Курс лекций по физике древесины

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ухтинский государственный технический университет»
(УГТУ)
Курс лекций
по
физике древесины
Методические указания для студентов II курса направления
250400.62 – «Технология лесозаготовительных
и деревоперерабатывающих производств»
УХТА 2012
УДК 674.017 (075.8)
К 61
Коломинова, М. В.
Курс лекций по физике древесины: методические указания для студентов
II курса направления 250400.62 – «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств» [Текст] / М. В. Коломинова, Н. А. Северова. –
Ухта : УГТУ, 2012. – 72 с.
В методических указаниях приведены сведения о макро- и микростроении древесины, её механических и физических свойствах, методах исследования, новых технологиях и композиционных материалах на основе древесины. В
приложении представлены справочные данные о характеристиках различных
древесных пород.
Содержание указаний соответствует рабочей программе по дисциплине
«Физика древесины»
Методические указания рекомендованы кафедрой физики к использованию в учебном процессе, протокол № 6, от 06.09.2012 г.
Рецензент: О. Н. Бурмистрова, зав. кафедрой технологии и машин лесозаготовок УГТУ, д.т.н.
Редактор: Н. А. Северова, доцент кафедры физики УГТУ, к.т.н.
Корректор: К. В. Коптяева.
В методических указаниях учтены замечания рецензента и редактора.
План 2012 г., позиция 91.
Подписано в печать 30.11.2012 г. Компьютерный набор.
Объем 72 с. Тираж 100 экз. Заказ № 269.
© Ухтинский государственный технический университет, 2012
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, 13.
Типография УГТУ.
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, 13.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ................................................................................................................... 4
Лекция 1. Макро- и микростроение древесины ................................................... 5
Лекция 2. Плотность, воздухоёмкость и влажность древесины....................... 11
Лекция 3. Свойства древесины, связанные с изменением её влажности ........ 18
Лекция 4. Прочность и механические характеристики древесины.................. 24
Лекция 5. Текстура и проницаемость древесины жидкостями и газами......... 33
Лекция 6. Тепловые и электрические свойства древесины .............................. 39
Лекция 7. Акустические (звуковые) свойства древесины................................. 45
Лекция 8. Воздействие излучений и иных факторов на древесину ................. 50
Лекция 9. Новые технологии и композиционные материалы
на основе древесины ............................................................................................. 56
Библиографический список.................................................................................. 64
Приложения ........................................................................................................... 66
3
Введение
Леса занимают около 20% суши и находятся как в зоне умеренного пояса
(хвойные, широколиственные и смешанные леса), так и в зонах тропического и
субтропического поясов. Лесопокрытая площадь России составляет 774 млн га, а
древесина её ценных хвойных пород составляет половину всех мировых запасов.
Экологическое значение лесных насаждений неоспоримо, во-первых, это
источник вдыхаемого человеком кислорода и поглотитель углерода, во-вторых,
являясь важной частью биосферы, они влияют на климат, круговорот воды в
природе, защищают почву от эрозии, суховеев и пыльных бурь.
С древних времён человек использует древесину в своей жизни как топливо и
строительный материал. В настоящее время трудно назвать какую-нибудь отрасль
народного хозяйства, где древесина не использовалась бы в том или ином виде, и
перечислить разнообразные изделия, в которые древесина входит составной частью. По объёму использования и разнообразию применения в народном хозяйстве
с древесиной не может сравниться никакой другой материал. Её применяют для изготовления мебели, столярно-строительных изделий. Из неё делают элементы мостов, судов, кузовов, вагонов, тару, шпалы, спортивный инвентарь, музыкальные
инструменты, спички, карандаши, бумагу, предметы обихода, игрушки, сувениры.
Натуральную или модифицированную древесину применяют в машиностроении и
горнорудной промышленности; она является исходным сырьём для целлюлознобумажной промышленности, производства древесных плит. Перечень продуктов,
получаемых из древесины, насчитывает до 20 тыс. пунктов [7].
Широкому использованию древесины способствуют её высокие физикомеханические качества, хорошая обрабатываемость, а также эффективные способы
изменения отдельных свойств древесины путём химической (введение антисептиков, антипиренов, смол) или механической (пластификация, прессование) обработки. Древесина легко обрабатывается, имеет малую теплопроводность, достаточно
высокую прочность, при небольшой массе хорошую сопротивляемость ударным и
вибрационным нагрузкам, в сухой среде долговечна. Древесина соединяется крепёжными изделиями, прочно склеивается, сохраняет красивый внешний вид, на неё
хорошо наносятся защитно-декоративные покрытия. Вместе с тем древесина имеет
недостатки: она подвержена горению и загниванию, разрушению от воздействия
насекомых и грибов, гигроскопична, вследствие чего может разбухать и подвергаться усушке, короблению и растрескиванию. Кроме того, древесина имеет пороки
биологического происхождения, которые снижают её качество. Чтобы использовать древесину, надо знать её свойства, строение и пороки.
4
Лекция 1. Макро- и микростроение древесины
Общие сведения о строении дерева
Источник древесины – это взрослое дерево, которое имеет корневую систему, ствол и крону. На рисунке 1 представлена величина относительного объёма перечисленных частей и их основное предназначение. Для внешней формы свободно
и правильно растущего дерева характерна симметрия, зависящая от поля симметрии земного тяготения. Скорости роста ствола по вертикали и горизонтали различны, но по горизонтальным направлениям – одинаковы (как у фигур с круговой
симметрией: цилиндр, конус). Отклонения наблюдаются при наклонном произрастании дерева или больших ветровых нагрузках. В этом случае появляется плоскость симметрии, делящая его на две зеркально равные половины (листья, ветви,
ствол в виде эллипса в случае сильных ветровых нагрузок) [1].
СО2
КРОНА
(выработка органических
веществ и кислорода)
Н2О
О2
От 5% до 20%
СО2
От 90% до 55%
Растворы органических
веществ, выработанных
в листьях
водные растворы
минеральных веществ
СТВОЛ
(запасы
минеральных
веществ, основной источник
древесины)
Н2О и питательные вещества
КОРНИ От 5% до 25%
(питание дерева водой и минеральными веществами,
удерживают дерево в вертикальном положении
Рисунок 1 –Части растущего дерева разных пород
с указанием относительного объема
5
Макроструктура древесины
Ствол изучают в трёх главных плоскостях (разрезах или распилах), которые показаны в распилах на рисунке 2, б. Поперечный П (торцевой) – перпендикулярен оси ствола, два продольных: радиальный (Р) – проходит вдоль
ствола через его сердцевину по радиусу, тангенциальный (Т) – направлен по
касательной к слоям годичного прироста. Ствол представлен: сердцевиной,
древесиной (ядро и заболонь), корой (корка снаружи и луб внутри). Между древесиной и корой располагается тонкий слой живой образовательной ткани камбия, который активен весной и летом, а «отдыхает» зимой. При разрастании он
образует вовнутрь клетки древесины, а наружу – клетки луба.
ядро
заболонь
а)
б)
Рисунок 2 – Основные части ствола дерева (а) и главные его распилы (б) [8]
Ядро (спелая древесина с меньшей влажностью) часто имеет более темную окраску. По наличию или отсутствию ядра древесина делится на два типа:
ядровая и безъядровая (заболонная древесина).
древесина
Безъядровая:
бук, осина и др. Заболонные:
ель, пихта, береза, ольха, клен,
липа и др.
Ядровая:
Сосна, лиственница, кедр,
тис, можжевельник, дуб,
ясень, вяз, ива, тополь и
др.
6
Для оценки качества древесины по внешнему виду используют некоторые
характеристики макроструктуры. Ежегодный прирост древесины (годичный слой)
определяется активностью кадмия в летний период и поэтому зависит от «метеорологических событий: засух, влажных периодов, сильных морозов зимой и ранних
заморозков весной, жары летом, циклов солнечной активности и даже космических
катастроф» [7]. Показателем годичного прироста, характеризующим усреднённую
ширину годичных слоёв, служит число слоёв, приходящееся на 1 см отрезка, отмеренного по радиальному направлению на торцовой поверхности образца. Степень
равнослойности оценивают по разнице в числе годичных слоёв на двух таких соседних участках длиной по 1 см каждый.
Древесина годичного прироста
ранняя
обращена к середине ствола,
более светлая и менее
твердая.
Служит для перемещения
воды вверх по стволу.
поздняя
более темная и твердая, образуется во
второй половине вегетационного
периода.
Выполняет механические функции,
определяет прочностные свойства
древесины.
На поперечном разрезе ствола некоторых лиственных пород видны
сердцевинные лучи, линии, расходящиеся по радиусам от сердцевины к коре
(рисунок 3, а).
Поверхность древесины, как бы тщательно она не обрабатывалась режущими
инструментами, на любом срезе всегда будет иметь те или иные неровности, образованные перерезанием полых или заполненных анатомических элементов –
сосудов. Эти водопроводящие элементы в виде длинных вертикальных цилиндрических или бочкообразных трубочек, состоящих из члеников – отдельных коротких
клеток с широкими полостями и тонкими стенками длиной от 0,23 мм до 0,56 мм и
диаметром от 16 мкм до 400 мкм для разных пород [7].
На рисунках 4-7 приведены схемы сложного микроскопического строения древесины сосны и берёзы с указанием названий отдельных структурных
элементов.
Трахеиды – сильно вытянутые волокна с одревесневшими стенками и порами, имеющие кососрезанные или закруглённые концы (ранние и поздние);
смоляные горизонтальные и вертикальные ходы с внутренними стенками из
клеток эпителия, выделяющего смолу; паренхимы – одна или две крупные простые поры округлой или многогранной формы, соединённые в длинные ряды,
7
идущие вдоль ствола, входят главным образом в сердцевидные лучи (нет у тиса
и сосны); волокна либриформа (длиной от 0,3 до 1 мм, диаметром от 11 до 19
мкм, с толщиной стенок 2 до 5 мкм [7]) – типичные прозенхимные, т. е. вытянутые клетки с заострёнными концами, узкими полостями и мощными стенками, снабженными пористыми щелевидными порами и др. Вторичная древесина
является продуктом деятельности камбия, который откладывает не только
клетки древесины (ксилемы), но и клетки луба (флоэмы).
Рисунок 3 – Схемы расположения сосудов в древесине лиственных пород [7]:
а, б, в – кольце сосудистые породы с радиальным, тангенциальным и рассеянным
расположением мелких сосудов в поздней зоне; г – рассеянно сосудистая порода:
1 – мелкие сосуды в поздней зоне; 2 – крупные сосуды в ранней зоне;
3 – широкие сердцевидные лучи
Рисунок 4 – Схема микроскопического строения древесины сосны (по В. Е. Вихрову) [7]:
1 – годичный слой; 2 – серцевинные лучи; 3 – вертикальный смоляной ход;
4 – ранние трахеиды; 5 – поздняя трахеида; 6 – окаймлённая пора; 7 – лучевая
трахеида; 8 – многорядный луч с горизонтальным смоляным ходом
8
Рисунок 5 – Схема микроскопического строения древесины берёзы
(по В. Е. Вихрову) [7]:
1 – годичный слой; 2 – сосуды; 3 – серцевинные лучи; 4 – либриформ
Рисунок 6 – Строение стебля четырёхлетнего побега сосны
на поперечном разрезе, ув. 21х [7]:
1 – сердцевина; 2 – первичная древесина; 3 – вторичная древесина;
4 – положение камбия; 5 – флоэма; 6 – первичная кора; 7 – смоляные ходы
Большое влияние на анатомическое строение древесины оказывает положение дерева в древостое, условия произрастания, сельскохозяйственные мероприятия (рубки, осушения, удобрения) и их время, география насаждений,
почвенные условия, осадки и др.
9
Рисунок 7 – Радиальный разрез ствола сосны у границы луба (слева)
и древесины (справа) [7]:
1 – камбий; 2 – трахеида; 3 – окаймлённая пора; 4 – горизонтальные трахеиды;
5 – паренхимная клетка сердцевинного луча; 6 – лежачая паренхимная клетка
лубяного луча; 7 – ситовидная клетка; 8 – стоячая паренхимная клетка лубяного луча
Древесные клетки, например в лиственной древесине, делятся на опорные
(обеспечивают прочность), проводящие (проводят минеральные вещества и воду), накопительные (накапливают питательные вещества).
Из рисунков следует, что особенностью древесины разных пород является анизотропия как следствие упорядоченности в расположении структурных
элементов и их определенной ориентации, она и определит неодинаковость
свойств материала в различных структурных направлениях.
С точки зрения физики твёрдого тела, древесина имеет сложную ажурнослоисто-пористую структуру или сложную макро- и микроармированную клеточно-сосудистую структуру, в которой поры распределены по всему объёму и
занимают до 50%.
Пористость древесины способствует её высокой водопроводящей способности, которая объясняется в курсе общей физики как капиллярные явления. Высота поднятия воды в тонком капилляре с одинаковым по высоте
диаметром 10 мкм при полном смачивании составляет 3 м [9]. По определённым зонам древесины ствола с преимущественно вертикальным расположением сосудов вверх перемещаются водные растворы минеральных веществ
из почвы, а по лубу наблюдается нисходящий поток веществ, выработанных
в листьях.
10
Лекция 2. Плотность, воздухоёмкость и влажность древесины
Физическими свойствами древесины называются те её свойства, которые могут быть определены путем осмотра, взвешивания, измерения, высушивания, т. е. без нарушения целостности испытываемого образца и изменения его
химического состава.
1. Плотность древесины – это масса единицы объёма материала, выражающаяся в г/см3 или кг/м3.
Равноплотность древесины характеризует равномерность распределения
древесинного вещества по ширине годичного слоя. Малой равноплотностью обладает древесина пород с резкой разницей в строении ранней и поздней зон годичных слоёв (лиственница, сосна, дуб, ясень и др.). Высокой равноплотностью
отличаются самшит, груша, граб, клён, бук, ольха, осина, липа и ряд других пород. Количественного показателя для равноплотности древесины пока нет.
Применительно к древесине различают плотности:
- древесинного вещества;
- абсолютно сухой древесины;
- влажной древесины;
- парциальную;
- базисную.
Плотность древесинного вещества – это масса единицы объема материала, образующего клеточные стенки:
ρ д.в. =
где
m д.в.
,
Vд.в.
(1)
mд.в. – масса древесинного вещества;
Vд.в. – объём древесинного вещества.
Плотность древесинного вещества из-за одинакового химического состава клеточных стенок для всех пород примерно одинакова и равна 1,53 г/см3,
т. е. в 1,5 раза выше плотности воды.
Плотность древесины меньше плотности древесинного вещества, т. к. она
имеет пустоты, заполненные воздухом, т. е. пористость, которая выражается в
процентах и характеризует отношение пустот в абсолютно сухой древесине.
Чем больше плотность древесины, тем меньше её пористость.
Плотность древесины существенно зависит от влажности. С увеличением
влажности плотность древесины возрастает. По плотности все породы делятся
на три группы (при влажности древесины 12%):
1) породы с малой плотностью – 540 кг/м3 и менее – это ель (все виды), сосна
(все виды), пихта (все виды), кедр (все виды), можжевельник обыкновенный,
11
тополь (все виды), липа (все виды), ива (все виды), осина, ольха чёрная и белая, каштан посевной, орех белый, серый и маньчжурский, бархат амурский;
2) породы средней плотности – от 550 до 740 кг/м3 – это лиственница (все виды), тис, береза повислая, пушистая, чёрная и жёлтая, бук восточный и европейский, вяз, груша, дуб летний, восточный, болотный, монгольский,
ильм, карагач, клён (все виды), лещина, орех грецкий, платан, рябина, хурма,
яблоня, ясень обыкновенный и маньчжурский;
3) породы высокой плотности – 750 кг/м3 и более – это акация белая и песчаная, берёза железная, гледичия каспийская, гикори белый, граб, дуб каштанолистный и араксинский, железное дерево, самшит, фисташка, хмелеграб.
Средние значения плотности древесины наиболее распространённых пород приведены в таблице 1 приложения.
Среди иноземных пород имеются такие, древесина которых имеет как очень
маленькую плотность (бальса – 120 кг/м3), так и очень высокую (бакаут – 1300 кг/м3).
Плотность абсолютно сухой древесины характеризует массу единицы
объёма древесины при отсутствии в ней воды:
ρ0 =
m0
,
V0
(2)
где
mо и Vo – соответственно масса и объём образца абсолютно сухой древесины.
Плотность влажной древесины выражается отношением массы образца
при любой влажности к его объёму при той же влажности:
ρW =
mW
,
VW
(3)
где
mW – масса образца при влажности W;
VW – объём образца при влажности W.
Парциальная плотность древесины выражается отношением массы абсолютно сухого образца к его объёму при любой данной влажности:
ρW/ =
m0
.
VW
(4)
Базисная плотность древесины выражается отношением массы абсолютно сухого образца к его объёму при влажности равной или выше предела насыщения клеточных стенок Vmax:
ρб =
m0
.
Vmax
Плотность древесины можно определять тремя методами:
• стереометрическим;
12
(5)
• при помощи ртутного объёмомера (с соблюдением необходимых правил безопасности). Действие ртутного объёмомера основано на определении объёма не
смачивающей образец жидкости (ртути), вытесненной погруженным в неё образцом древесины. Образец древесины берётся произвольной формы;
• погружением образца в воду.
2. Воздухоёмкость BW и пористость П представляют собой отношения
заполненных воздухом пустот к объёму соответственно влажной (или сырой) и
абсолютно сухой древесины.
Воздухоёмкость древесины, %:
⎡
⎛ 1
W
⎞⎤
⎟⎟⎥ ⋅ 100% .
+
βW = ⎢1 − ρW/ ⋅ ⎜⎜
⎝ ρд.в. 100 ⋅ ρв ⎠⎦⎥
⎣⎢
(6)
Пористость древесины, %:
⎛
ρ ⎞
П = ⎜⎜1 − 0 ⎟⎟ ⋅ 100% .
⎝ ρд.в. ⎠
(7)
3. Влажность древесины и свойства, связанные с её изменением
Древесина, имея волокнистое строение и большую пористость (от 30 до
80%), обладает огромной внутренней поверхностью, которая легко собирает и отдаёт водяные пары из воздуха (гигроскопична). Отдача и набор влаги древесиной
наблюдается всегда, когда есть отличия в ее содержании в дереве и в воздухе.
В свежесрубленной древесине, как правило, содержится большое количество воды, и в дальнейшем в зависимости от условий хранения оно может увеличиваться, уменьшаться или оставаться на прежнем уровне. Для сохранности
древесины (в большинстве случаев) необходимо принять меры по удалению
воды, т. е. произвести её сушку.
В растущем дереве влажность распределена неравномерно по высоте и
радиусу, причём у разных пород по-разному. Например, в стволе хвойных пород у заболони влажность в 3-4 раза выше, чем у ядра, а в Восточной Сибири
отмечается неравномерная влажность самого ядра [7]. Исследования, проведённые в Ленинградской области, показали, что наибольшая влажность у заболони
(сосны, ели, берёзы и осины) зимой, наименьшая – летом, а влажность ядра от
времени года не зависит. Отмечены даже суточные колебания влажности.
Показателем содержания воды в древесине является влажность, которая
подразделяется на абсолютную и относительную. На практике пользуются в
основном абсолютным значением влажности, которую определяют по формуле
Wабс. =
m − m0
⋅ 100% ,
m0
13
(8)
где
m – масса образца влажной древесины;
m0 – масса того же абсолютно сухого образца.
Показатель относительной влажности применяется редко, в основном как
показатель влажности дров. Её определяют по формуле
Wотн. =
m − m0
⋅ 100% .
m
(9)
Существуют два способа определения влажности – прямой и косвенный.
Прямой метод основан на выделении воды из древесины. Для этого очищенный
образец древесины подвергают сушке в сушильном шкафу при температуре 103°C
до полной отдачи влаги. В процессе сушки образец взвешивают – первый раз через 6-10 ч после начала сушки, а затем через каждые 2 ч. Сушку прекращают после того, как вес образца уже не уменьшается. Прямой метод позволяет с большой
точностью определить влажность древесины. Основной недостаток прямого метода заключается в том, что продолжительность процедуры очень велика.
Рисунок 8 – Шкала определения перехода от абсолютной влажности к относительной
Второй метод – косвенный, основанный на использовании измерительных приборов. Например, влажность оценивают, измеряя электропроводность
древесины с помощью электровлагомера (см. лекцию 6). Так как для каждой
породы древесины имеется собственная шкала влажности, то на крышке электровлагомера помещают шкалу влажности для сосны, а для остальных пород
даётся таблица пересчёта влажности.
Влажность, которую приобретает древесина в результате длительного нахождения на воздухе с постоянной температурой и влажностью, называется
14
равновесной влажностью. Она достигается в тот момент, когда упругость паров над поверхностью древесины оказывается равной упругости паров окружающего её воздуха.
По содержанию влаги различают мокрую древесину – с влажностью более
100%; свежую (свежесрубленную), сохранившую влажность растущего дерева –
W = 50-100% и выше; древесину атмосферной сушки (воздушно-сухую), высушенную и выдержанную на открытом воздухе – W = 15% (летом) – 20% (зимой); древесину камерной сушки (комнатно-сухую), высушенную в камере или выдержанную в
отапливаемом помещении – W = 8-12%, и абсолютно сухую древесину, высушенную до постоянной массы при температуре 100-105°C – W = 0%.
При сушке древесины с уменьшением влажности меняются её механические свойства – уменьшаются упругость и электропроводность, но увеличивается прочность при сжатии.
Влажность величиной 20-22% называется транспортной, а влажность,
которую древесина имеет в период эксплуатации, – эксплуатационной.
Вода в древесине находится в связанном и свободном состоянии.
Свободная, или капиллярная, вода находится в полостях клеток и межклеточных пространствах, поэтому удаляется из древесины сравнительно легко.
Связанная, или гигроскопическая, вода находится в клеточных стенках и
удерживается прочно. Удаление такой воды затруднено и оказывает существенное влияние на изменение большинства свойств древесины. Максимальное
количество связанной воды соответствует пределу насыщения клеточных стенок, который в расчетах принимается: Wп.н. = 30%.
Влажность древесины, когда стенки клеток насыщены водой, а полости и
межклеточные пространства свободны от воды, называется пределом гигроскопической влажности. Для древесины различных пород она колеблется от 23 до 35%
(в среднем 30%) от массы сухой древесины.
Гигроскопическая вода, покрывая поверхность мельчайших частиц в
стенках клеток водными оболочками, увеличивает и раздвигает их. При этом
объём и масса древесины увеличиваются, а прочность снижается. Свободная
вода, накапливаясь в полостях клеток, существенно не изменяет расстояние
между элементами древесины и поэтому не влияет на её прочность и объём,
увеличивая лишь массу и теплопроводность.
Классификация древесины по влажности в зависимости от области
её использования и ценности:
• влажная (W > 22%) – полуфабрикат. Такая древесина не должна поступать в
продажу (коэффициент ценности К = 1);
15
• товарная, транспортно-сухая (атмосферно-сухая, экспортная) (W = 22%) – ей
придана влажность, соответствующая пределу биостойкости, при которой
плотно уложенные пиломатериалы можно перевозить в летнее время и длительно хранить без опасения поражения их грибами (коэффициент ценности
по отношению к влажной К = 1,2);
• товарно-строительная (W = 17%) – применяется для изготовления строительных деталей и конструкций, имеющих непосредственно контакт с атмосферным воздухом (К = 1,5);
• нормализованная, строительная (W = 12%) – применяется в строительстве,
обеспечивает высокую прочность, технологичность, надёжную сопрягаемость и отличную отделку (не допускается разовое по влажности и все виды
заутренних дефектов) (К = 2,4);
• мебельно-сухая (W = 6%) – применяется в производстве мебели и деталей
интерьера (К = 3).
Предел насыщения клеточных стенок Wп.н. – это максимальная влажность
клеточных стенок, достигаемая при увлажнении древесины в воде; характеризуется
равновесием влажности клеточных стенок с водой, находящейся в полостях клеток
у сырой древесины. Этот показатель, %, можно определить по формуле
⎛ 1
1 ⎞
⎟⎟ ⋅ ρв ⋅ 100% ,
Wп.н. = ⎜⎜
−
ρ
ρ
0⎠
⎝ б
(10)
где ρб и ρо – соответственно базисная плотность древесины и плотность абсолютно сухой древесины;
ρв – плотность связанной воды.
С увеличением плотности предел насыщения клеточных стенок Wп.н.
значительно снижается. Это вызвано тем, что уменьшается площадь поверхности клеточных стенок, в углублениях которых удерживается микрокапиллярная вода. Следовательно, уменьшается количество связанной воды,
характеризующее Wп.н.. Среди наиболее распространённых пород Wп.н. колеблется от 38% (пихта) до 24% (граб).
При инженерных расчётах используют среднюю величину Wп.н. (30%).
Такое значение может быть принято для древесины пород, произрастающих в
умеренном климатическом поясе.
Предел гигроскопичности Wп.г. – это максимальная влажность клеточных стенок, достигаемая при поглощении влаги из воздуха; характеризуется отсутствием
воды в полостях клеток и равновесием влажности клеточных стенок и воздуха,
приближающегося к насыщенному состоянию. Этот показатель может быть определён прямым экспериментом, предусматривающим выдерживание стружек в воз16
духе при его относительной влажности (степени насыщенности влагой) φ = 0,995.
Предел гигроскопичности, по исследованиям Б. С. Чудинова, как и предел насыщения клеточных стенок, увеличивается с уменьшением плотности древесины, когда
возрастает поверхность клеточных стенок с микроуглублениями, в которых происходит конденсация влаги из воздуха. По данным О. Н. Полубояринова [7], на величину Wп.г. оказывает влияние и химический состав древесины.
При комнатной температуре можно принять, что предел насыщения клеточных стенок практически равен пределу гигроскопичности. Изменение температуры почти не оказывает влияния на величину Wп.н., предел
гигроскопичности с повышением температуры заметно снижается и, например,
при 100оС составляет не 30%, а 19...20%.
Древесина достигает устойчивой влажности при длительном выдерживании её на воздухе с постоянными температурой и относительной влажностью
(степенью насыщенности влагой) φ.
Если при выдерживании древесина поглощает влагу из воздуха (сорбция), то
её устойчивая влажность меньше той, которая достигается в том случае, когда древесина отдаёт влагу (десорбция). Среднее значение между этими устойчивыми
влажностями называется равновесной влажностью древесины Wр., а разница между
ними – гистерезисом сорбции. Измельчённая древесина (опилки, стружки) имеет
небольшой гистерезис сорбции и при любой начальной влажности в процессе выдерживания достигает устойчивой влажности, практически равной Wр.. По таким
экспериментальным данным построена диаграмма, отражающая связи между равновесной влажностью древесины любой породы и состоянием воздуха (рисунок 9).
Рисунок 9 – Диаграмма равновесной влажности (по П. С. Серговскому) [7]
17
Лекция 3. Свойства древесины, связанные с изменением её влажности
Высыхание древесины. При высыхании внутренняя зона сортимента
(доски, бруса, бревна) имеет большую влажность, чем периферические зоны.
Тангенс угла наклона кривой, отражающей распределение влажности по толщине, ширине или длине сортимента, называется градиентом влажности.
При влажности ниже Wп.н. скорость передвижения связанной воды пропорциональна градиенту влажности и коэффициенту влагопроводности.
Влагопроводностью характеризуется способность материала проводить
связанную воду. Влага перемещается в древесине по системам макрокапилляров, заполненных воздухом, и микрокапилляров в клеточных стенках. По первым – в виде пара, по вторым – преимущественно в виде жидкости.
Влагопроводность определяет скорость сушки древесины и увеличивается при повышении температуры вследствие более интенсивного испарения воды и увеличения скорости диффузии пара, а также за счет снижения вязкости
воды, поэтому коэффициенты влагопроводности используются для расчетов
продолжительности сушки.
При влажности выше Wп.н. градиент влажности, по исследованиям
П. С. Серговского, не определяет скорость передвижения воды. Если древесина
содержит свободную влагу по всему объему сортимента, в ней возможно лишь
передвижение свободной воды в виде жидкости под действием внешних сил
(например разности гидростатического или избыточного давления). В этом
случае передвижение свободной воды будет определяться водопроводностью
(или капиллярной проницаемостью) древесины.
С уменьшением плотности древесины коэффициент влагопроводности
возрастает. У сосны при температуре 20оС коэффициент влагопроводности поперёк волокон равен 2,5·10-10 м2/с, а у лиственницы – 1·10-10 м2/с. Меньшая влагопроводность ядровой (спелой) древесины по сравнению с заболонной, при
одинаковой плотности объясняется разной проницаемостью клеточных стенок.
В радиальном направлении влагопроводность несколько больше, чем в
тангенциальном. У пород с широкими лучами (бук, дуб) отношение коэффициентов влагопроводности в указанных направлениях составляет соответственно
1,7 и 1,5, а у сосны с очень узкими лучами – только 1,15.
Коэффициент влагопроводности древесины вдоль волокон в 15...20 раз
больше, чем в тангенциальном направлении поперёк волокон.
Существуют два промышленных способа сушки древесины: атмосферная,
при температуре окружающей среды, и искусственная, или камерная, когда тем18
пература может быть до 100°C и выше. При атмосферной сушке пиломатериалов в
штабелях на открытом воздухе продолжительность сушки исчисляется месяцами. В
камерах при повышенной температуре пиломатериалы можно высушить до более
низкой влажности и значительно быстрее. Например, продолжительность сушки
досок толщиной 40 мм влажностью 60% до влажности 12% составляет 3...4 сут.
При камерной сушке происходит усушка древесины, т. е. уменьшение линейных
размеров в радиальном направлении на 3-7%, а в тангенциальном – на 8-10%, вдоль
волокон – 0,1-0,3%. Полная объёмная усушка составляет 11-17%.
Усушка и разбухание – взаимосвязанные свойства, подчиняющиеся в
основном одним и тем же закономерностям. Вследствие того, что древесинаматериал анизотропный (свойства в различных ее частях и направлениях заметно разнятся), усушка и разбухание идут неравномерно по объёму образца.
Наиболее выраженные их проявления наблюдаются в тангенциальном направлении поперёк волокон, наименьшее – вдоль волокон. Различают полную объемную и линейную усушку (разбухание).
Усушка. Уменьшение линейных размеров и объёма древесины при удалении из неё связанной воды называется усушкой. Усушку вызывает удаление
адсорбционной воды, находящейся внутри клеточной стенки между микрофибриллами. Однако одновременно с адсорбционной водой происходит испарение
микрокапиллярной воды, поэтому усушка наблюдается при любой температуре
сразу же после снижения влажности за предел насыщения клеточных стенок.
Вначале удаляется преимущественно микрокапиллярная вода и сравнительно
небольшое количество адсорбционной воды, поэтому усушка происходит довольно медленно. После удаления всей микрокапиллярной воды наблюдается
значительно более интенсивная усушка.
В тангенциальном направлении величина усушки древесины зависит в
основном от усушки поздних зон, которые при высыхании стягивают ранние
зоны (рисунок 10). По радиальному направлению усушка древесины является
средневзвешенной между усушками ранних и поздних зон. Поэтому радиальная
усушка древесины значительно меньше тангенциальной.
Под полной, или максимальной, усушкой βmax понимают уменьшение
линейных размеров или объёма древесины при удалении всего количества
связанной воды.
Формула для вычисления полной усушки, %, имеет вид:
β max =
amax − amin
⋅ 100% ,
amax
19
(11)
где amax и amin – размер, мм, или объём, мм3, образца соответственно при
влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок и в абсолютно сухом состоянии.
Рисунок 10 – Схема взаимного расположения элементов макроструктуры древесины,
влияющих на тангенциальную и радиальную усушку поперёк волокон:
1, 2 – поздние и ранние зоны годичных слоёв; 3 – сердцевинный луч;
t – тангенциальное направление; r – радиальное направление
Таким образом, полная усушка наблюдается при снижении влажности
древесины от 30% до 0.
Полная усушка древесины наиболее распространённых отечественных
лесных пород в тангенциальном направлении составляет 8...10%, в радиальном
направлении – 3...7%, а вдоль волокон – 0,1...0,3%. Полная объёмная усушка
находится в пределах 11...17%. Для расчётов влажностной деформации необходимо располагать коэффициентом усушки, определяющим величину усушки
при снижении содержания связанной воды в древесине на 1%.
Коэффициент усушки Кβ (в % на 1% влажности древесины) вычисляют по
формуле
Кβ =
β max
.
β min
(12)
По стандарту принято, что усушка пропорциональна падению влажности,
а Wп.н. = 30%.
Кроме того, предусматривается возможность определения частичной усушки
при высыхании древесины до нормализованной влажности, равной обычно 12%.
Формула для вычисления этой частичной усушки (в %) имеет вид:
β12 =
amax − a12
⋅ 100% ,
amax
(13)
а12 – размер, мм, или объём, мм3, образца при нормализованной влажности.
При необходимости по формуле, аналогичной (8), можно определить частичную усушку βW при снижении влажности до любого значения W < Wп.н., измерив размер (объём) образца аW.
где
20
Об усушке древесины наиболее распространённых пород можно судить
по данным, приведённым в таблице 2 приложения.
Коэффициент усушки Кβ можно вычислить по коэффициенту разбухания
Кα (принимая Wп.н. = 30%) по формуле
Кβ =
100 ⋅К α
,
100 + 30 ⋅ Кα
(14)
поэтому в таблице 2 приложения наряду с коэффициентами разбухания Кα из таблицы рекомендуемых справочных данных даны пересчитанные по формуле (9)
средние значения коэффициентов усушки Кβ. Это сильно изменчивые величины.
Коэффициент вариации для этих показателей поперёк волокон равен 28%.
Если известны коэффициенты радиальной Кβr и тангенциальной Кβt усушки, то, принимая Wп.н. = 30% и пренебрегая усушкой вдоль волокон, можно достаточно точно определить коэффициент объёмной усушки КβV по формуле
К βV = K βr + K βt − 0,3 ⋅ K βr ⋅ K βt .
(15)
Усушку в промежуточном направлении между радиальным и тангенциальным можно найти по формуле
βθ = βt ⋅ Sin 2θ + β r ⋅ Cos 2θ ,
(16)
где θ – угол между направлением измерения и радиальным направлением.
От усушки следует отличать сморщивание древесины (коллапс), которое
происходит у нагретой древесины вследствие удаления свободной воды при
влажности W ≥ Wп.н.. Встречается коллапс у лиственных пород (дуб, маньчжурский ясень и др.).
Усушку древесины учитывают при распиловке бревен на доски (припуски на усадку), сушке пиломатериалов, шпона и т. д.
Разбухание. Повышение содержания связанной воды в древесине при её
выдерживании во влажном воздухе или воде сопровождается увеличением линейных размеров и объёма древесины – разбуханием.
Полное разбухание, %, вычисляют, округляя результат до 0,1%, по формуле
α max =
аmax − amin
⋅ 100% ,
amax
(17)
где amax и amin – размер, мм, или объём, мм3, образца соответственно при
влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок и в абсолютно сухом состоянии.
Коэффициент разбухания на 1% влажности вычисляют, округляя результат до 0,01%, по формуле
21
Кα =
α max
Wп.н.
,
(18)
Wп.н. – предел насыщения клеточных стенок, равный в среднем 30%.
Средние значения коэффициентов разбухания древесины основных пород
в радиальном и тангенциальном направлениях, а также по объёму приведены в
таблице 2 приложения. Коэффициенты объёмного разбухания можно определить по формуле, аналогичной (15), но только со знаком «+» перед последним
слагаемым.
При закреплении разбухающих деталей из древесины (например клёпки в
бочке) будет возникать давление разбухания, которое зависит от породы, части
ствола, направления, температуры и, по данным Ю. М. Иванова [7], составляет
0,8...3,2 МПа. Давление разбухания для древесины ядра больше, чем для заболони; давление при тангенциальном разбухании для древесины хвойных пород
и дуба почти в 2 раза больше, чем при радиальном разбухании.
Разбухание древесины прямо зависит от диэлектрической постоянной жидкости, поэтому, например, керосин почти совершенно не вызывает разбухания.
Разбухание – отрицательное свойство древесины, но в некоторых случаях оно
приносит пользу, обеспечивая плотность соединений (в бочках, судах и т. д.).
С давних времён известна методика раскалывать камни при помощи разбухающих
от воды клиньев.
Коробление древесины. Изменение заданной формы пиломатериалов и
заготовок при сушке, а также выпиловке и хранении называется короблением.
Поперечная покоробленность зависит от различий в радиальной и тангенциальной усушке. Форма поперечного сечения покоробленных досок показана на рисунках 11, а-г. Ориентация наружной пласти доски ближе к чисто
тангенциальному направлению, а внутренней – к радиальному, поэтому сечение досок принимает желобчатую форму (рисунок 11, а). Покоробленность досок из данного бревна тем больше, чем ближе к сердцевине расположена доска.
На рисунках 11, б, в, г показаны и другие виды поперечной покоробленности.
Продольная покоробленность возникает из-за различий в усушке по длине
волокон. Покоробленность по кромке (рисунок 11, д) и пласти (рисунок 11, е)
встречается, например, у досок, включающих участки креневой (порок древесины)
или примыкающей к сердцевине молодой (ювенильной) древесины, которые обладают большей усушкой вдоль волокон, чем нормальная древесина. Крыловатость
(рисунок 11, ж) появляется у древесины с наклоном волокон (порок строения).
Временное поперечное коробление происходит из-за неравномерного высыхания досок. Вогнутость пластей досок может также возникать из-за коллапгде
22
са. В высушенном материале из-за нарушения равновесия остаточных напряжений происходит коробление при несимметричном строгании (фрезеровании)
досок или их ребровом делении.
Коробление досок может наблюдаться и при распиловке сырых брёвен
из-за напряжений, имеющихся в растущем дереве. Иногда причиной коробления досок является неправильная укладка их в штабеля при атмосферной и камерной сушке, увлажнение при хранении и др. При сушке коробление досок
можно уменьшить путём приложения внешних усилий (от веса вышележащих
частей штабеля или при помощи специальных прижимов).
Рисунок 11 – Виды покоробленности:
а – желобчатая; б – трапециевидная; в – ромбовидная;
г – овальная; д – по кромке; е – по пласти; ж – крыловатость
23
Лекция 4. Прочность и механические характеристики древесины
Механические свойства древесины могут проявляться при действии
статистических (плавно и медленно возрастающих), ударных (действующих
внезапно и полной величиной), вибрационных (попеременно изменяющих величину и направление) и долгопеременных (действующих весьма продолжительное время) нагрузок.
Под твёрдостью древесины принято понимать то сопротивление, которое
она создаёт проникновению в неё другого тела, например ножа режущего инструмента. От величины твёрдости зависят обрабатываемость и истираемость дерева, а сама твёрдость тем больше, чем больше объёмная масса и меньше
влагосодержание. Поэтому медленно растущее дерево более твёрдое, чем быстрорастущее; заболонь мягче ядровой древесины.
Твердость различных пород
Мягкие породы
очень мягкие:
тополь,
липа,
береза
Твердые породы
мягкие:
пихта, ель
сосна,
лиственница
твердые:
клен, дуб,
ясень,бук
очень твердые:
граб
Напряжения, уравновешенные по объёму, возникающие в древесине без
участия внешних нагрузок, но в результате неодинаковых изменений объёма,
называются внутренними напряжениями. Например, это полные сушильные напряжения, представленные влажностными, вызванными неоднородностью
усушки, и остаточными, как следствие неоднородности остаточных деформаций. Знаки представленных типов сушильных напряжений противоположны, а
их алгебраическая сумма и составляет величину полного сушильного напряжения. На начальном этапе сушки наблюдаются растягивающие напряжения по
поверхности и сжимающие внутри, т. к. влажностные напряжения больше остаточных, во втором периоде результирующие напряжения меняют знак.
Важнейшими механическими свойствами древесины являются прочность (способность сопротивляться разрушению) и деформативность (способность сопротивляться изменению размеров и формы) под воздействием
внешних сил. Эти данные необходимо знать для определения конструктивных
параметров изделий из древесины в процессе их разработки.
24
Показатели механических свойств древесины определяют обычно при
растяжении, сжатии, изгибе и сдвиге. Поскольку древесина – анизотропный материал, указывают направление действия нагрузок: вдоль или поперёк волокон
(в радиальном и тангентальном направлении).
В древесине, как и в любом другом материале, под действием внешних
нагрузок происходят изменения размеров и формы тела – деформации. При
этом в материале возникают силы сопротивления, которые обычно характеризуют напряжениями (силами, отнесёнными к площади сечения детали). Напряжения измеряются в Н/мм2 или МПа (1 МПа = 106 Па = 106 Н/м2 = 1 Н/мм2).
Напряжения, действующие по нормали (перпендикуляру) к сечению тела, называются нормальными и обозначаются σ. Напряжения, действующие в плоскости сечения, называются касательными и обозначаются τ.
С ростом напряжений растёт и риск разрушения тела. Максимальное напряжение, которое выдерживает материал без разрушения тела, называют пределом прочности.
Большинство задач, с которыми приходится сталкиваться на практике
конструирования изделий из древесины, решается в рамках допущений теории
упругости и обобщенного закона Гука, тем не менее структурные особенности
древесины определяют явно выраженные различия свойств по разным направлениям, т. е. применительно к древесине должна использоваться теория упругости анизотропного тела.
В том случае, когда размеры детали из древесины малы (настолько, что
можно пренебречь кривизной годичных слоёв), для расчётов принимают обычно схему ортогональной анизотропии, для которой характерны три плоскости
симметрии: две продольные – радиальная и тангенциальная и одна перпендикулярная направлению волокон (см. рисунок 2, б).
Для крупных сортиментов древесины, когда нельзя пренебречь кривизной
годичных слоёв, а зачастую наблюдается еще и неправильная ориентация сечений
по отношению к годичным слоям (бруски, доски), учитывается различие только
между свойствами вдоль и поперёк волокон (трансверсальная анизотропия).
Между анизотропией упругих и прочностных свойств существует тесная
связь. Однако различия в показателях прочности по разным направлениям выражены слабее, чем в показателях упругих свойств.
При расчете прочности элементов деревянных конструкций учитывают
величину действующих усилий (напряжений) и непременно их направленность
относительно волокон и годичных слоёв. Наиболее опасны растягивающие напряжения, направленные поперёк волокон и приводящие к появлению в мате25
риале трещин, параллельных волокнам. Хрупкое разрушение древесины также
происходит в виде скалывания, из-за касательных напряжений, которые действуют в радиальной или тангенциальной плоскостях.
В некоторых случаях нагружение элементов конструкции носит сложный характер. Из-за анизотропии древесины, повышающей уровень сложности задачи,
разработаны методики расчёта прочности только для случая плоского напряжённого состояния. Здесь вместо обычных уравнений используются критерии прочности.
Для прочностных расчётов используются такие характеристики материала,
как модуль упругости, модуль сдвига, пределы прочности на растяжение и сжатие, сдвиг. Эти характеристики определяются экспериментально на специально
подготовленных образцах и по специальной методике. Однако свойства древесины зависят не только от породы, но и от места произрастания и многих других
факторов. Поэтому значения параметров упругости и прочности носят несколько
приближённый (усреднённый) характер. Например, неравномерный рост, сучковатость, увеличение влажности и трещины снижают прочность дерева.
Существуют определённые закономерности, определяющие зависимость
этих параметров от структуры древесины, которая и свою очередь определяется
условиями произрастания и т. д. Эти закономерности используются для внесения поправок в расчеты. Влияние на прочность древесины оказывает и её влажность. Поэтому испытания проводятся при нормализованной влажности (12%),
но для некоторых пород древесины есть данные и для влажности более 30%.
Характеристики механических свойств можно найти в таблицах Государственной Системы Стандартных Справочных Данных (ГСССД) «Древесина. Показатели физико-механических свойств малых образцов без пороков».
Сжатие вдоль волокон. Предел прочности при сжатии вдоль волокон
наименее изменчив по сравнению с показателями других свойств древесины. В
конструкциях и изделиях древесина очень часто работает на сжатие вдоль волокон, что объясняется её высокой прочностью при данном виде воздействия и
удобством их приложения.
Предел прочности σW вычисляют по формуле
σw =
где
Pmax
,
a⋅b
(19)
Рmах – максимальная нагрузка;
а, b – размеры поперечного сечения образца.
Вычисления необходимо производить с округлением до 0,5 МПа.
Данные о пределах прочности наиболее распространённых в России пород приведены в таблице 3 приложения.
26
Можно выделить типичные виды разрушения при сжатии вдоль волокон. У
пород с легко деформируемой древесиной, а также у всех пород при высокой влажности древесины наблюдается смятие торцов образца. У пород с повышенной жёсткостью при разрушении появляется косая складка, обычно расположенная под
углом 60-70° на тангенциальной поверхности образца. Довольно часто можно обнаружить у разрушенного образца две встречные косые складки, образующие клиновидный участок, под которым видна трещина от продольного раскола. Иногда
наблюдается расслоение образца и другие виды разрушения. Всё это свидетельствует о существенном влиянии на показатели прочности при сжатии вдоль волокон
особенностей строения и анизотропии механических свойств древесины.
Предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон стандартных образцов из чистой древесины влажностью 12% в 2-2,5 раза меньше, чем при растяжении
вдоль волокон, и составляет около 50 МПа. Влияние пороков древесины при работе
на сжатие значительно меньше, чем при работе на растяжение, поэтому работа сжатых деревянных элементов более надёжна, чем растянутых.
Сжатие поперёк волокон. Сжатие, происходящее поперёк волокон древесины, ещё называют смятием. Прочность древесины на сжатие поперёк волокон примерно в 8 раз меньше прочности на сжатие вдоль волокон.
Древесину испытывают на сжатие поперёк волокон и в радиальном, и в
тангенциальном направлениях. Прочность при сжатии в радиальном направлении у лиственных пород с широкими сердцевинными лучами больше в 1,5 раза,
чем при сжатии в тангенциальном направлении (бук, дуб, граб). Эта зависимость используется при изготовлении паркета. У хвойных пород имеет место
обратная зависимость, т. е. прочность больше при тангенциальном сжатии.
Возможны три типичных случая разрушения для этого типа нагружения.
Первый характерен для древесины хвойных пород (радиальное направление). Сначала происходит сжатие слабой ранней древесины годичных слоёв, затем, после
потери устойчивости анатомических элементов, происходит процесс их смятия, не
требуется больших дополнительных усилий. Последняя фаза деформирования не
связана с разрушением, т. к. здесь начинает оказывать сопротивление более прочная и жёсткая поздняя древесина и, несмотря на большие нагрузки, происходит
лишь уплотнение древесины. Второй тип характерен для лиственных пород как в
радиальном, так и в тангенциальном направлении. В данном случае вторая фаза
выражена менее явно. Совсем иная картина наблюдается для древесины хвойных
пород при сжатии в тангенциальном направлении. При этом усилия воспринимают
одновременно ранние и поздние зоны годичных слоёв. Это более прочные зоны, и
это обстоятельство приводит к разрушению образца. Он выпучивается в сторону
27
выпуклости годичных слоёв. Примерно такой же характер разрушения наблюдается для сухой древесины дуба в радиальном направлении. Результаты исследований
показывают, что предел прочности при сжатии поперёк волокон для всех пород
примерно в 10 раз меньше предела прочности при сжатии вдоль волокон.
Не менее интересны данные испытаний на местное смятие поперёк волокон (определение контактной прочности древесины). Здесь воздействие происходит не на всю поверхность детали (образца), а лишь на её часть. Предел
прочности на местное смятие из-за дополнительного сопротивления волокон
изгибу оказывается несколько (на 20-25%) выше, чем при простом сжатии.
Сжатие поперёк волокон происходит в случае изготовления прессованной
древесины, местное смятие – в случае местного воздействия на паркет и т. д.
Растяжение вдоль волокон. Предел прочности древесины на растяжение
вдоль волокон сравнительно слабо зависит от влажности древесины, но резко падает при малейшем отклонении волокон от направления продольной оси образца. В
среднем для всех пород предел прочности на растяжение вдоль волокон составляет
около 130 МПа (таблица 4 приложения). Несмотря на столь высокую прочность,
древесина в конструкциях и изделиях крайне редко работает на растяжение вдоль
волокон из-за трудности предотвращения разрушения деталей в местах закрепления (под действием сжимающих и скалывающих нагрузок).
Растяжение поперёк волокон. Из данных, приведенных в различных источниках, следует, что прочность древесины при растяжении поперёк волокон в радиальном направлении больше, чем в тангенциальном, у хвойных пород – на 10-50%,
у лиственных – на 20-70%. Наибольшую прочность имеют твёрдые рассеяннососудистые лиственные породы, затем идут кольцесосудистые лиственные и далее мягкие рассеяннососудистые лиственные. Хвойные породы, по сравнению с
лиственными, имеют значительно меньшую прочность при растяжении как в радиальном, так и в тангенциальном направлении (таблица 5 приложения).
В среднем прочность при растяжении вдоль волокон примерно в 20 раз
превышает прочность при растяжении поперёк волокон.
Характеристики прочности для рассматриваемого вида усилий необходимы
для разработки режимов резания и сушки древесины. Именно они ограничивают
предельные значения сушильных напряжений, достижение которых вызывает растрескивание материала. При расчёте безопасных режимов сушки древесины учитывают зависимость пределов прочности от влажности и температуры, а также
длительность действия нагрузки. А при конструировании изделий они практически
не применяются, т. к. конструкторы стараются избегать нагружения, в котором действуют заметные растягивающие нагрузки поперёк волокон.
28
Прочность древесины при статическом изгибе является наиболее важной характеристикой для практических целей. Здесь возникают растягивающие
напряжения в нижней части сечения образца и сжимающие – в верхней (относительно точки приложения усилия).
Поскольку прочность на сжатие вдоль волокон значительно меньше
прочности на растяжение, разрушение начинается с образования практически
невидимых складок в сжатой зоне детали. Окончательное разрушение происходит в растянутой зоне в виде разрыва или отслоения крайних волокон и полного разлома образца. Для тех деталей, прочность которых низка или мгновенно
приложенная нагрузка значительно превышает предел прочности, получается
почти гладкий излом, а при высокой прочности – защепистый (особенно в растянутой зоне). Данные о пределе прочности при статическом изгибе приведены
в таблице 6 приложения.
Предел прочности при статическом изгибе с влажностью в момент испытаний определяют с округлением до 1 МПа по формуле
σW =
3 ⋅ Pmax ⋅ l
2 ⋅ b ⋅ h2
где
,
(20)
Рmах – разрушающая нагрузка;
l – расстояние между центрами опор;
b, h – соответственно ширина и высота образца.
Различие между прочностью при радиальном и тангенциальном изгибах
обнаруживаются только для хвойных пород: предел прочности при тангенциальном изгибе на 10-12% выше, чем тангенциальном, для лиственных пород эти
показатели можно считать одинаковыми.
Вследствие высокой прочности при действии изгибающих нагрузок и
удобства их приложения древесина очень часто работает в конструкциях на изгиб (балки, лаги, детали машин, мебели, тары и т. д.).
Прочность древесины при раскалывании. Способность древесины раскалываться рассматривается как положительное свойство при заготовке колотых сортиментов (бондарная клёпка, гонт, дранка, спицы и пр.) и как отрицательное – при
забивании гвоздей, костылей, скоб, завинчивании шурупов. Раскалыванием древесины принято называть разделение её вдоль волокон под действием нагрузки, переданной через клин. Значения предела прочности при раскалывании наиболее
распространённых пород приведены в таблице 7 приложения.
Деформативность. При действии кратковременных нагрузок, не превышающих определённого значения, древесина ведёт себя как упругое тело. И для
того чтобы охарактеризовать деформативность древесины в этих условиях (жёст29
кость), используют упругие постоянные: модули упругости, коэффициенты поперечной деформации (коэффициенты Пуассона) и модули сдвига.
Модули упругости характеризуют способность материала сопротивляться упругим деформациям, т. е. являются мерой жёсткости материала. Они представляют собой коэффициент пропорциональности в законе Гука.
Модули упругости при растяжении (сжатии) определяют из соотношения
Е=
σ
,
ε
(21)
где
Е – модуль упругости;
σ – напряжение;
ε – деформация.
Из-за анизотропии древесины модули упругости определяют в трёх основных направлениях: вдоль волокон (Ea), поперёк волокон в радиальном направлении
(Er), поперёк волокон в тангенциальном направлении (Et). Модули упругости определяют и для различных схем нагружения: сжатие, растяжение, статический изгиб.
Известно, что показатели механических свойств древесины, в том числе и
модули упругости, существенно зависят от влажности. При увлажнении древесины
от абсолютно сухого состояния до влажности 30% значения всех механических характеристик резко уменьшаются. Поэтому значения модулей упругости, как и других параметров, приведены к нормализованной влажности (12%).
Модуль упругости, как и модуль сдвига, пределы прочности на растяжение и
сжатие, сдвиг, определяется экспериментально на специально подготовленных образцах и по специальной методике. Однако свойства древесины зависят не только
от породы, но и от места произрастания и многих других факторов. Поэтому значения параметров упругости так же, как и прочности, носят несколько приближённый
(усреднённый) характер. Существуют определённые закономерности, показывающие зависимость этих параметров от структуры древесины, которая, в свою очередь, определяется условиями произрастания и т. д. Значения модулей упругости
наиболее распространённых пород приведены в таблице 8 приложения.
Модуль упругости при нагружении древесины вдоль волокон примерно в
20-25 раз выше, чем поперёк. Модуль упругости в радиальном направлении поперек волокон в среднем выше на 20-50%, чем в тангенциальном.
Значения модулей упругости для коммерческих пород можно найти в таблицах Государственной системы стандартных справочных данных (ГСССД) «Древесина. Показатели физико-механических свойств малых образцов без пороков».
Коэффициенты поперечной деформации. При растяжении или сжатии
образца, кроме продольных деформаций, появляются и поперечные (образец не
30
только удлиняется или укорачивается, но и сужается или расширяется соответственно). Коэффициентом поперечной деформации (коэффициентом Пуассона)
называется отношение поперечной деформации к продольной:
µ=
где
ε1
,
ε
(22)
ε – деформация в направлении действия силы;
ε1 – деформация в поперечном направлении.
Таких коэффициентов шесть: µrа, µta, µаr, µtr, µat, µrt (таблица 9 приложения). Первый индекс у µ указывает направление поперечной деформации, а
второй – направление действия силы.
Модули сдвига древесины. Известно, что помимо нормальных напряжений в материале возникают ещё и касательные. Для упругого тела коэффициентом
пропорциональности между касательными напряжениями τ и угловой деформацией γ является модуль сдвига G. Обычно в справочной литературе приводятся данные о трёх модулях сдвига: Gra, Gta, Grt (таблица 10 приложения).
При длительном воздействии механических нагрузок, колебаний влажности и температуры проявляются так называемые реологические свойства древесины, т. е. её способность деформироваться под нагрузкой во времени.
Древесина, или материал клеточных стенок, в основном представляет собой
комплекс природных полимеров, имеющих длинные гибкие цепные молекулы. Такая особенность строения полимеров определяет особый характер их поведения
под нагрузкой и реологические свойства древесины. При приложении усилий к образцу такого материала могут возникнуть следующие виды деформаций: упругие –
вследствие обратимого изменения средних междучастичных расстояний; высокоэластичные, связанные с обратимой перегруппировкой звеньев цепей молекул (при
этом объём тела не изменяется); вязко-текучие, обусловленные необратимым смещением молекулярных цепей (объём тела при этом меняется).
Полимеры могут находиться в трёх физических состояния – стеклообразном,
высокоэластичном и вязко-текучем. Каждое из них характеризуется преобладающим типом деформаций. Переход из состояния в состояние происходит при изменении температуры, критические значения которой называются температурой
стеклования и температурой текучести. А при изменении влажности влияние температуры на развитие деформаций древесины во времени усиливается.
Поведение реальных тел можно описать при помощи соотношений, содержащих в общем случае напряжения, деформации и их производные во времени. Такие соотношения называют реологическими уравнениями, а параметры,
31
характеризующие материал, – реологическими коэффициентами, напряжения и
деформации – реологическими переменными.
Реологические коэффициенты можно получить в процессе двух основных
видов испытаний: на ползучесть и релаксацию. В первом случае ведётся наблюдение за значением деформации образца, возникающей под действием нагрузки,
мгновенно приложенной и неизменяемой в течение испытаний. Во втором случае образцу сообщается начальная деформация, которая во время испытаний
поддерживается постоянной. При этом значение напряжений снижается по сравнению с начальным. Кроме того, реологические испытания проводят при константной скорости возрастания напряжений или скорости деформации.
Реологические свойства древесины и особенности её деформирования
при различной последовательности силовых влажностных и температурных
воздействий учитываются при разработке режимов гидротермической (например для получения шпона) и механической (гнутьё, прессование) обработки,
консервирования, модифицирования древесины.
На основе исследований реологических свойств также выяснилось, что
при многократных циклических изменениях влажности древесины жёсткость и
прочность деревянных конструкционных элементов снижается. Это явление
получило название гигроусталость. По некоторым данным, уже после шести
циклов увлажнения сушки с амплитудой 8% (от 20% до 12%) при напряжениях
1,2 МПа модуль упругости снижается примерно на 30%.
32
Лекция 5. Текстура и проницаемость древесины жидкостями и газами
Текстура. Текстурой называют рисунок, образующийся на поверхности
древесины вследствие перерезания анатомических элементов. Чем сложнее
строение древесины и разнообразнее сочетание отдельных элементов, тем богаче текстура. Виды текстуры древесины:
1) без выраженного рисунка – липа, груша;
2) мелкокрапчатый рисунок – дуб, бук, чинара;
3) муаровый рисунок (возникает как бы при наложении двух линейчатых сеток) –
серый клён, волнистая берёза, красное дерево;
4) рисунок «птичий глаз» – ясень, клён, берёза карельская, тополь украинский;
5) раковинный рисунок – орех кавказский, ясень, карагач – комлевая часть;
6) сучковатый рисунок – ель, сосна.
В строении древесины хвойных пород принимает участие сравнительно
небольшое число типов упорядоченно расположенных анатомических элементов, которые создают однообразную текстуру.
У хвойных пород текстура зависит в основном от разницы в окраске ранней и поздней древесины, а также от ширины годичных слоёв. Извилистые
очертания годичных слоёв образуют более интересный рисунок на тангенциальном разрезе, особенно у лиственницы (рисунок 12, а) и тиса.
Для древесины лиственных пород со сложным строением характерно наличие видимых невооруженным глазом крупных сосудов (ясень, бархатное дерево, дуб и др.), сердцевинных лучей, обычно окрашенных темнее, чем
окружающая древесина (бук, ильм, платан и др.), неправильно расположенных
волокон и т. д. Это создаёт более богатую текстуру.
Выбор направления разреза древесины определяет характер текстуры. Из
отечественных лиственных пород на радиальном разрезе красивую текстуру,
обусловленную наличием сердцевинных лучей, имеют бук, платан, клён, явор,
дуб, карагач, ильм (рисунок 12, б). Три последние кольцесосудистые породы
ценятся своей текстурой и на тангенциальном разрезе.
Помимо этих пород, на тангенциальном разрезе красивую текстуру, образованную в основном перерезанными сосудами, имеют ясень, грецкий орех, бархатное дерево, каштан съедобный, вяз. Путаное расположение волокон (свилеватость)
создаёт отличающуюся высокими декоративными свойствами текстуру древесины
капов (наростов) на стволах деревьев лиственных пород. Так называемая узорчатая
древесина наблюдается у карельской берёзы (рисунок 12, в). Выразительна волнистая текстура ясеня маньчжурского (рисунок 12, г).
33
Древесина капов, образующихся на стволах деревьев лиственных пород,
имеет высокие декоративные свойства. Весьма оригинальна текстура древесины
клёна типа «птичий глаз» – аномальная древесина белого клёна, которую создают
не развившиеся в побег «спящие» почки. Своеобразная и красивая текстура создаётся и искусственным путём при неравномерном прессовании древесины и последующем её строгании, или при лущении волнистым ножом, или под углом к
направлению волокон. При прозрачной отделке древесины её текстура проявляется
сильнее. Лаковое покрытие, имеющее близкий к древесине коэффициент преломления света, увеличивает прозрачность поверхностных слоёв и способствует зрительному восприятию глубины текстуры. Таким образом, текстура является
важнейшим показателем, который определяет декоративную ценность древесины.
Рисунок 12 – Текстура древесины:
а – лиственницы (тангенциальный разрез); б – ильма (радиальный разрез);
в – карельской берёзы; г – ясеня маньчжурского (волнистая)
Хорошая проницаемость древесины жидкостями и газами связана с
особенностью строения древесины – наличием системы капилляров, включающей в себя полости клеток, отверстия в мембранах пор и субмикроскопические
каналы в клеточных стенках. Именно они и являются причиной того, что древесина способна пропускать жидкости и газы. Различные части ствола дерева и
разные породы имеют разное гидравлическое сопротивление, поэтому их проницаемость отличается иногда весьма существенно.
34
Влагопоглощение. Способность древесины вследствие её гигроскопичности поглощать влагу (пары воды) из окружающего воздуха называется влагопоглощением. При влагопоглощении внутри клеточных стенок образуется
адсорбционная вода, находящаяся в плёночном состоянии. Адсорбционная вода
отличается от обычной воды; она похожа по упругим свойствам на твёрдое тело, неэлектропроводна, по диэлектрической проницаемости близка к древесине,
а по теплоёмкости ко льду. Кроме явления адсорбции происходит также конденсация паров воды в микроуглублениях на поверхности клеточной стенки и
образуется микрокапиллярная вода.
Влагопоглощение практически не зависит от породы; у ядра и заболони
оно примерно одинаково. По сорбционной способности кора мало отличается
от древесины. Влажность измельчённой древесины, которая может быть достигнута в процессе влагопоглощения при разной температуре, определяется по
диаграмме, показанной на рисунке 5.
Способность к поглощению влаги является отрицательным свойством
древесины. Сухая древесина, помещённая в очень влажную среду, сильно увлажняется, что ухудшает её физико-механические характеристики, снижает
биостойкость и т. д. Создаваемые на поверхности деталей и изделий из древесины декоративные покрытия из лакокрасочных и плёночных материалов выполняют также влагозащитные функции. Однако более радикальным средством
уменьшения гигроскопичности древесины является её модификация путём пропитки искусственными смолами.
Водопоглощение. Способность древесины, имеющей пористое строение,
поглощать капельно-жидкую влагу называется водопоглощением. Древесина
поглощает воду при непосредственном контакте с ней. В древесине сначала
увеличивается количество связанной, а затем, при достижении предела гигроскопичности, и свободной влаги.
Максимальная влажность древесины в этом случае определяется суммой
наибольшего количества связанной воды (предела насыщения клеточных стенок)
и количества свободной воды, которое зависит от объёма пустот в древесине. Поэтому чем больше плотность древесины, тем меньше её максимальная влажность.
Максимальная влажность, %, может быть определена по формуле
Wmax = Wп.н. +
где
(ρд.в. − ρ0 ) ⋅ ρв ⋅ 100% ,
ρд.в. ⋅ ρ 0
Wп.н. – предел насыщения клеточных стенок;
ρд.в. – плотность древесинного вещества;
ρ0 – плотность древесины в абсолютно сухом состоянии;
ρв – плотность воды.
35
(23)
Если не известно значение Wп.н., то максимальную влажность, %, можно
вычислить по другой формуле
Wmax =
(ρд.в. − ρб ) ⋅ ρв ⋅ 100% ,
ρд.в. ⋅ ρб
(24)
ρб – базисная плотность древесины.
Расчётные значения Wmax для отечественных пород находятся в диапазоне
100...270%. Они несколько выше найденных экспериментально, т. к. не все пустоты внутри древесины заполняются водой из-за наличия смолы, закупорки сосудов тиллами и т. д.
Водопоглощение зависит от породы древесины, начальной влажности,
температуры, размеров и формы древесины. Чем меньше плотность древесины,
т. е. чем больше объём полостей, которые могут быть заполнены водой (свободной влагой), тем больше водопоглощение. Чем больше плотность древесины, тем меньше водопоглощение. Водопоглощение ядра меньше, чем заболони,
поэтому ядро суше заболони.
Способность древесины поглощать воду, а также другие жидкости имеет
значение в процессах варки древесины для получения целлюлозы, при пропитке растворами антисептиков и антипиренов, при сплаве лесоматериалов и в ряде других случаев.
Способность древесины пропускать жидкости оценивают водопроницаемостью, т. е. в качестве проникающей жидкости при испытаниях используют воду, а для оценки газопроницаемости – воздух или азот.
Водопроницаемость древесины (также, как и другие свойства) существенно зависит от направления относительно волокон. Совершенно естественно,
что вдоль волокон проницаемость значительно выше, чем поперёк. Ядро или
спелая древесина пропускают воду меньше, чем заболонь. Наличие сердцевинных лучей облегчает проникновение жидкости в поперечном направлении. Эти
два обстоятельства приводят к тому, что клёпку для дубовых наливных бочек
делают исключительно из ядра и используют при этом только радиальный распил (из-за отсутствия выходов на пласты сердцевидных лучей).
Водопроницаемость у лиственных пород в несколько раз больше, чем у
хвойных. Во многом это определяется наличием в ядре хвойных большого количества смолистых и других экстрактивных веществ, затрудняющих или вовсе исключающих возможность перемещения воды по микрокапиллярам. Для одних целей
это хорошо, а для других – плохо. Для того чтобы обеспечить надёжное антисептирование, проводят обессмоливание. Обессмоливание, которое делают перед окончательной отделкой древесины (нанесением лакокрасочного покрытия), имеет
где
36
другую цель – повысить адгезию покрытия с поверхностью детали (адгезия – это
сила притяжения молекул различных материалов, подобная магнитной силе). Обработка спиртобензолом применяется в основном для сосны и кедра, реже – для ели
и лиственницы. Древесину пихты обрабатывают металлом или ацетоном. Пропитываемость защитными жидкостями при этом улучшается в несколько раз.
По способности пропитываться защитными средствами отечественные породы можно разбить на три группы: легко пропитываемые, умеренно пропитываемые и трудно пропитываемые. К первой группе относятся заболонь сосны,
берёзы и бука. Ко второй группе – заболонь граба, дуба, клёна, лиственницы европейской, липы, ядро сосны, кедр, ольха. К третьей – ель, лиственница сибирская, пихта, спелая древесина бука, ядро ясеня, лиственницы европейской.
Для облегчения проникновения защитных средств в древесину трудно
пропитываемых пород применяют накалывание брёвен, ультразвуковую обработку, пропитку под давлением.
Газопроницаемость древесины определяет одно из самых привлекательных её свойств как конструкционного материала для строительства домов –
способность «дышать». Также, как и для жидкостей, проницаемость древесины
вдоль волокон в десятки раз больше, чем поперёк. При этом проницаемость
древесины сосны для газов в радиальном направлении больше, чем в тангенциальном в 2-5 раз, ели – в 10 раз.
Наибольшая газопроницаемость среди хвойных пород зафиксирована у
заболони сосны, несколько меньше – у кедра и лиственницы. Весьма малая
способность пропускать газы обнаружена у древесины ели.
Защитно-декоративные покрытия изделий из древесины существенно снижают её воздухопроницаемость, однако испытания показывают, что окрашенные
образцы заболони сосны сохраняют заметную способность пропускать воздух.
Методы измерения водопроницаемости и газопроницаемости разработаны В. А. Баженовым. Показатели водопроницаемости – количество воды (см3),
прошедшее через образец диаметром 47 мм и высотой 20 мм в течение одних
суток под действием гидростатического давления 0,01 МПа, и максимальная
влажность образца.
Воздухопроницаемость древесины определяется количеством воздуха
(см3, при нормальном давлении), прошедшего через один см2 поверхности образца диаметром 47 мм и высотой 20 мм за одну секунду при определённом перепаде давления. Так, например, воздухопроницаемость заболони сосны
составляет 0,0562 см3/(см2·с), тогда как ядра дуба (радиальное направление) она
составят 0,00013 см3/(см2·с), при перепаде давления 0,1 МПа.
37
Испытания древесины на газопроницаемость требуют значительно меньше времени, чем испытания на проницаемость жидкостями. Между этими свойствами наблюдается тесная корреляционная связь, и поэтому определение
газопроницаемости часто используют для оценки способности древесины пропитываться растворами антисептиков (антисептики – химические вещества,
токсичные для грибов и насекомых), антипиренов (антипирены – химические
вещества, препятствующие возгоранию), варочными растворами при получении
целлюлозы и т. п.
38
Лекция 6. Тепловые и электрические свойства древесины
При оценке материала, используемого в строительстве, учитываются его
проводимость и изоляционные свойства по отношению к теплу, электричеству
и звуку.
Тепловые свойства древесины – это теплоёмкость, теплопроводность,
температуропроводность, тепловое расширение, теплота сгорания.
Теплоёмкость – способность древесины аккумулировать тепло. За показатель
теплоемкости принята удельная теплоёмкость с – количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг массы древесины на 1°C. Она измеряется в кДж/(кг·град).
Сухая древесина представляет собой древесинное вещество и воздух,
причем массовая доля воздуха в ней незначительна. Поэтому теплоёмкость сухой древесины практически равна теплоёмкости древесинного вещества.
Удельная теплоёмкость древесины практически не зависит от породы и при
температуре 0°C для абсолютно сухой древесины равна 1,55 кДж.
С повышением температуры удельная теплоёмкость несколько возрастает
и при температуре 100°C увеличивается примерно на 25%. При увлажнении
древесины её теплоёмкость увеличивается.
Теплоизоляция древесины, вследствие её пористости, очень хорошая. Так
1 см сосновой древесины даёт такую теплоизоляцию, как 16 см бетона или
5,1 см кирпича, а по стоимости рассматриваемый материал значительно дешевле. Кроме того, стены из дерева могут «накаливать» тепло и распределять его
по всему объему помещения, что очень важно в зимний период. Процесс переноса тепла в древесине характеризуется двумя показателями – коэффициентом
теплопроводности и коэффициентом температуропроводности.
Коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты,
которое проходит в единицу времени через стенку из древесины площадью 1 м2
и толщиной 1 м при разности температур на противоположных сторонах стенки
в 1°C. Он измеряется в Вт/(м·град) или Вт/(м·К). В таблице 12 приложения
представлена теплопроводность древесины разных пород.
Коэффициент температуропроводности (м2/с) характеризует скорость изменения температуры древесины при её нагревании или охлаждении. Он определяет тепловую инерционность древесины, т. е. её способность выравнивать
температуру. Коэффициент температуропроводности рассчитывают по формуле
α=
где
λ
,
с⋅ρ
λ – коэффициент теплопроводности;
с – удельная теплоёмкость древесины.
39
(25)
При нагревании твёрдых материалов, в том числе и древесины, происходит увеличение их объёма. Коэффициент линейного теплового расширения α/
показывает, насколько изменяется единица длины тела при нагревании его на
1°С. Наименьший α/ в направлении вдоль волокон; величина его для сухой древесины колеблется в пределах (2,5…5,4)·10-6 1/оС. Тепловое расширение поперёк волокон значительно больше (иногда в 10…15 раз), чем вдоль волокон,
причём в тангенциальном направлении оно обычно в 1,5…1,8 раза выше, чем в
радиальном. Коэффициент линейного теплового расширения вдоль волокон
древесины составляет 1/10…1/3 коэффициента теплового расширения стекла,
бетонов и металлов.
Теплота сгорания – это количество тепла, выделяющееся при полном сгорании 1 кг древесины. Она практически не зависит от породы, т. к. элементарный химический состав древесины различных пород примерно одинаков. У абсолютно
сухой древесины теплота сгорания колеблется в пределах 19,6-21,4 МДж/кг, причём у хвойных пород она несколько выше, чем у лиственных. Есть и другая характеристика, которая определяет качество дров различных пород древесины – теплота
сгорания единицы объёма древесины. Поскольку плотность древесины у разных
пород различна, то и этот параметр существенно зависит от плотности. По этой
причине берёзовые дрова лучше еловых и сосновых.
Горение – процесс термического разложения древесины, состоящий из
пламенной фазы и тления, при котором происходит движение кислорода в толщу древесины. Горение наблюдается только в случае достаточного притока кислорода и когда теплота сгорания не рассеивается, а расходуется на прогрев
других участков до температуры воспламенения, «калорийность» древесины
имеет решающее значение для процесса горения.
Температура воспламенения, т. е. момент вспышки горючих газов, для различных пород древесины составляет 250-300°С, а сам процесс воспламенения связан с объёмным весом, влажностью, мощностью внешнего источника нагрева,
формой сечения деревянного элемента, скоростью воздушного потока (тяги), положением элемента в потоке (горизонтальное или вертикальное) и т. д. Легко воспламеняется сухая и лёгкая древесина, трудности возникают с мокрой древесиной, т. к.
в данном случае необходимо израсходовать дополнительную энергию на испарение
влаги. Повышенная теплопроводность мокрой древесины способствует тому, что
поверхностный слой быстро охлаждается и температура понижается ниже температуры воспламенения. Показано, что круглые и массивные элементы горят хуже, чем
более мелкие, не струганные элементы с прямоугольным сечением с острыми рёбрами и развитой боковой поверхностью (в быту используется щепа для растопки).
40
Длительный нагрев древесины при температуре 120-150°С приводит к
обугливанию с образованием самовоспламеняющегося на воздухе угля, опасного для незащищённых деревянных элементов. Наивысшая температура горения
древесины теоретически составляет 1550°С, однако из-за потерь в топке реальная температура горения не превышает 1100°С.
В отличие от каменного угля и нефти, древесина в процессе горения не
образует сернистых соединений, загрязняющих окружающих среду.
В качестве огнезащитных материалов используются различные материалы: аммофос – белый кристаллический порошок, представляющий собой аммониальные соли фосфорной кислоты, сернокислый аммоний (технический),
диаммонийсфат (технический), не вызывающие коррозии стали; растворы фтористого натрия; водные растворы солей (фосфорнокислые, сернокислый аммоний и т. п.); огнезащитные силикатные и др. краски; обмазки суперфосфатом и
т. д. Данные обработки задерживают возгорание, но при высоких температурах
древесина под веществом обработки подвергается сухой перегонке с выделением продуктов разложения, которые выходят наружу с выпучиванием, образуя
пену или пузыри, увеличивая объём материала обработки. Горение газовых
струй наблюдается в отдалении от древесины, уменьшается подогревающее
действие пламени, замедляется скорость распада древесины.
Электрические свойства древесины
Электропроводность, т. е. способность проводить электрический ток, находится в обратной зависимости от электрического сопротивления [9], это показывают и многочисленные исследования электрических свойств древесины.
Существуют понятия поверхностного и объёмного сопротивления, которые в
сумме дают полное сопротивление образца древесины, размещённого между
двумя электродами. Объёмное сопротивление характеризует препятствие прохождению тока сквозь толщу образца, а поверхностное – по поверхности.
Наибольшее значение для характеристики электропроводности материала
имеет первый вид сопротивления, показателем которого служит удельное объёмное
сопротивление ρV, имеющее размерность Ом·см и численно равное сопротивлению
при прохождении тока через две противоположные грани кубика размерами
1×1×1 см из данного материала (древесины). По значениям объемного сопротивления древесина относится к диэлектрикам (ρV = 108…1017 Ом·см).
Исследования показали, что сухая древесина плохо проводит ток, но с повышением влажности её сопротивление уменьшается. Это видно из данных, представленных в таблице 13. Снижение поверхностного сопротивления происходит при
увеличении влажности. Например, при увеличении влажности бука от 4,5 до 17%
поверхностное электрическое сопротивление уменьшается с 1,2·1013 до 1·107 Ом·см.
41
Кроме того, в результате исследований установлено, что снижение электрического сопротивления древесины происходит при её нагревании, особенно
при её низкой влажности. Так, увеличение температуры от 20 до 94°C снижает
сопротивление абсолютно сухой древесины в 106 раз.
Электрическое сопротивление древесины вдоль волокон меньше в несколько раз, чем поперёк волокон (таблица 14,15) и уменьшается при увеличении влажности. Сухая древесина имеет очень малую электропроводность, т. е.
большое сопротивление.
Электрическая прочность древесины имеет значение при оценке древесины как электроизолирующего материала. Показателем электрической прочности служит напряжённость электрического поля в древесине Епр,, равная
отношению пробивного напряжения к толщине материала (часто в кВ/мм).
Электрическая прочность древесины невысокая и зависит от породы,
влажности, температуры и направления волокон (таблица 17 приложения). Для
повышения электрической прочности древесины и снижения электропроводности при использовании её в качестве изолятора производят пропитку трансформаторным маслом, парафином, искусственными смолами.
Древесина, находящаяся в переменном электрическом поле, проявляет
свои так называемые диэлектрические свойства, которые характеризуются двумя показателями: диэлектрической проницаемостью ε (таблица 16 приложения)
и тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ, определяющим долю подведённой мощности, которая вследствие дипольной поляризации древесины поглощается ею и превращается в теплоту. При этом вектор тока опережает вектор
напряжения на некоторый угол, меньший, чем 90°. Угол δ, дополняющий угол
сдвига фаз до прямого, и называется углом диэлектрических потерь. Чем больше рассеиваемая мощность, тем больше угол δ.
С повышением влажности древесины диэлектрическая проницаемость
увеличивается, т. к. ε воды равняется 81. При постоянной влажности древесины
увеличение частоты приводит к снижению диэлектрической проницаемости.
Тангенс угла диэлектрических потерь древесины зависит от её плотности
и температуры. Т. к. потери в древесинном веществе значительно выше, чем в
воздухе, с увеличением плотности древесины tgδ возрастает, tgδ вдоль волокон
примерно в 2 раза больше, чем поперёк (разница между тангенциальным и радиальным направлением практически не наблюдается). Повышение частоты
влияет на величину tgδ.
При воздействии на древесину СВЧ (сверхвысоких частот), например
f = 1010 Гц, наблюдается повышение температуры образца, поэтому данное яв42
ление используется в процессах сушки, склеивания, пропитки и др. При расчёте
сушильных установок, применяющих микроволновую сушку в поле СВЧ (диэлектрическая сушка), используют коэффициент потерь: К = ε·tgδ, показатель,
который можно определить на основании калориметрического измерения поглощаемой мощности и увеличивается с повышением влажности и температуры. Продолжительность диэлектрической сушки в десятки раз меньше
атмосферной и конвективной.
Явление электромагнитной индукции, где э.д.с. индукции возникает в
сетке из стали, также используется для сушки древесины. Однако этот вид сушки имеет высокую себестоимость и неудовлетворительное качество (большие
внутренние напряжения из-за неоднородности просыхания древесины).
В случае сушки дорогих материалов и заготовок из трудносохнущих пород древесины более эффективно использовать комбинированные конвективнодиэлектрическую и вакуумно-диэлектрическую сушки. За счёт нагрева древесины в поле ТВЧ достигаются незначительные перепады температур по сечению (2-5°С), небольшой перепад влажности по толщине материала, при
пониженном давлении кипение воды в древесине наблюдается при более низких, чем 100°С, температурах, что также способствует сохранению качества.
Методы измерения влажности зачастую связаны с электрическими свойствами древесины. Например, у кондуктометрических электровлагомеров марок ЭВ-1,
ЭВА-1, ЭВ-2К рабочей частью является датчик, представляющий собой ручку с
тремя металлическими иглами и с подведёнными к ним электропроводами, которые
соединены с прибором. Рукоятку с иголками датчика вкалывают или забивают в
боковую (не торцовую) поверхность образца так, чтобы иголки были направлены
вдоль годичных слоёв древесины. Затем пускают ток, под действием которого
стрелка измерителя сопротивления на шкале прибора (или на дисплее) покажет
влажность древесины в процентах. Влажность определяется на глубине 10 мм.
Достоинства измерения влажности электровлагомером – оперативность и
быстрота определения влажности и возможность проверки влажности лесоматериала или изделия из древесины любого размера. Недостатками являются:
определение влажности только в месте контакта датчика с древесиной и очень
невысокая точность измерения. При влажности до 30% погрешность измерения
составляет ±1,5%, а при влажности древесины более 30% – ещё выше.
Известны также емкостные электровлагомеры, в которых по ёмкости
конденсатора с диэлектриком из древесины, в сравнении с ёмкостью такого же,
но воздушного конденсатора, судят о диэлектрической проницаемости древесины, которая зависит от влажности:
43
• индуктивные электровлагомеры, в которых о влажности судят по индуктивности катушки самоиндукции или добротности колебательного контура с
сердечником из влажной древесины;
• радиочастотные влагомеры, которые измеряют диэлектрические потери, зависящие от влажности древесины и др.
Пропитка древесины различными веществами изменяет электрические
характеристики древесины: минеральные антисептики (хлористый цинк) –
уменьшает удельное сопротивление; парафин, олифа и искусственные смолы –
увеличивают электрическую прочность.
Явление возникновения под действием механических напряжений на
поверхности диэлектриков электрических зарядов – прямой пьезоэлектрический эффект (наблюдается у кварца, турмалина, сегнетовой соли и др.) и изменение размеров образца под воздействием электрического поля – обратный
пьезоэлектрический эффект (кварц и др.) было обнаружено и у сухой древесины (В. А. Баженов [7]). При увеличении влажности до 6-8% эффект исчезает.
Причём наибольший эффект наблюдали при нагружении растяжением и сжатием, если нагрузка составляла с волокнами угол 45°. Нагрузки вдоль волокон
эффекта не дают. С увеличением температуры до 100°С показатели эффекта
увеличиваются. Отмечается, что при увеличении модуля упругости у древесины эффект меньше.
Предполагается [7], что пьезоэлектрический эффект (прямой и обратный)
можно использовать для исследования тонкой структуры и контроля сухой древесины не разрушающими её методами; для количественной оценки ориентации волокон целлюлозы, оценки анизотропии натуральной древесины и иных
древесных материалов.
44
Лекция 7. Акустические (звуковые) свойства древесины
Звуковые (акустические) волны с частотами от 16 Гц до 20 Гц (границы
условны и для различных людей разные) распространяются в среде и воспринимаются органом слуха человека. В жидкости или в газах это продольные волны,
т. к. данные среды обладают упругостью лишь по отношению к деформациям
растяжения-сжатия, а в твёрдых телах возможны и деформации сдвига, поэтому
волны могут быть как продольными, так и поперечными.
Звукопроводностью называется свойство материала пропускать звук
сквозь свою толщу. Для древесины она характеризуется скоростью распространения звука С и определяется как и для изотропных твёрдых тел, по формуле
С=
Е
ρ
,
(26)
где
Е – динамический модуль упругости древесины;
ρ – плотность древесины.
Скорость распространения звука зависит от плотности материала, например в стали звук распространяется со скоростью 5050 м/с, в свинце – 1200 м/с, в
воздухе – 330 м/с, в каучуке – 30 м/с.
Из формулы (25) видно, что скорость звука увеличивается с уменьшением
плотности древесины и увеличением жёсткости, т. е. модуля упругости.
Скорость распространения звука в древесине зависит и от направления
волокон. Вдоль волокон этот показатель в среднем равен 5000 м/с, поперёк волокон в радиальном направлении – 1995 м/с (в 3-4 раза меньше, чем вдоль волокон), в тангенциальном – 1500 м/с. Средние значения скорости звука вдоль
волокон для комнатно-сухой древесины дуба составляют 4720 м/с, для ясеня –
4730 м/с, для сосны – 5360 м/с, для лиственницы – 4930 м/с.
Звукопроводность древесины вдоль волокон в 16 раз, а поперёк волокон –
в 3-4 раза больше, чем воздуха. При устройстве деревянных полов, потолков, перегородок для улучшения звукоизоляции приходится применять звукоизолирующие
материалы. Повышение влажности древесины понижает её звукопроводность.
Важной характеристикой древесины при оценке её способности отражать
и проводить звук является акустическое сопротивление, Па·с/м:
R = ρ ⋅С .
(27)
Этот показатель древесины камерной сушки вдоль волокон в среднем равен 30·105 Па·с/м. Для сравнения: воздух имеет акустическое сопротивление
429 Па·с/м, каучук – 3·103 Па·с/м, сталь – 393·103 Па·с/м.
45
Относительное уменьшение силы звука называется коэффициентом звукопроницаемости. Этот коэффициент для сосновой перегородки толщиной
3 см составляет 0,065, для дубовой перегородки толщиной 4,5 см – 0,002.
При прохождении звука через древесину часть звуковой энергии поглощается ею вследствие внутреннего трения. Характеризуется это явление коэффициентом звукопоглощения, который представляет собой отношение
звуковой энергии, теряемой в материале, к падающей на материал звуковой
энергии. Коэффициент звукопоглощения сосновой перегородки толщиной
19 мм находится в пределах 0,081-0,110.
По существующим строительным нормам звукоизоляция стен и перегородок должна быть не ниже 40 дБ, а междуэтажных – 48 дБ. Согласно данным
исследований, звукопоглощающая способность древесины низка, например звукоизоляция сосновой древесины при толщине 3 см составляет 12 дБ, а дубовой
при толщине 4,5 см – 27 дБ.
Древесина широко применяется для изготовления дек музыкальных инструментов (ель, сосна, пихта кавказская, кедр сибирский, клён). Такая древесина
усиливает звук без искажения тона, то есть резонирует.
Показателем, характеризующим резонансную способность древесины,
служит акустическая постоянная, или акустическая константа К (м4/кг·с),
предложенная академиком Н. Н. Андреевым [14]:
К=
Е
ρ3
.
(28)
Для современной древесины акустическая константа имеет величины от 9,5
до 14 ед. Лучшая акустическая древесина имеет максимальные значения К. Наибольшую величину акустической константы имеют древесины ели, пихты, кедра
(около 12 м4/кг·с). Резонансная древесина должна иметь ширину годичных слоёв от
1 до 4 мм, а содержание поздней древесины – от 5 до 30%. Она должна быть равнослойной, не содержать сучков, пороков строения, особенно крени и наклона волокон. Хотя итальянские мастера скрипок использовали древесину с хорошими
акустическими свойствами даже с дефектами, т. к. их отличало очень бережное отношение к качественной древесине. Они открыли, что конструкция инструмента
подчиняется решающему фактору – качеству древесины.
В настоящее время резонансные породы древесины относятся к уникальному природному сырью, стоимость сертифицированных заготовок которого на
мировом рынке составляет от 1000 до 1500 долларов за 1 м3.
Исследование, проведённое в начале 20 века на территории России по
поиску резонансной древесины, показало, что лучшими резонансными свойст46
вами обладают ели, произрастающие в северных районах России, например в
европейской части – в Архангельской и Вологодской областях. Суровые климатические условия и густые насаждения, а также содержание в почве серебра
благоприятно влияют на свойства такой древесины.
Отличительные признаки резонансной ели: абсолютно вертикальный ствол
с цилиндрической поверхностью и бессучковой зоной не менее 5-6 метров; симметричная, узкая и остроконечная крона; отсутствие видимых пороков и повреждений; кора серого цвета, состоящая из малых и гладких чешуек
(последнее – по мнению французских мастеров). Резонансная еловая древесина
очень хорошо строгается и циклюется по слою, срез чистый и глянцеватый.
При отборе резонансной древесины для изготовления музыкальных инструментов в диагностике используют способы, которые основаны на измерении
плотности и модуля упругости, скорости ультразвука, потерь энергии на внутреннее трение (диссипацию) и декремента затухания [15].
Для определения модуля упругости Е используется формула (25), из которой следует:
Е = ρ12 ⋅ С 2 ,
где
(29)
ρ12 – плотность древесины при влажности 12%;
С – скорость звука.
Импульсно-звуковой метод позволяет определить скорость звука и акустическую константу для образца длиною l, в котором сигнал распространяется
за время t:
l
С = ; К=С.
t
ρ
(30)
Использовались различные конусные насадки, радиальное направление
определения скорости менялось на продольное. Показано, что вдоль полена
скорость ультразвука определяется с меньшим разбросом и что тангенциальное
направление древесины как анизотропного материала оказывается наименее
вариабельным. Предлагается данный способ определения скорости ультразвука
использовать поставщикам резонансной древесины для сертифицирования поленьев, высушенных после расколки резонансных кряжей.
Другими исследованиями установлено, что наилучшие акустические
свойства в части наибольшего излучения звука имеет древесина ели, кавказской
пихты и сибирского кедра, которая используется для изготовления многих музыкальных инструментов: щипковых, смычковых, клавишных и др.
47
На данных, полученных при исследованиях акустических свойств древесины, построен ультразвуковой метод определения её прочности и внутренних
скрытых дефектов.
При изготовлении музыкального инструмента высокого качества рекомендуется использовать старую древесину, которая должна быть выдержана в
течение десятков или даже сотен лет. Установлено [17, 18], что «старая древесина способна создавать более стабильные звуковые спектры при изменении
условий внешней среды». Утверждается, что плотность древесины, модуль упругости, акустическая константа меняются циклически по синусоидальному закону в зависимости от года рубки, т. е. от возраста срубленной древесины
(рисунок 20). Данная синусоидальная зависимость, в свою очередь, обусловлена циклами солнечной активности. Линейная зависимость жёсткости (модуля
упругости) от плотности древесины у старой и современной древесины различна, и при равной плотности жёсткость старой древесины выше.
Год рубки древесины
Рисунок 13 – Связь плотности древесины ели с возрастом
Деки музыкальных инструментов при изготовлении из старой и современной древесины, настроенные на определённую частоту, будут иметь разную
толщину и массу (меньшая у старой древесины). Уменьшение массы влечёт за
собой уменьшение инертности и увеличение коэффициента затухания, а значит,
звучание конкретной ноты становится более компактным. Скрипачка Галина
Баринова приводит сравнение звучания скрипок «Страдивари» и современной:
«При исполнении быстрых пассажей скачущим смычком (приём «рикошет»)
звуки из скрипки Страдивари сыплются как горошины, а у современных инструментов каждая такая горошина как бы имеет хвостик». Таким образом, по
мнению музыканта, у современной скрипки последующий звук накладывается
на ещё не отзвучавший предыдущий. С точки зрения физики, это легко объяснить именно разными значениями декремента затухания.
48
В середине 20 века А. В. Римский-Корсаков предложил оценивать древесину с конкретным значением акустической константы К по показателю потенциального излучения [19]:
КП =
1
Е
δ
ρ3
где
=
1
δ
К,
(31)
δ – декремент затуханий.
У современной древесины с увеличением жёсткости декремент затухания
экспоненциально убывает, а у старого материала, помимо того, что значения δ
выше на 15-42%, зависимость от жёсткости более сложная (с минимумами и
максимумами). Большие значения декремента способствуют более равномерному и непрерывному спектру частот звукового диапазона излучения деки и
снижают излучение высоких частот. В спектре излучения старого инструмента
и в субъективных ощущениях слушателей зона 1,2 кГц становится преобладающей. Музыканты в таком случае говорят о наличии у инструмента «глубокого итальянского тембра» и повышенной «носкости» звука, т. е. способности
покрывать всё пространство зала и выделяться на фоне большого оркестра.
49
Лекция 8. Воздействие излучений и иных факторов на древесину
К свойствам, определяющим внешний вид древесины, относится её цвет,
т. к. древесина поглощает падающее световое излучение оптического диапазона
избирательно. От спектрального состава отражённого ею светового потока зависит определённое зрительное ощущение, называемое цветом.
Обычно для характеристики цвета древесины используют словесные описания, в основе которых лежат зрительные образы или символические понятия.
Однако этому свойству древесины можно дать количественную оценку, используя методы колориметрии (от лат. color – цвет) – науки о цветовых измерениях. Достаточно установить численные значения трёх показателей: цветового
тона, чистоты и светлоты.
Цветовой тон определяется длиной волны λ чистого спектрального цвета. Для ядровой древесины она равна 581,1 нм, для заболони – 579 нм. Обычно
цвета окружающих нас предметов более или менее блёклые, т. к. чистые спектральные цвета разбавлены белым. Чистота цвета Р, которая выражает степень этого разбавления, может изменяться от нуля до 100%. Чистота цвета
ядровой древесины составляет 51,6%, заболонной части – 47%. Светлота (коэффициент отражения ρ) древесины ядровой части 49% (или 0,49), заболони –
68,6% (0,686). Для белых поверхностей, отражающих максимальное количество
световой энергии, коэффициент отражения близок к единице (100%), для чёрных – стремится к нулю (0%).
Целлюлоза – основное вещество, из которого состоит древесина, – почти
белого цвета. Всё многообразие цветовых оттенков древесины придают ей вещества, заключённые в полостях клеток или пропитывающие их стенки – красящие и
дубильные вещества, смолы и продукты их окисления. Древесина пород умеренного пояса окрашена бледно, а древесина пород тропического пояса имеет очень
яркую окраску, интенсивность которой увеличивается с возрастом, что особенно
заметно для ядровых пород. В оптимальных условиях роста для данной породы её
окраска бывает более яркой. Цвет многих пород настолько характерен, что может
служить одним из признаков при их распознавании. Изменение цвета древесины
чаще всего указывает на поражение её грибами.
Цвет древесины зависит от климатических условий произрастания дерева. В умеренном климате древесина почти всех пород окрашена бледно, а в
тропическом имеет яркую окраску. Влияние климатического фактора сказывается и в пределах одного пояса, например породы, произрастающие в более тёплых зонах, – дуб, орех, тис, имеют интенсивную окраску, а произрастающие
50
севернее – ель, сосна, осина, берёза, окрашены бледно. С увеличением возраста
дерева интенсивность усиливается. Изменение цвета древесины происходит
под влиянием воздуха и света, а также от воздействия грибных поражений; при
выдержке древесины в воде или в специальных растворах; при пропаривании и
высокотемпературной сушке. Древесина многих пород изменяет цвет при выдержке под влиянием воздуха, воды и света. Так, в речной воде древесина дуба
сильно темнеет в результате соединения дубильных веществ с солями железа.
Этой же причиной объясняется и появление на поверхности дубовых пиломатериалов чёрных полос и пятен при распиловке сырой древесины. Заболонь сосны после сплава иногда приобретает жёлтую окраску, а древесина берёзы –
оранжевую. При пропаривании древесина бука довольно равномерно окрашивается в красноватый цвет. После высокотемпературной сушки у древесины
хвойных пород появляется буроватая окраска.
Цвет древесины является важной характеристикой и учитывается при выборе пород для изготовления мебели, отделки интерьеров, при производстве
художественных поделок, музыкальных инструментов и т. д.
Блеск. Под блеском древесины понимают её способность направленно
отражать световой поток. Наибольший блеск наблюдается при освещении зеркальных, т. е. почти идеально гладких поверхностей. В отличие от них, матовые
поверхности, имеющие однородные неровности, отражают световой поток
диффузно, т. е. равномерно во все стороны. Поверхности даже самым тщательным образом обработанной древесины приближаются к матовым и могут характеризоваться коэффициентом диффузного отражения (белизной).
Если на продольных разрезах древесины встречаются участки со сравнительно небольшими структурными неровностями, то появляются блики, отсветы. Такой способностью обладают сердцевинные лучи на радиальных разрезах
(раскола древесины клёна, платана, бука, ильма, дуба, кизила, белой акации).
Шелковистый блеск свойственен древесине бархатного дерева. Из иноземных
пород особенно заметным блеском отличается древесина атласного дерева и
махагони (красное дерево).
Как правило, блеск древесины оценивается по белизне – коэффициенту
диффузного отражения света, с помощью блескомера ФБ-2. Чем больше белизна древесины, тем выше показатель блеска.
Рассмотреть истинный цвет древесины и рисунок её поверхности без изменения текстуры позволяют различные методы обработки: зачистка поверхности, удаление древесного ворса, крашение, термомеханическая обработка
подложек, применение порозаполняющих составов, напрессовка прозрачных
51
плёнок, лакирование. Последнее применяется в обязательном порядке во всех
перечисленных методах, что позволяет защитить поверхность древесины от
внешних воздействий и придать изделию декоративность. При нанесении лака
на древесину он заполняет все её неровности и делает поверхность гладкой.
Свет отражается преимущественно от границы лак-воздух и в меньшей степени
от границы лак-древесина. Показатель преломления воздуха практически равен
единице, у лаков он равен 1,530-1,566, а у древесины – 1,52-1,55. В соответствии с законом Френеля от границы раздела двух сред отражается тем больше
света, чем больше величина относительного показателя преломления, поэтому
при покрытии поверхности древесины лаком на границе лак-древесина количество отражённого света уменьшается. Древесина под лаком воспринимается
блестящей и более тёмной, текстура более отчётлива. В случае пористой древесины лак способствует уменьшению отражения света при входе и выходе в каждой поре, и если поры окрашены, то отражённый свет будет сильно
отличаться по составу от падающего. Кроме того, цвет поверхности древесины,
покрытой лаком, более насыщен.
Различные виды излучений, представляющих собой электромагнитные
колебания, охватывают огромный диапазон длин волн. Наибольшую длину
имеют радиоволны (от миллиметров до десятков километров). Рассмотрим
свойства древесины, проявляющиеся при действии излучений с длиной волны
от 1 мм до 0,3 пикометра [1 пикометр (пм) = 1·10-12 м].
Инфракрасное (ИК) излучение. При нагревании тел происходит преобразование тепловой энергии в лучистую энергию электромагнитных колебаний.
При этом нагретые тела испускают невидимые инфракрасные лучи с длинами
волн от 1000 мкм до 0,77 мкм. Принято различать три области ИК-спектра:
дальнюю (с длинами волн от 1000 мкм до 50 мкм); среднюю (от 50 до 2,5 мкм)
и ближнюю (от 2,5 до 0,77 мкм).
Способность древесины пропускать, поглощать и отражать инфракрасные
лучи зависит от длины волны падающего излучения. Максимум проницаемости
наблюдается при длине волны λ = 1-1,1 мкм. В дальней области проницаемость
постоянна. С увеличением плотности древесины проницаемость уменьшается.
Через радиальные поверхности древесины проницаемость больше, чем через
тангенциальные. Повышение влажности древесины приводит к увеличению её
проницаемости для ИК-излучений.
Повышение влажности древесины приводит к уменьшению её отражательной способности. Это даёт возможность измерять влажность поверхностных зон массивной древесины методом ИК-спектроскопии.
52
Поглощение инфракрасных лучей вызывает нагревание материала. Это
позволяет использовать инфракрасные лучи для сушки тонких сортиментов
(шпона, щепы, стружки), нагревания древесины при склеивании, а также для её
стерилизации. Кроме того, инфракрасное излучение используется для сушки
лакокрасочных покрытий на древесине; при этом резко увеличивается скорость
сушки и улучшается качество покрытия.
Световое излучение. Видимое световое излучение охватывает часть
спектра электромагнитных колебаний с длинами волн от 0,76 до 0,4 мкм. Световые лучи обладают большей проникающей способностью, чем инфракрасные, и могут быть использованы для обнаружения скрытых дефектов внутри
древесины или древесных материалов (фанеры и др.). Чувствительная приёмная
аппаратура позволяет зафиксировать лучи света, прошедшие через образцы
древесины осины, сосны, ели толщиной до 35 мм, а берёзы – до 15 мм.
При падении пучка световых лучей на поверхность древесины часть потока отражается. Измеряя интенсивность отражённого светового потока, можно
судить о древесной породе, качестве поверхности и наличии пороков, изменяющих окраску древесины. Важным преимуществом световой дефектоскопии
является её полная безопасность для обслуживающего персонала.
В последнее время в связи с созданием лазеров – источников света высокой направленности и большой плотности – успешно развивается лазерная технология. При воздействии лазерного излучения происходит переход
электромагнитной энергии в тепловую, что позволяет использовать лазеры в
качестве своеобразного режущего инструмента. Лазерное «резание» сопровождается обугливанием или потемнением поверхностных зон материала. Этот
способ обработки используется для фигурного раскроя листовых древесных
материалов, резьбы, гравёрных работ и т. п.
Ультрафиолетовое излучение. Эти лучи имеют длины волн от 0,38 мкм
до 10 нм [1 нм (нанометр) = 10-9 м = 10 Å (ангстрем)]. Ультрафиолетовое излучение вызывает свечение – люминесценцию – некоторых веществ. Этот показатель называют интенсивностью свечения (коэффициентом яркости), например у
древесины сосны она составляет 17%. Каждое люминесцентное вещество даёт
излучение определённого спектрального состава. Свечение, которое исчезает
сразу же после прекращения облучения объекта, называется флуоресценцией.
Из 150 исследованных древесных пород флуоресценция была обнаружена
у подавляющего большинства пород (90%). Чаще всего облучённая древесина
светится фиолетовым светом (40% исследованных пород), синим или голубым
светом (25% пород). Тёмно-фиолетовым светом светится 15% пород; реже всего наблюдается жёлтое или зелёно-жёлтое свечение (10%).
53
По данным Б. К. Лакатош, колориметрические характеристики флуоресценции древесины наиболее распространённых пород следующие: длина волны чистого спектрального цвета λ = 500...600 нм; чистота цвета Р = 3...32%; коэффициент
отражения ρ = 5...10 (см. п. 1). Цвет и интенсивность свечения зависят не только от
породы, но и от состояния древесины (степени загнивания древесины, её влажности и температуры, качества обработки поверхности и т. д.). Всё это открывает
возможности для использования люминесценции в качестве средства для обнаруживания пороков древесины, контроля качества обработки и т. д.
Рентгеновское излучение. Рентгеновское излучение имеет длину волн
примерно от 5 нм до 0,6 пм. Рентгеновские лучи, проходя через исследуемый
объект, по-разному поглощаются отдельными его участками. Чем выше плотность участка, тем меньше интенсивность прошедших через него лучей. Располагая по ходу лучей за исследуемым объектом светящийся экран, можно
наблюдать на нём внутренние дефекты объекта (пустоты, включения и т. п.).
Рентгеновскими лучами могут быть просвечены крупные круглые сортименты (диаметром до 40... 50 см); эти лучи позволяют также просвечивать
стволы растущих деревьев при помощи передвижных установок. Используя
рентгеновские лучи, можно обнаружить в древесине ряд скрытых пороков – заросшие сучки, ходы насекомых, внутренние трещины, гнили, пустоты, а также
металлические включения.
Повышение влажности снижает проницаемость древесины рентгеновскими лучами. Это свойство может быть использовано для определения величины и характера распределения влажности по сечению сортимента в процессе
сушки. Рентгеновские лучи применяются также для изучения плотности древесины и тонкого строения клеточной стенки.
Ионизирующие излучения. Ионизирующие (ядерные) излучения
возникают при распаде радиоактивных веществ, делении атомов тяжёлых
ядер, ядерных реакциях. Различают следующие виды ядерных излучений:
потоки заряженных частиц, электромагнитное излучение и потоки незаряженных частиц (нейтронов). Источники первых двух видов излучений – радиоактивные вещества. Эти излучения называются радиоактивными.
Источниками нейтронных излучений служат ядерные реакторы, различные
ускорители элементарных частиц, препараты, содержащие смеси радиоактивных веществ с веществами, испускающими нейтроны.
Альфа-лучи плохо проникают в древесину; большая проникающая способность у бета-лучей и ещё лучшая – у гамма-лучей.
54
Исследования проницаемости древесины сосны, ели, дуба, бука, берёзы
гамма-лучами (источник – кобальт-60), проведённые Б. К. Лакатош, показали,
что наиболее легко гамма-лучи проникают в направлении вдоль волокон (особенно у дуба). С увеличением плотности древесины поглощение энергии увеличивается; зависимость между этими факторами линейная. Наибольший
коэффициент пропорциональности характерен для равноплотной древесины
бука. С повышением влажности количество поглощаемой энергии резко возрастает; оно прямо пропорционально толщине облучаемого материала.
Гамма-лучи могут быть использованы для дефектоскопии древесины, определения её влажности и плотности, а также для контроля размеров деталей
бесконтактным способом в непрерывном производственном потоке.
55
Лекция 9. Новые технологии и композиционные
материалы на основе древесины
Модифицированная древесина. Модифицированной называют цельную
древесину с направленно изменёнными физическими или химическими методами свойствами. Различают пять основных способов модифицирования и соответствующие виды продукции.
Древесина термомеханической модификации. Иначе этот вид продукции
называют прессованная древесина (ДП). При прессовании (обычно в плоскости
поперёк волокон) предварительно пропаренной или нагретой древесины происходит изменение макроструктуры древесины, увеличение плотности и улучшение показателей связанных с ней свойств.
Прессованную древесину целесообразно получать, используя мягкие лиственные породы, а в некоторых случаях хвойные и даже твёрдые лиственные
породы. Плотность ДП находится в пределах 800-1350 кг/м3. Прессованная
древесина имеет в несколько раз большую прочность, твёрдость и ударную вязкость, чем натуральная древесина. Она обладает достаточно хорошими антифрикционными свойствами и может быть использована для изготовления
подшипников вместо бронзы, баббита и других металлов. Прессованная древесина хорошо гасит вибрации, имеет способность поглощать абразивные частицы, что предохраняет от повреждения валы. В воде прессованная древесина
разбухает, и задержанные деформации возвращаются. Однако в некоторых случаях разбухание и распрессовка ДП могут оказаться полезными, например в
уплотнительных устройствах гидравлических машин. Прессованную древесину
можно применять для изготовления втулок опорных катков, шестерён, паркета
и других целей. Прессованную древесину можно дополнительно модифицировать, наполняя её маслами, металлами, полимерами.
Древесина химико-механической модификации. При этом способе модификации древесину предварительно (или одновременно) обрабатывают аммиаком, мочевиной или другими веществами, а затем уплотняют.
Предварительная химическая обработка вызывает изменение свойств клеточных стенок, древесина пластифицируется, ей легко придать новую форму.
Пластифицированная аммиаком древесина поглощает воду, разбухает и распрессовывается. Воздействием повышенной температуры можно уменьшить
эти недостатки. Из цельной пластифицированной аммиаком прессованной древесины изготовляют детали мебели, паркет, музыкальные инструменты. Модифицированную мочевиной прессованную древесину – дестам – используют для
покрытия полов.
56
Древесина термохимической модификации. Это материал, получаемый
пропиткой древесины мономерами, олигомерами или смолами и последующей
термообработкой для полимеризации или поликонденсации пропитывающего
состава. В некоторых случаях наблюдается химическая прививка модификатора
к полимерным компонентам древесины. Древесину пропитывают чаще всего
фенолоформальдегидными смолами, например в виде водного раствора фенолоспиртов, смолами фуранового типа, полиэфирными смолами.
Модифицирование древесины позволяет повысить качество (повышение
твёрдости, прочности, стабильности форм и размеров) и расширить применение
её в народном хозяйстве для изготовления столярно-строительных изделий, а
также как антифрикционного самосмазывающегося материала для изготовления подшипников скольжения. Сведения по модифицированной древесине,
представленные в тексте данной лекции, изложены в работах [17, 20].
С точки зрения физики твёрдого тела, древесина имеет сложную ажурнослоисто-пористую структуру, в которой микро- и макропоры распределены по
всему объёму и занимают до 50%. Также древесина представляет собой сложную макро- и микроармированную клеточно-сосудистую структуру.
Наполняя и пропитывая древесину химическими веществами или их композициями, древесине придаются показатели качества этих веществ. Путём уплотнения древесины (прессования) без разрушения структуры можно в
несколько раз увеличить её твёрдость и прочность.
В 2000 году разработана комплексная высокая технология получения модифицированной древесины с заданными показателями качества для изготовления
подшипников скольжения. Технология позволяет получать антифрикционный самосмазывающийся материал высокого качества, позволяющий успешно заменять
цветные и чёрные металлы в подшипниках скольжения и в некоторых подшипниках качения, работающих в абразивных и агрессивных средах. Подшипники из древесины модифицированной имеют следующие преимущества, по сравнению с
заменяемыми аналогами: низкая стоимость (в 3-10 раз меньше); уменьшение износа
сопряжённой поверхности (до 3 раз), что увеличивает межремонтный пробег; работают на самосмазке; исключается адгезия поверхностей трения; хорошо работают
при попадании в узел трения абразива, что не требует установки уплотнений.
В 2001 году впервые разработана комплексная технология термомеханического модифицирования древесины мягких лиственных пород (МЛП) для изготовления столярно-строительных изделий, которая состоит из двух этапов:
1) ускоренное (15-20 лет) целевое воспроизводство древесины МЛП с заданными показателями качества по высоким биотехнологиям;
57
2) обработка и модифицирование древесины МЛП с заданными показателями качества применительно к условиям эксплуатации столярно-строительных
изделий.
Для повышения качества древесины МЛП созданы новые энерго- и ресурсосберегающие наукоёмкие технологии:
• обработки в пиломатериалы тонкомерных и среднетолщинных круглых лесоматериалов древесины МЛП, не поражённых или незначительно поражённых сердцевинной гнилью;
• обработки в пиломатериалы среднетолщинных и толстомерных круглых лесоматериалов древесины МЛП, поражённых сердцевинной гнилью размером
более 1/4 диаметра торца (патент РФ);
• химического модифицирования пиломатериалов из древесины МЛП экологически чистым композиционным модификатором для изготовления профильно-погонажных изделий (облицовочные рейки, плинтуса, наличники и
другие изделия, эксплуатируемые без силовых нагрузок);
• термомеханического модифицирования пиломатериалов из древесины МЛП
уплотнением с обработкой электромагнитной энергией сверхвысокой частоты и экологически чистым композиционным модификатором для изготовления столярно-строительных изделий, воспринимающих силовые нагрузки во
время эксплуатации (половая рейка, оконные и дверные блоки, мебельные
заготовки и др.);
• сращивания короткомерных пиломатериалом по длине, ширине и толщине
для изготовления столярно-строительных изделий требуемых размеров.
Композиционные материалы на основе измельчённой древесины
Древесностружечные плиты (ДСтП). Этот композиционный материал
получают путём горячего прессования древесных частиц, смешанных со связующим. Древесностружечные плиты широко используют в производстве мебели, строительстве и в других областях.
Древесные частицы получают путём переработки технологического сырья (низкокачественной древесины), технологической щепы, а также отходов
деревообрабатывающих и фанерных производств, частично опилок. В качестве
связующего для производства древесностружечных плит применяют чаще всего карбамидные, а также фенолформальдегидные и меламино-формальдегидные смолы. У однослойной плиты размеры древесных частиц и
содержание связующего примерно одинаковы по всей её толщине. У трёхслойной плиты внутренний слой отличается от наружных слоёв размерами частиц и
содержанием связующего. У многослойной плиты более трёх слоёв, симметрично расположенных относительно среднего слоя.
58
Выпускают плиты трёх марок: П-1; П-2; П-3. Плиты первых двух марок
применяют в мебельной промышленности, причём у плит П-1, используемых
под облицовку плёнками на основе термореактивных или термопластичных полимеров, плотность в среднем составляет 725 кг/м3, а у плит П-2, облицовываемых шпоном или бумажно-слоистым пластиком, плотность 650 кг/м3. Плиты П-3,
предназначенные для строительства, авто- и вагоностроения, должны иметь
большую плотность, в среднем 800 кг/м3. Плиты П-2 и П-3 могут применяться
без облицовки (для тары, контейнеров и т. д.). Кроме того, плиты марки П-2 в
зависимости от физико-механических свойств делятся на группы А и Б.
Плиты П-1 изготавливают многослойными (П-1М) и трёхслойными
(П-1Т); плиты П-2 могут быть трёхслойными (П-2Т) и однослойными (П-2О);
плиты П-3 – только трёхслойными. Формат плит зависит от оборудования; длина находится в диапазоне от 2440 до 5500 мм, ширина – от 1220 до 2440 мм.
Толщина шлифованных плит П-1 и П-2 может быть в пределах 10-25 мм с градацией 1 мм. Наиболее распространены плиты толщиной 16 мм. Наблюдается
тенденция к снижению толщины плит указанных марок. Плиты марки П-3
должны иметь толщину 16-22 мм. Плиты марок П-2 и П-3 могут выпускаться
нешлифованными с градацией по толщине 2 мм. В стандарте регламентированы основные показатели физико-механических свойств плит. Предел прочности
при растяжении перпендикулярно пластин плиты должны быть не менее
0,34 МПа у плит марки П-1 и П-2 А; 0,3 МПа – у плит П-2 Б; 0,39 МПа – у плит
П-3. При статическом изгибе предел прочности должен составлять не менее
17-20 МПа для плит П-1 и П-2А и не менее 13-16 МПа для плит П-2Б. Для повышения несущей способности элементов конструкций тонким плитам соответствуют более высокие значения пределов прочности. У плит П-3
минимальный предел прочности при изгибе равен 25 МПа. Кроме того, у плит
этой марки регламентированы твёрдость, которая должна быть не менее
29,4 Н/мм2, и водопоглощение, которое не должно превышать 15%. Влажность
плит всех марок – 8±2%. Установлены ограничения по разбуханию; при повышенной водостойкости у плит П-3 оно не должно быть выше 5%. У остальных плит при
обычной водостойкости допускается разбухание порядка 20-30%. Параметры шероховатости Rmmax находятся в диапазоне от 60 до 500 мкм; причём для шлифованных плит значение этого параметра меньше примерно в 1,5 раза, чем для
нешлифованных. По наличию и размерам дефектов на поверхности плиты разделяют на 1-й и 2-й сорт. Плиты учитывают в квадратных и кубических метрах.
Для придания древесностружечным плитам био-, водо- и огнестойкости в
них вводят антисептики. Перспективны плиты с ориентированными частицами –
59
для строительства, плиты с пониженной материалоёмкостью и высоким качеством поверхности – для мебельного производства и тонкие однослойные плиты
непрерывного прессования – для тары, панелей.
Древесноволокнистые плиты (ДВП). Это листовой материал, изготовленный в процессе горячего прессования или сушки сформированной в виде ковра
массы из древесных волокон. Древесными волокнами условно названы клетки,
их обрывки и группы, получающиеся при размоле древесины (щепы). Технология производства ДВП близка к технологии получения бумаги и картона. Различают мокрый и сухой способы производства ДВП в зависимости от того, в
водной или воздушной среде находится масса при формировании ковра и прессовании. Наиболее распространён мокрый способ; однако в последнее время
получает развитие сухой способ производства ДВП. Если при мокром способе
прочность плиты обеспечивается межволоконными связями и вводимые добавки предназначены для улучшения других свойств, например водостойкости,
при сухом способе вводят упрочняющее плиту связующее – синтетическую
смолу. Таким образом, ДВП сухого способа производства с ещё большим основанием можно отнести к композиционным древесным материалам.
Древесноволокнистые плиты применяют в строительстве, при изготовлении
стандартных деревянных домов, в производстве мебели, автомобилей, вагоно-, судостроении и в других отраслях промышленности в качестве конструкционного,
изоляционного и отделочного материала. На ДВП, изготовляемые по мокрому способу, действует ГОСТ 4598-74, согласно которому по плотности р, кг/м3, различают
мягкие (при р < 350), полутвёрдые (р = 400...800), твёрдые (р > 800) и сверхтвёрдые
(р > 950) плиты. В зависимости от прочности выпускают плиты следующих марок:
мягкие М-4, М-12, М-20; полутвёрдые ПТ-100; твёрдые Т-350 и Т-400; сверхтвёрдые СТ-500. Цифры в обозначении марки указывают минимальную величину предела прочности при изгибе (в кгс/см2).
Мягкие плиты имеют малую прочность, поскольку они предназначены
для изоляции. Для этих плит установлены требования к коэффициенту теплопроводности. Мягкие плиты выпускают длиной 1200-3000 мм, шириной
1200-1700 мм, толщиной 8-25 мм. Остальные плиты изготавливают длиной
1200-5500 мм, шириной 1000-2140 мм и толщиной 2,5-12 мм, причём тонкие
плиты (до 6 мм) имеют большую плотность и прочность. Влажность у мягких и
полутвёрдых плит должна быть не более 12%, а у остальных – 8±2%. В стандарте установлены требования для плит разных марок в отношении водопоглощения, разбухания, допустимых дефектов на поверхности и др.
60
Выпускают плиты следующих марок:
- полутвёрдые ПТс-220;
- твёрдые Те-300, Тс-350, Тс-400, Тс-450;
- сверхтвёрдые СТс-500.
Плиты выпускают шлифованные (с одной или двух сторон) и нешлифованные. В зависимости от наличия и размеров дефектов на поверхности нешлифованные плиты подразделяют на группы А и Б. Длина плит от 1200 до
5500 мм; ширина от 1000 до 1830 мм; толщина от 5 до 12 мм.
Влажность плит составляет 5±3%. Параметр шероховатости Rmmax у шлифованных плит не более 100 мкм.
Установлены дифференцированные по маркам нормы в отношении показателей плотности, прочности, водопоглощения и разбухания, а также другие
требования.
Древесноволокнистые плиты обоих способов производства учитывают в
квадратных метрах с указанием толщины плиты. Твёрдые плиты износостойки,
легко склеиваются и отделываются, например лакокрасочным покрытием на
лицевой поверхности.
Массы древесные прессовочные (МДП). Это смеси, точнее, готовые композиции, полученные в результате совместной обработки частиц древесины и
синтетических смол. МДП предназначаются для изготовления методом горячего прессования деталей машин, строительных деталей и товаров народного потребления. Таким способом изготовляют втулки, блоки, шкивы, подоконные
доски. Массы древесные прессовочные подразделяются на три типа: МДПК –
из частиц шпона (крошки), МДПС – из стружки, МДПО – из опилок. В стандарте приведены основные компоненты смеси каждой марки, технические требования и методы испытаний. Для контрольной проверки качества массы из неё
по указанным в стандарте режимам изготовляют прессованием образцы. По
этим образцам определяют плотность, прочность, твёрдость, влагопоглощение,
теплостойкость, масло-, бензо- и кислотопоглощение и ряд других показателей.
Масса транспортируется в ящиках или мешках, учитывается в килограммах.
Композиции древесно-клеевые. Эти смеси состоят из измельчённой древесины и связующего; предназначены для изготовления формованной тары. Для приготовления смеси используют стружку длиной 10-20 мм, шириной 1-3,5 мм и
толщиной 0,1-0,4 мм из древесины хвойных и мягких лиственных пород, а также
связующее на основе мочевиноформальдегидных смол. В качестве гидрофобной
добавки применяют парафин. По формованным образцам определяют плотность,
твёрдость, ударную вязкость и разбухание. Смесь учитывают в килограммах.
61
Арболит. Это строительный материал, относящийся к категории лёгких
бетонов, иногда его называют «деревобетоном». В состав арболита входит древесный заполнитель, неорганическое вяжущее и вода. В качестве древесного
заполнителя используют дроблёные отходы лесозаготовительной, лесопильной
и деревообрабатывающей промышленности. Ветви, сучья, вершинки, горбыли,
рейки, срезки сначала перерабатывают в щепу, которую, в свою очередь, на молотковых мельницах превращают в дроблёнку. Длина частиц не должна быть
более 40 мм, толщина 5 мм, ширина 10 мм. Сырьё не должно содержать примеси коры, хвои, листьев более 5%.
В качестве вяжущего используют портландцемент. Для нейтрализации
действия водорастворимых веществ, замедляющих процессы схватывания и
твердения цемента, а также снижающих прочность материала, в арболитовую
массу вводят минерализаторы: хлористый кальций, жидкое стекло и сернокислый алюминий совместно с известью. Из арболита получают стеновые панели,
несущие блоки и другие элементы строительных конструкций. Арболитовые
изделия разделяются на теплоизоляционные и конструкционно-теплоизоляционные, они могут изготавливаться с металлической арматурой. Плотность теплоизоляционного арболита – 400-550 кг/м3; предел прочности на
сжатие – 0,5 и 1 МПа; у конструкционно-теплоизоляционного арболита соответствующие показатели равны 600-750 кг/м3 и 1,5; 2,5; 3,5 МПа. Предел прочности определяет марку арболита. Арболит био- и огнестоек, обладает
хорошими звуко- и теплоизоляционными свойствами, удерживает гвозди, морозостоек. Особенно экономически эффективно использование арболита для
строительства малоэтажных зданий в лесных посёлках.
Фибролит. Это также строительный материал, представляющий собой
смесь древесной стружки, портландцемента, химических добавок. Для фибролита из древесины преимущественно хвойных пород изготовляется специальная стружка толщиной от 0,25 до 0,5 мм, шириной 2-6 мм. Стружку смешивают
с вяжущим и добавками (хлористым кальцием, жидким стеклом и др.), затем
смесь формируют и прессуют. Фибролитовые плиты выпускают трёх марок:
Ф-300 – теплоизоляционные; Ф-400 – теплоизоляционно-конструкционные и
звукоизоляционные; Ф-500 – конструкционно-теплоизоляционные и звукоизоляционные. Плиты изготовляют длиной 2400 и 3000 мм, шириной 600 мм и
1200 мм и толщиной 30-150 мм. Цифры в марке указывают плотность плит (в
кг/м3). Предел прочности плит при изгибе – от 0,35 до 1,3 МПа. В стандарте
указаны нормы для модуля упругости, теплопроводности, водопоглощения,
62
звукопоглощения, фибролитовые плиты легко обрабатываются, био- и огнестойки, удерживают гвозди. Применяются для строительства каркасных домов.
Плиты цементно-стружечные. Более правильное название: цементнодревесностружечные плиты (ЦДСтП). Это новый строительный материал, который изготовляют прессованием древесных частиц (таких же, как для ДСтП) с
портландцементом и химическими добавками. Плиты предназначаются для ограждающих конструкций деревянных домов. Плиты выпускают форматом
1200×3600 мм и толщиной 8-25 мм. Плотность ЦДСтП – от 1100 до 1400 кг/м3.
Предел прочности при изгибе – 9-2 МПа. Регламентированы показатели и других физико-механических свойств. В зависимости от состояния поверхности
ЦДСтП выпускают 1-го и 2-го сорта. Учитывают плиты в квадратных метрах.
Плиты водо-, морозо-, био- и огнестойки, нетоксичны, хорошо обрабатываются.
Ксилолит. Это строительный материал, состоящий из смеси опилок или
древесной муки с магнезиальным вяжущим. Используется в виде плиток для
покрытия полов, отделки стен и других целей. Ксилолит – износостойкий, негорючий, водоупорный материал высокой прочности.
Изготовление модифицированной древесины и композиционных материалов на основе измельчённой древесины строго регламентируется ГОСТ и
ТУ, установленными при разработке соответствующих технологий.
63
Библиографический список
1. Ашкенази Е. К. Анизотропия древесины и древесных материалов /
Е. К. Ашкенази. – М. : Лесная промышленность, 1978. – 224 с.
2. Бурмистрова О. Н. Строение дерева и древесины : метод. указания для
студентов специальности 250401 «Лесоиженерное дело» / О. Н. Бурмистрова. – Ухта : УГТУ, 1997. – 17 с.
3. Волынский В. Н. Взаимосвязь и изменчивость физико-механических
свойств древесины / В. Н. Волынский. – Архангельск : АГТУ, 2000. –
196 с.
4. Коломинова М. В. Механические свойства древесины : метод. указания
для студентов специальности 250401 «Лесоиженерное дело» / М. В. Коломинова. – Ухта : УГТУ, 2011. – 48 с.
5. Коломинова М. В. Физические свойства древесины : метод. указания для
студентов специальности 250401 «Лесоиженерное дело»/ М. В. Коломинова. – Ухта : УГТУ, 2010. – 52 с.
6. Солдатенков В. И. Физические и механические свойства древесины /
В. И. Солдатенков, О. Н. Бурмистрова. – Ухта : УИИ, 1997. – 17 с.
7. Уголев Б. Н. Древесиноведение и лесное товароведение / Б. Н. Уголев. –
М. : Издательский центр «Академия», 2006. – 272 с.
8. Трофимова Т. И. Курс физики / Т. И. Трофимова. – 16-е изд. – М. : Издательский центр «Академия», 2008. – 560 с.
9. Журнал «Дерево.RU» – www.derewo.ru.
10. Энциклопедия лесного хозяйства. – В 2-х тт. – Т. 1. – М. : ВНИИЛМ,
2006. – 424 с.
11. Энциклопедия лесного хозяйства. – В 2-х тт. – Т. 2. – М. : ВНИИЛМ,
2006. – 416 с.
12. Модифицирование древесины. – Воронеж : ВГЛТА, 2006. – 385 с.
13. Шевелёва Е. В. К вопросу исследований прочностных характеристик древесины при различных скоростях нагружения / Е. В. Шевелёва // Материалы Международной научно-технической конференции 6-7 октября
2000 г. «Перспективы развития лесного и строительного комплексов, подготовки инженерных и научных кадров на пороге 21 века». – Брянск :
БГИТА, 2000. – http://science-bsea.bgita.ru.
14. Андреев Н. Н. О дереве для музыкальных инструментов / Н. Н. Андреев //
Сб. тр. / НИИМП. – М.; – Л., 1937. – Вып. 1 – С. 11-18.
64
15. Темнова Е. Б. Применение ультразвука в определении резонансных
свойств древесины поленьев / Е. М. Темнова // Журнал «Успехи современного естествознания». – 2009. – № 8. – С. 8-14. – www.rae.ru.
16. http://www.ptechnology.ru/MainPart/Resourse/Resourse2.html.
17. Пищик И. И. К вопросу использования длительно выдержанной древесины в музыкальных инструментах / И. И. Пищик // Журнал «Лесной вестник». – 2012. – № 3. – С. 115-119.
18. Пищик И. И. Критерии подбора древесины для музыкальных инструментов: дисс. … канд. И. И. Пищик. – М. : МЛТИ, 1973.
19. Римский-Корсаков А. В. Музыкальные инструменты / А. В. РимскийКорсаков, Н. А. Дьяконов. – Росгизместпром, 1952. – 345 с.
20. Разумов А. Е. Экспериментальные исследования механических свойств
термомодифицированной древесины / А. Е. Разумов, М. В. Хузеев,
Д. А. Ахметова, А. Р. Шайхутдинова // Вестник Казанского технологического университета. – 2012. – № 2. С. 31-33.
65
Приложения
Таблица 1 – Средние значения плотности древесины, кг/м3 [7]
ρ12
665
505
445
435
375
795
800
710
690
690
680
680
650
640
590
525
495
495
455
455
Порода
Лиственница
Сосна обыкновенная
Ель
Кедр (сосна кедровая)
Пихта сибирская
Граб
Акация белая
Груша
Дуб
Клён
Ясень обыкновенный
Бук
Вяз
Берёза
Орех грецкий
Ольха
Осина
Липа
Тополь
Ива
ρ0
635
480
420
405
350
760
770
670
655
655
650
650
620
620
560
495
465
470
425
425
ρб
540
415
365
360
310
640
650
585
570
570
560
560
535
520
490
430
400
410
375
380
Таблица 2 –Коэффициенты усушки Кβ , разбухания Кα древесины, %/% [7]
Порода
Лиственница
Сосна
Ель
Пихта сибирская
Кедр
Берёза
Бук
Ясень
Дуб
Осина
Клён
По радиальному
направлению
Кβ
Кα
0,19
0,20
0,17
0,18
0,16
0,17
0,11
0,11
0,12
0,12
0,27
0,29
0,18
0,19
0,18
0,19
0,18
0,19
0,14
0,15
0,19
0,20
По объёму
Кβ
0,52
0,44
0,43
0,39
0,37
0,54
0,48
0,45
0,43
0,41
0,46
Кα
0,60
0,51
0,50
0,44
0,41
0,65
0,56
0,52
0,50
0,47
0,54
66
По тангенциальному
направлению
Кβ
Кα
0,35
0,38
0,28
0,31
0,28
0,31
0,28
0,31
0,25
0,27
0,31
0,34
0,32
0,35
0,28
0,31
0,27
0,29
0,28
0,30
0,29
0,32
Таблица 3 – Пределы прочности древесины (для пород в России) [7]
Порода
Лиственница
Сосна
Ель
Кедр
Пихта сибирская
Акация белая
Граб
Клён
Ясень
Груша
Дуб
Бук
Орех грецкий
Берёза
Вяз
Липа
Ольха
Осина
Тополь
Предел прочности, МПа, при влажности, %
12
30 и более
62
25
46
21
45
19
40
16
40
17
73
41
61
36
59
28
56
32
58
26
57
31
53
27
55
23
54
26
47
25
46
24
45
23
43
19
40
17
Таблица 4 – Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон [7]
Порода
Лиственница
Сосна
Ель
Кедр
Пихта сибирская
Акация белая
Берёза
Ясень
Граб
Осина
Бук
Груша
Липа
Ольха
Тополь
Предел прочности, МПа, при влажности, %
12
30 и более
124
95
109
78
101
77
89
68
66
51
171
107
137
102
140
107
129
96
121
93
124
93
117
89
97
74
97
74
88
67
67
Таблица 5 – Предел прочности древесины при растяжении поперек
волокон при влажности 12% [7]
Порода
Лиственница
Сосна
Ель
Кедр
Пихта сибирская
Ясень
Дуб
Граб
Клён
Бук
Берёза
Липа
Ольха
Осина
Предел прочности, МПа, при
радиальном направлении
тангенциальном направлении
5,6
5,2
5,4
3,5
5,0
3,2
4,2
2,8
4,0
2,9
9,0
4,2
8,0
6,5
13,3
8,4
13,3
9,2
12,5
8,5
11,1
6,5
8,3
2,0
7,2
5,9
7,1
4,6
Таблица 6 – Предел прочности древесины при статическом изгибе [7]
Порода
Лиственница
Сосна
Ель
Кедр
Пихта сибирская
Акация белая
Граб
Клён
Ясень
Груша
Орех грецкий
Берёза
Бук
Дуб
Вяз
Липа
Ольха
Осина
Тополь
Предел прочности, МПа, при влажности, %
12
30 и более
109
61
85
49
79
43
69
36
68
40
148
96
128
74
118
73
115
66
106
62
108
60
110
65
104
63
103
66
92
58
86
53
79
48
77
45
68
40
68
Таблица 7 – Предел прочности древесины при скалывании вдоль волокон [7]
Порода
Лиственница
Сосна
Ель
Кедр
Пихта сибирская
Граб
Ясень
Клён
Бук
Орех грецкий
Дуб
Берёза
Вяз
Груша
Липа
Ольха
Осина
Тополь
Предел прочности, МПа, при
радиальном направлении
тангенциальном направлении
9,8/6,2
9,1/5,7
7,4/4,2
7,2/4,4
6,8/4,0
6,7/4,3
6,4/3,8
6,4/4,0
5,9/3,7
5,7/3,6
14,7/8,5
18,5/10,7
13,4/9,2
13,0/8,6
12,0/7,7
13,7/8,5
12,1/7,3
14,0/8,7
10,7/5,8
11,4/6,0
9,9/7,4
11,8/8,8
9,0/5,8
10,9/7,0
8,9/6,4
9,9/7,2
8,6/5,5
13,3/7,9
8,4/5,5
8,0/4,9
8,0/5,1
9,8/6,2
6,2/3,5
8,4/4,9
6,0/3,3
7,2/4,1
Примечание. В числителе при влажности 12%, в знаменателе – 30% и более.
Таблица 8 – Значения модулей упругости наиболее распространенных
пород древесины в России [7]
Модуль упругости, ГПа
Порода
Еа
11,9
14,4
14,2
16,1
Сосна
Ель
Дуб
Берёза
при сжатии
Еr
0,67
0,64
1,40
0,65
Еt
0,55
0,40
1,01
0,50
Еа
11,9
14,5
14,2
18,4
при растяжении
Еr
0,54
0,66
1,18
0,64
Еt
0,47
0,46
0,91
0,46
Таблица 9 – Коэффициенты поперечной деформации древесины наиболее
распространённых пород древесины в России [7]
Порода
Сосна
Ель
Дуб
Берёза
Коэффициенты поперечной деформации
µrа
µta
µаr
µtr
µat
µrt
0,490
0,440
0,430
0,580
0,410
0,411
0,410
0,450
0,030
0,017
0,070
0,043
0,790
0,480
0,830
0,810
0,037
0,031
0,090
0,040
0,380
0,250
0,340
0,490
69
Таблица 10 – Модули сдвига древесины наиболее распространённых
пород древесины в России [7]
Порода
Модули сдвига, ГПа
Gta
0,76
0,98
0,86
Gra
1,23
1,42
1,56
Сосна
Ель
Дуб
Берёза
Grt
0,5
0,47
0,22
Таблица 11 – Прочность древесины (в числителе предел прочности, МПа,
при влажности 12%, в знаменателе – 30% и более) [13]
Порода
Испытание
Сжатие вдоль волокон
Сжатие поперёк волокон
(радиальное направление)
Растяжение вдоль волокон
Растяжение поперёк
волокон
Статический изгиб
Скалывание вдоль волокон:
- в радиальной плоскости
- в тангенциальной
плоскости
лиственница
64,5
25,5
4,5
2,7
125
96
5,6
111,5
61,5
9,9
6,3
9,4
5,8
сосна
ель
берёза
липа
осина
дуб
48,5
21,0
5,2
3,1
103
79
5,4
3,9
86,0
49,5
44,5
19,5
-
55,0
22,5
168
126
11,1
5,7
109,5
59,5
42,5
19,0
5,5
3,3
125
94
7,1
78,0
45,5
57,5
31,0
-
103
79
5,0
79,5
44,0
45,5
24,0
5,7
3,4
121
91
8,3
88,0
54,0
8,0
7,4
107,5
68,0
7,5
4,3
7,3
4,5
6,9
4,1
6,8
4,4
9,3
5,0
11,2
5,9
8,6
5,6
8,1
5,0
6,3
3,6
8,6
5,0
10,2
7,2
12,2
9,0
Таблица 12 – Теплопроводность древесины (при -30/+40°С) [??]
λ, мВт/(м·К)
150
200
400
110
95
190
130
150
150
45
150
400
170
Древесина
Берёза
Дуб (поперёк волокон)
Дуб (вдоль волокон)
Ель
Кедр
Клён
Лиственница
Липа
Пихта
Пробковое дерево
Сосна (поперёк волокон)
Сосна (вдоль волокон)
тополь
70
-
Таблица 13 – Удельное объёмное сопротивление [7]
Порода
Сосна
Ель
Дуб
Берёза
Ольха
Удельное объемное сопротивление, Ом·см, при влажности древесины, %
0%
7%
20%
15
11
2,3·10
5·10
3·108
7,6·1016
1·1012
3·108
1,5·1016
2·1011
7·108
5,1·1016
9·1011
1·108
1,0·1017
9·1011
6·108
Таблица 14 – Удельное объёмное сопротивление древесины в абсолютно
сухом состоянии [7]
Порода
Сосна
Ель
Ясень
Граб
Клён
Берёза
Ольха
Липа
Осина
Удельное объёмное сопротивление, Ом·см
поперёк волокон
вдоль волокон
15
2,3·10
1,8·1015
7,6·1016
3,8·1016
3,3·1016
3,6·1015
8,0·1015
1,3·1015
6,6·1017
3,3·1017
5,1·1016
2,3·1016
1,0·1017
9,6·1015
1,5·1016
6,4·1015
1,7·1016
8,0·1015
Таблица 15 – Удельное объёмное и поверхностное сопротивление
древесины [13]
Порода
Берёза
Бук
Сосна
Ель
Дуб
Влажность
8,2/8,0
9,2/8,3
7,5/7,5
7,8/7,8
7,9/7,9
Удельное объёмное
сопротивление, Ом·см
4,2·1010/8,6·1011
1,7·109/1,4·1010
-/1,3·1011
-/6,4·1010
-/1,3·1010
Удельное поверхностное
сопротивление, Ом
4,0·1011/2,8·1012
9,4·1010/7,9·1010
2,1·1011/7,9·1011
1,0·1011/4,0·1011
2,0·1010/5,5·1010
Таблица 16 – Значения диэлектрической проницаемости абсолютно сухой
древесины
Показатели диэлектрической проницаемости
Вдоль волокон
В радиальном направлении
В тангенциальном направлении
71
Ель
3,06
1,98
1,91
Бук
3,18
2,20
2,40
Дуб
2,86
2,30
2,46
Таблица 17 – Электрическая прочность различных пород древесины [7]
Электрическая прочность, Епр., кВ/мм
Радиальная
Тангенциальная
Вдоль волокон
Сосна*
0
5,9
7,2
1,45
33
1,4
1,5
0,76
Ель*
0
6,0
7,2
1,35
33
1,4
1,3
0,87
Берёза*
0
9,1
7,6
1,26
33
1,4
1,2
0,50
Бук**
12
4,4
1,32
Источники: * – В. М. Спиридонов, А. З. Хартанович (БТИ); ** – С. А. Кабаков (ЦНИИМОД)
Порода
Влажность, %
Древесина модифицированная
для изготовления столярностроительных изделий, испытывающих силовые нагрузки при
эксплуатации
Плотность, кг/м3
Влажность, %
Предел прочности при
сжатии вдоль волокон, МПа
Торцевая твёрдость, МПа
Коэффициент трения
скольжения
Максимально допускаемая
удельная нагрузка, МПа
Максимально допускаемая
скорость скольжения, м/с
Процент наполнения древесины композиционным
модификатором, %
Максимально допускаемая
температура нагрева узла
трения, °С
Древесина модифицированная
для изготовления столярностроительных изделий,
не испытывающих силовых нагрузок при эксплуатации
Показатели
Антифрикционная самосмазывающаяся древесина модифицированная
и подшипники
Таблица 18 – Основные параметры модифицированной древесины [17]
800...1400
4...6
150... 170
700...800
4...6
80... 100
800...1100
4...6
120... 150
170...200
0,08...0,1
100...120
-
150... 170
-
20
-
-
5
-
-
10...20
-
-
100
-
-
72