Механические характеристики древесины являются важным аспектом, поскольку именно от них зависят прочность и долговечность конструкций и изделий, изготовленных из древесины. Механическая прочность древесины определяется её способностью сопротивляться различным статическим и динамическим нагрузкам.
Физические свойства древесины
Физические свойства древесины включают её плотность, уровень влажности, теплопроводность, звукопроводимость, электропроводимость, устойчивость к коррозии (умение противостоять воздействию агрессивной среды), а также её декоративные качества, которые проявляются в цвете, блеске, аромате и текстуре.
Плотность древесины представляет собой отношение массы к объему, измеряемое в граммах на кубический сантиметр (г/см³) или в килограммах на кубический метр (кг/м³). Этот параметр зависит от породы дерева, его возраста, условий роста и уровня влажности. Неоправданно углубляться в детали анализа плотности; достаточно помнить, что древесина с высокой плотностью служит дольше и менее подвержена необратимым изменениям по сравнению с менее плотной древесиной (при этом для точности измерения плотности древесину обычно тестируют при влажности 15%). К примеру, самой плотной древесиной считается дуб, за ним следуют ясень, клен, лиственница, бук, береза, орех, сосна, липа, осина, ель и пихта в порядке убывания плотности.
Влажность древесины – ключевой показатель, определяющий её качество и долговечность в строительстве и производстве деревянных изделий. В практическом использовании выделяют три основных типа влажности:
- Комнатно-сухая древесина: влажность составляет 8-12%;
- Воздушно-сухая искусственной сушки: влажность находится в пределах 12-18% (этот вид получают при сушке в камерах);
- Атмосферно-сухая естественной сушки: влажность 18-23% (древесина укладывается штабелями в проветриваемых помещениях, защищенных от прямых солнечных лучей);
- Влажная древесина: влажность превышает 23%.
Следует помнить, что с уменьшением влажности древесина становится менее подверженной гниению; однако стремление к использованию древесины с максимально низкими показателями влажности не всегда оправдано. Древесина обладает высокой гигроскопичностью и способна как терять, так и накапливать влагу, что может привести к усушке (уменьшению размеров) или разбуханию (увеличению размеров). Эти процессы могут вызывать коробление и деформацию, в конечном итоге приводя к неисправности деревянных конструкций. Наиболее эффективный способ предотвращения коробления – это использование древесины с влажностью, соответствующей эксплуатационным условиям.
Теплопроводность и звукопроводимость. Деревянные строения, выполненные из бруса или сруба, отлично сохраняют тепло. Здоровая древесина также способна эффективно проводит звук вдоль волокон: если при ударе по срезу бревна, доски или бруса слышен ясный звенящий звук, это указывает на высокое качество древесины, в то время как глухой и прерывистый звук может свидетельствовать о гниении.
Коррозионная стойкость древесины имеет особое значение для строительства и изделий, начиная от мебели и заканчивая внешними конструкциями, особенно когда они размещены на открытом воздухе. Хвойные породы имеют большую устойчивость к коррозии по сравнению с лиственными, поскольку содержат множество естественных смол, которые действуют как природный барьер.
Цвет, блеск, запах и текстура – это те физиокультурные характеристики древесины, которые помогают визуально определить её породу. Например, синеватый оттенок хвойной древесины может свидетельствовать о начальных стадиях гниения; здоровая сосна имеет от коричневато-желтого до светло-желтого цвета, в то время как ель варьируется от светло-желтого до белого. На буковой древесине черные и темно-коричневые пятна указывают на её гниение, тогда как здоровый бук обычно имеет оттенок от желто-бежевого до розовато-бежевого.
Противоречия: административные, технические и физические
Сравнить два изобретения можно на примере способа определения параметров, которые недоступны для прямого наблюдения (например, износостойкости), основанного на косвенном контроле. Этот метод отличается тем, что, с целью повышения точности, используются специальные процедуры.
Особенности внешнего вида
Внешний вид древесины, как одно из физических свойств, определяется блеском, текстурой, цветом и макроструктурой.
Цвет древесины является одной из самых значимых характеристик. Широкое разнообразие оттенков зависит от породы дерева. Некоторые породы имеют такие характерные оттенки, что они распознаются исключительно на основе цвета.
Важно также учесть, что цвет даже у спиленной древесины может изменяться в зависимости от воздействия влаги, снега, солнечного света и микроорганизмов.
Поверхность древесины способна отражать свет, что называется блеском. К самым блестящим породам древесины относятся бук, дуб и акация.
При спиливании дерева и пересечении его сердцевинных лучей, сосудов и годичных колец, на поверхности можно наблюдать уникальный и красивый рисунок, называемый текстурой и макротекстурой древесины. Это качество древесины весьма ценится. Например, при выборе материала для производства дорогой и эксклюзивной мебели в первую очередь обращают внимание на текстуру дерева, учитывая ширину годичных колец, что позволяет понять возраст древесины.
Все перечисленные свойства внешнего вида древесины, которые зависят от породы, крайне значимы, однако, как было упомянуто ранее, они могут изменяться под воздействием окружающей среды.
Все о влажности древесины
Влажность древесины – одна из важнейших характеристик, позволяющая оценить количество воды, содержащейся в древесине. Вода присутствует в каждом дереве, так как она необходима для его функционирования и роста. Однако для древесины, предназначенной для использования в производстве, желательно минимизировать содержание влаги.
Влажность древесины измеряется в процентах и определяется как соотношение массы воды, содержащейся в материале, к массе сухой древесины. Текущие методы измерения, как правило, проводятся в лабораторных условиях.
Для определения уровня влажности применяются два основных метода.
- Прямой метод. Это достаточно длительный процесс, предполагающий высушивание древесины до тех пор, пока не будет удалена вся вода.
- Косвенный метод. Этот метод более распространен на практике, так как он проще и менее времязатратен. При косвенном измерении влажности используется специализированный прибор – кондуктометрический электровлагомер, определяющий уровень электропроводности материала.
Стоит заметить, что хотя прямой метод занимает больше времени, он, как правило, дает более точные результаты, тогда как косвенный метод может иметь погрешности до 30%. Эксперименты показывают, что древесина, подходящая для производственного процесса, должна иметь влажность не более 12%.
Существует классификация древесины по уровню влажности.
- Мокрая древесина: характеризуется 100% влажностью, часто это древесина, долгое время находившаяся под водой.
- Свежесрубленная древесина: уровень влажности варьируется от 50% до 100%.
- Воздушно-сухая: древесина, которая некоторое время сохла на воздухе, имеет влажность 15-20%.
- Комнатно-сухая: уровень влажности не превышает 12%.
- Абсолютно сухая древесина: эта древесина была высушена в специальных камерах при температуре 103°С.
Химический состав древесины
Химический состав древесных материалов заключается в органических соединениях, находящихся в клетках древесины:
- целлюлоза,
- лигнин,
- гемицеллюлоза,
- экстрактивные вещества,
- зола.
Целлюлоза является основным компонентом древесного волокна и составляет 40-50% массы древесины, около 20% от массы коры. Это полимер глюкозы, обеспечивающий прочность и структурную целостность древесины. Она имеет волокнистую структуру и не растворяется в воде.
Лигнин – это гетерогенный ароматический полимер, представляющий собой 25-35% массы древесины хвойных пород. Он обеспечивает жесткость и устойчивость древесной структуры, а прочность на сжатие может быть сопоставима с бетоном. Лигнин связывает целлюлозные волокна, фиксируя их вместе, и способствует затвердению оболочек клеток, превращая их в одревесневшие. В производстве бумаги лигнин обычно отделяют от целлюлозы, так как он желтеет при длительном воздействии воздуха, ослабляет бумагу. Исключение составляют газетные листья, которые изготавливаются из экономной бумаги с лигнином. Из-за этого газетная бумага становится желтой со временем, освобождается характерный запах старой бумаги, что также относится и к старинным книгам.
Гидролизный лигнин, в свою очередь, используется в медицинских препаратах как энтеросорбент.
Гидролизный лигнин в гранулах
Гемицеллюлоза – это растительный полисахарид, состоящий из глюканов, ксиланов, маннанов, галактоз и фруктозанов. Она обеспечивает дополнительную прочность древесине и формирует её структуру, связывая отдельные фибриллы целлюлозы.
Экстрактивные вещества – это органические соединения, которые извлекаются из древесины с использованием растворителей. К ним относятся масла, смолы, танины и пигменты, которые могут влиять на цвет, аромат и другие свойства древесины.
Зола представляет собой неорганические минеральные вещества, которые не сгорают. Зола содержит минералы, такие как кальций, калий, натрий и магний, которые влияют на свойства древесины.
Химический состав дерева изменяется в зависимости от его породы, возраста и условий произрастания, а также может варьироваться в процессе обработки и использования древесных изделий в различных отраслях промышленности.
Физико-механические свойства древесины
К физико-механическим свойствам относятся:
- влажность,
- усушка и разбухание,
- плотность,
- пористость,
- теплопроводность,
- коррозионная стойкость.
Влажность. В зависимости от содержания влаги в древесине, материалы делятся на мокрые, свежесрубленные, воздушно-сухие и абсолютно сухие. Важность влажности для пиломатериалов и её влияние на свойства рассмотрены в статье «Важность влажности древесины».
Усушка и разбухание. Изменение влажности древесного сырья вызывает колебания его линейных размеров и объёма, что приводит к деформациям. Усушка и разбухание обусловлены влажностью окружающей среды и направлениями роста волокон древесины.
Плотность. Показатель плотности – это соотношение массы к объему древесины, измеряется в кг/м³. Обычно измеряется при влажности не более 14-15%. Древесные породы делятся на три группы в зависимости от плотности:
Группы плотности:
| Плотность, кг/м³ | Породы деревьев |
| менее 500 | ель, сосна, тополь, бальза, пихта, кедр, можжевельник, осина, ива, липа, ольха, каштан |
| 500-640 | лиственница, береза, бук, дуб, клен, ясень, грецкий орех, рябина, яблоня, груша, вяз, лесная лещина |
| более 641 | акация, граб, железная береза, ясень, керуинг, самшит, фисташка, древесина дуба |
Пористость. Этот показатель зависит от плотности различных видов древесины. У хвойных пород пористость варьируется от 46% до 81%, у лиственных от 32% до 80%. При увеличении плотности древесины наблюдается снижение её пористости.
Теплопроводность. Тепло лучше проводит древесина вдоль волокон, чем поперек. Например, теплопроводность сосны составляет 0,15 Вт/(м•К) вдоль волокон и 0,40 Вт/(м•К) поперек. Плотность и влажность прямо влияют на теплопроводность: чем они выше, тем выше теплопроводность, так как количество воздуха в структуре древесины уменьшается. Наименьшая теплопроводность среди хвойных пород наблюдается у кедра, составляющая 0,095 Вт/(м•К), что делает кедровые конструкции отличными для удержания тепла.
Коррозионная стойкость. Устойчивость древесины к негативному воздействию агрессивной среды, включая слабые растворы щелочей, солей, а также органические и минеральные кислоты, играет важную роль. Хвойные породы дерева, как правило, обладают большей стойкостью к коррозии по сравнению с лиственными.
Механические свойства древесины охватывают характеристики, такие как прочность, твердость, модуль упругости, ударная вязкость и прочие важные показатели. Важно уделять особое внимание прочности, так как её характеристики зависят от направления, вдоль или поперек волокон, и варьируются в зависимости от угла приложения нагрузки относительно волокон, плотности и породы древесины.
Выделяют следующие показатели прочности древесины:
- на растяжение вдоль волокон,
- при сжатии вдоль и поперек волокон,
- при статическом изгибе,
- при сдвиге,
- при скалывании вдоль и поперек волокон.
Наиболее прочной среди хвойных пород считается лиственница, тогда как пихта показывает самые низкие значения прочности.
Планкен из лиственницы
Свойства древесины
У большинства пород древесины ядро по сравнению с заболонью демонстрирует большую механическую прочность и более темный цвет.
Заболонь в свою очередь менее устойчива к гниению и повреждениям со стороны насекомых и имеет более высокую влажность.
У многих хвойных пород (таких как сосна, ель, лиственница, кедр и др.) имеются смоляные каналы, представляющие собой тонкие проходы, заполненные смолой, что повышает стойкость древесины к гниению, в отличие от таких пород как пихта, можжевельник и тис.
Согласно ГОСТ 20022.2-80 определяются классификации древесины по устойчивости к гниению, пропитываемости защитными средствами, скорости расконсервирования и уязвимости объектов защиты, а также классификации защитных средств для древесины.
По устойчивости к гниению породы древесины (таблица 1) подразделяются на четыре категории: устойчивые, с умеренной устойчивостью, с низкой устойчивостью и неустойчивые, классификация делается как для заболони, так и для ядра.
Таблица 1. Устойчивость древесины к гниению
| Класс | Порода древесины | |
| Заболонь | Ядро | |
| 1 | Сосна обыкновенная, ясень | Сосна кедровая сибирская, сосна обыкновенная, лиственница, дуб, ясень |
| 2 | Ель, сосна кедровая сибирская, лиственница, пихта | Береза, бук, вяз, граб, дуб, клен |
| 3 | Липа, ольха, осина | Береза, липа, осина, ольха |
Также по пропитываемости защитными средствами породы древесины (таблица 2) делятся на три группы: легко пропитываемые, умеренно пропитываемые, трудно пропитываемые.
Таблица 2. Пропитываемость древесины защитными средствами
| Класс | Порода древесины | Порода древесины |
| Заболонь | Ядро | |
| 1 | Сосна обыкновенная, береза, бук | Сосна кедровая сибирская, лиственница европейская, граб, дуб, клен, липа, ольха, осина |
| 2 | Сосна кедровая сибирская, сосна обыкновенная, осина, ольха | Ель, лиственница сибирская, пихта |
| 3 | Ель, лиственница европейская, лиственница сибирская, пихта, береза, дуб, вяз, бук, ясень |
Плотность древесины
Плотность древесины (объемная масса) представляет собой отношение массы древесины к её объему, выражается в кг/м³. Плотность древесины зависит от уровня её влажности. Все физико-механические свойства древесины определяются при влажности 12%.
Существует прямая зависимость между прочностью и плотностью древесины. Более тяжелая древесина, как правило, обладает высшей прочностью. Плотность определяется количеством древесного вещества в единице объема.
При влажности 12% древесина делится на три категории в зависимости от плотности:
- Легкая плотность: до 550 кг/м³ (бальза, пихта сибирская, ель, ива, сосна, осина, липа, ольха);
- Средняя плотность: 551-700 кг/м³ (конский каштан, грецкий орех, береза, вишня, лиственница, тик, бук, дуб, свитения, платан, клен);
- Плотные породы: от 771 кг/м³ и выше (ясень, слива, пекан, самшит, хурма, яблоня, маслина).
Плотность древесины имеет важное практическое значение. Более плотная древесина хуже пропитывается антисептиками, но более устойчива к износу в таких местах как полы, лестницы и перила.
Физические свойства древесины
Физические свойства включают в себя те, которые можно определить без дополнительного воздействия на материал. Они становятся явными при помощи взвешивания, измерения или визуального осмотра.
К этим свойствам относятся:
- Внешний вид;
- Плотность;
- Влажность;
- Усушка и разбухание;
- Теплопроводность, звукопроводимость и электропроводимость.
Свойства, определяющие внешний вид древесины
Древесина обладает многочисленными свойствами, характерными именно для неё:
- Запах – он зависит от породы дерева и содержания смол в её структуре. Этот запах невозможно перепутать с чем-то другим.
- Цвет – также определяется породой древесины. Цвет может отличаться у влажной и сухой доски, а также у больного и здорового дерева.
- Текстура – спил древесины имеет уникальный рисунок, который обозначает возраст ствола и направление растяжения волокон.
- Блеск – наиболее ярко выражен у плотных древесных пород, что зависит от количества лучей, исходящих от сердцевины к поверхности.
Плотность древесины
Плотность древесины оценивается при стандартной влажности. С увеличением влажности плотность древесины также возрастает. Этот показатель тесно связан с прочностью: чем плотнее древесина, тем она прочнее и ценнее для производителей.
Выделяют три уровня плотности древесины:
- Высокая – более 760 кг/м³;
- Средняя – от 510 до 750 кг/м³;
- Низкая – менее 510 кг/м³.
Влажность древесины
Влажность древесины описывает соотношение влаги, находящейся в стволе дерева, к массе сухого материала. Этот показатель выражается в процентах. У свежесрубленного дерева уровень влажности будет выше, чем у древесины, которая несколько дней находилась на воздухе, так как растения поглощают воду из почвы на протяжении всей своей жизни.
Механические свойства древесины
Механические характеристики отображают, насколько древесина может противостоять внешним факторам. К ним относятся прочность, твердость, ударная вязкость, способность к деформации и устойчивость к износу.
Прочность древесины
Это свойство показывает, насколько материал подвержен различным внешним воздействиям, включая сжатие, длительный изгиб и растяжение.
- Прочность древесины зависит от направления внешнего воздействия.
- Древесина лучше сопротивляется нагрузкам вдоль волокон, чем поперек.
- Лучшими показателями прочности обладают березовые изделия.
- Хвойные породы имеют немного менее высокие показатели прочности.
Твердость древесины
Твердость определяет, насколько древесина устойчива к внедрению внешних металлических предметов, таких как гвозди и дюбели. Древесина не является самым твердым материалом, и прочность её при боковых воздействиях значительно ниже, чем при торцовых.
Ударная вязкость древесины
Это свойство показывает способность древесины выдерживать динамические нагрузки, такие как удары молотком, без явных повреждений в течение длительного времени. Этот показатель у древесины находится на высоком уровне.
Способность к изгибу древесины
Способность к изгибу зависит от влажности древесины. Например, хвойные породы практически не поддаются изгибу в сухом состоянии, поэтому прежде чем приступить к работам, древесину часто смачивают. Это свойство делает древесину отличным материалом для мебели.
Износостойкость древесины
Износостойкость показывает, как древесина терпит длительное трение по поверхности. Этот показатель оказывается в значительной степени зависит от породы дерева, уровня влажности и направления распила; чем выше влажность материала, тем ниже у него износостойкость.
