Строение и свойства древесины

Древесина представляет собой ткань высших растений. Она состоит из высокомолекулярных и низкомолекулярных углеводородов - целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, а также кислот, смол, эфирных масел, жиров, стеаринов и минеральных веществ.

На макроуровне строение древесины изучают по торцовому срезу, на котором выделяют кору, луб, камбий, заболонь, ядро и сердцевинную трубку. Кора представлена пробковым слоем. Камбий – слой живых клеток. Заболонь содержит отмершие и живые клетки, проводящие питательные вещества. Заболонь составляет наиболее молодую и наиболее влажную часть древесины, примыкающую к камбию. Ежегодно из камбия формируются новый слой заболони и новый слой клеток луба, расположенного под корой. Сердцевинная трубка состоит из тонкостенных клеток рыхлой первичной ткани. Она низкопрочна и легко загнивает. Ядро представляет собой совокупность отмерших клеток, расположенных вокруг сердцевинной трубки. Это так назы-ваемая спелая древесина, которая может выделяться более темным цветом, поскольку со временем пропитывается смолой и дубильными веществами. Ядро отличается высокой плотностью и стойкостью к загниванию.

По макростроению различают древесные породы заболонные, ядровые и спелодревесные. У заболонных пород нет ядра, и вся древесина состоит из заболони. Такое строение имеют береза, ольха, клен. У ядровых пород ядро четко выделяется темной окраской. К ядровым породам относят сосну, дуб, кедр. У спелодревесных пород ядро имеется, но окраской от заболони оно не отличается. Такие породы, как ель, пихта, бук, являются спелодревесными породами.

На торцевом срезе древесины отчетливо просматриваются годовые кольца. Каждое кольцо соответствует одному году жизни древесины. В каждом годовом кольце имеется два слоя, отличающиеся цветом и плотностью. В весенний период роста, вследствие интенсивного перемещения питательных веществ, формируется слой годового кольца древесины из тонкостенных клеток с большими полостями. Этот слой годового кольца называют весенней или ранней древесиной. В летний период образуется слой более плотной древесины, состоящей из клеток с более толстыми стенками и небольшими полостями. Этот слой древесины называют летней или поздней древесиной.

Микроструктура древесины характеризуется наличием вытянутых вдоль ствола, веретенообразных клеток, стенки которых содержат целлюлозу (С₆Н₁₀О₅)_n – природный полимер.

Свойства древесины зависят от влажности. Влага в древесине может содержаться в стенках клеток и в их полостях. Влага, находящаяся в полостях клеток, называется свободной, а в стенках – гигроскопической. При высыхании древесина теряет сначала свободную влагу, а затем гигроскопическую. Предельное содержание гигроскопической влаги называют точкой насыщения волокон. Оно составляет обычно 25…35 % и в среднем 30 %.

Древесина гигроскопична. Установлено, что каждому сочетанию температуры и влажности воздуха соответствует своя равновесная влажность древесины. Равновесной влажностью W называется такая влажность, которую приобретает древесина, длительно находясь в постоянных температурно-влажностных условиях. Инженер Н.Н. Чулицкий составил номограмму зависимости равновесной влажности древесины от температуры и влажности воздуха. Понижение влажности древесины ниже точки насыщения волокон сопровождается усушкой. Объемная усушка У_о определяется в процентах:

У_о = , (11.1)

где V₁ – объем древесины до усушки, см³;

V₂ – объем древесины после усушки, см³.

Величина усушки зависит не только от процента изменения влажности, но и от породы древесины. Коэффициент объемной усушки К_о показывает величину объемной усушки породы древесины, приходящуюся на один процент изменения влажности:

К_о= , (11.2)

где W₁- влажность древесины до усушки, см³;

W₂ – влажность древесины после усушки, %.

Коэффициент объемной усушки сосны составляет 0,5, а березы, соответственно, 0,6.

Влажность древесины 12 % принято считать стандартной. Средняя плотность древесины при стандартной влажности γ₁₂ может быть вычислена исходя из значений средней плотности при равновесной влажности γ_w:

γ₁₂ = γ_w[1 + 0,01(1- К_о)( 12-W)]. (11.3)

Зависимость прочности древесины стандартной влажности σ₁₂ от прочности древесины при равновесной влажности σ_W выражается формулой

σ₁₂= σ_W[1 + α(W-12)]. (11.4)

Коэффициент α отражает зависимость прочности данной породы древесины от изменения ее влажности. Для большинства пород коэффициент α составляет 0,035…0,05.

Характерным свойством древесины является анизотропия. Вследствие анизотропии свойства древесины в продольном и радиальном направлении заметно отличаются. Например, коэффициент теплопроводности в радиальном направлении в два раза ниже, чем в продольном. Свойства древесины различных пород могут отличаться также существенно. Например, в зависимости от породы древесины прочность при сжатии вдоль волокон может изменяться в пределах 35,0…70,0 МПа, а при растяжении – в пределах 80,0…130,0 МПа.

Особенности роста и признаки разрушения древесины, снижающие ее сорт, называют пороками. Наиболее распространенными видами пороков являются трещины и сучки.

Трещины возникают как в растущем дереве, так и в срубленной древесине. В растущем дереве могут возникнуть трещины от мороза – «морозобоины», солнца – солнечные трещины или от раскачивания ветром. В срубленной древесине появляются трещины усушки. Радиальную внутреннюю трещину, не выходящую на поверхность, называют метиком. Трещины усушки и морозобоины обычно радиальные, наружные. Трещину, располагающуюся по годовому кольцу, называют отлупом.

Значительно понижается сортность древесины от присутствия сучков. Сучки представляют собой основания ветвей. Различают сучки здоровые и загнившие, выпадающие и сросшиеся с основной древесиной. Сучки, являясь участками существенного изменения направления волокон, могут затруднять механическую обработку древесины, ослаблять прочность изделий и понижать их качество.

Гниль на древесине – признак поражения древесины грибковыми микроорганизмами, которые способны с помощью своих ферментов расщиплять целлюлозу до глюкозы и использовать ее как питательную среду.

К порокам строения древесины относят закомелистость, косослой, крень, смещение сердцевины, завиток, свилеватость, засмолок, водослой, двойную сердцевину. Закомелистось состоит в резком увеличении диаметра ствола у основания. Косослой проявляется в отклонении волокон древесины от продольной оси изделий, что снижает их прочность на растяжение и изгиб. Крень выражается в ненормальном однобоком утолщении годовых колец, возникающем обычно в наклонно стоящих и покривленных деревьях. Кривизна представляет собой искривление продольной оси ствола. Свилеватость – волнистое расположение волокон древесины. Завиток – местное искривление волокон древесины. Древесина сердцевины, как легко загнивающая и низкопрочная, не допускается в растянутых и изгибаемых элементах деревянных конструкций. Двойная сердцевина, обнаруживаемая в сросшихся стволах, существенно снижает выход деловой древесины. Засмолок представляет собой местное скопление смолы, затрудняющее механическую обработку древесины. Водослой – местное скопление влаги в древесине. Водослой усиливает склонность к короблению изделий при сушке.Арболит – композиционный материал на цементном вяжущем, органических заполнителях и химических добавках. В качестве органического заполнителя в арболите применяют измельченную древесину из отходов лесозаготовок и деревообработки хвойных и лиственных пород, костру конопли и льна. Наиболее пригодны следующие породы древесины: ель, пихта, сосна, тополь, осина, береза, бук, дуб.