Свойства древесины: механические, физические, технологические

Пористость. Эта характеристика зависит от плотности древесины различных пород. У хвойных деревьев пористость варьируется от 46% до 81%, тогда как у лиственных деревьев – от 32% до 80%. С увеличением плотности древесины, как правило, пористость снижается.

Строение и свойства древесины

Древесина используется в строительстве благодаря своей прочности, легкости в обработке, низкой теплопроводности и устойчивости к перепадам температур. Однако у древесного материала также есть недостатки: он поглощает влагу, изменяет размеры, а также может растрескиваться и коробиться. В данном разделе мы рассмотрим, как структура древесины влияет на ее свойства, какую часть ствола используют для производства пиломатериалов, откуда возникает запах старой бумаги, и какое хвойное дерево считается самым прочным.

Будем анализировать строение древесины как на макроскопическом, так и на микроскопическом уровнях. Это позволит лучше понять ее основные свойства, которые влияют на поведение пиломатериалов в различных условиях эксплуатации.

Деревянное растение состоит из различных частей: корня, ствола и кроны, при этом основная часть конструкции – это ствол. Его строение описывается по поперечному сечению:

Кора — это внешняя оболочка ствола, состоящая из луба (флоэмы), пробковой ткани и мертвых клеток. Она защищает дерево от внешних угроз, таких как вредители, инфекции, перегрев и механические повреждения.

Луб (флоэма) — это темно-коричневая ткань, расположенная сразу под корой. Это мягкий и гибкий слой, который используется для создания плетеной обуви, сумок, корзин и различных поделок. В измельченном виде этот материал находит применение в медицине. Однако она менее прочная, чем древесина, и подвержена усушке, поэтому не используется для производства мебели.

Камбий — это слой между лубом и заболонью. Его общая толщина составляет от 0,15 до 0,6 мм, но у хвойных деревьев может достигать 5 мм. Камбий производит новые клетки и отвечает за ежегодный прирост в виде кольцевых слоев; именно благодаря этому ствол растет в толщину.

Древесина (заболонь) — это твердая часть ствола, находящаяся между лубом и сердцевиной. Она состоит из клеток, формирующих длинные цилиндрические структуры, называемые сосудами. Они служат для транспортировки воды и питательных веществ от корней к листвам. Основные пиломатериалы, используемые в строительстве, вырезаются из заболони.

Ядро и сердцевина — это центральная часть ствола, которая состоит из самых старых слоев, может быть более тёмной и рыхлой по сравнению с внешними слоями. Основное предназначение сердцевины — накопление питательных веществ, таких как крахмал, масла и дубильные вещества.

Поперечное сечение ствола демонстрирует количество годичных колец, состоящих из двух слоев:

Ранний слой — светлый, с крупными тонкостенными клетками. Поздний слой — более темного цвета, с мелкими толстостенными клетками. Она формирует характерный рисунок, наблюдаемый на поперечном сечении древесины.

Форма ствола зависит от породы дерева и условий окружающей среды: он может быть прямым, гладким, узким, широким или разветвленным.

Место, где ствол переходит в корень, называется комлевой частью или комлем. Эта древесная часть высоко ценится за свою прочность: из неё в старину изготавливали различные предметы быта и строительные элементы.

Микроскопическое строение древесины

Микроскопическое строение древесины демонстрирует ее структуру на уровне клеток и тканей. Основные компоненты микроструктуры дерева складываются из:

• структурных элементов,
• трахеид и сосудов,
• лучевой ткани,
• камбия,
• кристаллических включений.

Структурные элементы. Древесина формируется из длинных тонких волокон с жесткой структурой: это обеспечивает основную механическую поддержку дерева.

Трахеиды и сосуды. Это каналы, через которые влага и полезные вещества перемещаются по дереву. Трахеиды у хвойных пород — это узкие, длинные клетки, которые располагаются последовательно друг за другом. Сосуды у лиственных деревьев имеют более широкую и короткую форму, образуя объединение крупных клеток.

Лучевая ткань. Лучи представляют собой цилиндрические структуры, расположенные перпендикулярно к волокнам. Они состоят из групп вытянутых клеток и играют важную роль в перераспределении питательных веществ по стволу.

Камбий. Это слой делящихся клеток, который отвечают за рост древесины и образование ежегодных колец. Он находится между заболонью и корой.

Кристаллические включения. В микроструктуре древесины могут присутствовать различные кристаллические структуры, такие как кристаллы целлюлозы, оксалат кальция и другие минералы.

Различные породы деревьев могут иметь различия в микроструктуре; на нее оказывают влияние условия роста и окружающая среда. Изучение микроскопической структуры древесины позволяет глубже понять ее физические, механические и химические свойства, что широко используется в лесной промышленности, строительстве, искусстве и быту.

Основные свойства

Основные свойства древесины условно делятся на три главные категории:

1. технологические свойства, определяющие пригодность древесины к обработке и производству готового изделия — пиломатериалов;
2. физические свойства, демонстрирующие внутреннее строение вещества;
3. механические свойства, характеризующие сопротивление деформации.

Эта классификация условна, поскольку многие показатели могут относиться одновременно к нескольким категориям. Например, такие характеристики, как влажность, усушка и износостойкость, могут отражать как физические, так и технологические качества древесины.

К технологическим свойствам относят:

• способность удерживать металлические крепежные элементы (гвозди, шурупы);
• износостойкость (сопротивление трению);
• твердость (подразделяется на 5 классов: от сверхмягких до сверхтвёрдых);
• пластичность (способность сохранять первоначальную форму после снятия нагрузки);
• сопротивляемость расколу и делению на волокна;
• влажность (выражается в процентном соотношении массы влаги в древесине к массе абсолютно сухой древесины);
• подверженность усыханию, разбуханию и короблению пиломатериала.

Физические свойства включают в себя:

• плотность (с учетом влажности древесины, измеряется в килограммах на кубометр);
• запах (зависит от состава и количества смол в древесине);
• гигроскопичность (способность впитывать и отдавать влагу);
• теплопроводность (умение удерживать тепло);
• электропроводность (характеризующая способность передавать электрический ток).

Механические свойства

Они характеризуют прочность древесины против разрушения при воздействии механических сил, упругость (при определённой влажности) и вязкость (способность гнуться без разрушения). Эти качества определяются через испытания на растяжение, сжатие, сдвиг и изгиб. На механические свойства древесины влияют как направление приложенной силы (поперек или вдоль волокон), так и анизотропная природа древесины.

Свойства, характеризующие внешний вид

К внешним особенностям древесины относятся такие характеристики, как:

• цвет — на который преимущественно влияет порода и возраст дерева;
• блеск — отражающая способность поверхности, зависящая от количества и плотности лучей от сердцевины;
• текстура — природный рисунок, проявляющийся на разрезе ствола в виде годовых колец, пересекающихся лучей и волокон.

Под воздействием различных факторов окружающей среды, таких как воздух, свет и влага, внешний вид древесины может измениться до неузнаваемости.

Все о влажности

Влажность является одним из важнейших факторов, характеризующих материал, посредством которого можно определить количество воды, содержащейся в древесине. Каждое дерево содержит воду, необходимую для его функционирования и роста. Однако, когда речь идет о срубленной древесине, которая планируется к использованию в производстве, уровень влаги в материале должен быть минимальным.

Влажность древесины измеряется в процентах и определяется соотношением массы воды, содержащейся в материале, к массе абсолютно сухой древесины. В настоящее время её измерение часто осуществляется в лабораторных условиях.

Для практического вычисления показателя влажности применяются два метода.

• Прямой метод. Этот процесс занимает продолжительное время. Суть метода заключается в длительном высушивании древесины, в ходе которого из материала удаляется вся влага.
• Косвенный метод. Этот метод чаще используется на практике для определения влажности, поскольку он проще и менее времязатратен. Во время измерения количества влаги косвенным способом применяется специальный прибор — кондуктометрический электровлагомер. С его помощью можно определить уровень электропроводности материала.

Стоит отметить, что прямой метод, хотя и занимает много времени, предоставляет более точные результаты, тогда как косвенный может иметь погрешность до 30%. По результатам исследований было установлено, что древесина, пригодная к использованию в производственных процессах, должна иметь уровень влажности не более 12%.

Существует классификация древесины по степени её влажности.

• Мокрая древесина. Этот материал характеризуется 100% влажностью и, как правило, представляет собой древесину, находившуюся длительное время под водой.
• Свежесрубленная древесина. Влажность такого материала колеблется от 50% до 100%.
• Воздушно-сухая древесина. Это древесина, которая была срублена и сохла на открытом воздухе в течение определённого времени. Процент влажности в этом случае составляет 15-20%.
• Комнатно-сухая древесина. Влажность такого материала не превышает 12%.
• Полностью сухая древесина. Это обработанный и высушенный в специальной камере материал, температура в которой составляет 103°C.

Какие еще свойства относятся к физическим?

На сегодняшний день древесина является одним из самых популярных строительных материалов. Поэтому физические свойства древесины как конструкционного материала имеют весомое значение. Они влияют на характеристики и эксплуатационные качества конструкций, изготовленных из древесины. Помимо уже упомянутых качеств, таких как внешний вид и влажность, есть и другие важные характеристики.

Усушка

Процесс усушки происходит, когда из материала удаляется связная вода, что приводит к уменьшению объема и изменению линейных размеров древесины. Максимальная усушка, при которой удаляется вся влага, приводит к визуальным изменениям и появлению трещин как в внутренних, так и в наружных слоях.

Коробление

Коробление происходит, когда материал в процессе обработки (например, распиловка, строгание, ребровое деление) меняет свою исходную форму. Это может проявляться в процессе усушки и бывает продольным либо поперечным.

Разбухание

Объем и линейные размеры древесины являются изменчивыми и могут изменяться со временем под воздействием различных факторов окружающей среды. Одним из этих факторов является увеличение объема связной воды в материале. Влажающая среда, включая открытый воздух, способствует увеличению количества связной воды.

Это свойство считается негативным в контексте конструирования, например, мебели. Однако если речь идет о строительстве корабля или конструировании бочки для хранения вина, такое свойство, как разбухание, может быть весьма полезным. Оно обеспечивает более плотное соединение всех элементов конструкции.

Влагопоглощение

Одной из отрицательных характеристик древесины, независимо от её сорта и породы, является влагопоглощение. Это свойство присуще всем видам древесины. Поэтому все конструкции, изготовленные из дерева, должны подвергаться обработке специальными средствами до выхода на потребительский рынок. Поверхность защищается пленочными и лакокрасочными материалами, которые предотвращают поглощение влаги древесиной.

Плотность

Плотность — это масса единицы объема материала. Она измеряется в кг/м³ или г/см³. В производственной практике основным критерием является базисная плотность древесины, которая определяется через две величины: массу сухого образца и его объем в увлажненном состоянии. Путем нахождения соотношения между этими величинами определяется базисная плотность древесины.

Плотность древесины бывает низкой — при показателе влажности до 540 кг/м³, средней — от 550 до 740 кг/м³ и высокой.

Древесина с высокой плотностью имеет показания выше 740 кг/м³.

Проницаемость

Проницаемость древесины — это её способность пропускать газ и жидкость. В условиях лаборатории определяется, как и в каком объеме материал пропускает газ или жидкость под высоким давлением.

Тепловые свойства

К тепловым свойствам относятся такие характеристики, как удельная теплоемкость, теплопроводность и тепловое расширение. Первый параметр определяет способность материала аккумулировать тепло. Специальными методами устанавливается количество тепла, необходимое для нагрева 1 кг древесины на 1°C.

Второй параметр позволяет установить скорость, с которой тепло переносится в материале. Тепловое расширение отражает изменение объема и линейных размеров древесины под действием температуры.

Физические свойства древесины

Физические свойства древесины — это те характеристики, которые можно оценить без дополнительных испытаний и воздействия на материал. Их можно определить при помощи взвешивания, измерения или визуального осмотра.

К таким свойствам относятся:

• внешний вид;
• плотность;
• влажность;
• усушка и разбухание;
• теплопроводность, звукопроводность и электропроводность.

Свойства, определяющие внешний вид

Лесозаготовки имеют широкий спектр уникальных для древесины свойств:

1. Запах — который зависит от породы древесины и содержания различных смол. Запах древесины уникален и не подлежит сравнению с другими материалами.
2. Цвет — формируется под воздействием породы древесины. Также может меняться у влажной и сухой древесины, а также у пораженного и здорового дерева.
3. Текстура — спил древесины демонстрирует особый уникальный рисунок, зависящий от возраста ствола и направления перебора волокон.
4. Блеск — более выражен у плотных пород и зависит от количества исходящих из сердцевины лучей и их плотности.

Плотность

Плотность измеряется при стандартной влажности. Увеличение влажности обычно ведет к увеличению плотности древесины. Этот показатель также напрямую связан с прочностью: чем тяжелее древесина, тем она прочнее и ценнее для производителей.

Выделяются три типа плотности:

• Высокая — более 760 кг/м³;
• Средняя — от 510 до 750 кг/м³;
• Низкая — меньше 510 кг/м³.

Влажность

Влажность древесины — это соотношение влаги, содержащейся в древесине, к массе сухого материала. Этот показатель выражается в процентах. У свежесрубленной древесины уровень влажности будет выше, чем у древесины, лежавшей несколько дней, так как растение на протяжении всей своей жизни поглощает воду из почвы.

Механические свойства древесины

Механические свойства показывают, насколько древесина способна сопротивляться воздействию внешних факторов. К ним можно отнести прочность, твердость, ударную вязкость, деформативность и износостойкость.

Прочность

Это свойство указывает на то, насколько материал устойчив к внешнему воздействию, например, к сжатию, длительному изгибу и растяжению.

• Прочность древесины зависит от направления воздействия.
• Лесоматериалы значительно более устойчивы к нагрузкам вдоль волокон, нежели поперек.
• Наилучшей прочностью обладает береза, в то время как хвойные породы несколько менее прочные.

Твердость

Твердость определяет способность древесины к сопротивлению внедрению внешних металлических предметов (например, гвоздей или дюбелей). Древесина не является самым твердым материалом, и при боковых воздействиях прочность значительно меньше по сравнению с торцевыми.

Ударная вязкость

Это свойство определяет способность древесины выдерживать динамические нагрузки (например, удары молотком) без образования видимых повреждений на протяжении времени. Данный показатель у древесины, как правило, находится на высоком уровне.

Способность к изгибам

Эта способность зависит от влажности древесины. Например, хвойные породы практически не гнутся в сухом состоянии, поэтому перед началом работы их смочивают. Эта характеристика делает древесину отличным материалом для производства мебели.

Износостойкость

Это свойство определяет, как древесина сопротивляется длительному трению по поверхности. Оно зависит от породы дерева, уровня влажности и направления распила. Чем выше влажность материала, тем ниже его износостойкость.

Физические свойства

Физические свойства включают такие характеристики, как устойчивость к коррозии, способность передавать тепло и звук, плотность, влажность, а также текстуру, оттенок, запах и блеск.

• Влажность строительных материалов гарантирует их качество и долговечность. Чем ниже уровень влажности, тем лучше для древесины: она будет менее подвержена гниению. Однако стремиться к использованию древесины с очень низкой влажностью не рекомендуется.
• Это связано с гигроскопичностью структуры древесины. Чтобы избежать усушки и размягчения древесины, которые могут привести к короблению, рекомендуется использовать материал с влажностью, соответствующей условиям эксплуатации.

Устойчивость к коррозии — это важное свойство для конструкций на улице. Хвойные породы деревьев более устойчивы к коррозии благодаря содержанию смолистых веществ.

Способность древесины передавать тепло и звук также имеет значение. Качество звучания можно определить по звуку при ударе по комлевой части бревна: если звук ясный и звонкий, это свидетельствует о высоком качестве древесины.

Идентифицировать породу древесины можно визуально, основываясь на ее блеске, запахе, оттенке и текстуре. Например, нездоровая хвойная древесина может иметь синеватый оттенок, а загнивающие сосновые лесоматериалы обладают затхлым запахом.

Фото свойства древесины