Строение и физико-механические свойства древесины

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. 1.3. 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.

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.