На что влияет плотность древесины
От чего зависит плотность древесины и как ее узнать
Древесину можно назвать одним из старейших материалов, использующихся в строительстве. Испокон веков человек сооружал себе жилье из веток и палок. С тех пор прогресс шагнул далеко вперед, но древесина, как и прежде, остается одним из наиболее распространенных строительных материалов.
Что такое плотность материала
Плотность древесного вещества
По мере роста дерево потребляет из окружающей среды влагу, кислород и другие питательные вещества. Конечно, они не пропадают бесследно. Если присмотреться к срубу дерева, можно заметить, что оно не состоит только из так называемого древесного вещества. При ближайшем рассмотрении можно увидеть поры, по которым циркулируют жизненные соки растения. Кроме того, влажность свежеспиленного дерева обычно составляет около 60-80 %, а это значит, что в составе его древесины имеется также вода.
Как рассчитать плотность
Единица измерения объемного веса подсказывает нам, как решить эту задачу. Нужно лишь знать вес образца и его объем, который, как известно, вычисляется перемножением длин сторон объекта.
Наиболее простым примером станет определение плотности абсолютно сухого материала, то есть древесины, в которой полностью отсутствует вода. Формула в данном случае максимально проста:
От чего зависит плотность
По объемному весу различные породы делятся на три категории:
К первому типу относятся дуб, граб, береза и некоторые другие лиственные деревья. Для второй категории характерная средняя плотность древесины. Примерами являются лиственница, вяз, клен, рябина, орех и т.д. Плотность хвойной древесины считается наименьшей, поэтому она относится к третьей категории. Это ель, сосна и кедр. Такое разграничение говорит нам о том, что на объемный вес древесины влияет порода дерева.
Лиственные породы
Мы уже выяснили, что порода дерева влияет на плотность древесины. Таблица ниже включает точные значения объемного веса при различной влажности материала – от 15 до 100 %. Такой подход позволяет наиболее полно оценить изменение плотности древесины в различных условиях.
Свойства древесины
Очень важную роль в строительстве играет качество материалов. Как и другие строительные материалы, древесина (любые пиломатериалы) различается по свойствам и характеристикам. Зависят эти характеристики от породы дерева, применяемого в качестве используемого материала. Для тех или иных задач и назначений подбирают соответствующие породы древесины, способные выполнять поставленные перед ними задачи.
Свойства относящиеся к древесине:
Плотность древесины
Что такое плотность древесины
Плотность древесины зависит от её влажности. Как и все остальные показатели физико-механических свойств древесины, она определяется при влажности 12 %. Между прочностью и плотностью существует тесная связь. Более тяжелая древесина, как правило, является более прочной. При определении плотности древесинного вещества его массу определяют взвешиванием, а объем рассчитывают по разнице объема образца древесины и объема жидкости, заполнившей пустоты в этом образце.
По плотности древесины при влажности 12 % все породы делят на три группы:
Необходимо отметить, что почти вся древесина у хвойных пород деревьев, за исключением лиственницы и некоторых видов сосны, имеет низкую плотность.
Твёрдость древесины
Суть метода Бринелля заключается в способности древесины сопротивляться внедрению (вдавливанию) в неё более твёрдого тела (индентора). При измерениях по Бринеллю используются инденторы в виде шариков из закалённой стали. Первоначально индентор устанавливают на проверяемом образце древесины, следом прилагается основная нагрузка. Спустя определенное время после приложения, нагрузку снимают и измеряют глубину оставшегося на дереве отпечатка. Рассчитывают твёрдость древесины по Бринеллю таким образом: приложенную нагрузку делят на площадь поверхности отпечатка, при этом соответствующими нормативными документами определены диаметры индентора и время экспозиции.
При методе Янка также используется индентор в виде металлического шарика, однако оценивается не глубина вдавливания, а сила, которую надо приложить, чтобы вдавить шарик в древесину на половину диаметра.
Все древесные породы по твёрдости делят на три группы:
Влажность древесины
Влажность это соотношение массы влаги (воды), находящейся в данном объёме древесины, к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах ( % ). В древесине вода пропитывает клеточные оболочки и заполняет полости клеток и межклеточные пространства. Влага, пропитывающая клеточные оболочки, называется связанной. Влага, заполняющая полости клеток и межклеточные пространства, называется свободной.
Различают следующие степени влажности древесины:
Абсолютно сухая влажность 0 %, древесина высушена при температуре t = 103°C.
Содержание влаги в стволе растущего дерева изменяется по высоте и радиусу ствола, а также в зависимости от времени года. Например, влажность заболони сосны в 3 раза выше влажности ядра. У лиственных пород изменение влажности по диаметру более равномерное. По высоте ствола влажность заболони у хвойных пород увеличивается вверх по стволу, а влажность ядра не изменяется. У лиственных пород влажность заболони не изменяется, а влажность ядра вверх по стволу снижается.
Влажность у молодых деревьев выше и её колебания в течение года больше, чем у старых деревьев. Наибольшее количество влаги содержится в зимний период (ноябрь-февраль), минимальное – в летние месяцы (июль-август).
КОЭФФИЦИЕНТЫ УСУШКИ ДРЕВЕСИНЫ, %
| Порода | Усушка | ||
|---|---|---|---|
| объёмная | в тангенциальном направлении | в радиальном направлении | |
| Лиственница | 0,52 | 0,35 | 0,19 |
| Сосна | 0,44 | 0,28 | 0,17 |
| Ель | 0,43 | 0,28 | 0,16 |
| Пихта | 0,39 | 0,28 | 0,11 |
| Кедровая сосна | 0,37 | 0,26 | 0,12 |
| Берёза | 0,54 | 0,31 | 0,26 |
| Бук | 0,47 | 0,32 | 0,17 |
| Ясень | 0,45 | 0,28 | 0,18 |
| Осина | 0,41 | 0,28 | 0,14 |
Усушка, разбухание и коробление древесины
Если растягивающие напряжения достигают предела прочности древесины на растяжение поперёк волокон, появляются трещины. Так появляются поверхностные трещины в начале сушки и внутренние в конце сушки.
Наличие различных напряжений внутри древесины может привести к её короблению.
Раскалываемость древесины
Износостойкость и гибкость древесины
Наибольшей способностью к гнутью (загибу) обладают лиственные кольце-сосудистые породы деревьев (дуб, ясень) и рассеянно сосудистые (бук, берёза). У хвойных пород эта способность очень невысока.
Способность к гнутью широко используется при изготовлении мебели, предметов интерьера.
Тепловые свойства
К тепловым свойствам относятся теплоёмкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение.
Деформативность
Модуль упругости вдоль волокон Е = 12-16 ГПа, что в 20 раз больше, чем поперёк волокон. Чем больше модуль упругости, тем более жесткая древесина.
С увеличением содержания связанной воды и температуры древесины, жесткость её снижается. В нагруженной древесине при высыхании или охлаждении часть упругих деформаций преобразуется в «замороженные» остаточные деформации. Они исчезают при нагревании или увлажнении.
Поскольку древесина состоит в основном из полимеров с длинными гибкими цепными молекулами, её деформативность зависит от продолжительности воздействия нагрузок. Механические свойства древесины, как и других полимеров, изучаются на базе общей науки реологии. Эта наука рассматривает общие законы деформирования материалов под воздействием нагрузки с учётом фактора времени.
Плотность древесины
Данный параметр представляет собой соотношение массы древесины к ее объему. Плотность дерева выражается в кг/м³. В строительстве и изготовлении мебели или лестниц из дерева плотность служит для вычисления массы материалы.
Древесина имеет большое количество межклеточного пространства с пустотами. С помощью спрессовывания устраняются эти пустоты, за счет чего получают древесное вещество. Спрессованная древесина будет иметь меньшую плотность по отношению к удельному весу древесного вещества. Прочность материала будет зависеть от величины этого показателя. Древесина, имеющая больший удельный вес, трудно поддается обработке и антисептической пропитке.
Классификация древесины по плотности
По плотности древесины при влажности 12% все породы делят на три группы:
Все хвойные породы деревьев имеют низкую плотность. Исключениями могут быть только лиственница и несколько редких видов сосны.
Как измеряют плотность древесины?
Средняя плотность древесины измеряется по определенному алгоритму:
Данный алгоритм расчета удельного веса прописан в ГОСТ 16483.1-84. В рекомендациях указано, что измерения лучше всего проводить на заготовках, которые имеют форму прямоугольной линзы. Грани образца должны быть хорошо обработаны. Размеры заготовки должны быть следующими: длина – 20 мм, ширина 20 мм, высота 30 мм.
Зависимость плотности дерева от влажности
На плотность древесины влияют несколько параметров. Но ключевым является влажность дерева. Чем выше влажность, тем больше вес бруска. За счет этого увеличивается масса заготовки. В результате древесина с повышенной влажностью имеет большую плотность.
Выделяют 3 основных категории древесины по влажности:
Свежесрубленная древесина обычно имеет влажность не менее 50%. Материал проходит сушку на свежем воздухе под специальным навесом. Такая процедура убирает влагу до 25%. Чтобы добиться 12% влажности дерева помещают в сушильную камеру. Только при таком проценте влажности можно проводить измерение.
Таблица плотности древесины различных пород
В следующей таблице представлена плотность различных пород древесины:
Плотность древесины — ликбез от Лесопилки Юркова
Подразделы категории
В данной категории нет товаров.
Плотность древесины – одна из самых значимых ее физических характеристик, которая во многом определяет пригодность породы к тем или иным работам. Каждый плотник, столяр, токарь и резчик по дереву замечал разницу между липой и ясенем, а также то, как его инструмент справляется с ними. Опытные мастера, только покрутив в руках деревяшку, могут предположить, как она будет гнуться, стоит ли браться за ее обработку ручными резцами и какие нагрузки сможет выдержать получившееся изделие. На все это влияет плотность, но что это за показатель такой, и как он определяется?
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:
На что влияет плотность древесины?
Мы уже упомянули, что более плотные породы сложнее обрабатываются, особенно ручными инструментами. Даже металл постепенно сдается после попыток разорвать структурные связи древесных волокон, поэтому режущую кромку приходится так часто затачивать. На это также влияет твердость, которая имеет прямую взаимосвязь с плотностью.
Твердые и плотные породы уместно обрабатывать инструментами с электроприводом (бормашинками, граверами), чтобы значительно ускорить и упростить процесс
Более твердые породы лучше выдерживают нагрузки и сопротивляются повреждениям, однако, как правило, хуже сгибаются и менее упругие.
Твердость определяется разными методами, самые распространенные из которых – это тесты Бринелля, Роквелла, Монин и Янка. Суть их сводится к вдавливанию предмета из металла или других прочных материалов в поверхность доски и высчитыванию коэффициента из размера образовавшейся лунки или силы, которая была приложена для этой манипуляции. Не важно каким из методов определена твердость, главное при сравнении пород ориентироваться на показатели одного и того же тестирования. Впрочем, каноничных значений все равно быть не может, так как невозможно получить абсолютно идентичные по структуре бруски, поэтому всегда есть некоторая погрешность и отличающиеся данные в разных источниках. Также важно понимать, что измерения тангенциального, радиального и торцевого куска дерева дадут разные показатели.
Так выглядит аппарат для проведения теста Янка:
Плотность древесины также влияет на ее способность к впитыванию. Рыхлый и пористый брусок стремительно впитывает влагу из воздуха и разбухает, но зато и лучше принимает защитные масла и пропитки.
Почему у разных пород древесины разная плотность?
Такова воля природы. Деревья растут и в жаркой пустыне, и в прохладных болотах, и в любых условиях стараются выжить. В средней полосе, где только зимой или в ветреную погоду приходится нелегко, растения имеют доступ к изобилию питательных веществ в увлажненной, умеренно теплой и вполне удобренной почве. Дерево, ни в чем себе не отказывая, насыщается через корни, камбий быстро разрастается, а волокна наполняются влагой. После сушки такая древесина сильно теряет в весе и, соответственно, в плотности.
Растениям в сложных климатических условиях приходится накапливать жизненно необходимые вещества внутри волокон. Они учатся вырабатывать масла, которые защищают их от засухи и насекомых. Постоянный дефицит и стресс делает деревья не только запасливыми, но и медленно растущими. Минимальное нарастание камбия в течение года делает годичные кольца практически неразличимыми, а недостаток влаги ведет к появлению масел в волокнах, которые не испаряются после усушки.
Промасленность некоторых пород чувствуется пальцами, а иногда и визуально — наприме, если обработать поверхность бруска растворителем:
Разные породы древесины зародились и прижились там, где смогли приспособиться к условиям, и растут в тесной взаимосвязи с окружающей флорой и фауной. Деревья улавливают любые изменения среды, отвечая на них адаптацией в самой структуре, поэтому даже внутри породы, семейства, рода и вида растения могут сильно отличаться друг от друга. В том числе и по плотности.
Эти породы произрастают на одном континенте в похожих погодных условиях, однако под микроскопом их структура сильно отличается:
Таблица плотности разных пород древесины
Для любителей чисел и сравнений мы сделали табличку с показателями плотности тех пород, которые встречаются у нас в ассортименте. Для наглядности писок отсортирован от большего к меньшему – от древесины, по тяжести сравнимой с камнем, до той, из которой делают невесомые поплавки.
Все показатели намеренно усреднены и не гарантируют, что купленный вами брусок им соответствует. Ведь, как мы уже говорили, дерево – живой и неоднородный материал, который не вписывается в строгие рамки и характеристики.
Что такое плотность дерева и как этот параметр влияет на технические свойства пиломатериалов
Попробуйте вкрутить шуруп в древесину разных пород, и вы заметите, что иногда он идет легче, а иногда сложнее — причина этого в разной плотности дерева
Покупая пиломатериалы для строительства, изготовления мебели и прочих нужд, можно встретить термин «плотность дерева». Оказывается, этот параметр содержит множество принципиально важных свойств древесины. Я расскажу о том, насколько плотной может быть древесина, от каких факторов зависит эта величина и как она сказывается на других свойствах пиломатериалов.
Определение параметра
Таблица показывает плотность различных пород дерева, здесь же можно заметить то, как этот параметр меняется в зависимости от перемены показателей влажности
Плотность равняется отношению массы к объёму. То есть, интересующий нас параметр определяется тем, какова масса древесины в единице объема (г см3 или кг/1 м³).
Прибор резистограф — это то оборудование, с помощью которого можно определить твердость древесины
Удельная плотность сухих пиломатериалов (влажность не более 12 %) рассчитывается по формуле m0 / V0 = ρ0, где:
В таблице показаны соотношение плотности и устойчивости древесины к механическим нагрузкам
Все древесные породы делятся на 3 группы:
Важно понимать, что плотность древесины величина не постоянная и изменяется вследствие воздействия различных факторов. Обратно пропорционально вместе с плотностью будут изменяться свойства, которые с ней связаны.
От чего зависит плотность
| Иллюстрации | Факторы, определяющие плотность пиломатериалов |
 | Пористость. Если посмотреть на поперечный срез бревна или бруска, вы заметите, что его структура неоднородная и состоит из множества микропор. Чем больше пор, тем материал менее плотный – мягкий и наоборот, чем пор меньше, тем он более твердый. |
 | Вес. Чем меньше пор в древесине, тем она тяжелее. Значит, чем тяжелее пиломатериалы, тем они плотнее и тверже. |
Это наблюдение актуально для большинства пород за редким исключением. Например, растущие на территории США болотный ясень – мягкий, но сопоставим с весом черного и красного дерева.
Влажность. Чем выше влажность пиломатериалов, тем они плотнее и тяжелее. Но нужно помнить, что это свойство непостоянное и меняется в процессе усушки.Именно поэтому инструкция строительства предполагает использование сухой древесины, которая при усушке не претерпит механических деформаций.
Свойства древесины, которые зависят от плотности
| Иллюстрации | Описание |
 | Абсорбция. Под этим термином нужно понимать впитывающую способность материала. |
Известно, что пористая древесина впитает гораздо больше влаги, чем аналогичная поверхность, но с меньшим количеством пор. Именно поэтому влажность бревна предпочтительно измерять не в продольной его части, а на поперечном срезе, где поры открыты.
Теплопроводность. Известно, что материал с меньшей плотностью отличается меньшей теплопроводностью. Это обусловлено тем, что поры представляют собой заполненные воздухом микропустоты, которые выполняют функцию термоизоляции.
И наоборот, чем плотнее древесина, тем быстрее она прогревается и охлаждается. Поэтому при обустройстве парилок в сауне подбирается мягкая древесина хвойных пород, которая меньше нагревается от сухого жара.
Горючесть. Чем больше пор в толще дерева, тем оно лучше горит. То есть, при одинаковой влажности мягкая древесина будет гореть интенсивнее, чем твёрдая.
Этот момент из соображений пожарной безопасности нужно учесть, выбирая доски, брус и бревна для строительства.
Устойчивость к механическим деформациям. Пиломатериалы с разной плотностью по-разному реагируют на механические нагрузки. Древесина с высокой плотностью более склонна к растрескиванию и к скалыванию, чем мягкое дерево. Достаточно вспомнить древесину пробкового дуба, на котором при ударном воздействии остаются вмятины.
Устойчивость к биологическим факторам. Из-за большего числа пор в толще, мягкие пиломатериалы гниют быстрее, чем твёрдые. Впрочем, сегодня на рынке есть немало средств, с помощью которых любую древесину можно своими руками сделать менее предрасположенной к гниению.
Как улучшить эксплуатационные качества пиломатериалов
Пористая структура пиломатериалов делает их менее прочными и более подверженными негативному воздействию факторов внешней среды. Тем не менее, есть ряд промышленных и бытовых способов упрочнения пиломатериалов.
