2.2. Строение дерева и древесины

Дерево — многолетнее растение. Различают основные части де­рева: крону (ветви с листьями), ствол и корни. Каждая из них вы­полняет определенные функции, необходимые для жизни дерева. В процессе роста дерево получает продукты питания (влага, растворен­ные в ней питательные вещества) из почвы и из воздуха (углекислоту

и испарившуюся из почвы влагу)* Ствол составляет главную часть дере­ва и его основную массу (50...90% объ­ема). Его называют деловой древеси­ной, и он является основным сырьем в производстве всех видов древесных строительных материалов. Ствол де­рева рассматривают в трех разрезах; поперечном (торцовом), проходящем перпендикулярно оси ствола; ради­альном (продольном), проходящем вдоль ствола через его ось; танген- тальном (тангенциальном), проходя­щем вдоль ствола по хорде поперечного сечения (рис. 2.1).

Строение древесины можно изучать не­вооруженным глазом или через лупу (макро­структура), а также через микроскоп (микро­структура).

MaKpocTpvjEcxvipa^ На торцовом разре­зе ствола дерева, показанном на рис. 2.2, раз­личают следующие основные части: jcopy, камбий^ собственно древесину и сердцевину.

Кора состоит из двуЗГслоев — наружного пробкового, представляющего собой мертвую корку, защищающую дерево от механических повреждений, и внутреннего лубяного, по ко­торому проводятся продукты фотосинтеза от кроны в ствол. Кора составляет 6...25% объема дерева.

Камбий— жизнедеятельный слой, находится под лубом и со­стоит из живых клеток. Он имеет важное значение в процессе роста дерева. Камбий откладывает в сторону центра ствола клетки древе­сины, обеспечивая ее рост, а в сторону коры — клетки луба.

За камбием следует древесина — сложная ткань древесных рас­тений, которая проводит воду и растворенные в ней минеральные со­ли. Наружная часть древесины, более светлая, называется заболонью, а внутренняя, более темная, — ядром.

Заболонь состоит из растущих молодых клеток, по которым движутся влага и питательные вещества. Ядро состоит из мертвых клеток, в которых прекращается движение влаги, происходит накоп­ление запасов питательных веществ и образование смолы. Клетки ядра уплотнены.

Породы древесины, у которых внутренний слой на поперечном разрезе заметно темнее заболони, называют ядровыми породами (дуб, тополь, ясень, сосна, кедр, лиственница).

У некоторых пород дерева ядро отсутствует. Такие породы на­зывают заболонными (осина, береза, ольха, клен). Древесные породы с одинаковой окраской в поперечном сечении, но содержащие раз­личное количество влаги в центральной и периферической частях на­зывают спелодревесными (ель, пихта, осина, бук).

На поперечном разрезе хвойной и большинства лиственных по­род древесины легко различаются концентрические слои прироста, или годичные кольца (слои). На радиальном разрезе они имеют вид прямых или наклонных линий, на тангентальном — параболических кривых.

Внутри каждого кольца различают раннюю (весеннюю) и позд­нюю (летнюю) зоны, называемые соответственно ранней и позднейдревесиной. Ранняя древесина образуется весной и в начале лета, поздняя— летом и в начале осени. Чередование ранней и поздней древесины создает слоистое строение дерева. Ранняя древесина по- ристая и слабая, поздняя образована из более прочных толстостенных клеток. Чем больше содержание поздней древесины в годичных сло­ях7~Тё5й прочнее материал. Чем ближе к вершине дерева, тем меньше годовых колец, и определить возраст дерева по годовым кольцам можно лишь по нижнему их сечению. В центре ствола расположена сердцевина, представляющая собой рыхлую ткань, состоящую из тон­костенных клеток. У дерева это самая слабая часть ствола, которая поддается, загниванию. По размерам сердцевина невелика (1...10 мм у хвойных пород и немного больше у лиственных).

Таким образом, дерево по своей структуре, в отличие от других материалов, является материалом анизотропным, т.е. неоднородным.

На поперечном разрезе ствола бука, клена, дуба и других пород видны радиальные линии, так называемые сердцевинные лучи, ока­зывающие значительное влияние на прочность и служащие для пе­ремещения влаги и питательных веществ в поперечном направлении. В древесине хвойных пород имеются смоляные ходы, заполненные смолой. Смоляные ходы на торцовом разрезе имеют вид светлых то­чек в поздней части годового слоя, а на радиальном и тангентальном разрезах — вид темных черточек.

Микроструктура. Микроскопическое строение древесины раз- личны5Гпород хвойных (сосна), тверд о лиственных (дуб) и мягко лист­венных (береза) весьма разнообразно. Под микроскопом видно, что древесина состоит из живых и отмерших клеток различных размеров и формы. Каждая живая клетка имеет оболочку, внутри которой на­ходится растительный белок— протоплазма и ядро. По функциям, которые выполняют клетки древесины, их подразделяют на проводя­щие, механические (опорные) и запасающие.

Проводящие клетки проводят питательные вещества от корней к ветвям и листьям. У хвойных пород проводящие клетки называют трахеидами, а у лиственных — сосудами. Клетки различаются фор­мой, размером. Трахеиды — вытянутые, замкнутые клетки с кососре- занными концами. Сосуды — тонкостенные широкополосные трубоч­ки, сообщающиеся между собой.

Механические, или опорные, клетки образуют древесные во­локна. Древесные волокна представляют собой вытянутые в длину тонкостенные клетки с заостренными концами. Благодаря плотному соединению между собой древесные волокна придают древесине не­обходимую механическую прочность.

Запасающие клетки сосредоточивают в себе запасы питатель­ных веществ. Эти клетки расположены в стволе дерева, главным об\у

3. Зак. 1684.

разом в сердцевинных лучах, и передают питательные вещества дру­гим клеткам в горизонтальном направлении.

В некоторых лиственных породах (дуб, ясень, вяз) имеются крупные и мелкие сосуды. В ранней зоне годового кольца располага­ются крупные сосуды, а мелкие собраны в группы или распределены равномерно по всей площади поздней древесины. Такие породы на­зывают кольцесосудистыми, У некоторых лиственных пород (береза, осина, липа, клен, ольха) в ранней и поздней зонах годового кольца число и диаметр сосудов примерно одинаковый (крупных сосудов нет). Их называют рассеянно-сосудистыми.

Микроскопическое строение древесины изучают на специально изготовленных тонких срезах.

Таким образом, изучение микроструктуры древесины дает более глубокое представление о физиологических и анатомических особен­ностях ее строения, подтверждающих анизотропию свойств.

2.3. ФИЗИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ CBOHCJBAJ^

Физические и механические свойства древесины определяют способы ее переработки в строительные материалы и изделия, облас­ти применения и условия эксплуатации деревянных конструкций. К физическим свойствам древесины относятся: влажность, усушка, раз­бухание, истинная и средняя плотность, пористость, теплопровод­ность и др. (табл. 2.1).

свойства: прочность на растяжение и сжатие (вдоль и поперек воло­кон), изгиб, сдвиг и др. Важными являются и ^ехнолпо1ческиа,СБРЙ- ства древесины: легкость обработки различными инструментами, способность удерживать металлические крепления, хорошая окраши- ваемость и склеиваемость и др.

Влажность (W> %) — количество воды, содержащееся в данный момент в древесине. Различают три вида влаги в древесине:кшшл- лярную (свободную), содержащуюся в полости клеток и межклеточном пространстве, гироскопическую, находящуюся в стенках клеток, и химически связанную, входящую в химический состав веществ, из ко­торых состоит древесина. По степени влажности древесину разделяют на мокрую, долго находившуюся в воде (W = 100% и более);_свеже- срубленную (W = 35...100%); воздушно-сухую (W = 15...20%); комнатно- сухую (W = 8.,.13%); абсолютно сухую (W = 0). Условно стандартной считают влажность, равную 12%. Все характеристики, полненные при определении плотности и прочности, должны быть приведены к стандартной влажности. В строительстве разрешается применять древесину с влажностью не более 20%. Однако следует учитывать, что повышенная влажность в древесине способствует поражению древе­сины плесенью, грибами, приводит к короблению, усушке и растрес­киванию деревянных деталей и конструкций.

Гигроскдпичностью древесины называют ее способность по­глощать водяные пары из воздуха. Сухая древесина поглощает влагу, а влажная отдает влагу окружающему воздуху. Так как влажность воздуха не постоянна, то и влажность древесины также меняется. Равновесной называют влажность, которую получила древесина при длительном нахождении на воздухе при постоянной температуре и относительной влажности.

Усушкой древесины называют уменьшение ее линейных разме­ров и объема, происходящее при испарении из нее гигроскопической влаги.

Ррзбуханием древесины называют увеличение ее размеров и объема при поглощении гигроскопической влаги (оболочками кле­ток). Испарение капиллярной влаги не сопровождается усушкой, так же как и поглощение влаги клетками не сопровождается набуханием древесины.

Различают линейную и объемную усушку. Вследствие неодно­родности строения древесина усыхает или разбухает в различных на­правлениях неодинаково.

Обычно линейная усушка древесины бывает в пределах ОД...0,3%, в радиальном направлении— 3...6, в тангентальном — 7... 12%. Коэффициент объемной усушки в зависимости от породы де­рева колеблется в пределах 0,2...0,75%. Неравномерная усушка

древесины в различных направлениях вызывает коробление и обра­зование трещин. Это в свою очередь уменьшает прочность древесины, снижает ее качество. В строительной практике усушка древесины вы­зывает образование щелей между деревянными конструктивными элементами, а разбухание приводит к выпучиванию.

Для уменьшения водопоглощения и гигроскопичности древеси­ны поверхность * деревянных изделий покрывают лакокрасочными материалами.

Истинная плотность древесины для всех пород примерно оди­накова и равна 1,55 г/см³.

Средняя плотность у разных древесных пород различна. Вели­чина средней плотности зависит от строения древесины, пористости, влажности, условий роста и других факторов. Древесина сосны имеет среднюю плотность 500 кг/м³, дуба — 700 кг/м³.

Пористость древесины значительная, у разных пород колеблет­ся в широком интервале: для хвойных пород — от 46 до 85%, лист­венных — от 32 до 82%.

Древесина обладает небольшой теплопроводностью, которая за­висит от пористости, направления волокон, плот1юсти"древесиш>1, от породы, влажности и температуры. В среднем теплопроводность дре­весины равна 0,16...0,30 Вт/(м-К). Теплопроводность древесины вдоль волокон составляет 0,28 Вт/(м-К), поперек волокон — 0,17 Вт/(м-К), т.е. теплопроводность вдоль волокон в 1,8 раза выше. С увеличением влаж­ности и плотности древесины ее теплопроводность увеличивается.

Звукопроводность древесины в 2... 17 раз выше звукопроводно­сти воздуха. Распространение звука в древесине зависит от породы и направления движения звука. Быстрее всего звук распространяется вдоль волокон, медленнее в радиальном направлении и в 4 раза мед­леннее в тангенциальном направлении. Звукопроводность древесины вдоль волокон почти одинакова со звукопроводностью металла.

Цвет, блеск и текстура определяет эстетические свойства дре­весных строительных материалов. Цвет древесины зависит от породы, района, условий произрастания, возраста дерева, условий ее хране­ния и др. Цвет свежего разреза большинства пород древесины под влиянием воздуха и света постепенно изменяется: приобретает более темные оттенки, становится менее ярким. Деревья умеренного кли­мата имеют более светлую окраску древесины по сравнению с деревь­ями тропической зоны. С возрастом дерева интенсивность окраски заметно увеличивается. Светлая древесина (слегка желтый или розо­ватый цвет) — у ели, пихты, осины, березы, клена; желтая — у сам­шита; желто-коричневая — у вяза, дуба, кедра; красно-коричневая — у видши; желтовато-зеленая — у белой акации и т.д., существуют де­сятки других цветов и оттенков древесины.

Изменение цвета древесины (потускнение, серая, синяя окра­ска) может быть вызвано заболеванием грибами. Цвет древесины — ее важнейшее декоративное свойство и диагностический признак.

Блеск различных пород древесины связан с их плотностью и видом разреза, наблюдается на радиальном срезе у некоторых лист­венных пород древесины. В радиальном разрезе блеском обладают клен, бук, дуб, красное дерево. Сильно развитые сердцевинные лучи дуба в радиальном разрезе дают блестящие пятна.

Текстура или рисунок поверхности определяется характером макроструктуры, на конкретном разрезе, различием в цвете опреде­ленных его участков. Она состоит из ясно различимых крупных сосудов, широких сердцевинных лучей, годовых слоев, направления волокон (волокнистое, завиток, свилеватое). Чем сложнее строение древесины, тем разнообразнее ее текстура.

Механические свойства древесины зависят прежде всего от ее плотности, влажности и наличия пороков. Древесина большой плот­ности имеет более высокую прочность. При увеличении влажности от 8 до 30% снижается прочность и твердость древесных материалов и, наоборот, уменьшение количества влаги в рассматриваемых мате­риалах, например от 20 до 8%, заметно повышает их механические характеристики. На прочность древесины влияет процент поздней древесины, наличие пороков, гнили.

Так как древесина имеет неоднородное строение, то и сопротив­ляется указанным деформациям по-разному.

Прочность древесины характеризуется пределами прочности при сжатии, растяжении, статическом изгибе и скалывани (табл. 2.2).

Предел прочности древесины при сжатии R_cyKV/ вдоль волокон

определяют на стандартных образцах в виде прямоугольной призмы сечением 20x20 мм и длиной 30 мм, испытывая их на прессах. Предел ^ч прочности вычисляют по формуле #_C5KW= ^_max > ^гД^е -^max — мак­симальная разрушающая нагрузка, Н; а и b — размеры поперечного сечения, мм.

Предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон с влажностью 12% меняется в широких пределах — от 30 до 80 МПа в зависимости от породы дерева. Предел прочности при сжатии поперек волокон значительно меньше (10...30%) предела прочности при сжа­тии вдоль волокон. В колоннах, стойках, опорах и т.д. усилия прикла­дываются к дереву вдоль волокон; на стены срубов, шпалы и т.д. уси­лия действуют поперек волокон.

Мтдел прочности д&евесинщ рри. .растяжении вдоль волокон высокий и составляет от 80 до 160 МПа. Однако трудность испытания заключается в том, что в закрепленных концах деревянного образца возникают напряжения смятия и скалывания, которым древесина со­противляется плохо. Поэтому древесину ограниченно используют в конструкциях, работающих на растяжение.

Древесина хорошо сопротивляется^ изгибу, поэтому ее широко используют для конструкций, работающих на изгиб (балки, стропила, фермы и т.д.). У лиственных пород прочность при изгибе в радиаль­ном и тангентальном направлениях одинакова, а у хвойных пород прочность в тангентальном направлении немного больше, чем в ра­диальном.

Прочность древесины при скалыбании вдоль волокон невелика и составляет 6,5...14,5 МПа. Скалывание древесины может происхо­дить по направлению волокон и перпендикулярно им. Поэтому раз­личают скалывание вдоль и поперек волокон. Когда внешние силы действуют перпендикулярно волокнам, то может произойти срез (сдвиг). Скалывающие и срезывающие усилия возникают в различ­ных соединениях деревянных элементов (врубках, шипах и т.д.).

Твердость. При сравнительно высоких показателях прочност­ных свойств древесина обладает небольшой твердостью. Твердость ели, сосны, пихты, ольхи составляет 35...50 МПа, а у твердых пород (дуб, береза, ясень, лиственница) — 50... 100 МПа.

Древесина хорошо сопротивляется ударным и вибрационным нагрузкам. Древесина как естественный полимерный материал прак­тически не стареет и этим выгодно отличается от искусственных по­лимерных материалов, которые в обычных а/гмосферных условиях подвергаются сравнительно быстрому старению.

Массивные элементы конструкций из натуральной и клееной древесины обладают высокой, огнестойкостью.