Значение древесины, состав, свойства, особенности и строение. древесина

Древесина, дерево — анизотропный волокнистый материал для строительства, полученный из деревьев.

Основная структурная единица древесины любых пород — клетчатка. Клетчатка в начальной стадии развития имеет довольно эластичную и легкопроницаемой для воды и водных растворов оболочку. С возрастом прочность оболочки резко повышается, а проницаемость снижается вследствие превращения ее в высокомолекулярные органические соединения: целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин. Различают клетки механические (волокна либрофома), ведущий (сосуды и трахеиды), запасающие (паренхимной).

образование древесины

Древесина является одной из составных частей сосудисто-волокнистого пучка и противопоставляется обычно другой составной части пучка, происходящей из того же прокамбия или камбия — луба или флоэмы. При образовании сосудисто-волокнистых пучков с прокамбия наблюдаются 2 случая: либо все прокамбиального клетки превращаются в элементы древесины и луба — получаются так называемые замкнутые пучки (выше споровые, однодольные и некоторые двудольные растения), или же на границе между древесиной и лубом остается слой деятельной ткани — камбия и выходят пучки открытые (злаковые и голосеменные растения).

В первом случае количество древесины остается постоянной, и растение не способна увеличивать толщину, во втором, благодаря деятельности камбия, с каждым годом количество древесины прибывает, и ствол растения постепенно утолщается. В украинских древесных пород древесина лежит ближе к центру (оси) дерева, а луб — ближе к периферии. В некоторых других растений наблюдается иное взаимное расположение древесины и луба.

В состав древесины входят уже отмершие клеточные элементы с одеревеневшими, в основном толстыми оболочками; луб же составлен, наоборот, из элементов живых, с живой протоплазмы, клеточного сока и тонкой неодеревилои оболочки. Хотя и в лубе случаются мертвые элементы, толстостенные и одревесневшие, а в древесине, наоборот, живые, но от этого, общее правило существенно не меняется. Обе части сосудисто-волокнистого пучка отличаются еще друг от друга и по физиологической функцией: по древесине поднимается вверх из почвы к листьям так называемый сырой сок, то есть вода с растворенными в ней веществами, по луба же спускается вниз образован пластический сок. Явления же одревеснение клеточных оболочек оговариваются пропитыванием целлюлозной оболочки особыми веществами, объединяются обычно под общим названием лигнин.

Присутствие лигнина и вместе с тем одревеснение оболочки легко распознается с помощью некоторых свойств. Благодаря деревьянинню растительные оболочки становятся крепче, твердыми и упругими; вместе с тем, несмотря на легкой проницаемости для воды они теряют в способности впитывать воду и разбухать.

Различают первичную древесину, образуется клетками прокамбия, и вторичную древесину, возникает в результате деятельности камбия. На поперечном разрезе ствола древесных и кустарниковых пород хорошо заметны годовые кольца, которые образуются в результате периодической деятельности камбия в течение года. Во многих деревьев, особенно в южных широтах, в древесины, кроме светлой внешней части — заболони, есть еще внутренняя, темная (ядро древесины), в клетках которой откладываются смолы, дубильные вещества, масла, камеди, ароматические и красящие вещества и т.

Усилиями генной инженерии и селекционеров в технологии ускоренного выращивания древесины для энергетических и сырьевых целей достигнуты значительные успехи: средняя производительность сосны в Бразилии по состоянию на 2006 год составляет 28,5 м 3 с 1 га в год, эвкалипта — 119 м3. Для сравнения: интенсивность роста древесины в российских лесах составляет от 1,5 м 3 с га в год для хвойных и до 2,5-3,0 м 3 для лиственных пород.

Строение дерева

Независимо от породы, растущее дерево имеет:

• корни

• ствол

• крону

Независимо от породы каждое дерево имеет корни, ствол и крону

Корни

Корни служат не только для укрепления дерева в почве и удержания его в вертикальном положении, а самое главное, для питания дерева из почвы водой и питательными веществами, необходимыми для его жизни и роста.

Ствол

Ствол – наиболее ценная часть дерева. Это основная его часть, так как объем ствола составляет от 50 до 90% от всего объема дерева. В растущем дереве ствол выполняет несколько функций:

— проводит от корней к кроне и обратно воду и питательные вещества;

— сохраняет запас этих веществ;

— служит опорой кроне.

У самой земли дерево обычно имеет самый большой диаметр ствола (толщину), постепенно и равномерно уменьшаясь кверху. В живом, растущем дереве, каждый год появляется новый конусообразный слой древесины. Каждый следующий слой выше и большего диаметра.

Форма и вид ствола зависят как от породы дерева, так и от среды его обитания. Растущая в лесу сосна имеет прямой высокий ствол и небольшую крону. Такая же сосна, но растущая на открытом месте – невысокий неровный ствол и пышную крону.

Крона

Крона дерева состоит из ветвей, несущих на себе листву или хвою. Листья и хвоя поглощают из окружающего воздуха нужные дереву химические вещества. Именно в хвое и в листьях под воздействием солнечных лучей разлагается содержащийся в воздухе углекислый газ на углерод и кислород.

Углерод затем соединяется с веществами, поступающими через корни из почвы и используется для роста и питания дерева. Кислород выделяется в воздух. Излишняя влага, поступающая в дерево из корней, также испаряется через листья и хвою.

химический состав

В состав древесины входит ряд сложных органических соединений. Полный химический анализ показывает, что она содержит около 50% углерода, 6% водорода и 44% кислорода. Стенка клетки имеет сетчатую структуру из взаимосвязанных цепных молекул целлюлозы, наполненную другими углеводородами (гемицеллюлозами), а также лигнином и различными экстрактивными веществами. Цементирующей межклеточной веществом является в основном пектаты кальция и магния, а в клеточных полостях, особенно в древесине лиственных пород, накапливаются смолы, камеди, жиры, танины, пигменты и минеральные вещества. В состав древесины входит 45-60% целлюлозы, 15-35% лигнина и 15-25% гемицеллюлоз. Количество чужеродных, экстрактивных веществ в значительной степени зависит от породы и неодинаков в заболони и ядре древесины. Содержание минеральных веществ (зольность) древесины обычно значительно меньше 1%.

Древесина содержит 5-25% экстрактивных веществ.

Усовершенствования технологии.

Благодаря новым технологическим разработкам древесина стала шире использоваться в традиционных областях и нашла новые области применения. К таким достижениям относятся усовершенствования в технологии сушки, противогнилостная и противопожарная обработка, слоистые конструкции, сборные конструкции заводского изготовления, высокоэффективные столярные клеи. Достигнуты большие успехи в целлюлозно-бумажной промышленности, а также в производстве таких материалов на основе химической переработки древесины, как синтетическое волокно, целлофан, спирт, дрожжи, древесноволокнистые плиты, древесина с полимерной пропиткой, древесный слоистый пластик и различные формованные изделия. Прогресс в области переработки и применения древесины явился стимулом к дальнейшему развитию лесного хозяйства.

свойства древесины

Для древесины основными и наиболее важными являются такие свойства.

• Механико-технологические: прочность, твердость, деформируемость, удельная вязкость, эксплуатационные характеристики, технологические характеристики, износостойкость, способность удерживать крепеж, гибкость;
• Физические: внешний вид (текстура, блеск, цвет), влажность (усушка, коробление, водопоглощение, гигроскопичность, плотность), тепловые (теплопроводность, теплоемкость), звуковые (акустическое сопротивление, звукопроводность), электрические (диэлектрические свойства, электропроводность, электрическая прочность) ;
• Химические свойства.

Механико-технологические свойства

• Прочность древесины — способность сопротивляться разрушению под действием механических нагрузок. Различают прочность на сжатие и растяжение (по направлениям приложения нагрузки относительно волокон — продольную и поперечную) и статический изгиб. Прочность на растяжение древесины вдоль волокон в 2 … 3 раза больше прочность на сжатие и в 20 … 30 раз выше прочность на растяжение поперек волокон. Для отдельных пород предел прочности на растяжение достигает 100 … 200 МПа. Удельная прочность древесины на растяжение вдоль волокон сравнима с аналогичными показателями стали и стеклопластиков. Однако эти свойства древесины реализовать в конструкциях сложно из-за наличия недостатков (сучки, трещины и т.п.), которые снижают ее прочностные свойства. Прочность на растяжение древесины хвойных пород мало зависит от влажности, для древесины лиственных пород это влияние является значительным.
• Прочность на сжатие древесины определяют на образцах — призмах сечением 20 × 20 мм и длиной 30 мм вдоль и поперек волокон. Прочность древесины на сжатие вдоль волокон в 4 … 6 раз больше ее прочности поперек волокон.
• Прочность на статический изгиб древесины превышает прочность на сжатие вдоль волокон, но меньше прочность на растяжение и составляет для разных пород 50 … 100 МПа. Высокие значения прочности на статический изгиб позволяют широко применять древесину в конструкциях, работающих на изгиб (балки, стропила, бруски, настилы и т.п.).

физические свойства

Отношение к влаге

• Влажность определяется точно так же, как и любого другого материала — это количество воды в единице объема или массы. Вычисляется влажность следующим образом: измеряется масса пробы влажного материала, затем измеренная проба высушивается в сушилке при температуре 100-105 ° С, затем происходит повторное взвешивание, но уже сухого материала. Разница между массой влажного и сухого материала как раз и определяет количество воды, содержащейся в образце. Для того чтобы рассчитать массовую влажность необходимо воспользоваться несложной математической формуле: масса образца до сушки минус масса образца после сушки, результат разницы разделить на массу образца после сушки и умножить на 100 процентов. Результат и есть влажность (массовая) древесины в процентах.
• Гигроскопичность древесины — свойство материала поглощать влагу из окружающей среды. Данное свойство зависит от влажности древесины. Сухая древесина имеет большую гигроскопичность, чем влага. Для уменьшения гигроскопичности материал покрывают масляными красками, эмалями или различными лаками. Гигроскопичность напрямую зависит от другого свойства древесины — пористости. Разбухание древесины проявляется при нахождении материалов при повышенной влажности воздуха в течение длительного времени.
• Пористость древесины — отношение объема пор к общему объему древесины. Для древесины различных видов пористость имеет разное значение, но в среднем разбег ее значение составляет 30-80%.
• Усушка — изменение размеров из-за потери влаги древесиной в результате сушки. Усушка происходит естественно. Прямым следствием усушки является образование трещин.
• Коробления происходит в результате неравномерного сушки древесины. Высыхание древесины происходит быстрее в слоях, более отдаленных от сердцевины, поэтому в случае, если сушки проводилось с нарушением технологии, происходит изменение формы древесины — она ​​коробится. Коробления под действием усушки различно по разным направлениям. Вдоль волокон оно незначительное и составляет примерно 0,1%. Изменения размеров поперек волокон более значительные и могут представлять 5-8% от исходного. Кроме того, коробления часто сопровождается появлением трещин в древесины, заметно сказывается на качестве конечного продукта. Коробления и образования трещин можно избежать при соблюдении технологии сушки и при использовании определенных технологий при составлении изделий. Так, например, в бревнах на всю длину материала делаются продольные разгрузочные пропилы, которые снимают внутренние напряжения, образующиеся при усушке.
• Растрескивание — результат неравномерного высыхания внешних и внутренних слоев древесины. Процесс испарения влаги продолжается до тех пор, пока содержание влаги в древесине не достигнет определенного предела (равновесной), зависит напрямую от температуры и влажности окружающего воздуха.

тепловые характеристики

• Теплопроводность. В отличие от других строительных материалов древесина является плохим проводником тепла. Это позволяет использовать ее для теплоизоляции помещений. Теплопроводность сухой древесины березы и сосны вдоль волокон составляет соответственно 0,128 и 0,349 Вт / (м · К).
• Удельная теплоемкость приблизительно одинаковой для всех древесных пород — для сухой древесины 1,7 … 1,9 кДж / (кг · К) при 0 … 100 ° С.

Электрические свойства древесины

Электрические свойства древесины определяются тремя показателями:

• Электропроводностью (удельной проводимостью) — величиной обратной удельному сопротивлению, зависит от влажности, породы дерева, температуры и направления прохождения тока. Удельное сопротивление нужно учитывать при заготовке древесины для столбов связи и линий электропередач, при нанесении лакокрасочных покрытий в электрическом поле и при измерении влажности древесины. Электропроводность сухой древесины незначительна, поэтому ее можно применять как изоляционный материал. Электрическое сопротивление древесины вдоль волокон в несколько раз меньше, чем поперек волокон. Повышение температуры древесины приводит к уменьшению ее сопротивления почти в 2 раза.
• Электрической прочностью — показателем, который характеризуется отношением электрического напряжения, при которой наступает пробой материала, с толщиной материала. Электрическую прочность нужно учитывать при оценке электроизоляционных свойств древесины.
• Диэлектрическими (изоляционными) свойствами. Такие свойства древесины имеют практическое значение при расчете процессов нагрева материала в поле токов высокой частоты во время сушки, при склеивания и гнутья древесины. Они оцениваются двумя показателями: диэлектрической проницаемостью — отношением емкости конденсатора с прокладкой из древесины к емкости того же конденсатора с воздушным зазором.
• тангенсом угла диэлектрических потерь — углом между двумя векторами тока, один из которых опережает вектор напряжения на угол 90 °, если нет потерь, второй опережает вектор напряжения на угол меньший, чем 90 ° вследствие диэлектрических потерь в древесине.

другие свойства

• Звукопроницаемость — способность материала проводить звуковые волны. Если в случае теплопроводности древесина — лучший материал, то в случае с звукопроницаемостью древесина проигрывает другим строительным материалам. В связи с этим при строительстве стен и деревянных перекрытий необходимо использовать дополнительные материалы (засыпания), снижающих показатель звукопроницаемости.
• Цвет — своеобразный индикатор, показывающий качество, возраст и состояние древесины. Качественная и здоровая древесина имеет равномерный цвет без пятен и других вкраплений. Если в древесине присутствуют вкрапления и пятна, это свидетельство ее загнивания. Цвет древесины может изменяться под воздействием атмосферных условий.
• Запах зависит от содержания в древесине смол и дубильных веществ. Свежесрубленное дерево имеет сильный запах, а по мере высыхания дерева и испарения влаги и эфирных смол запах ослабевает.
• Текстура — рисунок, образующийся при распылении дерева. Плоскость распила пересекает годовые кольца и слои древесины, образовавшиеся в разное время, в результате образуется характерный узор годовых линий, по которым и отличают древесину от других материалов.
• Массовые показатели древесины. Различают плотность и объемную массу древесины. Плотность — масса единицы объема древесины без учета пустот и влаги. Данная масса не зависит от породы древесины и составляет 1,54 г / см³. Объемная масса — это масса единицы объема древесины в естественном состоянии есть с учетом влаги и полостей.
• Свилеватость — непараллельных расположение волокон дерева по продольной оси бревна, бруса или доски. Бывает естественной и искусственной, из-за неправильного распыления. Косой слой также сильно снижает прочность древесины на растяжение и, как следствие, на изгиб, то есть как балки, стропила, затяжки применять такие доски или брусья нежелательно. Кроме отбраковки (или правильного распыления) других способов борьбы не существует. В качестве примера надзавилькуватости можно привести древесину Карельской березы.

химические свойства

Основные органические вещества, из которых состоит древесина: целлюлоза, лигнин и гемицеллюлозы.

Целлюлоза — природный полимер, полисахарид с длинной цепной молекулой. Формула целлюлозы (C 6 H10O 5) n, где n — степень полимеризации, равной 6000-14000. Это очень стойкое вещество, нерастворимое в воде и обычных органических растворителях (спирте, эфире и т.п.), белого цвета. Пучки макромолекул целлюлозы в виде тонких волокон называются микрофибрилами. Они образуют целлюлозный каркас стенки клетки. Микрофибриллы ориентировочные обычно вдоль длинной оси клетки, между ними находится лигнин, гемоцелюлозы, а также вода.

Лигнин — полимер ароматической природы (полифенол) сложного строения; содержит больше углерода и меньше кислорода, чем целлюлоза. Именно с этим веществом связан процесс одревеснение молодой клеточной стенки. Лигнин химически неустойчив, легко окисляется, взаимодействует с хлором, растворяется при нагревании в лугах, водных растворах сернистой кислоты и ее кислых солей.

Гемицеллюлозы — группа полисахаридов, в которую входят пентозаны (C 5 H 4) n и гексозаны (C 6 H10O 5) n. Формула гексозаны на первый взгляд идентична формуле целлюлозы. Однако степень полимеризации во всех гемицеллюлозы значительно меньше и составляет 60-200. Это свидетельствует о более короткие цепочки молекул и меньшую устойчивость этих веществ по сравнению с целлюлозой.

Топливо и древесная масса.

Применение древесины как топлива в масштабах всего мира имеет все еще очень важное значение. В высокоразвитых промышленных странах топливное потребление древесины на протяжении последних десятилетий непрерывно уменьшалось в связи с переходом на уголь, газ, нефть и электричество. Такая тенденция, по-видимому, сохранится и в будущем по мере того, как с дальнейшим развитием техники будут все более доступны другие виды топлива и источники тепла. Применение же древесины в виде древесной массы в последнее время, наоборот, непрерывно увеличивалось и, по прогнозам, будет продолжать увеличиваться в обозримом будущем. Древесина превращается в древесную массу механическим истиранием с применением воды или путем обработки химикатами, разрушающими лигниновую связь и освобождающими волокна. Затем древесная масса переделывается в различные виды бумаги, коробочный картон, древесноволокнистые плиты. После специальной обработки она используется как целлюлозное сырье для изготовления синтетических тканей и пластиков.

пороки древесины

Пороки древесины — это недостатки отдельных ее участков, которые снижают качество и ограничивают возможности использования. Пороки древесины могут быть связаны с отклонениями от нормальной ее строения, повреждениями и заболеваниями. Их разделяют на следующие группы: трещины, сучки, повреждения насекомыми, грибами, гниль, дефекты формы ствола, пороки строения древесины, раны, ненормальные отложения внутри древесины, химические окраски. Влияние недостатков на пригодность древесины для строительных нужд зависит от их местоположения, вида, размеров поражения, а также от назначения древесины. Сортность древесины устанавливают с учетом имеющихся недостатков. Их происхождение может быть разным. Одни из них образуются в период роста дерева, другие — в период хранения и эксплуатации.

В процессе эксплуатации деревянных конструкций наибольший вред наносит влага. Для продления службы древесины ее несколько раз пропитывают одной из смесей:

• 10 частей натуральной олифы, 1 парафина и 1 скипидара;
• 10 частей натуральной олифы и 1,5 части воска;
• натуральная олифа и керосин в пропорции 1: 1.

Переводные коэффициенты массы и условного объема

Классификация древесины

Механические свойства во всех пород вдоль и поперек волокон отличаются.

по твердости

К твердых сортов древесины относятся красное дерево, тик, черное дерево, розовое дерево, дуб, вяз, эвкалипт и бук. Все, кроме эвкалипта, растут очень медленно, и поэтому мировые запасы практически исчерпаны. К мягких сортов древесины относится древесина хвойных деревьев (сосны, ели, лиственницы). Они растут быстро и легко поддаются обработке, но считаются древесиной низкого качества. К белой древесины относится древесина березы, ясеня, клена и тополя. Все эти деревья быстро растут, их древесину используют для шпона и считают дешевле.

по ценности

Ценность различных пород древесины определяется их прочностью, долговечностью и неповторимостью рисунка. Отдельные породы, которые используются для изготовления дорогой мебели, паркета, дверей, предметов интерьера, считаются элитными, учитывая исходно высокую стоимость и объем усилий и средств, затрачиваемых на их обработку. В Украине наиболее распространены такие породы: дуб, вишня, бук, груша, грецкий орех, клен.

По степени насыщения влагой

По степени влажности различают следующие виды древесины:

• мокрая, долгое время находилась в воде (более 100%);
• свежесрубленная (50 … 100%);
• воздушно-сухая, долго сохранялась на воздухе (15 … 20%);
• комнатно-сухая (8 … 12%);
• абсолютно сухая (0%).

За условную стандартную влажность принято влажность древесины, составляет 12%.

Применение в строительстве.

Древесина применяется в строительстве в таких формах, как пиломатериалы прямоугольного сечения (брус, доски), шпон, фанера, железнодорожные шпалы, столбы, сваи, стойки, гонт и древесноволокнистые плиты. Больше всего потребляется пиломатериалов прямоугольного сечения. Их производят распиловкой бревен, затем отделывают до стандартной ширины и длины, сортируют по качеству, сушат и поставляют потребителям в необработанном с поверхности, обработанном или формованном виде. Фанеру изготавливают, склеивая нечетное число тонких слоев древесины (шпона) так, чтобы волокна соседних слоев были взаимно перпендикулярны. Фанерные панели отличаются от обычных пиломатериалов тем, что (наряду с отсутствием ограничений по ширине) их прочность более равномерна в разных направлениях, они лучше сопротивляются раскалыванию, а их размеры меньше изменяются в условиях переменной влажности.