Галина Серикова
Столярно-плотничные работы
По величине коэффициента усушки отечественные древесные породы делятся на несколько групп (табл. 2).
Таблица 2
Классификация древесных пород в зависимости от коэффициента объемной усушки
С сушкой древесины связаны следующие понятия:
1) внутренние напряжения. Их возникновение не связано с какими-либо внешними силами. Основная причина появления напряжений – неравномерное распределение влаги в процессе сушки древесины, которая наступает после того, как влажность поверхностных слоев переходит предел гигроскопичности. При этом вследствие сопротивления внутренние слои (как более влажные) могут усохнуть не полностью, что приводит к возникновению напряжений, которые растягивают древесину в поверхностных слоях и сжимают ее во внутренних;
2) растрескивание. После достижения растягивающими напряжениями предела прочности древесина покроется трещинами – поверхностными в начале сутки и внутренними в конце (рис. 6). Последние присутствуют в высушенном материале и становятся причиной деформации деталей при механической обработке;
Рис. 6. Разновидности растрескивания древесины: а – наружные трещины на бревне; б – наружные трещины на бруске; в – внутренние трещины
3) коробление (рис. 7). Это изменение поперечного сечения доски, которое бывает:
а) поперечным. При этом изменяется форма сечения доски в результате разницы в усушке по радиальному и тангенциальному направлениям. Размеры сердцевинной доски уменьшаются к кромкам, а доска, внешняя часть которой направлена тангенциально, подвержена большему усыханию, чем доска, внутренняя часть которой ориентирована радиально. Коробление увеличивается по мере приближения к сердцевине;
Рис. 7. Разновидности коробления: а, б – поперечное коробление брусков; в – поперечное коробление досок; г – продольное коробление; д – крыловатость
б) продольным, то есть по длине. При этом доска может изменяться дугообразно (типично для ядровых пород, у которых усушка ядра и заболони различна) или даже принять винтообразную форму (это называется крыловатостью и характерно для пиломатериалов с тангенциальным направлением волокон).
Характер внутренних напряжений различен: в поверхностных слоях возникают растягивающие напряжения, а в более глубоких, внутренних слоях – сжимающие.
В случае неправильного хранения материалов (при высокой влажности) их линейные размеры и объем могут увеличиваться, то есть возникает процесс, обратный усушке. Он называется разбуханием. Это наблюдается при возрастании влажности до предела гигроскопичности. Увеличение количества капиллярной влаги не сопровождается разбуханием. Данный процесс достигает максимального значения в тангенциальном направлении и минимального – вдоль направления волокон.
Усушка и разбухание относятся к негативным качествам древесины. При изготовлении мебели необходимо избегать их. Однако можно привести примеры, когда разбухание играет положительную роль. В частности, благодаря ему увеличивается плотность соединений у различных деревянных изделий (в бочках, лодках и пр.).
Способность древесины впитывать влагу из воздуха называется влагопоглощением. Это ее свойство не зависит от породы и является отрицательным качеством, поскольку сильное увлажнение, возникающее в условиях повышенной влажности, ухудшает физико-механические свойства древесины, ее биостойкость и пр.
Способность древесины впитывать влагу при непосредственном контакте с жидкостью называется водопоглощением. В наибольшей степени этому подвержены древесные породы, отличающиеся меньшей плотностью, поскольку они имеют большее количество полостей. Следовательно, чем меньше полостей, то есть чем выше плотность древесины, тем ниже водопоглощение. Ядро, будучи более плотным, поглощает меньше свободной влаги, чем заболонь.
Плотность является не менее важным качеством древесины: чем больше в ней пустот, тем менее плотной она будет. Данный параметр зависит от влажности материала. Ее увеличение приводит к возрастанию плотности. Например, у бука при 12 %-ной влажности она равна 670 кг/м3, а при 25 %-ной – 710 кг/м3. Для сравнения плотности разных пород принято устанавливать их физико-механические характеристики при влажности 12 %.
Между плотностью и прочностью существует прямо пропорциональная зависимость: чем тяжелее древесина, тем она прочнее. Максимальную плотность имеет древесина таких пород, как самшит (960 кг/м3) и саксаул (1040 кг/м3), а минимальную – пихта сибирская (375 кг/м3).
В зависимости от плотности древесины выделяют три группы, представленные в табл. 3.
Плотность древесины лиственных кольцесосудистых пород различна. Например, ранняя древесина более пористая и менее плотная, чем поздняя, сложнее лакируется и полируется, но прекрасно гнется. У рассеянно-сосудистых лиственных и хвойных пород она отличается высокой плотностью, поэтому хорошо поддается различной обработке, в том числе полированию и лакированию.
Таблица 3
Классификация древесины по плотности при 12 %-ной влажности
Плотность древесины зависит от совокупности веществ, образующих оболочку клеток. Поскольку клетки разных пород древесины похожи по своему строению, то ее плотность варьируется в пределах 1430–1560 кг/м3.
Относительно теплопроводности данного материала можно сказать следующее: поскольку полости сухой древесины заполнены воздухом, который является плохим проводником тепла, то и ее теплопроводность невелика – 0,1–0,35 ккал/(м × °С × ч). При увеличении влажности этот параметр возрастает. Кроме того, он зависит и от направления роста волокон (вдоль них он в 2 раза больше, чем поперек) и породы древесины.
Теплоемкость – это способность древесины накапливать тепло. Показателем теплоемкости является удельная теплоемкость. Это количество теплоты, требующееся для нагревания 1 кг древесины на 1 °C. Теплоемкость едина для любой древесины независимо от породы и возрастает при увеличении влажности.
Тепловым расширением называется способность древесины увеличивать линейные размеры и объем при повышении температуры. Коэффициент теплового расширения у древесины по сравнению с таким же показателем у металла, стекла или бетона в 3–10 раз меньше.
Звукопроводность древесины определяется скоростью распространения в ней звука. Она выше вдоль волокон, меньше в радиальном направлении, а самая низкая – в тангенциальном.
Если сравнить звукопроводность древесины вдоль и поперек волокон со звукопроводностью воздуха, то в первом случае она в 16 раз выше, а во втором – в 3–4 раза. Иными словами, если при изготовлении мебели звукопроводность древесины не имеет никакого значения, то при использовании данного материала в строительстве ее роль отрицательная, а в производстве музыкальных инструментов – положительная.
Сопротивление прохождению электрического тока называется электропроводностью. У сухой древесины этот параметр довольно незначителен, поэтому она может выступать в роли изолятора. Электропроводность древесины напрямую связана с породой дерева, температурой (ее повышение приводит к уменьшению сопротивления), влажностью (при возрастании влажности до 30 % сопротивление значительно уменьшается) и направлением роста волокон (сопротивление вдоль них меньше в несколько раз, чем поперек).
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ
Механические качества древесины определяют ее способность противостоять воздействию внешних нагрузок, которые подразделяются на:
1) статические, возрастающие постепенно, плавно;
2) динамические (ударные), воздействующие резко, мгновенно и максимально;
3) вибрационные, сопровождающиеся изменением величины и направления;
4) долговременные, характеризующиеся продолжительностью.
Под влиянием нагрузок в материале нарушаются связи между его отдельными элементами, искажается форма, но при этом в нем возникает внутреннее сопротивление. Если в результате изменяются форма и размер древесины, говорят о ее деформации, которая может быть упругой (исчезает после прекращения воздействия) и остаточной (сохраняется после исчезновения нагрузки).
К механическим свойствам древесины относятся:
1) прочность;
2) твердость;
3) деформативность;
4) ударная вязкость.
Способность древесины противостоять нагрузкам и сопротивляться разрушению называется прочностью. Она зависит от породы дерева, влажности, плотности, наличия или отсутствия пороков, а также от направления и продолжительности воздействия нагрузки.
Воздействие сил направлено на:
1) растяжение. Средняя величина предела прочности на растяжение вдоль волокон независимо от породы составляет 1300 кгс/см2, а поперек волокон – 65 кгс/см2;
2) сжатие. Оно может быть направлено как вдоль, так и поперек волокон. В первом случае прочность равна 500 кгс/см2, а во втором она ниже примерно в 8 раз. Древесина тестируется на сжатие в радиальном и тангенциальном направлениях. У лиственных пород прочность при радиальном сжатии в 1,5 раза выше, чем при тангенциальном, а у хвойных пород – наоборот;
3) изгиб. Поверхностные слои при таком воздействии подвержены напряжению сжатия, а внутренние – напряжению растяжения вдоль волокон. Между ними имеется нейтральная плоскость, не испытывающая никаких напряжений. Предел прочности определяется породой древесины и ее влажностью. Средние показатели (независимо от породы) составляют 1000 кгс/см2;
4) скалывание. В данном случае под воздействием внешних нагрузок возникают сдвиги одних частей относительно других, при этом выделяют:
а) скалывание вдоль волокон, при котором предел прочности составляет 20 % от прочности при сжатии вдоль волокон. У лиственных пород с широкими сердцевинными лучами в тангенциальном направлении оно на 10–30 % выше, чем в радиальном;
б) скалывание поперек волокон, при котором предел прочности в 2 раза меньше, чем при скалывании вдоль направления роста волокон;
в) перерезание поперек волокон, при котором прочность древесины в 4 раза превосходит прочность при скалывании вдоль волокон.
Па практике установлено, что твердость торцовой поверхности выше твердости боковой поверхности, причем неодинаково у лиственных и хвойных пород.
Способность древесины противостоять проникновению внутрь твердых тел называется твердостью. Этот параметр неодинаков у разных пород и определяется в различных направлениях. У лиственных пород твердость торцовой плоскости выше радиальной и тангенциальной на 30 %, а у хвойных – на 40 %. Величина твердости древесины во многом определяется влажностью материала. Отклонение последней на 1 % приводит к изменению твердости торцовой поверхности на 3 %, а тангенциальной и радиальной – на 2 %.
На основании торцовой твердости все породы подразделяются на несколько групп (табл. 4).
Признак твердости древесины важен при выборе способа ее обработки режущими инструментами.
Свойство древесины изменять размеры и форму называется деформативностью. Если воздействие не отличается продолжительностью, то данный материал проявляет себя как упругое тело. На основании сопротивления деформации говорят о жесткости древесины.
Таблица 4
Классификация пород по признаку торцовой твердости при 12 %-ной влажности
Способность поглощать работу при ударе без разрушения называется ударной вязкостью. Для разрушения хрупкой древесины затрачивается меньшая величина работы в отличие от вязкой, для излома которой требуется большая работа. У лиственных пород данный параметр примерно в 2 раза больше, чем у хвойных.
В плане строительных работ и изготовления мебели большое значение имеют и технологические свойства древесины, к которым относятся:
1) способность удерживать металлические крепления. При вбивании гвоздя в древесину перпендикулярно к поверхности одна часть ее волокон перерезается, другая изгибается, раздвинувшиеся волокна воздействуют на боковую поверхность гвоздя, и это давление приводит к возникновению трения, которое и удерживает гвоздь в материале. То, насколько легко можно выдернуть гвоздь, зависит от породы древесины, ее плотности (чем выше плотность, тем выше сопротивление выдергиванию, например, чтобы вбить гвоздь в граб (плотность – 800 кг/см3) и выдернуть его из него, нужно затратить усилие, в 4 раза большее, чем для тех же действий, если материалом служит сосна (плотность – 500 кг/см3)) и направления относительно волокон (усилие, необходимое для забивания и выдергивания гвоздя, забитого в торец, на 10–50 % меньше, чем если бы он был вбит поперек волокон). Чтобы выдернуть шуруп, требуется затратить в 2 раза большее усилие, чем для извлечения гвоздя. Во влажную древесину вбивать гвозди легко, но по мере высыхания материала его способность удерживать крепеж ухудшается;
2) способность к сгибанию. Наиболее гибкими из лиственных пород являются кольцесосудистые дуб, ясень и рассеянно-сосудистая береза. Влажная древесина гнется легче, чем сухая;
3) износостойкость. Это способность древесины сопротивляться истиранию в процессе эксплуатации. Чем выше ее плотность и твердость, тем меньше она подвержена износу;
4) сопротивление раскалыванию, которое представляет собой разделение древесины на части вдоль волокон под воздействием вбитого клина. Это свойство материала следует обязательно учитывать при выборе крепежа.
ПОРОКИ ДРЕВЕСИНЫ
Чтобы деревянное изделие отвечало определенным требованиям, необходимо подбирать и соответствующего качества древесину, которая может иметь определенные недостатки, называемые пороками. Чем больше пороков, тем ниже качество древесины, тем более ограничена возможность ее использования.
Пороками древесины считаются тяговая древесина, засмолок, прорость, сухобокость, червоточины и др.
К порокам древесины относятся:
1) изменения внешнего вида;
2) нарушения целостности и правильности строения;
3) повреждения.
Если они возникают в процессе заготовки, транспортировки и других подобных причин, то их называют дефектами.
В соответствии с ГОСТом 2140-81 пороки классифицируются на следующие группы:
1) сучки;
2) трещины;
3) пороки формы ствола;
4) пороки строения древесины;
5) химические окраски;
6) грибные поражения;
7) поражения насекомыми;
8) инородные включения и дефекты;
9) деформации.
Практически каждая из представленных групп неоднородна. Пороки возникают как в растущем дереве, так и в срубленном. Некоторые из них, в частности гнили, могут поражать и ту и другую древесину.
Сучок – основание ветви, окруженное древесиной ствола. Обычно он более темный, чем основная древесина, и имеет отдельную систему годичных колец. Сучки (рис. 8) классифицируются по ряду признаков:
Рис. 8. Виды сучков: а – круглый; б – овальный; в – продолговатые; г – пластевый; д – кромочный; е – ребровый; ж – сшивные; з – групповые; и – разветвленные
1) по форме разреза на поверхности сортимента (круглого и колотого лесоматериала, предназначенного для определенного применения и отвечающего требованиям стандартов и технических условий):
а) круглые (сучки, разрезанные так, что отношение большего диаметра к меньшему не превышает 2);
б) овальные (отношение большего диаметра к меньшему составляет от 2 до 4);
в) продолговатые (отношение большего диаметра к меньшему больше 4);
2) по положению в сортименте, то есть в зависимости от того, выходят ли они на пласть, кромку, ребро или торец либо одновременно на два ребра одной и той же стороны:
а) пласте вые;
б) кромочные;
в) ребровые;
г) торцовые;
д) сшивные;
3) по взаимному расположению:
а) разбросанные, если расстояние, на котором сучки, независимо от формы итого, являются ли они одиночными или групповыми, располагаются по длине сортимента, не превышает его ширину;
б) групповые, если два или более круглых, ребровых и овальных сучков занимают отрезок сортимента, одинакового по длине и ширине;
в) разветвленные. Так называются два продолговатых сучка одной мутовки либо один продолговатый и один овальный или ребровый сучок той же мутовки, при этом не важно, имеется ли между ними еще один сучок. Этот порок больше характерен для хвойных пород;
4) по степени срастания:
а) сросшиеся. К ним относятся сучки, годичные кольца которых и окружающая древесина срослись, как минимум, на три четверти периметра разреза сучка;
б) частично сросшиеся, у которых сросшийся участок составляет не менее одной четверти, но не более трех четвертей периметра;
в) несросшиеся, у которых сросшийся участок вообще отсутствует либо составляет не более четверти периметра разреза сучка;
г) выпадающие несросшиеся, у которых сросшийся участок отсутствует, сами сучки держатся неплотно; сюда же относятся и отверстия от выпавших сучков;
5) по состоянию древесины:
а) здоровые (без гнили);
6) здоровые светлые (по цвету не отличающиеся от основной древесины);
в) здоровые темные (более темные, чем основная древесина, поскольку пропитаны, например, смолой или дубильными веществами);
г) здоровые с трещинами (при наличии 1–2 трещин);
д) загнившие, если мягкая гниль, поразившая сучок, составляет не более трети площади разреза сучка;
е) гнилые, если площадь поражения гнилью составляет более трети площади разреза сучка;
ж) табачные, к которым относятся загнившие или гнилые сучки, в которых вместо древесины имеется рыхлая ржаво-бурая масса;
б) по выходу на поверхность:
а) односторонние, выходящие на одну сторону или две смежные стороны;
б) сквозные, выходящие на две противоположные стороны.
Из-за наличия сучков дерево теряет однородность строения, поскольку вокруг них волокна искривляются, что негативно сказывается на прочности древесины.
Разрывы, возникающие вдоль волокон древесины, называются трещинами (рис. 9, 10), которые подразделяются на:
1) метиковые. Это радиально ориентированные внутренние трещины, направленные от сердцевины и отличающиеся большой протяженностью. Они образуются в растущем дереве, а в срубленном имеют тенденцию к увеличению по мере просыхания древесины. Метиковые трещины встречаются на торцах круглых лесоматериалов, а на пиломатериалах – и на торцовых, и на боковых поверхностях;
2) морозные. Это радиально ориентированные наружные трещины, проникающие через заболонь в ядро и имеющие порой достаточную длину. Они характерны для растущих деревьев, на стволах которых выглядят как валики разросшейся древесины и коры;
3) усушки. Такие трещины образуются в срубленной древесине под воздействием внутренних напряжений, имеют радиальную направленность;
4) отлупные, возникающие в ядре или спелой древесине растущего дерева, отличаются большой протяженностью по длине сортимента и проходят между годичными слоями. В процессе высыхания трещины увеличиваются.
Рис. 9. Разновидности трещин в бревне: а – метиковые; б – отлупные; в – усушки
Рис. 10. Разновидности трещин в досках: 1 – пластевые; 2 – кромочные; 3 – торцовые; а – метиковые; б – морозные; в – усушки; г – отлупные
В зависимости от того, на какую поверхность выходят трещины, они классифицируются на:
1) боковые (на боковую поверхность или на боковую поверхность и торец);
2) пластевые (на пласть или на пласть и торец);
3) кромочные (на кромку или на кромку и торец);
4) торцовые (на торцы).
Имеется разделение и по глубине. Если трещина распространяется только на десятую часть толщины сортимента, она называется неглубокой, если больше – глубокой. По ширине она может быть сомкнутой (менее 0,2 мм) или разошедшейся (более 0,2 мм).
Пороками формы ствола являются:
1) сбежистость. Так называется плавное уменьшение толщины круглых лесоматериалов, составляющее более 1 см на 1 м длины сортимента;
2) закомелистость. Это резкое значительное увеличение (не менее чем в 1,2 раза) диаметра комля ствола или ширины необрезного пиломатериала;
3) наросты. Они представляют собой резкое локальное утолщение ствола, различающееся по форме и размеру. Древесина наростов отличается свилеватостью, обычно встречается на лиственных породах;
4) кривизна. Это искривление продольной оси сортимента. Если кривизна имеет один изгиб, она называется простой, в отличие от сложной, для которой характерно несколько изгибов.
Среди пороков строения древесины (рис. 11) выделяются:
1) наклон волокон, при котором последние располагаются непараллельно оси сортимента. Он бывает тангенциальным и радиальным. Благодаря наклону волокон прочность древесины возрастает, но при этом возникают трудности при ее механической обработке;
2) крень, представляющая собой местное изменение строения древесины в сжатой зоне стволов и ветвей, проявляющаяся в виде кажущегося резкого увеличения ширины поздней древесины годичных слоев. Чаще всего данный порок наблюдается у хвойных пород;
Наличие пороков и дефектов создает трудности при обработке древесины, снижает рабочее сечение брусков и досок.
3) тяговая древесина, то есть местное изменение строения древесины лиственных пород в растянутой зоне стволов и ветвей, проявляющееся в резком увеличении ширины годичных колец в растянутой зоне, их более светлой окраске и возникновении своеобразного серебристо-матового блеска. При таком пороке прочность древесины в случае растяжения вдоль волокон и ударная вязкость увеличиваются, однако возрастает усушка во всех направлениях, что приводит к короблению и трещинообразованию, в результате чего поверхность становится ворсистой и мшистой;
4) свилеватость – это извилистое расположение волокон древесины. Она бывает путаной и волнистой. При этом пороке страдает прочность древесины на растяжение, сжатие и изгиб;
5) завиток – локальное искривление годичных слоев под воздействием сучков и проростей. Бывает сквозным и односторонним;
Рис. 11. Некоторые разновидности пороков строения древесины: а – тангенциальный наклон волокон; б – крень; в – свилеватость; г – завиток; д – глазки е – ложное ядро
6) глазки – следы спящих почек, которые не превратились в побег. Могут быть светлыми и темными;
7) смоляной кармашек – полость, расположенная внутри годичного слоя и заполненная смолой. Данный порок характерен для хвойных пород, особенно для ели. Он бывает сквозным и односторонним. Из-за смоляных кармашков снижается прочность древесины. Кроме того, смола, попав на поверхность изделия, портит ее, создает трудности при отделке и склеивании;
8) сердцевина – это узкая центральная часть ствола, для ткани которой характерны рыхлость, бурый цвет (может быть более светлой, чем основная древесина);
9) двойная сердцевина – это удвоение описанного выше порока. Такой материал подвержен трещинообразованию;
10) пасынок – остановившаяся в росте или погибшая вторая вершина, направленная под острым углом к продольной оси сортимента и имеющая значительную длину;
11) сухобокость – отдельная мертвая зона на поверхности ствола, образовавшаяся в результате ожога и т. п. Как правило, на этом участке кора отсутствует, а порок расположен по длине ствола и несколько углублен относительно поверхности;
12) прорость – участок ствола растущего дерева с мертвыми тканями, от которого отходит радиальная трещина. Обычно появляется вследствие зарастания каких-либо повреждений;
13) рак древесины – рана, которая появляется на стволе растущего дерева вследствие поражения грибами и микроорганизмами. Бывает открытым и закрытым. Порок отрицательно сказывается на строении и форме древесины. Если он затрагивает смоляной карман, то сопровождается истечением смолы, что создает трудности при механической обработке;
14) засмолок – участок древесины хвойных пород, который пропитан смолой. Хотя этот порок не слишком заметно сказывается на механических качествах древесины, но он снижает ударную вязкость при изгибе, а также мешает отделке и склеиванию древесины;
15) ложное ядро, которое возникает на внутренней части ствола, отличается от остальной древесины более темной окраской, оттенками и равномерностью. Этот порок характерен для лиственных пород – березы, бука, ольхи, клена. Ложное ядро может иметь звездчатую, круглую, лопастную форму. Оно снижает прочность древесины при растяжении вдоль волокон и ухудшает внешний вид материала;
16) пятнистость – это такой порок древесины, при котором в заболони встречаются места в виде пятен и полос, по цвету напоминающие ядро, при этом твердость материала не снижается. Пятнистость поражает растущие деревья и различается по виду (бывает радиальной, тангенциальной, в виде сгруппированных или разбросанных прожилок либо следов от них);
