Строение и состав Части растущего дерева. Древесные растения, используемые для получения древесных материалов, делятся по породам на две группы — хвойные и лиственные. Деревья хвойных пород имеют в нашей стране наибольшее распространение, они занимают около 75% лесных площадей. Отличительная черта деревьев хвойных пород — смолистость, игольчатая и чешуйчатая форма листьев (хвои), не опадающих (кроме лиственницы) на зиму. Деревья лиственных пород имеются пластинчатые листья различных очертаний, опадающие на зиму. Лиственные породы делятся на две подгруппы в зависимости от твердости древесины: твердые лиственные породы (дуб, бук, ясень и др.), мягкие лиственные породы (липа, осина, ольха и др.).
В растущем дереве выделяют три основные его части — крону, ствол, корни (Рис... Каждая часть имеет определенное назначение в жизни дерева и различное промышленное применение. Крона — это совокупность ветвей, отходящих от ствола. В листьях и хвое под действием солнечного света происходит фотосинтез:
из
влаги, минеральных веществ и углекислоты
Рис. Части
вырабатываются органические вещества.
Зеленой частью дерева поглощается углекислый газ из атмосферы и выделяется в атмосферу кислород и влага. Корни дерева всасывают из почвы воду с растворенными минеральными питательными веществами, хранят запас питательных веществ, поддерживают дерево в вертикальном положении. Ствол дерева служит для передачи из корней в крону влаги и питательных веществ, а из кроны в ствол органических веществ, выработанных листьями, а также для хранения запаса питательных веществ.
Главные разрезы ствола. Макроскопическое строение древесины. Древесина имеет слоисто-волокнистое строение, рассмотреть которое можно на трех главных разрезах ствола (Рис. а); поперечном — в плоскости, перпендикулярной продольной оси ствола; радиальном — в плоскости, проходящей через ось ствола; тангенталъном — в плоскости, не проходящей через ось, но параллельной ей.
На поперечном разрезе ствола можно различать все его элементы (Рис.). Сердцевина на поперечном разрезе видна в виде пятна диаметром 2-5 мм. Это слой древесины, выросший в первый год жизни. Вокруг сердцевины видны кольца круглой или овальной формы — годичные кольца, т.е. участки древесины, которые ежегодно нарастали на сердцевину. От сердцевины по радиусам расходятся отдельные полосы — это сердцевинные лучи, которые в растущем дереве выполняют функцию передачи питательных веществ от наружной части ствола вглубь и их хранения. Снаружи ствол закрыт корой.
В зоне коры взрослого дерева можно различить три слоя: прилегающий к древесине камбиальный, лубяной и наружный
Рис. Главные разрезы ствола
корковый, или пробковый. Корковый слой защищает ствол от механически и других повреждений и внешних влияний (температуры, влаги). По лубяному слою идет вниз поток органических питательных веществ, выработанных листьями. Камбиальный слой (камбий) — это тонкий слой живых клеток. В нем происходит образование новых клеток, вследствие чего ежегодно образуются новые годичные кольца.
На поперечном разрезе ствола часто можно обнаружить разную окраску древесины: центральная часть ствола более темная, чем периферийная. При наличии двух таких зон внутреннюю, более темную, часть называют ядром, внешнюю — заболонью. Заболонь служит для проведения влаги и растворенных веществ из корней в крону и отложения питательных веществ.
В древесине ствола есть сучки, которые можно видеть на всех трех главных разрезах. Сучки — это основания веток дерева. На поперечном разрезе ствола лиственных пород можно обнаружить отверстия перерезанных сосудов. Сосуды имеют форму трубок различной длины, они проводят воду и растворенные в ней соли из корней в крону дерева. В зависимости от расположения сосудов лиственные породы можно разделить на колъцесосудистые (кольцепоровые), у которых в ранней зоне образовано кольцо из крупных сосудов, и рассеяннососудистые (рассеяннопоровые), у которых сосуды расположены по годичному слою относительно равномерно.
У кольцесосудистых пород древесины (дуба, ясеня, каштана, вяза, ильма, карагача, бархатного дерева, фисташки) очень хорошо заметны годичные слои. У рассеяннососудистых с крупными сосудами (грецкого ореха, хурмы) и мелкими (березы, осины, ольхи, бука, клена, платана, тополя, ивы, рябины и груши) нет резкого различия между ранней и поздней зонами древесины, поэтому границы между годичными слоями выражены слабо. У некоторых хвойных пород древесины (сосны, ели, лиственницы, кедра) невооруженным глазом можно рассмотреть смоляные ходы — тонкие наполненные смолой каналы.
Механические свойства древесины
Для древесины основными и наиболее важными являются следующие свойства:
Механические: прочность, твёрдость, деформативность, удельная вязкость, эксплуатационные характеристики, технологические характеристики, износостойкость, способность удерживать крепления, упругость;
Физические: внешний вид (текстура, блеск, окраска), влажность (усушка, коробление, водопоглощение, гигроскопичность, плотность), тепловые (теплопроводность), звуковые (акустическое сопротивление, звукопроводность), электрические (диэлектрические свойства, электропроводность, электрическая прочность);
Химические свойства.
Древесина является анизотропным материалом, то есть материалом с неодинаковыми свойствами по направлениям относительно волокон. (Так, например, усушка вдоль волокон меньше, чем поперёк волокон, а усушка в радиальном направлении меньше, чем в тангентальном. Различны также, в зависимости от направления волокон, влагопроводность, паропроницаемость, звукопроводность и некоторые другие характеристики).
Прочность древесины — способность сопротивляться разрушению под действием механических нагрузок. Различают прочность на сжатие и растяжение по направлениям приложения нагрузки — продольной и поперечной; статический изгиб.
Твёрдость древесины — способность древесины сопротивляться внедрению в неё более твёрдого тела. Для оценки твёрдости древесины используется тест Янка
Износостойкость — способность древесины сопротивляться износу, то есть постепенному разрушению её поверхностных зон при трении. Износ боковых поверхностей больше, чем торцовых; износ влажной древесины больше, чем сухой.
Влажность древесины. Различают абсолютную и относительную влажность древесины.
Абсолютная влажность древесины — это отношение веса содержащейся в древесине влаги по отношению к массе абсолютно сухой древесины, выраженная в процентах. (Если образец 300 г после сушки стал весить 200 г, то его абсолютная влажность (300—200)/200*100 % = 50 %)
Относительная влажность древесины — это отношение веса содержащейся в древесине влаги к весу сырой древесины, выраженное в процентах.
(Если образец 300 г после сушки стал весить 200 г, то его относительная влажность (300—200)/300*100 % = 33 %)
Влажность древесины определяется следующим образом: измеряется масса пробы влажного материала, затем измеренная проба высушивается в сушилке при температуре 100—105 °С, затем происходит повторное взвешивание, но уже сухого материала. Разница между массой влажного и сухого материала как раз и определяет количество воды, содержащееся в образце.
Для практических целей наибольшую важность имеет относительная влажность древесины, так как именно она показывает степень пригодности древесины к той или иной технологической операции. (Например, для склеивания оптимальна древесина с относительной влажностью 4—6 %, усушка древесины начинается при относительной влажности менее 30 %, развитие грибковых поражений древесины происходит при относительной влажности от 22 % до 80 % и т. п.)
Древесину по относительной влажности делят на следующие категории:
сырая — 23 % и более
полусухая — 18—23 %
воздушно-сухая — 12—18 %
сухая — 8—12 %.
Влажность свежесрубленной древесины в зависимости от месяца рубки (в процентах к абсолютно сухому весу древесины)[4]
Чем больше влажность древесины, тем сложнее её использовать в производстве. Сырая древесина хуже клеится; если при производстве каких-либо изделий использовалась влажная древесина, то по мере её высыхания в предмете могут появляться трещины и щели между досками. Для предотвращения этого необходимо произвести предварительную сушку древесины.
Гигроскопичность — свойство материала поглощать влагу из окружающей среды. Данное свойство зависит от влажности древесины. Сухая древесина обладает большей гигроскопичностью, чем влажная. Для уменьшения скорости поглощения влаги материал покрывают масляными красками, эмалями или лаками. Количество гигроскопически поглощенной влаги мало зависит от породы древесины. Максимальная влажность древесины, которая может быть достигнута вследствие поглощения влаги из окружающей среды при 20°С составляет 30% (абсолютных) и почти не зависит от породы древесины[5]. В отличие от водопоглощения, гигроскопичность не зависит от пористости древесины.
Водопоглощение — свойство погруженного в воду материала впитывать ее в жидком состоянии. Водопоглощение древесины зависит от ее пористости. В следствие водопоглощения, в отличие от гигроскопичности, может быть достигнута влажность древесины значительно большая 30%.
Пористость — отношение объёма пор к общему объёму древесины. Для древесины различных видов пористость имеет разное значение, но в среднем разбег её значения составляет 30—80 %.
Разбухание древесины проявляется при нахождении материалов при повышенной влажности воздуха длительное время.
Усушка — изменение размеров при потере влаги древесиной в результате сушки. Усушка происходит естественным образом. Прямым следствием усушки является образование трещин.
Коробление происходит в результате неравномерной сушки древесины. Высыхание древесины происходит быстрее в слоях более удалённых от сердцевины, поэтому если сушка производилась с нарушением технологии, происходит изменение формы древесины, она коробится. Коробление под действием усушки различно по разным направлениям. Вдоль волокон оно незначительно и составляет примерно 0,1 %. Изменения размеров поперёк волокон более значительны и могут составлять 5—8 % от начального. Кроме того, коробление часто сопровождается появлением трещин в древесине, что сильно сказывается на качестве конечного продукта.
Коробления и образования трещин можно избежать при соблюдении технологии сушки и при использовании определённых техник во время сборки изделий.
Растрескивание — результат неравномерного высыхания наружных и внутренних слоёв древесины. Процесс испарения влаги продолжается до тех пор, пока количество влаги в древесине не достигнет определённого предела (равновесного), зависящего напрямую от температуры и влажности окружающего воздуха.
Теплопроводность. В отличие от других строительных материалов, древесина является менее теплопроводной. Это позволяет использовать её для теплоизоляции помещения.
Звукопроницаемость — способность материала проводить звуковые волны. Если по теплопроводности древесина — более предпочтительный материал, то по звукопроницаемости древесина проигрывает другим строительным материалам. В связи с этим при строительстве стен и деревянных перекрытий необходимо использовать дополнительные материалы (засыпки), снижающие показатель звукопроницаемости.
Электропроводность — способность материала проводить электрический ток. Данное свойство у древесины напрямую зависит от влажности.
Цвет — своеобразный индикатор, показывающий качество, возраст и состояние древесины. Качественная и здоровая древесина имеет равномерный цвет без пятен и прочих вкраплений. Если в древесине присутствуют вкрапления и пятна, это свидетельство её загнивания. Цвет древесины может изменяться также под влиянием атмосферных условий.
Запах зависит от содержания в древесине смол и дубильных веществ. Свежесрубленное дерево имеет более сильный запах, а по мере высыхания дерева и испарения влаги и эфирных смол запах ослабевает.
Текстура — рисунок, образующийся при распиливании дерева. Плоскость распила пересекает годичные кольца и слои древесины, образовавшиеся в разное время, в результате образуется характерный узор годичных линий, по которому и отличают древесину от других материалов.
Вес древесины — различают удельный и объёмный вес древесины. Удельный вес — масса единицы объёма древесины без учёта пустот и влаги. Данный вес не зависит от породы древесины и составляет 1,54 г/см³. Объёмный вес — это масса единицы объёма древесины в естественном состоянии, то есть с учётом влаги и пустот.
Наличие пороков — особенностей и недостатков строения древесины и ствола дерева, возникающих во время его роста или после спиливания. Отдельные группы пороков могут возникать в древесине при обработке её человеком (дефекты обработки древесины) или при поражении её грибами.
Достоинства и недостатки древесины
Достоинства:
относительно низкая стоимость;
высокая удельная прочность, примерно равна стали (отношение предела прочности при растяжении вдоль волокон к плотности);
стойкость к воздействию химически агрессивных сред;
в зданиях из древесины наилучший микроклимат для человека;
маленький коэффициент теплопроводности поперёк волокон (стена из бруса шириной 20 см эквивалентна по теплопроводности стене из кирпича шириной 64 см);
малый удельный вес (600 – 900 кг/м2) позволяет не делать больших фундаментов, что значительно удешевляет строительство;
маленький коэффициент линейного расширения вдоль волокон (в деревянных зданиях нет необходимости делать температурные швы);
малая плотность при относительно высокой прочности.
Недостатки:
подверженность к загниванию и поражению жучками-древоточцами;
повышенная пожароопасность;
разбухание, усушка, коробление, растрескивание под воздействием различных атмосферных явлений;
необходимость обновления защитного покрытия и антисептической пропитки;
анизотропность — изменение механических характеристик в зависимости от породы, места произрастания, зоны в поперечном сечении ствола (заболонь, ядро, сердцевина), направления волокон, наличия пороков и их расположения, влажности и других факторов;
наличие пороков(сучков и др.), снижающих качество строительных конструкций.
Природные недостатки древесины можно устранить или существенно уменьшить их влияние на строительную конструкцию. Например, использование листовых материалов на основе древесины (ДВП, фанера и др.) снижает влияние анизотропии (неодинаковость физических свойств древесины в разных направлениях) древесины. С помощью химических средств защиты снижается опасность загнивания и возгорания.
Долговечность
Долговечность древесины существенно снижается при повышенной и особенно при переменной влажности ее.
Как влияют на долговечность древесины химические соединения.
В зависимости от условий долговечность древесины на воздухе может колебаться от нескольких до двух тысяч лет.
Основными мероприятиями, способствующими повышению долговечности древесины, являются: надлежащие температур-но-влажностные условия хранения древесины, соответствующая обработка древесины в зависимости от ее использования, защита антисептиками и антипиренами; создание благоприятных условий эксплуатации деревянных конструкций.
Одним из существенных преимуществ индустриальных деревянных домов наряду с возможностью изготовления деталей в соответствии с их назначением является возможность повысить долговечность древесины путем глубокой пропитки антисептиками.
Кроме того, следует отметить, что модификация древесины приведенными соединениями позволила увеличить прочность древесины на статический изгиб на 15 - 35 %, что также говорит о возможном повышении долговечности древесины в конструкциях.
Закопанную в землю древесину могут поразить некоторые виды грибов, выдерживающих чередование влажных и сухих условий. Поэтому долговечность древесины в этом случае точно определить невозможно.
Коррозионная стойкость древесины в воздухе и в воде исключительно высока. Однако на нее разрушающе влияют грибы и насекомые. В зависимости от влажности долговечность древесины на воздухе может колебаться от нескольких до двух тысяч лет. В среде сухого воздуха даже наименее стойкие древесные материалы могут сохраняться сотни лет.