Физические, механические, химические, биологические, технологические свойства древесины, их показатели и методы определения

2.Физические, механические, химические, биологические, технологические  свойства древесины, их показатели и методы определения.

Древесина (от греч. xýlon — дерево), сложная ткань древесных и травянистых растений, проводящая воду и растворённые в ней минеральные соли; часть проводящего пучка, образующаяся из прокамбия (первичная древесина) или камбия (вторичная древесина). Она составляет основную массу ствола, корней и ветвей древесных растений.

Физические свойства древесины 
 

К ним относятся: внешний вид, запах, показатели макроструктуры, влажность и связанные с ней изменения ( усушка, разбухание, растрескивание, коробление), плотность, электро-, звуко- и теплопроводность.

Внешний вид древесины  
 
Внешний вид древесины характеризуется следующими свойствами: цветом, блеском, текстурой и макроструктурой.

 
1. Цвет древесины. 
Под цветом древесины понимают определённое зрительное ощущение, которое зависит, в основном, от спектрального состава отражённого ею светового потока. Цвет - одна из важнейших характеристик внешнего вида древесины. Его учитывают при выборе пород для внутренней отделки помещений, изготовлении мебели, музыкальных инструментов, художественных поделок и т.д.  
Наибольшим блеском из отечественных пород отличается древесина дуба, бука, белой акации, бархатного дерева; из иноземных - древесина атласного дерева и махагони (красного дерева).  
Цветовые оттенки древесины имеют широкий диапазон. Нужно помнить, что цвет древесины может изменяться не только в зависимости от породы, но в пределах одного вида может быть несколько десятков вариантов тональных соотношений. На этот фактор оказывают влияние климатические условия, в которых росло дерево и другие природные факторы. Выявление и использование цветовой палитры является ответственным моментом в дизайнерском поиске. Окраску древесине придают красящие дубильные вещества, находящиеся в ее клетчатке. Преобладают древесные породы с теплыми оттенками (желтые, охристые, красные, красно-коричневые, коричневые), но встречаются зеленые, синие, фиолетовые и черные породы древесины, которые в нашей стране считаются экзотическими.

 
2. Блеск древесины - это способность отражать световой поток с поверхности в определенном направлении. У различных пород блеск неодинаковый; в значительной степени это свойство проявляется у бука, клена, чинары, белой акации. Матовый (сатиновый) блеск имеют тополь, липа, осина, тик; шелковистый - ива, вяз, ясень, черемуха; золотистый - черешня; серебристый - сибирский кедр; муаровый - береза, серый клен, лавровишня.  
Блеск древесины зависит не только от наличия и размеров сердцевинных лучей, но и от характера их размещения по разрезам: чем крупнее сердцевинные лучи (например, у дуба) и чем плотнее древесина, т. е. чем кучнее расположены сердцевинные лучи (например, у клена), тем значительнее будет блеск древесины. Распределение блеска по поверхности неодинаково и зависит от вида разреза: в радиальной плоскости он сильнее, в поперечной - слабее.  
Светотеневые переливы у одних пород хорошо заметны только на продольном разрезе ствола, у других - на всех разрезах. Они существенно влияют на декоративные качества древесины, усиливая или ослабляя ее выразительное звучание, поэтому блеск древесины учитывают при составлении мозаичных наборов.  
 
3. Текстура древесины. 
Текстура древесины - это естественный рисунок древесных волокон на обработанной поверхности, обусловленный особенностями ее строения. Текстура зависит от особенностей анатомического строения отдельных пород древесины и направления разреза. Она определяется шириной годичных слоев, разницей в окраске ранней и поздней древесины, наличием сердцевинных лучей, крупных сосудов, неправильным расположением волокон (волнистым или путаным). Хвойные породы на тангентальном разрезе из-за резкого различия в цвете ранней и поздней древесины имеют красивую структуру. Лиственные породы с ярко выраженными годичными слоями и развитыми сердцевинными лучами (дуб, бук, клен, карагач, ильм, платан) имеют очень красивую структуру радиального и тангентального разрезов. Особенно красивый рисунок на разрезах древесины с направленным и путаным (свилеватым) расположением волокон (капы, наросты), а также со следами спящих почек (глазки). У древесины хвойных и мягких лиственных пород более простой и менее разнообразный рисунок, чем у древесины твердых лиственных пород. Декоративную ценность древесины определяет текстура, которую усиливают и выявляют прозрачными лаками.

Запах древесины. 
Запах древесины зависит от количества эфирных масел, смол и дубильных веществ. Древесина только что срубленного дерева или сразу после ее механической обработки обладает сильным запахом, у хвойных пород более сильный запах, чем у древесины лиственных пород. 
Характерный запах скипидара у хвойных пород - сосны, ели. Дуб имеет запах дубильных веществ, бакаут и палисандр - ванили. По запаху древесины можно определить ее породу.

 
Макроструктура. 
Макроструктура характеризуется шириной годичных слоев, определяемой числом слоев на 1 см отрезка, отмеренного в радиальном направлении на поперечном срезе. Древесина хвойных пород имеет более высокие физико-механические показатели, если в 1 см не менее 3 и не более 25 слоев. У лиственных кольцесосудистых пород (дуба, ясеня) увеличение ширины годичных слоев происходит за счет поздней зоны и поэтому увеличиваются прочность, плотность и твердость. У древесины лиственных рассеяннососудистых пород (березы, бука) нет четкой зависимости свойств от ширины годичных слоев. По образцам древесины хвойных и кольцесосудистых лиственных пород определяют содержание поздней древесины в процентах. Чем выше содержание поздней древесины, тем больше ее плотность и, следовательно, лучше механические свойства. 
 
Влажность.  
Влажностью (абсолютной) древесины называется отношение массы влаги, находящейся в данном объеме древесины, к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах. 
Влага в древесине пропитывает клеточные оболочки (связанная или гигроскопическая) и заполняет  клеток и межклеточные пространства (свободная или капиллярная). 
При высыхании древесины сначала из нее испаряется свободная влага, а затем гигроскопическая. При увлажнении древесины влага из воздуха пропитывает только клеточные оболочки до полного их насыщения. Дальнейшее увлажнение древесины с заполнением полостей клеток и межклеточных пространств происходит только при непосредственном контакте древесины с водой (вымачивание, пропаривание). Из этого следует, что однажды высушенная древесина, не находясь в непосредственном контакте с водой, не может иметь влажность выше предела гигроскопичности - состояния древесины, при котором клеточные оболочки содержат максимальное количество связанной влаги, а в полостях клеток находится только воздух.  
Полную насыщенность древесины водой называют границей гигроскопичности. Такая стадия влажности в зависимости от породы дерева составляет 25-35%. 
Древесину, полученную после сушки при температуре 105оС с полным выделением всей гигроскопической влаги, называют абсолютно сухой древесиной. 
На практике различают древесину: комнатно-сухую (с влажностью 8-12%), воздушно-сухую искусственной сушки (12-18%), атмосферно-сухую древесину (18-23%) и влажную (влажность превышает 23%). 
Древесину только что срубленного дерева или находившуюся долгое время в воде, называют мокрой, ее влажность до 200%. Различают также эксплутационную влажность, соответствующую равновесной влажности древесины в конкретных условиях. 

Усушка. 
Усушкой называется уменьшение линейных размеров и объема древесины при высыхании. Усушка начинается после полного удаления свободной влаги и с начала удаления связанной влаги. 
Усушка по разным направлениям неодинакова. В среднем полная линейная усушка в тангентальном направлении составляет 6...10%, в радиальном - 3...5% и вдоль волокон - 0,1...0,3%. 
Уменьшение объема древесины при испарении связанной влаги называется объемной усушкой. 
При распиловке бревен на доски предусматривают припуски на усушку с тем, чтобы после высыхания пиломатериалы и заготовки имели заданные размеры.

Внутренние напряжения. 
Напряжения, которые возникают без участия внешних сил, называют внутренними. Причина образования напряжений при сушке древесины - неравномерность распределения влаги. 
Если растягивающие напряжения достигнут предела прочности древесины на растяжение поперек волокон, то могут возникнуть трещины: в начале процесса сушки на поверхности сортимента, а в конце - внутри. 
Внутренние напряжения сохраняются в высушенном материале и служат причиной изменения размеров и формы деталей при механической обработке древесины. Остаточные напряжения снимают путем дополнительной обработки пиломатериалов (пароувлажнение). 
 
Коробление. 
При высыхании или увлажнении древесины изменяется форма поперечного сечения доски. Такое изменение формы называется короблением. Коробление может быть поперечным и продольным. Поперечное выражается в изменении формы сечения доски. Происходит это из-за разницы усушки по радиальному и тангентальному направлениям. Сердцевинные доски уменьшают свои размеры к кромкам: доски, у которых внешняя часть расположена ближе к тангентальному направлению, усыхают больше, чем внутренние, имеющие радиальное направление. Чем ближе доска расположена к сердцевине, тем больше ее коробление. 
По длине доски могут изгибаться, принимая дугообразную форму или форму винтовой поверхности (крыловатость). Первый вид продольного коробления встречается у досок, содержащих ядро и заболонь (усушка ядра и заболони по длине волокон несколько различается). Крыловатость наблюдается у пиломатериалов с тангентальным наклоном волокон. Для предупреждения появления коробления необходима правильная укладка, сушка и хранение древесины. 
 
Разбухание. 
Разбуханием называется увеличение линейных размеров и объема древесины при повышении содержания связанной влаги. Разбухание наблюдается при увеличении влажности до предела гигроскопичности; увеличение свободной влаги не вызывает разбухания. Так же, как и усушка, наибольшее разбухание древесины наблюдается в тангенциальном направлении поперёк волокон, а наименьшее - вдоль волокон.  
 
Водопоглощение. 
Водопоглощение - способность древесины благодаря пористому строению поглощать капельно - жидкую влагу. Водопоглощение происходит при непосредственном контакте древесины с водой. При этом в древесине увеличивается содержание как связанной, так и свободной влаги. 
 
Плотность древесины. 
Плотность древесины зависит от влажности и для сравнения значения плотности всегда приводят к единой влажности - 12%.  
Между плотностью и прочностью древесины существует тесная связь. Более тяжелая древесина, как правило, является более прочной. 
Величина плотности колеблется в очень широких пределах. По плотности при влажности 12% древесину можно разделить на три группы: 
- породы с малой плотностью (510 кг/м3 и менее): сосна, ель, пихта, кедр, тополь, липа, ива, ольха, каштан, орех;  
- породы средней плотности (550...740 кг/м3 ): лиственница, тис, береза, бук, вяз, груша, дуб, ильм, карагач, клен, платан, рябина, яблоня, ясень; - породы с высокой плотностью (750 кг/м3 и выше): акация белая, береза железная, граб, самшит, саксаул, фисташка, кизил. 

Теплопроводность - это способность толщи древесины проводить тепло от одной поверхности к противоположной. Для древесины характерен низкий коэффициент теплопроводности 0,17-0,31 Вт/ (моС), зависящий от породы, плотности, влажности и направления разреза. Сухая древесина плохой проводник тепла. 
Звукопроводность - это способность древесины проводить звук. Звукопроводность древесины вдоль волокон больше звукопроводности воздуха в 16 раз, а поперек волокон - в 3-4 раза. 
Качество древесины определяется звукопроводностью. После удара по комлевой части растущего или срубленного ствола хорошее распространение звука свидетельствует о качестве древесины. Прерывистый звук, переходящий в глухой, свидетельствует о загнивании древесины.

Электропроводность древесины характеризуется ее сопротивлением прохождению электрического тока. Она зависит от породы, температуры, направления волокон и влажности древесины. Электропроводность сухой древесины незначительна, что позволяет применять ее в качестве изоляционного материала (розетки под штепсели и выключатели и т.д.).

Механические свойства древесины

Свойства древесины оказывать сопротивление действующим на нее внешним механическим силам (нагрузкам) называют механическими. В зависимости от характера действий и направления нагрузки вызывают в древесине различные напряжения. В соответствии с этим различают прочность древесины на растяжение, сжатие, изгиб (излом), скалывание, срез, кручение, раскалывание. К механическим свойствам древесины также относятся упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, твердость, износостойкость и способность удерживать крепеж — гвозди, нагели и шурупы.

Древесина имеет неоднородное строение, поэтому механические свойства ее в разных направлениях неодинаковы. Принято определять сопротивление древесины силам, действующим вдоль волокон (в торец), а также поперек — в радиальном и тангентальном направлениях.

При постепенном нарастании внешней механической силы разрушение древесины наступает не сразу. Материал в значительной мере противодействует разрушающему действию нагрузки, изменяя форму или размеры (изгибается, удлиняется, сжимается). Это изменение под действием нагрузок называется деформацией. Деформация, исчезающая с прекращением действия силы, называется упругой. Если с прекращением действия силы форма или размеры древесины не восстанавливаются, то деформация называется остаточной. При определенной величине нагрузки упругая деформация переходит в остаточную. Момент такого перехода называют пределом упругости.

Прочность.

Сила, вызвавшая разрушение, называется разрушающей. Наибольшее сопротивление, граничащее с моментом разрушения материала, называют пределом его прочности и измеряют в килограммах на 1 см2 разрушаемого сечения. Наиболее часто наблюдается работа древесины на сжатие. Сваи, колонны, всякого рода стойки и опоры, ножки мебели работают именно так. Различают сжатие продольное и поперечное в радиальном и тангентальном направлениях. До разрушения образец сжимается (уменьшается в размере) по линии действия нагрузки. Этот процесс называют усадкой или смятием. Особенно сильно смятие наблюдается при сжатии поперек волокон. Предел прочности древесины при сжатии поперек волокон в 5—10, а при растяжении — в 10—20 раз меньше, чем вдоль них.  На изгиб древесина работает в балках, стропилах, деталях эстакад, мостов, мебели. В практике наблюдаются два типичных случая работы древесины на изгиб: 
а) изгибаемая деталь обоими концами опирается на твердые опоры;  
б) изгибаемая деталь закреплена только одним концом, а на второй действует нагрузка. В любом случае изгибаемая деталь одновременно испытывает растяжение и сжатие разных ее частей вдоль волокон. В первом случае верхняя часть сжимается, нижняя растягивается, во втором — наоборот. В первом случае опасное сечение детали будет посредине ее длины, во втором — у места крепления. Внутренний слой древесины на границе растяжения и сжатия не испытывает ни сжатия, ни растяжения. Этот слой называется нейтральным, и в нем наблюдается напряжение на скалывание. Сопротивление древесины изгибу и сжатию складывается из сопротивления растяжению и сопротивления сжатию. Предел прочности древесины при изгибе меньше предела прочности при растяжении и больше предела прочности при сжатии вдоль волокон. Скалыванием называется сдвиг части древесины вдоль волокон, поперек волокон в радиальной или тангентальной плоскостях и поперек волокон перпендикулярно их направлению. Сдвиг поперек волокон перпендикулярно их направлению, называется перерезанием или срезом. Сопротивление древесины на срез больше сопротивления на скалывание вдоль и поперек волокон в несколько раз, так как при скалывании преодолевается только сцепление клеток, а разрушения их стенок не происходит. Сопротивление древесины кручению наблюдается при работе валов, осей и в других случаях, когда внешняя механическая сила стремится спирально скручивать волокна древесины. При кручении древесина обладает сравнительно небольшим пределом прочности. Лучше всего при кручении работает береза. Основными факторами, влияющими на показатели предела прочности древесины, являются ее влажность, объемный вес и наличие пороков. Увеличение влажности, как правило, понижает предел прочности древесины. Тяжелая древесина прочнее легкой (при прочих равных условиях). Считается, что предел прочности древесины пропорционален ее объемному весу. Наибольшим пределом прочности обладает древесина комлевая, у нее и наибольший объемный вес. От комля к вершине предел прочности древесины снижается на продольное сжатие (примерно на 8 % через каждые 6 м длины ствола). Древесина заболони лиственных пород по прочности ниже ядровой. У древесины хвойных пород такое различие несущественно. Кроме того, более прочной является древесина деревьев зрелого возраста и деревьев, выросших на благоприятных для них почвах.

Упругость и пластичность

Упругостью называется способность материала восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия нагрузки. Древесина является довольно упругим материалом. Поэтому подкладки под наковальни ручных и механических молотов, ручки к инструментам ударного действия, ружейные ложа делают из дерева. Упругость зависит от влажности, объемного веса, прямослойности древесины, от количества и размеров сердцевинных лучей в ней, а также от возраста дерева. Повышение влажности упругость снижает. Большей упругостью обладает древесина тяжелая и плотная по сравнению с легкой; прямослойная — по сравнению со свилеватой; зрелая — с молодой; ядровая — с заболонной. Значительная упругость древесины хвойных пород при сравнительно небольшом ее объемном весе объясняется прямослойностью ее строения, так как очень мелкие, в большинстве своем однорядные сердцевинные лучи не вызывают значительного искривления волокон.

Пластичность — свойство материала изменять форму под действием нагрузки без разрушения и сохраняться в измененном состоянии после прекращения действия сил. Оно зависит от тех же условий, что и упругость, но действие их на пластичность обратное. Условия, понижающие упругость, увеличивают пластичность, и наоборот. Особенно сильно повышает пластичность увлажнение и нагревание древесины паром (пропарка) или горячей водой (проварка).

Высокой пластичностью отличаются бук, вяз, дуб, ясень. Пластичность древесины хвойных пород, отличающихся прямослойностью строения, незначительна.

Хрупкость, вязкость и раскалываемость

Хрупкость — свойство материала разрушаться под действием механических сил внезапно, без значительного изменения формы. Совершенно хрупкой древесины нет. Это объясняется ее волокнистым строением. Наиболее хрупкой является древесина ольхи.

Вязкость — свойство, обратное хрупкости. Чем больше остаточные деформации древесины под действием механических сил, тем вязкость ее выше.

Показателем вязкости и хрупкости древесины является сопротивление ее ударному изгибу. Древесина лиственных пород, как правило, оказывает сопротивление ударному изгибу в 1,5—3 раза больше, чем древесина хвойных пород.

Раскалываемость — это способность древесины расщепляться вдоль волокон под действием клина. Упругость древесины улучшает ее раскалываемость, а вязкость снижает.При повышенной влажности древесина раскалывается легче. Однако при очень высокой влажности древесина мягких пород в результате снижения ее упругости раскалывается плохо. Легко раскалывается мерзлая древесина. Упругая с мелкими сердцевинными лучами древесина хвойных пород (особенно ель и пихта) легко раскалывается в радиальном и тангентальном направлениях. Сильно развитые сердцевинные лучи облегчают радиальное раскалывание, но затрудняют тангентальное. Легко раскалываются также бук, каштан, осина, липа, а в радиальном направлении — дуб.