В данной статье речь пойдёт не о зависимости выпитого плотниками количества пенного напитка к качеству каркасного дома, так как ,по моему мнению, если строители обладают такими чертами как профессионализм и добросовестность, ни какой вид алкоголя не способен негативно повлиять на качество возводимого строения или выполняемых работ…
Данная статья будет посвящена одной из наиболее важных характеристик древесины - влажности. Если Вы, из всего представленного на рынке множества материалов для строительства дома, выбрали дерево, не лишним будет посвятить немного времени на изучение физики древесины, а в частности влажности древесины и её влиянию на прочностные качества, геометрические характеристики и конечно взаимосвязь биостойкость-влажность.
И так, содержание данной статьи будет включать следующее:
- Терминология: «сухая», «влажная», «мокрая» древесина.
- Влияние влажности на прочность древесины.
- Воздействие влажности на геометрию изделий из древесины.
- Равновесная влажность.
1. Терминология
При покупке стройматериалов из древесины Вы можете услышать множество маркетинговых характеристик - «сухой лес», «зеленка», «зимний лес», и другие… В данной статье мы будем применять принятые термины которые можно встретить в научных и околонаучных работах:
Абсолютно сухая древесина - влажность 0% ( не встречающаяся «в природе» как строительный материал )
Древесина стандартной влажности - влажность 12-15% данная влажность часто встречается у материалов камерной сушки, наиболее часто встречающаяся влажность древесины камерной сушки - 14%+-2%
Влажная древесина - древесина влажностью до 30%, 30% - предел количества связанной влаги в древесине «предел гигроскопичности».
Мокрая древесина - влажность материала от 30% и выше. Древесина содержит помимо связанной влаги ещё и «свободную воду» влажность свежесрубленной сосны может достигать 60-110 %.
Как мы видим в научных исследованиях можем наблюдать не более четырёх терминов описывающих влажность древесины, остальные встречающиеся названия - маркетинговые наименования от продавцов или лесозаготовителей, ни в одной работе по исследованию характеристик древесины не удастся увидеть терминов «зеленка», «свежий лес» и прочее, исключением могут стать пособия по основам товароведения древесины, где встречаются термины «зимний лес», «сплавной», «естественной влажности» и другие.
2. Влияние влажности на прочность древесины
Вода - неотъемлемая составляющая жизни дерева, но и после заготовки дерева и переработки его в строительную древесину, она играет немалую роль в работе с материалом и его дальнейшей эксплуатации.
Древесина материал не однородный и физические показатели изменяются не только в зависимости от места произрастания дерева, породы, но отличаются даже в пределах одного ствола, для определения разных характеристик применяется множество формул и практических методов, но в данной статье воздержимся от расчётных формул плотности, прочности на изгиб и других, а будем пользоваться таблицами, с усреднёнными данными, которые можем встретить в разных работах направленных на исследование свойств древесины.
Плотность древесины - отношение массы к объёму, выражается в кг/м3, плотность зависит от породы, наличия смол, влажности, наличия пустот (воздуха) и строения. Плотность древесинного вещества равна 1500 кг/м3 и принимается таковой в не зависимости от породы.
Помимо породы древесины, на плотность не малое влияние оказывает влажность :
Как мы видимо из приведённой выше таблицы, влажность оказывает непосредственное влияние на плотность древесины, но так как плотность по сути своей является удельной массой (отношение массы к объёму), а вода может составлять значительную часть массы древесины то и сравнить плотность разных пород необходимо при равной влажности данных пород, то есть прочностные характеристики Сосны при 100% влажности и плотности 850 кг/м3 не будут лучше характеристик Дуба при 10% влажности и плотности 680 кг/м3.
Прочность - способность материала противостоять внешним разрушающим силам.
Далее посмотрим на таблицы прочности древесины с градациями по породе и влажности, при этом будем рассматривать два типа влажности :
- Древесина стандартной влажности (P12) - древесина приведённая к влажности 12 %
- Древесина с влажностью равной пределу гигроскопичности (P30) - 30% средний предел связанной влаги для разных пород древесины. Результаты для данной влажности можно принимать и для древесины большей влажности - более 30%
2.1. Прочность древесины при растяжении вдоль волокон.
Далее представлена таблица предела прочности некоторых пород при растяжении вдоль волокон
Древесина разных пород обладает весьма высокими показателями прочности на растяжение, но следует обратить внимание, что в деревянных конструкциях трудно реализовать весь потенциал древесины при нагрузках на растяжение ввиду разрушения древесины в местах защемления-крепления.
2.2. Прочность древесины при сжатии вдоль волокон.
Нагрузки на сжатие вдоль волокон воздействуют на древесину в процессе роста дерева и естественно что показатели прочности будут высокими
Данная характеристика древесины широко используется в строительстве, к примеру вертикальные стойки каркаса, несущие вертикальные колонны и так далее.
В отличии от характеристик на сжатие вдоль волокон - показатели предельной нагрузки сжатия поперёк волокон значительно ниже, и составляют примерно 1/10 от приведённой выше таблицы.
2.3. Прочность древесины на изгиб.
Прочность древесины на изгиб так же часто используется в строительстве, примером служат лаги перекрытия, стропильные системы и так далее.
Как мы видим в таблице показатели прочности на изгиб у древесины весьма внушительные, что и позволяет в многих конструкциях отдавать предпочтение именно древесине, а правильный расчёт, с учетом длительности воздействующих нагрузок, способствует получению конструкций с отличными характеристиками и значительной несущей способностью.
2.4. Прочность древесины на скалывание.
Прочность древесины на скалывание у лиственных пород выше чем у хвойных. Данные нагрузки могут встречаться, к примеру, в узлах с врубкой.
В представленной таблице видна значительная разность показателей древесины хвойных и лиственных пород, исключением является осина, предел прочности которой ниже средних значений лиственных.
2.5. Итоги
В предыдущих разделах мы рассмотрели средние значения прочности древесины разных пород и их способность сопротивляться разрушающим нагрузкам. Каждая таблица помимо разных пород содержит ещё и два типа влажности в момент испытаний. Взглянув на любую из представленных таблиц увидим значительную разницу показателей при стандартной влажности образцов ( P12, влажность - 12%) и при влажности равной пределу гигроскопичности и выше (P30, влажность 30% и более). В каждом испытании прочностные характеристики древесины стандартной влажности значительно превосходят древесину с влажностью 30% и более, в не зависимости от породы. Эта особенность довольна значима в строительных конструкциях и при расчетах несущей способности. Из этого можно сделать вывод - использование сухого пиломатериала при строительстве это не просто уловки маркетологов или ленивых строителей, не желающих работать с тяжелым материалом, а выбор продиктованный определёнными свойствами древесины и зависимости её характеристик от влажности. Помимо прочности, влажность оказывает влияние и на геометрию пиломатериала а так же на стойкость к биологическому поражению.
3. Воздействие влажности на геометрию изделий из древесины.
Древесине свойственно содержать в себе определённое количество влаги, как уже говорилось наибольшее влияние на характеристики имеет связанная влага - от 0% до предела гигроскопичности равного в среднем около 30% . В этих пределах изменение влажности влияет не только на прочность но и на линейные размеры. При снижении влажности происходит уменьшение размеров древесины - усушка. При повышении содержания влаги происходит увеличение размеров - разбухание. Данные свойства учитываются при распиловке древесины, её сушке, а так же при сознании всевозможных конструкций и изделий из древесины. Кроме изменения линейных размеров при усушке и разбухании, так же можно столкнуться с короблением - изменением геометрической формы, искривлением материала. Коробление - один из дефектов материала, более подробно о его видах поговорим в статье о пороках древесины. А сейчас обратимся к таблице коэффициентов усушки и разбухания.
В таблице приведены коэффициент усушки и разбухания для различных пород древесины. Что мы можем рассчитать используя данные коэффициенты? - среднее изменение размеров пиломатериала после его сушки до равновесной влажности ( о равновесной влажности поговорим в следующем разделе). Например: мы приобретаем пиломатериал естественной влажности ( влажность более 30%) сечением 150мм из сосны, и собираемся уложить её в качестве половой доски в доме, средняя влажность внутри помещения - 40-50 % а температура 20-25 градусов, при таких условиях равновесная влажность древесины составляет 8-10 %, следовательно коэффициент усушки будет равен - в радиальном направлении =3,4% (20%х0,17), в тангенциальном направлении = 5,6% (20%х0,28), соответственно доска изменит размеры: в тангенциальном направлении на 8,4мм ( 150мм-5,6%) и будет равна примерно 142 мм или радиальном направлении на 5,1мм (150-3,4%) и будет ровна 145 мм. Как мы видим изменения размеров при усушке также сильно зависит он направления распила.
Если не хочется заниматься расчётами коэффициентов усушки и разбухания, а так же изучением направления распила, то можно воспользоваться готовой таблицей припусков на усушку пиломатериалов смешанного распила представленной ниже
В данной таблице представленная ориентировочная величина усушки древесины естественной влажности ( влажность более 30%) при изменении ее влажности. Желтым обозначена величина влажности принимаемая древесиной при длительном хранении внутри помещения, синим обозначена средняя влажность древесины находящейся на открытом воздухе. Исходя из данных этой таблицы можно сделать приблизительные выводы о усушке приобретаемых пиломатериалов естественной влажности, при использовании их во внутренних и наружных работах, то есть приобретая пиломатериал сечением 150х40мм естественной влажности и используя его к примеру для лаг террасы мы должны учесть что его размер при эксплуатационной влажности на улице будет равен примерно 145х38мм.
4. Равновесная влажность древесины
Как мы уже говорили влага - неотъемлемая составляющая древесины, ее количество в пиломатериале оказывает непосредственное влияния на его характеристики, будь то геометрия или прочность, масса и т.д, при этом наибольшее влияние на характеристики оказывает именно связанная вода - вода содержащаяся в стенках клеток, капиллярах, пределом насыщения которых принято считать 30% ( Предел гигроскопичности ), влага содержащаяся сверх этого предела - свободная вода содержащаяся в полостях клеток. Удаление свободной воды из древесины не изменяет её свойств ( за исключением массы ), снижение количества связанной воды, напротив имеет непосредственное влияние на все характеристики древесины. Гигроскопичность - способность древесины поглощать или отдавать свободную влагу под влиянием изменений температуры и влажности окружающей среды. Изменение количества свободной воды связаны с водопоглощением и водоотдачей, водопоглощение - процесс заполнения полостей клеток при непосредственном контакте с жидкостью.
На эксплуатацию изделий из дерева наибольшее влияние оказывает именно связанная влага и изменение её количества в материале, поэтому необходимо учитывать равновесную влажность древесины - состояние, при котором влага равномерно распределена по объёму древесины, а её количество соответствует определенным условиям окружающей среды ( температуре и влажности воздуха).
Рассмотрим график равновесной влажности древесины:
Безусловно «погода в доме» индивидуальна и зависит от предпочтений жильцов, но есть определенные рекомендованные нормы для жилых помещений: Влажность воздуха 40-60%, температура 20-25 градусов, примерив эти данные к графику, мы увидим равновесную влажность древесины в помещении в пределах 8-11%, именно по этому так называемой столярной или мебельной влажностью принято считать 8-10%, но к сожалению при использовании внутренней отделки из дерева этот момент зачастую не учитывают… С влажностью древесины при эксплуатации внутри помещения всё более менее ясно, так как окружающие её условия будут достаточно стабильны. При использовании материалов из дерева в качестве наружной отделки их рекомендованная влажность 16-18 %, но в данном вопросе есть некоторые нюансы, о которых мы подробнее поговорим в других статьях. Важно отметить что процесс уравновешивания влажности - процесс длительный, зависит от толщины пиломатериала, температуры, влажности воздуха, содержания влаги в древесине и может занимать от нескольких дней до нескольких месяцев.
Равновесная влажность - важный параметр использования древесины в строительстве, так как позволяет нам понять конечную влажность материала в зависимости от условий его эксплуатации, и соответственно спрогнозировать его характеристики.
Выводы
В данной статье, посвящённой такой важной характеристике как влажность, мы постарались рассмотреть основные особенности древесины зависящие от содержащейся в ней влаге, привели примеры расчётов и испытаний направленные на изучение взаимосвязи влажность - прочность, влажность - геометрия, рассмотрели зависимость содержания влаги в материале от условий окружающей среды, надеемся данная информация будет полезной и позволит приступить к работе с деревом с определенным «багажом знаний», что значительно упростит понимание физики древесины.
Публикация не преследует желания скомпрометировать самостройщиков или строителей которые используют пиломатериалы естественной влажности, строительство из таких материалов имеет место быть, при определённом подходе к проектированию, правильном использованию крепежа и грамотному распределению этапов строительных работ. Но в тоже время хотелось внести ясность в вопрос о том, что сухая древесина и древесина естественной влажности имеют одинаковые свойства и отличаются только стоимостью, а так же часто встречающееся заблуждение что древесина камерной сушки за несколько дней на улице по своей влажности сравняется с материалом естественной влажности - нет процесс влагопоглощения и влагоотдачи далеко не сиюминутный и если сложить две доски (одну камерной сушки, другу естественной влажности) на открытом воздухе, влажность их сравняется через довольно длительный период и период этот зависит от множества факторов!
