Общие сведения о древесине
Древесина относится к весьма распространенному строительному материалу. Древесные материалы применялись в строительстве с глубокой древности. Еще в XII - XIII вв. русскими зодчими были созданы замечательные сооружения из древесины: крепостные сооружения, мосты, дворцы и храмы, великолепные по архитектурной выразительности. Некоторые из них сохранились до сих пор.
Россия занимает первое место в мире по запасам лесных материалов: одна треть всех хвойных пород мира находятся на территории нашей страны.
Для производства строительных материалов, изделий и конструкций используется древесина - освобожденная от коры часть ствола. Достоинства древесины заключены в том, что материал можно пилить, резать, строгать, колоть, долбить, сверлить, фрезеровать, шлифовать, полировать, лущить. Кроме того, элементы из древесины можно легко соединять. Имеются различные варианты врезок, врубок, материал приколачивают гвоздями, склеивают.
Древесина - материал легкий (средняя плотность сосны - 450 - 550 кг/м3), обладающий низкой теплопроводностью и высокой пористостью. Многие породы дерева отличаются высокой механической прочностью, приближаясь по данному показателю к стали. Древесина хорошо работает на сжатие, изгиб и растяжение вдоль волокон. Декоративность - характерное качество для многих пород. Материал экологически чист, долговечен.
Наряду с достоинствами древесине присущи недостатки:
анизотропность - неодинаковость свойств в зависимости от направления;
слабая огнестойкость (предел огнестойкости не превышает 20 мин);
загнивание при повышенной температуре, влажности и наличии кислорода;
большое количество пороков формы ствола и внутреннего строения, что приводит уменьшению выхода деловой древесины;
повышенная чувствительность, при изменении влажности происходит усушка или набухание, что может вызвать коробление и появление трещин.
Однако технологическими мероприятиями все эти недостатки сравнительно легко устраняются.
Древесина является продуктом растительного происхождения. Стенки клеток древесины сложены из углеводородов (целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин) и эстрактивных веществ.
Структура древесины в первом приближении представляет собой конструкционное сочетание целлюлозы с лигнином. Волокна целлюлозы обладают высокой прочностью на разрыв, но легко изгибаются. Лигнин объединяет их в единое целое с помощью водородных и ван-дер-ваальсовых сил связи, поэтому древесина по существу - природный органический материал с конгломератным типом структуры, в котором имеются матричная пространственная сетка из лигнина и кристаллический волокнистый наполнитель в виде целлюлозы. Эта структура хорошо, например, видна на микроснимке, полученном американским ученым Э. Келли для среза осины при увеличении в 11 тыс. раз. Темная полоса - лигнин, менее темная - стенка целлюлозной клетки и светлая область - полость клетки.
Подобно искусственным конгломератам, древесина содержит капилляры и поры различных размеров; в период жизни дерева они имеют большое значение для передвижения воды и питательных соков, их накопления и т.д. Крупные капилляры являются полостями и порами стенок, капилляры и поры находятся между фибриллами, микрофибриллами и внутри них. Крупные капилляры могут заполняться водой, быстро и легко удаляется из них при сушке. В тонких порах и капиллярах заполнение водой происходит при контакте с ней и при сорбировании влаги из влажного воздуха.
Максимальное насыщение древесины гигроскопической влагой составляет в среднем 30 % к массе сухой древесины и называется пределом насыщения.
Это сопровождается набуханием древесины и ухудшением ее свойств. При сушке трудно испаряется гигроскопическая вода от клеточных стенок. При температуре 105 ºС масса древесины сохраняет постоянное значение, которое принимается за абсолютно сухое состояние древесины. Более высокое нагревание ведет к деструкции древесины.
Изменение показателей свойств древесины по мере ее высыхания можно изобразить в системе координат: по оси ординат показываются свойства, по оси абсцисс - гигроскопическая влажность древесины.
Числовые значения экстремумов получают экспериментальным путем при испытании образцов или расчетным путем, применяя некоторые известные зависимости. В них значение влажности для получения экстремальной величины принимается равным нулю (W=0).
Такой комплекс экстремумов согласно закону створа возможен только при оптимальной структуре. Следовательно, под влиянием внешних и внутренних воздействий в период роста дерева происходит постепенная оптимизация структуры древесины эволюционным путем. К внешним воздействиям на растущее дерево следует отнести силовые воздействия - от ветровой нагрузки и массы кроны, тепловые - от переменной температуры окружающей среды, воздействие влаги, солнечного света и др.
К внутренним воздействиям относятся перемещение влаги с растворенными минеральными веществами из почвы, перемещение и создание запаса питательных веществ и др. Реальные условия развития дерева, его рост вызывали необходимость в приспособляемости к механическим напряжениям, особенно древесных волокон (сопротивляемости ветровым нагрузкам, нагрузкам от массы кроны.) В результате нормального роста древесина хвойных и лиственных пород набирает комплекс элементов, общими для которых являются: упорядоченность волокнистой структуры и клеточного строения древесины, утончение стен - прослоек матричной части из лигнина, значительная кристаллизация целлюлозы и отчасти гемицеллюлозы, общее упорядочение расположения молекул с анизотропией свойств по главным структурным направлениям, формирование оптимальной структуры с соответствующей закономерностью створа с комплексом экстремальных значении свойств.
Строение древесных материалов. Часть 1
Растущее дерево состоит из корневой системы, ствола и кроны. Промышленное значение имеет ствол, так как из него получается от 60 до 90 % древесины.
Макроструктурой называют строение ствола дерева, видимое невооруженным глазом или через лупу, микроструктурой - видимое под микроскопом. Обычно изучают три основных разреза ствола: поперечный (торцевой); радиальный, проходящий через ось ствола; тангенциальный, проходящий по хорде вдоль ствола.
При рассмотрении разрезов ствола дерева невооруженным глазом или через лупу можно различить следующие основные его части: сердцевину, кору, камбий и древесину.
Сердцевина состоит из клеток с тонкими стенками, слабо связанных между собой. Сердцевина совместно с древесной тканью первого года развития дерева образует сердцевинную трубку. Эта часть ствола дерева легко загнивает и имеет малую прочность.
Кора состоит из кожицы или корки, пробковой ткани и луба. Корка или кожица и пробковая ткань защищают дерево от вредных влияний среды и механических повреждений. Луб проводит питательные вещества от кроны в ствол и корни.
Под лубяным слоем у растущего дерева располагается тонкий кольцевой слой живых клеток - камбий. Ежегодно в вегетативный период камбий откладывается в сторону коры клетки луба и внутрь ствола, в значительно большем объеме - в клетки древесины. Деление клеток камбиального слоя начинается весной и заканчивается осенью.
Поэтому древесина ствола (часть ствола от луба до сердцевины) в поперечном разрезе состоит из ряда концентрических так называемых годичных колец, располагающихся вокруг сердцевины. Каждое годичное кольцо состоит их двух слоев: ранней (весенней) древесины, образовавшейся весной или в начале лета, и поздней (летней) древесины, которая образуется к концу лета. Ранняя древесина светлая и состоит из крупных, но тонкостенных клеток; поздняя древесина более темного цвета, менее пориста и обладает большей прочностью, так как состоит из мелкополостных клеток с толстыми стенками.
В процессе роста дерева, стенки клеток древесины на внутренней части ствола, примыкающей к сердцевине, постепенно изменяют свой состав и пропитываются у хвойных пород смолой, а у лиственных - дубильными веществами. Движение влаги в этой части ствола прекращается и древесина становится более прозрачной, твердой и менее способной к загниванию. Эту часть ствола, состоящую из мертвых клеток, называют у одних пород ядром, у других - спелой древесиной. Часть более молодой древесины ствола, находящейся ближе к коре, в которой еще изменяются живые клетки, обеспечивающие перемещение питательных веществ от корней к кроне, называют заболонью. Эта часть древесины имеет большую влажность, относительно легко загнивает, малопрочна, обладает большей усушкой и склонностью к короблению.
Породы, у которых ядро отличается от заболони более темной окраской и меньшей влажностью, называют ядровыми (сосна, лиственница, дуб, кедр и др.). Породы, у которых центральная часть ствола отличается от заболони только меньшей влажностью, называют спелодревесными (ель, пихта, бук, липа и др.). Древесные породы, у которых нельзя заметить значительного различия между центральной и наружной частями древесины ствола, носят название заболонные породы (береза, клен, ольха, осина и др.).
В древесине всех пород располагаются сердцевинные лучи, которые служат для перемещения влаги и питательных веществ в поперечном направлении и создания запаса этих веществ на зимнее время. У хвойных пород они обычно очень узки и видны только под микроскопом. Древесина легко раскатывается по сердцевинным лучам, по ним же она растрескивается при высыхании.
Изучая строение древесины под микроскопом, можно увидеть, что основную ее массу составляют клетки веретенообразной формы, вытянутые вдоль ствола. Некоторое количество клеток вытянуто в горизонтальном направлении, т.е. поперек основных клеток (клетки сердцевинных лучей).
В древесине лиственных пород имеются мелкие и крупные сосуды в виде трубочек, идущих вдоль ствола. В растущем дереве по сосудам передвигается влага от корней к кроне. По распределению сосудов в поперечном сечении лиственные породы разделяют на колъцесосудистые (дуб, вяз, ясень и др.) и рассеянно-сосудистые (бук, граб, ольха, береза, осина и др.).
У хвойных пород сосудов нет, их функции выполняют удлиненные замкнутые клетки, называемые трахеидами. У большинства хвойных пород, преимущественно в слоях поздней древесины расположены смоляные ходы - межклеточные пространства, заполненные смолой.
Одинаковые по форме и функциям группы клеток объединяются в ткани, имеющие различное назначение в жизни древесины: проводящие, запасающие, механические.
Живая клетка имеет оболочку, протоплазму, клеточный сок и ядро. Срубленная древесина состоит из отмерших клеток, т.е. только из клеточных оболочек.
Оболочки клеток сложены из нескольких слоев очень тонких волоконец, называемых микрофибриллами, которые компактно уложены и направлены по спиралям под разным углом к продольной оси клетки в каждом слое (сходство с канатом). Иногда микрофибриллы ориентированы по встречным спиралям. Микрофибрилла состоит из длинных нитевидных цепных молекул целлюлозы - высокомолекулярного природного полимера.
В клеточной оболочке содержатся и другие природные полимеры - лигнин и гемицеллюлоза, которые размещаются преимущественно между микрофибриллами, а также небольшое количество неорганических веществ в виде солей щелочноземельных металлов.