Вологість і гігроскопічність
Вологість деревини робить дуже великий вплив на її властивості.
Вологість W деревини визначається за формулою
де g1 - вага зразка деревини до висушування, а g2 - вага зразка, висушеного до постійного ваги.
Вологість деревини в 15% умовно вважається нормальною. Результати визначення всіх фізичних властивостей деревини слід для порівнянності приводити до цієї вологості.
Розрізняють вологу, що знаходиться в деревині у вільному стані (вона заповнює порожнини клітин, судин і міжклітинні простору), і гигроскопическую вологу, що знаходиться в стінках клітин і судин у вигляді тонких шарів.
При висиханні деревина спочатку втрачає вільну вологу і тільки потім починає виділятися гігроскопічна волога. Вологість деревини, що містить тільки-гигроскопическую вологу, називається точкою насичення волокон; у деревини різних порід вона коливається в порівняно вузьких межах (23-31%).
За ступенем вологості розрізняють деревину: 1) мокру (вологість більше, ніж у свежеорубленной деревини), 2) све-жесрубленную (вологість 35% і вище), 3) воздушноеухую (вологість 15-20%), 4) комнатносухую (вологість 8- 13%).
Властивість деревини поглинати з повітря пари води називається гігроскопічністю; ступінь поглинання залежить від температури повітря і його відносної вологості. Кожному поєднанню температури і вологості повітря відповідає певна гігроскопічна вологість деревини. Вологість, яку набуває деревина, перебуваючи довгий час на повітрі з постійною відносною. вологістю і температурою, називається рівноважною вологістю деревини. Вона досягає рівноважної вологості, коли пружність парів навколишнього повітря стає однаковою з пружністю парів води над поверхнею деревини.
Рис 1. Номограма Н. Н. Чуліцька для визначення вологості деревини при даній температурі і вологості навколишнього повітря
Для визначення вологості деревини, що зберігається в приміщенні з тієї чи іншої температурою і вологістю повітря, І. Н. Чуліцька склав діаграму (рис. 1), за допомогою якої можна встановити вологість з точністю до 0,75%. На цій діаграмі по вертикальній осі відкладена вологість повітря, по горизонтальній осі - температура повітря; похилі лінії відповідають вологості деревини.
Внаслідок гігроскопічності деревини вологість виробів з дерева змінюється при зміні температури і вологості навколишнього повітря. Волога деревина віддає вологу навколишньому повітрю, суха - поглинає вологу з повітря.
Так як вологість повітря не постійна, то відбуваються коливання вологості деревини. Зміна вологості деревини в інтервалі від 0% до точки насичення волокон викликає зміна обсягу деревини, що веде до усихання, розбухання, викривлення деревини в будівельних конструкціях, а також до появи тріщин.
Одним з найбільш простих способів зменшення гігроскопічності і водопоглинання деревини є покриття поверхні деревини фарбами та лаками, які механічно перешкоджають проникненню вологи в деревину.
Усушка, розбухання і викривлення
Свіжозрубана деревина може поглинути ще деяка кількість води, причому кількість гігроскопічної вологи залишається незмінним. Тому лінійні розміри і обсяг деревини не змінюються, хоча вага збільшується. Така сталість розмірів зберігається і при висиханні деревини аж до точки насичення волокон.
При зменшенні вологості нижче цієї точки починається усушка деревини - зменшуються її лінійні розміри і, отже, також обсяг.
При зволоженні сухої деревини до точки насичення волокон стінки клітин потовщуються (набухають), що призводить до часткового зменшення внутрішніх розмірів клітин і головним чином до збільшення їх зовнішніх розмірів. В результаті зростають і зовнішні розміри зволожуваного шматка деревини.
Внаслідок неоднорідності будови деревина всихає або розбухає в різних напрямках неоднаково. Уздовж волокон повна лінійна усушка не перевищує 0,1-0,3%, в радіальному напрямку вона становить від 3 до 6%, а в тангентальном - від 7 до 12%.
З огляду на те що усушка викликається зменшенням товщини клітинних стінок, деревина з товстостінними клітинами всихає сильніше деревини з тонкостінними клітинами. Тому усушка деревини щільних (важких) порід більше усушки деревини пухких (легких) порід.
Ступінь усушки характеризується коефіцієнтом об'ємної усушки - величиною зменшення обсягу деревини, відповідного зниження вологості на 1% в межах від точки насичення волокон до абсолютно сухого стану.
Об'ємна усушка У0 обчислюється за формулою:
де V1 і V2 - об'єм зразка до і після висушування.
Коефіцієнт об'ємної усушки До визначається з точністю до 0,01% за формулою
де W - вологість зразка в процентах.
Мал. 2. Усадка дощок при висиханні
Усушка і розбухання деревини мають істотне значення для будівельних конструкцій, так як усушка викликає утворення щілин в місцях з'єднання окремих дерев'яних конструктивних елементів, а при зволоженні окремі елементи конструкцій збільшуються в обсязі. Тому доцільно застосовувати деревину з такою вологістю, яка відповідала б умовам її майбутньої служби в конструкції.
В результаті неоднакової усушки в різних напрямках і нерівномірності висихання виникає викривлення деревини.
З огляду на те що усадка деревини в тангентальном напрямку більше, ніж в радіальному, бічні краї дощок прагнуть вигнутися в сторону випуклості річних шарів (рис. 2). Найбільшому викривлення схильні до дошки, випиляні ближче до поверхні колоди, так як тут усушка в тангентальном напрямку більше, ніж в середніх шарах. Дошка, випиляна з середини колоди, завдяки симетричному розподілу напружень, не жолобиться, але набуває в перерізі злегка клиноподібну форму внаслідок того, що усушка у країв більше, ніж посередині.
Якщо висихання з поверхні відбувається швидко, то зовнішній шар деревини зменшується в об'ємі і чинить тиск на внутрішні шари. В результаті в зовнішніх шарах з'являються напруження розтягу, що викликають розтріскування. Воно виникає також внаслідок нерівномірного усушки в різних напрямках.
У колодах при сушінні виходить ряд тріщин, які розташовуються по радіусах. В першу чергу тріскаються торці внаслідок більш швидкого випаровування вологи через них. Для зменшення розтріскування торців їх фарбують сумішшю вапна і клею або смолами.
Питома вага деревини залежить від її вологості та об'єму пор.
Зазвичай об'ємна вага деревини призводять до нормальної 15% -ної вологості, користуючись формулою
де γ15 - об'ємна вага зразка при вологості 15% в г / см3;
γW - об'ємна вага зразка при тій вологості, яку він мав у момент визначення, в г / см3;
К0 - коефіцієнт об'ємної усушки (для деревини берези, бука і модрини К0 = 0,06, для інших порід деревини К0 = 0,05);
W - вологість деревини в момент визначення об'ємної ваги.
У переважної більшості деревних порід об'ємна вага менше одиниці; він залежить від щільності і вологості деревини.
Питома вага речовини деревини в середньому дорівнює 1,55 г / см3.
Міцність деревини, яка характеризується здатністю чинити опір зовнішнім механічним впливам, внаслідок анізотропності матеріалу не однакова в різних напрямках. Цю особливість необхідно враховувати при використанні деревини в будівельних конструкціях.
Розрізняють стиснення вздовж волокон і впоперек волокон. На стиск уздовж волокон дерево працює в палях, колонах, стійках.
При стисненні поперек волокон часто спостерігаються значні деформації зразків без видимого руйнування; тому руйнує вважають навантаження, при якій приріст деформації починає йти швидше збільшення напруги, т. е. навантаження, яка відповідає межі пропорційності. Опір деревини знижується також, коли чинне зусилля спрямовано під кутом до волокон.
Межа міцності при стисненні навіть в одному напрямку коливається дуже широко в залежності від породи дерева, його щільності і вологості, умов зростання, наявності та виду сучків і тріщин. Межа міцності при стисненні вздовж волокон про ^, (w) зразка, що має в момент випробування вологість ω%, визначається з точністю до 1 кг / см2 по формулі
де Pmax - руйнівне навантаження в кг;
а й b - розміри поперечного перерізу зразка в см.
За ГОСТ 6336-52 зразок виготовляється у вигляді прямокутної призми з основою 20X20 мм і висотою 30 мм (вздовж волокон).
Отриманий при випробуванні даної деревини межа міцності при такому стискуванні треба перерахувати на вологість в 15% з точністю до 5 кг / см2 по формулі
Де а - поправочний коефіцієнт на вологість. Цей коефіцієнт показує зміну у відсотках межі міцності при зміні вологості на 1%. Для берези, сосни, кедра, модрини приймається а = 0,05, для дуба та інших листяних порід, ялини, ялиці а = 0,04;
W - вологість зразка в момент випробування в процентах.
Міцність при стисненні вздовж волокон для різних деревних порід знаходиться в межах від 350 до 700 кг / см2; для сосни вона становить близько 400 кг / см2.
На стиск поперек волокон деревину можна відчувати в площині радіальної або тангентальной наступним чином. Зразок деревини вирізається в формі призми квадратного перетину 20 X 20 мм довжиною 30 мм так, щоб річні шари на торцях були паралельні двох протилежних гранях призми, а утворюють річних шарів паралельні довгим ребрах зразка.
Випробування в радіальному і тангентальном напрямках проводиться на різних зразках.
Зразок навантажується рівномірно з середньою швидкістю 100 кг / хв (допустиме відхилення + 20%). Деформації зразка вимірюються за допомогою індикатора з точністю до 0,005 мм після кожного збільшення навантаження на 20 кг для м'яких порід і 40 кг для твердих. Відлік по індикатору треба брати, не припиняючи навантаження. Випробування триває до явного переходу матеріалу зразка через умовний межа міцності. Після закінчення випробування визначають вологість зразка. Відлік навантажень і деформацій записуються в журнал випробувань.
На підставі відліків викреслюється діаграма роботи при стисненні; по горизонтальній осі відкладаються деформації, по вертикальній осі - навантаження. За діаграмою знаходять з точністю до 5 кг вантаж, - відповідний умовної межі міцності, як ординату точки А переходу прямолінійної ділянки діаграми в криволінійний (рис. 3).
Мал. 3. Діаграма стиску поперек волокон
Напруга при досягненні межі пропорційності в зразку з вологістю W (на 1 см2 площі стиснення) підраховується з точністю до 1 кг / см2 по формулі
де Рt - навантаження, що відповідає умовної межі міцності, в кг (t - в тангентальном напрямку); а - ширина зразка в см; l - довжина зразка в см.
Величина опору розтягуванню деревини уздовж волокон змінюється в широких межах в залежності від форми зразка і способу його закріплення в розривної машині. У дерев'яних конструкціях опір розтягуванню залежить від місцевих послаблень робочого перетину і наявності вад.
Межа міцності при розтягуванні чистих зразків уздовж волокон коливається від 800 до 1 900 кг / см2, а поперек волокон - від 15 до 100 кг / см2.
Опір статичному вигину
Деревина має великий опір статичному вигину, тому її широко застосовують в конструкціях, що працюють на вигин: в балках, настилах, підмостки та ін.
Зразки для випробування на статичний вигин виготовляються у вигляді брусків перетином 20 X 20 мм, довжиною 300 мм.
Межа міцності при згині зразка з вологістю ω в момент випробування визначається з точністю до 5 кг / см2 по формулі
де Pmax - руйнує вантаж в кг; l - відстань між опорами, рівне 24 см; b і h - ширина і висота перерізу зразка в см.
Межа міцності повинен бути приведений до вологості 15% за формулою
Коефіцієнт а приймається рівним 0,04 для деревини всіх порід.
Опір статичному вигину зразків різних порід знаходиться в межах 500 - 1 000 кг / см2.
Будівництво та ремонт