Влияние влажности
Выше уже неоднократно подчеркивалось влияние влажности на механические свойства древесины. Здесь надо лишь указать, что влияние влажности на механические свойства различно и зависит от вида свойств. Прочность, твердость и жесткость (модули упругости) древесины снижаются с увеличением содержания связанной влаги, однако упругость древесины при этом возрастает. При статических нагрузках влияние влажности (наибольшее при сжатии и изгибе, наименьшее при растяжении вдоль волокон) более ощутимо, чем при ударных (сопротивление ударному изгибу).
Рис. 103. Нивелирующее влияние влажности: I - V - диаграммы прочности при сжатии вдоль волокон в кг/см3 древесины сосны при разном проценте поздней древесины (I - 18%, II - 23%, III - 24%, IV - 32%, V - 40%); VI и VII - тo же древесины бука худшего и лучшего качества; незаштрихованны колонки характеризуют прочность в воздушно-сухом состоянии, а заштрихованные - в насыщенном водой состоянии.
В дальнейшем необходимо отметить нивелирующее влияние влажности: это влияние тем интенсивнее, чем прочнее древесина. Высокая влажность как бы сглаживает крайности, делает в насыщенном водой состоянии менее ощутимыми различия в прочности сухой древесины. Сказанное может быть иллюстрировано следующими данными для древесины сосны и бука, графически представленными на рис. 103.
Эти данные показывают, что для воздушно-сухой древесины сосны разница в прочности при сжатии между крайними значениями составляла около 35% (от меньшей величины), а во влажном состоянии уменьшилась до 24%, т. е. в 1, 5 раза; для древесины бука в воздушно-сухом состоянии разница в прочности была 24%, а во влажном состоянии упала до 7%.
Влияние объемного веса
Объемный вес древесины определяется количеством твердого (древесинного) вещества в единице объема, влажностью и количеством различных веществ, отложенных в полостях клеток (крахмал, камеди, смолы и т. п. ). Естественно, что последний фактор не может оказать влияния на прочность древесины; влияние влажности исключается путем приведения объемного веса и прочности к одинаковой влажности (15%), при которой и производится сравнение свойств древесины.
Следовательно, на механические свойства древесины могут оказывать влияние лишь те изменения объемного веса, которые вызваны изменением количества древесинного вещества в единице объема. Количество древесинного вещества находится в прямой зависимости от размеров и количества механических элементов древесины, а так как поздняя древесина и состоит главным образом из таких элементов, то между объемным весом и процентом поздней древесины существует ясно выраженная подчеркнутая выше прямая зависимость.
Аналогичная зависимость обнаруживается также между объемным весом и механическими свойствами древесины. Однако в этом случае она является более сложной, так как прочность древесины зависит не только от количества древесинного вещества в единице объема, но и от конструкции древесины (рода, размеров, положения и распределения отдельных анатомических элементов).
Согласно произведенным исследованиям, зависимость механических свойств древесины от ее объемного веса выражается уравнением параболы n-ой степени, проходящей через начало координат. Так как кривизна этих парабол в большинстве случаев незначительная, то для практических целей можно пользоваться уравнениями прямой линии, которые для древесины сосны с территории РСФСР (без юга), дуба из Центрально-черноземной области и березы из Горьковской области имеют следующий вид:
| Сосна
|
| D15 = 1035Y15 - 105
|
| B15 = 2000Y15 - 195
|
| Дуб
|
| D15 = 1285Y1, 5 - 380
|
| B15 = 3000Y15 - 1090
|
| Береза
|
| D15 = 1700Y15 - 550
|
| B15 = 2300Y15 - 500
|
Верхние уравнения характеризуют зависимость между объемными весом и прочностью при сжатии вдоль волокон, а нижние - между объемным весом и прочностью при статическом изгибе (тангентальном).
В качестве легко определяемых признаков для суждения о физико-механических свойствах древесины на практике пользуются средней шириной годового слоя (или их числом в 1 см), процентом поздней древесины и объемным весом. В свете сказанного необходимо дать характеристику степени надежности каждого из этих признаков. В табл. 61 приведены собранные Л. М. Перелыгиным средние коэфициенты корреляции, показывающие степень связи названных признаков с механическими свойствами по результатам ряда Научно-исследовательских работ.
Таблица 61
Средние коэфициенты корреляции
| Группы пород
| Коэфициенты корреляции с механическими свойствами
|
| числа годовых слоев в 1 см
| процента поздней древесины
| объемного веса
|
| средний
| предел колебаний
| средний
| предел колебании
| средний
| предел колебаний
|
| Хвойные
| 0, 23
| 0. 01-0, 66
| 0, 47
| 0, 02-0, 89
| 0. 53
| 0, 15-0, 93
|
| Лиственные:
|
|
|
|
|
|
|
| кольцепоровые
| 0, 56
| 0. 28- 0, 72
| 0, 58
| 0, 24-0. 69
| 0, 65
| 0, 26-0, 94
|
| рассеяннопоровые
| 0, 36
| 0, 10-0. 62
| -
| -
| 0, 51
| 0. 12-0, 84
|
| Среднее для всех пород
| 0, 35
| 0, 01-0, 72
| 0, 51
| 0, 02-0, 89
| 0, 55
| 0, 12-0, 94
|
Цифры этой таблицы весьма показательны и позволяют сделать следующие выводы:
- наиболее надежным признаком независимо от породы является объемный вес древесины (наиболее высокие коэфициенты корреляции);
- на втором месте но степени надежности стоит процент поздней древесины;
- наименее надежным признаком является число годовых слоев в 1 см.
Надо, однако, указать, что по сложности определения эти признаки располагаются в обратном порядке: наиболее просто определить число годовых слоев в 1 см (необходима лишь масштабная линейка с делениями в 1 мм), несколько сложнее определение процента поздней древесины (необходима измерительная лупа или набор эталонов) и наиболее сложно определение объемного веса (необходимы весы), связанное к тому же с определением влажности и вырезом образца.
Таблица 62
Коэфициенты качества
| Порода
| Коэфициенты качества при
|
| сжатии вдоль волокон
| скалывании вдоль волокон
| статическом изгибе
| ударном изгибе
| торцевой твердости
|
| Хвойные
|
|
|
|
|
|
| Ель айнская
| 855
| 155
| 1700
| 0, 49
| -
|
| Ель обыкновенная
| 862
| 128
| 1606
| 0, 38
| 447
|
| Ель сибирская
| 895
| 163
| 1640
| 0, 40
| 511
|
| Среднее для ели
| 865
| 145
| 1645
| 0, 42
| 480
|
| Кедр корейский
| 761
| 147
| 1500
| 0, 34
| 523
|
| Кедр сибирский
| 795
| 136
| 1432
| 0, 32
| 444
|
| Среднее для кедра
| 775
| 140
| 1445
| 0, 33
| 475
|
| Лиственница даурская
| 841
| -
| 1614
| -
| 545
|
| Лиственница сибирская
| 806
| 133
| 1478
| 0. 42
| 642
|
| Среднее для лиственницы
| 820
| 135
| 1530
| 0, 42
| 590
|
| Можжевельник высокий
| 755
| -
| 1110
| -
| 890
|
| Пихта кавказская
| 886
| 170
| 1636
| 0, 45
| 773
|
| Пихта манчжурская
| 8 80
| 167
| 1500
| 0. 33
| 551
|
| Пихта сибирская
| 855
| 132
| 1461
| 0. 32
| 618
|
| Среднее для пихты
| 850
| 162
| 1550
| 0, 38
| 650
|
| Сосна обыкновенно
| 815
| 120
| 1430
| 0, 35
| 470
|
| Тисс кавказский
| 855
| -
| 1320
| 0, 37
| 1210
|
| Лиственные
|
|
|
|
|
|
| Акация белая
| 780
| 155
| 1715
| 1, 12
| 1175
|
| Бархатное дерево
| 745
| 175
| 1370
| 0. 45
| -
|
| Береза бородавчатая
| 730
| 155
| 1425
| 0. 63
| 600
|
| Береза железная
| 800
| 165
| 1430
| 0, 16
| 1060
|
| Береза желтая
| 770
| 185
| 1565
| 0, 79
| -
|
| Береза черная
| 735
| -
| 1480
| 0, 58
| -
|
| Бук восточный
| 655
| 180
| 1405
| -
| 910
|
| Груша
| 775
| -
| 1645
| 0, 77
| 905
|
| Луб летний
| 720
| 110
| 1325
| 0, 48
| 805
|
| Ива белая
| 753
| 172
| 1376
| 0, 61
| 527
|
| Порода
| Коэфициенты качества при
|
| сжат и и вдоль волокон
| скалывании вдоль волокон
| статическом изгибе
| ударном изгибе
| торцевой твердости
|
| 600
| 140
| 1395
| 0, 76
| 865
|
| Карагач
| 805
| 135
| 1695
| 0, 53
| 705
|
| Каштан съедобный
| 805
| 163
| 1335
| -
| -
|
| Клен манежурский
| 630
| 175
| 1350
| 0, 59
| 985
|
| Клен Моно
| 705
| 169
| 1640
| 0, 68
| 1020
|
| Клен остролистный
| 730
| -
| 1540
| 0, 61
| -
|
| Клен нолевой
| 765
| 170
| 1520
| 0, 50
| 1100
|
| Среднее для клена
| 725
| 170
| 1515
| 0, 58
| 1040
|
| Липа амурская
| 700
| -
| 1310
| -
| -
|
| Липа манчжурская
| 685
| -
| 1280
| -
| -
|
| Липа мелколистная
| 750
| -
| 1380
| -
| 360
|
| Среднее для липы
| 725
| -
| 1310
| -
| 360
|
| Ольха черная
| 700
| -
| 1385
| -
| 645
|
| Орех грецкий
| 80Э
| 170
| 1560
| 0, 41
| 940
|
| Орех манчжурский
| 700
| 190
| 1260
| 0, 38
| -
|
| Осина
| 7 0
| 140
| 1370
| 0, 70
| 520
|
| Платан (чинар)
| 920
| 320
| 1230
| -
| -
|
| Самшит
| 745
| -
| 1095
| -
| 1480
|
| Тополь бальзамический
| 760
| 165
| 1490
| 0, 67
| -
|
| Тополь белый
| 740
| 145
| 1275
| 0, 43
| 475
|
| Тополь душистый
| 705
| 155
| 940
| 0, 51
| -
|
| Тополь канадский
| 785
| 155
| 1335
| 0, 43
| 510
|
| Тополь Максимовича
| 73)
| 160
| 1365
| 0, 51
| -
|
| Тополь черный
| 715
| 155
| 1225
| 0, 43
| 535
|
| Среднее для тополя
| 755
| 150
| 1280
| 0, 46
| 490
|
| Фисташка
| 645
| -
| 1015
| -
| 1070
|
| Хмелеграб
| 675
| -
| 1540
| -
| 1095
|
| Хурма
| 685
| -
| 1625
| 0, 39
| 1075
|
| Яблоня
| 575
| -
| 1010
| -
| 880
|
| Ясень европейский
| 745
| 160
| 1595
| 0, 58
| 1060
|
| Ясень манчжурский
| 700
| 185
| 1525
| 0, 46
| 925
|
| Среднее для ясеня
| 725
| 170
| 1560
| 0, 52
| 990
|
Коэфициент качества. Древесина с наибольшей прочностью при наименьшем объемном весе всегда будет иметь преимущество для применения в самолетостроении, обозостроении, судостроении и других сооружениях, где существенное значение имеет всс материала. Отсюда вытекает необходимость оценивать достоинства древесины одновременно по весу и прочности. Для такой оценки и служит коэфициент качества, представляющий собой отношение величины предела прочности к объемному весу. В табл. 62 приведены коэфициенты качества для древесины наших лесных пород, вычисленные по данным табл. 55.
В табл. 63 и 64 приведены средине данные о физико-механических свойствах и коэфициентах качества древесины исследованных хвойных и лиственных пород из наших лесов (в этих таблицах цифры в скобках показывают число учтенных пород).
Таблица 63
Средние физико-механические свойства
| Порода
| Объемный вес в г/см2
| Коэфициенты
| Предел прочности в кг/см2 при
| С противление ударному изгибу в кгм/см3
| Торцевая твердость в кг/см3
|
| усушки в %
| неравномерности усушки
| сжатии вдоль волокон
| статическом и j гное
| скалывании вдоль волокон
|
| радиальной
| тангентальной
|
| Хвойные
| 0. 48 (11)
| 0. 155 (7)
| 0. 30 (7)
| 1. 94 (7)
| 400 (11)
| 750 (11)
| 67 (10)
| 0. 18 (10)
| 275 (9)
|
| Лиственные
| 0. 63 (45)
| 0. 19 (23)
| 0. 32 (24)
| 1, 68 (23)
| 455 (45)
| 890 (45)
| 92 (19)
| 0, 38 (32)
| 595 (29)
|
Таблица 64
Коэфициенты качества
| Породы
| Коэфициенты качества при
|
| сжатии вдоль волокон
| статическом изгибе
| скалывании вдоль волокон
| ударном изги(е
| торцевой твердости
|
| Хвойные
| 835 (11)
| 1550 (11)
| 147 (10)
| 0, 38 (10)
| 560 (9)
|
| Лиственные
| 710 (45)
| 1310 (45)
| 155 (29)
| 0, 66 (30)
| 871 (25)
|
Цифры табл. 63 показывают, что абсолютная величина физико-механических свойств древесины лиственных пород выше, чем хвойных, особенно сопротивление ударному изгибу (в 2 раза), скалыванию (в 1, 5 раза) и торцевая твердость (более чем в 2 раза). Усушка древесины лиственных пород также выше, чем хвойных, но неравномерность усушки меньше. Однако при сопоставлении коэфициентов качества (табл. 64) оказывается, что при сжатии вдоль волокон и статическом изгибе древесина хвойных пород стоит выше древесины лиственных, а при скалывании вдоль волокон, ударном изгибе и торцевой твердости преимущество остается попрежнему на стороне лиственных пород.
На основании имеющихся данных (см. табл. 55) наши лесные породы по прочности можно разделить на следующие три группы:
- I группа - породы с невысокой прочностью (сумма пределов прочности при сжатии вдоль волокон и статическом изгибе менее 1100): из хвойных - кедр (все виды) и пихта (все виды); из лиственных - тополь (все виды); липа (все виды), ива, осина, ольха, каштан съедобный, платан, бархатное дерево, орех манчжурский.
- II группа - породы прочные (та же сумма от 1101 до 1700): из хвойных - лиственница, тисс, сосна и ель (все виды); из лиственных - береза бородавчатая, желтая и черная, рябина, бук, вяз, ильм, карагач, дуб (все виды); клен (все виды); орех грецкий, ясень (все виды).
- III группа - породы очень прочные (та же сумма более 1700): акация белая, береза железная, самшит, фисташка, хурма, хмелеграб, граб, груша.
Если же аналогичное распределение произвести по коэфициенту качества при статических нагрузках (табл. 62), распределение пород будет иным:
- породы с низким коэфициентом качества (сумма коэфициентов качества при сжатии вдоль волокон и статическом изгибе менее 2000) - тополь черный, липа манчжурская, клен манчжурский, орех манчжурский, самшит, фисташка;
- породы со средними коэфициентами качества (2001 - 2200) -тополь (остальные виды), ива, липа мелколистная и амурская, ольха черная, осина, ива пирамидальная, береза бородавчатая, карагач, ильм, каштан съедобный, дуб летний и . монгольский, бархатное дерево, платан, орех грецкий, граб, бук;
- породы с высокими коэфициентами качества (более 2200)-лиственница (все виды), сосна, кедр (все виды), ель (все виды), пихта (все виды), тисс, береза желтая черная и железная, рябина, акация белая, вяз, клен (остальные виды), хмелеграб, хурма, груша, ясень европейский и манчжурский.
Следует, однако, отметить, что дальнейшие исследования безусловно внесут уточнения и могут в известной мере изменить приведенное распределение пород.
