Физико-механические свойства древесины
От свойств древесины зависит, как поведёт себя доска после сушки, сколько весит партия, выдержит ли балка нагрузку и сколько тепла дадут дрова. В этом справочнике собраны основные химические, физические и механические характеристики древесины с пояснениями, где они пригодятся в производстве и при закупке.
Цифры приведены по ГОСТам и справочной литературе по древесиноведению. Древесина природный материал, и разброс значений у неё неизбежен: они зависят от породы, условий роста и влажности. Воспринимайте их как ориентиры, а для расчёта конструкций используйте действующие нормы.
1. Химический состав древесины
По элементному составу древесина разных пород почти одинакова. В среднем абсолютно сухая древесина содержит:
| Элемент | Доля, % |
|---|---|
| Углерод (C) | 49,5 |
| Кислород (O) | 44,1 |
| Водород (H) | 6,3 |
| Азот (N) | 0,1 |
| Минеральные вещества (зола после сжигания) | 0,2-1,7 |
Основные органические компоненты
Около 90-95% массы абсолютно сухой древесины приходится на три полимера: целлюлозу, лигнин и гемицеллюлозы. Точные доли в разных справочниках расходятся, потому что зависят от породы и метода анализа.
Целлюлоза. Главный строительный материал клеточной стенки, по разным данным около 40-50% массы абсолютно сухой древесины. У хвойных и лиственных пород её доля различается не сильно. Из целлюлозы делают бумагу и картон, выделяют её варкой щепы под давлением: сульфитным (кислотным) или сульфатным (щелочным) способом. Химическая переработка целлюлозы даёт вискозу, ацетилцеллюлозу и нитроцеллюлозу.
Лигнин. Вещество, которое связывает волокна между собой. У хвойных пород лигнина больше, чем у лиственных: по разным источникам порядка 25-35% против 15-25%. Углерода в лигнине заметно больше, порядка 60-65%, тогда как у целлюлозы 44,4%. Лигнин устойчив к минеральным кислотам: при кислотном гидролизе древесины он остаётся твёрдым остатком, так называемым гидролизным лигнином. При нагреве он растворяется в щелочах и сульфитных растворах, на этом построена варка целлюлозы.
Гемицеллюлозы. Группа полисахаридов, родственных целлюлозе, но гидролизуются они гораздо легче. У лиственных пород их больше, чем у хвойных. Из гемицеллюлоз получают фурфурол и ксилит.
Экстрактивные вещества. Смолы, дубильные вещества (танниды), эфирные масла и другие соединения, которые извлекаются растворителями. Смолой богаты хвойные породы, из неё получают канифоль и скипидар. Танниды содержатся в ядре дуба и в коре ряда пород: ели, лиственницы, ивы, дуба.
Химическая переработка
Гидролиз. Кислота расщепляет полисахариды древесины до простых сахаров. В промышленности распространён перколяционный гидролиз: через измельчённое сырьё пропускают слабый раствор серной кислоты (порядка 0,5%) при температуре около 170-190 °C и давлении около 0,8-1,0 МПа. Из сахаров делают этиловый спирт и кормовые дрожжи, из пентоз фурфурол. Лигнин остаётся в виде твёрдого остатка.
Сухая перегонка (пиролиз). Разложение древесины при нагреве без доступа воздуха, по энциклопедическим данным до 450-550 °C. На выходе три группы продуктов: древесный уголь, жидкая фракция (жижка, в которой есть уксусная кислота и метиловый спирт, плюс древесная смола) и горючие газы.
Теплота сгорания
Теплота сгорания показывает, сколько тепла выделяет килограмм древесины при полном сгорании. У абсолютно сухой древесины разных пород она почти одинакова, потому что одинаков химический состав: по разным справочникам около 18-20 МДж/кг. Разброс объясняется тем, что одни источники приводят высшую теплоту сгорания, другие низшую.
С кубометра картина другая, здесь решает плотность. Кубометр дуба (около 690 кг при влажности 12%) даст примерно в полтора раза больше тепла, чем кубометр ели при той же влажности (около 445 кг).
На практике. Для биотоплива важнее влажность и плотность, чем порода. Сырые дрова тратят часть тепла на испарение воды, поэтому реальная теплоотдача у них заметно ниже, чем у сухих.
2. Физические свойства древесины
Физические свойства описывают, как древесина ведёт себя во взаимодействии со средой без изменения химического состава. Почти все они зависят от влажности, поэтому начнём с неё.
Влажность
Влажность древесины это отношение массы воды к массе абсолютно сухой древесины, в процентах:
W = (m₁ − m₂) / m₂ × 100%, где m₁ это масса влажного образца, а m₂ масса того же образца после высушивания до абсолютно сухого состояния.
Быстро влажность измеряют электровлагомером. Его погрешность порядка 1-2% в диапазоне примерно до 30%, выше показания становятся ненадёжными. Эталонный способ весовой (ГОСТ 16588-91): образец высушивают при 103±2 °C до постоянной массы и считают влажность по разнице масс. Его применяют в спорных случаях и для проверки влагомеров.
В древесине есть два вида влаги. Свободная заполняет полости клеток и межклеточное пространство, уходит легко и на размеры не влияет. Связанная находится внутри клеточных стенок, удаляется труднее, и именно её изменение вызывает усушку, разбухание и изменение прочности.
Предел гигроскопичности. Состояние, когда клеточные стенки полностью насыщены связанной влагой, а свободной влаги нет. Для большинства пород это около 30% при комнатной температуре. Ниже этой точки древесина усыхает и разбухает, выше меняются в основном масса и теплофизические свойства.
| Степень влажности | Влажность, % | Когда бывает |
|---|---|---|
| Мокрая | более 100 | Долгое пребывание в воде |
| Свежесрубленная | 50-100 | Сразу после заготовки |
| Воздушно-сухая | 15-20 | Долгое хранение на открытом воздухе |
| Комнатно-сухая | 8-12 | Эксплуатация в отапливаемых помещениях |
| Абсолютно сухая | 0 | После сушки при 103±2 °C |
Подробнее о видах влаги и приборах написано в статье про влажность древесины.
Усушка и разбухание
Усушка это уменьшение размеров древесины при потере связанной влаги, разбухание обратный процесс. Оба идут только ниже предела гигроскопичности, то есть примерно ниже 30%. Пока уходит свободная влага, размеры не меняются.
Величина усушки сильно зависит от направления:
| Направление | Полная усушка, % |
|---|---|
| Тангенциальное: поперёк волокон, по касательной к годичным слоям | 6-12, у распространённых пород чаще 8-10 |
| Радиальное: поперёк волокон, по радиусу ствола | 3-7 |
| Продольное: вдоль волокон | 0,1-0,3 |
| Объёмная усушка | 11-17 |
Тангенциальная усушка примерно в 1,5-2 раза больше радиальной. Поэтому доски радиального распила меньше усыхают по ширине и меньше коробятся, чем доски тангенциального. Эту разницу учитывают при расчёте припусков на обработку, в конструкции соединений и при выборе материала для полов и мебельных щитов. Расчёт усушки разобран в отдельной статье про усушку и разбухание.
Плотность
Плотность это масса единицы объёма. Само вещество клеточных стенок (древесинное вещество) у всех пород практически одинаково плотное: около 1530-1540 кг/м³. Реальная плотность древесины намного ниже из-за полостей клеток и пор, и именно она отличает одну породу от другой.
Плотность зависит от влажности, поэтому в справочниках её приводят при стандартной влажности 12%:
| Порода | Плотность при 12%, кг/м³ | Группа по торцевой твёрдости |
|---|---|---|
| Ель | около 445 | мягкая |
| Липа | около 500 | мягкая |
| Сосна | около 500 | мягкая |
| Берёза | около 630 | твёрдая |
| Лиственница | около 660 | твёрдая |
| Дуб | около 690 | твёрдая |
Берёзу в лесоводстве относят к мелколиственным породам, а по торцевой твёрдости она попадает в группу твёрдых. Это две разные классификации, и путать их не стоит.
На практике. Плотность определяет вес партии. Кубометр дуба примерно в полтора раза тяжелее кубометра ели, и при расчёте загрузки машины по массе это надо учитывать.
Тепловые свойства
Теплоёмкость. Количество теплоты, которое нужно, чтобы нагреть килограмм материала на один градус. У абсолютно сухой древесины она около 1,55 кДж/(кг·°C) и почти не зависит от породы. С ростом влажности теплоёмкость заметно увеличивается, потому что у воды она почти втрое выше: 4,18 кДж/(кг·°C). Для сравнения, у бетона около 0,84, у стали около 0,46 кДж/(кг·°C).
Теплопроводность. Способность передавать тепло. Древесина проводит тепло плохо, поэтому хорошо сохраняет его в доме. Вдоль волокон теплопроводность примерно вдвое выше, чем поперёк. У сухой сосны и ели по справочным данным около 0,09 Вт/(м·К) поперёк волокон и около 0,18 вдоль, с ростом влажности значения увеличиваются.
| Материал | Теплопроводность, Вт/(м·К), порядок величины |
|---|---|
| Пенополистирол | 0,03-0,05 |
| Сосна поперёк волокон (в зависимости от влажности) | 0,09-0,18 |
| Керамический кирпич | 0,5-0,8 |
| Тяжёлый бетон | 1,5-2,0 |
| Сталь | около 50 |
Поперёк волокон древесина проводит тепло примерно в 10-20 раз хуже тяжёлого бетона, отсюда её ценность в деревянном домостроении.
Звуковые свойства
Звук в древесине распространяется быстро. По данным Большой российской энциклопедии, у древесины камерной сушки скорость звука вдоль волокон около 4000-6000 м/с, поперёк волокон около 1200-2800 м/с. Вдоль волокон это в 12-18 раз быстрее, чем в воздухе (около 330 м/с). С ростом влажности и температуры скорость снижается. За эти свойства резонансную ель ценят в производстве музыкальных инструментов. Для звукоизоляции одной древесины недостаточно, нужны многослойные конструкции с воздушными прослойками.
3. Механические свойства древесины
Механические свойства показывают, как древесина сопротивляется нагрузкам. От них зависят несущая способность конструкций и поведение материала при обработке.
Прочность и анизотропия
Главная особенность древесины: вдоль волокон она в разы прочнее, чем поперёк. При растяжении разница порядка 15-20 раз, и на этом строится вся логика деревянных конструкций.
Ориентировочные значения для сосны при влажности 12% по справочным данным:
| Вид нагрузки | Предел прочности, МПа |
|---|---|
| Растяжение вдоль волокон | около 100-115 |
| Статический изгиб | около 70-85 |
| Сжатие вдоль волокон | около 40-48 |
| Растяжение поперёк волокон | единицы МПа |
Удельная прочность. Если разделить прочность на плотность, сосна вдоль волокон (около 100 МПа при 500 кг/м³) по прочности на растяжение в расчёте на килограмм в 2,5-4 раза превосходит конструкционную сталь (порядка 400-600 МПа при 7850 кг/м³). Поэтому деревянные конструкции получаются лёгкими при большой несущей способности.
Поперечные связи у древесины слабые. Узлы деревянных конструкций усиливают нагелями, болтами и накладками, а нагрузку стараются направлять вдоль волокон.
Твёрдость
Твёрдость это сопротивление древесины вдавливанию более твёрдого тела. От неё зависят износостойкость полов, лестниц и столешниц, поведение при резании и то, насколько надёжно материал держит крепёж. Породы обычно делят на группы по торцевой твёрдости при влажности 12%:
| Группа | Торцевая твёрдость, МПа | Породы | Особенности |
|---|---|---|---|
| Мягкие | до 40 | сосна, ель, кедр, липа, осина, ольха, тополь | Легко обрабатываются, износостойкость ниже |
| Твёрдые | 40-80 | лиственница, берёза, бук, дуб, ясень, клён, вяз | Высокая износостойкость, идут на паркет, мебель, лестницы |
| Очень твёрдые | более 80 | граб, акация, самшит, кизил | Сложны в обработке, идут на специальные изделия |
В некоторых справочниках границы групп немного другие (38,6 и 82,5 МПа), а отдельные породы, например берёзу, разные источники относят к разным группам.
Влияние влажности и температуры
Пока влажность ниже предела гигроскопичности, прочность сильно от неё зависит. Стандарты испытаний серии ГОСТ 16483 пересчитывают прочность при сжатии вдоль волокон и при статическом изгибе к влажности 12% с коэффициентом 0,04: каждый процент влажности меняет прочность примерно на 4%. Выше предела гигроскопичности, когда прибавляется только свободная влага, прочность почти не меняется. С ростом влажности снижается и твёрдость.
Нагрев тоже ослабляет древесину. По справочным данным, при повышении температуры с 20 до 50 °C прочность при сжатии в среднем падает на 20-30%, снижается и модуль упругости.
Модуль упругости
Модуль упругости характеризует жёсткость: насколько материал деформируется под нагрузкой. У распространённых пород вдоль волокон он порядка 10 000-15 000 МПа. В расчётах деревянных конструкций по СП 64.13330 в редакции 2011 года его принимали равным 10 000 МПа, в действующей редакции 2017 года расчётный модуль определяют по формуле через средний модуль упругости при изгибе.
Древесина заметно уступает в жёсткости бетону (порядка 20 000-40 000 МПа) и тем более стали (около 200 000 МПа). Поэтому для той же жёсткости деревянной балке нужно большее сечение.
Что из этого важно при закупке
- Влажность. От неё зависят размеры, прочность и поведение изделия. Проверяйте её на приёмке, порядок описан в статье про приёмку пиломатериалов.
- Распил. Радиальный распил стабильнее по ширине, это важно для полов, мебельных щитов и столярки.
- Плотность. Это вес партии, учитывайте её при расчёте загрузки транспорта.
- Твёрдость. Для полов, лестниц и мебельных фасадов выбирайте твёрдые породы, подробнее в статье про пиломатериалы для мебели.
- Требования в заказе. Породу, сорт и влажность фиксируйте в спецификации, иначе на приёмке будет не на что опереться в споре.
Как это решает Вудис
В каталоге Вудис можно отобрать пиломатериалы по породе и сорту. Требования к влажности, распилу и обработке укажите в запросе предложений, и поставщики ответят предложениями под вашу задачу.
