Древесина и древесные материалы

Древесина характеризуется плотностью и объемной массой. Плотность — масса единицы объема плотного вещества древесины без пор и влаги. Плотность древесины не зависит от ее породы и равна 1540 кг/м³. Натуральный древесный материал, полости которого заполнены влагой и смолой, характеризуется объемной массой. Эта величина зависит от влажности, коэффициента объемной усушки, породы, места произрастания и возраста   древесины.   Объемная   масса   древесины   γ15 = γw[1+0,01(1—ko)X (15— W)], где γ15 и γw — соответственно объемная масса при влажности 15 % и W %, кг/м³ (для разных пород древесины γ15=390÷760 кг/м³ — табл. 9.1); k0 = Y/W — коэффициент объемной усушки ([Y = (V1—V0)/V0] 100 % — относительный объем образца; V1 и V0 — объем образца до и после высушивания соответственно, см³).

Древесина с более высокой объемной массой имеет большую плотность, лучше сопротивляется механическим воздействиям. Механические свойства древесины зависят от влажности, породы, возраста, пороков и многих других факторов. К важнейшим показателям механических свойств древесины относятся характеристики прочности и твердости. Прочность определяется сопротивляемостью сжатию, изгибу и скалыванию, а твердость — сопротивляемостью внедрению твердых тел (например, режущего инструмента, гвоздей, шурупов). Предел прочности древесины при сжатии σ15 = σw[1 + α(W—15)], где σ15 и σw - соответственно предел прочности при сжатии при влажности 15% и W %, МПа; а — коэффициент, зависящий от породы древесины и направления приложения нагрузки (при сжатии вдоль волокон « = 0,04+0,05; при сжатии поперек волокон а = 0,035). С уменьшением влажности менее 30 % предел прочности при сжатии увеличивается (рис. 9.3). Отношение предела прочности к объемной массе называют коэффициентом качества древесины (табл. 9.1).

Рис. 9.3. Влияние влажности на предел прочности древесины при сжатии 1 — дуб; 2 — ель

Теплопроводность древесины невелика и зависит от влажности, объемной массы и направления теплового потока по отношению к расположению волокон (рис. 9.4). Вдоль волокон теплопроводность примерно в 1,7—2,3 раза выше, чем поперек волокон. Коэффициент теплопроводности сосны вдоль волокон равен 0,35, поперек волокон— 0,15, ели —0,20 и 0,11, дуба — 0,36 и 0,21 Вт/(м·К).

Рис. 9.4. Зависимость коэффициента теплопроводности древесины от влажности при температуре 20 °С (направление теплового потока перпендикулярно волокнам) 1 — дуб; 2 — сосна

Теплоемкость древесины слагается из теплоемкости находящейся в ней воды и теплоемкости абсолютной сухой древесины. Дуб имеет теплоемкость 2,4 кДж/(кг·К), ель и сосна — 2,7 кДж/(кг·К). Теплоемкость древесины в абсолютно сухом состоянии практически не зависит от породы и в пределах 0—106 °С равна 1,37 кДж/(кг·К).

Таблица 9.1. Физико-механические свойства древесины при 15 % влажности

Порода древесины	Объемная масса, кг/м3	Предел прочности,  МПа			Модуль упругости при статическом изгибе, 10—2 МПа	Коэффициент качества, 103
		при сжатии вдоль волокон	при статическом изгибе	при растяжении вдоль волокон		Сжатие вдоль волокон	Изгиб
Лиственные:
береза	640	46,7	96,7	161,0	151	72	151
бук	680	47,4	95,3	117,8	116	69	140
дуб	760	51,9	89,1	113,5	150	68	117
клен	700	52,0	105,3	—	120	70	150
орех	600	48,5	97,5	—	115	80	162
ясень	690	49,9	108,3	139,0	128	72	156
Хвойные:
ель	460	39,6	71,7	106,1	106	86	155
кедр	440	36,3	64,8	82,0	—	82	147
лиственница	680	54,9	98,4	122,7	147	80	144
пихта	390	34,2	60,7	76,1	98	87	155
сосна	520	41,4	75,8	100,9	122	79	145

Основные пороки древесины, влияющие на ее механические свойства,— сучки, трещины и наклон волокон. Сучок в наибольшей степени снижает прочность древесины при его расположении в растянутой зоне. При сжатии вдоль волокон он также несколько уменьшает прочность древесины, действуя подобно клину. Трещины появляются на стволе в результате изменения температуры и влажности воздуха. Они являются проводниками влаги, способствуют гниению древесины и снижают ее качество. При растяжении вдоль волокон трещины не влияют на прочность, при сжатии их влияние значительнее и достигает максимального значения при скалывании вдоль волокон. Наклон волокон к направлению действия усилия снижает прочность древесины: наклон волокон под углом 10° уменьшает прочность при изгибе на 10—20 %.