Влажность материалов из древесин и пластмасс и
ее влияние на физико-механические свойства
Влажность древесины
Влага содержится в древесине в свободном
состоянии и в гигроскопическом, коллоидно связанном состоянии. Молекула
целлюлозы химически связана с молекулами воды. Все строительные породы
леса могут содержать до 30% гигроскопической влаги, что называется
точкой насыщения волокон. Это соответствует полной насыщенности влагой
клеточных оболочек при отсутствии свободной влаги в полостях клеток. По
содержанию влаги условно различают и состояния древесины: воздушно-сухое
с влажностью от 10 до 18%; полусухое с влажностью от 18 до 23%; сырое с
влажностью более 23%. Процентное содержание влаги (абсолютная влажность)
определяется по отношению
W = (g1-g2)/(g2)*100%, (1)
где g1 — масса влажного образца; g2 — масса того же образца после
высушивания до постоянной массы.
При высыхании свежесрубленной древесины
исчезновение свободной влаги происходит сравнительно быстро —в течение
1...2 летних месяцев. Оно не связано с изменением каких-либо свойств
древесины, кроме ее массы. Удаление гигроскопической влаги происходит
значительно труднее. Оно требует обычно искусственной сушки древесины и
сопровождается значительным изменением ее физико-механических свойств.
При этом механические свойства древесины повышаются, одновременно
происходит усушка — сокращение размеров элементов. Обратный процесс
(увлажнение до 30%) сопровождается разбуханием древесины и понижением ее
механических свойств.
Наибольшей величины усушка достигает в плоскости поперечного сечения
элементов (поперек волокон) — 6... 10% в тангентальном t и 3...5%
в радиальном r направлениях при полном
высыхании. В направлении вдоль волокон усушка почти не происходит
(0,1%).
Для исключения влияния влажности на показатели свойств древесины
значения их, определяемые из испытаний, приводят к стандартной влажности
(12%) по формуле
R12 = Rw +(1+a(W—12)).
Вследствие этого любые определения
физико-механических свойств древесины должны сопровождаться
одновременным определением ее влажности.
Конструкции, защищенные от увлажнения, должны изготовляться из
воздушно-сухого материала, что обеспечивает их стабильность, т. е.
устраняет опасность усушки, коробления и растрескивания после
возведения, опасность загнивания. Для изготовления проветриваемых
наземных сооружений постоянного назначения разрешается применять
лесоматериал с влажностью не более 25%. Для устройства закрытых
труднопроветриваемых конструкций влажность пиломатериалов должна быть не
более 20%, а для изготовления клееных конструкций —
8... 12%. Влажность лесоматериалов, применяемых для шпонок, наге-лей,
вкладышей и других мелких деталей, не должна превышать 15% и влажности
окружающего материала. В отдельных случаях разрешается применять
древесину с влажностью более 25%, но не более 40% для изготовления
проветриваемых наземных сооружений, в которых усушка древесины не
вызывает ухудшения качества соединений или значительного провисания при
условии проведения мероприятий по защите древесины от гниения.
Высыхание древесины (не путать с усушкой) происходит преимущественно
вдоль волокон. Скорее всего просыхают торцы элементов. Через боковую
поверхность деревянные элементы просыхают труднее. В пиломатериалах
просыхание по боковым поверхностям происходит скорее, чем в бревнах,
благодаря наличию перерезанных волокон.
Неравномерное высыхание древесины и неравномерная усушка ее по
направлениям r и t
вызывает коробление элементов и растрескивание их. Коробление и
растрескивание от усыхания тем больше, чем больше плотность древесины и
размеры элементов (рис. 15). Усушка, коробление и растрескивание сильно
снижают качество деревянных конструкций и даже могут вывести их из
строя. Широкие доски, содержащие большое количество заболони, коробятся
особенно сильно. При короблении досок выпуклость всегда направлена к
сердцевине. Это
обстоятельство нужно учитывать при изготовлении
конструкций и располагать доски так, чтобы не ухудшить качество
соединений и не повредить кровли.
Вследствие разницы между радиальной и тангенциальной усушкой, а также
из-за неравномерного высыхания древесины в элементе развиваются
внутренние напряжения (рис. 15, а). В начальный период высыхания
наружная часть элемента бывает растянута поперек волокон, а внутренняя —
сжата, при этом в растянутой части возникают разрывы — трещины (рис. 15,
б). В дальнейшем знак напряжений может измениться и трещины
образовываются внутри элемента (рис. 16, в).
Усушечные трещины имеют радиальное направление. Главная трещина идет по
кратчайшему направлению от периметра сечения к центру ствола. В балках
прямоугольного сечения усушечные трещины располагаются обычно на широких
боковых гранях балок и совпадают с плоскостью наибольших напряжений
сдвига при изгибе. Сильное развитие таких трещин может вызывать
расслоение балок, которые из цельных становятся составными с гораздо
пониженными расчетными геометрическими характеристиками. В балках делают
вертикальные надрезы, которые уменьшают внутренние напряжения по боковым
граням и предотвращают появление на них глубоких трещин (рис. 15, г).
Опасными являются трещины, совпадающие с плоскостью какого-либо
соединения. Например, расположение болтов в нагельном соединении по оси
элемента в один ряд не рекомендуется, так как именно здесь имеется
опасность появления трещины и разрушения соединения. Не рекомендуется
применять в соединениях широкие металлические накладки, которые
препятствуют усыханию древесины поперек волокон и способствуют развитию
продольных трещин.
Рис. 15. Усушка и коробление пиломатериала:
а — схема напряженного состояния поперечного сечения усыхающего
элемента; б — расположение трещин в брусьях; в — сердцевинные трещины; в
— устройство надрезов для предотвращения глубоких трещин; г д— изменение
формы материалов, выпиленных из бревна; 1 — сжатая зона; 2 — растянутая
зона; 3 — главная трещина; 4 второстепенные трещины