Архит._материал._-_Шеина_Ч1. Т. В. Шеина архитектурное материаловедение
 Скачать 23.57 Mb.
|
|
10.3 Химические, физические и механические свойства древесины Химические свойства древесины Древесина состоит преимущественно из органических веществ (99 % об- щей массы). Элементный химический состав древесины разных пород практи- чески одинаков. Абсолютно сухая древесина в среднем содержит 49 % углеро- да, 44 % кислорода, 6 % водорода и 0,1…0,3 % азота. При сжигании древесины остаётся её неорганическая часть – зола, количество которой в зависимости от породы древесины составляет 0,1…1,7 %. В состав золы входят кальций, калий, 153 натрий, магний и другие элементы. Перечисленные химические элементы обра- зуют основные органические вещества: целлюлозу (43…56 %), лигнин (до 30 %) и гемицеллюлозы. Целлюлоза – природный полимер, полисахарид с длинной цепной моле- кулой. Формула целлюлозы (C 6 H 10 O 5 )n, где n – степень полимеризации, равная 6000…14000. Это очень стойкое вещество, не растворимое в воде и обычных органических растворителях (спирте, эфире и др.), белого цвета. Пучки макро- молекул целлюлозы – тончайшие волоконца, называются микрофибриллами. Они образуют целлюлозный каркас стенки клетки. Микрофибриллы ориенти- рованы преимущественно вдоль длинной оси клетки, между ними находится лигнин, гемицеллюлозы, а также вода. Лигнин – полимер ароматической природы (полифенол) сложного строе- ния; содержит больше углерода и меньше кислорода, чем целлюлоза. Именно с этим веществом связан процесс одревеснения молодой клеточной стенки. Лиг- нин химически нестоек, легко окисляется, взаимодействует с хлором, растворя- ется при нагревании в щелочах, водных растворах сернистой кислоты и её кис- лых солей. Гемицеллюлозы – группа полисахаридов, в которую входят пентозаны (C 5 H 8 O 4 )n и гексозаны (C 6 H 10 O 5 )n. Формула гексозанов на первый взгляд иден- тична формуле целлюлозы. Однако степень полимеризации у всех гемицеллю- лоз гораздо меньше и составляет 60…200. Это свидетельствует о более корот- ких цепочках молекул и меньшей стойкости этих веществ по сравнению с цел- люлозой. Кроме основных органических веществ, в древесине содержится сравни- тельно небольшое количество экстрактивных веществ (танинов – дубильных ве- ществ, смол, камедей, пектинов, алкалоидов, жиров и др.), растворимых в воде, спирте или эфире. Физические свойства древесины Внешний вид древесиныхарактеризуется следующими свойствами: цве- том, блеском, текстурой и макроструктурой. Под цветом древесины понимают определённое зрительное ощущение, ко- торое зависит в основном от спектрального состава отражённого ею светового потока. Окраска древесины зависит от породы, возраста дерева и климата райо- на произрастания: деревья умеренного климата по сравнению с деревьями тро- пической зоны имеют более светлую окраску. Древесина может изменять цвет при выдержке под влиянием воздуха и света, при поражении грибами, а также при длительном нахождении под водой. Тем не менее, цвет многих пород настолько характерен, что может служить одним из признаков при их распозна- вании. Характеристики цвета у древесины различных пород изменяются в широких пределах. Цветовой фон находится в пределах 578…585 нм, чистота цвета 30…60 %, светлота 20…70 %. Белая окраска – у ивы и кедра; светлая, слегка окрашенная в желтый или розовый цвет – у ели, пихты, осины, березы, клена, бука и граба; желтая – у самшита и желтой березы, желто-коричневая – у вяза, груши и дуба. Красно-коричневая – у пихты, вишни и черешни; серо- коричневая – у тика, туи и грецкого ореха. Желто-зеленая окраска – у белой 154 акации; вишнево-красная – у секвойи и красного дерева. Черно-коричневая окраска – у терна и черного ореха; черная – у эбенового дерева. Блеск – это способность древесины направленно отражать световой поток. Наибольшим блеском из отечественных пород отличается древесина дуба, бука, белой акации, бархатного дерева; из иноземных пород – древесина атлас- ного дерева и махагони (красного дерева). Текстурой называется рисунок, образующийся на поверхности древесины вследствие перерезания анатомических элементов (годичных слоёв, сердцевин- ных лучей, сосудов). Для оценки качества древесины по внешнему виду используют такие ха- рактеристики, как ширина годичных слоёв и содержание поздней древесины. Ширина годичных слоёв – число слоёв, приходящихся на 1 см отрезка, отмеренного по радиальному направлению на торцевой поверхности образца. Содержание поздней древесины определяется соотношением (в процен- тах) между суммарной шириной зон поздней древесины и общей протяжённо- стью (в радиальном направлении) участка измерения, включающего целое чис- ло слоёв. Влажность древесины и свойства, связанные с её изменением. Под влаж- ностью древесины понимают выраженное в процентах отношение массы воды к массе сухой древесины: W = (m – m о ) / m о 100 %, где m – начальная масса образца древесины, г; m о – масса образца абсолютно сухой древе- сины, г. Различают три формы воды, содержащейся в древесине: капиллярную (или свободную), коллоидно-связанную (гигроскопическую) и химически свя- занную. Капиллярная (свободная) вода заполняет в древесине полости клеток, межклеточные пространства и сосуды. Коллоидно - связанная (гигроскопическая) вода находится в оболочках клеток и в сосудах древесины в виде тончайших гидратных оболочек на поверхности мельчайших элементов, слагающих их клетки. Химически связанная вода входит в состав отдельных веществ, образу- ющих древесину. В заболони растущего дерева вода находится во всех формах, в ядре – только коллоидная и химически связанная. Связанная вода удержива- ется в основном физико-химическими связями, изменение её содержания суще- ственно отражается на большинстве свойств у древесины. Свободная вода, удерживаемая только механическими связями, удаляется легче, чем связанная вода, и оказывает меньшее влияние на свойства древесины. При испытаниях с целью определения показателей физико-механических свойств у древесины её кондиционируют, приводя к нормализованной – 12 % влажности. На практике по степени влажности различают древесину: мокрую, W > 100 %, длительное время находившуюся в воде; свежесрубленную , W = 50…100 %, сохранившую влажность растущего дерева; воздушно сухую , W = 15…20 %, выдержанную на открытом воздухе; комнатно - сухую , W = 8…12 %, долгое время находившуюся в отапливаемом помещении; абсолютно сухую , W = 0 %, высушенную при температуре 103±2 °C. 155 Усушка – уменьшение линейных размеров и объёма древесины при удалении из неё связанной воды. Удаление свободной воды не вызывает усушки. Чем больше клеточных стенок в единице объёма древесины, тем больше в ней свя- занной воды и выше усушка. Усушка древесины не одинаковая в разных направлениях. В тангенциальном направлении в 1,5…2 раза больше, чем в ра- диальном направлении. Под полной усушкой, или максимальной усушкой B max понимают умень- шение линейных размеров и объёма древесины при удалении всего количества связанной воды. Формула для вычисления полной усушки имеет вид: B max = (a max – a min ) / a max 100 %, где a max и a min – размер (объём) образца соответственно при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок и в абсолютно-сухом состоянии, мм (мм 3 ). Полная линейная усушка древесины наиболее распространенных отечествен- ных пород в тангенциальном направлении составляет 8…10 %, в радиальном – 3…7 %, а вдоль волокон – 0,1…0,3 %. Полная объёмная усушка древесины находится в пределах 11…17 %. Усушка древесины учитывается при распилов- ке бревен на доски (припуски на усадку) и при сушке пиломатериалов. Коробление – изменение формы пиломатериалов и заготовок при сушке, а также выпиловке и неправильном хранении. Чаще всего коробление происходит из-за различия усуш- ки по разным структурным направлениям. Различают попе- речную и продольную покороб- ленность (рисунок 126). Рисунок 126 – Поперечная (А – а, б, г) и продольная (Б – е, ж) покороблен- ности: а – желобчатая; б – трапециевидная; в – ромбовидная; г – овальная; д – по кромке; е – по пласти; ж – крылова- тость Коробление может возникать при механической обработке сухих пило- материалов: при несимметричном строгании, ребровом делении из-за наруше- ния равновесия остаточных напряжений. Влагопоглощение – способность древесины вследствие её гигроскопично- сти поглощать влагу (пары воды) из окружающего воздуха. Влагопоглощение практически не зависит от породы. Способность к поглощению влаги является отрицательным свойством древесины. Сухая древесина, помещённая в очень влажную среду, сильно увлажняется, что ухудшает её физико-механические ха- рактеристики, снижает биостойкость и т.д. Чтобы защитить древесину от влия- ния влажного воздуха, поверхность деревянных деталей и изделий покрывают различными лакокрасочными и плёночными материалами. Разбухание – увеличение линейных размеров и объёма древесины при по- вышении в ней содержания связанной воды. Разбухание происходит при вы- 156 держивании древесины во влажном воздухе или воде. Это свойство, обратное усушке, и подчиняется в основном тем же закономерностям. Полное разбуха- ние вычисляют по формуле Р max = (a max – a min ) / a min 100 %, где a max и a min – размер (объём) образца соответственно при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок, и в абсолютно сухом состоянии, мм (мм 3 ). Так же, как и усушка, наибольшее разбухание древесины наблюдается в тангенциальном направлении поперёк волокон, а наименьшее – вдоль волокон. Разбухание – отрицательное свойство древесины, но в некоторых случаях оно приносит пользу, обеспечивая плотность соединений (в бочках, чанах, су- дах). Водопоглощение – способность древесины увеличивать свою влажность при непосредственном контакте с капельножидкой водой. Максимальная влаж- ность, которой достигает погруженная в воду древесина, складывается из пре- дельного количества связанной воды и наибольшего количества свободной во- ды. Очевидно, что количество свободной воды зависит от объёма полостей в древесине, поэтому, чем больше плотность древесины, тем меньше её влаж- ность, характеризующая максимальное водопоглощение. Способность древесины поглощать воду, а также другие жидкости имеет значение в процессах варки древесины для получения целлюлозы, при пропит- ке её растворами антисептиков и антипиренов, при сплаве лесоматериалов и в других случаях. Плотность – это свойство, которое характеризуется массой единицы объёма материала, и имеет размерность в кг/м 3 или г/см 3 (таблица 25). Истинная плотность древесинного вещества p д.в. , г/см 3 , т.е. плотность ма- териала клеточных стенок, равна: p д.в. = m д.в. / v д.в. , где m д.в. и v д.в. – соответ- ственно масса, г, и объем, см 3 , древесинного вещества. Этот показатель равен для всех пород 1,53 г/см 3 , поскольку одинаков химический состав клеточных стенок древесины. Плотность древесины меньше плотности древесинного вещества, так как она включает пустоты (полости клеток и межклеточные пространства, запол- ненные воздухом). Относительный объём полостей, заполненных воздухом, характеризует пористость древесины: П = (v о – v д.в. ) / v о 100 %, где v о и v д.в. – соответственно объём образца и содержащегося в нём древесинного вещества при W = 0 %. Пористость древесины колеблется в пределах 40…80 %. Величина средней плотности древесины изменяется в очень широких пределах и зависит от ее влажности и объема пор. Обычно среднюю плотность древесины приводят к нормальной 12 %-й влажности, пользуясь формулой о (12) = о (W) 1 + 0,01(1 – К о (15 – W), где о (12) – средняя плотность образца при 12 % , г/см 3 ; о (W) – средняя плотность образца при той влажности, которую он имел в момент определе- ния, г/см 3 ; 157 К о – коэффициент объемной усушки (для березы, бука, лиственницы он равен 0,6, для прочих пород - 0,5); W – влажность древесины в момент определения средней плотности. По плотности при 12 %-й влажности древесные породы разделяют на группы: очень легкая ( о = 450 кг/м 3 ) у кедра и пихты; легкая ( о = 450…600 кг/м 3 ) у ивы, вяза, ели, липы, осины и сосны; среднетяжелая ( о = 610…750 кг/м 3 ) у березы, бука, груши, дуба и лиственницы и очень тяжелая ( о 900 кг/м 3 ) у самшита, фисташки, кизила, улина и мербау. Диапазон изменения плотности древесины иноземных пород шире: от 100…130 (бальза) до 1300 кг/м 3 (бакаут). Проницаемость характеризует способность древесины пропускать жидко- сти или газы под давлением. Водопроницаемость древесины вдоль волокон значительно больше, чем поперёк волокон, при этом у древесины лиственных пород она в несколько раз больше, чем у хвойных пород. Теплофизические свойства К тепловым свойствам относятся теплоёмкость, теплопроводность, тем- пературопроводность и тепловое расширение. Теплоёмкость. Показателем способности древесины аккумулировать тепло является удельная теплоёмкость (С), представляющая собой количество тепло- ты, необходимое для того, чтобы нагреть 1 кг массы древесины на 1 о С. Удель- ная теплоёмкость для всех пород одинакова и для абсолютно сухой древесины составляет 6,67 ккал/м ч о С. С увеличением влажности теплоёмкость увеличи- вается. Теплопроводность – свойство, характеризующее интенсивность переноса тепла в материале. Коэффициент теплопроводности с увеличением темпера- туры, влажности и плотности увеличивается, причем вдоль волокон в 2 раза больше, чем поперёк ( сосна II = 0,35 Вт/м о С, сосна = 0,17 Вт/м о С). Температуропроводность характеризует способность древесины выравни- вать температуру по объёму. Тепловое расширение – способность древесины увеличивать линейные раз- меры и объём при нагревании. Коэффициент теплового расширения древесины в 3…10 раз меньше, чем у металла, бетона, стекла. Электрические свойства Электропроводность – способность древесины проводить электрический ток, которая находится в обратной зависимости от электрического сопротивле- ния. Сухая древесина относится к диэлектрикам. С повышением влажности древесины сопротивление уменьшается. Особенно резкое снижение (в десятки миллионов раз) сопротивления наблюдается при увеличении содержания свя- занной воды. Дальнейшее увеличение влажности вызывает падение сопротив- ления лишь в десятки или сотни раз. Этим объясняется снижение точности определения влажности электровлагомерами в области выше W пн Электрическая прочность – способность древесины противостоять пробою, т.е. снижению сопротивления при больших напряжениях. 158 Таблица 25 – Плотность и твердость широко применяемых пород древесины Порода древесины Плотность (при нормативной влажности для деловой дре- весины), кг/м 3 Твердость по Бринеллю Порода древесины Плотность (при норма- тивной влажности для деловой древесины), кг/м 3 Твердость по Бринеллю Амарант 800…950. 5,0 Лиственница 650 средняя* Афрормозия 700…800 3,7 Липа 530 низкая* Береза 640 3,5 Махагони 620…650 4.0 Бук 650 3,8 Мербау 840 4,1 Венге 850…950 4,2 Мутения 800…900 4,0 Вишня 580 3,1 Оливковое дерево 850…950 6,0 Гонсало-альвес 850…950 высокая* Ольха 420…640 2,1 Граб 750 3,5 Орех 600…650 5,0 Груша 700…750 средняя* Падук (африканский) 750 3,8 Дуб 700 3,8 Палисандр 1000 8,0 Дуссия 800 4,0 Пинкадо 950 высокая* Ель 450 1,3 Самшит 960 высокая* Камбала (ирокко) 650…750 3,5 Сапелли 600…650 средняя* Каштан благородный 600…720 низкая* Сосна 520 1,6 Кемпас 700 высокая* Тик 550…750 3,5 Клен 530…650 3,0 (европейский) 4,8 (канадский) Эбеновое дерево 1000 8,0 Кумару 1100 5,9 Ярра 820…850 6,0 Лапачо (ипе) 900 5,9 Ясень 700 4,1 Лимонное дерево Ятоба (курбарил) 840 4,4 159 Диэлектрические свойства характеризуют поведение древесины в перемен- ном электрическом поле. Показатели: диэлектрическая проницаемость и тан- генс угла потерь. Диэлектрическая проницаемость равна отношению ёмкости конденсатора с прокладкой из древесины, к ёмкости конденсатора с воздушным зазором между электродами. Этот показатель для сухой древесины равен 2…3. Тангенс угла диэлектрических потерь характеризует долю подведённой мощности тока, которая поглощается древесиной и превращается в тепло. Пьезоэлектрические свойства проявляются в том, что под действием ме- ханических усилий на поверхности древесины возникают электрические заря- ды. Звуковые свойства Один из этих свойств – звукопроводность , показателем которой являются скорость звука. Скорость звука (С, м/с), в древесине можно определить по фор- муле C = (E/ρ) ½ , где Е – динамический модуль упругости; Н/м 2 ; – плотность древесины, кг/м 3 Древесина является хорошим проводником звука, который в ней распро- страняется в 2…17 раза быстрее, чем в воздухе. Древесина хорошо проводит звук вдоль волокон, хуже – в радиальном направлении и плохо – в тангенталь- ном. Так, например, сосна проводит звук вдоль волокон со скоростью 5030 м/с, в радиальном направлении со скоростью 1450 м/сек, в тангентальном направ- лении со скоростью 850 м /с, а береза соответственно – 3625, 1995 и 1535 м/с. Другой важный показатель, характеризующий способность древесины отражать и проводить звук, – акустическое сопротивление , Пас/м: R = pC. Акустические свойства древесины необходимо учитывать при примене- нии древесных материалов для внутренней отделки зданий. Древесина с малой плотностью обладает высокими резонансными свойствами. У воздуха звукопроводность – 340 м/с ( о – 1,3 кг/м 3) ; у пробки – 500 м/с ( о – 200 кг/м 3 ); у дуба – 3380 м/с ( о – 700 кг/м 3 ); у ели – 5250 м/с ( о – 500 кг/м 3 ); у меди – 3700 м/с ( о – 8900 кг/м 3 ). Свойства древесины, проявляющиеся под воздействием электромагнит- ных излучений Поверхностные зоны древесины могут эффективно прогреваться с по- мощью невидимых инфракрасных лучей. Значительно глубже – до 10…15 см – проникают в древесину лучи видимого света. По характеру отражения световых лучей можно оценивать наличие видимых пороков древесины. Световое лазер- ное излучение прожигает древесину и в последнее время успешно используется для выжигания деталей сложной конфигурации. Ультрафиолетовые лучи проникают гораздо хуже в древесину, но вызы- вают свечение – люминесценцию, которое может быть использовано для опре- деления качества древесины. Рентгеновские лучи используются для определения особенностей тонко- го строения древесины, выявления скрытых пороков и в других случаях. Из ядерных излучений можно отметить -излучения, которые используются при денсиметрии растущего дерева. Гораздо шире могут применяться -излучения, 160 которые глубже проникают в древесину и используются при определении её плотности, обнаружении гнилей в рудничной стойке, конструкциях и т.д. Механические свойства древесины Применение древесины в качестве конструкционного материала обуслов- лено способностью сопротивляться действию усилий, поэтому необходимо знать ее механические свойства. Различают следующие свойства древесины, проявляющиеся под воздей- ствием механических нагрузок: прочность – способность сопротивляться раз- рушению, деформативность – способность сопротивляться изменению размеров и формы, технологические и эксплуатационные свойства Показатели механических свойств у древесины определяют обычно при следующих видах испытаний: растяжении, сжатии, изгибе и сдвиге. Поскольку древесина анизотропный материал, отличающийся свойствами в разных направлениях, указывают направление действия нагрузок: вдоль или поперек волокон (в радиальном или тангенциальном направлении). Из-за сопротивления древесины внешним нагрузкам в ней возникают внутренние силы. Эти силы, отнесённые к единице площади сечения (1 см 2 ) называются напряжениями. Максимальное напряжение, предшествующее раз- рушению тела, называют пределом прочности. Предел прочности определяют на малых, чистых и не имеющих пороках образцах в лабораториях на испытательных машинах. Эти образцы имеют ба- зисное сечение с размерами 20х20 мм и должны включать не менее 4…5 годич- ных слоёв. Некоторые виды испытаний производят на образцах, сечение кото- рых отличается от указанных выше. Прочность при сжатии определяется на образцах призматической формы (рисунок 127, таблица 26). Образец постепенно нагружают до раз- рушения. Затем по силоизмерителю испыта- тельной машины отсчитывают максималь- ную нагрузку Р мах , Н. Предел прочности R, МПа, вычисляют по формуле R w = P max / (a |