота сгорания абсолютно сухой древесины разных пород сравнительно мало различается и составляет 20160-21200 кДж/кг. Понятно, что с увлажнением теплота сгорания древесины сильно снижается. Температурный коэффициент расширения древесины зависит от породы и направления волокон: вдоль волокон он равен 0, 000002-0, 0000 1, поперек волокон 0, 00003-0, 00006.

Электропроводность сухой древесины очень мала, особенно при поперечном направлении волокон, поэтому она является хорошим изолятором. Но с увлажнением электропроводность возрастает, что служит основанием для измерения влажности по этому физическому свойству. Абсолютно сухая древесина обладает удельным сопротивлением 1013-1015 Ом, ее относят к полярным диэлектрикам. По мере увлажнения удельное сопротивление древесины снижается, а при влажности выше предела насыщения клеточных стенок (30%) древесина может обладать ионной проводимостью. Это свойство учитывают, так как диэлектрический нагрев используют в производстве арболита, ДСП и ДВП, при модификации древесины.

Древесина, являясь важным строительным материалом, обладает высокой прочностью при действии сжимающих и растягивающих напряжений, которая находится в прямой зависимости от содержания поздней древесины, пористости и влажности, направления механических сил по отношению к расположению волокон, в чем особенно сильно проявляется ее анизотропия. Анизотропия является следствием медленно развивающейся оптимизации (упорядочения) микро- и макрастроения в условиях роста дерева и максимального сопротивления ствола механическим нагрузкам, с выделением упрочняющих (армирующих) волокон в его тканях. Эти волокна ориентированы по направлениям действия главных напряжений. Вместе с тем они сочетаются с более податливыми волокнами ранней древесины. Можно утверждать, что существенное влияние на анизотропию древесины оказывает ее анатомическое строение (макроструктура), в первую очередь механические ткани. Предел прочности древесины хвойных пород при сжатии в 10, при растяжении в 20-30 раз больше для направления вдоль волокон, а модуль упругости почти в 40 раз больше поперек волокон. Различие упругих свойств в различных направлениях связано с влиянием сердцевинных лучей, особенно у лиственных пород. Оно проявляется тем больше, чем больше доля сердцевинных лучей как своеобразных лучей жесткости в анатомическом строении древесины.

Ориентированно микро- и макростроение древесины обусловливает ее анизотропию не только при механических, но и при других физических воздействиях.

Рис.7.12. Набухание древесины сосны:

1 – вдоль волокон; 2- в радиальном направлении; 3 – в тангенциальном направлении; 4 – объемное (ТНВ – точка насыщения волокон)

Так, например, коэффициент теплового расширения меньше вдоль волокон и больше – поперек волокон (в тангенциальном направлении). Анизотропия набухания древесины выражена сильнее у хвойных пород, а отношение радиального давления набухания к тангенциальному составляет, по данным Я. Рачковского, для хвойных пород 0, 6, а для лиственных – от 0, 8 до 1.вдоль волокон линейное набухание наименьшее (0, 1 – 0, 15%), а тангенциальное – наибольшее. Аналогичные анизотропные явления отмечаются, по данным Г.Г. Мудрова, в отношении усушки, теплопроводности, электропроводности и других свойств древесины (рис. 7.12).