Все о свойствах древесины

Знать все о свойствах древесины, а не только о том, какой она бывает по твердости, полезно и для общего развития, и для непосредственной организации разных производств. Необходимо обязательно обратить внимание на технологические свойства и влажность. Но также стоит заранее представлять, какими полезными свойствами обладает древесина.

Окраска древесины во многом зависит от степени ее насыщенности дубильными веществами. Потому она четко привязана к климатическим и почвенным особенностям различных местностей. Главное правило простое: чем больше растворимость минеральных солей, тем темнее получится материал. Но то, каким цветом обладает конкретное дерево, зависит также от:

• поступления минеральных солей;
• особенностей обработки на производстве;
• степени влажности;
• характеристик освещения;
• выгорания со временем;
• поражений грибками.

Физически этот параметр выражает степень направленного отбрасывания светового потока. Чем более гладкая поверхность у конкретного образца, тем она выше. Недаром отполированные как следует доски и панели, почти независимо от исходной породы, блестят особенно сильно. Но все же особенности породы накладывают всегда отпечаток на характер такого блеска.

Во многом именно это свойство считают определяющим внешний вид древесины в итоге. Под текстурой подразумевает специфический рисунок. Обнаруживается он обычно не на поверхности, а на срезе. На текстуру влияют:

• уже упомянутый цвет;
• особенности волокон и их расположение;
• годичные кольца;
• пигменты внутри.

Специфический аромат — едва ли не самое приятное свойство, которое есть у древесины. Максимально сильный запах характерен для ядра, потому что там наиболее высока концентрация ароматических веществ. Только что срубленное дерево пахнет сильнее, затем все слабее. Через какое-то время уловить этот запах оказывается почти невозможно. Наиболее привлекателен он у таких экземпляров:

• можжевельника;
• лимонного дерева;
• кипариса;
• тика;
• персика;
• желтого дерева.

Так называют строение дерева, обнаруживаемое или при рассмотрении невооруженным глазом, или при незначительном увеличении, например, при помощи лупы. Заметить макроструктуру можно на любых срезах стволов. Сердцевина, камбий и собственно древесина — все это части макроструктуры.

Этот показатель обычно проходит как отрицательный, потому что чем меньше он, тем легче работать с деревом, тем предсказуемее его прочие параметры и тем надежнее готовое изделие. Древесина свежесрубленная имеет достаточно высокую степень влажности. При обычных условиях — температура 20 градусов — дерево может вобрать из внешней среды до 30% воды в абсолютном исчислении. Превысить этот показатель естественным образом оно не может, если нет каких-то особых обстоятельств, которые повышают насыщение жидкостью до 50 или даже до 100%. Что примечательно, от породы и даже от региона происхождения это почти не зависит.

Норма по ГОСТу проста: если содержание воды ниже 22%, то это сухой пиломатериал, а при более высокой концентрации, его относят к влажной категории. Однако в практических целях ограничиться подобным стандартным уровнем, конечно же, нельзя. Кроме того, надо помнить, что по ГОСТу содержание воды в древесине 4 класса не нормировано. Определение этого показателя производится различными способами. В профессиональных целях его измеряют при помощи особого прибора — электровлагомера.

Проверить влажность можно и при помощи весового теста. Обычно нормальной считают воздушно-сухую древесину, влажность которой не превышает 15-20%. Чаще всего для достижения такого результата нужна более или менее длительная сушка.

Мокрым считают дерево с влажностью более 100 процентов (по коэффициенту прибавления массы из-за отсыревания). Но такое возможно только при длительном нахождении в воде. Нормальной считают влажность от 30 до 80%, хотя, разумеется, доходить до верхнего предела не стремятся, а стараются использовать возможно более сухой пиломатериал, в идеале — не более 12%. Расчет производится по достаточно простой формуле.

Начальный показатель увлажнения определяют, вычитая из исходной массы ту массу, которая будет в абсолютно сухом состоянии, а затем делят это на абсолютно сухую массу и умножают на 100%. Необходимо понимать, что даже если поверхность суха, то все равно внутри может оставаться изрядное количество влаги. В ряде случаев можно услышать про так называемую равновесную влажность древесины. Она подразумевает такое состояние, когда давление из внешней среды полностью уравновешивается давлением со стороны жидкости, заключенной в порах и клетках. Этот показатель, как и другие виды насыщенности водой, прямо влияет на пригодность сырья для тех или иных практических целей.

С увеличением влажности пиломатериал:

• становится существенно шире;
• несколько удлиняется;
• в сочетании с ростом температуры приобретает пластичность;
• за длительное время (сопоставимое с обычным сроком эксплуатации) быстрее изнашивается и деградирует, чаще и активнее гниет.

Но вода не только содержится изначально, но и поступает извне в течение всего времени использования изделий. Интенсивность ее впитывания как раз и называется влагопоглощением. При адсорбции воды выделяется некоторое количество тепла.

Речь идет о пропускании так называемой связанной воды. Коэффициент влагопроводности принимает во внимание движение как собственно жидкости, так и парообразной фазы. Оно происходит через:

• полости клеток;
• межклеточные пространства;
• капиллярные системы клеточных оболочек.

Когда профессионалы произносят слово усушка, оно лишено всякого иронического оттенка. Это вполне серьезный термин, означающий степень сокращения размеров древесины или изделия из нее при удалении находящейся там влаги. Для каждой породы и даже для конкретного уровня плотности этот показатель может существенно отличаться. В разных геометрических направлениях усушка идет неоднородно. Физический смысл разбухания состоит в проникновении молекул воды внутрь клеточных стенок и в раздвигании ими фибрилл целлюлозы, такой феномен преимущественно характерен для пересушенной или подвергаемой сезонным перепадам влажности древесины.

В природном состоянии любой ствол дерева растет сбалансированно, даже если ему приходится развиваться криво. Но когда тот же ствол срубают, древесину «ведет», потому что эти напряжения вырываются из-под контроля, утрачивают всякую гармонию. Наиболее сильные из них обнаруживаются сразу, как только ствол распиливают. Однако иногда проблема обнаруживает себя гораздо позднее, после высыхания досок и их крепления в создаваемой конструкции.

Это показатель массы некоторой единицы объема дерева. Важно: его рассчитывают, специально игнорируя массу пустот и содержащейся влаги, только чистая тяжесть сухого вещества имеет значение. Для каждой породы плотность строго индивидуальна. Этот показатель тесно связан со следующими параметрами:

• пористостью;
• влажностью;
• уровнем абсорбции;
• прочностью;
• подверженностью биологическим повреждениям (чем плотнее образец, тем труднее повредить его).

Способность древесины к пропусканию жидкостей и газов недооценивать не стоит. Она прямо влияет на разработку режимов сушки и пропитки, на оценку целесообразности таких режимов. Проницаемость для воды определяется не только породой дерева, но и расположением в стволе, и направлением перемещения жидкостей, газов. Проницаемость вдоль волокон существенно отличается от интенсивности проникновения поперек волокон. Также стоит учесть и важную роль смолистых веществ, которые мешают поступлению воды и других жидких веществ.

Проницаемость для газов определяется как количество прошедшего воздуха. Его измеряют в пересчете на 1 куб. см поверхности образца. Этот показатель определяется:

• давлением;
• свойствами самой древесины;
• свойствами паров или газов.

Именно они чаще всего упоминаются в числе полезных свойств натурального материала. Но в реальности ситуация несколько сложнее, чем просто «хорошее удержание тепла». Удельный уровень теплоемкости не так уж сильно зависит от породы и плотности. Он определяется, прежде всего, температурой окружающей среды. Чем она выше, тем больше теплоемкость, зависимость носит практически линейный характер.

Стоит обратить внимание также на температуропроводность и теплопроводность. Оба этих свойства прямо связаны с плотностью вещества, потому что важную роль играет каждая полость, содержащая воздух. Чем плотнее дерево, тем выше его теплопроводность. Но индекс теплопроводности, напротив, резко падает с увеличением удельной массы образца.

Но иногда древесину используют и как топливо. В этом случае критически важна теплотворная эффективность. Для абсолютно сухого дерева она составляет от 19,7 до 21,5 МДж на 1 кг. Появление влаги, даже в небольших количествах, резко сокращает этот показатель. Кора, за исключением березовой, горит с той же температурой, что и сама древесина.

При использовании древесины в качестве топлива главное значение имеет такое тепловое свойство древесины, как теплота сгорания (теплотворная способность), составляющая для абсолютно сухой древесины 19,7- 21,5 МДж/кг. Присутствие влаги сильно понижает ее значение. Теплота сгорания коры приблизительно такая же, как у древесины, кроме внешнего слоя коры березы (36 МДж/кг).

Подавляющее большинство строителей интересуется только и исключительно способностью дерева поглощать посторонние звуки. Чем она выше, тем лучше материал защитит дом от уличных шумов. Однако при производстве музыкальных инструментов большую роль играет такое свойство, как резонирование.

Речь идет, прежде всего, об электрическом сопротивлении и электрической прочности. Степень сопротивления току определяется породой и направлением волокон. Однако важную роль предсказуемо играют температура и уровень влажности. Под электрической прочностью принято понимать необходимую напряженность электрического поля, которой достаточно для пробоя. Чем сильнее разогрето дерево, чем выше его температура, тем ниже устойчивость к подобному пробою.

При попадании инфракрасного излучения поверхностные зоны древесины могут сильно разогреваться. Необходимо, однако, очень сильное воздействие такого рода, чтобы видоизменился ствол толстого дерева на всю глубину. Что любопытно, проникновение видимого света происходит гораздо глубже — на 10-15 см. Особенности светового отражения позволяют неплохо судить о дефектах материала. Ультрафиолет проникает в древесину плохо.

Но он провоцирует специфическое свечение — люминесценцию. Рентгеновское излучение позволяет обнаружить даже мелкие дефекты структуры. Его нередко используют для профессиональной диагностики. Бета-излучение применяют для исследования растущих деревьев. Гамма-лучи позволяют обнаружить очень глубоко скрытые дефекты, гниль и так далее.

Так называют способность сопротивляться разрушению при приложении нагрузки. Степень прочности зависит от величины связанной влаги. Чем она выше, тем ниже стойкость к механическим воздействиям. Однако после преодоления рубежа гигроскопичности (примерно 30%) эта зависимость исчезает. Потому сопоставление пределов прочности образцов допускается только при идентичной степени увлажнения.

Практически все знают, что дерево бывает различной твердости, и что это один из главных показателей при отборе его для конкретных целей. Специалисты определяют твердость как силу сопротивления введению посторонних предметов, в том числе метизов. Помимо списка или шкалы по породам хвойных и лиственных деревьев есть еще ее классификация по области твердости. Торцевая твердость устанавливается за счет вдавливания штока из металла с определенным диаметром и формой конца на заданную глубину радиуса плавно в течение 120 секунд. Оценка производится в килограммах на квадратный сантиметр.

Также различают радиальную и тангенциальную твердость. Ее показатель в боковой плоскости у лиственной доски почти на 30% ниже, чем с торца, а для хвойного массива разница обычно составляет 40%. Но многое зависит от конкретной породы, от ее состояния и особенностей хранения. В ряде случаев твердость измеряют по системе Бринелля. Кроме того, специалисты всегда учитывают, как может поменяться твердость в процессе обработки и при использовании.

Наиболее крепкое дерево в мире это:

• ятоба;
• сукупира;
• амазонская ярра;
• мутения;
• грецкий орех;
• мербау;
• ясень;
• дуб;
• лиственница.

Но просто разобраться, какое дерево больше всего выдерживает нагрузки, не разрушаясь, далеко недостаточно. Необходимо обратить внимание и на другие значимые аспекты. Прежде всего, на взаимосвязь между механическими параметрами и объемной массой. Чем тяжелее древесина, тем обычно лучше ее механика. Соответствующая взаимосвязь описывается целым рядом сложных формул. Но чтобы учесть определенные условия и места произрастания, вводятся дополнительные поправочные коэффициенты.

Весовая выгодность отражается коэффициентами:

• общего качества;
• качества в статике;
• удельного качества.

Основными техническими свойствами древесины, наряду с уже упомянутой твердостью, являются:

• ударная вязкость;
• эффективность удержания метизов;
• изгибаемость;
• склонность к раскалыванию;
• сопротивляемость износу.

Вязкость характеризует поглощаемую работу при ударе, которая не приводит к разрушению материала.

Маятник в поднятом состоянии запасает потенциальную энергию. После отпускания в беспрепятственном движении он поднимается на одну высоту, а затратив часть импульса на разрушение образца, — на другую высоту, это и позволяет определять затрату усилий.

Приборы обычно оборудуют специальной шкалой. Считав показания, подставляют их в формулы, и уже таким образом получают показатель ударной вязкости. Надо понимать, что речь идет о сравнении качества образцов, а не о расчетах деревянных конструкций. Установлено, что лиственные породы более вязки, чем хвойный массив. Что касается удержания метизов, то оно зависит от силы трения, возникающей между материалом и вводимым в него крепежом.

Дополнительно определяют так называемую величину сопротивления выдергиванию. Она помимо плотности определяется еще породой древесины и тем, входит ли метиз в торец или поперек волокна. Увлажнив дерево, можно будет упростить то же заколачивание гвоздей, но высохший материал держит их хуже. Сопротивляемость изгибающему усилию приходится оценивать преимущественно в тех случаях, когда изгиб технологически необходим для получения некоторого изделия. Стандартизированный метод для оценки этого показателя не разработан.

Износостойкость практически всегда определяется как сопротивляемость трению. Лишь в редких случаях важную роль играет сопротивление другим изнашивающим воздействиям. Важно понимать, что она оценивается по поверхностному слою. Если разрушение достигло сердцевины, смысла дальше изучать тему нет — последствия и так понятны. Стандартный метод оценки износостойкости предусмотрен в ГОСТе 16483 от 1981 года.