Прочность древесины при сдвиге.

Прочность — способность древесины сопротивляться разрушению от механических усилий, характеризующихся пределом прочности. Прочность древесины зависит от направления действия нагрузки, породы дерева, плотности, влажности, наличия пороков.

Существенное влияние на прочность древесины оказывает только связанная влага, содержащаяся в клеточных оболочках. При увеличении количества связанной влаги прочность древесины уменьшается (особенно при влажности 20-25%). Дальнейшее повышение влажности за предел гигроскопичности (30%) не оказывает влияния на показатели прочности древесины. Показатели пределов прочности можно сравнивать только при одинаковой влажности древесины. Кроме влажности на показатели механических свойств древесины оказывает влияние и продолжительность действия нагрузок.

Вертикальные статические нагрузки — это постоянные или медленно возрастающие. Динамические нагрузки, наоборот, действуют кратковременно. Нагрузку, разрушающую структуру древесины, называют разрушительной. Прочность, граничащую с разрушением, называют пределом прочности древесины, её определяют и измеряют образцами древесины. Прочность древесины измеряют в Па/см2 (кгс на 1 см2) поперечного сечения образца в месте разрушения, (Па/см2 (кг с/см2).

Сопротивление древесины определяют как вдоль волокон, так и в радиальном и тангенциальном направлении. Различают основные виды действий сил: растяжение, сжатие, изгиб, скалывание. Прочность зависит от направления действия сил, породы дерева, плотности древесины, влажности и наличия пороков.

Прочность древесины при сдвиге. Внешние силы, вызывающие перемещение одной части детали по отношению к другой, называют сдвигом. Различают три случая сдвига: скалывание вдоль волокон, поперёк волокон и перерезание.

 

Для испытания на скалывание вдоль волокон применяют образец. На нем изображен образец для испытания на скалывание вдоль волокон в тангенциальной плоскости. Образец такой же формы, но с другим расположением годичных слоев применяется для скалывания в радиальной плоскости. После измерения (в миллиметрах) фактической толщины образца b и длины ожидаемой площадки скалывания l образец размещают в приспособлении.

Образец располагают таким образом, чтобы его узкий выступ (шириной 18 мм) находился вверху. Разница в ширине выступов необходима для исключения погрешностей из-за возможного наклона волокон. Опору с помощью прижимного устройства перемещают настолько, чтобы она плотно прилегала к вертикальной плоскости образца и на нее опирался нижний торец короткой части образца.

Нагружают образец через нажимную призму с шаровой опорой. Для уменьшения влияния трения согласно ныне действующему стандарту между вертикальными плоскостями образца и корпуса приспособления помещают подвижную планку на роликовых опорах.

Продолжительность нагружения 0,5-1,5 мин. Определив максимальную нагрузку, вычисляют предел прочности с округлением до 0,1 Мпа.

Влажность разрушенного образца определяют, используя в качестве пробы его большую часть. Поправочный коэффициент на влажность а принимают равным 0,03 при скалывании как в радиальной, так и в тангенциальной плоскости.

Прочность древесины при скалывании вдоль волокон у лиственных пород примерно в 1,6 раза выше, чем у хвойных. При тангенциальном скалывании прочность древесины лиственных пород на 10-30% выше, чем при радиальном; это превышение тем больше, чем лучше развиты в древесине сердцевинные лучи (граб, бук). Для древесины хвойных пород прочность при скалывании в обоих случаях примерно одинакова.

В среднем для всех пород предел прочности при скалывании вдоль волокон составляет примерно 1/5 от предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Иногда проводят испытания на скалывание и перерезание древесины поперек волокон, используя другие виды образцов. Предел прочности при скалывании поперек волокон в 2 раза меньше, а предел прочности при перерезании поперек волокон в 4 раза больше, чем предел прочности при скалывании древесины вдоль волокон.

Древесина довольно часто работает в деревянных конструкциях на скалывание вдоль волокон (например, в соединениях стропильных ферм способом лобовых врубок); реже встречаются случаи работы на скалывание поперек волокон (например, в шпонках и шпунтовых соединениях) и перерезание поперек волокон (например, в нагелях).

Грибные поражения.

 

Грибы ранее относили к растениям, теперь их выделяют в самостоятельное царство живой природы (Mycota).

Они не содержат хлорофилла и для своего развития нуждаются в готовых органических веществах, которые получают из мертвых или живых растений. Грибы размножаются преимущественно спорами. Это мелкие клетки, которые легко переносятся по воздуху, воде, распространяются насекомыми. Попадая на незащищенную корой древесину, они прорастают. При этом появляются гифы (тонкие бесцветные или окрашенные нити), которые, сплетаясь, образуют грибницу (мицелий). Из гиф состоит и плодовое тело, которое отделяет споры. При влажности древесины ниже 20 % грибы развиться не могут; невозможно также развитие грибов в древесине, полностью насыщенной водой, так как в ней недостает воздуха. При температуре ниже 2 °С и выше 40-45 °С развитие грибов прекращается.

Под воздействием грибов в древесине происходят изменения двоякого рода. В одном случае древесина лишь принимает ту или иную окраску. Грибы, которые ее вызывают, получили название деревоокрашивающих. В других случаях грибы сначала изменяют цвет древесины, но затем в ней происходят более глубокие изменения физико-механических свойств, которые приводят к ее разрушению. Такой процесс называют гниением древесины, а вызывающие его грибы — дереворазрушающими.

При коррозионном типе гниения древесина приобретает характерную ячеистую структуру. На определенных стадиях процесса гниения в древесине появляются выцветы или белые пятна целлюлозы; уменьшается содержание лигнина, но количество целлюлозы почти не меняется. Деструктивный тип гниения характерен появлением в древесине многочисленных трещин вдоль и поперек волокон; древесина распадается на отдельные призматические кусочки. Относительное содержание лигнина возрастает за счет уменьшения количества целлюлозы.

Грибные ядровые пятна и полосы. Этот порок выражается в изменении цвета древесины центральной зоны ствола (настоящего, ложного ядра или спелой древесины) без снижения ее твердости. Возникает он под действием деревоокрашивающих или дереворазрушающих грибов, встречается в древесине растущих деревьев всех пород. В срубленной древесине дальнейшее развитие порока обычно прекращается.

В области ядра или спелой древесины на торцах видны крупные пятна различных очертаний — лунки, кольца или сплошные зоны поражения, на продольных разрезах заметны продольные полосы. Пятна и полосы могут иметь различный цвет: бурый, красноватый, коричневый, реже — черный и серо-фиолетовый.

В круглых лесоматериалах ядровые пятна и полосы измеряют одним из способов, которые были указаны для водослоя. В пилопродукции и шпоне окрашенная зона измеряется в линейных мерах или в долях ширины, длины и толщины, а также в процентах площади соответствующей стороны сортимента. Исследованиями ЦНИИМОДа (С. Н. Горшин, A. Л. Михайличенко и Н. П. Нечаева) установлено, что грибы, вызывающие появление грибных окрасок и пятен в сосне и ели, практически не снижают прочность древесины при статических нагрузках, а твердость у нее может быть даже немного выше, чем у здоровой древесины. В то же время ударная вязкость сильно снижается (на 30-40%), водопоглощение и водопроницаемость повышаются, ухудшаются биостойкость и внешний вид древесины.

Ядровая гниль. Такая гниль образуется в древесине растущего дерева под действием разрушающих грибов. Напенная гниль возникает в корнях или в поврежденных местах комлевой части ствола. Постепенно суживаясь, она распространяется вверх по стволу иногда на несколько метров.

Стволовая гниль начинается от обломанных ветвей или ран на стволе и распространяется от мест заражения вверх и вниз, пораженный участок имеет форму сигары. До комлевой части ствола гниль обычно не доходит.

На торцах лесоматериалов ядровая гниль наблюдается в виде крупных пятен различных очертаний (лунок, колец) или в виде сплошной зоны поражения в центральной части ствола; иногда зона поражения смещена от центра и даже выходит на периферию. На продольных разрезах гниль заметна в виде полос.

Пестрая ситовая гниль проявляется в том, что на красновато-буром фоне пораженной древесины заметны многочисленные мелкие белые или желтоватые пятнышки, вытянутые вдоль волокон.

Древесина может долгое время сохранять целостность. При более сильном разрушении древесина приобретает ячеистую или волокнистую структуру, становится мягкой и легко расщепляется. Этот вид коррозионной гнили встречается в древесине хвойных и лиственных пород.

Бурая трещиноватая гниль характеризуется бурым с различными оттенками цветом и трещиноватой структурой пораженной древесины.

Многочисленные трещины, направленные вдоль и поперек волокон, иногда содержат скопления беловатых пленок грибницы. По трещинам древесина распадается на призматического вида кусочки, легко деформируется и растирается между пальцами в порошок. Эта деструктурная гниль встречается у хвойных и лиственных пород.

Белая волокнистая гниль имеет светло-желтый или почти белый цвет, иногда на древесине видны узкие извилистые черные линии. Такая пестрая окраска напоминает рисунок мрамора. При сильном разрушении пораженная зона становится мягкой, легко расщепляется на волокна и крошится. Эта коррозионно-деструктивная гниль встречается у лиственных пород.

Порок измеряют такими же способами, как ядровые пятна и полосы. В срубленной древесине дальнейшее развитие пестрой ситовой гнили прекращается, развитие бурой трещиноватой и белой волокнистой гнили иногда может продолжаться.

Различают три стадии развития гнили: 1) изменился только цвет древесины; 2) древесина частично изменила структуру и твердость; 3) древесина полностью утратила твердость и прочность.

Способность гнилой древесины сопротивляться усилиям почти полностью утрачивается. Плотность ее снижается в 2-2,5 раза, водопоглощение и водопроницаемость повышаются. При высыхании гнилая древесина больше коробится. Механические свойства при деструктивном типе гниения снижаются сильнее, чем при коррозионном.

Качество древесины с гнилью в зависимости от стадии гниения и размеров поражения понижается вплоть до того, что древесина оказывается полностью не пригодной для использования.

Дупло. Так называется полость в стволе растущего дерева, образующаяся в результате полного разрушения древесины. Это по существу четвертая стадия гниения, возникающая под воздействием одного, а чаще нескольких дереворазрушающих грибов. Измеряют порок так же, как ядровую гниль.

Плесень представляет собой налетную поверхностную окраску, образуемую грибницей с органами плодоношения плесневых грибов. Окраска чаще всего появляется на сырой заболони при хранении лесоматериалов. Плесень встречается на древесине всех пород. Она наблюдается в виде отдельных пятен или сплошного налета сине-зеленого, голубого, зеленого, черного, розового и других цветов в зависимости от окраски спор и грибницы, а также от выделяемого пигмента. После просыхания налет легко сметается, иногда оставляя на поверхности грязноватые или цветные пятна.

Плесень измеряют в пилопродукции и шпоне по длине и ширине или площади зоны поражения. Обычно плесень не оказывает влияния на физико-механические свойства древесины, однако в определенных условиях при длительном воздействии грибы плесени могут вызывать серьезные разрушения древесины. Плесневые грибы разрушают животные клеи. Плесень не допускается в древесине, используемой для изготовления тары под пищевые продукты.

Заболонные грибные окраски. В заболони свежесрубленной или сухостойной древесины часто образуются более или менее глубокие окрашенные участки грибного происхождения. Твердость древесины при этом не снижается. Возникает порок главным образом под действием деревоокрашивающих грибов. Поражение распространяется через торцы и боковую поверхность. На торцах круглых сортиментов оно наблюдается в виде радиальных клиновидных пятен, иногда встречается сплошная окраска заболони. На боковых поверхностях круглых сортиментов и в пиломатериалах такие окраски образуют полосы или вытянутые пятна.

Среди заболонных грибных окрасок различают синеву (серую окраску с синеватыми или зеленоватыми оттенками) и цветные заболонные пятна (оранжевого, желтого, розового, светло-фиолетового и коричневого цветов). Если древесина под действием грибов окрашивается в бледные тона и текстура древесины хорошо видна, то такие окраски называются светлыми. Густые окраски, маскирующие текстуру древесины, называются темными.

В круглых лесоматериалах и пилопродукции различают поверхностные и глубокие окраски, распространяющиеся на глубину соответственно меньше или больше 2 мм. Кроме того, могут быть подслойные окраски, которые развиваются во внутренних слоях сортимента и на поверхность не выходят.

В круглых лесоматериалах заболонные грибные окраски измеряют по глубине зоны поражения от боковой поверхности, по площади зоны поражения (в процентах от площади всего торца или одной заболони). В пилопродукции и шпоне измеряют глубину, длину и ширину или площадь зоны поражения. Наличие подслойных окрасок устанавливают выборочной торцовкой лесоматериалов.

Из заболонных окрасок наиболее распространена синева, которая поражает древесину всех пород, но чаще хвойных. Оптимальная температура для развития большинства видов грибов синевы составляет 26-27 °С, влажность древесины 35-80 %.

По исследованиям ЦНИИМОДа (С. Н. Горшин, Е. И. Мейер, И. Г. Крапивина и др.), проведенным на древесине сосны, некоторые из грибов синевы питаются только внутренним содержимым клеток, другие могут разрушать клеточную стенку. Так гриб Discula brunneo — tingens H. Meyer, действие которого на древесину ограничивается в основном разрушением торусов пор и паренхимных клеток сердцевинных лучей, снижает ударную вязкость на 6,5 %, а гриб Ophiostoma pini, вызывающий сильное разрушение вторичной оболочки трахеид и многочисленные ее прободения, — на 34 %.

Засинелая древесина в большинстве случаев отличается повышенной скоростью водопоглощения. Некоторые виды грибов синевы стимулируют развитие сильных дереворазрушающих грибов.

Вместе с тем воздействие грибов синевы на древесину, если оно не приводит к существенному снижению прочности, оказывается полезным, поскольку облегчает пропитку древесины антисептиками. По данным А. Т. Вакина (ЛТА), засинелая древесина ели (используемая для изготовления шпал) пропитывается антисептиками значительно лучше, чем здоровая.

Заболонные грибные окраски ухудшают вид древесины, темные окраски могут скрывать появление гнилей в начальной стадии их развития. Грибы, окрашивающие заболонь, могут разрушать клеи, а также лакокрасочные покрытия на древесине.

Побурение. При хранении свежесрубленной древесины лиственных пород (особенно березы, бука, ольхи) в теплое время года заболонь приобретает бурую окраску различной интенсивности и равномерности, иногда со слабо выраженными серыми или белесыми пятнами и полосами. Этот порок называется побурением (прежнее название — задыхание).

Исследованиями ЦНИИМОДа (И. А. Чернцов) установлено, что побурение представляет собой явление, в котором совмещаются три процесса, протекающие одновременно или последовательно. Во-первых, происходит закупорка водопроводящих путей, что замедляет испарение влаги из древесины и преграждает доступ в нее воздуха. Во-вторых, по мере подсыхания древесины происходит процесс отмирания живых клеток заболони, окисления их содержимого кислородом воздуха и появления бурой окраски древесины. В-третьих, на древесине поселяются грибы, что приводит к дальнейшему изменению ее цвета. Побурение предшествует заболонной гнили.

В круглых лесоматериалах различают торцовое и боковое побурение. Побурение бревен начинается с торцов и распространяется вглубь древесины вдоль волокон, при этом в первую очередь поражаются внутренние слои заболони с ослабленной жизнедеятельностью клеток, затем побурение захватывает всю заболонь. После отмирания коры побурение распространяется и с боковой поверхности бревен, продвигаясь языками в радиальном направлении к центру.

Пиломатериалы, особенно крупных сечений, также подвержены побурению, которое сосредоточено преимущественно в центральной зоне, еще не успевшей высохнуть. Побурение на пиломатериалах наблюдается в виде внутренних пятен и полос или в виде сплошного поражения заболони.

Побурение измеряют такими же способами, как и грибные заболонные окраски. По данным ЦНИИМОДа, при побурении у березы и бука прочность при статических нагрузках и твердость существенно не снижаются, однако ударная вязкость снижается довольно сильно (у бука до 30 %), ухудшается способность древесины к загибу. У бука в связи с затиллованностью сосудов уменьшается водопроницаемость. Побурение портит внешний вид древесины. Наиболее надежным средством защиты свежезаготовленных лиственных кряжей от побурения, как установил А. Т. Вакин, является сохранение их влажности замазкой торцов, дождеванием или содержанием в бассейнах с водой. Пиломатериалы должны высушиваться или пропариваться. Пропарка свежераспиленных буковых пиломатериалов также облагораживает внешний вид древесины.

Заболонная гниль. В заболони срубленной или сухостойной древесины хвойных и лиственных пород под воздействием дереворазрушающих грибов появляется ненормальная окраска. Твердость древесины при этом сохраняется или снижается. Заболонная гниль возникает при длительном неправильном хранении круглых лесоматериалов, а также пиломатериалов. Гниль наблюдается в виде пятен и полос, а иногда захватывает всю заболонь. У хвойных пород зоны поражения имеют желтовато-бурый цвет. У лиственных пород гниль имеет чаще всего пеструю окраску, напоминающую рисунок мрамора, грязно-белые участки отграничены от бурых тонкими черными линиями. Обычно гниль следует за побурением. Зона поражения может иногда захватить ядро и спелую древесину (особенно у лиственных пород). При твердой гнили древесина лишь изменяет окраску, а когда гниль переходит в мягкую, древесина становится более светлой, легкой, рыхлой и почти полностью теряет способность сопротивляться нагрузкам.

Заболонную гниль измеряют такими же способами, как и побурение. У хвойных пород (сосны, ели) при сжатии древесины вдоль волокон предел прочности снижается до 25-30 % (по данным ЦНИИМОДа), а при статическом изгибе — до 22 % (по данным ЛТА); водопоглощение и водопроницаемость увеличиваются. Заметно ухудшаются механические свойства и у пораженной древесины лиственных пород (березы, бука, граба), особенно ударная вязкость.

Наружная трухлявая гниль. Эта гниль возникает в заболони и ядре лесоматериалов всех пород вследствие поражения древесины сильными дереворазрушающими грибами при длительном неправильном ее хранении. Такая же гниль появляется при неблагоприятных условиях эксплуатации деревянных элементов конструкций и изделий. Загнивание наблюдается преимущественно в наружных частях как заболонной, так и ядровой зоны сортимента или детали. Оно охватывает все поперечное сечение или часть его и распространяется вглубь древесины. В некоторых случаях поражение может начинаться во внутренних слоях древесины, куда споры грибов проникают через глубокие наружные трещины. Древесина вначале окрашивается в светло-бурый цвет разных оттенков, затем темнеет, становится бурой или темнокоричневой. На древесине появляются продольные и поперечные трещины, она распадается на призматические кусочки, легко крошится и растирается в порошок. На поверхности пораженной древесины нередко наблюдаются грибницы и плодовые тела. При хранении непросушенной древесины процесс ее разрушения продолжается.

Пораженная древесина имеет резко сниженные механические свойства и является опасным источником грибной инфекции для деревянных зданий и сооружений. Образование гнили в деревянных элементах зданий и сооружений происходит под действием домовых, столбовых, шпальных и других видов грибов. В зданиях на деревянных элементах, подвергающихся периодическому увлажнению за счет конденсации водяных паров воздуха, развиваются домовые грибы.

Домовые грибы обладают способностью сильно увлажнять древесину за счет воды, выделяющейся при разложении целлюлозы. Если эта вода не испаряется, она может вполне удовлетворить потребность грибов, поэтому домовые грибы в замкнутых и плохо вентилируемых пространствах зданий могут переходить и на сухую древесину, вызывая постепенное ее увлажнение и разрушение.

Настоящий домовый гриб Serpula lacrimans (Wulf. ex Fr. Bond.) является наиболее опасным разрушителем древесины в постройках. Поселяется он на стенках, полах, перегородках. Оптимальная влажность для его развития 25-30%, однако гриб может развиваться и при более высокой влажности (до 150%); оптимальная температура для него — 18-20 °С. Возможно развитие грибов также при температурах от 2 до 35 °С. Настоящий домовый гриб может разрушить новое строение за 1-2 года