Материалы и изделия из древесины. Строение древесины
Общие сведения
Древесину издавна широко применяют в строительстве благодаря ряду положительных свойств: высокой прочности при небольшой плотности, малой теплопроводности; легкости обработки; простоте скрепления отдельных элементов; высокой морозостойкости и сопротивляемости действию многих химических реагентов. Древесина имеет и ряд недостатков, снижающих ее строительные свойства: неоднородность строения; наличие пороков; гигроскопичность, приводящую к изменению размеров древесины, короблению и растрескиванию; склонность к загниванию и возгоранию.
При заготовке и переработке древесины образуются значительные отходы. На лесопильных заводах 8…12% древесины превращается в опилки. При изготовлении строительных деталей опилки и стружки составляют до 40 %. Много древесины в виде опилок и сучьев теряется при заготовке стволов. Все это указывает на важность утилизации отходов.
Лесные материалы, получаемые только путем механической обработки стволов дерева (бревна, пиломатериалы). При таком использовании древесины сохраняются все присущие ей положительные и отрицательные свойства.
Из древесины в заводских условиях изготавливаются готовые изделия и конструкции (сборные дома и детали, клееные конструкции и т. д.). Свойства древесины в этом случае используются более рационально.
Синтетические материалы из древесины, получаемые глубокой переработкой древесины.
При глубокой переработке появляется возможность полнее использовать древесину за счет увеличения выхода сырья для получения целлюлозы и материалов на ее основе, вовлечения в переработку почти всех отходов, даже и коры. На передовых деревообрабатывающих комбинатах коэффициент использования древесного сырья достигает 0,98. Используя отходы древесины совместно с клеями, синтетическими и минеральными вяжущими, можно изготовлять материалы и изделия, не уступающие по свойствам древесине и даже превосходящие ее (древесноволокнистые и древесностружечные плиты, фанера на основе водостойких клеев, арболит и др.). При этом можно получать значительную экономию пиломатериалов (например,1 м3 древесноволокнистых плит заменяет 3…4 м3 пиломатериалов).
Разумной мерой экономии древесины является замена ее в строительстве там, где это целесообразно, другими эффективными материалами (например, полимерными) и повышение ее долговечности.
Строение и состав древесины
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 (торцовый), радиальный, проходящий через ось ствола, и тангенциальный, проходящий по хорде вдоль ствола.
Макростроение древесины
При рассмотрении разрезов ствола дерева невооруженным глазом или через лупу можно различить следующие основные его части: сердцевину, кору, камбий и древесину.
Рис. 1. Главные разрезы и основные части ствола:
1 – поперечный, 2 – радиальный, 3 – тангенциальный.
Сердцевина состоит из клеток с тонкими стенками, слабо связанных друг с другом. Сердцевина совместно с древесной тканью первого года развития дерева образует сердцевинную трубку. Сердцевина в виде темной рыхлой ткани представляет собой заросший начальный побег дерева. У хвойных пород она тянется вдоль ствола довольно прямо, у лиственных — извилисто. Это наименее ценная часть ствола, с нее обычно начинает загнивать древесина и в растущем дереве образуется дупло
Вокруг сердцевины в виде колец располагаются годичные слои, по числу которых определяют возраст дерева. Любой годичный слой неоднороден по окраске, ширине и плотности.
Каждый годичный слой светлее к сердцевине, что объясняется условиями роста дерева. Если разрезать ствол дерева вдоль, то можно обнаружить так называемые сердцевинные лучи, пронизывающие годичные слои. Сердцевинные лучи хорошо видны в древесине дуба, бука, клена и чинары.
Рисунок, полученный на поверхности древесины в результате перерезания волокон годичных слоев и сердцевинных лучей, называется текстурой дерева. Чем богаче текстура (разнообразнее оттенки и структура волокон), тем ценнее древесина. Характерные особенности строения ствола (различная ширина годичных колец, неравномерная окраска, сердцевинные лучи) учитывают при его раскрое на доски и бруски, при изготовлении мебели, использовании в декоративных целях.
В абсолютно сухой древесине в среднем содержится до 49,5% углерода, 44,08% кислорода, 6,3% водорода и 0,12% азота. Минеральные вещества образуют при горении золу. Углерод, водород, кислород и азот образуют в древесине сложные органические соединения. Основные из них — целлюлоза, или клетчатка, — вещество, из которого построены стенки клеток древесины, В древесине содержатся также дубильные (танниды) и красящие вещества, смолы в жидком и твердом состоянии и эфирные масла.
От вида и количества содержащихся в древесине смол, дубильных веществ и эфирных масел зависит запах древесины. Наиболее сильным запахом обладает древесина, содержащая смолу (хвойные породы) или дубильные вещества (дуб, грецкий орех).
|
|
|
|
Рис.2. Сгнившая сердцевина
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 откладывает в сторону коры клетки луба и внутрь ствола, в значительно большем объеме — 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 из 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 внутренней части ствола, примыкающей к сердцевине, постепенно изменяют свой состав и пропитываются у хвойных пород смолой, а у лиственных — дубильными веществами. Движение влаги в древесине этой части ствола прекращается и она становится более прочной, твердой и менее способной к загниванию. Эту часть ствола, состоящую из мертвых клеток, называют у некоторых пород ядром, у других — спелой древесиной. Часть более молодой древесины ствола ближе к коре, в которой еще имеются 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 раскалывается по сердцевинным лучам, по ним же она растрескивается при высыхании.
Микростроение древесины
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, имеющие форму 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 кольцесосудистые (дуб, вяз, ясень и др.) и рассеяннососудистые (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.
Крупные полые клетки, стенки которых пронизаны мелкими отверстиями, образуют древесные сосуды в виде овальных трубочек, идущих вдоль ствола.
Трахеиды весеннего слоя, веретенообразные клетки, вытянутые вдоль ствола, имеют широкую полость и тонкую стенку. Оболочки клеток имеют поры, через которые клетки сообщаются друг с другом.
Узкие клетки, вытянутые в длину с заостренными концами и сравнительно толстыми оболочками, образуют древесные волокна, называемые лнбриформ. Эти элементы равномерно распределены по годичному слою, плотно соединены между собой, что и придает лиственным породам необходимую прочность
Различают запасающие клетки — древесную и сающей ткани лучевую паренхиму. Древесная паренхима состоит из тонкостенных клеток шаровидной или кубической формы, располагающихся в древесине вертикальными рядами: в них создается запас питательных веществ.
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.
Истинная плотность древесины всех деревьев изменяется незначительно, так как древесина состоит в основном из одного вещества — целлюлозы. Среднее значение истинной плотности древесины можно принять равным 1,54 г/см3.
Под плотностью материала понимают отношение его массы к объему. Измеряют плотность в килограммах, деленных на кубический метр. Плотность древесины в значительной степени зависит от ее влажности. Поэтому плотность древесины всегда пересчитывают, приводя к стандартному значению влажности (15 %). Определяют плотность древесины взвешиванием образцов стандартных размеров: 20х20х30 мм.
Таблица 1. Средняя плотность различных пород древесины, кг/м3
|
Порода древесины |
Средняя плотность, кг/м3 |
| Ель | 450 |
| Береза | 640 |
| Сосна обыкновенная | 510 |
| Орех грецкий | 600 |
| Граб | 810 |
| Липа | 500 |
| Груша | 720 |
| Красное дерево | 540 |
| Клен | 700 |
| Палисандр | 850 |
| Бук | 680 |
| Черное дерево | 1160 |
| Лим | 970 |
Cредняя плотность древесины разных пород и даже древесины одной и той же породы колеблется в весьма широких пределах, поскольку строение и пористость растущего дерева зависят от почвы, климата и других природных условий. У большинства древесных пород в абсолютно сухом состоянии она меньше 1. г/см3. Пористость древесины изменяется в широких пределах (от 30 до 80 %)
Гигроскопичность и влажность. Древесина, имея волокнистое строение и большую пористость, обладает огромной внутренней поверхностью, которая легко сорбирует водяные пары из воздуха (гигроскопичность). Влажность, которую приобретает древесина в результате длительного нахождения на воздухе с постоянной температурой и влажностью, называется равновесной. Она достигается в тот момент, когда упругость паров над поверхностью древесины оказывается равной упругости паров окружающего ее воздуха. Между равновесной влажностью древесины и параметрами окружающего воздуха (относительная влажность и температура) существует зависимость, которая выражается диаграммой.
По содержанию влаги различают мокрую древесину— с влажностью до 100% и более; свежесрубленную — 35 % и выше; воздушно-сухую—15…20 %; комнатно-сухую — 8…12 % и абсолютно сухую древесину, высушенную до постоянной массы при температуре 103+2 °С. Стандартной принято считать влажность древесины 12 %..
Вода в древесине может находиться в трех состояниях — свободном, физически связанном и химически связанном. Свободная или капиллярная вода заполняет полости клеток и сосудов и межклеточные пространства. Физически связанная или гигроскопическая вода находится в стенках клеток и сосудов древесины в виде тончайших гидратных оболочек на поверхности мельчайших элементов, слагающих стенки клеток.
Влажность древесины, при которой стенки клеток насыщены водой (предельное содержание гигроскопической влаги), а полости и межклеточные пространства свободны от воды (отсутствие капиллярной воды), называют Е,% пределом гигроскопической влажности. Для древесины различных пород она колеблется от 23 до 35 % (в среднем 30 %) от массы сухой древесины.
Гигроскопическая вода, покрывая поверхность мельчайших элементов в стенках клеток водными оболочками, увеличивает и раздвигает их. При этом объем и масса древесины увеличивается, а прочность снижается. Свободная вода, накапливаясь в полостях клеток, существенно не изменяет расстояния между элементами древесины и поэтому не влияет на ее прочность и объем, увеличивая лишь массу, теплопроводность и теплоемкость.
Усушка, разбухание и коробление. Как уже отмечалось, изменение влажности древесины от нуля до предела гигроскопической влажности вызывает изменение ее линейных размеров и объема — усушку или разбухание, величина которых зависит от количества испарившейся или поглощенной ею влаги и направления волокон.
|
|
|
|
Разница в усушке древесины в тангенциальном и радиальном направлениях и неравномерность высыхания сопровождается возникновением внутренних напряжений в древесине, что может вызвать ее коробление и растрескивание. Боковые края досок стремятся выгнуться в сторону выпуклости годовых слоев, а наибольшему короблению подвержены доски, выполненные из древесины, расположенной ближе к поверхности бревна, и широкие доски.
Стойкость к действию агрессивных сред: при длительном воздействии кислот и щелочей древесина медленно разрушается. В кислой среде древесина начинает разрушаться при рН<2. Слабощелочные растворы почти не разрушают древесину. В морской воде древесина сохраняется значительно хуже, чем в пресной (речной, озерной). В воде большой биологической агрессивности стойкость древесины низкая.
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.
Под микроскопом можно видеть, что основой строения древесины является растительная клетка, состоящая из оболочки и внутренней полости, в которой находятся протоплазма с ядром и пластиды. Протоплазма — бесцветное слизистое вещество, напоминающее по виду яичный белок; состоит из органических и минеральных веществ. Ядро круглой или овальной формы занимает в клетках центральное место.
По химическому составу ядро сходно с протоплазмой, но отличается содержанием фосфора. Смесь вещества ядра более вязкая, чем протоплазмы. Рост дерева идет за счет деления ядра, а затем клетки в целом. Пластиды представляют собой более плотные мелкие зернышки чечевицеобразной или округлой формы.
Основную массу хвойных пород составляют трахеиды, которые выполняют механические и проводящие функции. Они расположены spanрадиальными рядами и представляют собой вытянутые клетки с косо срезанными концами. В хвойных породах в отличие от лиственных имеются также смоляные клетки, которые вырабатывают и хранят смолу, образуя смоляные ходы. Химический состав древесины. Древесная масса состоит из органических и минеральных веществ.
Клеточная оболочка — это прозрачная, эластичная и тонкая (до 0,001 мм) пленка. Она состоит из целлюлозы и лигнина и имеет отверстия — поры различных видов, через которые питательные вещества проникают из одной клетки в другую. Лиственные породы имеют более сложное строение, чем хвойные. Древесину лиственных пород составляют сосуды, древесные волокна, которые выполняют механические функции, волокна паренхимы и сердцевинные лучи.
Читать по теме:
- Материалы и изделия из древесины. Строение древесины
- Основные породы древесины, применяемые в строительстве
- Строительные детали и изделия из древесины
- Механические свойства древесины. Пороки древесины
- Сушка древесины. Защита древесины от гниения, поражения насекомыми и возгорания