В древние времена, в зависимости от наличия инструментов для обработки материалов, ассортимент заготавливаемого сырья был значительно ограничен. Но с прогрессом технологий и техники, этот ассортимент стал значительно шире и разнообразнее.
Физические и механические свойства древесины
К физическим свойствам древесины относятся: её внешний вид, который определяется цветом и текстурой, запах, гигроскопичность, масса, теплопроводность, звукопроводность и электропроводность. Механические свойства, в свою очередь, отражают способность древесины сопротивляться внешним воздействиям. К ним можно отнести: прочность, твердость, упругость, гибкость, хрупкость, раскалываемость и способность удерживать крепежные элементы.
Цвет древесины представляет собой один из отличительных признаков, позволяющий идентифицировать породу дерева. Разные породы отличаются не только по оттенку, но и по яркости окраски различных частей ствола; к примеру, береза или липа имеют более однородную окраску в поперечном сечении, тогда как сосна и дуб выделяются ярко выраженной тёмной окраской сердцевины.
Цвет древесины может дать информацию о её состоянии; например, появление бурых или синих пятен и полос может указывать на наличие грибковых заболеваний.
Текстура древесины — это уникальный и характерный для конкретной породы рисунок на поверхности как продольного, так и поперечного сечения ствола. Она может варьироваться от весьма простого до сложного и изысканного.
Для древесины, которая используется в плотницких работах, цвет и текстура могут не иметь особого значения, однако в столярно-отделочных работах, например, при создании мебели, паркета и т.п., древесина с красивым цветом и текстурой имеет высокую ценность.
Запах древесины служит ещё одним отличительным признаком её породы; например, древесина сосны, березы и осины имеет свои характерные ароматы. Кроме того, изменение запаха может сигнализировать о возникновении грибковых повреждений. Запах древесины становится особенно важным для лесоматериалов, предназначенных для изготовления упаковки для пищевых и косметических товаров.
Гигроскопичность — это характеристика материалов, определяющая их способность поглощать влагу из окружающей среды и отдавать её в более сухую атмосферу. Древесина — это пористый материал, и объем пор у различных пород составляет от 30 до 80% объема древесины; при этом размер и форма пор могут сильно различаться. Высокая пористость обуславливает значительную гигроскопичность древесины.
Эта особенность часто становится причиной деформации изделий (например, коробления, трещин и т. п.), поэтому важно снижать гигроскопичность древесины, используя такие защитные покрытия, как масляные краски, лаки, эмали и другие негигроскопичные составы. Однако следует помнить, что эти покрытия требуют периодического обновления, поскольку их защитные свойства со временем уменьшаются.
Влажность — это измерение степени насыщенности древесины влагой. Из-за своей пористости и гигроскопичности влажность древесины может варьироваться в широких пределах. Высокая влажность приводит к снижению прочности древесины и повышает её подверженность гниению и другим повреждениям. Именно из-за этого использование древесины с влажностью более 25% для изготовления наземных конструкций запрещено. Для определения влажности образцы древесины высушивают до достижения постоянного веса, фиксируют количество испарившейся воды, делят эту величину на вес высушенного образца и умножают на 100. Например, если вес образца до высушивания был 230 граммов, а после — 200 граммов, то влажность определяется как:
Влажность по данной методике называется абсолютной, в отличие от относительной влажности, которая вычисляется делением потери веса на вес влажного образца.
По степени влажности древесину различают:
- а) абсолютно сухую с влажностью, равной нулю; такая древесина может быть получена только в лабораторных условиях, поскольку в природе древесина всегда содержит определённое количество влаги, поглощаемой из воздуха;
- б) комнатно-сухую с влажностью 8-13 %; такая влажность характерна для деревянных конструкций, которые долго находились в помещениях;
- в) воздушно-сухую с влажностью 15-20%; такая влажность может быть у конструкций, размещённых на улице;
- г) влажную с содержанием влаги 20-25%;
- д) свежесрубленную с влажностью от 35 до 120%;
- е) мокрую, насыщенную водой, находящуюся, например, в подводных конструкциях.
Механические свойства древесины
Прочность материала определяется как его способность противостоять различным внешним воздействиям. В зависимости от направления и характера нагрузки деревянные элементы могут подвергаться сжатию, изгибу, растяжению, раскалыванию и перерезыванию.
Элементы, которые работают на сжатие, включают сваи, колоны и стойки. Важно различать направления усилий: сжатие вдоль волокон (рис. 3, а) и поперек волокон (рис. 3, б).
Сопротивляемость древесины сжатию поперек волокон в 5-10 раз ниже, чем вдоль них.
Сопротивление древесины на изгиб достаточно высоко, что позволяет широко использовать деревянные элементы, работающие на изгиб, в строительстве, включая ответственные сооружения (например, балки, прогонные элементы, стропила, мостовые брусья и другие конструкции).
Во время изгиба (рис. 4, а) нижние волокна балки подвергаются растяжению, тогда как верхние — сжатию.
Сопротивление древесины растяжению вдоль волокон довольно высоко, но может варьироваться для одной и той же породы на значительные величины в зависимости от структуры древесины, длины волокон и угла их наклона относительно приложения силы и других факторов.
На растяжение вдоль волокон работают такие элементы деревянных конструкций, как затяжки висячих стропил (рис. 4, б).
Сопротивление растяжению поперек волокон невелико и составляет всего 2-5% прочности по сравнению с растяжением вдоль волокон. Таким образом, в строительных конструкциях древесина не подвергается растяжению поперек волокон.
Скалывание древесины может произойти в местах соединений, таких как шпонки. Выделяют два типа: скалывание вдоль волокон (рис. 5, а), когда внешние силы действуют параллельно волокнам, и скалывание поперек волокон, когда силы направлены перпендикулярно требованиям (рис. 5, б).
Кроме того, скалывание, при котором внешние усилия направлены перпендикулярно волокнам, стремится перерезать волокна под прямым углом; оно называется перерезанием (рис. 5, в).
Примером элементов, работающих на скалывание вдоль волокон, могут служить конструкции, соединённые на деревянных призматических шпонках (см. рис. 121). В то время как шпонки в этих конструкциях нагружаются на скалывание поперек волокон. Элементы, работающие на перерезание, часто представляют собой пластинчатые нагели, которые используются в сложных по высоте балках (см. рис. 127).
Древесина имеет наивысшее сопротивление при работе на перерезание. В этом случае происходит необходимое перерезание волокон древесины; при раскалывании вдоль или поперек волокон необходимо лишь преодолеть сцепление между ними. Механические свойства древесины при этом характеризуются в первую очередь пределом прочности.
В таблице 2 представлены средние значения прочности древесины для различных пород. Соотношение прочности древесины и её влажности также имеет огромное значение: считается, что повышение влажности древесины на 1% (в пределах от 8 до 23%) приводит к снижению сопротивления изгибу и сжатию на 4-5%.
Также существенное влияние на прочность древесины оказывает наличие сучков, трещин, неправильное направление волокон в дереве и другие недостатки. Снижение прочности из-за этих факторов может достигать 50-60% и больше.
Твердость определяет, насколько материал способен противостоять проникновению в него других твердых тел, таких как режущие инструменты. Твердость древесины во многом зависит от структуры волокон и толщины клеток древесины. Как правило, более плотные и тяжелые породы обладают большей твердостью. Следует отметить, что твердость древесины резко снижается при увеличении её влажности.
К твердым породам относятся дуб, клен, ясень и лиственница. Среди наиболее мягких пород выделяются липа и осина. В целом древесина относится к мягким строительным материалам, хорошо поддающимся механической обработке.
Теплопроводность
Из-за пористой структуры древесина плохо проводит тепло. Теплопроводность вдоль волокон превышает таковую поперек. Плотная и влажная древесина обладает большей теплопроводностью по сравнению с менее плотной и сухой древесиной.
При проведении реставрационных работ рекомендуется, по возможности, использовать те материалы, которые применялись изначально. Текст с сайта музея-заповедника «Кижи»: http://kizhi.karelia.ru.
Перед реставрацией памятников необходимо установить, из какой древесины выполнены элементы на конкретном объекте и, по возможности, выяснить, есть ли у использованной древесины какие-либо особенности (речная волнистость, плотность или рыхлость и так далее).
Механические свойства древесины
Древесина — это анизотропный материал, и её механические свойства варьируются в зависимости от направления.
Прочность поздней древесины хвойных пород в 2-3 раза выше, чем прочность ранней древесины. Как слишком узкие, так и слишком широкие годовые кольца характеризуются уменьшением прочности древесины. Скорость приложения нагрузки и её продолжительность также оказывают значительное влияние на прочность — при быстром приложении нагрузки предел прочности выше. Древесина обладает свойством остаточной деформации, что подразумевает дальнейшее изменение формы после снятия нагрузки.
Древесина хвойных пород демонстрирует высокие значения предела прочности на растяжение вдоль волокон, однако при разрыве поперек волокон этот предел оказывается в 20-30 раз ниже. Сопротивление древесины на изгиб зависит от формы поперечного сечения, и максимальные значения наблюдаются у круглого сечения бревна. Текст с сайта музея-заповедника «Кижи»: http://kizhi.karelia.ru.
Также время, в течение которого древесина была срублена, влияет на физические и механические свойства. Обычно древесина, срубленная зимой, считается более прочной, поскольку в это время останавливается движение соков. Все отклонения от нормальных условий роста дерева называют его пороками. Пороки могут включать в себя различные эффекты атмосферного воздействия, такие как косослойность, свилеватость, образование наростов, суховершинность, отлупы, сучковатость. К порокам также относиться трещиноватость. Сердцевинные трещины заметны на торце, а микроволновые трещины образуются вдоль диаметра бревна. Существуют морозобойные трещины и отлупы.
Ключевые прочностные свойства древесины
После изучения теоретических основ перейдем к ключевым характеристикам, относящимся к прочностным свойствам древесины.
Плотность и твердость древесины
Плотность и твердость являются одними из основных свойств древесины, от которых в значительной степени зависят все остальные характеристики. Эти два свойства иногда путают между собой.
Плотность древесины представляет собой отношение массы к её объему и измеряется в кг/м³. Она зависит от влажности: очевидно, что заготовка, насыщенная влагой, будет весить больше, чем такая же, но сухая. Именно поэтому плотность для сравнений обычно измеряется при равной влажности — 12%. На плотность также влияют внешние факторы, в которых росло конкретное дерево: чем более благоприятные условия, тем быстрее происходит рост дерева (то есть больше прирост в диаметре за год), что приводит к более рыхлой структуре материала. В общем, чем выше плотность (и, следовательно, чем плотнее расположены волокна между собой), тем выше прочность древесины. Например, средняя плотность дуба составляет 690–750 кг/м³, в то время как сосна имеет плотность всего 500–520 кг/м³. Каждый, кто работал с деревом, знает по опыту, что дуб значительно прочнее сосны.
Твердость определяет уровень сопротивления поверхности древесины механическим повреждениям. Например, на сосновой поверхности можно оставить вмятину ногтем, тогда как на твердом ясене или дубе это невозможно. Обычно более твердые породы являются и более прочными. Однако из-за повышенной твердости древесина становится менее вязкой и более склонной к раскалыванию, что особенно заметно на мелких деталях отделки. Например, мягкая, но вязкая липа отлично держит тонкую художественную резьбу, в то время как на твердых породах мелкие детали охотно скалываются уже во время резки или фрезерования.
Существуют несколько способов определения твердости пород, но наиболее распространённым является метод Бринелля, при котором металлический шарик вдавливается в поверхность деревянной заготовки. Итоговые измерения могут быть представлены в различных единицах, поэтому приведу их все:
1 HB (Hardness Brinell) = 10 МПа = 10 Н/мм².
Обширную таблицу прочности, а также более детальное объяснение этой характеристики можно найти в соответствующем материале. В данном разделе приведу лишь значения для наиболее распространенных пород:
| Порода | Плотность, кг/м³ | Твердость по Бринеллю, HB |
| Ольха | 420 | 2,7 |
| Сосна | 520 | 2,5 |
| Вишня | 580 | 3,2 |
| Клен | 600 | 3,5 |
| Бук | 650 | 3,8 |
| Ясень | 700 | 4,1 |
| Лиственница | 700 | 2,6 |
| Клен Канадский | 720 | 4,8 |
| Дуб | 750 | 3,7 |
Сравнение таблицы показывает, что плотность и твердость не всегда являются взаимозависимыми параметрами.
Предел прочности при сжатии
Древесина, будучи волокнистым и пористым материалом, демонстрирует различные показатели прочности в зависимости от направления сжатия. При сжатии в продольном направлении (по волокнам) прочностные характеристики всегда выше. Для определения прочности используется стандартное испытание на образце размером 20*20*30 мм в пресс-форме, где действует непрерывная и равномерно увеличивающаяся нагрузка.
Другие механические свойства древесины
Помимо уже перечисленных свойств, древесина обладает также другими характеристиками, которые не оказывают прямого влияния на прочностные параметры. Рассмотрим их вкратце.
- Способность удерживать металлические крепежи. Увеличивается с повышением плотности древесины, поскольку чем плотнее расположены волокна, тем выше сила трения, удерживающая гвозди и саморезы.
- Гибкость. Отличается от сопротивления изгибу и показывает, насколько сильно заготовка может быть изогнута, не будучи повреждённой. Гибкость древесины играет важную роль в производстве деталей, например, лыжи и рекурсивные луки изготавливаются именно с использованием этого принципа. Информация о гибкости более подробно изложена в определённых источниках.
Строение древесины
Древесина, как продукт растительного происхождения, относится к пористым слоисто-волокнистым субстанциям, составленным из прочно связанных между собой элементарных клеток различных форм и размеров. Большинство из них вытянуты вдоль ствола дерева.
К характеристикам строения древесины относятся расположение и плотность волокон, количество годовых колец и их текстура. Природная текстура хорошо заметна на распилах, выполненных в различных направлениях: поперечном, радиальном и тангенциальном. В центре ствола располагается сердцевина (ядро), образующаяся из постепенно отмирающей части заболони молодого ствола.
Механические свойства
Теперь обратим внимание на механические свойства древесины, которые определяют её способность противостоять внешним механическим воздействиям, таким как удары, давление и истирание и тому подобное.
Твердость древесины
На твердость древесины оказывают влияние такие факторы, как порода дерева и условия, в которых оно росло. Например, деревья одного и того же вида, растущие в сухом и тёплом климате, будут иметь другие показатели твердости по сравнению с деревьями, которые росли в более прохладном и влажном окружении. Также воздействие твердости зависит от плоскости распила — продольной, поперечной или тангенциальной.
Все древесные породы делятся на категории по степени твердости:
- очень твердые (белая акация, самшит, железобетонная березка);
- твердые (ясень, дуб, береза, орех, вяз);
- мягкие (осина, сосна, тополь, липа).
Прочность древесины
Как и многие другие характеристики, прочность древесины зависит не только от породы, но и от направления приложения нагрузки. Различные недостатки, такие как гниение, повреждения от червей и трещины, серьёзно снижают прочность. Кроме того, на прочность влияет уровень влаги: при увеличении количества влаги прочность древесины снижается.
Наиболее прочными считаются твердые породы дерева.
Видео описание
В данном видео можно увидеть сравнительное тестирование прочности двух древесных пород:
Упругость древесины
Упругость древесины определяется её способностью возвращать первоначальную форму после снятия нагрузки. Этот показатель также зависит от породы и уровня влажности, а также от возраста дерева. О высокой упругости могут свидетельствовать хвойные породы, такие как береза, клен, вяз, ясень и бук, из которых изготавливают линейки и другие изделия, которые не должны ломаться при изгибе.
Износостойкость древесины
Износостойкость обозначает способность материала противостоять процессу истирания. Это качество имеет важное значение для отделочных деревянных материалов, особенно для полов. Для этих целей лучше выбирать древесину с высокой твердостью и плотностью, обладающую низким уровнем влажности, так как влажные изделия хуже справляются с износом.
Сопротивление древесины раскалыванию
Это свойство важно не только в процессе рубки дров, но и при сборке деревянных конструкций с помощью гвоздей, скоб и шурупов. Способность древесины противостоять раскалыванию вдоль волокон зависит от её плотности: твердые породы обладают более высоким показателем, в то время как мягкие — более низким. Поэтому для соединения элементов из сосны или ели рекомендуется предварительное сверление отверстий для крепежа.
