Тема 4. 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. 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, которая состоит из тонкостенных клеток, имеет малую прочность и легко загнивает.

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, протоплазму 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.