Свойства древесины и защита древесины от увлажнения, загнивания и воспламенения

Физические свойства. Для древесины как конструкционного материала ос­новное значение имеют влажность, изменяемость размеров, формы, объем­ная масса.

Влажностью древесины называется количество воды, заключающейся в ней, выраженное в процентах. Влажность определяется по формуле

m — m_o

W= ———— · 100%,

   m₀

где m — масса влажного образца при данной влажности в г; m₀ — масса образца в абсолютно сухом состоянии в г (за m₀ принимается масса образ­ца, высушенного при 100 + 5°С).

Вода, содержащаяся в древесине, бывает двух видов: свободная (капиллярная) вода, заполняющая внутренние пустоты, и связанная (гигро­скопическая), находящаяся в клеточных оболочках. Таким образом, влаж­ность древесины складывается из влаги связанной и свободной. При высы­хании дерево теряет сначала свободную воду, а затем начинает терять связанную воду.

Состояние древесины, при котором в ней имеется только связанная влага, называется точкой насыщения волокон. Для различных древесных пород максимальное количество связанной влаги колеблется от 23 до 30%. Свежесрубленной древесине соответствует влажность 50 — 100%; в древеси­не, пролежавшей долгое время на воздухе (воздушно-сухой), устанавли­вается влажность 10 — 20%, в комнатных условиях (комнатно-сухая древе­сина) — влажность 7 —10%, а для абсолютно сухой древесины влажность нулевая. Влажность, отвечающая условиям производственного помещения, носит название производственной влажности. За стандартную влажность древесины принята влажность 15%, которая представляет собой среднюю влажность воздушно-сухой древесины. Все свойства древесины для воз­можности сравнения устанавливаются при стандартной влажности 15%.' Производственная, влажность должна быть равна эксплуатационной или на 2% ниже (иначе древесина будет усыхать).

Изменение размеров и формы древесины связано с изменением ее влажности. Эти изменения выражаются в усушке, разбухании и коробле­нии. При высыхании древесины из нее вначале удаляется свободная влага, при этом размеры клеток не изменяются (уменьшается только масса); с момента точки насыщения волокна стенки волокон древесины теряют связанную влагу и сокращаются в размерах.

Усушкой древесины называется уменьшение линейных размеров и объе­ма древесины при высыхании (выражается в процентах). Усушка зависит от направления: так, наибольшая усушка происходит в тангентальном направлении, наименьшая — вдоль волокон.

Для определения усушки практически пользуются коэффициентом усушки К, который представляет собой среднюю усушку при изменении влажности на 1%, и определяется по формуле

Y

K= ——            

    W

Для различных пород полная усушка в радиальном направлении У_р = = 3-5%, в тангентальном У_г = 6 - 10%. Коэффициенты усушки в радиаль­ном направлении K_р = 0,09 ~0,31%, в тангентальном       К_т = 0,17 — 0,43%; коэффициент объемной усушки К_о = 0,32 - 0,7%. Усушка вдоль волокон составляет 0,1—0,35% и практически не учитывается.

Усушка представляет собой отрицательное явление, во-первых, потому, что ее необходимо учитывать при изготовлении деталей, и, во-вторых, она служит причиной появления в древесине внутренних напряжений, вызы­вающих трещины и коробления (рис.7).

Древесина разных пород имеет одинаковый химический состав, поэто­му плотность вещества, образующего стенки клеток, принимается равной 1,54 г/см³. Для практических целей важно знать объемную массу у, кото­рая зависит от влажности материала и коэффициента объемной усушки. Значение у₁₅ древесины составляет 0,34-0,98 г/см³. Более легкими по­родами являются сосна, ель, пихта, липа, осина, ольха; очень тяжелыми -граб, груша, самшит. Чем больше объемная масса, тем плотнее древесина и тем лучше она сопротивляется нагрузкам.

Рис. 7. Виды коробления пиломатериалов:

1 — изменение формы поперечного сечения брусков; 2 — поперечное коробление досок; 3 —

продольное коробление доски; 4 - коробление косослойной доски

Механические свойства древесины. Древесина анизотропна, и ее свой­ства зависят от влажности и других факторов. В связи с этим показатели механических свойств для возможности их сравнения и применения в рас­чете деревянных деталей на прочность относят к древесине, не имеющей пороков и при одинаковой влажности 15%.

Механические свойства наиболее распространенных пород древесины при W = 15% приведены в табл. 5.

Средние значения пределов прочности древесины вдоль волокон нахо­дятся в пределах: Ơ_с от 3,42 до 5,49 кгс/мм²; Ơ_в от 7,61 до 16,1 кгс/мм² (в отдельных случаях до 27 кгс/мм²); Ơ_в — поперек волокон ниже в 6 — 30 раз, чем вдоль. Сопротивление сдвигу в плоскости волокон, (скалывание) неве­лико и составляет 1/6-1/8 Ơ_с (продольное направление), Ơ_изг в 1,5-2 раза

Таблица 5

  Основные физико-механические свойства наиболее распространенных пород древесины (при -влажности 15%)

больше, чем а_с. Модули упругости при растяжении и сжатии примерно равны, в продольном направлении их значение в 10 — 30 раз больше, чем в поперечном. Вдоль волокон £ = = (1,17 ~ 1,58) 10³ кгс/мм².

При ударных нагрузках сопротив­ление ударному изгибу вязких пород (ясеня, дуба) в 1,5 — 3 раза выше, чем хрупких хвойных пород (сосны, ели,

пихты). Прочность древесины зависит от скорости нагружения: чем мед­леннее прикладывается нагрузка, тем меньше величина предела прочности. Со временем сопротивление древесины постепенно уменьшается и дости­гает некоторого предела долговременного сопротивления, при котором де­ревянная деталь может работать неопределенно долгое время (рис. 234). Для всех видов напряженного состояния древесины величина длительного сопротивления принимается равной 2/3 предела прочности.

При вибрационных нагрузках необходимо учитывать усталость (или выносливость) древесины. Предел выносливости ст_е всегда меньше статиче­ского предела прочности а_ст. Отношение ст_в/ст_Ст при изгибе составляет для разных пород 0,24 — 0,38:

Защита древесины от увлажнения, загнивания и воспламенения. В усло­виях эксплуатации или хранения древесины на открытом воздухе ее влаж­ность может значительно увеличиваться и вызывать загнивание дере­вянных элементов. Для борьбы с этим недостатком применяют гидроизо­ляционные прокладки, лакокрасочные покрытия и антисептирование.

Антисептики представляют собой водные растворы минеральных солей (фтористого натрия, хлористого цинка, медного купороса и др.) и спир­товые растворы оксидифенила и ртутноорганических соединений. Антисеп­тирование производят путем промазки, опрыскивания, пропитки под давлением.

Древесина; легко воспламеняется от огня (точка воспламенения 330-470°С). Для повышения ее огнестойкости (хотя сделать древесину со­всем несгораемой нельзя) применяют ряд способов. Первый и наиболее эффективный способ защиты — пропитка химическими веществами — антипиренами, второй - окраска огнезащитными красками. В качестве антипиренов используют аммониевые соли и соли фосфорной кислоты или бор­ной кислоты. Огнезащитные краски должны быть негорючими и нетеплопроводными. К ним относятся силикатные краски на основе жид­кого стекла и перхлорвиниловые лакокрасочные покрытия.