Физико-механические свойства древесины

Физико-механические свойства. На физические и механические свойства, а также пригодность древесины влияет ее влажность. 

Для свіжозрубаних деревьев влажность колеблется от 30 (дуб) до 45% (ель). Воздушно-сухая древесина, которая долгое время лежала на воздухе имеет влажность 15...20%. 

Различают гигроскопическую (связанную) и свободную влагу в древесине. Гигроскопическая влага пропитывает оболочки клеток и удерживается физико – химическим связью. Максимальное количество гигроскопической влаги, которое может быть поглощено древесиной по ее выдерживанию на воздухе, насыщенном водяными парами, называется точкой насыщения клеточных оболочек или пределом гигроскопичности. Максимальная влажность кліточних стенок свежесрубленной древесины или увлажненной путем выдерживания в воде называется пределом насыщения. При температуре 15...20° С влажность древесины, что соответствует пределам насыщения и гигроскопичности, практически одинакова и в среднем для всех пород древесины равен 30%. 

В отличие от связанной свободная вода заполняет каналы сосудов и межклеточное пространство и удерживается физико-механическими связями с древесиной. Удаление свободной воды требует меньших энергетических затрат, поэтому ее влияние на свойства древесины значительно менее существенный. При высыхании древесины сначала в основном удаляется свободная вода, а затем связанная. Процесс высыхания древесины прекращается по достижения им равновесной влажности, т. е. влажности окружающего воздуха. 

Значения равновесной влажности возможно отыскать за специальными диаграммами. 

При удалении из древесины связанной влаги имеет место усушка, то есть сокращение размеров лесоматериалов. Наоборот, при увлажненные древесины стенки клеток утолщаются, что вызывает набухание. Влажностные деформации наиболее существенные поперек волокон. Так, полная линейная усушка древесины в тангенциальном направлении составляет 6...10%, а вдоль волокон – всего 0,1...0,63%. Значение усушки и набухания возрастают также с увеличением средней плотности древесины. 

Влажностные деформации могут быть рассчитаны с помощью коэффициентов усушки Ку и набухания Кн характеризующие соответствующие деформации за снижением или увеличением. 

При высыхании, вследствие неравномерности распределения влажности по сечению древесины и анізотропності, в ней появляются внутренние напряжения. Развитие этих напряжений может вызвать растрескивание и коробление древесины. 

Для предотвращения этих дефектов особое значение имеет режим сушки древесины. Сушка - одна из наиболее ответственных и трудоемких операций в технологии деревообработки. Для столярных изделий влажность не должна превышать 8...10%, а для наружных конструкций – 15...18%. 

При расчете процессов сушки, пропитки и др. необходимо знать тепловые свойства древесины. Вследствие пористого строения древесина плохо проводит тепло. Малая теплопроводность древесины, особенно поперек волокон, обусловливает широкое применение ее в ограждающих конструкциях зданий, отоплюються. Деревянный брус, толщиной 15 см эквивалентен по теплопроводности кирпичной стене толщиной в 2,5 кирпича. 

Коэффициент линейного расширения древесины вдоль волокон составляет всего (3...5) 10-6о С-1, то есть в 3...10 раз меньше, чем для металла, бетона и стекла, благодаря чему в деревянных зданиях и сооружениях можно не устраивать температурных швов. В поперечном направлении волокон изменение линейных размеров в 7... 10 раз больше, чем в продольном. 

Сухая древесина имеет очень малую электропроводность, примерно такую же, как и хорошие электроизоляционные материалы. Однако с повышением влажности электропроводность растет. При влажности, соответствующей границе насыщения, она в десятки миллионов раз выше электропроводности сухой древесины. 

Плотность древесины определяется совокупностью веществ, являющихся составными частями оболочки клеток. Поскольку эти вещества имеют практически одинаковый состав для всех пород, то истинная плотность древесины (плотность вещества древесины) колеблется в узких границах – 

Вследствие структурных особенностей механические свойства древесины зависят также от угла между направлением действующего усилия и направлением волокон. 

Наиболее важным и характерным механическим свойством древесины является прочность при сжатии вдоль волокон. Это свойство древесины является определяющим для свай, ферм, колонн, стоек и других деревянных конструкций. 

При действии сжимающих усилий поперек волокон в большинстве случаев не удается выявить разрушения; поэтому ограничиваются определением условным пределом прочности. Условная граница прочности на сжатие поперек волокон в среднем для всех пород примерно в 10 раз меньше предела прочности на сжатие вдоль волокон. 

Прочность древесины на сжатие поперек волокон имеет практическое значение в местах врубок или соединений деревянных деталей с металлическими (под башмаками, болтами, и т. п), для железнодорожных шпал и др. 

Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон в 2 и более раз выше, чем при сжатии. Для сосны и ели, например, она равняется в среднем около 100 МПа. При разрыве поперек волокон предел прочности в 1040 раз меньше. При этом прочность в радиальной плоскости у всех пород выше, чем при разрыве в тангенциальный плоскости. Это вызвано тем, что в последнем случае проходит разрыв слабых сердцевинных лучей, тогда как в радиальной плоскости он идет по ранней и плотной поздней зоне. Сопротивление растяжению особенно сильно снижается при наличии сучков. 

Древесина в конструкциях и изделиях редко работает на растяжение. Это обусловлено тяжестью предотвращения разрушения деталей в местах закрепления. Показатели прочности древесины на растяжение поперек волокон учитываются для предотвращения ее растрескивания при интенсивных режимах сушки. 

Древесина широко применяется для конструкций, труд ют на поперечный изгиб; в межэтажных перекрытиях, в мостовых фермах, эстакадах, підмостях, лестнице, и тому подобное. Прочность дере вине при поперечном статическом изгибе является средней между прочностью при растяжении и сжатии вдоль волокон. В среднем для разных пород она может быть принята равной примерно 90 МПа. 

Для расчета деревянных конструкций в некоторых случаях важна прочность древесины при сдвиге и кручении. Наиболее распространенным видом испытаний на сдвиг является скалывание вдоль волокон, сопротивление которой составляет примерно 0,15 предела прочности при сжатии. Прочность при кручении для основных пород почти в 1,5 раз выше прочности скалывания. 

При обработке режущими инструментами и при стирающих действиях важна твердость древесины. Это свойство определяется на образцах-кубах методом вдавливания. Наибольшая твердость (5090 МПа) присуща ясеня, бука, вяза, лиственнице. 

Для древесины особенно, при работе во влажных условиях, характерна ползучесть, что приводит к заметным деформациям конструкций длительной нагрузки. 

Древесина при работе в сухих помещениях, на открытом воздухе, а также в подземных и подводных сооружениях, в условиях, которые исключают образование грибов, характеризуется высокой устойчивостью. Механические свойства древесины изменяются значительно после пребывания в речной воде лишь на протяжении нескольких сот лет. Морская вода уже через сравнительно короткий срок заметно ухудшает свойства древесины. 

За действием кислот и щелочей механические свойства древесины ухудшаются по мере увеличения их концентрации. Коррозионная стойкость лиственных пород более низкая, чем хвойных. 

В пределах одной породы стойкость древесины зависит от ее плотности. Устойчивость увеличивается с возрастом дерева, при переходе от заболони к ядру и от нижней части ствола к верхней. 

Защита древесины от загнивания осуществляется в основном химической обработкой антисептиками, а от возгорания – с помощью антипиренов. 

 Направленное изменение свойств древесины достигается ее модіфікацією за счет прессования после предварительного пропаривания или нагрева, а также введение в ее структуру синтетических полимеров. Модифицированная древесина имеет в несколько раз большую прочность, твердость, ударную вязкость, пониженную гигроскопичность и водопоглощение. 

Антисептики – это токсичные соединения, которые придают древесине устойчивости к грибкам, насекомых и морских деревоточіїв. 

В зависимости от химических и физических свойств антисептики можно разделить на три группы: масла и растворимые в маслах; растворимые в органических растворителях, растворимые в воде. В первую группу антисептиков входят, главным образом, каменноугольные и сланцевые пропиточные масла; во вторую – растворимые в органических растворителях пентахлорфенол и нафтенат меди. Основными представителями третьей группы являются фтористый натрий, хлористый цинк и др. 

Вещества, которые увеличивают огнестойкость древесины, называют антипиренами. Защитное действие антипиренов может быть обусловлена выделением при нагревании кристаллизационной воды в виде пара или других негорючих газов, оттесняющих воздух от поверхности древесины и разбавляют горючие газы (сернокислый и фосфорнокислый аммоний, квасцы). Много антипиренов 

(например, бура, борная кислота, силикат натрия, хлористый цинк) плавятся при нагревании и образуют плотную защитную пленку, покрывающую поверхность древесины и мешает доступу кислорода. Такие антипирены как гидроксид калия, некоторые клеи, способствуют при высокой температуре созданию пенообразного теплоизоляционного слоя. 

На практике применяют обычно смеси различных антипиренов. Пропитанная огнезащитными составами древесина при воздействии пламени тлеет, но не горит. После удаления огня тление прекращается. Древесину от возгорания могут защитить также разнообразные краски.

Прочитано 559 раз Последнее изменение Воскресенье, 29 Январь 2017 11:20