Физические и механические свойства древесины

Значения физико-механических параметров древесины в большинстве случаев становятся определяющим фактором во время выбора строительных материалов для возведения зданий и архитектурных конструкций (срубы, лестницы, стропильные системы, перекрытия) и производства различных изделий (окна двери, полы, мебель и т. д.). Рассмотрим более подробно эти характеристики для пиломатериалов в сравнении с другими используемыми строительными материалами.

Физические свойства пиломатериалов

К физическим свойствам относят характеристики макроструктуры, внешний вид, плотность, звуко- и теплопроводность и показатели, связанные с влажностью (растрескивание, разбухание, усушка, коробление).

Внешний вид - определяется макроструктурой, цветом, блеском и текстурой.

Цвет — древесина получает за счет наличия в ней различной концентрации дубильных соединений, смолистых и красящих веществ, может иметь нехарактерные оттенки из-за поражения грибковыми заболеваниями. Очень важная характеристика, играет решающую роль во время подбора дизайнерских решений внутренней и внешней отделки строений, например при выборе имитации бруса и породы древесины из которой она изготавливается. Изготовление мебели, дверей, окон и других столярных изделий тоже основывается на этой характеристике.
Текстура — так называется рисунок, видимый на разрезах древесины. Зависит от ширины и расположения годичных слоев, крупных внутренних сосудов и сердцевинных лучей. Большинство пиломатериалов на тангенциальном срезе имеют более красивую текстуру, породы хвойных деревьев не отличаются высокими характеристиками по красоте текстуры.

Блеск — свойство отражать падающий световой поток, определяется плотностью и особенностями макростроения пиломатериалов. Можно искусственно увеличить блеск пиломатериалов за счет шлифовки и покрытия лаком.
Влажность — измеряется по формуле W = (m–m₀) / m₀ × 100, где m - масса проверяемого образца, m₀ - масса образца абсолютно сухого. Метод очень точный, но очень длительный по времени определения, требует наличия специальных приборов и приспособлений. В настоящее время разработаны приборы, которые почти моментально определяют значение влажности древесины за счет изменения показаний электропроводности в зависимости от количества воды.

Влажность пиломатериалов

С влажностью пиломатериалов связаны явления усушки, разбухания, растрескивания и коробления. Влажность – это очень важный показатель, который в значительной степени оказывает влияние на устойчивость геометрических форм различных конструкций и изделий из пиломатериалов. Следует отметить как существенный - показатель устойчивости древесины к повышенной влажности. Хвойные породы по этим значениям имеют отличные характеристики. Уменьшение влажности пиломатериала приведет к увеличению положительных характеристик, а именно - снижению показателей теплопроводности и звукопроницаемости, а также увеличит срок эксплуатации изделия или постройки. Изменять показатель влажности, уменьшая содержание влаги, возможно разными способами от технологичных в промышленных масштабах, до традиционных в домашних условиях. Например с помощью атмосферной сушки подробно описанной в ГОСТ 3808.1-80. Подробно ознакомится со способами сушки на основании государственных стандартов и норм, а так же с учетом практического опыта вы можете в статье - технология атмосферной сушки.

Среди других пород особо стоит отметить осину. Она превосходит по устойчивости к повышенной влажности хвойные породы и служит идеальным материалом во время строительства бань, парилок и других архитектурных элементов, работающих в условиях высокой влажности или прямого контакта с водой.

Коэффициенты объемной усушки (К_у) и разбухания (К_р) пиломатериалов по направлению к волокнам

Порода пиломатериалов	Объемно		Радиально		Тангенциально
	К_у	К_р	К_у	К_р	К_у	К_р
Лиственница	0.52	0.61	0.19	0.20	0.35	0.39
Сосна	0.44	0.51	0.17	0.18	0.28	0.31
Кедр	0.37	0.42	0.12	0.12	0.26	0.28
Осина	0.41	0.47	0.14	0.15	0.28	0.30

* Чем ниже коэффициенты – тем лучше древесина, тем качественнее будут из нее изделия.

Усушка – уменьшение линейных параметров пиломатериалов вследствие потери влаги.
Коробление. Изменение геометрических размеров и формы пиломатериалов под влиянием показателей влажности называется короблением. Может быть продольным, поперечным, дугообразным, винтовым и т. д.
Плотность. Зависит от породы пиломатериалов и показателей влажности. От плотности зависят многие механические показатели прочности древесины.
Звукопроводность. Свойство материалов проводить звуковые волны без потери их мощности. Лучше всего звук в древесине распространяется по направлению волокон, значительно хуже - в радиальном направлении. Показатели звукопроводности зависят от плотности и особенностей строения пиломатериалов. В строительстве используют коэффициент поглощения звуковых волн, этот показатель играет существенную роль в создании комфортных условий пребывания в помещениях людей.

Коробление пиломатериалов

Средние значения плотности пиломатериалов, кг/м³

Порода древесины	Плотность абсолютно сухих пиломатериалов	Плотность при влажности 12%
Лиственница	630	660
Ель	420	445
Кедр	410	435
Сосна обыкновенная	470	500
Осина	470	495
Пихта сибирская	350	375

Предлагаем ознакомится с таблицей звукоизоляционных свойств древесины и изделий из нее (пиломатериалов), где вы сможете сравнить их с другими стройматериалами.

Показатели коэффициентов звукопоглощения различных строительных материалов

Наименование	Коэффициент звукопоглощения при колебаниях 1000 Гц
Дерево	0.06–0.1
Кирпич	0.032
Бетон	0.015
Минеральная вата	0.45–0.95

Теплопроводность. Одна из главнейших характеристик всех строительных материалов. Теплопроводность напрямую связана с показателями гидроизоляционных и пароизоляционных характеристик. По теплопроводности пиломатериалы занимают одно из ведущих мест среди всех видов стройматериалов. Паропроницаемость и воздухопроницаемость – свойство древесины к обмену воздуха между внутренними и внешними поверхностями. Пиломатериалы могут «дышать», что благоприятно сказывается на показателях микроклимата в помещениях.

Сравнительная таблица теплопроводности и паропроницаемости

Материал	Теплопроводность, Вт/м²×С°	Паропроницаемость, Мг/(м²×ч×Па)
Железобетон	1.69	0.03
Бетон	1.51	0.03
Кирпич, силикатный	0.70	0.11
Кирпич керамический пустотелый	0.35	0.17
Пенобетон	0.29	0.11
Кирпич красный глиняный	0.56	0.11
Керамзитобетон	0.66	0.09
Сосна, ель вдоль волокон	0.18	0.32
Сосна, ель поперек волокон	0.09	0.06
ДСП, ОСП	0.15	0.12
Фанера клееная	0.12	0.02

Механические свойства пиломатериалов

Способность выдерживать статические и динамические нагрузки без изменения первоначальных форм или разрушения целостности – показатели механической прочности древесины. Чем выше механические характеристики – тем выше качество пиломатериалов.

Прочность – свойство пиломатериалов сопротивляться разрушениям Основные виды действующих усилий: сжатие, длительный статический изгиб, растяжение и сдвиг. Показатели прочности во многом зависят от направления действия сил по отношению к волокнам. Пиломатериалы могут выдержать поперек волокон только 1/20 усилий, выдерживаемых вдоль волокон. Хвойные породы древесины занимают промежуточное место по характеристикам прочности среди всех видов древесины. Неплохими показателями обладает береза, из нее можно изготавливать нагруженные целостные конструкции или отдельные конструктивные элементы: нагели, детали мебели, износостойкие элементы отдельных архитектурных конструкций и столярных изделий. Показатели физической прочности измеряются в специализированных лабораториях с учетом действующих государственных нормативных актов.

Определение прочности при изгибе

Определение прочности при сжатии

Определение прочности при растяжении

Определение прочности при скалывании

Прочность во время сжатия поперек волокон древесины в восемь раз ниже прочности вдоль волокон. Пиломатериалы хвойных пород имеют свойство уплотняться до 1/3 начальных параметров по высоте без видимых разрушений. Испытания могут проводиться в различных направлениях по отношению к расположению волокон, в том числе и тангенциальном. Хвойные породы, в отличие от лиственных, в тангенциальном направлении имеют более высокие показатели. Подробности про виды распилов можете узнать здесь.

Твердость. Свойство пиломатериалов оказывать сопротивление внедрению твердых предметов. Торцовая твердость всегда выше боковой. По твердости дерево уступает большинству строительных материалов.
Ударная вязкость. Способность поглощать динамические нагрузки без видимых разрушений или нарушений линейности поверхности. Пиломатериалы имеют относительно большие значения ударной вязкости.
Раскалывание. В радиальной плоскости сопротивление раскалыванию хвойных пород существенно меньше, чем в других направлениях.

Максимальный предел прочности, МПа

Порода древесины	Статический изгиб		Сжатие вдоль волокон	Раскалывание вдоль волокон
Порода древесины	Статический изгиб		Сжатие вдоль волокон	Радиальное	Тангенциальное
Сосна обыкновенная	86/50	49/21		7,5/4,3	7,3/4,5
Лиственница	112/62	65/26		9,9/6,3	9,4/5,8
Пихта	69/41	39/18		6,4/4,5	6,5/4,2
Ель	80/44	45/20		6,9/4,1	6,8/4,4
Береза	110/60	55/23		11/5,9	11,2/5,9
Осина	78/46	73/19		6,3/3,6	8,6/5

Способность удерживать металлические метизы. Гладкие гвозди частично разрезают, а частично раздвигаю волокна, фиксируются усилиями трения. Шурупы по дереву цепляются за волокна. Сопротивление выдергиванию шурупов в два раза больше, чем сопротивление выдергиванию гвоздей.
Способность к изгибам. Важное свойство во время изготовления различной мебели или декоративных архитектурных конструкций. Хвойные породы в сухом состоянии гнутся плохо, перед изгибом их нужно обязательно вымачивать с последующей сушкой под напряжением до требуемых технологией производства значений влажности.
Износостойкость – способность противостоять длительным нагрузкам трения на поверхностные зоны пиломатериалов. Важная характеристика, оказывающая влияние на время эксплуатации изделий и конструкций из дерева. Зависит от направления распила и природных свойств древесины. Наиболее высокие показатели имеют торцевые поверхности, на втором месте тангенциальный распил. Сухая древесина изнашивается значительно медленнее, чем влажная.

Во время проектирования нагруженных деревянных конструкций принимаются не расчетные лабораторные показатели механической прочности, а используется специальный корректировочный коэффициент. Он учитывает возможное наличие природных пороков древесины, болезней, и гнилостных процессов. Описание пороков древесины, их классификацию и влияние на качество пиломатериала, вы можете изучить в материале - классификация дефектов древесины или пороки древесины.

Кроме того, выполняется корректировка значений с учетом сортности пиломатериалов. Методы и критерии сортировки пиломатериалов по сортам описаны в статье - сорта доски обрезной и бруса. На практике все показатели механической прочности понижаются не менее чем в два раза, только эти значения берутся за исходные данные во время проведения инженерных расчетов различных конструкций зданий и строений.

Технологические преимущества хвойных пиломатериалов

Экологические характеристики. По безопасности для людей с пиломатериалами может сравниться только красный кирпич. Все остальные существующие сегодня строительные материалы выделяют в воздух вредные химические соединения в том или ином количестве. Особенно это касается клееных материалов (фанера, плиты ОСП, МДФ и ДСП), клееных пиломатериалов. Количество вредных веществ, которое принято считать безопасным, определяется государственными органами, в каждой стране оно имеет свои значения. Показатели безопасности не носят объективного характера, а зависят от существующего законодательства.
Эксплуатационные характеристики. К ним относятся тепловые потери, звуконепроницаемость, несущие показатели и долговечность использования. По совокупности этих показателей дерево считается самым лучшим материалом в строительстве. По теплосберегающим свойствам или энергоэффективности, обрезной брус хвойных пород (сосны или ели,) толщиной 20 см заменяют кирпичную стену толщиной 60 см и бетонную стену толщиной 1,2 метра. В таких же соотношениях располагаются показатели по звукопроницаемости. Отношение прочности к теплопроводности у пиломатериалов на первом месте, они выдерживают нагрузку многоэтажных строений. Длительность эксплуатации во многом зависит от условий, некоторые старинные строения стоят до сих пор. Для повышения устойчивости к загниванию и открытому огню применяются специальные пропитки – первоначальные характеристики существенно улучшаются.

Дизайнерские характеристики. Красота натуральной фактуры древесины не имеет себе равных, ни один искусственный материал не может сравниться с природным рисунком.
Технологичность обработки. Древесина легко обрабатывается всеми станками, электрическим и ручным столярными инструментами. Она отлично держит метизы, для фиксации отдельных элементов изделий нет надобности сверлить дополнительные отверстия под дюбели. Небольшой удельный вес облегчает процесс перевозки и складирования пиломатериалов.
Стоимость. Есть материалы дешевле, но по одному показателю цены не следует ориентироваться. Опытные строители советуют обращать внимание на отношение цены ко всем остальным характеристикам. Только таким образом можно добиться существенной экономии не только на строительстве дома, но и на его содержании. Комплексная оценка характеристик пиломатериалов выводит их на первое место среди всех используемых сегодня строительных, отделочных и декорирующих материалов.
Широкий ценовой диапазон. В зависимости от сортности и породы древесины пиломатериалы могут по цене отличаться в несколько раз. Это позволяет сделать оптимальный выбор для каждого индивидуального случая, подбирать материалы с учетом конкретного места их использования, возможных нагрузок и требований по дизайнерскому виду.

Заключение

Изделия из дерева отличный выбор как для строительства дома, так и для его отделки. Важно знать, что для безопасной и долгосрочной эксплуатации домов и помещений из дерева необходимо учитывать строительные нормы и правила, связанные с обработкой деревянных конструкций, монтажа электрических систем, а также отопительных приборов. Подробнее в следующих материалах...