Физические свойства древесины

Древесина как стройматериал

История человечества практически на всех этапах связана со строительством домов из древесины. Человечеству  уже давно известны уникальные свойства этого материала, которые активно используются.

В России древесина на протяжении многих веков являлась основным стройматериалом. Это связано и с тем, что на территории нашей страны сосредоточено большое количество основных лесных ресурсов  - около 40 % мировых запасов древесины.

На сегодняшний день строительство деревянных домов и внутренняя отделка деревом приобретает всё большую популярность, не смотря на широчайший выбор других современных стройматериалов. Всё благодаря тому, что древесина обладает уникальным сочетанием характеристик  – экологичность, прочность, эстетичность, красота, надёжность. Главными достоинствами материала  считается также упругость, тепло и звукопроводность, небольшой вес, морозостойкость, легкость обработки и получения.

Наличие некоторых физических свойств древесины, к сожалению, предполагает и ряд недостатков материала. Например, влагопроницаемость может стать причиной разбухания, деформации и загнивания материала. Но с этими недостатками сегодня легко бороться – необходимо просто использовать специальные защитные средства.

Структура

Различные породы древесины отличаются друг от друга как внешне, так и по своим физическим и механическим свойствам. В зависимости от вида, возраста, климатических условий, способа обработки структура материала будет меняться, а, следовательно, и внешний вид и физические свойства древесины.

Древесина как материал органического происхождения состоит из клеточной ткани. Различные клетки обеспечивают прочность, проводимость материала и накопление веществ. Пористость и волокнистость - отличительные особенности структуры древесины.

 Эластичные клетки со временем затвердевают, образуя прочные и гибкие ткани, содержание влаги в клетках и в межклеточном пространстве обеспечивает высокую проводимость различных веществ.

Макроструктуру древесины (строение ствола дерева), можно увидеть без использования специальных приборов. Для этого необходимо рассмотреть древесину в поперечном разрезе.

В самом центре поперечного сечения находится сердцевина. Это мягкая, рыхлая ткань, образованная живыми клетками, не стойкая к загниванию. Её, как правило, не используют в строительстве.

Сердцевину окружают более прочные, менее проницаемые ткани, прекратившие свои жизненные функции.  Это часть называется ядром, или спелой древесиной. Ядро отличается по цвету от  наружных тканей (темнее). Спелая древесина одного цвета с ними, но отличаться пониженной влажностью. Это самая ценная и прочная часть древесины.

Заболонь –часть ствола, образованная наружными слоями. Она менее прочна, чем ядро, эластична, более увлажнена и хорошо пропитывается. В зависимости от многих факторов ширина заболони будет различна. Заболонными породами древесины считаются те, у которых свойства внутренней и наружной части ствола не отличаются.

За заболонью, от центра к краю, следует камбиальное кольцо. Эта часть образована живыми клетками, которые обеспечивает рост дерева в толщину. Клетки делятся как в сторону заболони (клетки древесины), так и в сторону наружного слоя (лубяные клетки).

Лубяной слойсостоит из живых клеток, обеспечивающих проводимость веществ. Это внутренняя часть коры.

Наружным слоем древесины является кора. Её главная функция - защитная. Кора образована внешним пробковым слоем и внутренним лубяным.

Сердцевинные лучи - радиальные полосы, которые можно видеть на поперечном срезе древесины. Их функция - хранение и распределения веществ. Они не всегда заметны невооружённым глазом.

При поперечном срезе, у древесины хорошо различимы годичные кольца. При нормальных условиях роста, за год образуется один новый годовой слой. Учитывая количество, ширину, равноплостность и равнослойность годичных слоёв можно определить возраст древесины и некоторые характеристики.

В состав древесины входят сложные органические соединения 4-х основных групп:

целлюлоза, гемицеллюлозы, лигнин, экстрактивные вещества. В зависимости от преобладания тех или иных веществ, меняются и физические свойства древесины.

Физические свойства древесины.

Под физическими свойствами древесины принято понимать её способность вступать во взаимодействие с окружающей средой, сохраняя при этом химический состав и целостность, реакция и характеристики материала при воздействии внешних факторов.

Древесина является анизотропным материалом - обладает различными свойствами в разных направлениях. Это возможно благодаря волокнистой структуре древесины. При определении тех или иных физических свойств, как правило, отмечают два основных направления: вдоль волокон (параллельно  продольной оси древесины) и поперёк волокон (перпендикулярно оси). Так, например, в направлении вдоль волокон древесина более прочная, упругая, меньше деформируется при усушке, чем поперёк волокон.

Влажность

Из-за своей волокнистопористой структуры древесина обладает высокой влагопроницаемостью.  Это свойство обязательно необходимо учитывать при использовании материала, так как изменение степени увлажнённости влияет на его характеристики.

Влажность древесины – процентное  отношение массы удерживаемой влаги в материале, к массе сухой древесины.

В древесине содержится свободная капиллярная и связанная гигроскопическая влага.

Свободная влага накапливается в межклеточном пространстве. Она легко испаряется при высыхании, не влияет заметно на прочностные характеристики деформацию древесины. Объём свободной влаги, как правило, влияет только на вес материала.

Связанная влага содержится в стенках клеток и испаряется она гораздо сложнее. Увеличивая размеры клеток, гигроскопическая влага раздвигает их, тем самым увеличивается и объём самой древесины. Поэтому при удалении связанной влаги существенно меняется и размер материала, и некоторые свойства.

По степени насыщения влагой древесину разделяют на: абсолютно-сухую(0%), комнатно-сухую (8-12%),воздушно-сухую (15-20%),свежесрубленную (50-100%), мокрую (100-200%).

Состояние, когда полностью отсутствует свободная влага и древесина наполнена лишь связанной влагой называют пределом гигроскопической влажности. Этот показатель различен для каждой из пород древесины - от 23 до35% (в среднем 30%) от массы сухой древесины.

Водопоглощение

Древесина  имеет свойство впитывать и удерживать воду. Вследствие изменения температуры и влажности воздуха, осадков, прямого контакта с водой клетки древесины способны впитывать и связывать молекулы воды, увеличивая насыщенность материала влагой. Это свойство древесины может рассматриваться как полезное и как негативное. Увеличение влажности может привести к загниванию и деформации, полное высыхание иногда приводит к растрескиванию материала и значительному уменьшению его размеров.

Разбухание

Физическое свойство древесины впитывать и удерживать воду, тесно связано с ещё одной характерной особенность материала – разбуханием. Увеличение объёма связанной влаги приводит увеличению размеров деревянных элементов. Свободная влага не влияет на эти показатели. Разбухание происходит при увеличении влажности до предела гигроскопичности. Заметнее всего изменения размеров древесины наблюдаются вдоль волокон.

Усушка

Наличие таких физических свойств древесины как водопоглащение и разбухание, подразумевает и обратные процессы. Усушка – это изменения размеров и объёма древесины в процессе удаления влаги из материала. Так как свободная влага оказывает влияние только на вес, то усушка происходит лишь при испарении связанной влаги. Изменение размеров древесины происходит вплоть до момента удаления последней влаги, то есть до наступления абсолютно сухого состояния.  Усушка древесины проходит вдоль и поперёк  волокон не равномерно. Высыхание происходит преимущественно вдоль волокон. Уменьшение объёма древесины при удалении влаги называется объёмной усушкой. Выделяют три основных группы по величине коэффициента объёмной усушки: сильноусыхающие (коэффициент объемной усушки 0,47 % и более), среднеусыхающие  (коэффициент объемной усушки 0,4-0,47 %), малоусыхающие (коэффициент объемной усушки не более 0,4 %);

Внутренеенапряжение

При сушке древесины внутри материала образуется внутреннее напряжение. Оно возникает из-за неравномерности распределения и испарения влаги, и не связано с воздействием внешних сил. Внутреннее напряжение может привести к образованию трещин, негативно сказывающихся как на внешнем виде, так и на прочности древесины. Появляться они могут как в начале сушки, так и в конце и снаружи, и внутри. В зависимости от разницы между количеством влаги во внутренних и внешних слоях материала, увеличивается или уменьшается коэффициент внутреннего напряжения. При механической обработке уже высушенной древесины тоже возможно возникновение повреждений, так как в сухом материале может сохраняться внутреннее напряжение. Избавиться от него можно путем специальной обработки древесины.

Коробление

Высыхание или поглощение влаги древесиной не проходит бесследно и сказывается на характеристиках материала. Эти процессы в первую очередь ведут к изменениям объёма и размеров древесины. Изменение формы древесины в результате увлажнения или высыхания называется короблением. Коробление может быть как поперечным, так и продольным. Поперечное коробление – изменение сечения материала, вызванное разницей усушки. При продольном короблении доски принимают или дугообразную форму или форму винтовой поверхности. При короблении досок их выпуклость, как правило, направлена к сердцевине бревна. Чем ближе доска расположена к сердцевине, тем больше ее коробление. Чтобы избежать коробления древесины необходимо соблюдать все условия сушки и хранения материала.

Плотность

Плотность древесины- это физическая величина, обозначающая отношение массы древесины к объему, которая измеряется в г/см3 или кг/м3.

Истинная плотность - отношение массы материала к его объему без учета пор и пустот.

Отношение массы древесины ко всему занимаемому им объему называется средней плотностью.

Плотность материала представляет собой именно объёмную массу, а не объёмный вес. Для определения плотности необходимо установить значения массы и объёма древесины. При этом важно учитывать, что влажность древесины на прямую влияет на её плотность. Увеличение влажности приводит к увеличению объёмной массы. Поэтому для измерения и сравнительного анализа плотности древесины необходимо установить и  влажность образца. Как правило, определение плотности производят при одинаковой влажности(11-13 %) или в абсолютно сухом состоянии древесины.

Объёмная масса зависит от строения и пористости древесины, которые меняются при различных климатических условиях, составах почвы, освещённости и т.д.

Плотность разных пород древесины различается значительно, так как количество полостей и сосудов в ней зависит от породы дерева и положения образца в стволе.

По плотности древесины при влажности 12% все породы можно разделить на 3 группы:

породы высокой плотности(760 и выше), средней плотности(550-760) и малой плотности(550 и менее)

Древесина с высокими показателями плотности гораздо долговечнее и прочнее (плотность и прочность древесины связаны напрямую). При строительстве опорных конструкций всегда необходимо учитывать плотность древесины.

Теплопроводность

Древесина обладает физическим свойством передавать тепло от одной своей поверхности к другой – теплопроводностью. Древесина обладает ей в меньшей степени, чем другие строительные материалы. Теплопроводность древесины зависит от её плотности, влажности и направления разреза. Чем ниже уровень влажности материла, тем ниже показатель теплопроводности. Поперек волокон теплопроводность особенно мала. Коэффициент теплопроводности, равный количеству теплоты, проходящему в течение 1 часа через образец площадью 1 м2 и толщиной 1 мм при разности температур на противоположных поверхностях образца 1 °С, является характеристикой теплопроводности древесины.

Звукопроводность

Звукопроводностью называется свойство древесины проводить звук, которое характеризуется скоростью распространения звука в самом материале. Звукопроводность у древесины  очень высока из-за малой плотности, в сравнении с другими строительными материалами. Особенно быстро звук распространяется вдоль волокон. Здоровая древесина проводит чистые звенящие не приглушённые звуки. Поэтому материал широко используется для изготовления музыкальных инструментов. При использовании древесины в строительстве применяются звукоизоляционные материалы.

 Упругость и пластичность

Упругость — это способность древесины сопротивляться изменению объема и формы при воздействии механических нагрузок, а также способность восстанавливать их после снятия напряжений. Древесина - довольно упругий материал, выдерживающий большие нагрузки и устойчивый к деформациям, способный сохранять эти свойства многие годы.

Под действием нагрузки древесина может изменять форму, и, без признаков разрушения, сохранять вновь приобретённую после снятия нагрузки. Это возможно благодаря тому, что древесина является пластичным материалом. Степень пластичности зависит от влажности и возраста древесины: чем моложе и больше увлажнён материал, тем более пластичным он будет.

Внешний вид.

Внешний вид древесины является одним из определяющих факторов при выборе материала. Цвет, блеск и текстура материала весьма отличаются друг от друга, и изменяются в зависимости от самых разнообразных факторов

Текстура

Рисунок, который виден на любом сечении древесины называется текстурой. Он образован сочетанием различных анатомических элементов и зависит напрямую от структуры древесины -  чем сложнее она будет, тем интересней будет структура. Наличие видимых обычному глазу сердцевидных лучей, годичных колец, сосудов, цветовые изменения обеспечивают уникальность текстуры  древесины, которая определяет декоративную ценность материла.

Цвет

Цвет является одним из важнейших критериев при выборе древесины. Дело не только во внешних характеристиках. По цвету можно определить и состояние древесины. Окраску древесине придают содержащиеся в ней экстрактивные вещества - дубильные, красящие и смолистые. Их наличие, количество и разновидность обусловлены породой деревьев, климатическими условиями произрастания, освещённостью, составом почв и т.д. Например, тропические деревья имеют более яркую окраску в сравнении с другими.

Синеватый оттенок древесина указывает на её низкое качество - признак начинающегося загнивания.

Блеск

Способность древесины отражать свет обеспечивает материалу такое свойство, как блеск. Чаще всего оно наблюдается у лиственных пород древесины. Блеск материала зависит от ровности и гладкости поверхности - чем более гладкой будет поверхность древесины, тем больше света она сможет отражать. Также, влияние на наличие блеска оказывают плотность и цветовой тон древесины, наличие сердцевидных лучей, в разрезе которых свет отражается наиболее ярко. Чем светлее оттенок древесины и чем выше её плотность, тем сильнее будет блестеть материал.

Запах

В состав древесины входят дубильные вещества, эфирные масла и смолы, которые придают материалу приятный запах. По мере высыхания из древесины испаряются и некоторые вещества, обеспечивающие аромат. Так, у свежеспиленной древесины, или механически обработанной, запах гораздо сильнее, чем у просушенной. Хвойные породы отличаются более стойкими и выразительными запахами, чем лиственные. По характеру аромата можно судить и о качестве древесины - затхлый запах говорит о начавшихся процессах загнивания и порчи древесины.

Коррозионная стойкость древесины

Древесина обладает способностьюсопротивляться действию агрессивных факторов окружающейсреды. Материал не подвергается влиянию слабых растворов солей, щелочей, органических или минеральных кислот. Это свойство древесине обеспечивает наличие природных смол в составе. Чем выше концентрация смол, тем более устойчива древесина к коррозии. Поэтому, хвойные породы менее подвержены влиянию агрессивной среды.