Строение и состав древесины

Для того чтобы понять общие принципы конструирования деревянных конструкций, прежде всего, надо знать строение древесины. Знание в этой области позволяет разобраться, как работает древесина при различных видах напряженного состояния.

Макроструктура

В поперечном сечении ствола древесины можно рассмотреть несколько характерных слоёв (рис. ):

сердцевина – темное пятно диаметром 2..5 мм;

ядро – самая прочная центральная часть ствола, имеющая более темную окраску и состоящая полностью из отмерших клеток;

заболонь - более светлая и менее прочная часть дерева, состоящая из молодых клеток;

камбий – тонкий слой, в котором происходит деление и рост клеток;

луб – слой древесины, проводящий вниз по стволу образующиеся в листьях питательные органические вещества;

кора – внешний слой, защищающий дерево от механических воздействий.

На поперечном разрезе видны также светлые блестящие полосы, идущие в радиаль­ном направлении. Это сердцевинные лучи, по которым проходят питательные вещества в дереве поперек волокон.

У деревьев всех пород в раннем возрасте древесина состоит только из заболони, и лишь с течением времени происходит отмирание живых клеток. При этом у одних пород древесины центральная часть приобретает тёмную окраску, т.е. образует ядро (сосна, лиственница, дуб). У других отмирание не сопровождается её потемнением (ель, пихта, бук). У некоторых пород древесины (берёза, ольха) наружная и внутренняя часть ствола не отличаются по свойствам, т. е. состоят только из заболони.

Рис. 3. Поперечный разрез ствола: 1 – сердцевина,

2 – сердцевинные лучи,

3 – ядро,

4 – кора,

5 – лубяной слой,

6 – заболонь,

7 – камбий,

8 – годичные слои.

Древесные волокна располагаются концентрическими слоями вокруг оси ствола, которые называются годичными слоями, так как каждый слой нарастает в течение года. Они хорошо заметны в виде ряда колец на поперечных разрезах стволов, и по их количеству можно определить возраст дерева. Каждый годичный слой состоит из двух частей. Внутренний более широкий и светлый слой образуется из мягкой ранней древесины весной, когда дерево растёт быстро. Клетки ранней древесины имеют более тонкие стенки и широкие полости. Наружный узкий тёмный слой состоит из более твёрдой поздней древесины, образующейся летом и ранней осенью. Клетки поздней древесины имеют более толстые стенки и узкие полости. Ширина годичных слоёв колеблется в зависимости от возраста, породы, условий произрастания и положения в стволе. Более прочной является древесина с большим содержанием поздней древесины. На радиальном разрезе годичные слои видны в виде продольных параллельных полос, а на тангенциальном - в форме извилистых линий.

Рис.4.

Главные разрезы ствола дерева:

1 – поперечный

2 – радиальный

3 – тангенциальный

Микроструктура

Древесина хвойных пород отличается простотой и правильностью строения, имеет трубчато-волокнистую структуру и состо­ит из клеток двух видов: прозенхимных и паренхимных.

К прозенхимным (греч. "прос" - удлиненное; "энхима" - наполненное) клеткам от­носятся трахеиды - полые клетки сильно вытянутые в длину с заостренными концами. Эти клетки занимают более 90% объема древесины ствола и придают ей механическую прочность. Среднее отношение длины трахеиды к размеру в поперечном отношении примерно равно 50-60. Трахеид ранней части годичного слоя обладает тонкими стенками (2-3 мкм) и большими внутренними полостями, а трахеиды поздней части годичного слоя имеют более толстые стенки (5-7 мкм) и меньшие полости. Длина этих клеток 2-5 мм. Стыкование трахеид в продольном направлении осуществляется в процессе роста. Они своими заострёнными концами врастают между собой и в другие паренхимные клетки (Рис. 2.2).

Паренхимные (лат. "пар" - одинаковый ) клетки имеют примерно одинаковые размеры по всем трем осевым направлениям, входят в состав сердцевинных лучей и смоляных ходов, зани­мают около 7% объема древесины. Сердцевидные лучи пронизывают несколько годичных слоёв и по ним происходит движение питательных веществ и воды в горизонтальном направлении в период вегетации. В период покоя в них хранятся запасы питательных веществ. Клетки паренхимы имеют более тонкие оболочки, они слабее основных клеток - по ним образуются усушечные трещины в пиломатериалах.

Рис. 5. Схема строения древесины и вид оболочки клетки сбоку.

Древесина лиственных пород имеет несколько отличную от хвойных пород структуру. Прочностные функции в них выполняют клетки либриформа (удлиненные клетки с толстыми одревесневшими оболочками); проводящими клетками служат сосуды, длинные клетки с широкими полостями; накопляющие клетки образуют горизонтальные сердцевинные лучи. Спиральное направление стенок клеток древесины лиственных пород приводит к большему короблению и растрескиванию пиломатериала при усушке.

Химический состав

Химический состав древесины практически не зависит от породы дерева. Органиче­ское вещество абсолютно сухой древесины содержит в среднем: 49,5% - углерода (С); 44,2% - кислорода с примесью азота (О + К); 6,3% - водорода (Н). Эти химические элементы образуют в древесине сложные соединения: целлюлозу - высокомолекулярный линей­ный полимер (48...56%);

гемицеллюлозу - более сложный полимер, чем целлюлоза, (23...26%)

лигнин - вещество, сложной макромолекулярной структуры, (26...30%).

Все перечисленные вещества входят в состав клеточных оболочек. Кроме них в состав древесины входят еще неорганические соединения, которые при сгорании образуют золу. Остальные вещества называются экстрактивными - извлекаемыми из древесины различными способами (смо­лы, эфирные масла, дубильные вещества).