От чего зависит плотность древесины в зависимости от породы – таблица и рекомендации

Очень важную роль в строительстве играет качество материалов. Как и другие строительные материалы, древесина (любые пиломатериалы) различается по свойствам и характеристикам. Зависят эти характеристики от породы дерева, применяемого в качестве используемого материала. Для тех или иных задач и назначений подбирают соответствующие породы древесины, способные выполнять поставленные перед ними задачи.

Свойства относящиеся к древесине:

• Плотность древесины
• Твёрдость
• Влажность древесины
• Усушка
• Разбухание
• Коробление
• Раскалываемость
• Износостойкость
• Гибкость
• Деформативность
• Тепловые свойства древесины

Плотность древесины

Что такое плотность древесины

Плотность древесины — это отношение массы древесины к объёму древесины, то есть плотность определяется массой древесного вещества в единице своего объёма. Выражается плотность в кг/м³.

Плотность древесины зависит от её влажности. Как и все остальные показатели физико-механических свойств древесины, она определяется при влажности 12 %. Между прочностью и плотностью существует тесная связь. Более тяжелая древесина, как правило, является более прочной. При определении плотности древесинного вещества его массу определяют взвешиванием, а объем рассчитывают по разнице объема образца древесины и объема жидкости, заполнившей пустоты в этом образце.

По плотности древесины при влажности 12 % все породы делят на три группы:

• с малой плотностью (540 кг/м³ и меньше-) — бальза, ель, пихта, сосна, кедр, можжевельник, тополь, осина, ива, липа, ольха, каштан;
• средней плотности (540…740 кг/м³) — лиственница, берёза, бук, дуб, клён, ясень, орех грецкий, рябина, яблоня, груша, вяз (карагач), лещина;
• высокой плотности (750 кг/м³ и более+) — акация, граб, береза железная, дуб, ясень, самшит, фисташка.

Необходимо отметить, что почти вся древесина у хвойных пород деревьев, за исключением лиственницы и некоторых видов сосны, имеет низкую плотность.

таблица прочность древесины при скалывании вдоль волокон

Испытания на скалывание поперек волокон проводятся так же, как и на скалывание вдоль волокон: образец укрепляют в таком же приборе, нагружают со скоростью 200 ±50 кГ/мин. Испытания на перерезание поперек волокон проводят в особом приборе, в котором образец по концам зажимают и посредине длины перерезают ножом плоской формы (схема испытании показана на рис. 60). Нагружение производится со скоростью 1000 ±200 кГ/мин на весь образец. Характеристика соотношения: если предел прочности при скалывании вдоль волокон принять за единицу, предел прочности при скалывании поперек волокон будет в 2 раза ниже, а при перерезании поперек волокон в 4 раза выше.

Твёрдость древесины

Твёрдость древесины, в первую очередь, зависит от породы. Условия роста дерева также влияют на этот показатель (одна порода древесины может иметь различную твердость в зависимости от окружающих природных условий, в которых росло конкретное дерево). Также на величину твердости влияет влажность древесины. В европейских странах и в России принято измерять твердость по методу Бринелля, в США — по методу Янка (Janka). Твердость древесины в пределах одной породы может отличаться в зависимости от распила (У торцовой поверхности твердость выше, чем у тангенциальной и радиальной в среднем на 30 % у лиственных и на 40 % — у хвойных пород.).

Суть метода Бринелля заключается в способности древесины сопротивляться внедрению (вдавливанию) в неё более твёрдого тела (индентора). При измерениях по Бринеллю используются инденторы в виде шариков из закалённой стали. Первоначально индентор устанавливают на проверяемом образце древесины, следом прилагается основная нагрузка. Спустя определенное время после приложения, нагрузку снимают и измеряют глубину оставшегося на дереве отпечатка. Рассчитывают твёрдость древесины по Бринеллю таким образом: приложенную нагрузку делят на площадь поверхности отпечатка, при этом соответствующими нормативными документами определены диаметры индентора и время экспозиции.

При методе Янка также используется индентор в виде металлического шарика, однако оценивается не глубина вдавливания, а сила, которую надо приложить, чтобы вдавить шарик в древесину на половину диаметра.

Все древесные породы по твёрдости делят на три группы:

1. мягкие породы (торцовая твёрдость равна или меньше 38,5 Мпа). К мягкой древесине относят: ель, сосну, кедр, пихту, тополь, липу, осину, ольху.
2. твёрдые (торцовая твёрдость породы древесины от 38,5 до 82,6 МПа). К этой группе относятся: берёза, лиственница сибирская, бук, клён, карагач, ясень, яблоня.
3. очень твёрдые (торцовая твёрдость более 82,6 МПа). В эту группу входят: акация белая,керуинг, берёза железная, самшит, кизил.

Влажность древесины

Влажность это соотношение массы влаги (воды), находящейся в данном объёме древесины, к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах ( % ). В древесине вода пропитывает клеточные оболочки и заполняет полости клеток и межклеточные пространства. Влага, пропитывающая клеточные оболочки, называется связанной. Влага, заполняющая полости клеток и межклеточные пространства, называется свободной.

Различают следующие степени влажности древесины:

Мокрая — длительное время находящаяся в воде. Влажность мокрой древесины выше 100 %.

Свежесрубленная (свежепил) — влажность такой древесины от 50 до 100 %.

Воздушно-сухая — к этой категории относится древесина долгое время хранившаяся на воздухе. Её показатели влажности зависят от влажности окружающего воздуха, но в среднем находятся в пределах от 20 до 35 %.

Базовая (влажность 15 — 20 %) в зависимости от климатических условий и времени года, такая древесина показывает содержание влаги от 15 до 20 %.

Комнатно-сухая влажность 8 — 12 %

Абсолютно сухая влажность 0 %, древесина высушена при температуре t = 103°C.

Содержание влаги в стволе растущего дерева изменяется по высоте и радиусу ствола, а также в зависимости от времени года. Например, влажность заболони сосны в 3 раза выше влажности ядра. У лиственных пород изменение влажности по диаметру более равномерное. По высоте ствола влажность заболони у хвойных пород увеличивается вверх по стволу, а влажность ядра не изменяется. У лиственных пород влажность заболони не изменяется, а влажность ядра вверх по стволу снижается.

Влажность у молодых деревьев выше и её колебания в течение года больше, чем у старых деревьев. Наибольшее количество влаги содержится в зимний период (ноябрь-февраль), минимальное – в летние месяцы (июль-август).

КОЭФФИЦИЕНТЫ УСУШКИ ДРЕВЕСИНЫ, %

Строение дерева. От клеток до корней

В этой статьей мы решили напомнить, что из себя представляет дерево, и рассказать о каждой из его частей: клетках и тканях, древесине и коре, ветвях и ветках, листьях и корнях.

У многих пород в древесине выделяется центральная темноокрашенная зона – ядро и наружная светлая – заболонь. В раннем возрасте все деревья состоят только из заболони, но через некоторое время (у всех пород по-разному, и ширина ее также различна) живые элементы начинают отмирать, возникает закупорка водопроводимых путей и отложение экстрактивных веществ в центральную часть ствола – таким образом формируется ядро у пород, называемых ядровыми. К ним, например, относятся: можжевельник, тисс, сосна, лиственница, кедр, дуб, ясень, вяз, ильм, грецкий орех, ива, тополь.

У других пород отмирание центральной части не сопровождается потемнением. Они имеют однородную окраску древесины по всей толщине ствола – такие породы называют безъядровыми.

Различают еще одну разновидность пород – спелодревесные, которые имеют спелую древесину в центральной части ствола (более сухую, чем остальная). Их заболонь одинаковой окраски со спелой древесиной. К ним относятся ель, пихта, бук, осина.

Имеются также породы, у которых центральная часть не отличается от периферической ни по цвету, ни по свойствам, – такие породы называются заболонными. К ним, например, относятся: береза, липа, клен, граб и др.

У некоторых лиственных пород на поперечном разрезе ствола хорошо заметны светлые блестящие линии, расходящиеся по радиусу от сердцевины, – сердцевинные лучи. По радиальным направлениям они видны в форме узких полосок, но чаще незаметны невооруженным глазом. Их можно рассмотреть у дуба, бука, клена и некоторых других пород.

Лиственные породы имеют водопроводящие сосуды, которые проходят вдоль оси ствола в древесине, и на поперечном разрезе заметны только их сечения разной формы. В некоторых породах они крупные и хорошо видны, образуя как бы кольца. Такие породы называют кольцесосудистыми – дуб, ясень, вяз. Породы с мелкими, беспорядочно расположенными со- судами называют рассеяннососудистыми – береза, осина, липа, клен, ольха, бук.

Усушка, разбухание и коробление древесины

Усушка — это уменьшение объёма древесины и линейных размеров при удалении из неё связанной влаги. Удаление свободной влаги не вызывает усушки. Она начинается только после полного удаления свободной влаги в момент начала удаления влаги связанной. Чем больше клеточных стенок в единице объёма древесины, тем больше в ней связанной воды и выше усушка.Усушка древесины не одинакова в разных направлениях: в тангенциальном направлении в 1,5 — 2 раза больше чем в радиальном.

В среднем линейная усушка древесины наиболее большинства пород в тангенциальном направлении составляет 8 — 10 %, в радиальном 3 — 7 %, а вдоль волокон 0,1 — 0,3 %. Полная объёмная усушка находится в пределах 11 — 17 %. Усушка древесины учитывается при распиловке брёвен на доски (припуски на усадку), при сушке пиломатериалов и т.д.

При сушке в древесине, вне зависимости от участия внешних нагрузок, возникают внутренние напряжения. Они образуются в результате неодинаковых изменений объёма тела при сушке (сушильные напряжения), пропитке и в процессе роста дерева. Полные сушильные напряжения удобно представить, как совокупность двух составляющих — влажностных и остаточных напряжений.

Влажностные напряжения вызваны неоднородной усушкой материала. В поверхностных слоях древесины, где влажность ниже, чем в центре, из-за стеснения свободной усушки возникают растягивающие напряжения, а во внутренних — сжимающие. Остаточные напряжения обусловлены появлением в древесине неоднородных остаточных деформаций. Остаточные напряжения, в отличие от влажностных, не исчезают при выравнивании влажности в доске и наблюдаются как во время сушки, так и после её полного завершения.

Если растягивающие напряжения достигают предела прочности древесины на растяжение поперёк волокон, появляются трещины. Так появляются поверхностные трещины в начале сушки и внутренние в конце сушки.

Наличие различных напряжений внутри древесины может привести к её короблению.

Коробление — это изменение формы древесины при сушке, хранении, и выпиловке. Чаще всего коробление происходит из-за различной степени усушки по разным структурным направлениям. Коробление может возникать и при механической обработке сухих пиломатериалов: при несимметричном строгании, ребровом делении из-за нарушения равновесия остаточных напряжений.

Разбухание — это увеличение линейных размеров и объёмов древесины при повышении содержания связанной влаги. Оно происходит при увлажнении древесины и представляет собой явление, обратное усушке. Разбухание наблюдается при увеличении влажности до предела гигроскопичности. Наибольшее разбухание происходит по ширине волокон (тангенциально), наименьшее – вдоль волокон.

Разбухание, также как и усушка — отрицательные свойства древесины. Однако в некоторых случаях оно играет положительную роль, например, обеспечивает плотность соединений в лодках или винных бочках.

Технические характеристики

Пиломатериал отборного сорта

Как легко понять из названия, к этому сорту относят пиломатериалы наивысшего качества. Являются допустимыми лишь несущественные дефекты, которые не оказывают влияния на эксплуатационные характеристики. Цена отборного и 1-го сортов может различаться в 2-3 раза, при этом визуально отличить их бывает непросто.

Область применения: Отборный сорт находит широкое применение в судостроении (поэтому иногда такую доску называют палубной) и мотостроении, из него изготавливают части конструкций сельскохозяйственных машин, железнодорожных вагонов, платформ грузовых автомобилей и прицепов.

Технические требования:

• Полное отсутствие гнили, грибка, червоточин, участков корневой системы и остатков коры,
• исключаются покоробленности (это любые изменения геометрии пиломатериала, которые возникают при распиловке, после усушки или в процессе хранении) и прочие механические повреждения;
• Допустимый наклон волокон — не более 5°, если длина изделия превышает 2 м.;

Наклон волокон — это угол между направлением древесных волокон и продольной осью пиломатериала. Измеряется на одной из пластей. Угол наклона не всегда равномерен, причиной чего может быть кривизна либо спиральный рост дерева.

• Допустимо наличие несквозных торцевых трещин, не имеющих выхода на пласти или кромку, при условии, что их глубина не превышает 10% от толщины торца.

• Максимальная точность геометрических размеров. Допустимое отклонение исходя из общей длины пиломатериала варьируется от 0,1 до 1 %.

• Допустимо наличие здоровых (т.е. с полным отсутствием гнили) сросшихся сучков. Их количество регламентировано в таблицах ГОСТов, а вот расположение значения не имеет.

Сросшийся сучок — это сучок, годичные слои которого срослись с окружающей древесиной. Площадь срастания — более 75 % среза сучка.

Пиломатериал первого сорта

Область применения. Те же области, что и отборный сорт. Помимо этого, массово используется в строительстве при монтаже несущих конструкций, в ремонтных работах, при изготовлении оконных рам и дверей. Находит широкое применение в производстве мебели и тары специального назначения.

Технические требования:

• Отсутствие любых внешних признаков гнили или поражения грибком.
• Недопустимы выпадающие сучки и сопутствующие им сквозные отверстия.

Выпадающий сучок — сухой сучок, который не имеет прочной связи с окружающей его древесиной. Как правило, такой сучок держится в своем ложе, но подвижен при воздействии на него. Выпадающими сучками также называют и отверстия от уже выпавших сучков.

• Недопустимы трещины на пласти или кромке, длина которых превышает ¼ общей длины пиломатериала и глубиной свыше 1 мм.
• Возможно наличие тупого обзола, если его длина не превышает шестой части всей длины пиломатериала. Наличие острого обзола не допускается.

Тупой обзол — это обзол, который занимает часть ширины кромки.Острый обзол — обзол, занимающий всю площадь кромки.

• Недопустима гниль — т.е. разложение древесины грибком или другими микроорганизмами, приводящее к ее размягчению.
• Синева (окраска, вызванная грибком или плесенью) в ограниченных объемах допустима — размер не должен превышать 10% от общей площади пиломатериала. Этот дефект считается сугубо косметическим, поскольку не приводит к разрушению структуры древесины и на эксплуатационные характеристики не влияет.
• Допустимы здоровые сучки, не превышающие в диаметре 10мм. Количество сучков регламентируется в таблицах ГОСТа в соответствии с размерами пиломатериала.

Древесина второго сорта

2-й сорт характеризуется существенным послаблением требований, однако и он применяется в ответственных сферах и пользуется большим спросом у потребителя. Это объясняется тем, что эксплуатационная надежность материала остается достаточно высокой, а стоимость заметно ниже. Визуально доску 2-го сорта легко отличить по большому наклону волокон.

Область применения. Помимо судо- и автостроения, строительства, производства мебели т и изготовления мебели широко используется в изготовлении обрешетки, монтаже деревянных щитов, кровли и всевозможных опор.

Технические требования:

• Недопустимы следы гнили и трухлявость. Следы деятельности насекомых — червоточины — допустимы, но не более 3-х на погонный метр.

• Допустимо наличие мелких смоляных кармашков (это относится хвойным породам древесины).

Смоляной кармашек — полость в форме линзы, заполненная смолой, расположенная внутри или между годичными слоями древесины.

• Допустимо наличие не только тупого, но и острого обзола по всей длине кромки.
• Длина трещин не должна превышать ⅓ длины пиломатериала.
• Возможно наличие выпадающих сучков, диаметр которых не превышает 20 мм.
• Допустима незначительная синева и другие изменения цвета (воздействие грибка).

Древесина третьего сорта

Наиболее бюджетный вариант, что, безусловно, отражается и на качестве обрезной доски или бруса. Поскольку требования к 3-му сорту значительно мягче, резко снижается и несущая способность заготовки. Между тем область применения обрезного пиломатериала 3 сорта довольно широка.

Область применения. Этот сорт рекомендован для изготовления конструкций, не несущих нагрузки и не требующих красивого внешнего вида. Черновая отделка, сооружение времянок, навесов, изготовление бюджетной мебели, поддонов и тары.

Технические характеристики:

• Тупой и острый обзол допустим по всей длине обеих кромок.
• Допустимы червоточины на любом участке обрезной доски или бруса.
• Допускаются сквозные трещины, в том числе выходящие на торец. Однако их длина не должна превышать 100 мм.

• Помимо здоровых сросшихся сучков, допустимо наличие и выпадающих, а также гнилых и табачных сучков.

Табачный сучок — это гнилой сучок, древесина которого размягчена и имеет вид рыхлой массы ржаво-бурого цвета (за счет чего и имеет такое название). Реже имеет белесую окраску.

• Допустимо наличие двойной сердцевины на поверхности пиломатериала.
• Незначительная покоробленность материала
• Допустимы значительная площадь крени.

Крень — это резкое утолщение годичных слоев на ограниченном участке древесины. Характерно для подверженных сжатию участков соединения ствола и ветвей. Древесина в этих местах более темная и плотная.

• Допустима прорость, если она расположена только на одной из поверхностей пиломатериала.

Прорость — это след от раны древесного ствола(заросшей или зарастающей). Имеет вид щелевидной полости. Может быть либо пустой, либо заполненной остатками коры и омертвевшими тканями.

Это самый бюджетный и самый низкокачественный пиломатериал. К этому сорту относят весь материал, который не прошел по характеристикам более высокой сортности. Здесь уже можно видеть и значительное поражение червоточинами, и серьезную покоробленность, и большие трещины с механическими повреждениями.

Износостойкость и гибкость древесины

Износостойкость — это способность древесины называется противостоять разрушению в процессе трения. Износ у одной и той же древесины больше с боковой стороны, чем с торцевой. Чем выше твёрдость и плотность древесины, тем меньше её изнашиваемость. Влажная древесина больше подвержена износу – вот почему для декоративных панелей или натуральной половой доски специалисты рекомендуют сухую уборку.

Гибкость — это способность древесины деформироваться под воздействием внешних сил. Технологически операция гнутья (загиба), основана на способности древесины сравнительно легко деформироваться при воздействии изгибающих устройств, особенно в нагретом и влажном состоянии. При охлаждении и сушке под нагрузкой значительная часть упругих деформаций переходит в остаточные, фиксируется новая форма детали. У влажной древесины способность к гнутью выше чем у сухой.

Наибольшей способностью к гнутью (загибу) обладают лиственные кольце-сосудистые породы деревьев (дуб, ясень) и рассеянно сосудистые (бук, берёза). У хвойных пород эта способность очень невысока.

Способность к гнутью широко используется при изготовлении мебели, предметов интерьера.

Ударная вязкость — это способность древесины поглощать работу при ударе (ударном изгибе) без разрушения и определяется при испытаниях на изгиб. Ударная вязкость у древесины лиственных пород в среднем в 2 раза больше чем у древесины хвойных пород.

условный предел прочности при смятии поперек волокон

Древесина пород с широкими или очень многочисленными лучами (дуб, бук, клен, отчасти береза) характеризуется более высоким условным пределом прочности при радиальном смятии (примерно в 1,5 раза); для прочих лиственных пород (с узкими лучами) показатели условного предела прочности при смятии в обоих направлениях практически одинаковы или мало различаются.

Для древесины хвойных пород, наоборот, условный предел прочности при тангенциальном смятии в 1,5 раза выше, чем при радиальном вследствие резкой неоднородности в строении годичных слоев; при радиальном смятии деформируется главным образом более слабая, ранняя, древесина, а при тангенциальном сжатии нагрузка с самого начала воспринимается и поздней древесиной. По сравнению с пределом прочности при сжатии вдоль волокон условный предел прочности при смятии поперек волокон составляет в среднем около 1/8 (от 1/6 для твердых лиственных пород до 1/10 для хвойных и мягких лиственных пород).

Тепловые свойства

К тепловым свойствам относятся теплоёмкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение.

Теплоёмкость — это способность древесины аккумулировать тепло. Она увеличивается с увеличением влажности.

Теплопроводность — свойство, характеризующее интенсивность переноса тепла в материале. Теплопроводность увеличивается с увеличением влажности и плотности. Вдоль волокон теплопроводность в среднем в 2 раза больше, чем поперёк.

Температуро-проводность — способность древесины выравнивать температуру по объёму.

Тепловое расширение — это способность древесины увеличивать линейные размеры и объём при нагревании. Коэффициент теплового расширения древесины в 3-10 раз меньше, чем у металла, бетона, стекла.

Деформативность

При кратковременных нагрузках в древесине возникают преимущественно упругие деформации, которые после нагрузки исчезают. До определённого предела зависимость между напряжениями и деформациями близка к линейной (закон Гука). Основным показателем деформативности служит коэффициент пропорциональности — модуль упругости.

Модуль упругости вдоль волокон Е = 12-16 ГПа, что в 20 раз больше, чем поперёк волокон. Чем больше модуль упругости, тем более жесткая древесина.

С увеличением содержания связанной воды и температуры древесины, жесткость её снижается. В нагруженной древесине при высыхании или охлаждении часть упругих деформаций преобразуется в «замороженные» остаточные деформации. Они исчезают при нагревании или увлажнении.

Поскольку древесина состоит в основном из полимеров с длинными гибкими цепными молекулами, её деформативность зависит от продолжительности воздействия нагрузок. Механические свойства древесины, как и других полимеров, изучаются на базе общей науки реологии. Эта наука рассматривает общие законы деформирования материалов под воздействием нагрузки с учётом фактора времени.

прочность древесины при статическом изгибе

Для испытания на статический изгиб применяются образцы в форме бруска размерами 20X20X300 мм. Неподвижные опоры и ножи должны иметь закругление радиусом 15 мм; расстояние между центрами опор l = 24 см. После измерения посредине длины сечения (ширины b и высоты h) образец располагают на опорах и нагружают в двух точках на расстоянии 8 см от каждой опоры, равномерно со скоростью 700 ±150 кГ/мин на весь образец, который доводится до полного излома. По шкале машины отсчитывают максимальную Нагрузку Рmах с точностью 1 кГ.

Предел прочности при статическом изгибе существенно зависит от влажности. При изгибе в древесине возникают нормальные напряжения (на растяжение и сжатие вдоль волокон) и касательные напряжения (на скалывание вдоль волокон). Первые достигают максимума в крайних волокнах, наиболее удаленных от нейтральной плоскости, а вторые — в нейтральной зоне, которая теоретически должна проходить посредине высоты бруска.

В древесине из-за различий прочности при растяжении и сжатии вдоль волокон нейтральная плоскость смещается в сторону растянутой зоны, что обусловливает неравенство нормальных напряжений (на растяжение и сжатие вдоль волокон). Деформация при изгибе внешне выражается прогибом образца и измеряется стрелой прогиба. Так как прочность древесины при сжатии вдоль волокон значительно меньше, чем прочность при растяжении, разрушение при изгибе начинается в зоне сжатия в виде складок, хотя на глаз оно редко заметно. Окончательное разрушение происходит в зоне растяжения и заключается в разрыве или отщепе крайних волокон и полном изломе образца. Излом древесины высокого качества волокнистый или защепистый, при низком качестве — раковистый, почти гладкий.

Защепистость излома более резко выражена в растянутой зоне образца; пучки волокон там крупнее и длиннее; в сжатой зоне, наоборот, эти пучки мелкие и короткие. В табл. приведены показатели предела прочности при статическом изгибе для древесины основных наших лесных пород.

Прочность древесины при статическом изгибе по величине занимает промежуточное положение между прочностью при растяжении и сжатии вдоль волокон и может быть в среднем для разных пород принята равной около 900 кГ/см2. Если прочность при сжатии вдоль волокон принять за единицу, прочность при статическом изгибе будет примерно в 2 раза, а прочность при растяжении вдоль волокон — в 2,7 раза выше. Предел пропорциональности при статическом изгибе составляет в среднем 0,7 от предела прочности.