Физико-механические свойства древесины

Древесина как конструкционный и технологический материал характеризуется комплексом физико-механических свойств, определяющих область ее применения в промышленности. Понимание этих свойств необходимо для оптимизации технологических процессов переработки, проектирования изделий и прогнозирования эксплуатационных характеристик готовой продукции.

1. Химический состав древесины

Химический состав древесины практически не зависит от породы и включает следующие элементы:

●       Углерод (C): 49,8%

●       Водород (H): 6,3%

●       Кислород (O₂): 44,2%

●       Азот (N): 0,12%

●       Минеральные вещества (зола при сгорании): 0,2–1,9%

1.1. Основные органические компоненты

Целлюлоза — основной структурный полисахарид клеточной оболочки (40–50% массы абсолютно сухой древесины). В хвойных породах содержится 49–56% целлюлозы, в лиственных — 46–49%. Применяется в целлюлозно-бумажной промышленности. Получение: сульфитный (кислотный) и сульфатный (щелочной) способы варки щепы под давлением. Продукты химической переработки целлюлозы: вискоза, ацетилцеллюлоза, нитроцеллюлоза.

Лигнин — сложное ароматическое вещество, связующий компонент между волокнами (20–30% массы). Содержит больше углерода (60–65%), чем целлюлоза (44,4%). Менее стоек к воздействию кислот и щелочей. Используется как сырье для производства фенольных смол, ванилина, клеев.

Гемицеллюлозы — группа полисахаридов (20–30% массы), близких по составу к целлюлозе, но легко гидролизуются и растворяются в щелочах. Применяются в химической переработке для получения фурфурола, ксилита, кормовых дрожжей.

Экстрактивные вещества — смолы (в хвойных породах), дубильные вещества-танниды (в ядре дуба 6–11%, в коре ивы, лиственницы, дуба, ели 5–16%). Смолы используются для получения скипидара, канифоли, красок.

1.2. Основные химические реакции промышленного значения

Гидролиз древесины — взаимодействие кислот с древесиной, приводящее к расщеплению сложных сахаров на простейшие. Процесс ведется в 0,5% водном растворе серной кислоты при температуре 140–150°C и давлении 0,5–1,0 МПа. Продукция: фурфурол, этиловый спирт, кормовые дрожжи.

Термическое разложение (сухая перегонка) — нагрев древесины при температуре 120–150°C без доступа воздуха. Продукты: твердые (древесный уголь), жидкие (жижка с фенолами, метиловым спиртом, уксусной кислотой), газообразные (используются как топливо).

Теплотворная способность — количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы древесины. Определение: способность материала выделять тепловую энергию в процессе окисления (горения).

Массовая теплотворная способность абсолютно сухой древесины практически одинакова для всех пород: 20–21 МДж/кг (около 4800 ккал/кг). Это объясняется идентичностью химического состава различных пород.

Удельная (объемная) теплотворная способность зависит от плотности породы и влажности древесины:

2. Физические свойства древесины

Физические свойства характеризуют поведение древесины при взаимодействии с внешней средой без изменения химического состава и структурной целостности материала. Ключевым фактором, влияющим на большинство физических свойств, является влажность древесины.

2.1. Влажность древесины

Абсолютная влажность древесины (W) — отношение массы влаги в данном объеме древесины к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах:

W = [(m₁ - m₂) / m₂] × 100%

где m₁ — масса влажного образца, m₂ — масса абсолютно сухого образца.

Методы определения влажности:

●       Электровлагометрами (точность ±1,0–1,5% при W<30%; ±10% при W≥30%)

●       Методом высушивания (точность около ±1%)

Типы влаги в древесине:

Свободная влага — заполняет полости клеток и межклеточное пространство. Удаляется относительно легко и не влияет на геометрические размеры древесины.

Связанная (гигроскопическая) влага — пропитывает клеточные оболочки. Удаляется труднее, ее изменение приводит к усушке или набуханию древесины, изменению механических свойств.

Предел гигроскопичности (Wп.г.) — состояние древесины, при котором клеточные оболочки полностью насыщены связанной влагой, но свободной влаги нет. Для большинства пород Wп.г. ≈ 30% при комнатной температуре (20°C). Это критическая точка: ниже этого значения происходит усушка/разбухание, выше — изменяются только масса и теплофизические свойства.

2.2. Усушка и разбухание древесины

Усушка — уменьшение линейных размеров и объема древесины при удалении связанной влаги (ниже предела гигроскопичности). Определение: процесс сокращения размеров материала вследствие испарения влаги из клеточных оболочек.

Разбухание — обратный процесс увеличения размеров при поглощении влаги клеточными оболочками.

Ключевое свойство: усушка и разбухание происходят ТОЛЬКО при изменении связанной влаги (W < 30%). Изменение свободной влаги не влияет на геометрические размеры.

Величина усушки анизотропна (различна по направлениям):

●       Вдоль волокон (тангенциальная): 6–10% — максимальная усушка

●       Поперек волокон (радиальная): 3–5% — средняя усушка

●       По длине волокон (продольная): 0,1–0,3% — минимальная усушка

●       Объемная усушка: 12–15%

Практическое значение: анизотропия усушки учитывается при проектировании соединений, расчете припусков на механическую обработку, прогнозировании коробления пиломатериалов. Радиальный распил дает меньшую усушку по ширине доски, чем тангенциальный.

2.3. Плотность древесины

Плотность — отношение массы вещества к занимаемому объему. Определение: физическая величина, характеризующая массу единицы объема материала.

Плотность древесинного вещества (целлюлозы) составляет 1540 кг/м³ для всех пород. Однако фактическая плотность древесины значительно ниже из-за пористой структуры.

В производственной практике используется плотность при стандартной влажности 12%:

Важное уточнение: Береза относится к мелколиственным породам по ботанической классификации, но к твердым породам по классификации механических свойств древесины (плотность 600 кг/м³, твердость ≈60 МПа).

2.4. Теплофизические свойства

Теплоемкость — количество теплоты, необходимое для нагрева единицы массы вещества на один градус. Определение: физическая величина, характеризующая способность материала аккумулировать тепловую энергию.

Теплоемкость абсолютно сухой древесины составляет 1,55 кДж/(кг·К). При увеличении влажности теплоемкость возрастает почти в 2 раза из-за высокой теплоемкости воды [4,18 кДж/(кг·К)].

Сравнение с другими материалами:

●       Древесина (сухая): 1,55 кДж/(кг·К)

●       Вода: 4,18 кДж/(кг·К) — в 2,7 раза выше

●       Бетон: 0,84 кДж/(кг·К) — в 1,8 раза ниже

●       Сталь: 0,46 кДж/(кг·К) — в 3,4 раза ниже

Теплопроводность — способность материала передавать теплоту от более нагретых участков к менее нагретым. Определение: физическая величина, характеризующая интенсивность теплопередачи через материал при градиенте температуры.

Древесина является хорошим теплоизолятором. Теплопроводность сильно анизотропна: вдоль волокон в 2 раза выше, чем поперек волокон. Коэффициент теплопроводности сосны: вдоль волокон 0,35 Вт/(м·К), поперек волокон 0,17 Вт/(м·К).

Сравнение теплопроводности:

●       Древесина (поперек волокон): 0,17 Вт/(м·К)

●       Бетон: 1,75 Вт/(м·К) — в 10 раз выше (хуже изолирует)

●       Кирпич: 0,7 Вт/(м·К) — в 4 раза выше

●       Пенополистирол: 0,04 Вт/(м·К) — в 4 раза ниже (лучше изолирует)

●       Сталь: 50 Вт/(м·К) — в 300 раз выше

Практическое значение: низкая теплопроводность древесины делает ее эффективным строительным материалом для деревянного домостроения и теплоизоляционных конструкций.

Звукопроводность — способность материала проводить звуковые колебания. Определение: свойство материала передавать механические колебания звуковой частоты.

Скорость распространения звука в древесине вдоль волокон составляет 4000–6000 м/с, что в 15–18 раз выше скорости звука в воздухе (330 м/с). Поперек волокон скорость снижается в 2–3 раза.

Сравнение скорости звука:

●       Древесина (вдоль волокон): 4000–6000 м/с

●       Бетон: 3100–4200 м/с — сопоставимо

●       Сталь: 5000–6000 м/с — сопоставимо

●       Воздух: 330 м/с — в 15 раз ниже

●       Вода: 1500 м/с — в 3,5 раза ниже

Практическое значение: высокая скорость звука в древесине используется в акустических приложениях (музыкальные инструменты, резонаторы). Однако для звукоизоляции необходимы многослойные конструкции с воздушными прослойками.

3. Механические свойства древесины

Механические свойства характеризуют способность древесины сопротивляться внешним силовым воздействиям. Эти свойства определяют несущую способность конструкций и обрабатываемость материала.

3.1. Прочность древесины

Прочность — способность материала сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок. Определение: предельное напряжение, которое материал может выдержать без разрушения.

Критическая анизотропия прочности: древесина вдоль волокон в 15–20 раз прочнее, чем поперек волокон. Это фундаментальное свойство определяет конструктивные решения в деревянном строительстве.

Предел прочности при растяжении:

●       Вдоль волокон: 100–150 МПа (сосна ≈130 МПа)

●       Поперек волокон (тангенциальное): 5–8 МПа — в 20 раз слабее

●       Поперек волокон (радиальное): 4–6 МПа — наименьшая прочность

Сравнение с конструкционными материалами (прочность при растяжении):

●       Древесина (вдоль волокон): 100–150 МПа

●       Бетон (сжатие): 20–40 МПа — в 3 раза слабее, не работает на растяжение

●       Конструкционная сталь: 400–600 МПа — в 4 раза прочнее

●       Углепластик: 600–1200 МПа — в 6–8 раз прочнее

Практическое значение: при проектировании деревянных конструкций учитывается, что рабочие напряжения вдоль волокон могут быть значительными, тогда как поперечные связи требуют усиления (нагели, болты, накладки).

3.2. Твердость древесины

Твердость — сопротивление материала внедрению в него более твердого тела. Определение:способность поверхности материала сопротивляться пластической деформации при статическом или динамическом воздействии.

Твердость определяет износостойкость материала, обрабатываемость режущим инструментом, способность удерживать крепежные элементы.

Классификация пород по твердости (метод Бринелля):

Мягкие породы (30–45 МПа): сосна, ель, кедр, липа, осина, ольха, тополь. Легко обрабатываются, но имеют низкую износостойкость.

Твердые породы (60–95 МПа): береза, дуб, бук, ясень, клен, лиственница, вяз. Средняя обрабатываемость, высокая износостойкость. Применяются для паркета, мебели, конструкционных элементов.

Очень твердые породы (>100 МПа): граб, акация, самшит, кизил. Сложны в обработке, максимальная износостойкость. Используются для специальных изделий (инструментальные рукоятки, подшипники скольжения, ударный инструмент).

В производственной практике учитывается: повышение влажности древесины на каждый 1% снижает твердость примерно на 1%, что критично при выборе режимов механической обработки.

3.3. Влияние влажности на механические свойства

При увеличении влажности от 0% до предела гигроскопичности (30%) прочность древесины снижается в 2–2,5 раза. Дальнейшее увеличение влажности (свободная влага) практически не влияет на прочность.

Повышение температуры при постоянной влажности также снижает прочность: при нагреве от 20°C до 60°C прочность снижается на 5–10%.

3.4. Модуль упругости

Модуль упругости (модуль Юнга) — характеристика жесткости материала, отношение напряжения к относительной деформации. Определение: коэффициент пропорциональности между механическим напряжением и относительной упругой деформацией.

Модуль упругости вдоль волокон:

●       Дуб: 13000 МПа

●       Береза: 15000 МПа

●       Сосна: 10000 МПа

●       Ель: 10000 МПа

Сравнение жесткости материалов:

●       Древесина: 10000–15000 МПа

●       Бетон: 20000–40000 МПа — в 2–3 раза жестче

●       Сталь: 200000 МПа — в 15–20 раз жестче

●       Углепластик: 150000 МПа — в 10 раз жестче

Практическое значение: при расчете деревянных конструкций учитывается, что древесина имеет меньшую жесткость по сравнению со сталью и бетоном, что требует применения больших сечений для обеспечения требуемой жесткости конструкции.

Заключение

Комплексное понимание физико-механических свойств древесины является основой для:

●       Оптимизации технологических процессов переработки и сушки

●       Проектирования несущих конструкций с учетом анизотропии свойств

●       Прогнозирования изменения геометрических параметров изделий при изменении влажностных условий эксплуатации

●       Выбора рациональных режимов механической обработки в зависимости от породы и влажности

●       Оценки энергетического потенциала древесных отходов

В производственной практике учитывается, что все свойства древесины взаимосвязаны и изменяются при варьировании влажности и температуры. Оптимальным режимом эксплуатации деревянных изделий считается влажность 8–12% при температуре 18–22°C, что соответствует комнатно-сухому состоянию.