Главная → Статьи

Структура и свойства древесины

Древесина характеризуется редким сочетанием положительных свойств. Это весьма легкий и в то же время прочный материал, хорошо сопротивляющийся статическим и динамическим нагрузкам. Благодаря пористой структуре древесина малотеплопроводна. Она легко поддается механической обработке, хорошо склеивается. К своеобразным качествам древесины относится ее способность удерживать металлические крепления — гвозди, шурупы, скобы.

Эти свойства древесины позволяют создавать сборно-разборные конструкции, удобные для транспортирования и монтажа.

Структура древесдвы. Отличается структура значительной неоднородностью. Это видно невооруженным глазом на главных разрезах ствола (рис. 40) — поперечном, радиальном и тангенциальном. Поперечным (торцовым) называют разрез, проходящий перпендикулярно оси ствола. Радиальный разрез проходит вдоль оси ствола по радиусу или диаметру поперечного сечения. Тангенциальный разрез образован плоскостью, параллельной оси ствола и рассекающей поперечное сечение по хорде.

Ствол дерева состоит из многочисленных клеток, вытянутых в основном по его длине. Клетки определенным образом группируются и создают на торце ствола систему концентрических колец. Вместе с другими элементами они формируют макроструктуру древесины.

Макрострукту р а древесины различима невооруженным глазом или при небольшом увеличении, например с помощью лупы. Выделяют следующие основные элементы макроструктуры: сердцевину, ядро, заболонь, годичные слои.

Сердцевина — узкая центральная часть ствола (рис. 41). Она представляет собой рыхлую, слабую ткань первичного образования, легко поддается загниванию. В досках и брусках толщиной до 50 мм сердцевина, как правило, не допускается.

Ядро — это внутренняя зона древесного ствола, большей частью темноокрашенная. Ядро образуется в результате отмирания живых клеток древесины. Темная окраска ядра объясняется отложением в клетках древесины смолы, дубильных и красящих веществ, углекислого кальция. Эти вещества увеличивают стойкость древесины ядра против загнивания.

Рис. 40. Главные разрезы ствола дерева:
1 — поперечный (торцовый), 2 — радиальные, 3 — тангенциальный

Заболонь — светлая наружная зона ствола, окружающая ядро. В основном она состоит из живых клеток. Как правило, древесина заболони светлоокрашенная. По механическим свойствам она не уступает древесине ядра, но хуже сопротивляется загниванию.

Древесные породы, у которых отчетливо различимы ядро и заболонь, называют ядровыми (дуб, сосна, лиственница, кедр). В ряде случаев центральная часть древесины имеет такой же цвет, что и наружная, но отличается меньшим содержанием влаги. Такую древесину называют спелой, а породы — спело-древесными (ель, пихта, бук). Остальные породы, у которых нет различия между центральной и наружной частью ствола ни по цвету, ни по влажности, называют заболон-ными (береза, осина, ольха).

Годичные слои представляют собой ежегодный прирост древесины. Состоят они из клеток, образовавшихся за один вегетационный период. На поперечном разрезе годичные слои расположены в виде концентрических колец, на радиальном разрезе они образуют параллельные полосы, идущие в продольном направлении, на тангенциальном — извилистые сходящиеся линии (рис. 42).

Каждый годичный слой состоит из ранней и поздней древесины. Ранняя древесина образуется весной, поздняя — к концу лета. Ранняя древесина светлее поздней. Клетки ранней древесины более крупные, а толщина стенок в них меньшая. Поэтому ранняя древесина более пористая и слабая, а поздняя древесина— более плотная и прочная. Чем больше в годичном слое поздней древесины, тем выше механические свойства породы.

Макроструктура древесины характеризуется также сердцевинными лучами, сосудами и смоляными ходами.

Рис. 41. Поперечный разрез ствола:
1 — сердцевина, 2 — сердцевинный луч, 3 — ядро, 4— заболонь, 5 — кора, 6 — годичные слои

Сердцевинные лучи (см. рис. 41) в растущем дереве служат для проведения воды в радиальном направлении и хранения запасных питательных веществ. Окраска сердцевинных лучей может быть темнее или светлее окружающей древесины.

Сосуды характерны лишь для древесины лиственных пород. Это трубки, каналы различного сечения, предназначенные для проведения воды от корней к кроне дерева.

Рис. 42. Годичные слои на разрезах древесины сосны:
а — поперечном, б — радиальном, в — тангенциальном; 1 —. ранняя древесина, 2 — поздняя древесина

Смоляные ходы наблюдаются только в древесине хвойных пород и представляют собой заполненные смолой тонкие каналы, идущие в горизонтальном и вертикальном направлениях. Смола, содержащаяся в них, защищает древесину от заболевания при повреждениях ствола.

Микроструктура древесины представлена большим числом мельчайших клеток. Оболочки клеток состоят в основном из органического вещества — целлюлозы. Это природный полимер, нерастворимый в воде и органических растворителях. Целлюлоза образует систему первичных волокон, называемых микрофибриллами. Первичные волокна расположены в оболочках клеток в несколько слоев.

Клетки одинакового строения, выполняющие одинаковые функции, образуют ткани древесины. В зависимости от назначения различают механические, проводящие и запасающие ткани.

Механические (опорные) ткани придают древесине необходимую прочность. В хвойных породах опорная ткань состоит из тонких, вытянутых в длину волокон с утолщенными одревесневшими оболочками (трахеид). В лиственных породах аналогичное назначение выполняют волокна либриформа. Механические ткани занимают большую часть объема древесинного вещества.

Проводящие ткани — это вытянутые тонкостенные клетки, по которым влага с растворенными в ней питательными веществами проходит от корней к кроне.

Запасающие ткани, сосредоточенные главным образом в сердцевинных лучах, служат для накопления и хранения питательных веществ и состоят из коротких запасающих клеток.

Таким образом, отличительная особенность структуры древесины заключается в том, что она состоит из множества клеток волокнистого строения. Волокна ориентированы в основном вдоль оси ствола. Стенки клеток древесинного вещества сравнительно тонкие. Ориентированное расположение волокон служит причиной неодинаковых свойств древесины в радиальном, тангенциальном и продольном направлениях. Полости клеток, на которые приходится значительная часть объема, формируют вместе с межклеточными промежутками большую пористость древесины.

Свойства древесины. Их характеризует комплекс показателей, в число которых входят внешний вид, плотность, пористость, влажность, усушка, прочность, твердость, способность удерживать металлические крепления.

Внешний вид зависит в основном от цвета и текстуры древесины.

Цвет часто служит одним из важнейших признаков при распознавании породы дерева. Целлюлоза, из которой в основном состоит древесина, почти белого цвета. Все многообразие цветовых оттенков связано с находящимися в древесине красящими, дубильными и смолистыми веществами. Зависит цвет от климатических условий, в которых растет дерево. Породы умеренного пояса окрашены бледно, тропического — ярко.

Текстура — это рисунок, образующийся на поверхности древесины при перерезании ее волокон, годичных слоев и сердцевинных лучей. Древесина хвойных пород обладает, как правило, простой и однообразной текстурой. Лиственные породы с ярко выраженными сердцевинными лучами — дуб, бук отличаются очень красивой текстурой на радиальном и тангенциальном разрезах.

Плотность значительно влияет на свойства древесины, особенно на прочность. Истинная плотность древесины изменяется в очень узких пределах, так как древесинное вещество состоит в основном из целлюлозы. Поэтому независимо от породы дерева истинную плотность принимают равной 1,54 г/см3. Средняя плотность зависит как от породы, так и от условий произрастания дерева. Она колеблется в широких пределах. Так, средняя плотность, определенная при стандартной влажности, равна, кг/м3: для древесины сосны — 500; ели — 450; дуба — 690; бука — 670; березы— 630. Средняя плотность изменяется в зависимости от влажности древесины.

Пористость древесины связана с ее плотностью. С уменьшением средней плотности от 800 до 300 кг/м3 пористость возрастает с 55 до 80%. Следовательно, большую часть объема древесины занимают поры.

Влажность древесины может изменяться от нуля (абсолютно сухая древесина) до 100% и более (мокрая древесина). Изменение влажности существенно сказывается на свойствах древесины. Если образец абсолютно сухой древесины выдерживать длительное время во влажном воздухе, то его масса вначале будет возрастать, а затем стабилизируется. Связано это с тем, что водяные пары конденсируются в стенках клеток древесины. Влагу, накапливающуюся в стенках клеток, называют связанной или гигроскопической. Состояние древесины, при котором клеточные стенки максимально насыщены водой, а в полостях клеток находится только воздух, характеризуется пределом гигроскопичности. Для большинства пород влажность, соответствующая пределу гигроскопичности при комнатной температуре, составляет 30% по массе.

Молекулы связанной воды, конденсируясь в стенках клеток, попадают в промежутки между микрофибриллами. Это вызывает утолщение клеточных стенок и, как следствие, разбухание древесины. Одновременно ослабляются силы взаимодействия между микрофибриллами, что приводит к уменьшению прочности материала.

При насыщении древесины капельно-жидкой водой заполняются не только стенки, но и полости клеток. Влагу, находящуюся в полостях клеток, называют свободной или капиллярной. Она не влияет на разбухание и прочность древесины, но может изменить другие физические свойства. Например, по мере увеличения влажности древесина становится тяжелее, возрастают ее тепло- и электропроводность.

Учитывая большое влияние влажности, условились все свойства определять при стандартной влажности, равной 12%. Этот показатель соответствует влажности сухой древесины, которая;хранится в комнатных условиях.

Усушка — это уменьшение линейных размеров и объема деревянных изделий при удалении из древесины связанной влаги. Такие деформации наблюдаются при изменении влажности в диапазоне от нуля до 30%, т.е. до предела гигроскопичности. Усушка по разным направлениям неодинакова. Вдоль волокон древесины усушка наименьшая — 0,1…0,3%, в тангенциальном направлении 6… 10%, в радиальном—3…5%.

Неравномерные деформации усушки в разных направлениях служат причиной растрескивания и коробления пиломатериалов и деревянных изделий.

Разбухание древесины происходит при увлажнении. Деформации разбухания аналогичны деформациям усушки, но противоположны им по знаку.

Прочность зависит от направления действия сил по отношению к волокнам, плотности, влажности, вида и размеров пороков. Лучше всего древесина сопротивляется растяжению и изгибу; ее прочность при сжатии несколько ниже (табл. 21).

По прочности на сжатие древесина соответствует наиболее высоким классам бетона, а по прочности на изгиб и растяжение намного превосходит его. На практике использовать высокую прочность древесины на растяжение очень трудно из-за сложности закрепления рабочих концов изделий, в которых возникают скалывающие напряжения и происходит смятие древесины. Сопротивляемость древесины скалыванию и смятию весьма невелика, и разрушение при растяжении происходит не в виде разрыва, а в виде скалывания или смятия в местах закрепления изделия. Поэтому древесину в основном используют в изгибаемых и сжимаемых конструкциях (балках, стойках), реже— в растягиваемых элементах (затяжках стропильных ферм).

Прочность древесины, особенно при сжатии и изгибе, зависит от ее влажности. Существенное влияние оказывает только связанная влага, содержащаяся в клеточных оболочках. По мере возрастания влажности прочность древесины уменьшается, особенно при влажности 20…25%. За пределом гигроскопичности (более 30%) прочность древесины остается неизменной.

Механические свойства зависят не только от влажности, но и от пороков древесины. Поэтому расчетные сопротивления принимают в 5…10 раз меньше характеристик прочности древесины, указанных в табл. 21.

Твердость имеет большое значение при обработке древесины режущим инструментом. Наибольшей твердостью обладает торцовая поверхность.

По степени твердости все древесные породы разделяют на три группы:

мягкие (торцовая твердость менее 38,5 МПа при 12%-ной влажности)—сосна, ель, кедр, пихта, липа, тополь, ольха;

твердые (торцовая твердость 38,5…82,5 МПа) — лиственница, береза, бук, вяз, дуб, ясень, клен;

очень твердые (более 82,5 МПа) — акация белая, береза железная, граб, тисс, кизил, самшит.

Способность удерживать металлические крепления — своеобразное свойство древесины, обусловленное упругостью ее волокон. Гвоздь, вбиваемый в древесину, раздвигает волокна, которые оказывают на его боковую поверхность значительное давление. Возникающие при этом силы трения прочно удерживают гвоздь. Способность удерживать металлические крепления оценивают по сопротивлению выдергиванию гвоздей или шурупов. Сопротивление выдергиванию соответствует усилию, необходимому для выдергивания из древесины гвоздя или шурупа стандартных размеров.

Наибольшее сопротивление выдергиванию оказывают древесина в радиальном и тангенциальном направлениях. Усилие выдергивания гвоздя, вбитого в торец, т. е. вдоль волокон древесины, почти на 50% меньше. Вот почему для получения прочного соединения деревянных деталей не следует вбивать гвозди или завинчивать шурупы вдоль волокон древесины. Сопротивление древесины выдергиванию шурупов примерно в 4…5 раз больше, чем гвоздей.

Сопротивление выдергиванию также зависит от породы, плотности и влажности древесины. Например, для забивания и выдергивания гвоздей из древесины граба (плотность 800 кг/м3) необходимо усилие в четыре раза большее, чем для древесины сосны, плотность которой 500 кг/м3. Во влажную древесину гвозди вбивать легче, чем в сухую. При последующем высыхании способность древесины удерживать гвозди снижается.

Ваш отзыв