Главная › Новости

Физические и механические свойства древесины и древесных материалов

Опубликовано: 05.09.2018

Физико-механические свойства древесины

Плотность представляет собой частное от деления массы m на макроскопический объем древесины, включая поры. Для древесины с влагосодержанием и плотность. г/см3,

Рu= Mu/ Vu

От плотности зависят важные для древесины физические и технические свойства; по этому показателю можно судить о пригодности древесины в тех или иных случаях.

Древесина по своей макроструктуре представляет собой в большей или меньшей степени пористый материал. Плотность собственно древесной субстанции для всех пород практически одинакова и равна 1,55 г/см3. Что касается плотности древесины в стволе, то она колеблется в значительных пределах в зависимости от того, где выросло дерево и какая часть ствола взята для пробы. Она зависит также от содержания влаги в древесине. Поэтому, указывая плотность, следует учитывать и влагосодсржание древесины u.

23. Плотность Po основных пород необработанной древесины и сухом состоянии

Оптимальное значение плотности древесины после выдерживания в нормальных климатических условиях (20 С, 65% относительной влажности воздуха) равно рN, а для необработанной древесины в абсолютно сухом состоянии - р0.

Для определения веса деревянных строительных элементов согласно DIN 1055, ч. 1 в будущем будут установлены предельные величины, учитывающие самые неблагоприятные влажностные показатели.

Влажность древесины влияет не только на вес, но и на основные механические, физические и технические свойства древесины и древесных материалов. Так, например. изменения влажности влияют на размеры древесины и древесных материалов, отражаются на ее прочности и деформативности. Содержание влаги в древесине и принято в строительстве давать в процентном отношении к сухому весу G0 (полученному после сушки до постоянного веса при 103 гр. C ± 2 гр.):

где Gm - вес древесины при влажности и.

Древесина, будучи гигроскопическим материалом, поглощает водяные пары из окружающего воздуха стенками клеток, а свободную или капиллярную влагу набирает в межклеточные пространства. В связи с этим различаются две категории влажности:

1) гигроскопическая влажность ниже точки насыщения волокон uF, которая наблюдается примерно при 28%; в этой области влажность древесины зависит от относительной влажности и температуры окружающего воздуха (рис. 24);

24 - Гигроскопические изолинии еловой древесины (по Лафборо-Килверту)

2) капиллярная влажность выше точки насыщения волокон; при насыщении стенок клеток полости клеток более или менее заполняются водой.

Такое состояние наблюдается у только что срубленной древесины (и обычно более 40%) и у строительных элементов, которые целиком или частично соприкасаются с водой.

Влажность определяется двумя способами: или после сушки (DIN 52183, испытания древесины. Определение влажности) или, для цельной древесины, с помощью электрических приборов, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления от влажности древесины. По сравнению со способом определения влажности после сушки второй способ имеет то преимущество, что показатели можно получить сразу, в то время как в первом случае для сушки требуется довольно длительное время.

С помощью электродов можно установить распространение влаги внутри древесины до определенной глубины, что важно для условий переработки или для контроля влажности досок и брусьев.

В соответствии с требованиями, предъявляемыми к качеству круглого и пиленого лесоматериала, имеются три категории влажности:

Гигроскопическая влажность влияет на прочность, в особенности на прочность при сжатии. Поэтому в тех случаях, когда деревянные строительные элементы подвергаются воздействию влаги и сырости, установленные для древесины и древесных материалов допускаемые напряжения должны быть снижены. Для строительных элементов, которые после отделки и перед сборкой согласно DIN 68800 подвергаются обработке деревозащитными средствами, они снижаются на 1/6, а для не подвергнутых защитной обработке или постоянно находящихся под водой - на 1/3. При влажности более 20% рекомендуется уменьшение модулей Е и G до 5/6.

Чтобы сократить нежелательные и вредные деформации, рекомендуется использовать в строительстве максимально сухой лесоматериал или обеспечивать условия для быстрого высыхания элементов из полусухого материала.

Сушка дерева может происходить естественным образом (на воздухе), причем за несколько недель влажность ниже точки насыщения волокон достигается только у пластин и брусьев небольших размеров и при соответствующей укладке штабелями.

Поскольку для такой сушки требуется довольно длительное время и поскольку конечная влажность в этом случае зависит от атмосферных условий (проветривания), в настоящее время стала широко применяться техническая сушка, при которой древесина подвергается в камерах воздействию рассеянного потока воздуха определенной влажности и температуры. Этим способом за несколько дней или часов достигается практически любая требующаяся влажность древесины от 6 до 25%. Техническая сушка используется, в первую очередь, при производстве клееных строительных элементов из древесины, отдельные части которых должны склеиваться при влажности от 8 до 12%.

Таким образом, нормальная влажность может быть достигнута без вредных последствий. В DIN 1052, ч. 1 приведены следующие ее величины:

В зависимости от процесса изготовления лесоматериал уже сразу выпускается со сравнительно низким содержанием влаги. Для фанерных и столярных плит установлена влажность 6%, в то время как для древесностружечных плит она может быть в пределах (9 ± 4)%, а для древесноволокнистых-(5 ± 3)%. Чтобы исключить последующие нежелательные деформации, эти материалы подвергаются перед использованием сушке для достижения определенной влажности.

Разбухание и усушка. Под разбуханием и усушкой следует понимать изменение размеров древесины вследствие изменения ее влажности. Повышение влажности ведет к увеличению, а снижение - к уменьшению первоначальных размеров.

Поскольку в гигроскопической области определенному содержанию влаги соответствует определенная толщина стенок клеток,

25 - Кривые разбухания европейской хвойной древесины (NH) и дуба и бука (ЕВ); l -3 - тангенциальное, радиальное и продольное направления

то при изменениях влажности толщина этих стенок также изменяется. Снижение влажности ведет к усушке, а увеличение - к разбуханию древесины. В гигроскопической области существует практически линейная зависимость между изменениями влажности и изменениями формы; как видно из кривых, приведенных на рис. 25, величины усушки и разбухания могут быть для этой области заданы. После достижения точки насыщения волокон практически никаких изменений размеров уже не наблюдается.

Разбухание и усушка в значительной степени взаимосвязаны; в зависимости от ширины годичного кольца и положения волокон они проявляются в различных направлениях по-разному. Изменение размеров происходит больше всего в тангенциальном направлении, вдвое меньше в радиальном, а вдоль волокон оно обычно совсем незначительно. Согласно DIN 1052, ч. 1, нужно учитывать следующие величины усушки и разбухания аf, аr, и аl, в процентах на 1% изменения влажности:

26. Максимальная усушка и разбухание еловой древесины в трех главных направлениях

Величины усушки и разбухания зависят от плотности древесины, так как большие величины р соответствуют большей массе стенок клеток. Как правило, легкие породы древесины в меньшей мере склонны к деформации под влиянием влажности, чем тяжелые.

Различные величины усушки при различной влажности ядровой и заболонной зон могут в процессе сушки кусков древесины, выпиленных из ствола, вызвать их разрывы и перекручивание.

У круглого и пиленого лесоматериала при сушке часто образуются трещины, которые, однако, почти не отражаются на несущей способности. Искривления и выпуклости могут вызвать затруднения при соединении отдельных стандартных элементов из древесины и использовании деревянных фасонных деталей.

27 - Изменения формы пиломатериала в результате усушки

28 - Определение деформаций вследствие усушки брусьев и досок

Если деформации, полученные в результате изменения влажности, перейдут, не встретив сопротивления, также и на другие строительные элементы, соединения и т.д., следует сопоставить предполагаемые изменения размеров с принятыми величинами усушки и разбухания и ожидаемой разницей во влажности. Для досок и брусьев для верности отнимают половину тангенциального размера годичного кольца, а для пиломатериала можно вести расчет по средней величине 0,5 (af + ar). Если деформации встречают сопротивление, то могут возникнуть дополнительные усилия, которые рассчитывают приблизительно исходя из половины величины усушки и разбухания. В случае больших деформаций вследствие усушки и разбухания должны быть приняты конструктивные меры, предотвращающие повреждение древесины.

У древесных материалов следует делать различие между изменениями размеров в плоскости плиты и перпендикулярно ей.

Изменения толщины соответствуют практически показателям для цельной древесины. Деформациям поверхности плит препятствуют наклеенные в различных направлениях слои фанеры, древесностружечного или древесноволокнистого материала, поэтому они редко достигают величин, характерных для продольных направлений лесоматериала.

Величины усушки и разбухания древесных материалов в процентах на 1% влажности:

Теплотехнические свойства древесины при нормальной температуре (от -25 до +60°С) определяют в значительной степени пригодность лесоматериала для несущих конструкций, внутренней отделки и в качестве изоляционного материала.

Коэффициент термического расширения aT. Размеры древесины и древесных материалов, как и всех прочих строительных материалов, меняются при изменениях температуры. В пределах нормальных температур изменения размеров практически пропорциональны изменению температуры. Эти изменения оцениваются коэффициентом термического расширения aT:

где aT - изменение единицы размера при изменении температуры на 1 гр. С.

Для древесины величина aT различна в трех главных направлениях: продольном, тангенциальном и радиальном. Однако практическое значение для круглой древесины имеет изменение размеров вдоль направления волокон, где aT = (3 / 6) *10-6.

По сравнению со сталью, легкими металлами и бетоном коэффициент термического расширения древесины незначителен. Для обычных конструкций тепловое расширение не играет никакой роли, поскольку одновременно наблюдающиеся изменения влажности вызывают явления обратного знака (усушка, разбухание). Значительно более высокие показатели расширения в поперечном направлении также практически не играют никакой роли. Очень малое термическое расширение древесины в продольном направлении при высоких температурах, возникающих в случае пожара, благоприятно с точки зрения его влияния на огнестойкость, так как даже сильно нагретые деревянные элементы очень незначительно сдвигаются относительно своих опор.

Коэффициенты термического расширения отдельных видов плит, имеющих разную структуру, ненамного отличаются друг от друга.

У древесностружечных и древесноволокнистых плит тепловое расширение наблюдается в направлении, перпендикулярном волокнам, и при расчете принимаются величины aT от 10*10-6 до 15*10-6.

Коэффициенты теплопроводности X. Для определения тепло- и звукоизолирующих свойств элементов из древесины и древесных материалов решающую роль играет величина теплопроводности X (Вт/м К), которая показывает, какое количество тепла в Вт проходит в течение 1 ч через 1 м2 материала толщиной 1 м при разнице температуры 1 гр. С = 1К. Поскольку коэффициент теплопроводности для воздуха в малых пространствах (порах) очень невелик [Л воздуха = 0,026 Вт/(м * К)], а для воды сравнительно высок [X воды = 0,58 Вт/(м * К)], при уменьшении плотности X снижается, а с увеличением влажности повышается. Величина X в направлении поперек волокон значительно ниже, чем вдоль волокон.

В соответствии с DIN 4108 при расчете теплоизоляции для древесины и древесных материалов следует брать следующие величины X, Вт/(м*К):

Эти величины соответствуют воздушно-сухому состоянию: для круглого лесоматериала согласно DIN 4074 влажность составляет 20%, для древесных материалов приблизительно 12%, а для деревянных элементов, длительно время защищенных от непосредственного воздействия влаги, она совсем незначительна.

Коэффициенты теплопроводности древесины и древесных материалов при возможной в строительной практике влажности значительно ниже, чем у большинства неорганических строительных материалов.

Удельная теплоемкость с - количество тепла в Вт, которое должно быть передано 1 кг материала, чтобы поднять его температуру на 1°С. Эта величина, кроме того, необходима для вычисления теплоаккумулирующей способности.

Величина с. Вт/(кг*К), в сильной мере зависит от влажности древесины и:

В соответствии с этим удельная теплоемкость при 20%-ной влажности составляет 5,07 ВтДкг • К).

Факторы сопротивляемости диффузии водяною пара р. Для определения опасности накопления влаги в сечении какого-либо строительного элемента вследствие диффузии водяного пара необходимо знать факторы сопротивляемости диффузии водяного пара M. Величина M показывает, во сколько раз сопротивляемость диффузии водяного пара какого-либо материала превышает сопротивляемость слоя воздуха такой же толщины (Mвозд = 1). Водяной пар проходит через строительный элемент в направлении падения парциального давления водяного пара, в общем случае от теплой стороны к

холодной. При этом в сечении может накопиться талая вода, если упомянутое парциальное давление водяного пара достигнет величины давления насыщения. Чтобы вычислить, находится ли сечение под угрозой накопления влаги, и установить, какая масса воды может накопиться, необходимо знать значения M отдельных слоев строительного материала.

Для древесины и древесных материалов в соответствии с опубликованными данными расчет следует производить при следующих значениях M:

Значение ц колеблется в широких пределах, которые зависят как от плотности, так и от влажности материала. В отдельных случаях его устанавливают путем особых испытаний.