Строительные материалы. Их приготовление, свойства и испытание. В. В. Эвальд. Лесные материалы.
ЛЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Технические свойства дерева.
Сравнивая дерево с прочими строительными материалами - каменными и металлическими, мы находим в нем следующие достоинства: сравнительно малый вес (что облегчает его доставку и перемещение), вязкость, гибкость, упругость, легкость обработки инструментами при достаточном, для большинства случаев, сопротивлении механическим усилиям. Самая форма древесного ствола -его большая длина сравнительно с толщиной - представляет достоинство, позволяя во многих случаях оставлять ее без изменения. Недостатки дерева, как материала для построек - его легкая воспламеняемость и способность загнивать от сырости. Физические свойства древесины, вообще говоря, даже у одной и той же породы дерева бывают не одинаковы, изменяясь в весьма широких пределах в зависимости от его возраста, условий роста, времени рубки, от присутствия или отсутствия тех или иных пороков, а также от количества содержащейся в нем влаги. Выбор исследуемого образца из той или иной части ствола также оказывает большое влияние на получаемые при опыте результаты. Таким образом, цифры, которыми выражаются эти результаты, всегда будут более или менее разниться между собою и, говоря например, о величине сопротивления дерева какому-либо механическому усилию (сжатию, растяжению и пр.), всегда следует не упускать из виду, что эта величина - средняя, допускающая значительные уклонения в ту и другую сторону.
1. Вес дерева. Почти всякое дерево, кроме очень немногих (бакаут, черное дерево и др.), легче воды; оно обязано этим исключительно пористости древесины, клеточки которой не заполнены совершенно древесными соками, но содержат воздух. Само же по себе твердое вещество древесины иногда почти в 1,5 раза тяжелее воды, но оно занимает не более 1/3 общего объема древесины; поэтому удельный вес ее в обыкновенном состоянии, т. е. вместе с пустотами, оказывается менее единицы и, для одной и той же породы, зависит, прежде всего, от степени ее влажности. Более всего влаги содержит дерево, долго бывшее под водою. Содержание влаги в свежесрубленном молодом дереве колеблется (по Гартигу) от 35 до 60% по весу; у твердых лиственных пород оно всего менее (35 - 40%), у мягких более (45 - 58%), у хвойных пород - всего более (58-60%); весною и в особенности осенью содержание влаги в живом дереве уменьшается, а зимой и летом увеличивается.
Будучи оставлено на воздухе, срубленное дерево теряет влагу испарением, пока оставшаяся в нем влажность не уравновесится с влажностью окружающего воздуха; в таком состоянии мы называем дерево воздушно-сухим, или полусухим. Для крупного строевого леса такое состояние наступает не ранее, как через 1 1/2 - 2 года. Хвойные породы сохнут скорее лиственных и в воздушно-сухом состоянии содержат 15-18% воды; лиственные - от 16 - 20%. Дальнейшее уменьшение влажности достигается уже при помощи искусственной сушки. О явлениях, вызываемых изменениями влажности в дереве, будет сказано далее.
Намокший в воде хвойный лес можно считать приблизительно в 1,5 раза тяжелее полусухого.
2. Теплопроводность дерева весьма невелика по сравнению с большинством остальных строительных материалов. Коэффициент теплопроводности, т. е. количество калорий, передающихся в течение 1 часа через 1 кв. метр стены толщиною в 1 метр, при разности температур в 1°Ц., для дуба (поперек волокон) равен 0,21; для ели вдоль волокон 0,17, поперек волокон 0,093; для сосновых опилок 0,045. Для сравнения приводим значения этого же коэффициента для некоторых других строительных материалов: обожженная глина 0,8, кирпичная кладка 0,69, известняк 2,6, мрамор 2,8, песчаник 1,3, железо 60,0. Это позволяет делать наружные деревянные стены жилых построек значительно тоньше, чем каменные.
3. крепость дерева или его сопротивление механическим усилиям, как мы уже говорили, зависит от многих условий: от возраста дерева, его влажности или сухости, от обстоятельств, при которых росло дерево, от числа и размера сучьев и т. п.; наконец, от направления усилия относительно древесных волокон. Стенки клеток, иначе говоря, самые волокна, обладают значительно большим сопротивлением разрушающим усилиям, нежели связывающее их межклеточное вещество, поэтому всякое дерево лучше сопротивляется усилиям, стремящимся разрушить самые волокна (продольное сжатие, вытягивание, срезывание поперек волокон), нежели усилиям, стремящимся перемещать волокна друг относительно друга (скалывание вдоль волокон, расслаивание, поперечное сжатие, раскалывание); всего лучше дерево сопротивляется разрывающим усилиям, направленным вдоль волокон, отличаясь этой особенностью сопротивления не только от каменных матерьялов, но и от многих металлов.
Обыкновенно принимают, что временное сопротивление большинства дерев (кроме дуба) продольному вытягиванию, средним числом, вдвое более сопротивления продольному сжатию; это не вполне точно, как показывают результаты опытов Баушингера и Тетмайера, но может быть допущено в видах упрощения расчетов.
Сопротивление дерева поперечному сжатию обыкновенно принимают в 2 - 4 раза менее, чем продольному.
Увеличению крепости данной породы дерева, главным образом, благоприятствуют:
1. Большая абсолютная плотность сухой древесины; иногда, впрочем, большой удельный вес древесины вызывается ненормально большим содержанием смолы, или минеральных веществ - что, конечно, не увеличивает ее крепости.
2. Правильное расположение волокон (прямослойность), особенно в пиленом лесе; у хвойных пород - мелкослойность, как следствие соответствующей почвы, климата и т. д.; отсутствие сучьев.
3. Умеренная влажность: полагают, что при содержании средним числом около 10% влаги дерево всего лучше сопротивляется растяжению, и сопротивление это уменьшается как для слишком сырого, так и для слишком сухого дерева, при чем последнее делается хрупким. Сжатию же, наоборот, лучше сопротивляется вполне сухое дерево.
4. Надлежащий возраст дерева: например, для сосны 80 - 120 лет, для дуба от 60 до 200 лет и т. д.
5. Зимняя рубка, как полагают многие, также выгоднее для крепости дерева; это, однако, не вполне доказано. Другие, более основательные преимущества зимней рубки излагаются далее.
4. Упругость дерева, т. е. его способность возвращаться к первоначальной форме по прекращении усилия, вызвавшего изменение этой формы, если такое изменение (деформация) не перешло за известный предел, - вообще говоря, довольно велика. За пределом упругости волокна взрослого дерева, в противоположность металлам, вытягиваются весьма незначительно, и разрыв, особенно сухого дерева, происходит уже при весьма небольшом удлинении; наоборот, молодые ветви, в особенности у некоторых пород, например, ивовые побеги, весьма гибки, т. е. допускают значительные остающиеся деформации.
Заболонь более гибка, чем ядро или спелая древесина.
5. Гибкость может быть увеличена искусственно - вымачиванием в воде или, в еще большей степени, пропариванием. Употребляемый для этого парильник обыкновенно устраивается в виде длинного горизонтального ящика, установленного на козлах и хорошо проконопаченного; пропариваемые доски вдвигают в ящик с одного его конца, который затем плотно закрывается крышкой. Под серединой ящика установлен, или подвешен на цепи, чугунный котел с водой, закрытый крышкой и нагреваемый снизу; пар проводится из котла в ящик по железной трубе. Если доски очень толсты и должны быть очень круто изогнуты, то иногда их надпиливают вдоль по толщине.
Чтобы сделать гибким сырое, свеже-срубленное дерево, достаточно его просто нагреть, например, в русской печи или прямо над огнем.
При изготовлении гнутой (венской) мебели, на местах особенно крутых изгибов на время работы привинчивают гибкие железные полосы с той стороны, которая будет после изгибания выпуклою; такая полоса принимает на себя вытягивающие усилия при изгибе и не позволяет распаренным волокнам дерева разорваться. После пропаривания дерево становится, однако, несколько более дряблым, чем непропаренное, и крепость его уменьшается.
6. Твердость дерева, т. е. сопротивление прониканию в него более твердых предметов, увеличивается (для одной и той же породы) вместе с плотностью древесины и с уменьшением влажности. Она является качеством, желательным для частей, работающих на сжатие, например, для клиньев, опорных подушек, шпонок, вставных шипов и т. п., для которых и выбирают такие породы, как дуб, бук и т. п. В других же случаях слишком большая твердость, затрудняя и удорожая обработку, может быть даже нежелательною. Однако, при обработке пилой некоторые твердые породы представляют менее затруднений, нежели мягкие (напр., липа, осина), которые вследствие своей длинноволокнистости, а особенно при распиливании в сыром виде, сильно засоряют промежутки между зубьями пилы.
Чем дерево тверже, тем менее оно изнашивается от стирания, что существенно, например, для полов, мостовых настилов и т. п.
7. Влияние изменений влажности. Когда сухое дерево впитывает воду, то вода проникает в полости клеточек со значительной силой (осмотическое давление) и клеточки увеличиваются в объеме; обратно, когда влажное дерево в сухом месте теряет воду, вследствие ее испарения, объем клеточек уменьшается. Как для отдельных клеточек, так и для всей состоящей из них древесины происходящие при этом изменения линейных размеров по различным направлениям неодинаковы между собою.
Таким образом, вызываемое усушкой укорочение длины ничтожно, тогда как изменения поперечных размеров довольно велики и притом различны, а именно, ссыхание по окружности, т. е. по направлению годичных колец, несколько более, чем ссыхание в радиальном направлении. Так как, чем больше влаги могут потерять клеточки при высыхании, тем значительнее будут происходящие при этом изменения их формы, то на наружных кольцах, более молодых и содержащих более соков, явления усушки заметны сильнее, чем на внутренних кольцах, клеточки которых содержат менее соков и имеют более жесткие стенки; поэтому дерево при высыхании коробится, а при быстрой сушке и трескается. И коробление и растрескивание всегда происходят в определенных направлениях; так, трещины при усушке всегда идут по радиусам (вдоль сердцевинных лучей) и расширяются к окружности; если в брусе, вытесанном из бревна, центр ствола приходится по середине, то трещины от него пойдут приблизительно к серединам сторон, если же центр ствола приходится в одном из углов сечения бруса, то трещины расположатся, как показано, и самый брус, кроме того, покоробится по длине, при чем ребро, ближайшее к центру ствола, сделается выпуклым. Доски при сушке не только становятся по краям тоньше, чем по середине, но принимают желобчатую форму, обращаясь выпуклостью в сторону центра ствола, кроме тонких горбылей, которые изгибаются обратно, так как кора ссыхается менее, чем заболонь; средняя (сердцевая) доска почти не изгибается ни в ту, ни в другую сторону. Кроме того, обыкновенно доски еще перекашиваются винтообразно, так как в большинстве случаев деревья хоть сколько-нибудь косослойны.
При разбухании сухого дерева от сырости все изменения формы происходят, разумеется, в обратном направлении.
Чтобы подобные деформации не имели вредных последствий, прежде всего, следует сообщить дереву заранее именно ту степень сухости, которую оно должно иметь впоследствии; поэтому для внутренней отделки отапливаемых помещений необходимо пользоваться только хорошо высушенным лесом и, обратно, для наружных работ не годится слишком сухое дерево. Далее, трескание и коробление в значительной степени предупреждаются осмолкой, окраской, покрытием маслом или лаком, образующими непроницаемый для сырости покров. Так как испарение влаги происходит всего быстрее с торцов, где перерезаны все волокна и сосуды, то для замедления высыхания и для предупреждения растрескивания дерева, хранящегося на складах, часто окрашивают торцы, в особенности у ценных привозных пород, или же обклеивают их бумагой, смазывают салом, глиной и т. п.
Неприятные последствия растрескивания и коробления можно отчасти предупредить и конструктивными мерами. Так, столяры стараются избегать употребления слишком широких досок, заменяя их щитами, склеенными из нескольких, более узких досок так, что сердцевые стороны последних обращены попеременно то в ту, то в другую сторону; еще лучше, если каждая из этих досок распилена вдоль пополам и половинки ее перевернуты друг относительно друга. При особенно тщательной работе склеивают щиты в несколько слоев, располагая волокна каждого ряда поперек волокон предыдущего ряди. Вспомогательными средствами против коробления больших тонких щитов (каковы, например, чертежные доски) служат шпонки, наградники и т. п., описываемые в курсах столярных и плотничных работ.
При настилке половых досок следует класть их сердцевой стороной вверх, в противном случае при короблении доски будут подниматься ее края, и доска будет при ходьбе качаться, а, кроме того, при острагивании такого пола во время ремонта придется строгать доски почти до гнезд, в которые вставлены шипы, соединяющие доски. Дверные филенки вставляются своими краями в пазы обвязок и средников не на клею, но свободно - так, чтобы при усушке их края могли двигаться в пазах, иначе филенка лопнет.
Деревянные части, которые будут подвержены внешним усилиям, следует по возможности заготовлять и располагать так, чтобы сердцевинные лучи соответствовали направлению этих усилий, так как в этом случае трещины, которые можно ожидать именно по сердцевинным лучам, менее всего ослабят дерево..
- Строение, состав и процесс роста дерева
- Лесные породы
- Пороки дерева
- Технические свойства дерева
- Заготовка строевого леса
- Сорта лесных материалов и условия их приемки
- Меры для сохранения дерева