Древесина: ключевые свойства для строительства и дизайна

Древесина — второй по популярности материал в строительстве, мебели, напольных покрытиях и других изделиях. Хотя камень всё еще доминирует в капитальном строительстве, древесина недавно пережила огромный подъем. Вот еще более интересные факты о древесине и её различных механических, химических и физических характеристиках.

Цвет, блеск, текстура, макроструктура, запах, влажность, усадка, внутренние напряжения, набухание, трещины, деформация, плотность, звуко-, электро- и теплопроводность — основные физические свойства древесины. Внешний вид определяется цветом, блеском, текстурой и макроструктурой.

Разные породы древесины имеют разный цвет: от белого (осина, ель) до черного (эбеновое дерево). Цвет дают таннины, смолы и пигменты в клетчатых полостях. В этой статье мы подробно разберем все свойства древесины: физические, химические, механические и др.

Свойства древесины

Основные свойства древесины:

• Механические свойства
• Тепловые свойства
• Электрические свойства
• Акустические свойства
• Органолептические характеристики
• Плотность и удельный вес
• Деградация
• Гигроскопичность
• Усадка и набухание

• Органолептические характеристики

Цвет, блеск, запах, вкус, текстура, текстура волокон, рисунок, вес и твердость — органолептические свойства. Эти макроскопические признаки полезны для идентификации и описания древесины. Цветовая гамма широка, но большинство пород — оттенки белого и коричневого. Есть желтые, зеленые, красные, почти чисто белые. На одном образце видны вариации из-за разницы цвета сердевины, молодой древесины, ранней/поздней древесины, лучей, смоляных ходов. Естественный цвет меняется при отбеливании, окрашивании или длительном воздействии среды. Яркие примеры: робиния, gleditsia, некоторые тропические породы.

У некоторых пород (ель, ясень, липа, тополь) есть естественный блеск, особенно заметный на радиальных срезах. Запах и вкус обуслованы летучими веществами. Иногда полезны для отличия, но трудно описать. Текстура — равномерность поверхности (обычно поперечного среза): грубая, мелкая, равномерная. Текстуру часто используют как синоним структуры волокон. Также описывает направление волокон: прямые, спиралевидные, волнистые. Иногда «зерно» заменяет «рисунок» (например, серебристое зерно дуба). Рисунок — естественные узоры на поверхностях (обычно радиальных или тангенциальных срезов).

Вес и твердость — органолептические свойства в диагностическом, а не техническом смысле: вес определяют на весу в руке, твердость — вдавливанием ногтем. В тропиках встречаются очень легкие и очень тяжелые породы: от 80 (бальза) до 1300 кг/м³ (гуайак). Типичные породы умеренного климата в воздушносухом состоянии: 300–900 кг/м³ (20–55 фунт/фут³).

Плотность и удельный вес

Удельный вес — отношение массы древесины к массе воды, плотность — масса единицы объема. В метрической системе средняя плотность и удельный вес дугласиевой пихты — 0,45 г/см³ (1 см³ воды = 1 г). (1 г/см³ ≈ 62,4 фунт/фут³). Так как древесина гигроскопична, влага сильно влияет на массу и объем, что усложняет определение плотности по сравнению с другими материалами. Масса и объем вычисляют при заданных значениях влажности для сравнимости.

Стандарты: масса в абсолютно сухом состоянии (почти нулевая влажность) и объем в абсолютно сухом или в сыром состоянии (сырая древесина — влажность выше точки волокнистого насыщения, в среднем ~30%). Другие представления плотности (по массе и объему воздушносухой или сырой древесины) менее точны, но имеют практические применения, например при перевозке древесины.

Гигроскопичность

Древесина в контакте с водой впитывает её как жидкость или пар из воздуха. Вода — самое значимое вещество, поглощаемое древесиной. Благодаря гигроскопичности древесина всегда содержит влагу — будь то часть живого дерева или материал. (Термины вода и влага используются как синонимы.) Влага влияет на все свойства древесины, но важно: существенно только влага в клеточных стенках; влага в клеточных полостях лишь добавляет вес.

Усадка и набухание

При изменении влажности ниже точки волокнистого насыщения происходят размерные изменения. Усадка — при потере влаги, набухание — при приобретении. Изменения анизотропны: различаются в осевом, радиальном и тангенциальном направлениях. Средние значения усадки: ~0,4% (осевое), ~4% (радиальное), ~8% (тангенциальное). Объемная усадка ~12%, но с большими разбросами между породами. Значения в % от размеров сырой древесины (переход из сырого в абсолютно сухое состояние). Причина дифференциальной усадки/набухания — структура клеточной стенки.

Различия между осевым и двумя боковыми (радиальным и тангенциальным) направлениями объясняются ориентацией микроволокон в слоях вторичной клеточной стенки, но причина различий между радиальным и тангенциальным направлениями неясна.

Деградация

Бактерии, грибы, насекомые, морские ксيلоваги, а также экологические, механические, химические и тепловые факторы разрушают древесину. Внешний вид, структура или химический состав меняются — от легкого изменения цвета до необратимых преобразований, делающих древесину бесполезной. Древесина может прослужить столетия и тысячелетия (мебель в гробницах египетских фараонов), разрушается только под воздействием внешних факторов.

Механические свойства

Механические (прочностные) свойства показывают способность древесины сопротивляться внешним силам, изменяющим размер и форму. Сопротивление зависит от величины и способа приложения сил, а также плотности и влажности древесины. В осевом направлении (по волокнам) прочность заметно отличается от поперечного (трансверсального).

Механические характеристики: прочность на растяжение и сжатие (в осевом и поперечном направлениях), сдвиг, клеavage (раскол), твердость, статическое изгибание, ударная вязкость (ударное изгибание и вязкость). Тесты определяют напряжения на единицу площади (при пределе упругости и максимальной нагрузке), а также критерии: вязкость, модуль разрыва, модуль упругости (мера жесткости). Обычно тестируют небольшие прозрачные образцы сечением 2x2 см или 2x2 дюйма.

Тепловые свойства

Хотя древесина расширяется и сжимается при изменении температуры, усадка и набухание от изменения влажности — гораздо более значительные размерные изменения. Температурные расширение/сжатие обычно незначительны и не имеют практического значения. Поверхностные трещины только ниже 0 °C (32 °F); морозные трещины в живых деревьях из-за неравномерного сжатия внешних и внутренних слоев.

По сравнению с металлами, мрамором, стеклом, бетоном — древесина имеет низкую теплопроводность (высокую теплоизоляцию). Легкие и сухие породы — лучшие изоляторы: теплопроводность выше в осевом направлении и растет с плотностью и влажностью.

Электрические свойства

Абсолютно сухая древесина — электрический изолятор. Но с ростом влажности электропроводность растет, и насыщенная древесина (макс. влажность) ведет себя как вода. Резкое падение электрического сопротивления при росте влажности от 0 до точки волокнистого насыщения: сопротивление падает более чем в миллиард раз, а от точки насыщения до макс. влажности — лишь ~50 раз. Сопротивление мало зависит от породы и плотности; различия связаны с химией экстрактивных веществ. Осевое сопротивление ~в 2 раза ниже поперечного.

Диэлектрические свойства также важны. Диэлектрическая проницаемость и тангенс потерь используются в влагомерах (емкостных и ВЧ), в сушке древесины электрическим током (теоретически) и в клеении ВЧ током. Под механическим напряжением древесина показывает пьезоэлектрический эффект (явление противоположных зарядов на противоположных гранях). И наоборот: в электрическом поле древесина деформируется (меняет размеры).

Акустические свойства

Древесина может генерировать звук (прямым ударом) и усиливать/отражать звуковые волны от других тел. Это делает её уникальным материалом для музыкальных инструментов и акустических применений. Размер, плотность, влажность и модуль упругости влияют на частоту колебаний, а значит — на высоту звука. Большая плотность и упругость, меньшая влажность и размеры дают более высокие тона.

В этой статье перечислены и объяснены свойства древесины. Надеюсь, вы извлекли много полезного — делитесь с другими. Спасибо за чтение, до встречи!