Материалы, свойства которых, в том числе прочность, твердость и упругость, различаются в разных направлениях, называются анизотропными; к таким материалам обычно относят древесину.
Однако неоднородность древесины не ограничивается только существенными различиями механических свойств вдоль и поперек волокон или в радиальном и тангентальном направлениях.
Многие исследователи отмечают резкие различия в прочности древесины в зависимости от породы, наличия пороков, содержания воды, а также от индивидуальных особенностей, сложившихся в процессе формирования.
Эта неоднородность значительно усложняет расчет деревянных конструкций и очень часто приводит к излишнему перерасходу материала.
Неодинаковые показатели прочности в трех взаимно-перпендикулярных направлениях определяются формой и расположением клеток, составляющих древесину, направлением кристаллитов и фибрилл во вторичных слоях оболочки, наличием сердцевинных лучей и другими особенностями, свойственными материалам растительного происхождения.
Принимая во внимание неоднородность механических свойств, Государственный Комитет Совета Министров СССР по делам строительства ввел с 1 января 1955 года для древесины сосны и ели следующие нормы расчетного сопротивления.
Нормы расчетного сопротивления примерно в семь раз меньше предела прочности при испытании стандартных (чистых) образцов древесины на растяжение, в пять раз — при испытании на изгиб и в три раза — при сжатии. Такие большие запасы прочности приняты только из-за неоднородности древесины.
Установленные Госстроем нормы расчетного сопротивления древесины учитывают возможное влияние на ее прочность сучков, трещин и других пороков, понижающих однородность материала.
Влажность древесины. Древесина как материал растительного происхождения практически никогда не бывает абсолютно сухой, а находится в определенной взаимосвязи с водой. Отношение весового количества влаги, содержащейся в древесине, к ее абсолютно сухому весу носит название влажности древесины и обычно выражается в процентах: W = (g1 — g):g ∙ 100 = %, где W — влажность древесины; g1 — вес древесины во влажном состоянии; g — вес древесины в абсолютно сухом состоянии.
Вода в древесине может заполнять полости клеток или пропитывать их оболочки. Воду, находящуюся в полости клеток, называют свободной, а пропитывающую клеточные стенки, — гигроскопической. Свободная или капиллярная влага не находится в физико-химических связях с веществом клеточных стенок, довольно легко удаляется при высушивании, не оказывает влияния на механические и физические свойства древесины, за исключением ее веса. Гигроскопическая вода, пропитывающая клеточные оболочки, имеет разные связи с веществом древесины. В аморфных участках фибрилл между гидроксилами целлюлозных цепей и молекулами воды образуются водородные связи; в участках целлюлозы, имеющей кристаллическое строение, вода находится в виде субмикроскопических прослоек между кристаллитами. При удалении гигроскопической воды кристаллиты сближаются, уменьшая радиусы субмикроскопических каналов, в которых она размещается. Это явление вызывает, с одной стороны, рост капиллярных сил, определяющих взаимосвязь гигроскопической воды с древесиной, а с другой стороны — уменьшение объема клеточной оболочки. Максимальное насыщение клеточных оболочек водой при отсутствии влаги в полости клеток, характеризует предел их набухания, а, следовательно, и предел увеличения объема древесины.
Этот предел называется гигроскопической точкой. Максимальное содержание в древесине гигроскопической воды примерно равно 30% от ее абсолютно сухого веса. Для древесных пород, применяемых в строительстве, оно колеблется от 29 до 32%.
Сырая древесина на открытом воздухе либо в помещении начинает постепенно терять влагу; вначале испаряется преимущественно свободная вода, а затем связанная.
Свободная вода при любой температуре, но при обязательно неполном насыщении окружающего воздуха может быть вся извлечена из древесины. Температура и влажность воздуха определяют при этом только скорость удаления свободной воды. Гигроскопическая влага из древесины может удаляться лишь до определенного предела, обусловленного температурой и влажностью окружающего воздуха. Высыхание прекратится, если влажность древесины будет соответствовать температуре и влажности окружающего воздуха; это состояние называют равновесным, а влажность древесины — равновесной, или устойчивой.
Равновесная влажность достигается, когда упругость паров воздуха сравняется с упругостью паров воды у поверхности древесины. Повышение температуры и понижение влажности воздуха вызовет дальнейшее удаление гигроскопической воды. Обратное изменение температуры и влажности воздуха приводит к поглощению древесиной паров воды из воздуха и увеличению количества гигроскопической воды.
Пары воды поглощаются древесиной за счет капиллярной конденсации, которая, в свою очередь, обусловлена понижением упругости пара над поверхностью менисков воды в субмикроскопических капиллярах.
Равновесная влажность древесины не зависит от породы и одинакова для ядра и заболони.
Таким образом, количественное содержание воды в древесине, если последняя не имеет контакта с жидкостью, определяется температурно-влажностными параметрами воздуха, в которых находится та или иная деревянная конструкция. При длительном пребывании на открытом воздухе, в отапливаемом, или неотапливаемом, но хорошо вентилируемом помещении древесина полностью теряет свободную воду и не может восстанавливать ее за счет паров, находящихся в воздухе.
В предварительно высушенной древесине восстанавливается свободная вода только при погружении в воду или при постоянном контакте с водой, находящейся в почве или попадающей на деревянные конструкции из-за нарушения строительных или эксплуатационных правил.
Непосредственно после рубки деревьев содержание воды в древесине значительно.
Влажность заболони и центральной части ствола хвойных пород резко различается, у лиственных же влажность по сечению деревьев распределяется более равномерно. Несмотря на высокую влажность растущих и свежесрубленных деревьев, полости их далеко не заполнены водой и древесина может еще увеличить свою влажность. Так, например, влажность заболони сосновых и еловых неокоренных бревен после длительного сплава на 12—15% выше свежесрубленной древесины.
Древесина с влажностью 23% и выше не обладает нужной стойкостью против загнивания, а, следовательно, и долговечностью и подлежит перед употреблением обязательной сушке или специальной антисептической обработке.
Удаление свободной воды сопровождается только потерей веса древесины. С понижением влажности за точку насыщения волокна и с началом удаления гигроскопической воды происходит усушка древесины. Объясняется она тем, что при удалении воды из межкристаллитных промежутков кристаллиты сближаются, уменьшая соответственно линейные и объемные размеры клеточных оболочек.
Древесина в трех взаимно-перпендикулярных направлениях усыхает весьма неравномерно. У хвойных пород при переходе влажности древесины от гигроскопической точки до абсолютно сухого состояния усушка составляет в тангентальном направлении около 10%, в радиальном — 5 и вдоль волокон — 0,16% к сухому состоянию. Наблюдаются также значительные различия в усушке ранней и поздней древесины хвойных пород, тогда как у лиственных ранняя и поздняя древесина усыхают одинаково. Если сухая древесина увлажняется, то происходит явление, обратное усушке — разбухание.
Способность древесины уменьшать или увеличивать свои размеры при удалении или поглощении гигроскопической воды обусловливает растрескивание и коробление лесоматериалов, перекосы дверных и оконных коробок, рассыхание полов и многие другие нежелательные явления. Поэтому столярные изделия важно изготовлять из древесины, имеющей влажность близкую к эксплуатационной (устойчивой). Необходимо также защищать древесину от возможного поглощения водяных паров путем ее грунтовки, окраски или пропитки.
Вес древесины. При характеристике веса древесины различают два понятия:
а) удельный вес древесинного вещества и
б) объемный вес древесины.
Удельный вес древесинного вещества, из которого состоят оболочки клеток, выше 1 и практически не зависит от породы, в среднем его принимают равным 1,54. Удельный вес используется при определении водопоглощения, пористости древесины и других расчетах.
Объемный вес древесины зависит от целого ряда факторов и прежде всего от ее влажности. Поэтому объемный вес принято определять при 15-процентной влажности или при абсолютно сухом состоянии.
Вес одного кубо метра древесины в тоннах при 15-процентной влажности соответствует табличному показателю объемного веса. При объемном свесе сосны 0,54 вес 1 м3 древесины будет равен 0,54 т. Вычислив объемный вес при заданной влажности, мы можем с достаточной для практических целей точностью определить вес того или иного объема древесины.