Истинная плотность древесины изменяется незначительно, так как древесина всех деревьев состоит в основном из одного и того же вещества – целлюлозы. В связи с этим истинную плотность древесины можно принять равной 1,54 г/см³. Плотность древесины разных пород и даже древесины одной и той же породы колеблется в весьма широких пределах, поскольку строение и пористость растущего дерева зависят от почвы, климата и других природных условий 450-900 кг/м³. С увеличением влажности и плотность древесины возрастает. Свежесрубленная древесина значительно тяжелее древесины воздушно-сухой.

Влажность выражают обычно в % по отношению к массе сухой древесины. В древесине различают гигроскопическую влагу, связанную в стенках клеток, и капиллярную влагу, которая свободно заполняет полости клеток и межклеточное пространство.

Предел гигроскопической влажности (в среднем он составляет около 30%) соответствует полному насыщению стенок клеток древесины водой. Полная влажность древесины (считая гигроскопическую и капиллярную влагу) может значительно превышать 30 %. Например, влажность свежесрубленного дерева может колебаться от 40 до 120 %, а при выдерживании древесины в воде ее влажность может возрасти до 200 %. При длительном нахождении влажной древесины на воздухе она постепенно высыхает и достигает равновесной влажности.

Равновесная влажность зависит от температуры и относительной влажности окружающего воздуха. Для определения равновесной влажности пользуются номограммой (рисунок 8.5.). Равновесная влажность комнатно-сухой древесины составляет 8-12 %. Влажность воздушно-сухой древесины после продолжительной сушки на открытом воздухе составляет 15-18 %.

Показатели свойств (плотность, прочность), полученные при испытании древесины различной влажности, для возможности сопоставления приводят к стандартной влажности, равной 12 %.

Усушка, разбухание и коробление. Колебания влажности волокон древесины влекут за собой изменение размеров и формы досок, брусьев и других изделий из древесины. При увлажнении сухой древесины до достижения ею предела гигроскопичностей стенки древесных клеток утолщаются, разбухают, что приводит к увеличению размеров и объема деревянных изделий. Как видно из рисунка 8.5, свободная влага, заполняющая полости клеток, на размерах древесины не отражается. Усушка древесины происходит за счет удаления связанной влаги из стенок клеток, т.е. если влажность древесины становится меньше предела гигроскопичности, то усушка достигает максимального значения при полном удалении влаги, содержащейся в клеточных стенках.

Вследствие неоднородности строения, древесина усыхает в различных направлениях неодинаково. Вдоль оси ствола (вдоль волокон) максимальная линейная усушка сравнительно невелика – около 0,1 % (1 мм на 1 м), в радиальном направлении 3-6 % (3-6 см на 1 м), а в тангенциальном – 6-12 % (6-12 см на 1 м).

Рисунок 8.5 – Номограмма равновесной влажности древесины (2-28 % - величины равновесной влажности древесины)

1 – вдоль волокон; 2 – в радиальном направлении; 3 – в тангентальном направлении;

4 – объемное разбухание

Рисунок 8.6 – Влияние влажности древесины на разбухание

Объемную усушку  вычисляют, не учитывая продольной усушки, с точностью до 0,1 % по формуле

где a и b – размеры поперечного сечения образца при данной начальной влажности;

a  и b  - то же, в абсолютно сухом состоянии.

Степень усушки древесины характеризуется коэффициентом объемной усушки , который вычисляют на 1 % влажности с точностью до 0,01 % по формуле

В этой формуле среднее значение гигроскопичности древесины различных пород принято равным 30 %.

а) продольное; 1 – простое; 2 – сложное;

б) поперечное; в) крыловатость

Рисунок 8.7 – Коробление досок в результате усушки

Усушка и разбухание древесины вызывают коробление и растрескивание лесных материалов.

Коробление деревянных изделий (рисунок 8.7б) является следствием разницы в усушке древесины в тангенциальном и радиальном направлениях и неравномерности высыхания. Неравномерность усушки и коробление вызывают появление внутренних напряжений в древесине и растрескивание пиломатериалов и бревен. Широкие доски коробятся больше, чем узкие, поэтому для настилки пола и столярных изделий применяют доски шириной 10-12 см.

В круглом лесе и пиломатериалах трещины усушки образуются, в первую очередь, на торцах. Для уменьшения растрескивания торцы бревен, брусьев, досок обмазывают смесью из извести, соли и клея или другими составами.

Текстура – это рисунок древесины, зависящий от сочетания ее видимых элементов: годовых слоев, сердцевинных лучей, сосудов. Цвет и текстура древесины характерны для каждой породы дерева.

Теплопроводность сухой древесины незначительна: сосны поперек волокон – 0,17 Вт/(м∙ ); вдоль волокон 0,34 Вт/(м∙ ). Теплопроводность древесины зависит от ее пористости, влажности и направления потока теплоты. Теплозащитные свойства древесины широко используются в строительстве.

Электропроводность древесины зависит от ее влажности. Древесина, используемая для электрической проводки (розетки, доски и т.п.), должна быть сухой. Электрическое сопротивление сухой древесины в среднем составляет 75×10⁷ Ом∙см, а сырой древесины – в десятки раз меньше.

Механические свойства

Прочность древесины как анизотропного материала волокнистого строения имеет большое различие вдоль волокон (при растяжении вдоль волокон в 20-30 раз, а при сжатии в 5-10 раз больше, чем поперек волокон). Прочность древесины зависит от того, под каким углом к волокнам направлено разрушающее усилие, от породы дерева, средней массы, косвенно характеризующей пористость древесины, наличия пороков и особенно от влажности в пределах от 0 % до , поэтому при определении механических свойств древесины необходимо всегда учитывать ее влажность, направление действия нагрузки и применять стандартные образцы, не имеющие пороков.

Прочность древесины определяют путем испытания малых, чистых (без видимых пороков) образцов древесины. Прочность древесины характеризуется пределами ее прочности при сжатии, растяжении, статическом изгибе, скалывании. Кроме того, могут определяться условный предел прочности при местном смятии и предел прочности при перерезании поперек волокон.

Прочность древесины как анизотропного волокнистого материала в большей степени зависит от того, под каким углом к волокнам направлена сила (рисунок 8.8).

Диаграмма растяжения-сжатия древесины вдоль волокон представлена на рисунке 8.9. В области растяжения она практически линейна, а дерево при этом ведет себя как хрупкий материал.

Рисунок 8.8 – Влияние наклона волокон древесины на ее прочность при растяжении 1, изгибе 2, сжатии 3

1 – большое количество пороков древесины; 2 – нормальное количество древесины

Рисунок 8.9 – Диаграмма для древесины при нагревании вдоль волокон

Как видно из рисунка 8.10, прочность древесины понижается, когда ее влажность возрастает от 0 до 30 % (до предела гигроскопической влажности), при этом в интервале влажности 8-20 % понижение прочности прямо пропорционально приросту влажности.

Рисунок 8.10 – Влияние влажности древесины на прочность при сжатии вдоль волокон

,

где предел прочности образцов соответственно при 12 % и фактической влажности в момент испытаний;

коэффициент изменения прочности при изменении влажности на 1 %;

при сжатии и изгибе , при скалывании ;

влажность образца (%) в момент испытаний.

Предел прочности древесины с влажностью в момент испытания равной или больше предела гигроскопической влажности приводят к влажности 12 % по формуле

,

где пересчетный коэффициент, имеющий различные значения для разных пород и вида испытаний (указан в соответствующих ГОСТах).

Прочность древесины определяют на небольших лабораторных образцах без пороков.

Прочность при сжатии определяют вдоль и поперек волокон. Прочность древесины при сжатии вдоль волокон в 3-6 раз больше, чем прочность поперек волокон. Например, предел прочности при сжатии образцов воздушно-сухой сосны вдоль волокон – около 60 МПа, а поперек – только 20 МПа.

Прочность древесины при растяжении вдоль волокон в среднем в 2,5 раза превосходит соответствующий предел прочности при сжатии.

Удельная прочность древесины при растяжении вдоль волокон примерно такая же, как у высокопрочной стали и стеклопластика (таблица 8.1).

Следовательно, древесина по своей удельной прочности конкурирует с современными конструкционными материалами. Однако использовать высокую прочность древесины не так легко, поскольку сучки, трещины и другие пороки сильно снижают ее механические свойства. В этом отношении большие возможности дает применение древесины в клееных деревянных конструкциях.

Прочность при статическом изгибе древесины очень высокая: она примерно в 1,8 раза превышает прочность при сжатии вдоль волокон и составляет около 70 % прочности при растяжении. Поэтому древесина (балки, настилы и т.п.) чаще всего работает на изгиб.

К тому же дерево стойко к концентрации напряжений ввиду нали­чия внутренних поверхностей раздела между волокнами. Для разных пород она составляет 50-110 МПа.

Прочность древесины при скалывании имеет большое значение при устройстве врубок, клеевых швов и т. д. в деревянных конструкциях. Предел прочности при скалывании вдоль волокон для основных древесных пород составляет 6,0-13 МПа, а при скалывании поперек волокон – в 3-4 раза выше. Кроме этих испытаний может проводиться определение предела прочности древесины при перерезании поперек волокон.

Таблица 8.1

Статическая твердость численно равна нагрузке, которая необходима для вдавливания в образец древесины половины металлического шарика радиусом 5,64 мм (при этом площадь отпечатка равна 1 см ). Твердость древесины по торцу на 15-50 % выше, чем в радиальном и тангенциальном направлениях. Мягкие породы (сосна, ель, пихта, ольха) имеют торцовую твердость 35-50 МПа, твердые породы (дуб, граб, береза, ясень лиственница и др.) – 50-100 МПа, очень твердые (кизил, самшит) – более 100 МПа. Твердые породы труднее обрабатываются, но зато они обладают повышенной износостойкостью и лучше удерживают шурупы.

Твердость древесины понижается при увлажнении.

Ударную твердость , (Дж/см ) вычисляют по формуле

где масса стального шарика диаметром 2,5 мм, падающего на образец древесины;

ускорение земного притяжения; высота падения шарика (по стандарту 50 см);

средний геометрический диаметр отпечатка, вычисляемый по формуле , где диаметр отпечатка поперек волокон; то же вдоль волокон.

Ударную и статическую твердость пересчитывают к влажности 12 %.

Модуль упругости при статическом изгибе  древесины с влажностью W определяют, нагружая образец, покоящийся на двух опорах, двумя сосредоточенными силами.

Модуль упругости вычисляют по формуле

где нагрузка; расстояние между опорами (0,24 м); b и h – ширина и толщина образца;

прогиб образца в зоне чистого изгиба.

Модуль упругости  образца с влажностью 8-20% пересчитывают к влажности 12 % по формуле

Пересчетный коэффициент  на 1 % влажности.

Модуль упругости образцов с влажностью, равной или большей предела гигроскопичности, пересчитывают к влажности 12 % по формуле

Пересчетный коэффициент  равен 1,25 для хвойных пород; для различных лиственных пород он колеблется от 1,12 до 1,3.

Модуль упругости воздушно-сухой сосны и ели – 10000-15000 МПа, он возрастает с увеличением плотности древесины, а увлажнение его снижается. Известно, что гнуть сырую древесину легче, чем сухую. Еще больше облегчает гнутье древесины пропариванием – это удобный способ нагрева древесины без ее высушивания.

Особенностью древесины является ползучесть, проявляющаяся особенно во влажных условиях. Следствием ползучести является постепенное увеличение деформаций (прогибов балок, провисание тесовых крыш и т.д.) при длительном действии нагрузки.

Факторы, влияющие на механические свойства древесины. В таблице 8.2 сопоставлены плотность и показатели прочности древесины хвойных и лиственных пород, произрастающих в России.

Чем плотнее древесина, тем большую прочность она имеет. Плотность и прочность древесины возрастает, если лес растет на возвышенных местах и песчаных почвах.

Прочностные характеристики древесины несколько снижаются с повышением температуры.

Стандартные методы определения механических свойств на малых «чистых» образцах позволяют сравнивать между собой прочность древесины одной породы или разных пород и оценивать общее качество древесины из данного лесонасаждения. Вместе с тем фактическая прочность строительной древесины в элементах стандартных размеров (досок, брусьев, бревен), в которых имеются те или другие дефекты строения и другие особенности, может быть значительно ниже. Поэтому при нормировании допускаемых напряжений (расчетных сопротивлений) устанавливаются относительно большие коэффициенты запаса прочности.

По этой причине в отличие от других строительных материалов сорта лесоматериалов устанавливают не по прочности образцов, а на основании тщательного осмотра материала и оценки имеющихся в
нем пороков.