Лесопиломатериалы
Древесина как строительный материал обладает рядом положительных свойств: относительно высокой прочностью, небольшой плотностью, малой теплопроводностью, легко поддается механической обработке. Вместе с тем древесина имеет и ряд недостатков: анизотропность древесины обусловливает различные показатели прочности и теплопроводности вдоль и поперек волокон; гигроскопичность приводит к изменению свойств; древесина подвержена загниванию и легко воспламеняется. Современная технология обработки древесины позволяет в значительной мере снизить указанные недостатки.
В настоящее время эффективно используются и отходы древесины: из опилок и стружек наряду с фибролитовыми и ксилолитовыми изделиями изготавливают с применением различных органических клеев прессованные плиты, доски и т. д. На передовых деревообрабатывающих комбинатах коэффициент использования древесного сырья достигает 0,98. Кроме того, древесину используют для производства целлюлозы, этилового и бутилового спиртов, бумаги, картона, органических кислот, канифоли и других продуктов. Поэтому экономное расходование древесины в строительстве является очень важной задачей.
Строение дерева
Дерево состоит из ствола, кроны и корней. Корни предназначены для укрепления дерева в грунте, для всасывания влаги и растворенных в ней минеральных веществ и подачи их к стволу. Ствол удерживает крону и служит для перемещения воды и питательных веществ от корней через ветви к листьям, а от листьев обратно к корням. Строение древесины, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении, называется макроструктурой, а видимое под сильным увеличением (микроскопом) – микроструктурой.
Макроструктуру древесиныизучают по трем разрезам ствола дерева: поперечному, радиальному продольному (по диаметру или радиусу) и тангентальному продольному (по хорде). В поперечном и радиальном разрезах ствола различают следующие основные части: кору, луб, камбий, древесину и сердцевину.
Коразащищает дерево от механических повреждений. Она состоит из наружного слоя – корки и внутреннего луба.
Луб -тонкий внутренний слой коры, он предназначен для передачи питательных веществ из кроны дерева вниз; в нем откладываются запасы этих веществ.
Камбий -тонкий жизнедеятельный слой ткани, располагающийся за лубом. В слое камбия к центру дерева откалываются клетки древесины, а в сторону луба – лубяные клетки. Каждая клетка камбия при размножении делится на две, одна из которых, более тонкостенная, откладывается к внешней стороне ствола, другая, толстостенная, одеревеневшая клетка располагается по направлению к сердцевине. Весной камбий образует широкие клетки с тонкой оболочкой, так называемую весеннюю древесину. Во второй половине вегетационного периода, когда дерево нагружено развивающимися побегами и листьями, камбий образует толстостенные сплюснутые клетки, которые выполняют механические функции и составляют главную часть летней древесины. Образовавшиеся в течение вегетационного периода слои называют годичными. У некоторых пород, например дуба, они хорошо видны на торцовом разрезе. Находящийся за камбием толстый слой древесины состоит из ряда тонких концентрических слоев.
Древесинаобычно имеет светлую окраску, но у некоторых пород непосредственно к сердцевинной трубке прилегает более темная древесина, называемая ядром, или мертвой древесиной. От ядра к внешней части ствола располагается светлоокрашенная древесина – заболонь (или оболонь). Древесные породы с темной центральной частью называют ядровыми (дуб, кедр, сосна), а породы, у которых центральная часть имеет свойства ядра, но по цвету не отличается от периферийной части, именуют спелодревесными (ель, пихта, бук). У растущего дерева заболонь состоит преимущественно из живых клеток.
Сердцевинарасположена вдоль всего ствола в его центральной части. Она состоит из клеток с тонкими стенками. Сердцевина и образовавшиеся в первый год роста побеги образуют сердцевинную трубку. Эта часть ствола является наиболее слабой, она плохо противостоит загниванию. Питательные вещества в поперечном направлении – от коры к сердцевине – проходят по сердцевинным лучам.
В зависимости от условий роста годовые слои бывают различной ширины даже у деревьев одной и той же породы. Однако ширина годового слоя не так существенно отражается на свойствах древесины, как процентное содержание в ней поздней древесины; с его увеличением прочность древесины возрастает.
Перемещение влаги в древесине лиственных пород происходит по сосудам, расположенным вдоль ствола. В некоторых лиственных породах (дуб, ясень, вяз) имеются крупные и мелкие сосуды: крупные сосуды располагаются в ранней части годового слоя, а мелкие собраны в группы или распределены равномерно по всей площади поздней древесины. Такие породы называют кольце-сосудистыми.В некоторых лиственных породах (береза, осина, липа) крупных сосудов нет и различия между ранней и поздней частями годового слоя не наблюдаются. Эти породы называют рассеянно-сосудисты-ми.Деревья хвойных пород сосудов не имеют, они состоят из замкнутых удлиненных клеток – трахеид. У большинства хвойных пород между трахеидами в поздней части годового слоя находятся смоляные ходы – межклеточные пространства, заполненные смолой. Кроме годовых колец на поперечном разрезе видны узкие полосы, направленные по радиусам и называемые сердцевидными лучами. На радиальном разрезе дуба они имеют вид относительно широких лент.
Микроструктура древесинысостоит из большого количества живых и отмерших клеток различных размеров и форм.
Живая клетка имеет протоплазму, ядро, оболочку и клеточный сок.
Протоплазма представляет собой зернистую, прозрачную, тягучую слизь (растительный белок), состоящую из углерода, водорода, кислорода, азота и серы. Ядро от протоплазмы отличается лишь наличием фосфора, оно обычно имеет овальную форму. Оболочка клетки состоит в основном из целлюлозы или клетчатки. По мере роста клетки оболочка претерпевает различные изменения в строении и составе, в результате чего происходит ее одеревенение, опробование или ослизнение. При одеревенениив оболочке клетки образуется вещество лигнин, в результате чего увеличиваются твердость и прочность клетки. При опробкованиив оболочке клетки образуются вещества с меньшим содержанием кислорода, чем лигнин, в связи с чем клетка хорошо противостоит гниению и становится непроницаемой для воды и газов. Ослизнениесопровождается превращением всей оболочки или ее части в слизь, которая растворяется в воде. Если ослизняется часть оболочки, то создаются отверстия, которыми клетки соединяются между собой, образуя сосуды.
По назначению различают клетки проводящие, механические и запасающие. Проводящие клетки служат в основном для передачи питательных веществ от корней к ветвям и листьям. Механические клетки имеют вытянутую форму, толстые стенки и узкие внутренние полости, которые плотно соединены между собой. Эти клетки в основном придают древесине высокую прочность. Запасающие клетки находятся большей частью в сердцевинных лучах и служат для хранения и передачи питательных веществ живым клеткам в горизонтальном направлении.
Свойства древесины
Древесина обладает весьма разнообразными свойствами. Наиболее полно они раскрываются при изучении физических и механических свойств древесины.
Физические свойства древесины.На свойства древесины большое влияние оказывает влажность.Воду, находящуюся в древесине, делят на три вида: капиллярную (или свободную), гигроскопическую и химически связанную. Капиллярная вода заполняет в древесине полости клеток, межклеточные пространства и сосуды. Гигроскопическая вода находится в стенках клеток. Химически связанная вода входит в химический состав веществ, образующих древесину. Основную массу воды в растущем дереве составляет капиллярная и гигроскопическая или только гигроскопическая вода. Состояние древесины, в которой отсутствует капиллярная вода и содержится только гигроскопическая, называется точкой насыщения волокон. В древесине разных пород она составляет 23–35 %. При высыхании древесины влага постепенно испаряется с поверхности наружных слоев, а влага, оставшаяся в древесине, передвигается от внутренних слоев к наружным. По степени влажности различают древесину: мокрую, свежесрубленную (влажность 35 % и выше), воздушно-сухую (влажность 15–20 %) и комнатно-сухую (влажность 8-12 %).
Гигроскопичностьюдревесины называют свойство ее поглощать из воздуха парообразную воду. Степень поглощения зависит от температуры воздуха и его относительной влажности.
Равновесной называют влажность, которую имеет древесина при продолжительном нахождении на воздухе с постоянной относительной влажностью и температурой. Равновесная влажность комнатно-сухой древесины составляет 8-12 %, поэтому до такой влажности высушивают паркетную клепку и древесину, используемую в помещениях. Влажная древесина отдает влагу окружающему воздуху, а сухая поглощает ее. Поскольку влажность воздуха не постоянна, влажность древесины также меняется – изменение влажности древесины от нуля до точки насыщения волокон вызывает изменение объема древесины. Последнее приводит к разбуханию и усушке, короблению древесины, появлению трещин. Для уменьшения гигроскопичности и водопоглощения древесину покрывают лакокрасочными материалами или пропитывают различными веществами. Плотность древесины зависит от объема пор и влажности и характеризует ее физико-механические свойства (прочность, теплопроводность, водопоглощение). Показатель плотности используют при определении коэффициента качества, который находят отношением предела прочности при сжатии к плотности. У сосны он равен 0,6, а у дуба – 0,57. Пористость древесины хвойных пород колеблется от 46 до 85 %, лиственных – от 32 до 80 %.
Усушкойдревесины называют уменьшение ее линейных размеров и объема при высыхании. Испарение капиллярной воды не сопровождается усушкой, она происходит только при испарении гигроскопической влаги. При этом уменьшается толщина водных оболочек, мицеллы сближаются друг с другом и уменьшаются размеры древесины. Ввиду неоднородности строения древесина усыхает или разбухает в различных направлениях не одинаково. Линейная усушка вдоль волокон составляет 0,1–0,3 %, в радиальном направлении – 3–6 %, а в тангентальном – 7-12 %.
Свойство неравномерного изменения линейных размеровв различных направлениях является одним из отрицательных свойств дерева как строительного материала. Медленное высыхание древесины обеспечивает более равномерную усушку и дает меньше трещин. Неравномерная усушка древесины в различных направлениях вызывает различные напряжения, в связи с чем древесина коробится и покрывается трещинами. В круглом бревне трещины располагаются радиально. Доски, вырезанные ближе к сердцевине ствола, коробятся меньше, чем доски, выпиленные ближе к поверхности бревна.
Набуханиемназывают способность древесины увеличивать свои размеры и объем при поглощении воды, пропитывающей оболочки клеток. Древесина разбухает при поглощении влаги до точки насыщения волокон. Набухание, как и усушка, не одинаково в разных направлениях. Вдоль волокон оно составляет 0,1–0,8 %, тогда как в радиальном направлении – 3–5 %, а в тангентальном – 6-12 %.
Водопроницаемостьдревесины зависит от породы дерева, первоначальной влажности, характера разреза (торцевого, радиального, тангентального), местоположения древесины в стволе (ядро, заболонь), ширины годичных слоев, возраста древесины. Водопроницаемость вдоль волокон больше, чем через радиальную и тангентальную поверхности. Характеризуется водопроницаемость древесины количеством воды, профильтровавшейся через поверхность образца (г/см ).
Теплопроводностьдревесины невелика, она зависит от характера пористости, влажности, направления волокон, породы и плотности дерева, а также от температуры. Теплопроводность древесины вдоль волокон примерно в 1,8 раза больше, чем поперек волокон. В среднем она составляет 0,16-0,30 Вт/(м °С). С увеличением плотности и влажности уменьшается количество воздуха, находящегося в пустотах, в связи с чем теплопроводность древесины увеличивается.
Электропроводностьдревесины зависит от ее влажности. Электрическое сопротивление сухой древесины в среднем составляет 75-107 Ом см, а сырой – в 10 раз меньше. Древесину используют при электропроводке в качестве досок, розеток и т. д.
Стойкость древесины к действию кислот, щелочей и воды. Длительное действие кислот и щелочей разрушает древесину, и чем выше концентрация, тем сильнее их разрушающее действие. Слабощелочные растворы не разрушают древесину. В кислой среде древесина начинает разрушаться при рН<2, тогда как разрушение бетона и стали начинается при рН<4. Хвойные породы считаются более стойкими к действию серной, азотной, соляной и уксусной кислот и едкого натра, чем лиственные, а из хвойных пород наибольшей стойкостью обладает лиственница. В морской воде древесина сохраняется хуже, чем в речной. В воде большой бактериологической агрессивности стойкость древесины низка, поэтому ее не применяют в сетях канализации.
Механические свойствадревесины как анизотропного материала не одинаковы в различных направлениях. Они зависят от многих факторов: с увеличением влажности прочность древесины снижается; древесина большой плотности имеет более высокую прочность; на прочность древесины влияют процент поздней древесины, наличие пороков, гнили, старение.
Прочность древесины при сжатии. Усилия к конструктивному элементу могут быть приложены с учетом строения древесины вдоль или поперек волокон, поэтому соответствующим образом различают и сжатие древесины. Для испытания на сжатие вдоль волокон берут образцы древесины без сучков в виде прямоугольной призмы размером 20x20x30 мм при размере древесины не менее 30 мм вдоль волокон и испытывают на прессе.
Предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон с влажностью 12 % в зависимости от породы дерева меняется в широких пределах – от 30 до 80 МПа. Предел прочности древесины при сжатии поперек волокон значительно меньше, чем при сжатии вдоль волокон, и составляет: в радиальном направлении для пихты – 4,1 МПа, граба – 25,6 МПа, а в тангентальном для ели – 7,1 МПа, граба – 15,6 МПа.
Прочность древесины на растяжение.Древесина имеет высокий показатель прочности на растяжение вдоль волокон. Для основных пород эта величина меняется от 80 до 190 МПа. Однако трудность передачи усилий, заключающаяся в том, что в закрепленных концах деревянной детали возникают напряжения смятия и скалывания, которым древесина сопротивляется плохо, не позволяет широко использовать древесину в конструкциях, работающих на растяжение.
Прочность древесины на статический изгибдостаточно высока, благодаря чему ее часто применяют для элементов зданий и сооружений, работающих на изгиб (балки, бруски, стропила, фермы и т. д.). Предел прочности древесины на изгиб должен быть приведен к влажности 12 %. У лиственных пород прочность при изгибе в радиальном и тангентальном направлениях практически одинакова, а у хвойных прочность в тангентальном направлении немного больше, чем в радиальном. Прочность на статический изгиб зависит от тех же факторов, что и прочность при сжатии.
Прочность древесины на скалываниевдоль волокон невысокая – 6,5-14,5 МПа. Сопротивление перерезыванию древесины поперек волокон в 3–4 раза выше сопротивления скалыванию вдоль волокон, но чистый срез обычно не имеет места, так как одновременно происходит смятие и изгиб волокон. В строительных конструкциях древесина часто работает на скалывание вдоль волокон, например в стропильных фермах и других элементах конструкций.
Пороки древесины
Пороками древесины называют отклонения от нормального строения, а также повреждения, которые оказывают влияние на ее технические свойства. Пороки появляются как при росте дерева, так и при хранении на складах и во время эксплуатации. В зависимости от причин их появления пороки делят на следующие группы: пороки, зависящие от неправильного строения, образовавшиеся от механического повреждения; от грибковых заболеваний; от повреждений насекомыми.
Пороки, зависящие от неправильного ростадревесины, следующие:
– косослой древесины выражается в винтообразном направлении волокон, что значительно ухудшает физико-механические свойства древесины. Косослойная древесина имеет повышенную усушку, продольное коробление и понижает прочность древесины при изгибе;
– крень однобокая и местная встречается у хвойных пород и представляет собой утолщение поздней части годовых слоев; кривизна, представляющая собой искривление ствола по длине, бывает односторонней и разносторонней, причем ствол может быть искривлен в одной или разных плоскостях. Кривизна уменьшает полезный выход продукции и является причиной искусственного косослоя;
– сбежистость представляет собой уменьшение диаметра ствола от корня к вершине, превышающее норму; сбежистость является причиной искусственного слоя и уменьшает полезный выход продукции; двойная сердцевина, характеризуемая наличием двух сердцевин в торцовом сечении ствола, снижает качество древесины;
– сучковатость выражается количеством сучков на 1 м, а также величиной и видами самих сучков; сучки бывают заросшие, выпадающие, рыхлые, роговые, табачные и др., а также здоровые и загнившие (например, табачные являются очагами загнивания здоровой древесины).