книги из ГПНТБ / Бокщанин Ю.Р. Обработка и применение древесины лиственницы

ствола лиственница даурская почти не отличается от лиственницы сибирской и Сукачева. У старых деревьев обычно сильно выражено утолщение в комлевой части.

На огромных площадях, особенно на севере, даурская листвен­ ница образует чистые древостой. Южнее в составе лиственничных лесов появляется сосна, а в более южных районах—темнохвойные и даже широколиственные древесные породы.

Среднегорные леса в пределах обширных плоскогорий имеют производительность V, IV бонитетов. Практически доступны для освоения леса на склонах, обращенных к до'линам крупных рек.

В южной части Якутии, в Приленской полосе, по пологим скло­ нам увалов распространены лиственничники IV бонитета. В доли­ нах рек встречаются древостой I I I — I I бонитетов и даже I бони­ тета. Средние запасы древесины в спелых древостоях 150—200 ж3 ,

.причем довольно высок выход крупномерной деловой древесины.

Леса Забайкалья до Охотского моря, широко распространенные по склонам гор, представлены лиственницей даурской часто высо­ кой производительности, доходящей до I I — I бонитетов в долинах рек. Среднегорные лиственничники представлены лесами Va — V -бонитетов; в благоприятных условиях производительность лесов поднимается до IV и I I I бонитета.

Лиственница преобладает на северном Сахалине, в средней части побережья Охотского моря. На Камчатке лиственничные

.леса растут изолированым островом, расположенным в среднем течении р. Камчатки.

Наибольшей производительности лиственничные леса достигают в возрасте около 150 лет. Крупная деловая древесина в наиболее распространенных древостоях IV бонитета практически может быть получена в возрасте 160—180 лет. Высокопроизводительные лиственничные леса южных районов Дальнего Востока дают зна­ чительный выход деловых сортиментов уже в возрасте около 100 лет.

Если общий запас древостоев с преобладанием даурской лист­ венницы, исчисляющийся в 23,33 млрд. мг, принять за 100%, молодияки составят только 1%, средневозрастные 11%, приспевающие 12%- Основную массу древостоев составляют спелые — 39% и пере- •стойные—37%- Это лишний раз подтверждает не только возмож­ ность резкого увеличения заготовок лиственницы, но и необходи­ мость рубок, исходящую из неизбежной гибели перестойных на­ саждений без пользы.

В целом приведенные данные показывают, что запасы листвен­ ницы в нашей стране практически неограниченны, а проблемы пере­ работки ее древесины могут быть связаны с особенностями, в основном, двух разновидностей — сибирской и даурской лист­ венниц.

10

Таким образом, при дальнейшем изучении путей расширения переработки и рационального использования древесины необходимо особое внимание уделить лиственнице даурской и сибирской.

СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ

ОБЩИЕ ДАННЫЕ О СТРОЕНИИ ДРЕВЕСИНЫ

Особенности анатомического строения древесины лиственницы оказывают значительное влияние на ее физико-механические и технологические свойства, поэтому знакомство с ними позволяет лучше понять и оценить возможности переработки и применения ее в деревообработке.

Рассмотрим два взаимно перпендикулярных разреза участка ствола лиственницы: радиальный и тангенциальный.

На гладко простроганном торцовом разрезе лиственницы легко обнаружить светло-серые и желтоватые кольцевые слои, чередую­ щиеся с более темными слоями красновато-бурого цвета. Более светлые и мягкие части колец —это ранняя древесина, а более тем­ ные и твердые—поздняя древесина. Годичное кольцо включает раннюю и позднюю древесину и появляется, как правило, еже­ годно в камбиальной части ствола.

Годичные слои хорошо просматриваются на всех разрезах. На радиальном разрезе это параллельные узкие темные полосы позд­ ней древесины, чередующиеся с более светлыми полосами ранней древесины. На тангенциальном разрезе годичные слои расходятся под углом или образуют параболы, вершины которых направлены вдоль ствола и могут находиться за пределами отрезка. На торцо­ вом срезе годичные слои образуют концентрические окружности или их части. Переход от ранней части годичного слоя к поздней особенно четко виден на границе годичного кольца. Особенно резко различие в цвете ранней и поздней древесины лиственницы про­ является после покрытия хорошо обработанной поверхности ла­ ками или смачивания водой. Ширина годичного слоя обычно нахо­ дится в пределах 1—3 мм и зависит от возраста дерева, от раз­ личных условий питания, климата, освещенности и других факторов.

Соотношение между объемом ранней и поздней древесины лист­ венницы меняется как в различных деревьях, так и в пределах одного дерева. По исследованиям В. Е. Вихрова [24], объем позд­ ней древесины составляет от 10—13 до 40—47% общего объема и колеблется в среднем в пределах 25—30%.

На всех разрезах резко выделяются участки ядровой древе­ сины, находящиеся в центральной части дерева, и заболони — на­

11

Стволовая часть лиственницы на 70—75% состоит из ядровой части. С движением от комля к вершине удельный объем ядровой древесины в общей массе уменьшается.

Живые элементы в ядровой древесине лиственницы в значи­ тельной части отмирают, и в них накапливаются камеди, смолы и: другие вещества. Предполагается, что ядро лиственницы не при­ нимает участия в передвижении веществ в растущем дереве, а на­ капливающиеся в ядре вещества придают древесине повышенную' стойкость против гниения, поражения грибами и насекомыми. Проч­ ность древесины ядра несколько выше прочности заболонной дре­ весины.

Заболонь узкая, ширина ее колеблется в пределах 8—20 мм;. объем ее от всей древесной массы составляет 25—30%. Она содер­ жит большое число живых клеток, проницаема для жидкостей к газов, обладает большей, чем ядро, эластичностью. Физико-меха­ нические и технические свойства заболони и ядра по многим пока­ зателям также отличаются.

Древесина лиственницы состоит из различных меток, скреплен­ ных между собой межклеточным веществом. Это трахеиды, сердце­ винные лучи, клетки древесной паренхимы, смоляные ходы и вы­ стилающие клетки.

Трахеиды составляют, по данным Б. С. Чудинова [92], 90% и более от объема древесины. Это — сосудообразные клетки, удли­ ненные и заостренные на концах, расположенные вдоль ствола дерева. Трахеиды выполняют водопроводящие и механические функции, образуя ячеистый каркас, противодействующий внешним механическим нагрузкам на дерево. Весной формируются широкие трахеиды с тонкими стенками, образующие раннюю древесину, к осени усиливается формирование сплющенных в поперечном на­ правлении трахеид с утолщенными стенками.

Сердцевинные лучи состоят из радиально вытянутых паренхимных клеток. Удельный вес их в общей массе, по данным С. И. Ва­ нина [21], составляет для лиственницы 8,8—10%, что значительно больше, чем у сосны и ели (соответственно 4,7 и 5,5 % ) .

Смоляные ходы, вертикальные и горизонтальные, образуют еди­ ную капиллярную систему. Капиллярная система в ядровой древе­ сине заполняется выстилающими клетками. Назначение смоляных ходов—выделять и проводить смолу и эфиры, которые играют за­ щитную роль в живом дереве. На единицу площади поперечного среза древесины общей площади всех смоляных ходов приходится не больше 0,5%.

Клеток древесной паренхимы встречается не более 1 % общего объема древесины.

Таковы самые общие данные о строении древесины листвен­ ницы. Ниже рассматриваются некоторые из вопросов о строении древесины и ее составе более подробно. По данным В. Е. Моска­ левой [57], анатомическое строение лиственниц (сибирская, даур­ ская и другие виды) не имеет различий, и-приводимые материалы справедливы для всех видов.

12

МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ГОДИЧНОГО СЛОЯ ДРЕВЕСИНЫ ЛИСТВЕННИЦЫ

Изучение анатомии древесины позволяет вскрыть связи между ее строением и физико-механическими свойствами. Отсутствие ясных представлений о характере распределения напряжений в древесине, о процессах, происходящих при тепловой обработке, пропитке, о ее формоизменяемости и т. д., затрудняет прогресс в технологии обработки древесины и, в конечном итоге, сдерживает расширение сферы ее использования. Это относится ко всем древес­ ным породам, но прежде всего касается древесины лиственницы, так как даже отработанные технологические процессы механиче­ ской, тепловой и других видов обработки для лиственничной дре­

впоздней древесине содержится

больше целлюлозы, чем в ранней, лигнин же в большем количе­

(рис. 1). Увеличение ширины слоя ранней древесины связано с уве­ личением слоя поздней древесины; есть тенденция к некоторому увеличению процента поздней древесины с увеличением ширины годичного слоя.

Микроскопическое исследование трахеид по радиальным рядам годичного слоя от внутренней до внешней его границы на попереч­ ном срезе позволило определить их диаметр, диаметр полости в тангенциальном и радиальном направлениях и толщину клеточных оболочек. Размеры ранних и поздних трахеид приведены в табл.4.

Полученные данные показывают, что трахеиды ранней древе­ сины имеют площадь поперечного сечения почти в 3 раза большую, чем поздней. Площадь поперечного сечения оболочек ранних и поздних трахеид практически оказалась почти одинакова, однако размер пустот в ранней древесине в 3 раза больше, чем в поздней.

13

Сравнение данных по пористости древесины разных пород по­ казывает, что пористость ранней древесины сосны, ели и листвен­ ницы практически одинакова, в то время как пористость поздней древесины лиственницы значительно меньше, чем поздней древе­ сины сосны и ели. Следовательно, у лиственницы различие в строе­ нии между ранней и поздней древесиной гораздо больше, чем у сосны и ели из-за повышенной плотности поздней части слоя.

Эта особенность ее должна быть учтена при рассмотрении при­ чин сравнительно низких показателей по скалыванию и раскалыва­ нию древесины лиственницы, по растрескиванию ее при сушке и случаям появления заколов, защепов при эксплуатации.

Полученные данные позволяют также сделать вывод о том, что площадь полостей трахеид и поверхностная пористость ранней и поздней древесины являются важными показателями, определяю­ щими физико-механические свойства древесины этих зон годичного слоя.

Продольные смоляные ходы у лиственницы расположены в основном в поздней части годичного слоя. На 1 см2 торцовой по­ верхности насчитывается 60—90 продольных смоляных ходов диа-

14

метром 70—90 (д., с общей их площадью 0,421 мм2. Эта величина: сравнительно небольшая, и смоляные ходы не оказывают сущест­ венного влияния на прочность древесины.

возрастает в 3,5 раза, а поздних остается прежней и составляет соответственно 1400—1700 ц,2 и 130—160 ц2 . Увеличение площади ранних трахеид по диаметру дерева происходит за счет их полости,, а в поздних трахеидах в основном за счет толщины клеточных обо­ лочек. Это показывает, что с возрастом дерева возникает более резкая диференциация ранних и поздних трахеид. У ранних увели­ чивается относительная величина полостей, у поздних происходит увеличение площади клеточных оболочек и, как следствие этого,, повышаются их механические свойства.

Физико-механические свойства ранней и поздней древесины лиственницы, раздельно полученные на тонких образцах (по Вихрову В. Е. [24]), приведены в табл. 5.

Полученные данные показывают, что различие в свойствах очень большое. Поздняя древесина более, чем в 2 раза тяжелее ранней, имеет почти вдвое большую усушку и объемную пороз­ ность. Прочность поздней древесины по сопротивлению статиче­ скому изгибу в 4—5 раз выше, чем ранней древесины, а по сопро­ тивлению растяжению выше более чем в 3 раза.

Плотность поздней древесины в абсолютно сухом состоянии значительно больше, чем ранней. Однако при насыщении древе­ сины влагой разница в плотности летней и весенней древесины

15-

уменьшается. Ранняя древесина впитывает воды больше, чем позд­ няя, за счет этого и происходит нивелировка плотности. В 1 см3 ранней древесины лиственницы при наибольшем насыщении разме­ щается около 0,638, а в поздней — 0,509 г воды. Это связано с от­ ношением толщин оболочек и поверхностной пористости поздних трахеид к ранним (табл. 6).

Т а б л и ц а 6

С увеличением толщины оболочек трахеид как ранней, так и поздней древесины, происходит увеличение плотности древесины. Эта зависимость более четко выражена в поздней древесине. Плот­ ность древесины лиственницы зависит от процента поздней древе-" сины, от ее микроскопического строения (толщины оболочек тра­ хеид, поверхностной пористости), от влажности древесины и от количества ранней и поздней древесины в разных годичных слоях.

Усушка ранней и поздней древесины годичного слоя листвен­ ницы различна. Поздняя древесина усыхает в 1,5 раза больше, чем ранняя. Это объясняется, главным образом, разным количеством древесного вещества в единице объема.

Т а б л и ц а 7

В^тРабл. 7 приведены данные о линейной усушке ранней и позд­ ней древесины в радиальном и тангенциальном направлениях.

Эти данные показывают, что поздняя древесина усыхает более равномерно в разных направлениях, чем ранняя.

16

При высыхании между ранней и поздней древесиной в годичном слое возникают напряжения. В поздней древесине — это напряже­ ние растяжения, а в ранней — напряжение сжатия. Кроме того, в пограничной зоне годичного слоя возникают напряжения скалы­ вания, которые могут привести к образованию микротрещин.

Радиальная усушка древесины складывается из суммы усушек ранней и поздней древесины, и поэтому возникновение опасных напряжений от неравномерной усушки мало вероятно.

В табл. 9 приведены результаты исследований В. Е. Вихрова по временному сопротивлению растяжению ранней и поздней дре­ весины лиственницы.

Как видно из таблицы, прочность па растяжение поздней дре­ весины лиственницы в 3,4 раза выше по сравнению с прочностью ранней. Прочность при растяжении поздней древесины ели в 2,7 раза выше прочности ранней древесины. Это свидетельствует о том, что прочность лиственницы по зонам годичного слоя более нерав­ номерна.

волокон ранней и поздней древесины при их пористости соответ­ ственно 66 и 21%, подсчитанное не па площадь сечения образцов, а на площадь сечения только оболочек трахеид, составит 1300 и 1910 кгс/см2. В данном случае различие в прочности между зонами резко уменьшилось и составило меньше 50%. Это различие в проч­ ности В. Е. Вихров объясняет различной • длиной трахеид, строением и химическим составом клеточных оболочек [24].

Большое различие в прочности ранней и поздней древесины

.наблюдается при испытаниях на статический изгиб тонких пласти­ нок, имеющих разную влажность.

Так, временное сопротивление для поздней древесины при влаж­

т. е. с увеличением влажности прочность снижается на 46,5%. Та­ ким образом, сопротивление статическому изгибу поздней древе­ сины в зависимости от влажности в 4—5 раз больше, чем ранней, и значительно снижается с увеличением влажности.

Значительное снижение прочности древесины наблюдается и при испытаниях на сжатие при разной влажности. Эти показатели для

18