Как удельный вес и плотность бруса из сосны влияет на его качественные характеристики? гост

Что такое удельная плотность дерева

Плотность древесины представляет собой отношение массы к объему такой древесины, иными словами показывает какой вес 1 кубического метра дерева.

Зачастую этот показатель используют строители для определения веса пиломатериалов или сооружения различного рода конструкций.

Однако плотность древесины переменчивая величина даже в пределах одной породы дерева.

Основными факторами, которые влияют на плотность дерева являются:

• влажность;
• количество лет;
• место произрастания;
• тип и размер леса;
• пористость.

Плотность древесины понижается с уменьшением влажности окружающей среды.

Усредненный показатель плотности

Удельная плотность древесины является обобщенным показателем, который рассчитывается при влажности 12%. По факту показатель может отличаться от книжного, но ошибкой это не является.

Породы деревьев с малой плотностью

Сосна, ель, лиственница, абаш, липа и осина являются представителями пород малой плотности и малой объемной массой до 540 кг/м3. Показатель плотности свежесрубленных мягких пород увеличивается до 850 кг/м³.

Таблица плотности дерева при различных показателях влажности (кг/м3)

Порода дерева	Процент влажности, %
15	20	25	30	40	50	60	70	80	100	Свеж.*
Лиственница	670	690	700	710	770	820	880	930	990	1100	940
Ель обыкновенная	450	460	470	490	520	560	600	640	670	750	740
Липа	500	530	540	540	580	620	660	710	750	830	760
Сосна обыкновенная	510	520	540	550	590	640	680	720	760	850	820
Пихта кавказская	440	450	460	480	510	550	580	620	660	730	720
Сосна кедровая	440	450	460	480	510	550	580	620	660	730	760
Осина	500	510	530	540	580	620	660	710	750	830	760

Значение плотности древесины при строительстве имеет огромное значение. Мягкая древесина из-за своей структуры и небольшого веса легко обрабатывается и пропитывается антисептиком, но при этом она не очень износоустойчивая. Однако она менее зависит от влажности, поэтому не так сильно впитывает воду как тяжелые сорта. Именно поэтому ее используют при строительстве во влажной местности.

Механические свойства

Рассматривая механические свойства древесины, вы выделите не только твердость, прочность и ударную вязкость, но и влажность. Последняя может быть относительной или абсолютной

Для практических целей особую важность имеет относительная влажность. Она показывает степень пригодности материала к технологической операции

Для склеивания лучше использовать материал с влажностью до 6 %. Механические свойства древесины указывают на то, что классифицировать ее можно по относительной влажности на категории. Материал бывает:

· сырым;

· воздушно-сухим;

· полусухим;

· сухим.

Мокрая древесина, абсолютная влажность которой превышает 100 %, образуется при долговременном нахождении в воде. Воздушно-сухая с абсолютной влажностью в пределах от 15 до 20 % образуется при долговременном хранении на воздухе. С увеличением влажности материал становится сложно использовать в производстве. Сырые заготовки хуже склеиваются, а по мере высыхания в изделиях могут появиться щели и трещины. Для предотвращения таких проблем древесина предварительно сушится.

Среди механических свойств древесины следует выделить гигроскопичность. Она представляет собой способность поглощать влагу из внешней среды. Для снижения скорости поглощения влаги поверхность покрывается лаками, эмалями и масляными красками. Максимальная влажность, которую можно достичь при поглощении влаги составляет 30 % при 20 °C. Это значение не зависит от породы.

Нельзя не упомянуть еще и о пористости. Для разных видов этот параметр будет обладать своим значением, но средний разбег составляет 34-80 %. Если рассматривать плотность, то можно выделить плотность древесины и древесного вещества. В последнем случае среднее значение равно 1,54 г/см3.

Область использования

Рассматривая области применения древесины, вы выделите то, что описываемый материал был первым видом топлива, который открыли древнейшие люди. Сегодня описываемое сырье используется для получения:

· древесного угля;

· щепы;

· дров;

· древесных гранул;

· древесной пыли;

· брикетов.

Спрессованный и измельченный материал обладает более высокой плотностью, что повышает коэффициент его полезного действия. Такое биотопливо выгодно отличается от дров ведь перевозить его рационально, но не всегда удобно и может быть опасно, так как оно воспламеняется и крошится.

Ценная древесина используется в строительстве, мебельном производстве, в авиа- и судостроении, а также при производстве бумаги. Этот материал ложится в основу:

· строительных лесов;

· перекрытий;

· потолков;

· срубов;

· опалубки;

· ферм;

· стен;

· дверей;

· окон.

Применяется древесиной еще и в качестве отделочного материала. Она поставляется на рынок в виде:

· вагонки;

· плинтусов;

· паркета;

· фанеры;

· уголков;

· галтелей;

· паркетных щитов.

Состав

При изучении вопроса о древесине обязательно необходимо ознакомиться с ее составом. В ней содержатся органические вещества, в которые входят:

· азот;

· водород;

· углерод;

· кислород.

Элементарный химический состав у разных пород остается почти одинаковым. Абсолютно сухой материал будет содержать углерод в объеме 49,5 %, 6,3 % водорода и 44,2 % кислорода с азотом. Последний содержится в материале в объеме 0,12 %. Элементарный химический состав древесины в области ветвей и ствола почти не отличается. Условия произрастания тоже никак не влияют на содержание основных элементов.

Помимо органических веществ, в древесине имеются минеральные соединения, которые дают при сгорании золу. Количество упомянутого элемента достигает 1,7 %. У отдельных пород объем золы может быть выше и составляет 3,5 %. У одной и той же породы количество золы будет зависеть от части дерева, условий произрастания и возраста, а также положения в стволе.

Больше золы получается при сжигании листьев и коры, а стволовая древесина дуба дает примерно 0,35 %. Древесина ветвей содержит больше золы, чем древесина ствола. В составе золы соли щелочноземельных металлов. Если речь идет о древесине сосны, то в золе, а также в золе березы и ели содержатся соли кальция в объеме 40 %.

По химическому составу ранняя и поздняя древесины почти одинаковы, это относится к содержанию гемицеллюлозы, лигнина и целлюлозы. Ранняя древесина содержит больше веществ, которые растворяются в эфире и воде. Это особенно свойственно лиственнице.

По высоте ствола химический состав меняется мало. В составе дуба не обнаружено почти ощутимых различий по высоте. У осины, ели и сосны в возрасте спелости обнаружено незначительное увеличение содержания целлюлозы.

Дополнительно о твердости

Это свойство говорит о способности материала сопротивляться внедрению тела определенной формы. У торцевой части твердость выше по сравнению с боковыми поверхностями у лиственных пород на 30 %, а у хвойных – на 40 %.

Все древесные породы по степени твердости разделяются на мягкие, твердые и очень твердые. У последних торцевая твердость превышает 80 МПа. К таким можно отнести:

· железную березу;

· белую акацию;

· кизил;

· фисташки;

· самшит.

Твердость обладает существенным значением при обработке режущими инструментами. Это касается и тех случаев, когда материал подвергается истиранию при устройстве лестниц и полов.

Древесина обладает еще и определенным уровнем износостойкости. Это указывает на способность сопротивляться износу и постепенному разрушению поверхностных зон. Это может произойти при трении. Испытания показали, что износ с боковых поверхностей больше, чем у основания торцевого разреза. С увеличением твердости и плотности износ уменьшается. У влажной древесины он больше, чем у сухой.

Таблица справочных значений плотности для пород деревьев

Так как стандартизированные значения плотности для древесины имееют групповой вид, пришлось полазить по англоязычным справочникам, чтобы собрать значения плотности по породам деревьев. Получилась следующая таблица: Плотность древесины наиболее встречаемых пород деревьев

Порода дерева	Плотность древесины кг/м³
Бальса (Бальза)	120-160
Пихта сибирская	390-430
Ель северная	400-450
Секвойя вечно-зелёная	410
Тополь	400-500
Ива	460
Сосна	450-500
Ольха	490
Осина	510
Липа	530
Красное дерево	540
Конский каштан	560
Каштан съедобный	590
Кипарис	600
Черемуха	610
Сапелли	620
Лещина	630
Орех грецкий	640
Берёза	650
Вишня	660
Вяз гладкий	660
Лиственница	660
Клен полевой	670
Тиковое дерево	670
Груша	690
Дуб	690
Афрормозия	700
Свитения (махагони)	700
Платан	700
Жостер (крушина)	710
Бук	720
Граб	750
Падук	750
Тисс	750
Ясень	750
Дуссия	800
Кемпас	800
Слива	800
Сирень	800
Боярышник	800
Палисандр	800 — 1000
Пекан (кария)	830
Ярра	830
Мербау	840
Ятоба (мареил)	840
Керуинг	850
Кулахи	850
Мутения	850
Венге	900
Лапачо	900
Олива	900
Сандаловое дерево	900
Панга-панга	950
Самшит	960
Лим	970
Сукупира	1 000
Кумару	1 100
Эбеновое дерево (Хурма)	1 080
Черное дерево	1 160
Квебрахо	1 210
Гваякум или бакаут	1 280

Что такое плотность древесины?

Древесиной высокой плотности называют породы, структура волокон которых тесно сжата – то есть концентрация древесных клеток на квадратный сантиметр бруска выше, чем у менее плотной породы. Плотная древесина, как забитый людьми автобус – сопротивляется любому движению внутри, поэтому с ней сложнее работать. Чтобы прогнозировать податливость деревяшки до того, как она сточит под корень режущую кромку инструмента, нужно уметь определять ее плотность.

Некоторые бруски, вопреки привычным представлениям о древесине, стремительно тонут в воде. Кстати, это один из способов определения плотности — погружение в воду, но мы не советуем этим увлекаться, так как есть и менее радикальные методы. Все-таки, дерево не очень любит влажность.

На уроках физики нам рассказывали, что плотность – это соотношение массы тела к его объему. Если взвесить деревянный брусок, и получившееся значение разделить на перемноженные между собой величины его сторон, мы узнаем его плотность. Получается, что, сделав тоже самое с идентичным по размеру бруском другой породы, мы определим, какое дерево плотнее. Но не все так просто.

Древесина – крайне неоднородный материал. Она состоит из волокон древесного вещества и сети пустот разных размеров, которые формируются под влиянием множества факторов. По этим пустотам, как по каналам, разносятся вода и минералы, впитываемые корнями из земли.

Присмотритесь к этому торцевому сечению дуба — годичные кольца идут волнами и на разном расстоянии друг от друга, поры то тут, то там срастаются в сплошную линию, да еще и сердцевинные лучи идут с нарушенной геометрией. Очевидно, что это неоднородная масса:

В зависимости от условий, которые оказывали воздействие в момент нарастания волокон, даже находящиеся рядом части одного дерева могут быть в разной мере испещрены проводящими каналами. В сухой древесине они более или менее опустошены либо наполнены неиспаряемыми маслами, поэтому чем их больше, тем меньше масса бруска, а значит, тем меньше его плотность. Отличия могут быть значительными даже у образцов из одного дерева, что уж говорить о разных деревьях одной породы, которые росли в разных условиях? Эталона не существует, поэтому показатели довольно приблизительны и могут заметно варьироваться.

Раз уж мы упомянули сухую древесину, следует оговориться, что мы рассматриваем только материал, высушенный до влажности около 12%, чтобы не учитывать воду, которой все равно не останется в заготовке, пригодной к работе.

Итак, чем меньше в древесине пор в соотношении с древесным веществом, тем большую она имеет плотность. Хоть в мербау, например, пористость с торцевой стороны можно увидеть невооруженным глазом, а липа на первый взгляд кажется однородной, волокна первой породы туго стянуты друг с другом, в то время как структура липы рыхлая, с большим количеством воздуха в крошечных зазорах. Поэтому плотность не всегда определяется визуально, и она зависит не только от количества пор, но и от связки волокон между собой.

Слева на фото торцевой срез липы, справа — мербау. Хоть величина каналов у мербау значительно больше, липа полностью усыпана ими, что снижает ее плотность. К тому же, в порах мербау попадаются следы кремнезема и масел, которые увеличивают ее вес и, соответственно, удельную плотность:

Твердость

Такая характеристика, как твердость будет зависеть от породы. Древесина по этому параметру классифицируется на отдельные группы, среди них:

· материалы средней твердости;

· мягкая древесина;

· очень мягкая;

· очень твердая;

· твердая;

· твердая как кость.

Твердость древесины определяется в Америке и Европе по разным шкалам. В России используется шкала Бринелля. У осины описываемый параметр составляет 4,1, у полевого клена – 4,2. Самая высокая твердость свойственна падуку, в данном случае она составляет 8.

Суть метода определения твердости заключается в вдавливании шарика в поверхность с силой 100 кг. По диаметру лунки и характеру повреждения определяется твердость. Если древесина имеет более высокий коэффициент твердости, то она окажется крепче и надежнее пород с меньшим показателем.

Знакомясь с механическими свойствами древесины, вы сможете понять, что изменения в твердости будут происходить во время работы с заготовками. Например, твердость будет меняться в зависимости от распила. Используя радиальный распил, вы почувствуете более высокую твердость, чем при тангенциальной обработке материала.

Описание основных сортов хвойных пород и их применение

Хвойная древесина включает кедр, который является высокодекоративной культурой. Он применяется в ландшафтном дизайне, а характеристики этих пиломатериалов делают дерево самым востребованным в строительстве. Кедр является естественным антисептиком, поэтому в доме, выстроенном из этого сырья, будут отсутствовать бактерии.

Лиственница является листопадным хвойным деревом, наиболее прочным из распространенных хвойных лесоматериалов. Предел прочности составляет 105 Н/мм2. Благодаря этому сырье популярно при производстве досок для пола, вагонки и террасной доски. Издавна из лиственницы строили корабли. В ней высоко содержание смол, она обладает внушительной крепостью, поэтому сохраняет первоначальные характеристики под воздействием влажности.

Сосна уступает лиственнице по прочности – 100 Н/мм2. Но иногда это становится преимуществом, ведь обработке материал подается легче. Сосна – это универсальное сырье, из которого изготавливают половую доску, имитацию бруса и евровагонку.

Прочность ели ниже и составляет 80 Н/мм2. Но она отличается высокой пластичностью, поэтому распространена при производстве профилированных лесоматериалов. Сосна и ель имеют повышенную смолистость, которая играет защитную роль. Древесина не подвергается воздействию влаги, жучков и грибков. Это сырье обладает высокой податливости и легко обрабатывается.

Сосновые и еловые пиломатериалы выбираются для изготовления сложных и небольших конструкций по типу балконов и перил. Незначительная плотность позволяет пропитать брус и доски составом для увеличения прочности и долговечности. Если построить из ели или сосны загородный дом, то он будет готов простоять до 50 лет. Тогда как если использовать кедр, то срок службы здания увеличится в два раза.

Переработка

Переработка древесины может осуществляться одним из нескольких способов, среди них:

· химико-механический;

· механический;

· химический.

Механическая технология переработки предусматривает изменение формы строганием, пилением, лущением, фрезерованием, точением, сверлением, раскалыванием, резьбой и измельчением. При механической обработке есть возможность получить товары народного потребления и промышленного назначения.

Древесина может быть подвергнута механическому истиранию, что позволяет получить волокнистые полуфабрикаты. Переработка древесины может вестись по химико-механической технологии. Это позволяет получить промежуточный продукт из материала, однородного по размерам и составу. Поверхность покрывается связующим веществом.

Под воздействием давления и температуры происходит реакция полимеризации связующего, в результате этого промежуточный древесный продукт склеивается. При такой переработке получаются:

· цементно-стружечные плиты;

· древесностружечные материалы;

· столярные изделия;

· фибролит;

· арболит.

Химическая переработка осуществляется методом термического разложения и воздействия: растворителей кислот, щелочей, кислых солей, сернистой кислоты. Эта технология называется пиролизом или термическим разложением. Сырье нагревается при высокой температуре без доступа кислорода. Это позволяет получить продукты в разных состояниях, среди них:

· газообразные;

· жидкие;

· твердые.

Наибольшее практическое значение из них имеет древесный уголь.

Область использования легкого древа

Самой легкой древесиной является бальза. Она относится к семейству мальвовых и произрастает в Южной Америке. Из этого сырья был построен плот норвежского путешественника, на котором он совершил путь через тихий океан. Сверхлегкая древесина используется в авиационной промышленности в качестве материала для звуко- и теплоизоляции.

Применяется бальза в судостроении и судомоделировании. Сырье ложится в основу досок для серфинга. Используется для изготовления:

· макетов;

· декораций;

· оборудования для спасения на водах;

· поплавков.

Легкость обусловлена быстротой роста. К пяти годам дерево становится взрослым. Крупные растения обладают прочной и легкой древесиной, которая считается самой легкой в высушенном состоянии. В свежесрубленном виде древесина тяжелая, так как содержит до 95 % воды. Материал быстро высыхает и становится плотным, довольно крепким и легким. При сравнении с популярной сосной конструкции из бальзы получаются более прочными, жесткими и легкими.

Бальза легко поддается обработке, но требует для этого специального инструмента с малым углом заострения и тонким лезвием. Окрашиванию детали из древесины подаются плохо, что особенно касается красок и лаков. Возможно использование смеси и на водной основе или составов в виде спиртовых протрав.