Влажность и плотность древесины, а так же ее клеточная структура и ее особенности. древесина

К физическим свойствам древесины относятся свойства, характеризующие ее внешний вид и макроструктуру, а также влажность и плотность древесины, влаго- и водопоглощенне, тепловые, электрические и звуковые свойства.

Усушка древесины

Усушка - это изменение линейных размеров и объёма древесины при высыхании в результате удаления влаги из древесины. Она начинается после полного удаления свободной влаги и с началом удаления связанной влаги.
Усушка древесины по разным направлениям неодинакова. В тангентальном направлении усушка в 1,5 - 2 раза больше, чем в радиальном. Усушка вдоль волокон незначительна. В среднем полная линейная усушка в тангентальном направлении составляет 6-10%, в радиальном направлении - 3-5% и вдоль волокон - 0,1-0,3%.  

Уменьшение объёма древесины при испарении связанной влаги называется объёмной усушкой.

Неравномерность усушки древесины в различных частях и в разных направлениях приводит к искажению формы материала, то есть к короблению, что вызвано возникновением разнонаправленных напряжений.

Когда неравномерная усушка вызывает напряжение, превышающее прочность древесины в направлении, перпендикулярном волокну, вдоль волокна происходит разделение клеток. Это вызывает растрескивание материала. Трещины наиболее часто проявляют себя на поверхности, а также на торцах досок, но могут образовываться и внутри.

Классическая проблема неравномерного изменения толщины древесины в досках при усушке, как правило, вызвана разницей тангентальной и радиальной усушки. Если один край доски расположен вблизи сердцевины, годовые кольца в нём имеют значительную кривизну и усушка будет происходить, в основном, в радиальном направлении. На противоположном краю волокна расположены, в основном, перпендикулярно поверхности и, стало быть, усушка будет тангентальной.

По величине коэффициента объёмной усушки древесные породы можно разделить на три категории:
Малоусыхающие - (коэффициент объёмной усушки не более 0,4%) - ель сибирская и обыкновенная, пихта сибирская, кедры сибирский и корейский, тополь белый.
Среднеусыхающие - (коэффициент объёмной усушки от 0,4 до 0,47%) - бук, вяз, дуб, сосна,  липа мелкозернистая, ольха чёрная, осина, пихты белокорая, кавказская и маньчжурская, тополь чёрный, ясень.
Сильноусыхающие - (коэффициент объёмной усушки 0,47% и более) - берёзы плакучая и белая, граб, лиственницы сибирская и даурская, клён остролистый.
Коэффициент объемной усушки считается в % на 1% снижения влажности ниже точки насыщения.

Плотность древесины

Плотность древесины - это отношение массы древесины к ее объему. В древесине имеются пустоты (полости клеток, межклеточные пространства), и если удалось бы спрессовать древесину так, чтобы все пустоты исчезли, то получили бы сплошное древесинное вещество.

Плотность древесины вследствие пористого строения меньше, чем плотность древесинного вещества. В лабораторных условиях плотность древесины определяют на образцах прямоугольного сечения размером 20x20 мм и высотой (по длине волокон) 30 мм (ГОСТ 16483.1-73). Массу образца определяют взвешиванием на рычажных весах с погрешностью не более 0,001 г, линейные размеры - штангенциркулем или микрометром с погрешностью не более 0,1 мм. Объем вычисляют как произведение результатов трех измерений и выражают в долях кубического метра (м3). Плотность древесины зависит от ее влажности.

В соответствии с рекомендацией комиссии по стандартизации Совета Экономической Взаимопомощи (СЭВ) все показатели физико-механических свойств древесины определяются при стандартной влажности (12%). Для расчета иногда пользуются плотностью древесины в абсолютно сухом состоянии: массу и объем древесины измеряют после того, как образец высушат до влажности, равной нулю. Для некоторых целей удобно пользоваться величиной, называемой условной плотностью древесины. Вычисляют этот показатель как отношение массы образца в абсолютно сухом состоянии к объему образца при пределе гигроскопичности. Условная плотность древесины не зависит от влажности.

С увеличением влажности плотность древесины увеличивается. Например, плотность древесины бука при влажности 12% составляет 670 кгма, а при влажности 25% - 710 кгм3. В пределах годичного слоя плотность древесины различна: плотность поздней древесины в 2-3 раза больше, чем ранней. Поэтому чем лучше развита поздняя древесина, тем выше ее плотность. Между плотностью и прочностью древесины существует тесная связь. Более тяжелая древесина, как правило, является более прочной. Плотность определяется количеством древесинного вещества в единице объема.
Плотность колеблется в очень широких пределах (табл. 1). По плотности при влажности 12% древесину можно разделить на три группы: породы с малой плотностью (510 кгм и менее); со средней плотностью (550-740 кгм3) и с высокой плотностью (750 кгм3 и выше). Плотность древесины имеет большое практическое значение. Древесину с высокой плотностью (самшит, граб, бук, клен, груша) особенно ценят на производстве за ее прочность и хорошую обрабатываемость. Древесина лиственных кольцесосудистых пород имеет неодинаковую плотность, ранняя часть годичного слоя у нее пористая, поздняя - более плотная.

Такая древесина труднее поддается лакированию и полированию, но обладает другими ценными свойствами, например хорошо гнется. Древесина хвойных пород обладает малой плотностью, а рассеянно-сосудистых лиственных пород - высокой плотностью, поэтому она чисто обрабатывается, хорошо лакируется и полируется.

Клеточная структура древесины

Клеточная структура древесины – объективный определяющий фактор ее плотности (удельного веса).

Древесина имеет волокнистую многоклеточную структуру, в которой стенки клеток выступают в роли несущего каркаса. Клеточная структура древесины определяется размерами древесных клеток, их формой и ориентацией в пространстве.  Материал для клеточных стенок – древесинное вещество, плотностью 1540 кг/м3. Плотность материала клеточных стенок практически одинакова для всех пород дерева. А вот клеточные структуры, размеры и формы древесных клеток, в каждом случае – разные. С уменьшением размеров клеток и более плотным размещением их в пространстве –  клеточная структура древесины уплотняется и растет количество древесинного вещества в единице объема. Соответственно, увеличивается вес единицы объема древесины и растет его плотность (удельный вес). И наоборот, древесина с более «рыхлой» и «крупной» клеточной структурой всегда будет менее плотная.

Отличиями в строении клеточной структуры объясняется разница в плотности древесины разных пород дерева и разных слоев древесины в пределах одной породы.

Дополнительно, на строение клеточной структуры древесины влияют климатические, географические  и другие локальные условия произрастания дерева, а также – его возраст. В пределах одной породы, удельный вес древесины может изменяться в зависимости от указанных причин.

Например, в пределах одной породы:

• древесина дерева, выросшего в засушливом районе, будет плотнее, нежели древесина дерева, выросшего в болотистой местности
• плотность поздней древесины в 2-3 раза больше, чем ранней, поэтому, чем старше дерево, чем лучше развита поздняя древесина – тем выше будет ее суммарная плотность

Понятие Зольности древесины.

Зольностью называют содержание в топ­ливе минеральных веществ, остающихся после полного сгорания всей горючей массы. Зола является нежелательной частью топ­лива, так как снижает содержание горючих элементов и затруд­няет эксплуатацию топочных устройств. При проведении анализов содержание золы подсчитывается на сухую массу топлива.

Пересчет зольности на рабочую массу проводится по формуле Ар = Ас( M~WP V (2.2)

Где Лр —содержание золы в расчете на рабочую массу, %;ЛС — содержание золы на сухую массу топлива, %; Wv—рабочая влажность топлива, %. Зола подразделяется на внутреннюю, содержащуюся в древесном веществе, и внешнюю, попавшую в топливо при заготовке, хранении и транспортировании биомассы. В зависи­мости от вида зола имеет различную плавкость при нагревании до высокой температуры. Легкоплавкой называется зола, имеющая температуру начала жидкоплавкого состояния ниже 1350°.
Среднеплавкая зола имеет температуру начала жидкоплавкого состояния в пределах 1350—1450 °С. У туго­плавкой золы эта температура выше 1450 °С. Внутренняя зола древесной биомассы является тугоплавкой, а внешняя — легкоплавкой. Содержание золы в различных ча­стях деревьев различных пород показано в табл. 4.

Зольность стволовой древесины. Содержание внутренней золы стволовой древесины изменяется в пределах от 0,2 до 1,17%.

На основании этого в соответствии с рекомендациями по нормативному методу теплового расчета котельных агрегатов [58] в расчетах топочных устройств зольность стволовой древе­сины всех пород должна приниматься равной 1 % сухой массы Зольность коры. Зольность коры больше зольности стволовой древесины.

Одной из причин этого является то, что поверхность коры все время роста дерева обдувается атмосферным возду­хом и улавливает при этом содержащиеся в нем минеральные аэрозоли. По наблюдениям, проведенным ЦНИИМОД для сплавной древесины в условиях архангельских лесопильных и деревообра­батывающих предприятий, зольность отходов окорки составляла 5.

Содержание золы в различных составных частях коры различных пород [34] У ели 5,2, у сосны 4,9%- Повышение зольности коры в этом случае объясняется загрязнением коры во время сплава хлыстов по рекам. Содержание золы в различных составных частях коры, по данным В. М. Никитина, показано в табл. 5. Зольность коры различных пород на сухую массу, по дан­ным А. И. Померанского [40], составляет: сосна 3,2 %, ель 3,95, береза 2,7, ольха 2,4 %.

По данным НПО ЦКТИ им. И. И. Пол - зунова, зольность коры различных пород варьирует от 0,5 до 8%. Зольность элементов кроны. Зольность элементов кроны превышает зольность древесины и зависит от породы древе­сины и места ее произрастания. По данным В. М. Никитина, зольность листьев 3,5 %.

Ветки и сучья имеют внутреннюю зольность от 0,3 до 0,7%. Однако в зависимости от типа тех­нологического процесса заготовки древесины их зольность су­щественно изменяется из-за загрязнения их внешними мине­ральными включениями. Загрязнение ветвей и сучьев в про­цессе заготовки, трелевки и вывозки наиболее интенсивно при влажной погоде весной и осенью.

   Влажность и плотность древесины – основные свойства древесины.

 

 Влажность – это отношение массы влаги, находящейся в данном объеме древесины, к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах. Влага, пропитывающая клеточные оболочки, называется связанной или гигроскопической, а влага, заполняющая полости клеток и межклеточные пространства, называется свободной или капиллярной.

При высыхании древесины из нее сначала испаряется свободная влага, а затем связанная. Состояние древесины, при котором клеточные оболочки содержат максимальное количество связанной влаги, а в полостях клеток находится только воздух, называется пределом гигроскопичности. Соответствующая ему влажность при комнатной температуре (20° С) составляет 30 % и не зависит от породы.

Различают следующие ступени влажности древесины: мокрая – влажность выше 100 %; свежесрубленная – влажность 50. 100 %; воздушно – сухая влажность 15.20 %; сухая – влажность 8.12 %; абсолютно сухая – влажность около 0%.

Плотность древесины- это отношение массы древесины при определенной влажности, кг, к ее объему, м³.

С увеличением влажности плотность древесины увеличивается. Например, плотность древесины бука при влажности 12 % – 670 кг/м3, а при влажности 25 % – 710 кг/м3. Плотность поздней древесины в 2.3 раза больше, чем ранней, поэтому чем лучше развита поздняя древесина, тем выше ее плотность (табл. 2). Условная плотность древесины – это отношение массы образца в абсолютно сухом состоянии к объему образца при пределе гигроскопичности.