Строение и свойства древесины
|
Древесиной называют освобожденную от коры ткань волокон ствола дерева. Структура древесины. Древесина характеризуется слоистоволокнистым строением и состоит из клеток (рис. 12.1, 12.2), которые имеют различную форму, величину и назначение. Так, 90-95% древесины хвойных пород составляют трахеиды - направленные вдоль ствола пустотелые клетки длиной 2-5 мм и шириной 30-70 мм, проводящие при жизни дерева воду и растворы от корня к кроне. Оболочку клеток образуют преимущественно клетчатка или целлюлоза (С6Н10О5) - главный компонент несущего остова дерева. В состав клеточных стенок и межклеточного вещества входят также полисахариды - лигнин и гемицелюлоза - сложные органические соединения, по составу близкие к целлюлозе. Обычно древесина включает 40-50% целлюлозы, 20-30% лигнина и 15-30% гемицелюлозы, 1-3% приходится на сопутствующие компоненты (смолы, масла, дубильные вещества и пр.).  Элементарный средний химический состав древесины практически одинаков для всех пород: 49,5% углерода, 44,08% кислорода, 0,12% азота и 6,3% водорода. Минеральные вещества, которые дают при сгорании древесины золу, составляют 0,2-1,7%. Древесина является главной и наиболее емкой по массе частью ствола (рис. 12.3). Кроме нее, приблизительно в центре ствола находится сердцевинная трубка, имеющая обычно диаметр 2-5 мм. Это наиболее слабая, легко поддающаяся загниванию, часть ствола. Древесина снаружи покрыта корой, защищающей дерево от атмосферных и внешних механических действий. Кора включает два слоя: внешний - корку, выполняющую защитную функцию и внутренний - луб, активно участвующий в движении питательных веществ в дереве. На границе между лубом и древесиной находится тонкий слой клеток, способных к делению и росту, называемый камбием. Камбий вызывает прирост массы древесины и коры. Древесину в зависимости от особенностей макроструктуры делят на три группы - ядровую, спелодревесную и заболонную. Древесина ядровых пород (сосна, кедр, лиственница, дуб, ясень, тополь и пр.) имеет более темную окраску центральной части - ядра и более светлую периферийной части - заболони. В раннем возрасте древесина всех пород слагается только из заболони. Ядро образуется, например, у сосны в возрасте 30-35 лет, у дуба - в 8-12 лет. Оно состоит из отмерших клеток, пропитанных и закупоренных отложениями смолы, углекислого кальция, дубильных и других веществ. Ядро имеет повышенную плотность и устойчивость против загнивания.  Если центральная часть древесины имеет одинаковый цвет с периферийной и отличается только меньшей влажностью, она называется не ядром, а спелой древесиной. В группу спелодревесных пород входят ель, пихта, бук, липа, осина и пр. Спелая древесина, так же как и ядро, является более плотной частью ствола и не принимает участия в сокопроводящей сети. Заболонь состоит из более молодых клеток и предназначена для движения влаги с растворенными в ней минеральными веществами. С возрастом заболонь постепенно переходит в ядро или спелую древесину. При одинаковой влажности заболонная древесина по многим механическим свойствам приближается к ядровой. Устойчивость ее против загнивания меньше, но она легче пропитывается антисептическими веществами. К заболонным лесным породам, которые практически имеют одинаковую по окраске и влажности древесину как в центре, так и на периферии, относятся кедр, ольха, граб и пр.  Древесина состоит из отдельных годовых слоев, которые различаются невооруженным глазом во многих породах и в особенности хвойных. На поперечном разрезе ствола эти слои имеют вид концентрических колец, окружающих сердцевину. Годовые слои включают две части - раннюю и позднюю древесину. Ранняя древесина образуется весной, она светлее и мягче чем поздняя, образуемая только в конце лета. В особенности сильно ощущается это различие у хвойных пород. Состав поздней древесины в значительной мере определяет физико-механические свойства древесины в целом. В поздней древесине хвойных пород сосредоточены смоляные ходы. Смола, заполняющая их, уменьшает водопоглощение древесины, увеличивает устойчивость ее к загниванию. Для всех пород древесины характерно наличие лучей - линий, которые радиально расходятся к коре непосредственно от сердцевины или на некотором отдалении от нее. Они служат для проведения водных растворов питательных веществ в горизонтальном направлении. Древесина легко раскалывается по сердцевинным лучам и дает трещины при усушке, так как клетки, которые входят в них, связаны между собой сравнительно слабо. В древесине лиственных пород, кроме сердцевинных лучей, ослабленными элементами структуры являются сосуды - трубчатые образования клеток диаметром 0,1-0,4 мм и длиной обычно до 10 см, направленные вдоль ствола. Пороки древесины. К порокам древесины относят дефекты ее строения, нарушения целостности, повреждения и болезни, то есть недостатки, которые снижают качество лесоматериалов (рис. 12.4, 12.5). Согласно действующей классификации все пороки древесины делятся на группы: сучки, грибные поражения и гнили, химические окраски, повреждения насекомыми, деформации, трещины, дефекты формы ствола, раны, ненормальные отложения и др.  Основным сортоопределяющим пороком древесины является сучковатость. Отрицательное влияние сучков заключается в ухудшении механических свойств древесины вследствие нарушения однородности и искривления волокон. Сучки мешают также обработке древесины, а в некоторых случаях сопровождаются внутренней гнилью. В характеристике сучковатости древесины указывается вид сучков (форма, степень зарастания, состояние древесины), их размеры и число. Гниение древесины сказывается в постепенном изменении ее цвета, уменьшении средней плотности и прочности. Гнили вызываются развитием в древесине простейших растительных организмов-грибов. Грибы, которые поражают древесину, не содержат хлорофилл и не могут сами синтезировать органические вещества. Вследствие этого они вынуждены питаться готовыми органическими соединениями, которые грибы берут из живых или отмерших растений.  Развитие грибов в древесине происходит только при определенной влажности (обычно 25-70%) и температуре воздуха в среднем от 5 до 25°С. В воде загнивания не происходит, так как прекращается доступ кислорода, необходимого для жизнедеятельности грибов. Развитие грибов прекращается также при температуре ниже 0°С и выше 40-45°С. Химизм гниения древесины состоит в ее разложении с выделением свободного углекислого газа и воды. Различают деструктивную и коррозийную гниль. Первую порождают грибы, которые разрушают клетчатку умершей древесины, причиной второй являются лесные грибы, паразитирущие на живой древесине и питающиеся, главным образом, лигнином. Деструктивная гниль характеризуется призматическим растрескиванием и потемнением древесины, а коррозийная сопровождается расслоением дерева по годовым кольцам с окраской его в бурые и коричневые цвета. Наряду с дереворазрушающими есть группа деревоокрашивающих грибов, которые придают древесине разнообразные окраски и почти не ухудшают ее физико-механических свойств. Разновидностью окрасок древесины является плесень, которая встречается на сырой заболони всех пород и вызывается, в основном, плодоношениями. Повреждения древесины насекомыми носят название червоточин. Главную массу насекомых-вредителей древесины составляют различные виды жуков (короеды, дубоеды, точильщики и пр.). В морях древесину поражают некоторые моллюски или ракообразные (морской шашень, морской рачок, мокрица и др.). По степени повреждения древесины устанавливают разновидность червоточин (поверхностная - до 3 мм, неглубокая - до 5 мм, глубокая (трухлявая) - больше 5 мм) - и подсчитывают число отверстий. Деформации и растрескивание - группа пороков, являющихся следствием изменения формы или нарушения плотности древесины. Они возникают под действием значительных внутренних напряжений, которые образуются в процессе роста деревьев, при резком изменении температур, неравномерном удалении влаги. Трещины (рис. 12.5) различают метиковые, отлупные и морозные, образующиеся в молодом дереве и трещины высыхания, которые возникают в срубленной древесине. Метиковые трещины имеют радиальное направление и наблюдаются только на торцах, поскольку начинаются от сердцевины и не доходят до коры. Отлупные трещины также являются внутренними, но они идут по годовым слоям перпендикулярно радиусу. В отличие от метика и отлупа, морозные трещины и трещины высыхания представляют собой внешние продольные разрывы, которые распространяются от боковой поверхности вглубь материала в радиальных направлениях. На механические свойства древесины влияют число, характер и размеры трещин, а также их направление по отношению к действующим силам. Так, при изгибе наиболее отрицательное влияние оказывают трещины нейтральной зоны в плоскости, перпендикулярной изгибающему усилию. Наименьшее влияние оказывают трещины, расположенные в плоскости, совпадающей с направлением усилия. К порокам формы ствола относят сбежистость, закомелистость, наросты и кривизну, а к порокам строения древесины - наклон волокон, свилеватость, завиток, крень и др. Эти пороки могут привести к увеличению затрат сырья при распиловке древесины, снижению прочности и другим нежелательным явлениям. Физико-механические свойства древесины. На физические и механические свойства, а также пригодность древесины к использованию влияет ее влажность. Для свежесрубленных деревьев влажность колеблется от 30 (дуб) до 45% (ель). Воздушно-сухая древесина, длительное время лежавшая на воздухе имеет влажность 15-20%. Различают гигроскопическую (связанную) и свободную влагу в древесине. Гигроскопическая влага пропитывает оболочки клеток и удерживается физико-химической связью. Максимальное количество гигроскопической влаги, которое может быть поглощено древесиною при ее выдерживании на воздухе, насыщенном водными парами, носит название точки насыщения клеточных оболочек или предела гигроскопичности. Максимальная влажность клеточных стенок свежесрубленной древесины или увлаженной путем выдерживания в воде носит название предела насыщения. При температуре 15-20°С влажность древесины, соответствующая пределам насыщения и гигроскопичности, практически одинаковая и в среднем для всех пород древесины равна 30% (рис. 12.6).  В отличие от связанной, свободная вода заполняет каналы сосудов и межклеточное пространство и удерживается физикомеханическими силами. Удаление свободной воды требует меньших энергетических затрат, поэтому ее влияние на свойства древесины значительно менее существенно. При высыхании на первых порах преимущественно удаляется свободная вода, а потом связанная. Процесс высыхания древесины прекращается при достижении ею равновесной влажности, то есть влажности окружающего воздуха. Значение равновесной влажности можно находить по специальным диаграммам (рис. 12.7).  При удалении из древесины связанной влаги происходит усушка, то есть сокращение размеров лесоматериалов. Наоборот, при увлажнении древесины стенки клеток утолщаются, что вызывает набухание (рис. 12.8). Влажностные деформации наиболее существенны поперек волокон. Так, полная линейная усушка древесины в тангенциальном направлении составляет 6...10%, а вдоль волокон - всего 0,1-0,63%. Значения усушки и набухания возрастают также с увеличением средней плотности древесины.  Влажностные деформации могут быть рассчитаны с помощью коэффициентов усушки Ky и набухания Кн, характеризущих соответствующие деформации при снижении или увеличении содержания связанной влаги в древесине на 1%. Соотношение между Ky и Kн определяется по формуле:  Коэффициенты объемной усушки некоторых распространенных пород древесины и другие их физико-механические свойства приведены в табл. 12.1.  При высыхании, вследствие неравномерности распределения влажности по сечению древесины и ее анизотропности, в ней появляются внутренние напряжения. Развитие этих напряжений может вызывать растрескивание и коробление лесоматериалов. Для предотвращения этих дефектов особое значение имеет режим сушки древесины. Сушка - одна из наиболее ответственных и трудоемких операций в технологии деревообработки. Для столярных изделий влажность не должна превышать 8-10%, а для наружных конструкций - 15-18%. При расчете процессов сушки и пропитки древесины необходимо знать ее тепловые свойства. Вследствие пористого строения древесина плохо проводит тепло. Малая теплопроводность древесины, в особенности поперек волокон (рис. 12.9), обусловливает широкое применение ее в ограждающих конструкциях зданий. Деревянный брус толщиной 15 см эквивалентен по теплопроводности каменной стене толщиной в 2,5 кирпича.  Коэффициент линейного расширения древесины вдоль волокон составляет всего (3...5)*10-6 °C-1, то есть в 3-10 раз меньше, чем для металла, бетона и стекла, благодаря чему в деревянных зданиях и сооружениях можно не устраивать температурных швов. В поперечном направлении волокон изменение линейных размеров в 7-10 раз больше, чем в продольном. Сухая древесина имеет очень малую электропроводность, приблизительно такую же, как хорошие электроизоляционные материалы. Однако с повышением влажности электропроводность ее возрастает. При влажности, которая соответствует пределу насыщения, она в десятки млн раз больше электропроводности сухого материала. Плотность древесины определяется совокупностью веществ, слагающих оболочки клеток. Поскольку эти вещества имеют практически одинаковый состав для всех пород, истинная плотность древесины колеблется в узких границах - от 1,49 до 1,56 г/см3 и равна в среднем 1,53 г/см3. Средняя плотность древесины зависит от влажности и пористости породы. Значение средней плотности указывается при стандартной 12%-ной влажности (ρ0(12)). В диапазоне от нулевой до 30%-ной влажности применяют формулу пересчета:  где Ку - коэффициент объемной усушки; W - влажность. При влажности древесины больше 30% для пересчета средней плотности можно использовать формулу:  где А = 1,222 для березы, бука, лиственницы, белой акации; 1,203 -для других пород. По средней плотности древесины все породы условно делят на три группы: легкие (ρ0≤550 кг/м3), средние (ρ0=550-750 кг/м3) и тяжелые (ρ0≥750 кг/м3). Показатели механических свойств древесины, также как и физические свойства, зависят от влажности, причем влияет, в основном, только связанная вода, которая находится в клеточных стенках. Увеличение содержания связанной воды резко уменьшает показатели всех механических свойств (рис. 12.10). Прочность древесины в зависимости от изменения влажности можно рассчитать по формуле:  где Rw и R12 - предел прочности древесины соответственно при влажности W и 12%; α - коэффициент снижения прочности древесины при возрастании ее влажности на 1% (для предела прочности при сжатии вдоль волокон и статического изгиба α=0,04; при растяжении вдоль волокон α=0,01). Вследствие структурных особенностей механические свойства древесины зависят также от угла между направлением действующего усилия и направлением волокон.  Наиболее важным и характерным механическим свойством древесины является прочность при сжатии вдоль волокон. Она является определяющей для свай, ферм, колонн, стояков и других деревянных конструкций. При действии сжимающих усилий поперек волокон в большинстве случаев не удается выявить разрушения, поэтому ограничиваются определением предела пропорциональности, который принимают за условный предел прочности (рис. 12.11). Условный предел прочности на сжатие поперек волокон в среднем для всех пород приблизительно в 10 раз меньше предела прочности на сжатие вдоль волокон. Прочность древесины на сжатие поперек волокон имеет практическое значение в местах врубок или соединений деревянных деталей с металлическими (под башмаками, болтами, и т.п.), для железнодорожных шпал и пр.  Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон примерно в 2 и больше раз выше, чем при сжатии (табл. 12.1). Для сосны и ели, например, он равен в среднем около 100 МПа. При растяжении поперек волокон предел прочности в 10-40 раз меньше. При этом прочность в радиальной плоскости у всех пород выше, чем при растяжении в тангенциальной плоскости. Это вызвано тем, что в последнем случае проходит разрыв слабых сердцевинных лучей, тогда как в радиальной плоскости он идет по ранней и плотной поздней зоне. Сопротивление растяжению в особенности сильно снижается при наличии сучков и косослоя. Древесина в конструкциях и изделиях редко работает на растяжение. Это обусловлено трудностью предотвращения разрушения деталей в местах закрепления. Показатели прочности древесины на растяжение поперек волокон учитываются для предотвращения ее растрескивания при интенсивных режимах сушки. Древесина широко применяется для конструкций, которые работают на поперечный изгиб; в междуэтажных перекрытиях, в мостовых фермах, эстакадах и т.д. Прочность древесины при поперечном статическом изгибе является средней между прочностью при растяжении и сжатии вдоль волокон. В среднем для различных пород она может быть принята равной приблизительно 90 МПа. Для расчета деревянных конструкций в некоторых случаях важна прочность древесины при сдвиге и кручении. Наиболее распространенным видом испытаний на сдвиг является скалывание вдоль волокон, сопротивление которому составляет приблизительно 0,15 предела прочности при сжатии. Прочность при кручении для основных пород почти в 1,5 раз выше прочности при скалывании. При обработке режущими инструментами и при истирающих воздействиях важна твердость древесины. Это свойство определяется на образцах-кубах методом вдавливания. Самая большая твердость (50-90 МПа) присуща ясеню, буку, вязу, лиственнице. Для древесины, в особенности при работе во влажных условиях, характерна ползучесть, которая приводит к заметным деформациям конструкций при продолжительном нагружении. Древесина при работе в сухих помещениях, на открытом воздухе, а также в подземных и подводных сооружениях, в условиях, которые исключают образование грибов, характеризуется высокой стойкостью. Механические свойства древесины изменяются значительно после пребывания в речной воде лишь на протяжении нескольких сот лет. Морская вода уже через сравнительно короткий срок заметно ухудшает свойства древесины. При действии кислот и щелочей механические свойства древесины ухудшаются по мере увеличения их концентрации. Коррозионная стойкость лиственных пород ниже, чем хвойных. Для одной и той же породы стойкость древесины зависит от ее плотности. Стойкость увеличивается с возрастом дерева, при передвижении от заболони к ядру и от нижней части ствола к верхней. Один из эффективных способов значительного улучшения свойств древесины - модифицирование ее синтетическими полимерами. Суть модифицирования состоит в том, что натуральная древесина пропитывается мономером или маловязким полимером, переводимыми затем в твердое состояние под действием тепла, химических реагентов или ионизирующих излучений. Соответственно различают термохимический и радиационно-химический методы модифицирования древесины. Для модифицирования древесины используют фенольные, карбамbдные, фурановые, полиэфирные, полиакриловые и другие полимеры (олигомеры), а также некоторые мономеры - стирол, метилметакрилат, акрилонитрил. Модифицированная древесина имеет в несколько раз большую прочность, твердость, ударную вязкость, пониженную гигроскопичность и водопоглощение. Древесина различных пород в зависимости от химического состава и строения имеет различную стойкость к гниению и воспламеняемости. По стойкости к гниению породы подразделяют на группы: наиболее стойкие (тис, кедр, дуб, карагач), среднестойкие (сосна, ель, ольха) и малоустойчивые (береза, бук, осина, липа, клен). К способам защиты древесины от гниения, поражения насекомыми и воспламенения можно отнести сушку, конструктивные методы предотвращения увлажнения конструкций во время эксплуатации, пропитку древесины антисептиками или антипиренами. Антисептики - это водостойкие и водоотталкивающие составы, защищающие древесину от поражений грибком и насекомыми. Антисептические препараты делают древесину непригодной для жизнедеятельности этих биологических разрушителей, уничтожают их, предотвращают их дальнейшее появление. Все антисептики можно разделить на четыре группы: - водорастворимые (на водной основе); - маслянистые (на основе масел); - на основе органических растворителей; - комбинированные. Основными представителями водорастворимых антисептиков являются фторид и кремнефторид натрия, смеси борной кислоты и буры, маслянистых - каменноугольное и сланцевое масла, на основе органических растворителей - растворы пентахлорфенола и нафтената меди в легких нефтепродуктах. Вещества, увеличивающие огнестойкость древесины, называют антипиренами. Защитное действие антипиренов может быть обусловлено выделением при нагревании кристаллизационной воды в виде пара или других негорючих газов, которые оттесняют воздух от поверхности древесины и разбавляют горючие газы (сернокислый и фосфорнокислый аммоний, квасцы). Много антипиренов (например, бура, борная кислота, силикат натрия, хлористый цинк) плавятся при нагревании и образуют защитную плотную пленку, покрывающую поверхность древесины и мешающую доступу кислорода. Такие антипирены как гидроксид калия, некоторые клеи, способствуют при высокой температуре созданию пенообразного теплоизоляционного слоя. На практике применяют обычно смеси различных антипиренов. Пропитанная огнезащитными смесями древесина при действии пламени тлеет, но не горит. После удаления огня тление прекращается. Древесину от загорания могут защитить также разнообразные краски. Отделочно-декоративные свойства древесины обусловливаются ее цветом, блеском и текстурой. Для улучшения цвета или придания желаемой окраски древесину подвергают протравливанию и окрашиванию. Протравливание заключается в обработке древесины некоторыми растворимыми неорганическими соединениями, химически взаимодействующими с дубильными веществами, в результате чего изменяется ее природный цвет. Древесина некоторых пород имеет блеск, хорошо заметный на радиальных разрезах. Блеск обусловливается сердцевинными лучами, занимающими на радиальном разрезе значительную площадь. Блеск имеют клен, бук, платан, белая акация и др. Древесине можно придать искусственный блеск полированием, лакированием или вощением. Хорошо полируется орех, ясень, несколько хуже - дуб, бук, клен, груша, еще хуже - мягкие лиственные породы; хвойные породы, за исключением тиса и ели, полируются плохо. Текстура древесины зависит от ширины годовых слоев, различия в окраске ранней и поздней древесины, наличия сердцевинных лучей и больших сосудов, направления волокон. Древесину с красивой текстурой на радиальном разрезе имеют дуб, вяз, тисс, лиственница. Обработка поверхности улучшает внешний вид изделий или защищает их от непосредственного влияния внешней среды. Улучшение внешнего вида изделий достигают различными видами художественной обработки древесины: резьбой, тиснением, выжиганием, облицовкой разнообразными декоративными материалами, например, набором облицовочной фанеры (инкрустация), текстурной бумагой, полимерными материалами, тканями, фольгой и т.п.. Для обработки древесины используют грунтовки, замазки, шпаклевки, краски, эмали, политуры. |
