§ 1. Физические свойства древесины
Плотность древесины изменяется незначительно, так как древесина всех деревьев состоит в основном из одного и того же вещества — целлюлозы. Поэтому среднюю плотность древесины можно принять равной 1,54 г/см3.
Объемная масса древесины разных пород и даже древесины одной и той же породы колеблется в весьма широких пределах, поскольку строение и пористость растущего дерева зависят от почвы, климата и других природных условий. Древесина может быть очень легкой — у = 450 кг/м3 (кедр, пихта), легкой — у = 460 — 600 кг/м3 (сосна, ель, осина), со средней объемной массой — y = 610 — 750 кг/м3 (лиственница, дуб, береза), тяжелой — у = 760 — 900 кг/м3 (граб, железное дерево) и очень тяжелой — у>910 кг/м3 (самшит, кизил). С увеличением влажности объемная масса древесины возрастает. Свежесрубленная древесина значительно тяжелее древесины воздушно-сухой, имеющей влажность 15% (табл. 40).
Пористость древесины хвойных пород колеблется от 46 до 81%, лиственных — от 32 до 80%.
Влажность W выражают обычно в % по отношению к массе сухой древесины. В древесине различают гигроскопическую влагу, связанную в стенках клеток, и капиллярную влагу, которая свободно заполняет полости клеток и межклеточное пространство.
Таблица 40 Объемная масса и пористость древесины некоторых хвойных и лиственных пород
Предел гигроскопической влажности (в среднем он составляет около 30%) соответствует полному насыщению стенок клеток древесины водой. Полная влажность древесины, считая вместе гигроскопическую и капиллярную влагу, может значительно превышать 30%. Например, у свежесрубленного дерева она может колебаться от 40 до 120%, а при выдерживании древесины в воде ее влажность может возрасти до 200%. При длительном нахождении влажной древесины на воздухе она постепенно высыхает и достигает равновесной влажности.
Равновесная влажность зависит от температуры и относительной влажности окружающего воздуха.
Рис.126. Номограмма равновесной влажности древесины (2 — 28% — величины равновесной влажности древесины)
Для определения равновесной влажности пользуются номограммой (рис. 126), где по оси абсцисс отложена температура воздуха от — 20 до +100°С, по оси ординат — относительная влажность воздуха от 0 до 100%- Каждая из наклонных прямых линий представляет геометрическое место точек, соответствующих одной и той же равновесной влажности древесины.
Равновесная влажность комнатносухой древесины составляет 8 — 12%, поэтому до такой влажности высушивают паркетную клепку, древесину, идущую на изготовление столярных изделий, и т. п. Воздушно-сухая древесина после продолжительной сушки на открытом воздухе имеет влажность 15 — 18%.
Показатели свойств (объемной массы, прочности), полученные при испытании древесины различной влажности, для возможности сопоставления приводят к стандартной влажности, равной 12%. При необходимости численные характеристики древесины (например, предел прочности) пересчитывают к влажности 15%.
Усушка, разбухание и коробление. Колебания влажности волокон древесины влекут изменение размеров и формы досок, брусьев и других изделий из древесины. При увлажнении сухой древесины до достижения ею предела гигроскопичности стенки древесных клеток утолщаются, разбухают, что приводит к увеличению размеров и объема деревянных изделий.
Рис. 127. Влияние влажности древесины на разбухание: 1 — вдоль волокон; 2 — поперек волокон в радиальном направлении; 3 — то же, в тангенциальном направлении; 4 — объемное
Как видно из рис. 127, свободная влага, заполняющая полости клеток, на размерах древесины не отражается. Усушка древесины происходит за счет удаления связанной влаги из стенок клеток, т. е. если влажность древесины становится меньше предела гигроскопичности, то усушка достигает максимального значения при полном удалении влаги, содержащейся в клеточных стенках. Вследствие неоднородности строения древесина усыхает в различных направлениях неодинаково (рис. 127). Вдоль оси ствола (вдоль волокон) максимальная линейная усушка сравнительно невелика — около 0,1% (или 1 мм на 1 м), в радиальном направлении она составляет 3 — 6% (3 — 6 см на 1 м), а в тангенциальном — 6 — 12% (6 — 12 см на 1 м).
При высушивании древесины от предела гигроскопичности (который характеризуется влажностью около 30%) до воздушно-сухого состояния (соответствующего 15 — 18% влажности) усушка составит примерно половину своего максимального значения. При высушивании до комнатносухого состояния (т. е. до влажности 8 — 10%) получается усушка, равная трем четвертям максимальной.
Усушка и разбухание древесины — свойства отрицательные, они вызывают коробление и растрескивание лесных материалов.
Рис. 128. Коробление досок в результате усушки: 1 — продольное простое: 2 — то же, сложное; 3 - поперечное; 4 — крыловатость
Коробление деревянных изделий (рис. 128) является следствием: 1) разницы в усушке древесины в тангенциальном и радиальном направлениях и 2) неравномерности высыхания. Неравномерность усушки и коробления вызывает появление внутренних напряжений в древесине и растрескивание пиломатериалов и бревен. Широкие доски коробятся больше, чем узкие, поэтому для настилки пола и столярных изделий применяют доски шириной 10 — 12 см.
Для предотвращения коробления и растрескивания деревянных изделий используют древесину с той равновесной влажностью, которая будет в условиях эксплуатации. Например, для столярных изделий влажность древесины не должна превышать 8 — 10%, а для наружных конструкций 15 — 18%. Чтобы защитить древесину от последующего увлажнения, ее покрывают красками, лаком или эмалями.
В круглом лесе и пиломатериалах трещины усушки образуются, в первую очередь, на торцах. Для уменьшения растрескивания торцы бревен, брусьев, досок обмазывают смесью из извести, соли и клея или другими составами.
Текстура — это рисунок древесины, зависящий от сочетания ее видимых элементов: годовых слоев, сердцевинных лучей, сосудов и др. Цвет и текстура древесины характерны для каждой породы дерева. С возрастом интенсивность окраски заметно усиливается. Породы умеренного климатического пояса имеют бледно окрашенную древесину, и появление синей, красной, зеленоватой полосатой окрасок у этих пород указывает на поражение древесины микроорганизмами (гнилями). Многие древесные породы Прикарпатской Украины, Закавказья, некоторых областей Дальнего Востока имеют красивую текстуру и разнообразную окраску. Текстура дуба, чинары, бука, груши и некоторых других пород высоко ценится в отделочных и краснодеревных работах. Древесные породы тропического пояса могут иметь своеобразную окраску, например древесина эбенового дерева — черного цвета, бакаута — темно-оливкового.
Блеск древесины зависит от плотности и степени обработки. Блеск придается древесине путем полирования и покрытия лаками. Древесина теряет блеск при загнивании.
Запах древесины зависит от содержания в ней смолистых, эфирных и дубильных веществ. Например, древесина лиственницы и сосны пахнет скипидаром.
Теплопроводность сухой древесины незначительна: для сосны поперек волокон — 0,17; вдоль волокон — 0,34 Вт/(м-°С). Теплопроводность древесины зависит от ее пористости, влажности и направления потока тепла. Теплозащитные свойства древесины широко используют в строительстве.
Электропроводность древесины зависит от ее влажности. Древесина, используемая при электрической проводке (розетки, доски и т. п.), должна быть сухой. Электросопротивление сухой древесины в среднем — 75-107 Ом -см, а сырой древесины — в десятки раз меньше.