Механические свойства древесины

Древесина вследствие волокнистого строения отличается высокой прочностью при растяжении и сжатии вдоль волокон и значительно меньшей – поперек волокон. У хвойных пород предел прочности при сжатии вдоль волокон в 10-12 раз меньше, чем поперек, а у лиственных – в 5…8 раз. Механическая прочность древесины в значительной степени зависит и от объемной массы; с увеличением объемной массы древесины повышается прочность.

Сопротивление сжатию, растяжению, изгибу и скалыванию древесины определяют на чистых образцах, не имеющих пороков, которые в деревянных конструкциях значительно снижают механические свойства древесины.

Статическая твердость численно равна нагрузке, которая необходима для вдавливания в образец древесины половины металлического шарика радиусом 5,64 мм (при этом площадь отпечатка равна 1 см²). Твердость древесины по торцу на 15-50% выше, чем в радиальном и тангенциальном направлениях. Мягкие породы (сосна, ель, пихта, ольха) имеют торцовую твердость 35-59 МПа, твердые породы (дуб, граб, береза, ясень, лиственница и др.) 50-100 МПа, очень твердые (кизил, самшит) – более 100 МПа. Твердые породы труднее обрабатываются, но зато они обладают повышенной износостойкостью и лучше удерживают шурупы.

Твердость древесины понижается при увлажнении.

Модуль упругости при статическом изгибе Ew древесины с влажностью w определяют, нагружая образец, покоящийся на двух опорах, двумя сосредоточенными силами.

Технологические свойства древесины имеют большое зна­чение при изготовлении из нее изделий. К ним относятся обрабатываемость резанием, сопротивление истиранию, способность к загибу, склеиванию и окрашиванию, а также способность удерживать гвозди и другие металлические крепления. Многие из них зависят от объемной массы, влажности и элементов анатомического строения древесины.

Обрабатываемость резанием – пилением, строганием, долблением и сверлением – зависит от твердости древесины и определяется усилием на обработку и степе­нью чистоты поверхности. Твердая и плотная древесина обра­батывается легче и чище, чем мягкая. Чем выше влажность древесины, тем труднее ее обрабатывать; практически невоз­можно чисто обработать поверхность влажной древесины. На мягкой древесине (ива, тополь, осина, липа) часто остаются царапины и вмятины. Больше усилий затрачивается на обработку древесины с повышенной объемной массой.

Сопротивление истиранию зависит от направления волокон, объемной массы, твердости и влажности древесины. Сопротивление истиранию с торца значительно дольше, чем с боковой поверхности. С повышением объемной массы и твердости сопротивление истиранию возрастает, а при увеличении влажности – уменьшается. Истирание древесины происходит в результате постепенного разрушения поверхности под воздействием мелких твердых частиц и трения, при)том мелкие частицы удаляются неровностями трущихся деталей.

Способность древесины к загибу учитывают при изготовлении гнутой мебели, колец, полуколец и других криволинейных деталей, а также бочек, ободов, дуг, т. е. в тех случаях, когда необходимо придать форму шабло­на без разрушения волокон древесины и снижения механичес­кой прочности. Способность к загибу, как правило выше у кольцесосудистых пород (дуба, ясеня и др.) и некоторых рассеяннососудистых пород с повышенной пластичностью, напри­мер бука. Уплотнение древесины происходит за счет крупных сосудов, без разрушения волокон. Способность древесины к загибу Повышается по мере увеличения ее влажности до точ­ки насыщения, а также температуры. При вбивании гвоздей в твердую древесину приходится затрачивать больше усилий.! В этом случае в древесине высверливают отверстия диаметр ром на 0,2-0,3 мм меньше толщины гвоздя.

Способность древесины удерживать гвозди, шурупы и другие крепления имеет большое значение как в строительстве, так и при сборке мебели. Гвоздь, вбитый в древесину, испытывает давление ее отдельных частей, которое и удерживает его за счет трения. Показателем способности древесины удер­живать крепления является усилие, необходимое для выдергивания гвоздя (в Н на 1-м² поверхности соприкосновение гвоздя с древесиной). Это усилие зависит от породы, направления волокон, объемной массы и влажности древесины. Поперек волокон оно на 25% выше, чем вдоль. С увеличением объёмной массы удельное усилие возрастает. При высыхании древесины способность удерживать крепление снижаете вследствие уменьшения упругости волокон. Удерживающая способность древесины твердых пород в несколько раз выше, чем мягких. Удельное усилие для выдергивания шурупов при прочих равных условиях в 2 раза выше, чем для выдергивания гвоздей.

Факторы, влияющие на механические свойства древесины

Общая тенденция состоит в том, что чем плотнее древеси­на, тем большую прочность она имеет. Плотность и прочность древесины пород возрастают, если лес растет на возвышенных местах и песчаных почвах.

Повышение влажности до предела гигроскопичности (до 30%) понижает механические свойства древесины. Высушивание же древесины на 1% (в пределах изменения влажности от 20 до 8%) повышает ее сопротивление сжатию и изгибу на 4%, растяжению – на1%.

Пороки древесины понижают ее прочность.

Пороками называют недостатки отдельных участков древесины, снижающие ее качество и ограничивающие возможности использования.

Дефектами называют пороки механического происхождения, возникающие в древесине в процессе заготовки, транспортировки, сортировки, штабелевки и обработки. Ввиду наличия пороков прочность бруса или доски не может быть оценена по результатам испытания малых образцов. Поэтому в отличие от других материалов свойства лесоматериалов устанавливают не по прочности образов, а на основании оценки характера, размеров и количествa пороков.

Химические свойства древесины

Основным из них является стойкость к действию кислот, щелочей, других реагентов;

Древесина под действием кислот и щелочей постепенно разрушается. Химическая стойкость ее различна в зависимо­сти от среды, концентрации реагентов и породы. Древесина обладает большей стойкостью по отношению к щелочам и меньшей – к кислотам. С увеличением концентрации щелочей и кислот химическая стойкость древесины снижается. Более стойкой является древесина хвойных пород, и прежде всего ее ядровая часть, менее стойкой – заболонная. Древе­сина лиственных пород отличается от хвойной меньшей стой­костью к кислотам, в первую очередь к минеральным. Сниже­ние химической стойкости древесины сопровождается изме­нением ее цвета – побурением, иногда происходит полное обугливание. Древесина постепенно разрушается и при дли­тельном воздействии на нее газов – SO2, SO3, NO, NO2 и др. Пониженная химическая стойкость древесины лиственных пород объясняется меньшим содержанием целлюлозы и большим количеством пентозамов.

Биологические свойства древесины

Биологические свойства древесины определяются стойко­стью против грибов, плесени и насекомых, которая зависит от содержания смолистых, дубильных и других веществ.

По биостойкости древесину подразделяют на три группы:

§ наиболее стойкая (тисе; дуб и др.);

§ среднестойкая; (сосна, кедр);

§ малостойкая (осина, бук и др.).

Для защиты древесины от преждевременного разрушения грибами и насекомыми применяют ряд мер для создания и поддержания условий, в которых не могут развиваться грибы. Развитие грибов исключается, полностью или замедляется при пониженных влажности и температуре, поэтому древесину высушивают и защищают от чрезмерного увлажнения.

Гнилостойкость древесины повышают путем обработки ее специальными химическими веществами — антисептиками. К ним относятся органические и минеральные вещества, которые имеют высокую токсичность к грибам и насекомым и сохраняют ее в течение длительного времени, безвредны для древесины, человека и животных, легко проникают, в толщу древесины.