Основные свойства древесины
Тема 2. Древесные материалы
Древесные материалы получают путем обработки древесины различных пород деревьев, а также на основе отходов упомянутой обработки.
Леса на земле занимают 3,8 млрд га, т.е. 28 % суши, в то время как на сельскохозяйственные угодья приходится в мире 10 %, степи и луга – 19 %, пустыни – 40 %. Более 50 % мирового запаса древесины находится в тропических лесах, приблизительно 22 % в России, в том числе ценных для строительства хвойных пород более 50 %.
Древесина один из распространенных строительных материалов с многовековым опытом применения. Обилие в лесах Севера, Нечерноземной зоны и Сибири древесины хвойных пород, а в южных районах – лиственных пород позволяло всегда рассматривать дерево как сугубо местный строительный материал, запасы которого неисчерпаемы, так как в отличие от богатств земных недр древесина самовосстанавливающий материал. Среднегодовой прирост древесины низкий – 1,4 м3/га. При уходе за лесом можно повысит среднегодовой прирост до 5,5 м3/год. Средний диаметр бревен в возрасте 80 лет достигает 27 см. Чтобы получить на распиловку бревна диаметром 24-25 см в верхнем отрубе дерево в европейской части должно расти 100-120 лет, а в северных районах Сибири и Дальнего Востока – 140-160 лет. Качество древесины зависит от породы, условий его роста и наличия тех или иных пороков.
В строительстве применяют хвойные и лиственные породы. К хвойным породам, широко используемым в строительстве, относят сосну, лиственницу, ель, пихту, кедр. Лиственные породы в строительстве используют значительно реже, чем хвойные. Среди многообразия лиственных пород наибольшее применение в строительстве имеют дуб, ясень, бук, береза, осина.
Строение и состав
Дерево состоит из ствола, кроны и корней. Промышленное значение имеет ствол. Верхняя наиболее тонкая часть ствола называется вершиной, нижняя утолщенная – комлем. Большое значение для экономного использования древесины имеет сбег ствола. Сбег ствола - уменьшение диаметра ствола от комля к вершине (норматив 1 см на 1 м). Освобожденную от коры ткань волокон, содержащуюся в стволе дерева, называют древесиной. Ствол дерева состоит из клеток, имеющих разное назначение в растущем дереве, а, следовательно, разную форму и величину.
Макроструктуру ствола, видимую невооруженным глазом или через лупу, можно рассмотреть на трех основных разрезах: торцевом, проходящем перпендикулярно к оси ствола, радиальном, проходящем вдоль ствола и тангентальном, проходящем по хорде вдоль ствола. Каждая из плоскостей разреза ствола имеет характерный рисунок, образуемый годичными слоями. В торцевом разрезе ствола годичные слои расположены виде концентрических окружностей. В радиальном разрезе годичные слои видны в виде почти прямолинейных полос. На тангентальном разрезе годичные слои в периферийной части ствола эти слои имеют такой же вид, как и на радиальном разрезе, а в центральной части ствола имеют вид кривых линий.
На основных разрезах ствола различают следующие основные части: кору, камбий, древесину и сердцевину.
Корапредохраняет дерево от неблагоприятных влияний внешней среды и механических повреждений, она имеет наружную часть - кожицу, среднюю – пробковый слой и внутреннюю часть – луб. Луб проводит продукты фотосинтеза от кроны в ствол. Кора составляет от 7 до 20 % объема ствола.
Камбийрасположен за лубом однорядным цилиндрическим слоем (в виде кольца на поперечном срезе) живых клеток, размножающихся делением. Камбий образует в сторону луба лубяные клетки, а к центру дерева – клетки древесины. Деление клеток камбия начинается весной и заканчивается осенью. Поэтому древесина ствола состоит из ряда концентрических годовых колец. В свою очередь каждое годовое кольцо включает внутренний слой ранней (или весенней) древесины и внешний слой поздней (или летней) древесины. Ранняя древесина, образованная в начале вегетационного периода, состоит из крупных тонкостенных клеток. Поздняя древесина образуется в конце вегетационного периода и состоит из клеток меньшего размера, имеет более темный цвет, большую плотность и прочность. В зависимости от условий роста годичные слои бывают различной ширины. Однако прочность древесины зависит не от ширины годичного слоя, а от степени развитости поздней древесины.
На поперечном разрезе годичные кольца древесины светлее к поверхности дерева и темнее у центра. Светлая часть древесины называется заболонью, темная – ядром. Заболонь– физиологически активная зона древесины стволов и ветвей, в растущем дереве по заболони движется влага с растворенными в ней минеральными веществами, часть клеток заболони содержит запасные вещества. Древесина заболони имеет большую влажность, легко загнивает, последующей усушке усиливает коробление древесных материалов. Ядро состоит из мертвых клеток и не принимает участия в физиологических процессах, но обеспечивает прочность стволу дерева. В зависимости от наличия ядра и заболони древесные породы делят на ядровые (дуб, сосна, лиственница, кедр) и заболонные, не имеющие ядра (береза, осина, ольха, липа).
Сердцевина находится в центре ствола и проходит по всей его длине – рыхлая первичная ткань, состоящая из тонкостенных клеток, слабо связанных друг с другом стенками. Размеры сердцевины невелики: около 10 мм или чуть больше. У спиленного дерева сердцевина самая слабая часть ствола: крошится, легко загнивает, имеет малую прочность, сердцевина не допускается в тонких досках, брусках, в столярных изделиях.
На поперечном разрезе ствола у некоторых древесных пород заметны узкие радиальные линии – сердцевинные лучи, направленные от коры к сердцевине. На радиальном разрезе они имеют вид широких и узких лент, а на тангентальном – коротких, слегка утолщенных штрихов. В растущем дереве сердцевинные лучи служат для перемещения влаги и питательных веществ.
В древесине хвойных пород имеются смоляные ходы, расположенные в продольном и поперечном направлениях, в них сосредотачивается смола. Смоляные ходы на торцевом разрезе образуют светлые точки в поздней части годичного слоя, а на радиальном и тангентальном разрезах – темные черточки.
Микроструктура. Древесина состоит из большого количества живых и отмерших клеток различных размеров формы. Живая клетка имеет оболочку, внутри нее находится растительный белок - протоплазма и ядро. Клетки в основном веретенообразной формы, вытянуты вдоль ствола. Некоторое количество клеток вытянуто в горизонтальном направлении, т.е. поперек основных клеток - это клетки сердцевинных лучей. По выполняемым функциям клетки древесины делят на: проводящие, механические, запасающие.
Проводящие клетки служат для передачи питательных веществ от корней к ветви и листьям. У лиственных пород проводящие клетки называют сосудами, а у хвойных – трахеидами. Сосуды – идущие вдоль ствола тонкостенные широкополосные трубочки расположены по вертикали один над другим и сообщаются между собой. Трахеиды – вытянутые замкнутые клетки с кососрезанными или заостренными концами. Размеры трахеид в пределах одного годичного слоя различны. Так, у поздней древесины имеются узкие клетки с толстыми стенками, а у ранней – широкие клетки с тонкими стенками.
Механической(опорной) тканью лиственных пород служат древесные волокна, а хвойных трахеиды поздней древесины. Древесные волокна представляют собой вытянутые в длину тонкостенные клетки с заостренными концами. Они равномерно разделены по годичному слою и благодаря плотному соединению между собой придают лиственным породам необходимую прочность.
Запасающие клетки служат для образования запасов питательных веществ и передачи их в горизонтальном направлении. Эти клетки тонкостенны и имеют большие полости.
Стенки клеток состоят в основном из целлюлозы. В листьях дерева из атмосферного углекислого газа и воды под воздействием солнечного света образуется глюкоза, хорошо растворяющаяся в воде. В растворенном виде глюкоза по внутренним каналам дерева поступает к растущим клеткам камбия. В стенке клетки молекулы глюкозы соединяются своими концами между собой:
–ОН + НО → –О– + Н2О.
В результате происходящей реакции поликонденсации образуются кислородная связь (–О–) и молекула воды, уходящая в сок дерева. Кислородная связь объединяет кольца глюкозы в макромолекуле целлюлозы, состоящей из нескольких сотен глюкозных ячеек:
СН2ОН СН2ОН СН2ОН
О О О
Н Н Н
О О О
Н Н Н
Н ОН Н ОН Н ОН
Следовательно, целлюлоза является природным линейным полимером, нитевидные цепи которого жестко связаны (сшиты) гидроксильными связями. Это объясняет отсутствие у древесины области высокоэластичного состояния, возникающего при нагревании многих линейных полимеров.
Основные свойства древесины
К положительным свойствам древесины относится высокая механическая прочность и одновременно с этим легкость, что позволяет отнести ее к эффективным материалам с достаточно высоким коэффициентом конструктивного качества (ККК). Древесина способна поглощать ударные нагрузки и гасить вибрации, она отличается высокими тепло-, звуко- и электроизоляционными свойствами, химической стойкостью к кислотам и щелочам, легко обрабатывается резательными инструментами, хорошо удерживает металлические и другие крепления, надежно склеивается и, наконец, обладает естественной декоративностью, что делает ее популярным отделочным материалом.
К отрицательным свойствам древесины относятся анизотропность, повышенная гигроскопичность и водопоглощение, загниваемость в определенных температурно-влажностных условиях эксплуатации, подверженность разрушению различными древогрызущими насекомыми, легкая возгораемость и наличие в ней пороков строения и др.
Спелость древесины– достижение свойств древесины оптимальных для строительства. Спелость древесины наступает в зависимости от климата: 80…200 лет для деревьев хвойных пород и дуба, 50…80 лет для березы и 40…60 лет для осины.
Средняя плотность древесины зависит от породы. Плотность древесины разных пород и даже древесины одной и той же породы колеблется в широких пределах, так как строение и пористость растущего древа зависят от почвы, климата и других природных условий. Например, плотность сосны – 400-700 кг/м3, дуб – 700 – 950 кг/м3, бук – 600-900 кг/м3.
Истинная плотность древесины в среднем равна 1,54 г/см3, так как древесина всех деревьев состоит в основном из одного и того же вещества – целлюлозы.
Пористостьхвойных пород 46…85 %, лиственных – 32…80 %.
Влажность древесины выражают в % по отношению к массе сухой древесины. В древесине различают связанную (гигроскопическую) и свободную (капиллярную) влагу. Связанной называют в древесине воду, содержащуюся в ее клеточных стенках. Эта вода поглощается древесиной непосредственно из воздуха. Каждому сочетанию температуры и влажности окружающего воздуха соответствует определенная, так называемая равновесная влажность древесины. Связанная вода удаляется из древесины только сушкой. Предел гигроскопичности – 25…35%, что соответствует полному насыщению стенок клеток древесины водой и достигается при сорбции влаги из воздуха, имеющего относительную влажность 99,5 %. Свободная вода содержится в полостях клеток, сосудах и межклеточных пространствах древесины. Свободная влага не вызывает разбухания древесины, а только увеличивает ее плотность. Эту влагу можно удалить из древесины механическим путем, например прессованием. В зависимости от влажности различают древесину:
- мокрую – длительное время находящуюся в воде, влажностью свыше100 %;
- свежесрубленную – 40-100 %;
- воздушно-сухую – долгое время хранившуюся на воздухе, влажностью 15-20 %;
- комнатно-сухую – 8-12 %;
- абсолютно-сухую, т.е. высушенную до постоянной массы при температуре 103 ± 2 °С – влажностью около 0%.
Для получения сравнимых данных о физико-механических показателях древесины, зависящих от влажности, введено понятие стандартная влажность древесины, ее значение – 12 %.
Гигроскопичность - способность сухой древесины поглощать влагу из окружающей среды или отдавать влагу более сухому окружающему ее воздуху.
При изменении влажности древесины от нуля до точки насыщения волокон, а затем от точки насыщения волокон до нуля происходит изменение объема древесины, ее плотности и прочности.
Усушка древесины– уменьшение размеров древесины при удалении из нее связанной воды.
Разбухание древесины - увеличение размеров древесины при поглощении ею связанной воды.
Величина усушки и разбухания древесины вследствие неоднородности ее строения неодинакова в разных направлениях. Линейная усушка древесины вдоль волокон составляет всего 0,1…0,3 %, в радиальном направлении -3…6 %, в тангентальном - 6…12 %. Значительное различие величин усушки древесины в радиальном и тангентальном направлениях приводит к ее короблению при высыхании. При интенсивной сушке ствол дерева растрескивается по радиусу.
Теплопроводность сухой древесины определяется поперек волокон – 0,17…0,28 Вт/(м·оС). Вдоль волокон теплопроводность древесины, как правило, выше примерно в 2 раза.
Цвет и текстурадревесины - характерные признаки той или иной породы. Цвет древесины зависит от многих факторов, например, от района и условий произрастания, от породы, возраста дерева и др. Текстура (рисунок) древесины зависит от наличия тех или иных волокон их величины, и взаимного расположения, причем в каждой плоскости разреза дерева своя текстура.
Механические свойства. Сопротивление древесины механическим воздействиям неодинаково в различных направлениях вследствие волокнистости строения. Механические свойства древесины зависят от породы древесины, ее влажности, наличия пороков. Прочность древесины определяют путем испытаний, чистых (без видимых пороков) образцов древесины. Прочность древесины характеризуется пределами ее прочности при сжатии, растяжении, статическом изгибе, скалывании и др.
Показатели прочности древесины должны быть пересчитаны на влажность 12 %, так как прочность древесины понижается, когда ее влажность возрастает от 0 до 30 % (до предела гигроскопичности), при этом в интервале влажности 8-20 % понижение прочности прямо пропорционально приросту влажности
R12 = RW [1 + α(W-12)] (1),
где RW - предел прочности образца с влажностью W в момент испытания; R12 - то же при влажности 12 %; α - коэффициент снижения прочности древесины при увеличении ее влажности на 1 % , при сжатии и изгибе α =0,04, при скалывании α =0,03.
Предел прочности древесины с влажностью в момент испытания равной или больше предела гигроскопичности приводят к влажности 12 % по формуле
R12 = RW k12 (2),
где k12 - пересчетный коэффициент, имеющий различные значения для разных пород и вида испытаний.
Предел прочности древесины при сжатии (RСЖ) вдоль волокон в 4-6 раз больше ее прочности поперек волокон. Прочность на изгиб (RИЗГ) в среднем в 2,5 раза превосходит соответствующий предел прочности при сжатии (RСЖ).Удельная прочность древесины при растяжении вдоль волокон (RР/ρ), например, у сосны 213 МПа, примерно такая же как у высокопрочной стали, 255 МПа и стеклопластика, 200 МПа.
Предел прочности при скалывании вдоль волокон для основных древесных пород составляет 6-13 МПа, а при скалывании поперек волокон в 3-4 раза больше.
В зависимости от значения твердости древесину подразделяют на мягкую (35-49 МПа), твердую (50-100 МПа) и очень твердую (более 100 МПа). Твердость древесины численно равна нагрузке, которая необходима для вдавливания в образец древесины половины металлического шарика диаметром 5,64 мм при этом площадь отпечатка – 1 см2. Мягкие породы – сосна, ольха, ель, пихта. Твердые породы – дуб, бук, граб, береза, лиственница и очень твердые – кизил, самшит. Твердые породы труднее обрабатываются, но обладают повышенной износостойкостью и лучше удерживают шурупы.
Следует иметь в виду, что большинство из отрицательных свойств древесины могут быть устранены путем химической и химико-механической ее переработкой в листовые и плитные материалы, модификацией свойств и повышением стойкости натуральной древесины путем введения в нее антисептиков, антипиренов, смол, а также прессованием и пластификацией исходного материала.