До фізичних властивостей деревини відносяться: її зовнішній вигляд, що характеризується кольором і текстурою, запах, гігроскопічність, вага, теплопровідність, звукопровідність і електропровідність. Механічні властивості характеризують здатність деревини чинити опір впливу зовнішніх СИЛ. До них відносяться: міцність, твердість, пружність, гнучкість, крихкість, раскаливаемості і гвоздімость.
Фізичні властивості деревини
Колір деревини є одним з ознак, за якими може бути визначена порода дерева. Різні породи, крім того, мають неоднакову яскравість забарвлення деревини різних частин стовбура; так, наприклад, стовбур берези або липи в розрізі має більш-менш однорідну забарвлення, тоді як сосна або дуб відрізняються яскраво вираженою більш темним забарвленням ядра.
За кольором деревини можна судити про її стан; так, наприклад, поява на деревині бурих або синіх плям і смуг свідчить про наявність грибкових захворювань.
Текстурою деревини називають характерний і властивий лише даній породі малюнок на поверхні поздовжнього або поперечного розрізу стовбура.
Для деревини, використовуваної в теслярських роботах, колір і текстура дерева не мають практичного значення, проте в столярно-оздоблювальних роботах, при виготовленні меблів, паркету і т. П. Деревина з красивими кольором і текстурою цінується високо.
Запах деревини також є відмінною рисою породи дерева; так, наприклад, характерний, властивий тільки цим породам дерева запах має деревина сосни, берези, осики. Крім того, зміна запаху деревини є одним з ознак появи грибів. Запах деревини важливий для лісоматеріалів, що йдуть на виготовлення тари для харчових і косметичних товарів.
Гігроскопічністю називається здатність матеріалу легко поглинати вологу з повітря і віддавати її в суху повітряне середовище. Деревина є пористим матеріалом: загальний обсяг пір для різних порід становить від 30 до 80% обсягу деревини, причому величина і форма пір різні. Унаслідок великої пористості гігроскопічність деревини велика.
Це часто є причиною деформації виробів (викривлення, появи тріщин і т. П.). Тому прагнуть знизити гігроскопічність деревини шляхом фарбування поверхонь виробів олійною фарбою, лаком, емалями і іншими негігроскопічним складами. Слід мати на увазі, що покриття деревини потрібно періодично повторювати, так як захисна здатність покриттів з часом зменшується.
Вологістю називається ступінь насиченості матеріалу вологою. Внаслідок пористості і гігроскопічності деревини вологість її може коливатися в значних межах. Вологість знижує міцність деревини, підвищує її здатність до загнивання і ін. Тому використовувати для виготовлення дерев'яних наземних конструкцій деревину, що має вологість вище 25%, забороняється. Для визначення вологості деревини зразок її висушують до постійної ваги, визначають вагу води, що випарувалася, ділять цю величину на вагу висушеного зразка і множать на 100. Якщо зразок до висушування важив 230 г, а після висушування 200 г, то вологість його буде:
Вологість, певна таким шляхом, носить назву абсолютної на відміну від відносної вологості, яка визначається шляхом ділення втрати ваги на вагу вологого зразка.
За ступенем вологості деревину розрізняють:
Зі зміною вологості деревини пов'язані її усушка, розбухання, викривлення і розтріскування.
Усиханням деревини називається зменшення її розмірів при висиханні, а розбуханням - збільшення розмірів при зволоженні. Усушка і розбухання деревини при зміні вологості пояснюються тим, що при зменшенні або збільшенні кількості вологи всередині клітин їх стінки зближуються або віддаляються один від одного. Внаслідок волокнистої будови деревини і більш щільного розташування клітин вздовж волокон, ніж поперек їх, зміни розмірів зразка неоднакові в різних напрямках.
В результаті неоднакової усушки деревини в радіальному і тангентальном напрямках, а також через нерівномірність висихання виникає викривлення і розтріскування деревини.
На рис. 2, а показано, в яких напрямках змінюються після сушки розміри і форми заготовок, випиляних з різних частин стовбура.
Так як усушка в тангентальном напрямку більше, ніж в радіальному, то бічні краї дощок прагнуть піднятися в сторону випуклості річних шарів, отже, опуклість дошки при викривленні завжди буде звернена в сторону серцевини. Серединна дошка не жолобиться, але по краях стає тоншою. Широкі дошки жолобляться більше, ніж вузькі. Так як в більшості випадків волокна в дереві не паралельні осі стовбура, дошки можуть перекошуватися гвинтоподібно; це явище носить назву криловатості, або поздовжнього викривлення (рис. 2, б) .При швидкому випаровуванні вологи з поверхні колоди, дошки або бруска зовнішній шар зменшується в об'ємі. При цьому зближенню клітин заважають прилеглі сирі внутрішні шари, в результаті чого відбувається розрив або розтріскування деревини. Тріщини зазвичай розташовані в радіальному напрямку. Найбільша кількість радіальних тріщин спостерігається в торцях колоди, дошки або бруса, так як через торці відбувається найбільш швидке випаровування вологи.
Усушка і пов'язані з нею викривлення і розтріскування заважають правильному використанню деревини при виготовленні дерев'яних конструкцій. Зміна розмірів елементів дерев'яних конструкцій внаслідок усушки може порушити нормальну їх роботу, передачу і розподіл зусиль, а що з'явилися тріщини - знизити міцність конструкцій. Тому необхідно вживати заходів до зменшення деформацій деревини, пов'язаних з усиханням, і до попередження їх наслідків.
В першу чергу до таких заходів відноситься застосування деревини з вологістю, яка відповідає майбутнім умовам роботи виробів з неї. Так, наприклад, для дерев'яних паль слід застосовувати сирої ліс, для зовнішніх конструкцій - повітряно-суху деревину, для виробів, що знаходяться всередині приміщень, - кімнатний-суху і т. Д. Велике значення має також правильна сушка деревини.
При виготовленні дерев'яних конструкцій і виробів також слід приймати ряд заходів, наприклад: використовувати для обшивки стін вужчі дошки; при настиланні дощатих підлог прибивати спочатку не всі дошки, а кожну п'яту і лише nocлe остаточного висихання їх гуртувати і прибивати все; для зменшення викривлення площин-з дощок з'єднувати останні в шпунт і гребінь, а суміжні дошки в щитах розташовувати серцевинною частиною в різні боки.
Усушка деревини пов'язана з її гігроскопічність, тому Заходи, що вживаються для зменшення гігроскопічності деревини, ведуть також і до зменшення її усушки.
Питома вага деревини - це відношення ваги твердої речовини деревини (без пустот і пор) до ваги води, взятої в тому ж обсязі. Він майже однаковий для всіх порід і дорівнює в середньому 1,55 г / см3. Це означає, що тверда речовина деревини більш ніж в 1,5 рази важча за воду. Однак завдяки пористій структурі майже всяке дерево легше води, т. Е. Має об'ємний вага менше одиниці. Об'ємною вагою називається відношення ваги деревини до ваги води (при 4 °), взятої в обсязі деревини в природному стані разом з ув'язненими в ній порами.
Питома вага деревини залежить від ряду причин і в першу чергу від її будови: чим товще оболонки клітин і чим менше їх внутрішні порожнини, тим вище об'ємна вага деревини. Тому об'ємна вага служить непрямим показником міцності і інших механічних властивостей деревини.
Так як зростаюче дерево є живим організмом, то навіть для однієї і тієї ж породи об'ємна вага може коливатися в досить значних межах, в залежності від умов зростання і розвитку дерева. Крім того, об'ємна вага деревини залежить і від частини стовбура, звідки взято зразок. Тому для оцінки об'ємної ваги приймають зазвичай середній об'ємна вага деревини.
У табл. 1 наведені дані про повну загальну середню об'ємній вазі найбільш поширених в будівництві порід дерев (об'ємна вага дан при вологості 15%).
Теплопровідністю називається здатність матеріалу пропускати тепло. Теплопровідність деревини порівняно низька. Це пояснюється її великою пористістю, волокнистою будовою і замкнутістю пір.
Деревина проводить тепло приблизно втричі гірше, ніж цегла, що дає можливість робити дерев'яні стіни, наприклад, в середніх районах СРСР, товщиною 220 мм, тоді як товщина цегляних стін в цих же умовах повинна бути 640 мм (2 / з цегли).
Теплопровідність деревини залежить від її вологості, об'ємної ваги, породи і температури повітря. Більш щільна і волога деревина краще проводить тепло, ніж менш щільна і суха. Теплопровідність залежить також від напрямку, в якому передається тепло; теплопровідність деревини вздовж волокон приблизно в 1,8 рази більше, ніж поперек волокон. Це слід враховувати, наприклад, при випуску назовні торців балок в будівлях з рубаними рублених стін.
Звукопровідністю називається здатність матеріалу проводити звук. Звукопроводность деревини досить значна. Це необхідно враховувати при влаштуванні перегородок, міжповерхових перекриттів і інших конструкцій, до яких пред'являються вимоги звукоізоляції. Тому доводиться вдаватися до додаткових заходів звукоізоляції, наприклад засипці шлаком, оббивці повстю і т. П.
Електропровідність - це здатність матеріалу проводити електричний струм. Практично суха деревина електричного струму не проводить і в ряді випадків може використовуватися як електроізоляційний матеріал. Однак в умовах будівництва мокрі і забруднені розчином і землею дошки і бруси є провідниками струму. Це необхідно враховувати при влаштуванні електропроводки і при експлуатації приводяться в дію електродвигунами машин і інструментів.
Механічні властивості деревини
Міцністю матеріалу називається здатність його чинити опір зовнішнім впливам. Залежно від напрямку і характеру прикладання навантажень дерев'яні елементи можуть працювати на стиск, вигин, розтягнення, сколювання і перерізання.
На стиснення працюють палі, колони, стійки та інші елементи. Залежно від напрямку зусилля по відношенню до напрямку волокон деревини розрізняють стиснення вздовж волокон (рис. 3, а) і поперек волокон (рис. 3, б).
Опірність деревини стиску поперек волокон в 5-10 разів менше, ніж уздовж волокон.
Опір деревини на вигин досить високо. Це дає можливість широко використовувати в будівництві, в тому числі в відповідальних спорудах, дерев'яні елементи, що працюють на вигин (балки, прогони, крокви, мостові бруси та ін.).
При роботі на вигин (рис. 4, а) нижні волокна балки піддаються розтягуванню, а верхні - стиску.
Опір деревини розтягування уздовж волокон досить високо, але змінюється для однієї і тієї ж породи в значних межах, що пов'язано з будовою деревини, довжиною волокон, кутом їх нахилу по. відношенню до напрямку діючої сили і ін.
На розтягнення вздовж волокон працюють такі елементи дерев'яних конструкцій, як затяжка висячих крокв (рис. 4, б).
Опір розтягування поперек волокон у деревини незначно і становить близько 2-5% міцності на розтягнення вздовж волокон. У будівельних конструкціях деревина на розтягнення поперек волокон, як правило, не працює.
Сколювання деревини має місце при роботі з'єднань на шпонках. Розрізняють сколювання вздовж волокон (рис. 5, а), коли зовнішні сили, діючи паралельно волокнам, прагнуть перемістити одну їх частину щодо іншої по довжині волокон, і сколювання поперек волокон, коли зовнішні сили, спрямовані перпендикулярно волокнам, прагнуть перемістити одну частину їх щодо інший в площині, паралельній волокнам (рис. 5, б). Сколювання, при якому зовнішні сили, спрямовані перпендикулярно волокнам, прагнуть перерізати останні перпендикулярно їх довжині, називається перерізанням (рис. 5, в).
На сколювання вздовж волокон працюють, наприклад, елементи конструкцій, що з'єднуються на дерев'яних призматичних шпонках (див. Рис. 121). Шпонки ж в подібних конструкціях працюють на сколювання поперек волокон. Прикладом елементів, що працюють на перерізання, можуть служити пластинчасті нагелі, що застосовуються в складених по висоті балках (див. Рис. 127).
Найбільшою опірністю Володіє деревина при роботі на перерізання; в цьому випадку доводиться перерізати волокна деревини, тоді як при сколюванні вздовж і поперек волокон необхідно лише подолати зчеплення між ними, і механічні властивості деревини характеризуються в першу чергу межею міцності.
У табл. 2 приведена середня міцність деревини основних пород.На міцність деревини великий вплив робить її вологість. Вважають, що підвищення вологості деревини на 1% (в межах від 8 до 23%) знижує опір вигину і стиску на 4-5%.
Значною мірою на міцність деревини впливають сучки, тріщини, неправильне розташування волокон в дереві і ін. Зниження міцності деревини з цих причин може досягати 50-60% і більше.
Твердістю називається здатність матеріалу чинити опір проникненню в нього твердих тіл, наприклад ріжучих інструментів. Твердість деревини залежить від структури волокон і товщини клітин деревини. Як правило, більш щільні і важкі породи є і більш твердими. Твердість деревини різко знижується при збільшенні її вологості.
До твердих порід відносяться дуб, клен, ясен, модрина. Найбільш м'які породи - липа і осика. В цілому деревину можна віднести до м'яких будівельних матеріалів, добре піддається механічній обробці.
Твердість деревини має велике значення для деталей, що працюють на стиск. Чим твердіше деревина, тим менше ока схильна до стирання, що важливо при влаштуванні підлог. Однак зайва твердість ускладнює обробку деревини.
Пружністю матеріалу називається здатність його відновлювати первинну форму після припинення дії навантаження, якщо це навантаження не досягла певної межі.
Деревина володіє досить великий пружністю, яка збільшується в міру зменшення вологості деревини.
Гнучкість - це здатність матеріалу без руйнування зберігати надану йому при гнуття форму. Деревина має велику гнучкість. Це властивість важливо, наприклад, при ИЗП> ленні дуг, гнутих меблів, в бондарному справі та ін.
Гнучкість деревини може бути збільшена шляхом її пропарювання або проварювання. Однак слід мати на увазі, що після пропарювання міцність деревини знижується. Сире свіжозрубане дерево можна зробити більш гнучким шляхом простого нагрівання.
Xрупкость - це властивість, протилежне гнучкості. З числа поширених в будівництві порід дерев найбільш крихкою деревиною володіють ялина і сосна. Крихкість деревини треба враховувати головним чином при влаштуванні конструкцій, що піддаються ударним навантаженням.
Pаскаливаемость - це здатність матеріалу розколюватися під дією клина. У зв'язку з волокнистої структурою деревина має велику раскаливаемості, що має практичне значення при отриманні колотих матеріалів (покрівельної і штукатурної драні, колотої клепки і т. П.) І полегшує обробку деревини сокирою, наприклад при Отеска балок.
Раскаливаемості залежить від напрямку волокон деревини, твердості, вологості її, наявності сучків і інших причин.
Хвойні породи, дуб і осика розколюються легко; береза і в'яз - значно важче. При збільшенні вологості раскаливаемості хвойних порід збільшується, а листяних зменшується.
Гвоздімих називається здатність матеріалу утримувати металеві предмети (цвяхи, милиці і шурупи).
Забивний в деревину цвях розсовує волокна і частково перерізає їх. Завдяки пружності волокон цвях затискається в деревині і для його витягування потрібно затратити певне зусилля, величина якого залежить від породи дерева, його щільності і вологості, - а також від напрямку цвяха по відношенню до напрямку волокон.
Деревина твердих порід має більшу гвоздімих, ніж м'яких. Забити цвях у вологу деревину легше, ніж в суху, але після висихання її цвях буде триматися слабо, так як зменшиться його тертя об волокна. Гвоздь, забитий в торець дерева паралельно волокнам, легше витягти (приблизно на 25%), ніж цвях, забитий перпендикулярно волокнам. При забиванні цвяхів занадто близько один від іншого виникає небезпека розколювання деревини, тому величина відстані між цвяхами нормується. У ряді випадків перед забиванням цвяхів великого діаметру в деревині, особливо твердих порід, просвердлюють отвори.