Лекция 1. КОНСТРУКТИВНЫЕСВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫИ ПЛАСТМА
Древесина - конструкционный строительный
Материал
Сырьевая база использования древесины в строительстве
Россия обладает 40 % мировых запасов леса (80 млрд.м3). Основные ресурсы страны сосредоточены в Сибири и на Дальнем Востоке. Преобладающими породами являются хвойные: лиственница 37 %, сосна 19 %, ель и пихта 20 %, кедр 8 %. Важнейшей из лиственных пород является береза, запасы древесины которой составляют 14 %.
Количество заготовляемой древесины обеспечивает потребности страны в строительстве и в других областях промышленности. Однако лесное хозяйство страны требует коренной перестройки, главным образом вследствие перерубов без последующего восстановления лесов.
Наиболее высокими качествами отличается древесина сосны, обладающая прямослойностью и надлежащими прочностными свойствами при ограниченном содержании таких пороков, как сучки. Еловая древесина близка по качеству сосновой. Древесина лиственницы по прочности и по сопротивлению к загниванию превосходит древесину сосны. Однако, вследствие высокой плотности сплав древесины лиственницы при ее заготовке вызывает затруднения. Кроме того, древесина лиственницы при сушке легко растрескивается.
Повышенная сопротивляемость древесины хвойных пород к загниванию и увлажнению объясняется наличием в ней смолы.
Хвойная древесина, как обладающая многими положительными свойствами, используется преимущественно в строительстве стационарных деревянных зданий и сооружений.
Древесина лиственных пород, имеющая по сравнению с хвойной пониженную прочность и стойкость к загниванию, используется в строительстве временных зданий и сооружений.
Древесина твердых лиственных пород (дуб, береза) используется для изготовления соединительных деталей строительных конструкций, например, для изготовления пластинчатых нагелей, а также в качестве подушек, прокладок и других ответственных деталей конструкций, расположенных в местах, где имеют место большие напряжения сжатия и смятия в направлении поперек или под углом к волокнам древесины.
Березовая древесина служит основным сырьем для фанерной промышленности страны.
Строение и физико-механические свойства древесины
Деревянные строительные конструкции в основном изготавливают-ся из древесины хвойных пород (сосна, ель, лиственница), поэтому ограничимся рассмотрением анатомического строения древесины хвойных пород, которая отличается от древесины лиственных пород простотой и однообразием структуры.
Рис. 1.1. Главные разрезы ствола
П - поперечный; Р - радиальный;
Т - тангенциальный
На поперечном сечении ствола дерева различают следующие части (рис. 1.1.): под корой расположен тонкий слой камбия, отлагающего древесину и работающего с различной интенсивностью, так как деятельность его зависит и от внешних условий. В растущем дереве камбий обусловливает прирост древесины и коры. В центре сечения ствола расположена сердцевина, имеющая форму небольшого круглого пятнышка диаметром 2-5 мм.
Вся основная древесина, расположенная между тоненьким слоем камбия и сердцевиной, состоит из двух частей, немного отличающихся одни от других цветовыми оттенками - внутренняя зона, более темная, называется ядром, а более светлая - заболонью
На поперечном сечении ствола можно увидеть концентрические слои, окружающие сердцевину. Каждое такое кольцо представляет собой ежегодный прирост древесины и называется годичным слоем. Ширина годичных слоев колеблется в зависимости от возраста, породы, условий произрастания и положения в стволе.
Древесина состоит из клеток двух видов - прозенхимных и парен-химных. Паренхимные клетки имеют примерно одинаковые размеры во всех трех осевых направлениях. К прозенхимным клеткам относятся трахе-иды - полые клетки, сильно вытянутые в длину с заостренными концами. Среднее отношение длины этих клеток к их размерам в поперечном сечении приблизительно равно 50-60.
Основными элементами древесины хвойных пород являются трахе-иды, которые занимают свыше 90 % общего объема древесины.
Рис. 1.2. Поперечное сечение ранних и поздних трахеид сосны |
Рис. 1.3. Схема микроскопического строения древесины сосны тр - трахеиды; о.п. - окаймленные поры; в.с.х. - вертикальный смоляной ход; с.л. - сердцевидный луч; г.с. - годичный слой; р.д. - ранняя (весенняя) древесина; п.д. - поздняя (летняя)
древесина
Паренхимные клетки в хвойной древесине входят в состав сердцевинных лучей. В растущем дереве по сердцевинным лучам происходит движение питательных веществ и воды в горизонтальном направлении в период вегетации, а в период покоя в них хранятся запасные питательные веще-ства. В процессе роста трахеиды своими заостренными концами врастают между другими анатомическими элементами или себе подобными элементами.
Трахеиды хвойных пород выполняют не только свойственные им проводящие функции, но и механические. Трахеиды ранней части годичного слоя (рис.1.2.,а) обладают тонкими стенками и большими внутренними полостями, а трахеиды поздней части годичного слоя имеют более толстые стенки и малые полости (рис.1.2.,б).На рис. 1.3. показана объемная схема микроскопического строения сосны.
Рис. 1.4. Схема строения оболочки трахеид |
На основе современных исследований установлено, что стенки клеток трахеид представляют собой слоистую оболочку (рис.1.4.). В стенке каждой нормальной трахеиды различают: тонкую первичную оболочку Р, значительно более толстую вторичную оболочку 8, состоящую из наружного слоя 8[, среднего слоя 82 и внутреннего слоя 83. Трахеиды связаны между собой аморфным межклеточным веществом срединной пластинки М, окружающей каждую клетку (рис.1.4.). Каждый слой оболочки трахеид состоит из микрофибрилл, основой которых является кристаллическая целлюло-аа, инкрустированная матриксом аморфных или паракристаллических полимеров, стабилизирующих структуру микрофибрилл. В составе стенки клетки особую роль играет лигнин. Если высокая прочность при растяжении обеспечивается в основном целлюлозными микрофибриллами, то лигнин придает оболочке прочность на сжатие.
Микрофибриллы ориентированы различно в слоях В
слое Р они преимущественно располагаются поперек оси трахеид, а в слоях по спирали под разными углами (рис. 1.5.). Все слои трахеид отличаются одни от других не только углами наклона микрофибрилл по отношению к продольной оси клеток, но и толщиной, которая для отдельных слоев, как и у всей толщины стенки клетки, неодинакова для различных пород древесины. Изменчивость также наблюдается в пределах одного вида дерева, что может быть следствием различия условий произрастания. От толщины стенок клеток зависит плотность древесины.
Рис. 1.5. Микрофибриллы во вторичном слое 8 растения валония, увеличенные в 12000 раз (по данным К.Мюлетгалера)
Исследования В.Е.Вихрова показали, что у поздних трахеид вторичная оболочка и срединная пластинка вдвое толще, чем у ранних. Однако соотношение между слагающими клеточную стенку оболочками в обоих случаях одинаково. Целлюлозные микрофибриллы обычно представляют собой тяжи шириной 10-25 нм (последняя величина является максимальной).
В древесине хвойных пород из паренхимных клеток состоят в основном многочисленные сердцевинные лучи (см. рис. 1.3.). Они узкие, преимущественно однорядные, но среди них встречаются и многорядные лучи со смоляным горизонтальным ходом посередине. У сосны, ели и лиственницы, кроме паренхимных клеток, лучи содержат трахеиды.
Только на основе глубокого анализа микро - и субмикроструктуры древесины можно раскрыть действительный характер и особенности механических свойств древесины как материала для строительных конструкций.