Тема: Древесина и изделия из нее
Цель: обучить студентов, давая им систему теоретических знаний, а также
практических умений и навыков;
развивать мыслительные способности, их устную и письменную речь, память, воображение, навыки самоорганизации;
содействовать воспитанию нравственных или эстетических убеждений, чувств, волевых и социально-значимых качеств
Общие сведения о древесине
Древесина наряду с природными каменными материалами является самым древним строительным материалом. В разное время на территориях различных государств, создавались замечательные сооружения из древесины, смелые в плане инженерных решений и великолепные по своей архитектурной выразительности: мосты, крепостные сооружения, храмы, дворцы. Некоторые из них сохранились до наших дней как памятники архитектуры и зодчества.
Древесина – экологически чистый материал, хорошо сопротивляется статическим и динамическим нагрузкам, весьма легкий и в то же время прочный. На сжатие вдоль волокон по прочности древесина не уступает бетону, а при изгибе – значительно превосходит его. Благодаря высокой пористости (30…80%) древесина имеет малую теплопроводность (0,16…0,30 Вт/м · К). Она легко поддается механической обработке, хорошо склеивается, удерживает металлические крепления (гвозди, шурупы, скобы). Современные передовые технологии в сочетании с уникальными природными свойствами древесины позволяют создавать долговечные деревянные конструкции, восхищающие своей красотой и совершенством.
В отличие от других материалов древесина «дышит». В клеточном строении происходит постоянный обмен воздуха, а относительная влажность внутри деревянных зданий поддерживается, как правило, на уровне 45…57%, что соответствует оптимальному диапазону влажности (40…60%), при котором суммарное влияние вредных факторов на организм оказывается наименьшим. Древесина обладает также высокой химической стойкостью, декоративностью и постоянно восполняемой сырьевой базой.
Нашли применение и побочные продукты лесозаготовок, деревообработки и лесопиления (стружка, дробленка, опилки и др.), что значительно повышает эффективность ее применения. Из них получают древесностружечные и древесноволокнистые плиты, древеснослоистый пластик, арболит, ксилолит, фибролит и др.
Вместе с тем древесина обладает и некоторыми недостатками, ограничивающими область ее применения: анизотропностью (неоднородностью строения и свойств в разных направлениях); повышенной гигроскопичностью (что приводит к неравномерному набуханию, короблению и растрескиванию пиломатериалов и изделий); легкой возгораемостью; загниваемостью в переменно-влажностных условиях; наличием разнообразных пороков, снижающих ее сортность.
Большинство этих недостатков можно преодолеть технологическими защитными мероприятиями, созданием благоприятных условий эксплуатации (например, путем изготовления клееных деревянных изделий и конструкций) и др. В клееных конструкциях, где при их изготовлении убираются все дефекты и пороки, прочность древесины увеличивается в несколько раз, а в древеснослоистых пластиках прочность достигает 150…250 МПа. Возможно также создание композиционных материалов на основе древесины в сочетании с полимерами, минеральными вяжущими, волокнами и металлами.
Состав и строение древесины
Растущее дерево состоит из трех частей: корневой системы, ствола и кроны. Все они в большей или меньшей степени имеют практическое значение. Однако ствол является основным источником строительной древесины, к которой относят лигноцеллюлозное вещество между сердцевиной и корой дерева, т.е. внутреннюю составляющую, лежащую под корой (СТБ EN 844-1). На долю ствола в зависимости от породы дерева приходится от 65 до 90% всего объема дерева. В зависимости от породы и климатических условий произрастания стволы деревьев имеют различную длину (7…100 м) и толщину, т.е. диаметр (6…100 см). В отдельных случаях длина ствола может превышать 100 м (секвойя), а диаметр – 3 м (дуб, тополь). По высоте ствол тоже имеет не одинаковую толщину: нижняя часть дерева значительно толще, чем верхняя, и называется комлевой.
Древесина как продукт растительного происхождения по своему строению является слоисто-волокнистым пористым материалом и состоит из многочисленных сросшихся между собой элементарных клеток, разнообразных по форме, размерам, и вытянутых преимущественно вдоль ствола. Все они прочно связаны между собой. Полости клеток могут быть заполнены смолами, камедями (смолистые выделения), тилами (от греч. tylos – вздутия, утолщения), водой. Из клеток образуются сосуды, сердцевинные лучи, древесная масса.
Каждая клетка имеет свою оболочку (стенку). Стенки клеток на 99% состоят из органических соединений: углеводов (70…80%) и лигнина (около 30%). В углеводную часть древесины входят целлюлоза, глюкоза, сахар, гемицеллюлоза. Углеводы и лигнин являются природными высокомолекулярными соединениями (полимерами).
Целлюлоза (от фр. cellulose – клетка, клетушка) является скелетным материалом, имеет волокнистое строение, длинные нити которого соединены между собой множеством водородных связей, что придает ей высокую механическую прочность при сохранении эластичности.
Лигнин (от лат. lignum – дерево, древесина) – аморфное безуглеводное вещество, располагается в клеточных стенках и межклеточном пространстве и скрепляет (цементирует) целлюлозные волокна между собой. В древесине лиственных пород лигнина содержится 18…32%, хвойных – 25…32% и более. Пропитывая оболочки клеток, лигнин и целлюлоза вызывают одревеснение растений. Лигнин придает клеточной оболочке прочность, жесткость и твердость. Одревесневшие клеточные оболочки обладают структурой, которую можно сравнить со структурой железобетона: волокна (микрофибриллы) целлюлозы по своим свойствам соответствуют арматуре, а лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, – бетону (рис. 1).
Рис. 1. Состав древесины: 1 – гемицеллюлоза; 2 – лигнин; 3 – целлюлоза
Небольшую часть древесины (2…4%) составляют экстрактивные вещества и около 1% – минеральные.
Экстрактивные вещества в отличие от углеводов и лигнина являются низкомолекулярными соединениями. В их состав входят смолы, смоляные кислоты, эфирные масла, красители, белки, дубильные вещества и др. Несмотря на незначительное их содержание, они придают древесине цвет, запах, вкус, определяют токсичность, способствуют сопротивлению гниению, поражению грибками и т.д.
Минеральные вещества поступают в древесину из почвы через корневую систему и проводящие ткани и состоят преимущественно из солей кальция и магния. При сгорании древесины они превращаются в золу, наибольшее количество которой получается из коры и листьев.
Клетки древесины определенным образом группируются и вместе с другими структурными элементами (сосудами, сердцевинными лучами, смоляными ходами) формируют ее микро- и макроструктуру. Последняя представлена годичными кольцами, сердцевинными (древесинными) лучами, наличием сучков, наростов и неразвившихся побегов.
Рис. 2. Строение древесины: а – главные разрезы и основные части ствола дерева: П – поперечный (торцовый); Р – радиальный; Т – тангенциальный; 1 – кора; 2 – камбий; 3 – заболонь; 4 – сердцевина; 5 – ядро; б – микроструктура сосны: 1 – годовой слой; 2 – сердцевинный луч; 3 – вертикальный смоляной ход; в, г – структура древесины при увеличении в 750 раз
Строение древесины изучают по трем основным разрезам ствола (рис. 2):
· поперечный, или торцовый, – по плоскости, перпендикулярной оси ствола и направлению волокон;
· радиальный – продольный, проходящий через сердцевину по радиусу ствола (вдоль сердцевинных лучей);
· тангенциальный – проходящий вдоль ствола на некотором расстоянии от сердцевины касательно к годичным слоям (перпендикулярно сердцевинным лучам и радиусу ствола).
Древесина, распиленная в разных направлениях, имеет различную текстуру (рисунок) и отличается качественными характеристиками.
По сечению от периферии к центру в составе ствола дерева различают кору, луб (волокнистая ткань), камбий и собственно древесину, состоящую из заболони, ядра и сердцевины (рис. 3).
Рис. 3. Поперечный разрез ствола дерева: 1 – сердцевина; 2 – ядро; 3 – заболонь; 4 – камбий; 5 – луб; 6 – кора
Луб и камбий расположены под корой и представляют собой очень тонкие (невидимые невооруженным глазом) слизистые слои. Они состоят из живых клеток, за счет деления которых и происходит рост дерева. Деление клеток камбиального слоя начинается весной и заканчивается осенью. Зимой камбий бездействует. Этим обусловлено слоистое строение ствола дерева.
Ежегодно нарастающие слои новых клеток весенней и летней древесины образуют годовые (годичные) слои (кольца). По числу годовых слоев на срезе у корневой шейки можно установить возраст дерева. При этом ширина этих слоев разная и зависит от породы, возраста, условий произрастания дерева и колеблется от 1 мм (самшит) до 10 мм и более (липа, тополь). В благоприятных условиях произрастания у молодых деревьев с освещенной стороны ширина годовых слоев всегда больше. У деревьев влажных тропических лесов годовые кольца отсутствуют.
Дерево растет в основном весной, летом и осенью при температуре не ниже 2 °С. При росте дерева клетки откладываются как в сторону сердцевины, так и коры, но в сторону сердцевины в 10 раз больше. Более интенсивно дерево растет весной. Весенние клетки более крупные, рыхлые и светлые. Затем рост дерева замедляется, летние и осенние клетки формируются более мелкими, плотными и темными. Поэтому годовое кольцо (вегетационный период образования) состоит, как правило, из двух слоев древесины по времени их образования, т.е. ранней (светлой) и поздней (темной). Они отличаются не только окраской, но и плотностью, прочностью и другими свойствами.
Древесина внутреннего слоя (ранняя), обращенного в сторону сердцевины, – более светлая, рыхлая, легкая и менее прочная. Наружная часть древесины (поздняя), обращенная в сторону коры, – более темная, плотная, тяжелая и прочная. Прочность поздней древесины в 2–3 раза выше, чем ранней (например, у дуба она равна соответственно 180 и 70 МПа). Поэтому от соотношения содержания поздней и ранней древесины в годовых слоях зависит ее прочность и другие технические характеристики, которые учитываются при проектировании и изготовлении деревянных конструкций. Например, для несущих элементов деревянных конструкций используется древесина, ширина годичных слоев в которой должна быть не более 5 мм, а содержание в них поздней древесины – не менее 20%.
Сердцевина находится внутри первого годичного слоя и обычно более или менее смещена от геометрического центра. Она состоит из слабо связанных между собой клеток, которые образуют с древесиной первых лет роста дерева сердцевинную трубку диаметром 2…5 мм. У хвойных пород сердцевинная трубка меньше, чем у лиственных. В комлевой (нижней) части ствола наименьший диаметр, а к кроне он постепенно увеличивается. Форма сердцевинной трубки тоже различная в зависимости от породы дерева. У одних пород она имеет овальную или округлую форму, у других – треугольную (ольха), четырех- и пятиугольную (ясень и тополь) и звездчатую (дуб).
На поперечном разрезе ствола дерева сердцевина имеет вид темного пятнышка. В жизнедеятельности дерева она участвует только в молодом возрасте. Во взрослом дереве она является мертвым образованием – мягкая, непрочная, легко подвергается загниванию и образованию трещин. Поэтому при изготовлении изделий из древесины сердцевину, как правило, предварительно удаляют.
В процессе роста дерева стенки клеток древесины внутренней части ствола, примыкающей к сердцевине, постепенно изменяют свой состав и пропитываются у хвойных пород смолой, а у лиственных – дубильными веществами. Движение влаги и питательных веществ в древесине этой части ствола практически прекращается, и живые клетки отмирают. Древесина становится более плотной, твердой, прочной и менее способной к загниванию. Эту часть ствола у некоторых пород называют ядром, у других – спелой древесиной. Ядро начинает формироваться, как правило, в возрасте около 20 лет: у сосны – в возрасте примерно 30…35 лет, акации – 3…5 лет.
Часть более молодой древесины ствола, которая располагается между камбием и ядром (спелой древесиной), называют заболонью. Обычно она светлее ядра, но не всегда от него отличима. Заболонь содержит преимущественно живые клетки, по которым от корней к кроне перемещается влага с растворенными в ней питательными веществами.
Объем заболони зависит от объема дерева, его возраста и физиологического состояния. С возрастом ее объем уменьшается. У некоторых пород, например дуба, она почти не изменяется. Заболонь в отличие от ядровой древесины более рыхлая, мягкая, светлая, но и менее прочная и стойкая к гниению. В ней содержится меньше дубильных, красящих (в лиственных породах) и смолистых (в хвойных) веществ, что и определяет ее свойства и внешний вид. Соотношение в стволе содержания ядровой и заболонной древесины определяет свойства (технические характеристики) как самой древесины, так и готовых изделий из нее. Чем больше древесины содержится в ядровой части, тем более прочной и биостойкой будет в целом.
Породы деревьев, древесина которых состоит из заболони и ядра, называются ядровыми, а породы, не имеющие ядровой древесины, – заболонными или безъядровыми (рис. 4). К ядровым породам относятся сосна, лиственница, дуб, ясень, тополь, яблоня и др. У заболонных пород древесина центральной и периферической частей ствола одинакова по цвету и содержанию влаги. К таким породам относятся береза, ольха, осина, клен, липа и др.
В древесине всех пород в поперечном к стволу направлении располагаются сердцевинные лучи. Они служат для перемещения и создания запаса влаги и питательных веществ на зимнее время. Ширина сердцевинных лучей составляет 0,005…1 мм в зависимости от породы дерева. У хвойных они видны только под микроскопом и занимают 5…6% общего объема древесины, у лиственных – до 15%, и по ним древесина легко раскалывается и растрескивается при высыхании. По цвету сердцевинные лучи могут быть окрашены светлее или темнее окружающей древесины, поэтому для многих пород они играют важную роль в создании текстуры.
Рис. 4. Ядровая (а) и заболонная (б) древесина
У древесины большинства хвойных пород имеются также вертикальные и горизонтальные смоляные ходы, по которым движется смола (живица). Больше всего таких ходов содержится у сосны, а более крупных размеров они достигают у кедра. Однако объем смоляных ходов сравнительно невелик (до 0,7% общего объема древесины), и они не оказывают существенного влияния на ее свойства, но заполняющая их смола защищает древесину от повреждения, загнивания и понижает влагопоглощение.
Свойства древесины
Свойства древесины определяются, прежде всего, структурой и составом ее пород. Причем в пределах одной и той же породы ее свойства могут различаться в зависимости от возраста дерева, места и условий произрастания, влажности, способов переработки и многих других факторов. Важнейшими декоративными и эстетическими свойствами древесины являются ее цвет, текстура и блеск.
Цвет древесины является важнейшим диагностическим признаком, служит, как правило, для распознавания породы дерева и изменяется в довольно широких пределах – от светлого у ели до черно-коричневого у черного ореха. Многообразие цветов и оттенков придают древесине в основном красящие, дубильные и смолистые вещества, которые находятся в полостях клеток. Но яркость и колорит могут изменяться под воздействием многих факторов: в зависимости от возраста, условий произрастания, времени после срубки и т.п.
Древесина большинства пород окрашена в желтовато-бурые и красно-коричневые цвета различных оттенков. Почти белый цвет встречается у осины, ели, липы, березы, граба, пихты и черный – у эбенового дерева. Широкий диапазон оттенков имеет грецкий орех. Древесина деревьев умеренного климата всегда светлее или бледнее тех же пород тропической зоны. Изменение цвета древесины может быть вызвано также разрушающими и окрашивающими грибами. При производстве строительных изделий можно изменить цвет древесины путем отбеливания или окрашивания в более темные и яркие цвета.
Текстура древесины – это визуальная характеристика, т.е. естественный рисунок на ее поверхности, образующийся при распиливании (перерезании) слагающих древесину анатомических элементов (волокон, годичных слоев, сердцевинных лучей, крупных сосудов), и зависит, прежде всего, от особенностей строения и направления разреза. Чем сложнее строение древесины, тем разнообразнее ее текстура. Особенно выразительна текстура древесины у лиственных пород: дуба, бука, ореха, клена и др. Хвойные породы, как правило, обладают более однообразной текстурой. Торцовый срез дает концентрические окружности, радиальный – продольные полосы, тангенциальный – извилистые линии (рис. 5).
Рис. 5. Текстура различных разрезов ствола дерева:
1 – поперечного; 2 – радиального; 3 – тангенциального
Текстура определяет декоративную ценность древесины, что особенно важно при изготовлении художественного паркета и других отделочных материалов. Прозрачные лаковые покрытия на поверхности древесины придают текстуре глубину, усиливают ею контраст и выразительность.
Блеск древесины определяется плотностью породы, направлением разреза, наличием сердцевинных лучей, их размерами и характером размещения. Чем крупнее сердцевинные лучи (например, у дуба) и чем плотнее древесина, т.е. чем кучнее расположены сердцевинные лучи (например, у клена), тем значительнее будет блеск древесины.
Плотность древесины влияет на ее свойства и, особенно, прочность. Различают истинную и среднюю плотность древесины. Истинная плотность у всех пород примерно одинаковая и составляет 1,54…1,56 г/см3, поскольку древесина состоит в основном из одного вещества – целлюлозы. Средняя плотность древесины разных пород изменяется в довольно широких пределах: от 150 кг/м3 (бальза, или бальзовое дерево) до 1300 кг/м3 (бакаут, или железное дерево). Однако для наиболее широко применяемых в строительстве пород она составляет от 450 кг/м3 (у ели) до 700 кг/м3(у дуба).
Пористость древесины связана с ее плотностью и изменяется в пределах 30…80%, т.е. практически большую часть объема древесины занимают поры.
Влажность древесины растущего дерева может составлять 35…115%. Различают гигроскопическую влагу в древесине – связанную в стенках клеток, капиллярную, или свободную, – заполняющую полости клеток, сосуды и межклеточное пространство, и полную – арифметическую сумму гигроскопической и капиллярной влаги. Влагу, входящую в химический состав веществ, образующих древесину, называют химически связанной.
Гигроскопическая влажность (может достигать 30…35%) удерживается в стенках клеток физико-химическими связями и не может быть выдавлена при распиле древесины. Состояние древесины, при котором объем гигроскопической влаги максимально возможен, а свободной влаги нет, называется пределом насыщения и для большинства пород находится в пределах 23…31%. Изменение гигроскопичной влажности приводит к усушке, разбуханию, короблению и изменению прочностных характеристик древесины.
Капиллярная (свободная) влага начинает появляться в древесине при влажности более 30% и практически не оказывает влияния на линейные параметры, но изменяет плотность, тепло- и электропроводность, прочность и другие показатели.
Полная влажность может значительно превышать 35% и достигать у свежесрубленного дерева 120% (30…50% в ядровой части и до 180% в заболонной части), а при выдерживании в воде (мокрая древесина) – 200% и более (максимально 260%). Древесина, которая содержит только связанную влагу, принято называть влажной. Древесину, содержащую связанную и свободную влагу, называют сырой (например, свежесрубленная древесина).
При длительном нахождении влажной древесины на воздухе она постепенно высыхает и достигает равновесного состояния. Такую древесину называют воздушно-сухой. Ее влажность составляет 15…18%. Равновесная влажность комнатно-сухой древесины – 8…12%. Именно до такой влажности необходимо сушить паркетную клепку, древесину, идущую на изготовление столярных изделий, и т.п. Для сопоставления свойств древесины, определяемых при различной влажности, их приводят затем к условной стандартной влажности, равной 12%. Древесину с влажностью 0% называют абсолютно сухой. В строительных целях разрешается применять древесину с влажностью не более 20%.
При высыхании сырой древесины сначала испаряется капиллярная влага. В естественных условиях (атмосферной сушки) для этого потребуется около 1 мес. После полного удаления капиллярной влаги начинает удаляться гигроскопическая влага, на что потребуется около 1 года. Изменение гигроскопической влажности древесины влечет за собой изменение линейных размеров пиломатериалов.
Усушка древесины – это уменьшение линейных размеров и объема древесины при высыхании. Усушка начинается после полного удаления свободной влаги и с началом удаления связанной влаги. В различных направлениях срезов ствола полная усушка древесины (от свежесрубленного до абсолютно сухого состояния) неодинакова и в зависимости от породы дерева составляет: линейная усушка – 0,1…0,3% (1…3 мм на длине 1 м), в радиальном направлении – 3…6% и в тангенциальном – 7…12% (7…12 см на 1 м). Однако не все породы древесины в одинаковой мере подвержены усушке. К мало усыхающим относятся ель и лиственница, к сильно усыхающим – дуб, липа, вяз, ольха, клен.
Деформации разбухания аналогичны деформациям усушки, но противоположны по знаку. Разбухание древесины происходит при поглощении влаги до предела гигроскопичности. Увеличение содержания свободной влаги не вызывает разбухания. Поглощение влаги и ее испарение происходит в основном через торцевые поверхности, поэтому бревна растрескиваются чаще всего по торцам. Усушка и разбухание учитываются при изготовлении элементов деревянных конструкций.
Неравномерность деформаций усушки и разбухания в разных направлениях сопровождается возникновением внутренних напряжений и является основной причиной растрескивания и коробления пиломатериалов и изделий.
Коробление может быть поперечным и продольным. Поперечное коробление выражается в изменении формы сечения пиломатериалов. Происходит из-за разницы усушки в радиальном и тангенциальном направлениях. У сердцевинных досок уменьшаются размеры к кромкам. Доски, у которых внешняя часть расположена ближе к тангенциальному направлению, усыхают больше, чем внутренние, имеющие радиальное направление. Для предотвращения коробления пиломатериалов необходима правильная их укладка, хранение и сушка до равновесной влажности, которую она будет иметь в условиях эксплуатации.
Теплопроводность древесины зависит от пористости, плотности, породы дерева, направления волокон, влажности и температуры. В среднем теплопроводность древесины составляет 0,16…0,30 Вт/(м · К). Однако вследствие анизотропности строения теплопроводность древесины вдоль волокон почти в 2 раза выше, чем поперек, например для сосны соответственно 0,35 и 0,17 Вт/(м · К). Она также выше в радиальном направлении по отношению к тангенциальному.
Прочность древесины характеризуется пределами прочности при сжатии, растяжении, статическом изгибе и скалывании и зависит прежде всего от ее плотности, пористости, содержания поздней древесины, наличия пороков, влажности, направления приложения механических сил и других факторов. Ввиду анизотропности и волокнистого строения прочностные показатели древесины в разных направлениях значительно отличаются друг от друга. Например, прочность древесины при сжатии вдоль волокон в 4–6 раз больше, чем поперек, и составляет для сосны соответственно 100 и 20…25 МПа.
Прочность на растяжение вдоль волокон для различных пород дерева находится в пределах 80…190 МПа, а поперек волокон – 2…10 МПа. Сопротивление статическому изгибу различных пород – 50…100 МПа. Прочность древесины на скалывание поперек волокон составляет 24…40 МПа, в то время как вдоль волокон – лишь 6…13 МПа. Коэффициент конструктивного качества древесины при растяжении вдоль волокон (предел прочности, отнесенный к единице массы) примерно в 40 раз больше, чем у стали, а при сжатии – в 3–4 раза.
В зависимости от прочности, жесткости и плотности древесина несущего назначения подразделяется на классы: тополь и хвойные породы – классы С 14; С16; С18; С 20; С 22; С 24; С 27; С 30; С 35; С 40; С 45; С 50; лиственные породы – D 30; D 35; D 40; D 50; D 60; D 70. Номер класса указывает на значение прочности при изгибе (СТБ ЕN 338).
Твердость древесины определяет ее износостойкость и способность к механической обработке. Чем выше твердость древесины, тем лучше изделия противостоят износу и тем труднее она обрабатывается. Твердость зависит от многих факторов: породы дерева, места произрастания, времени заготовки, плотности, влажности, содержания в годичных слоях поздней древесины и неодинакова по всем направлениям. Например, твердость торцовой поверхности у лиственных пород выше радиальной и тангенциальной примерно на 30%, у хвойных – на 40%. По степени твердости (СТБ 1870) породы подразделяются на мягкие, статическая торцовая твердость которых составляет 49 Н/мм2 и менее (сосна, ель осина, ольха, липа и др.), и твердые – 50 Н/мм2 и более (дуб, клен, ясень). Твердость является особенно важной характеристикой качества древесины, применяемой для покрытия пола.
Важными свойствами древесины как строительного материала являются также жесткость, деформативность, модуль упругости, коэффициент конструктивного качества и др. Однако качество или сортность древесины, в отличие от некоторых других видов строительных материалов, устанавливают не по прочностным показателям, а по допускаемым порокам.