2. Свойства древесины и защита древесины от увлажнения, загнивания и воспламенения

Физические свойства. Для древесины как конструкционного материала ос­новное значение имеют влажность, изменяемость размеров, формы, объем­ная масса.

Влажностью древесины называется количество воды, заключающейся в ней, выраженное в процентах. Влажность определяется по формуле

m — m_o

W= ———— · 100%,

m₀

где m — масса влажного образца при данной влажности в г; m₀ — масса образца в абсолютно сухом состоянии в г (за m₀ принимается масса образ­ца, высушенного при 100 + 5°С).

Вода, содержащаяся в древесине, бывает двух видов: свободная (капиллярная) вода, заполняющая внутренние пустоты, и связанная (гигро­скопическая), находящаяся в клеточных оболочках. Таким образом, влаж­ность древесины складывается из влаги связанной и свободной. При высы­хании дерево теряет сначала свободную воду, а затем начинает терять связанную воду.

Состояние древесины, при котором в ней имеется только связанная влага, называется точкой насыщения волокон. Для различных древесных пород максимальное количество связанной влаги колеблется от 23 до 30%. Свежесрубленной древесине соответствует влажность 50 — 100%; в древеси­не, пролежавшей долгое время на воздухе (воздушно-сухой), устанавли­вается влажность 10 — 20%, в комнатных условиях (комнатно-сухая древе­сина) — влажность 7 —10%, а для абсолютно сухой древесины влажность нулевая. Влажность, отвечающая условиям производственного помещения, носит название производственной влажности. За стандартную влажность древесины принята влажность 15%, которая представляет собой среднюю влажность воздушно-сухой древесины. Все свойства древесины для воз­можности сравнения устанавливаются при стандартной влажности 15%.' Производственная, влажность должна быть равна эксплуатационной или на 2% ниже (иначе древесина будет усыхать).

Изменение размеров и формы древесины связано с изменением ее влажности. Эти изменения выражаются в усушке, разбухании и коробле­нии. При высыхании древесины из нее вначале удаляется свободная влага, при этом размеры клеток не изменяются (уменьшается только масса); с момента точки насыщения волокна стенки волокон древесины теряют связанную влагу и сокращаются в размерах.

Усушкой древесины называется уменьшение линейных размеров и объе­ма древесины при высыхании (выражается в процентах). Усушка зависит от направления: так, наибольшая усушка происходит в тангентальном направлении, наименьшая — вдоль волокон.

Для определения усушки практически пользуются коэффициентом усушки К, который представляет собой среднюю усушку при изменении влажности на 1%, и определяется по формуле

Y

K= ——

W

Для различных пород полная усушка в радиальном направлении У_р = = 3-5%, в тангентальном У_г = 6 - 10%. Коэффициенты усушки в радиаль­ном направлении K_р = 0,09 ~0,31%, в тангентальном К_т = 0,17 — 0,43%; коэффициент объемной усушки К_о = 0,32 - 0,7%. Усушка вдоль волокон составляет 0,1—0,35% и практически не учитывается.

Усушка представляет собой отрицательное явление, во-первых, потому, что ее необходимо учитывать при изготовлении деталей, и, во-вторых, она служит причиной появления в древесине внутренних напряжений, вызы­вающих трещины и коробления (рис.7).

Древесина разных пород имеет одинаковый химический состав, поэто­му плотность вещества, образующего стенки клеток, принимается равной 1,54 г/см³. Для практических целей важно знать объемную массу у, кото­рая зависит от влажности материала и коэффициента объемной усушки. Значение у₁₅ древесины составляет 0,34-0,98 г/см³. Более легкими по­родами являются сосна, ель, пихта, липа, осина, ольха; очень тяжелыми -граб, груша, самшит. Чем больше объемная масса, тем плотнее древесина и тем лучше она сопротивляется нагрузкам.

Рис. 7. Виды коробления пиломатериалов:

1 — изменение формы поперечного сечения брусков; 2 — поперечное коробление досок; 3 —

продольное коробление доски; 4 - коробление косослойной доски

Механические свойства древесины. Древесина анизотропна, и ее свой­ства зависят от влажности и других факторов. В связи с этим показатели механических свойств для возможности их сравнения и применения в рас­чете деревянных деталей на прочность относят к древесине, не имеющей пороков и при одинаковой влажности 15%.

Механические свойства наиболее распространенных пород древесины при W= 15% приведены в табл. 5.

Средние значения пределов прочности древесины вдоль волокон нахо­дятся в пределах: Ơ_с от 3,42 до 5,49 кгс/мм²; Ơ_в от 7,61 до 16,1 кгс/мм² (в отдельных случаях до 27 кгс/мм²); Ơ_в — поперек волокон ниже в 6 — 30 раз, чем вдоль. Сопротивление сдвигу в плоскости волокон, (скалывание) неве­лико и составляет 1/6-1/8 Ơ_с (продольное направление), Ơ_изг в 1,5-2 раза

Таблица 5

Основные физико-механические свойства наиболее распространенных пород древесины(при -влажности 15%)

Порода	Предел прочности, кгс/мм2
	Объемная масса	при сжа­тии вдоль воло­кон	При растя­жении вдоль воло­кон	при ста­тиче­ском изги­бе	при ска­лывании вдоль волокон		Удельная работа при ударном Изгибе кгс/см2		Твердость, кгс/мм2			Модуль упру­гости вдоль волокон, 103, кгс/мм-
									Радиальная	Тан ген таль ная	тор­цо­вая	при сжа­тии	при растяжении	при изги­бе
					ра-ди-аль-ная	Тангена льная
Лиственница	0,68	5,4	12,2	9.84	0,94	0,82	0.27		2,80	2,78	4,03	1.40	1,45	1,47
Сосна	0.51	4,1	10,0	7,58	0,69	0,67	0,20		2,17	2 23	2,62	1,17	1,17	1,22
Ель	0,46	3.9	10.6	7,17	0,6	0,62	0,20		1,73	1,68	2,41	1,42	1,43	1,06
Кедр сибирский	0.44	3,6	8.20	6,48	0,6	0,64	0,14		—	—	2,03	—	—	-
Пихта	0.39	3,4	7,61	6,07	0,5	0,57	0.14		1,67	1,64	2,48	1,25	1,25	1,01
	Лиственные
Граб	0,81	5,3	13.4	12,1	1,41	1.77	0,48	7.01		7.17	8,25~	_	_	_
Дуб	0,76	5,1	-	8,91	1.10	1,25	0,46.	5.36		5.68	6,53	1,40	1,40	1.51
Клен	0,70	5,2	_	10,5	1.13	1.29	0.37	5,06		5.37	6,90	—	—	—
Ясень	0,69	4,9	13.9	10,8	1,2	1.22	0.43	5,34		6.09	7,32	1,50	1,40	1.28
Бук	0,68	4,7	11,7	9.53	1,06	1,32	0,39	3,94		4,03	5,56	—	—	—
Береза	0,64	4,6	16,1	9,67	0..8	1,02	0,45	3,36		3,00	4,23	1,58	1,81	1.51
Липа	0,50	3,9	11.5	7,75	0,7	0.74	0,28	1,56		1.63	2 34	_	—	—
Осипа	0.50	3,7	12.0	6,86	0.5	0,78	0.41	1,75		1,83	2,41	1,26	1,54	1,10

больше, чем а_с. Модули упругости при растяжении и сжатии примерно равны, в продольном направлении их значение в 10 — 30 раз больше, чем в поперечном. Вдоль волокон £ = = (1,17 ~ 1,58) 10³ кгс/мм².

При ударных нагрузках сопротив­ление ударному изгибу вязких пород (ясеня, дуба) в 1,5 — 3 раза выше, чем хрупких хвойных пород (сосны, ели,

пихты). Прочность древесины зависит от скорости нагружения: чем мед­леннее прикладывается нагрузка, тем меньше величина предела прочности. Со временем сопротивление древесины постепенно уменьшается и дости­гает некоторого предела долговременного сопротивления, при котором де­ревянная деталь может работать неопределенно долгое время (рис. 234). Для всех видов напряженного состояния древесины величина длительного сопротивления принимается равной 2/3 предела прочности.

При вибрационных нагрузках необходимо учитывать усталость (или выносливость) древесины. Предел выносливости ст_е всегда меньше статиче­ского предела прочности а_ст. Отношение ст_в/ст_Ст при изгибе составляет для разных пород 0,24 — 0,38:

Защита древесины от увлажнения, загнивания и воспламенения. В усло­виях эксплуатации или хранения древесины на открытом воздухе ее влаж­ность может значительно увеличиваться и вызывать загнивание дере­вянных элементов. Для борьбы с этим недостатком применяют гидроизо­ляционные прокладки, лакокрасочные покрытия и антисептирование.

Антисептики представляют собой водные растворы минеральных солей (фтористого натрия, хлористого цинка, медного купороса и др.) и спир­товые растворы оксидифенила и ртутноорганических соединений. Антисеп­тирование производят путем промазки, опрыскивания, пропитки под давлением.

Древесина; легко воспламеняется от огня (точка воспламенения 330-470°С). Для повышения ее огнестойкости (хотя сделать древесину со­всем несгораемой нельзя) применяют ряд способов. Первый и наиболее эффективный способ защиты — пропитка химическими веществами — антипиренами, второй - окраска огнезащитными красками. В качестве антипиренов используют аммониевые соли и соли фосфорной кислоты или бор­ной кислоты. Огнезащитные краски должны быть негорючими и нетеплопроводными. К ним относятся силикатные краски на основе жид­кого стекла и перхлорвиниловые лакокрасочные покрытия.