Говоря о древесине как о строительном материале, нельзя не подчеркнуть, что этот материал необычный — он живой. Согласитесь, трудно представить, скажем, бетон, который растет сам по себе, чтобы его спилили, очистили от оболочки, высушили и пустили в дело.
Древесина — подарок природы, но, как и всякий биологический материал, она имеет свои недостатки, о которых мы поговорим ниже.
«Конструктивные» элементы дерева — это крона, ствол и корни. Для строительных нужд представляет интерес, прежде всего, ствол. У основания он толще (эту часть называют комлем).
Более тонкую верхушку называют вершиной, а разницу диаметров на разной высоте — сбегом ствола.
Механические свойства древесины
Прочность. Древесина относится к материалам средней прочности, однако, ее относительная прочность с учетом малой плотности позволяет сравнивать ее со сталью.
Древесина является анизотропным материалом, поэтому ее прочность зависит от направления действия усилий по отношению к волокнам. При действии усилий вдоль волокон, оболочки клеток работают в самых благоприятных условиях, и древесина показывает наибольшую прочность.
Средний предел прочности древесины сосны без пороков вдоль волокон составляет:
При растяжении – 100 МПа.
При изгибе – 80 МПа.
При сжатии – 44 МПа.
При растяжении, сжатии и скалывании поперек волокон эта величина не превосходит 6,5 МПа. Наличие пороков значительно (~ на30%) снижает прочность древесины при сжатии и изгибе, а особенно (~ на 70%) при растяжении. Длительность действия нагрузки существенно влияет на прочность древесины. При неограниченно длительном нагружении ее прочность характеризуется пределом длительного сопротивления, который составляет только 0,5 предела прочности при стандартном нагружении. Наибольшую прочность, в 1,5 раза превышающую кратковременную, древесина показывает при кратчайших ударных и взрывных нагрузках. Вибрационные нагрузки, вызывающие переменные по знаку напряжения, снижают ее прочность.
Жесткость древесины (ее степень деформативности под действием нагрузки) существенно зависит от направления действия нагрузок по отношению к волокнам, их длительности и влажности древесины. Жесткость определяется модулем упругости Е. Для хвойных пород вдоль волокон Е = 15000 МПа.
Механические свойства древесины
... работающих на растяжение поперек волокон. Прочность древесины на растяжение поперек волокон имеет значение при разработке режимов резания и режимов сушки древесины. Предел прочности при сжатии. Различают сжатие вдоль и поперек волокон. При сжатии вдоль волокон деформация выражается ...
При повышенной влажности, температура, а также при совместном действии постоянных и временных нагрузок значение Е снижается коэффициентами условия работы mв, mт, mд < 1.
Влияние влажности. Изменение влажности в пределах от 0% до 30% приводит к снижению прочности древесины на 30% от максимальной. Дальнейшее изменение влажности не приводит к снижению прочности древесины.
Поперечное изменение влажности (усушка и разбухание) приводят к короблению древесины. Наибольшая усушка происходит поперек волокон, перпендикулярно годичным слоям. Деформации усушки развиваются неравномерно от поверхности к центру. При усушке появляется не только коробление, но и усушечные трещины.
Для сравнивания показателей прочности и жесткости древесины установлено значение стандартной влажности 12%
В12=ВW[1+α(W-12)],
где α – поправочный коэффициент, при сжатии и изгибе α = 0,04.
Влияние температуры. При повышении температуры предел прочности и модуль упругости снижаются, а хрупкость древесины повышается. Предел прочности древесины Gt при температуре t в пределах от 10 до 30 оС можно определять исходя из ее начальной прочности – G20 при температуре 20 оС с учетом поправочного коэффициента β = 3,5 МПа.
Gt = G20 – β(t-20).
Физические свойства
Одним из самых важных свойств древесины считается ее плотность.
Зная плотность древесины, можно определить многие ее другие свойства. В первую очередь это касается прочности древесины, так как чем больше ее плотность, тем тверже, тяжелее и прочнее древесина (но при этом ее труднее обрабатывать).
Наиболее тяжелым деревом является самшит и бакаут, их плотность составляет 1,1 т/м3, а наиболее легким – бальзовое дерево, всего 0,15 т/м3.
Под влиянием влажного воздуха и тепла любая древесина имеет свойство набухать и коробится. Такая реакция на внешние факторы может протекать в 3-х направлениях:
- вдоль ствола, так называемом продольном направлении. В этом случае деформация несущественна для работы и составляет от 0,1% до 0,3%;
- в радиальном направлении – это более заметная величина, которая составляет уже 5%;
- по касательной (в тангенциальном направлении).
В этом случае древесина коробится в направлении годовых колец, что весьма важно взять в расчет при работе с деревом, так как величина усушки может составить от 10% до 15%.
Для работы необходимо выбирать древесину с такой влажностью, которую она будет иметь в готовом изделии, так как сильно влажная древесина будет плохо склеиваться и быстро загнивать, что приведет к растрескиванию изготовленного из нее предмета, а также он будет сильно коробится. Чтобы этого избежать, необходимо выбирать для работы древесину, которая содержит не более 18% влаги от все ее массы.
Одна многие свежесрубленные деревья имеют большую влажность, например, в дубе масса влаги относительно все его массы может составить до 70%. По этой причине для столярных работ используют древесину, которую до этого выдержали на свежем воздухе в течение 1 – 3 лет. После этого древесина отлично обрабатывается, хорошо красится, не коробится, не рассыхается и прочно склеивается.
Строение древесины.
Строение древесины
Макроскопическое строение. Под макроскопическим строением древесины понимают детали структуры, которые видны невооруженным глазом или с помощью лупы При изучении древесину рассматривают в трех направлениях. поперечном (плоскость разреза перпендикулярна оси ствола); радиальном (плоскость разреза проходит вдоль ствола по радиусу); тангенциальном (плоскость разреза проходит вдоль ствола по хорде, т.е. перпендикулярно радиусу).
Древесина и материалы из нее
... называемые табачные сучки. Для изготовления несущих деревянных конструкций используется древесина, имеющая только здоровые сросшиеся сучки. Количество и размещение сучков определяют сортность материала. Трещины могут появляться ... поэтому она менее пориста и обладает большей прочностью, чем весенняя. В процессе роста дерева стенки клеток древесины внутренней части ствола, примыкающей к сердцевине, ...
На поперечном разрезе ствола можно увидеть следующие части: сердцевину, ядро, заболонь, слой живых клеток – камбий и кору, состоящую из внутренней части (луба или флоэмы) и наружной части (корки).
На поперечном разрезе можно увидеть также годичные кольца. Ядро и заболонь вместе составляют собственно древесину, или ксилему. Ядро выполняет только механическую функцию, а заболонь – механическую, проводящую и запасающую функции. У хвойных деревьев ядро помимо высокого содержания экстрактивных вешеств отличается пониженным содержанием целлюлозы и лигнина.
Сердцевина — это первичная ткань, появляющаяся при росте дерева из семени Ксилема – вторичная ткань, образующаяся в результате вторичного прироста ствола в толшину благодаря деятельности тонкого слоя из 4…5 живых клеток – камбия, клетки которого способны к делению.
Рост древесины в радиальном направлении (в толщину) происходит неравномерно. Клетки древесины образуют так называемые годичные слои (годичные кольца).
Ширина колец зависит от породы древесины, а также от условий произрастания: чем лучше условия роста, тем шире годичный слой.
В каждом годичном кольце имеются две части: ранняя (весенняя) и поздняя (осенняя) древесина. Ранняя древесина — внутренняя часть кольца, обращенная к сердцевине (более светлая), поздняя древесина наружная часть кольца, обращенная к коре (более темная).
Клетки ранней древесины имеют больший диаметр, более тонкие стенки и широкие полости. Клетки поздней древесины имеют более толстые стенки и узкие полости. Поздняя древесина выполняет главным образом механическую функцию, а ранняя – механическую и проводящую функции. В древесине лиственных пород различия между ранней и поздней древесиной невелики, ио между годичными кольцами существует тонкий слой (один-два ряда клеток), называемый границей годичного кольца, который хорошо виден юлько на поперечном разрезе. Химический состав ранней и поздней древесины неоднороден: ранняя древесина содержит меньше целлюлозы, но больше лигнина, пентозанов и уроновых кислот, чем поздняя.
Анатомическое строение. Анатомическое строение древесины (микроструктуру) изучают с помощью оптических микроскопов на тонких срезах древесины – поперечном, тангенциальном и радиальном. В древесине (ксилеме) присутствуют анатомические элементы, образующие ткани, необходимые в растущем дереве для выполнения основных функций ство-гтл – механической, проводящей и запасающей.
Клетки и ткани древесины и их функции. Древесина состоит из клеток, которые можно подразделить на два основных типа.
1. Прозенхимные клетки. У этих клеток длина во много раз больше ширины; они ориентированы вдоль ствола и придают древесине волокнистое строение. Эти клетки быстро отмирают и в древесине они в основном мертвые. Таким образом, древесное волокно — это мертвая прозенхим ная клетка.
Свойства древесины
... в полостях клеток и межклеточных пространствах. Связанная вода удерживается в основном физико-химическими связями, изменение её содержания существенно отражается на большинстве свойств древесины. Свободная ... сульфитный и бисульфитный. При сульфитном способе в качестве сырья используется древесина малосмолистых хвойных (ели, пихты) и ряда лиственных пород. Бисульфитный способ позволяет использовать ...
2. Парснхимные клетки Это короткие широкие клетки (длина прибли-штельно равна ширине); в древесине они в основном живые.
Клетки одинакового строения, выполняющие одну и ту же функцию, образуют ткани. В древесине содержатся ткани трех основных типов: механические, проводящие и запасающие.
Механическую функцию выполняют толстостенные прозенхим-ные клетки с узкими полостями.
Проводящую функцию обеспечивают тонкостенные широкополостные элементы. В древесине хвойных пород это ранние трахеиды, в древесине лиственных пород — сосуды. В заболони осуществляется движение воды и соков вверх по стволу (от корней к листьям).
Движение соков, содержащих продукты фотосинтеза, вниз по стволу происходит в лубе (флоэме), откуда питательные вещества поступают в камбий.
Запасающую функцию (хранение резервных питательных веществ) выполняют паренхимные клетки.
Кроме вышеперечисленных, в дереве содержатся и другие ткани:
- ассимиляционные, находящиеся в зеленых частях дерева (листьях, хвое), в которых осуществляется фотосинтез;
- покровные (наружный слой коры) защищают дерево от внешних воздействий;
- выделительные образуют, хранят и выделяют в межклеточные каналы экстрактивные вещества;
- меристематические (ростовые, или образовательные) обеспечивают рост дерева; эти ткани характеризуются способностью к делению.
В жизни каждой клетки можно наблюдать четыре периода: деление, увеличение поверхности, утолщение клеточной стенки, одревеснение. В период одревеснения в клеточной стенке происходит отложение лигнина -лигнификация. После окончания одревеснения клетка отмирает. Живая клетка имеет оболочку (клеточную стенку), протоплазму, ядро и другие органоиды. При отмирании клетки ее содержимое распадается, и остается оболочка, окружающая полость, заполненную воздухом, водой, а иногда экстрактивными веществами.
Анатомическое строение древесины хвойных пород. Хвойные породы в эволюции появились раньше лиственных и имеют более простое однородное строение древесины, состоящей почти целиком из клегок одного типа.
Основным анатомическим элементом древесины хвойных пород служат мертвые прозенхимные клетки – трахеиды, составляющие 90…95% ее объема. Это длинные клетки со стенками различной толщины. Длина трахеид в среднем составляет 1,5…5,0 мм при ширине 0.02…0.08 мм. Ранние (весенние) трахеиды имеют отношение ширины к длине ~ 1:100, а поздние (осенние) – 1:200.
Вторым анатомическим элементом являются паренхимные клетки, образующие живую ткань – паренхиму, главным образом лучевую. Ее клетки образуют сердцевинные лучи – ряды паренхимных клеток, идущие по радиусам. В древесине некоторых хвойных пород в небольших количествах (например, в сосне 0.5%) содержится вертикальная (тяжевая) паренхима, ряды клеток которой проходят вдоль ствола вблизи от камбия. Паренхима выполняет проводящую и запасающую функции (функции сердцевинных лучей см. также в разделе 1.1).
У хвойных деревьев часть опасных питательных веществ хранится также в хвое, и поэтому доля па-рснхимных клеток в древесине ствола невелика (3…5%).
