Зависимость механических показателей древесины от влажности и температуры

Влажность древесины выражается в процентах и показывает содержание влаги по отношению к массе абсолютно сухой древесины, влажность которой - 0%. Начальная влажность сырых досок после лесопильного цеха изменяется в широких пределах: от 40 до 100 и более процентов. По влагосодержанию принято различать пиломатериалы сырые (влажность более 30%), пиломатериалы транспортной влажности (18-22%) и пиломатериалы производственной влажности (примерно 10%).

Рис. 1. Диаграмма равновесной влажности древесины

В древесине следует различать свободную влагу, находящуюся в полостях клеток, и связанную влагу, пропитывающую стенки клеток. Свободная влага находится только в древесине, влагосодержание которой более 30%. Удаление этой влаги не приводит к изменению размеров и формы пиломатериалов. Связанная влага содержится в древесине с влажностью до 30%. Эту величину называют пределом гигроскопичности. Удаление связанной влаги приводит к усушке и деформированию пиломатериалов. При последующем увлажнении наблюдается обратный процесс - разбухание пиломатериалов.

Изменение размеров деталей при изменении влажности древесины происходит в разных направлениях не­одинаково. Наибольшие усушка/разбухание наблюдаются в тангенциальном направлении (по касательной к годовым слоям), минимальные - в направлении вдоль волокон. Все эти особенности древесины как строительного материала учитываются при проектировании и эксплуатации изделий из нее.

Таблица 1. Коэффициенты для расчета поправочных
коэффициентов на влажность и температуру

В атмосферных или комнатных условиях нельзя жестко зафиксировать нужную влажность древесины. Дело в том, что она всегда стремится к равновесию с температурой и влажностью воздуха, в котором эксплуатируются изделия. При изменении температурно-влажностных условий эксплуатации меняется и влажность древесины (рис. 1). Данные диаграммы показывают, что с повышением относительной влажности  воздуха и с понижением температуры равновесная влажность древесины будет повышаться, что приведет к ее разбуханию. Обратные процессы ведут к усушке древесины, что часто вызывает не только изменение линейных размеров, но и коробление деревянных деталей.

Рис. 2. Зависимость пересчетных коэффициентов от 
влажности для предела проч ности древесины при
изгибе при температуре 0, 20 и 40°С

Коэффициенты разбухания составляют в тангенциальном направлении примерно 0,2-0,4% на 1% изменения влажности. В радиальном направлении они в полтора-два раза ниже, а вдоль волокон разбухание почти отсутствует. Нетрудно подсчитать, что при ширине детали, например, в 600 мм и увеличении влажности на 10% увеличение ширины может составить примерно 4%, или 24 мм!

Увеличение влажности, кроме того,  влечет за собой снижение всех показателей прочности и упругости материала. Степень снижения оценивается поправочными коэффициентами, которые показывают, насколько снижается показатель древесины при увеличении ее влажности на 1%.

Таблицы поправочных коэффици­ентов на влажность можно найти в справочной литературе [1, 2, 3]. Влияние температуры на показатели древесины проявляется довольно слабо и может выражаться линейной зависимостью. Совместное влияние двух факторов может быть описано такой формулой:

Таблица 2. Пересчетные коэффициенты на влажность и
температуру

где: Y^T_W- пересчетный показатель для текущей влажности W и температуры Т древе­сины; Y_min  - показатель древесины при влажности более 30% в долях 1, за которую принят показатель при влажности 0% и температуре 0°С; k_T - температурный коэффициент, показывающий, на какую долю снижается по­казатель древесины при увеличении температуры на 1°С; с - эмпирический коэффициент.

Коэффициенты, входящие в эту обобщенную формулу, приведены в табл. 1. Они рассчитаны на основании богатой базы данных по отечественным древесным породам, породам США и Канады, а также тропическим породам. Эти коэффициенты не зависят от плотности древесины и действительны для всех древесных пород.

Величина Y_min показывает, насколько уменьшается прочность древесины при ее полном увлажнении по сравнению с показателем для абсолютно сухой древесины. Это снижение очень существенно. Прочность сырой древесины составляет всего 35-55% от прочности абсолютно сухой древесины.

На рис. 2 приведены графики зависимости пересчетных коэффициентов от влажно­сти при температуре от 0 до 40°С применительно к пределу прочности при изгибе.

Для облегчения расчетов составлены таблицы пересчетных коэффициентов для че­тырех показателей древесины (табл. 2) для диапазона влажности до 40% и тем­пературы до 40°С.

Пример пользования таблицей пересчетных коэффициентов

Предположим, что предел прочности при изгибе определен при влажности древесины 10% и температуре древесины 20°С. Полученный результат составил 45,0 МПа. Требуется пересчитать этот предел прочности на условия эксплуатации древесины: влажность древесины - 15% и температура - 25°С. Пересчетный коэффициент для условий испытаний составляет 0,781; для условий эксплуатации - 0,639 (см. табл. 2). Сле­довательно, искомый результат равен 45,0 х (0,639 / 0,781) = 36,8 МПа.

Следует заметить, что все справочные данные, на основе которых сделаны наши расчеты, получены для малых чистых образцов. Для настоящих пиломатериалов с пороками типа сучков влияние влажности на прочность носит более мягкий характер. Дело в том, что увлажнение древесины увеличивает ее пластические свойства, и концентрация напряжений в зоне структурных неоднородностей снижается. В результате степень снижения прочности при увлажнении древесины с сучками будет несколько меньше, чем у бездефектной древесины.

Владимир ВОЛЫНСКИЙ

Литература:

1. Боровиков А. М., Уголев Б. Н. Справочник по древесине. - М.: Лесная промышленность, 1989. - 294 с.

2. Руководящие технические материалы (РТМ) «Древесина. Показатели физико-механических свойств». - Архангельск: ЦНИИМОД, 1974. - 112 с.

3. Справочное руководство по древесине / пер. с англ. - М.: Лесная промышленность, 1979. - 544 с.