Древесина

Свойства древесины зависят от положения древесных волокон (клеток) по отношению к действующему фактору. При испытании древесины различают три направления приложения внешних воздействий: вдоль волокон (торцовое направление) поперек волокон перпендикулярно годовым слоям (радиальное направление) и поперек волокбн параллельно годовым слоям (тангенциальное направление). Показатели физико-механических свойств лесоматериалов отличаются от показателей свойств образцов древесины, взятых из этих материалов, так как в древесине встречаются различные пороки (сучки, косослой, трещины, гниль и др.), сильно изменяющие ее свойства. Для оценки качества древесины без учета влияния местных пороков (сучки, гниль) используют так называемые малые чистые образцы, вырезаемые из участков древесины, лишенных пороков. Размеры и количество малых чистых образцов для различных испытаний древесины регламентированы ГОСТ 1648.30—78* «Основные испытания древесины: определение влажности и плотности, прочности в различных направлениях и твердости». Для определения указанных свойств древесины испытывают не менее трех образцов, и результаты испытаний рассчитывают как среднее арифметическое результатов испытаний отдельных образцов. Для получения сопоставимых результатов численные показатели свойств приводят к стандартной влажности, которая в международных стандартах ISO и в ГОСТах РФ установлена 12 %. В древесине различают связанную (гигроскопическую) и свободную (капиллярную) влагу.

Существует несколько методов определения влажности древесины: стандартный, по электропроводности, расчет равновесной влажности по номограммам и др. Стандартный метод (ГОСТ 16483.7—71*) основан на непосредственном определении содержания влаги в образцах древесины по потере ими массы при высушивании до постоянной массы. Для этого испытания используют образцы в виде прямоугольных призм с основанием 20 х 20 мм и высотой вдоль волокон 30 мм (допускается использование образцов и другой формы, в том числе и неправильной, объемом не менее 4—5 см3). Подготовленные образцы помещают в заранее взвешенные бюксы с притертыми крышками и взвешивают. Эти и все последующие взвешивания производят с погрешностью не более 0,01 г. Далее рассчитывают массу влажного образца т\. Затем образцы, находящиеся в бюксах со снятыми крышками, помещают в сушильный шкаф при температуре 103 ± 2 °С. Первое взвешивание в процессе сушки проводят не ранее 6 ч после начала высушивания для древесины мягких пород и не ранее 10 ч для древесины твердых пород. Затем взвешивание повторяют каждые 2 ч. Высушивание считается законченным, когда для каждого образца разность между результатами двух последних взвешиваний будет не более 0,02 г. После этого образцы охлаждают и взвешивают в бюксе с крышкой, рассчитывая массу высушенного образца т Влажность образца древесины W, %, вычисляют по формуле

W= ((m₁ - m₂)/m₂)100,

где m₁ — масса материала в насыщенном водой состоянии; m₂ — масса сухого материала. Среднюю плотность древесины (ГОСТ 16483.1—84) определяют на образцах с известной влажностью Wb виде прямоугольных призм с основанием 20 х 20 мм и высотой вдоль волокон 30 мм. Массу образцов определяют с погрешностью не более 0,001 г, линейные размеры — штангенциркулем или микрометром с погрешностью не более 0,05 мм. Объем V_ecт вычисляют как произведение результатов измерения ширины, толщины и высоты, выраженных в долях кубического метра. Среднюю плотностью P_m^w древесины при влажности W вычисляют по формуле

P^w_m = m_w / V_ест 

Поскольку плотность древесины зависит от влажности, для сравнения значений плотности различных партий древесины полученные результаты всегда приводят к стандартной влажности 12 %. Для пересчета плотности древесины с влажностью до 30 % на плотность при стандартной влажности используют формулу

где W — влажность испытуемой древесины, %; р_m¹² — средняя плотность древесины при стандартной влажности.

Для определения предела прочности древесины при статическом изгибе (ГОСТ 16483.3—84) используют образцы в виде прямоугольных призм сечением 20 х 20 мм и длиной вдоль волокна 300 мм (рис. 9.23). Для пересчета предела прочности при изгибе на стандартную влажность (12 %) используют следующую формулу:

R¹²_и = R^w_и(1+а(w - 12))

Когда сжимающая сила направлена перпендикулярно волокнам древесины, происходит смятие волокон, представляющих собой полые трубочки (сосуды, клетки). При этом древесина может уплотняться иногда до 1/3—1/4 начальной высоты образца без видимого разрушения. При построении диаграммы зависимости деформаций древесины от приложенной силы (рис. 9.25) после некоторого прямолинейного участка, на котором деформация пропорциональна приложенной силе, появляется криволинейный участок, когда деформации начинают расти очень быстро. Значение напряжений, соответствующее этой точке, принимают за условный предел прочности древесины при местном смятии поперек волокон. Древесину испытывают на смятие поперек волокон в радиальном и тангенциальном направлениях. У лиственных пород предел прочности при смятии в радиальном направлении выше в 1,5 раза, чем в тангенциальном; у хвойных же пород, наоборот, прочность выше в тангенциальном направлении.

Испытания проводят на образцах в виде прямоугольных призм с основанием 20 х 20 мм и длиной вдоль волокон 60 мм с помощью машины, развивающей усилие 10 кН. Образец во время испытаний находится в приспособлении (рис. 9.26), позволяющем измерять деформацию образца с помощью индикатора. Нагружение образца прекращают, когда деформации начинают расти непропорционально и металлическая накладка войдет в образец на 2—4 мм. По полученным данным строят график в координатах «усилие — деформация», по которому определяют усилие, соответствующее пределу пропорциональности. По найденному усилию рассчитывают условный предел прочности при смятии поперек волокон.