Внутреннее строение дерева — достоинства и недостатки древесины

Древесина клена

Древесина – ценный стройматериал с уникальными качествами, используемый человеком с древних времен. И сегодня, несмотря на появление множества новых строительных материалов, древесина по-прежнему широко используется в строительстве, особенно в отделке и малоэтажном строительстве. Поэтому так важно знать свойства разных пород древесины, чтобы в дальнейшем не разочароваться в выборе и получить желаемый результат.

Необходимо хорошо знать свойства различных пород древесины, уметь различать и определять их визуально и на ощупь, а также правильно готовить материал к работе. При выборе породы учитывают цвет, текстуру и физические характеристики, например, твердость, стойкость к гниению, пропитываемость.

.

Части дерева

Назначение корня — всасывать из почвы влагу с растворенными в ней минеральными веществами и передавать ее через ствол в крону; кроме того, он удерживает дерево в вертикальном положении.

Назначение ствола— проводить впитываемую корнями влагу с растворенными в ней минеральными солями в верх в крону; отводить вниз питательные вещества; сохранять запасы питательных веществ, необходимых весной для развертывания листьев; служить опорой для кроны.

Рис.1 Поперечный (торцовый) разрез ствола дуба: 1— кора, 2 — заболонь; 3 — ядро; 4 — сердцевина.

Нижняя часть ствола дерева называется комлем, верхняя — вершиной. В месте перехода ствола в корень имеется закомлистость — резкое увеличение диаметра ствола дерева на небольшой длине. В кроне листьями вырабатываются органические вещества — углеводы, необходимые для питания и роста дерева. Главную массу древесины дает ствол, составляющий от 70 до 90 % объема дерева и используемый в качестве строительного материала.

Наша страна занимает первое место в мире по запасам древесины. Из 3 миллиардов гектаров лесной площади, покрывающих поверхность земли, на долю России приходится более одного миллиарда гектаров. Хвойный лес, наиболее важный для строительства и промышленности, занимает у нас по площади более половины всех хвойных лесов умеренного пояса земного шара. Особенно велики запасы древесины на севере России, на Урале, в Западной Сибири.

Легкость и высокая прочность древесины (на растяжение и сжатие вдоль волокон), малая теплопроводность, простота обработки способствуют повсеместному применению этого материала и, в частности, в строительстве как капитальных, так и вспомогательных и временных сооружений. Наряду с этим древесина имеет и существенные недостатки, а именно:

1. неоднородность строения, а следовательно, неодинаковые свойства в разных направлениях (малая прочность на растяжение поперек волокон и на скалывание);
2. способность изменять свою влажность на воздухе и, соответственно, размеры, форму и прочность;
3. способность быстро разрушаться от гниения при неблагоприятных условиях хранения и эксплуатации;
4. легкую возгораемость.

Однако эти недостатки древесины могут быть в значительной степени устранены соответствующей обработкой.

Применение

Заболонь осуществляет изолирующую функцию в спиленном дереве. Подкорье сохраняется для рубленых пиломатериалов в связи с его надежностью и прочностью. Оно помогает сохранить материал от внешних условий, насекомых, ультрафиолетовых лучей, перепада температур, повышенной влажности. Подкорье характеризуется повышенной впитываемостью, поэтому бревна легко обрабатываются антисептиком. Из такого пиломатериала строятся русские традиционные бревенчатые дома. Заболонь составляет большую часть в осине, сосне, вишне.

Важно учитывать, что подкорье дуба не применяется в строительстве из-за особой непрочности. В других древесных работах оболонь удаляется полностью при необходимости оцилиндрованного бревна. В продольных частях паркета оболонь характеризуется светлыми полосками разной степени выраженности. Такой слой допускается в экономичных производствах материала и варьируется от 10 до 30% содержания. Паркет класса «селект» не содержит оболонь.

Производители могут устанавливать свои нормативы и технические условия по наличию заболонной древесины.

В дубовых сортах паркета заболонь имеет малое содержание, и видна в прожилках вдоль плашек. Дополнительным декором или дизайнерским решением проявляется в материалах из ясеня или вишни. Экзотические древесные породы обязательно содержат оболонь, делая конечный материал ярким и неординарным.

При правильном выборе древесины постройки и детали сохраняются до сотни лет. Благодаря этому качеству, а также недорогой цене, дерево разных пород широко применяется в строительных и столярных работах.

Основные разрезы ствола.

Для получения правильного представления о строении древесины необходимо рассматривать в трех разрезах:

Р — торцовый сечение ствола плоскостью, проходящей поперек его оси;

R— радиальный сечение ствола плоскостью, проходяще через ось ствола по радиусу или диаметру поперечт го сечения;

Т — тангентальный сечение по хорде поперечного сечения параллельно оси ствола.

На рис. 2. показаны: 1 — доска радиальной и 2 — доска тангенталыюй распиловки.

Ствол

Ствол в основном состоит из клеток, вытянутых по его длине клетки группируются наслоениями, которые на торце имеют вид концентрических колец, а на продольных разрезах (радиальном и тангенгальном) наклонных и параболических линий. На торцовом разрезе, начиная от периферии к центру, различают следующие основные части ствола: кору, камбий, древесину и сердцевину.

Кора изолирует

Кора изолирует дерево от вредных воздействий внешней среды резких колебаний температуры, от насекомых вредителей леса и т. п. Она состоит из наружных покровных наслоений, резко отличающихся от внутренних наслоений древесины. В коре различают наружный слой корку или кожицу, средний слой пробковую ткань и внутренний луб.

Луб

Луб в растущем дереве служит проводником питательных веществ от кроны в ствол и корни; и нем откладываются запасы питательных веществ, необходимых дереву ранней весной для развертывания молодых листьев

Кора

Кора занимает от 5 до 20% объема дерева. Некоторые породы, например, пробковый дуб, выращиваемый в Крыму и на Кавказе, бархатное дерево, растущее в районе Амура и на Сахалине, имеют очень толстую и мало теплопроводную кору. Кора этих деревьев используется для изготовления пробковых теплоизоляционных плит и укупорочной пробки, а древесина в столярных и отделочных работах.

Камбий

Камбий расположен между лубом и древесиной в виде очень тонкого слоя тонкостенных клеток, способных к делению и росту. Клетки камбия, делясь, ежегодно откладывают в сторону коры клетки луба, а в противоположную сторону клетки древесины. Весной камбий дает более рыхлую древесину, летом и осенью более плотную. Древесина состоит из ряда концентрических слоев, идущих от сердцевины до коры, от которой она отделяется незаметным на глаз камбиальным слоем. На поперечном разрезе ствола некоторых пород дерева можно легко различить наружную, более светлую часть заболонь и внутреннюю, более темную ядро.

Заболонь

Заболонь часть древесины более позднего образования, состоящая из молодых клеток, среди которых имеются живые и омертвевшие. В растущем дереве по заболони (снизу вверх) движется влага с растворенными в ней минеральными веществами, отчего влажность заболони в свежесрубленном дереве гораздо больше, чем в ядре. Древесина заболони по своим механическим свойствам равноценна древесине ядра (при одинаковой их влажности), но стойкость ее против загнивания ниже.

Ядро

Ядро состоит из мертвых клеток и образуется не сразу, а постепенно, по мере отмирания клеток заболони. Ядро не принимает участия в продвижении необходимых для дерева питательных веществ вследствие закупорки проводящих путей. Потемнение древесины в ядре объясняется образованием в клетках древесины различных веществ (смол, дубильных и красящих веществ). Эти вещества делают древесину ядровой части более стойкой против загнивания. В зависимости от наличия или отсутствия ядра древесные породы делятся на:

• а) ядровые, имеющие ядро и заболонь (дуб, сосна, лиственница, кедр и др.);
• б)заболонные (безъядровые), имеющие одну лишь заболонную древесину (береза, ольха, осина и др.)

Из группы заболонных пород выделяются спело-древесные породы (ель, пихта, бук), у которых центральная часть древесины, соответствующая положению ядра, не отличается по цвету от заболони, но содержит в растущем или в свежесрубленном дереве значительно меньше влаги.

Свойства заболони

Является самой юной частью ствола, по которой транспортируется жидкость к листьям. Общие свойства:

• содержит больше воды, чем другие слои;
• имеет наименьшую плотность;
• проявляет неустойчивость при механических повреждениях;
• легко поражается грибками и насекомыми;
• при высыхании быстро отдает влагу;
• обладает повышенной степенью усадки.

На разрастание подкорья влияет сорт, возраст и природное состояние дерева. Юные породы древесины состоят почти из одного слоя, но постепенно питательный объем уменьшается. В зрелых деревьях осины, ели питательный пласт занимает около 50% объема древесины, а в лиственнице – только 25%.

Заболонь березы также занимает практически полностью ствол дерева. Питательная часть дуба не применяется в производстве из-за повышенной мягкости. Цвет ядра дуба на тон темнее, чем заболонь и отличается твердостью. Ядро широко применяется в различных столярных работах. Подкорье уступает ядру по биологической устойчивости. При этом легче пропитывается антисептиками и прочими растворами. Хоть питательный слой и обладает отличной впитываемостью тонирующих средств, он все равно по окраске отличается от основного оттенка древесной породы.

Микроструктура древесины. Строение клетки древесины

Микроструктура — это строение древесины, видимое только при значительном увеличении, т. е. под микроскопом.

Древесина состоит из очень большого числа живых и омертвевших клеток различной формы, величины и назначения.

Живая клетка древесины

состоит из оболочки (стенки) и содержимого протопласта (плазмы и ядра). Оболочку или стенку клеток в основном образует вещество, называемое целлюлозой или клетчаткой. Со временем в клетчатке под действием плазмы происходит химическое изменение одревеснение, связанное с образованием оболочке живой клетки особого вещества лигнина, благодаря которому оболочка упрочняется, но становится более хрупкой.

Рис. 3 Сосуды: 1 — липы; 2 и 3 — бука; 4 — дуба

Основные элементы древесных тканей

Основными элементами, входящими в состав органической части древесных тканей, являются углерод, кислород, водород и азот. Химический состав сухой древесины: С — 49,5%, О и N — 44,2 % (в том числе азота около 1 %), Н — 6,3 % Целлюлоза в чистом виде не растворяется в воде, спирте, бензине, эфире. При действии на древесину горячих кислотных или щелочных растворов в условиях высокого давления лигнин и другие углеводы (гемицеллюлоза) переходят в раствор, а целлюлоза не растворяется. На этом основано получение целлюлозы из древесины.

Классификация клеток древесины.

Клетки древесины могут быть классифицированы по выполняемым ими функциям:

• а) проводящие;
• б) опорные (древесные волокна);
• в) запасающие.

Рис. 4. Схема расположения клеток в древесине хвойных пород: 1— в ранней древесине; 2 — в поздней древесине

Проводящие клетки сосуды и трахеиды.

По этим клеткам по стволу от корней к ветвям и листьям проходит вода с растворенными в ней минеральными веществами. Сосуды представляют собой тонкостенные широкополостные трубочки, расположенные по вертикали одна над другой и утратившие полностью или частично поперечные стенки (рис. 3). Диаметр сосудов от 0,04 до 0,3 мм; длина в среднем около 100 мм, но в отдельных случаях она достигает 2—3 м. Трахеиды представляют собой удлиненные клетки до 10 ммдлиной и 0,01—0,3 мм толщиной (клетки в поперечном сечении имеют форму многоугольника).

Древесина хвойных пород

Древесина хвойных пород состоит главным образом из трахеид, занимающих 90—95% общего объема древесины. Размеры трахеид в пределах одного и того же годичного слоя неодинаковы; трахеиды ранней древесины имеют сравнительно широкую полость и тонкую стенку, а трахеиды поздней древесины — узкую полость и утолщенную стенку (рис. 4). На боковых поверхностях трахеид, а также сосудов имеются микроскопические отверстия — поры f и h (рис. 3), через которые они сообщаются в поперечном направлении.

Рис. 5. Древесные волокна: 1— менее утолщенные (липа); 2—сильно утолщенные (бук).

Трахеиды

Трахеиды у хвойных пород являются одновременно и водопро-, водящей и опорной тканью; механические свойства древесины — находятся в прямой зависимости от прочности трахеид поздней древесины. В древесине лиственных пород имеются древесные волокна,— это узкие и относительно толстостенные, вытянутые в длину; клетки с заостренными концами. Благодаря этим толстостенным; и прочным элементам, их плотному соединению между собой и равномерному распределению по годичному слою эти клетки придают древесине лиственных пород необходимую прочность.

Опорной тканью в стволах лиственных пород являются древесные волокна (рис. 5), а в хвойных трахеиды поздней древесины. Запасающие клетки находятся главным образом в сердцевинных лучах. Эти клетки служат для передачи питательных веществ живым клеткам. Кроме того, они хранят в себе запасы этих веществ на зимний период. Связь этих клеток с соседними непрочная.

На рис. 6 приведена схема строения древесины ели, на которой показан характер расположения клеток на торцевом, радиальном и тангентальном разрезах.

Рис. 6. Расположение клеток в древесине ели: 1— клетки поздней древесины; 2— клетки ранней древесины; 3 — запасающие клетки сердцевинных лучей; 4 — поры в стенках клеток.

Прочность

Прочностью называется способность древесины сопротивляться разрушению под действием механических нагрузок. Она зависит от направления действующей нагрузки (растяжение, сжатие, изгиб, скалывание), породы дерева, плотности, влажности, наличия пороков и характеризуется пределом прочности – напряжением, при котором разрушается образец.

Средняя величина предела прочности при растяжении вдоль волокон всех пород составляет 130 МПа. На прочность при растяжении вдоль волокон оказывает большое влияние строение древесины. Даже небольшое отклонение от правильного расположения волокон вызывает снижение прочности.

При растяжении поперек волокон прочность древесины очень мала и в среднем составляет 1/20 от предела прочности при растяжении вдоль волокон, т. е. 6,5 МПа. При сжатии вдоль волокон деформация выражается в небольшом укорочении образца. Прочность древесины при сжатии поперек волокон ниже, чем вдоль волокон, примерно в 8 раз.

Строение годичных колец и сердцевины древесины

Сердцевина

Сердцевина иногда расположена не в центре поперечного сечения ствола и проходит по всей его длине. Она состоит из клеток с тонкими стенками и представляет собой рыхлую ткань первичного образования; она очень слаба, непрочна и легко поддается загниванию. Часто загнивание ствола дерева начинается с сердцевины, затем распространяется на прилегающие к пей годичные слои и в стволе образуется дупло.

Сердцевина и образовавшаяся в первый год развития дерева древесная ткань образуют сердцевинную трубку, которая не у всех пород развита одинаково; например, клен и ясень имеют широкую трубку, а лиственница и кедр — узкую. В пиломатериалах — досках и брусках толщиной до 50 мм, предназначенных для растянутых и изгибаемых элементов несущих конструкций, сердцевина не допускается.

Годичные слои.

Рост дерева происходит только в течение вегетационного периода (в умеренной полосе весной, летом и осенью).

Каждый годичный слой состоит из двух зон: ранней, образовавшейся весной (светлая часть), и поздней (темная часть), образовавшейся к концу лета.

Ранняя древесина — более пористая и слабая, поздняя — более плотная и прочная часть годичного слоя. Часто считают, что мелкослойная древесина прочнее и лучше крупнослойной. Однако это утверждение не всегда справедливо, так как прочность большинства древесных пород зависит не от ширины слоя, а от степени развитости поздней древесины. Чем сильнее развита в годичных слоях поздняя древесина, тем лучше материал.

Годичные слои могут быть отчетливо видны, слабо заметны или совсем не видны невооруженным глазом. Отчетливо видны годичные слои у хвойных пород (сосны, лиственницы и др.) благодаря разной плотности и окраске поздней и ранней древесины. Особенно резко выделяется ранняя древесина у дуба и ясеня, так как она состоит из тонкостенных и широко-полостных элементов.

Хвойные породы древесины

Они отличаются довольно легкой структурой, поэтому в основном без проблем поддаются обработке. Из хвойных пород производят разнообразные пиломатериалы, строительные элементы, мебель, элементы декора.

Хвойная древесина обладает стойкостью к гниению и антибактериальными свойствами, что делает ее актуальной при капитальном деревянном домостроении, возведении срубов бань или надежных хозпостроек.

Сосна

Особенности древесины

Сосновая древесина имеет достаточную степень смолистости, влагостойкая, не сильно подвержена гниению, обладает высокой воздухопроницаемостью и идеальными показателями шумопоглощения.

Плотность и удельный вес древесины напрямую зависит от того, в каких условиях произрастает сосна. У деревьев, выросших на сухих почвах, особенно песчаных, образуется плотная древесина с максимально близко расположенными годичными кольцами — она очень ценится в строительстве.

Сосна, которая росла в местах с высокой влажностью, чаще всего имеет рыхлую древесную структуру, а значит, для возведения конструкций с несущей нагрузкой она точно не подходит, но и ей обязательно найдется применение в процессе строительных работ.

Срез сосны.

Технологические свойства

Плотность: 470 кг/м3.

Ствол сосны практически всегда ровный, это обеспечивает комфортную распиловку. Свежесрубленная сосна пилится без затруднений, но в высушенном состоянии колется на щепки, что может значительно усложнять процесс обработки.

Применение

Сосновая древесина легко склеивается, поэтому с успехом используется в производстве клееного бруса и в мебельной промышленности. Применяется в процессе изготовления дверей, дверных и оконных рам, наличников, незаменима при возведении срубов жилых домов или бань.

Окно из сосны.

Ель

Особенности древесины

Малосмолистая, спелодревесная порода светло-желтого цвета уступает сосновой древесине в показателях влагостойкости и теплопроводности. К сожалению, цельные еловые бревна или пиломатериалы на основе ели быстрее подвергаются загниванию, они менее прочны из-за мягкой структуры древесины.

Срез ели.

Технологические свойства

Плотность: 450 кг/м3.

Эта древесина не очень проста в обработке, так как ствол ели обладает значительной сучковатостью. Тем не менее, этот недостаток еловой древесины вполне компенсируется ее стойкостью к растрескиванию и деформации, а также легкому склеиванию, морению и покраске.

Применение

Основной спектр использования древесины ели — строительство деревянных домов и производство разнообразных пиломатериалов.

Дом из ели.

Кедр

Особенности древесины

Цвет — от розового до розово-желтоватого, интенсивность тона древесины зависит от возраста дерева и меняется со временем, становясь более эффектной, красивой и благородной. Высокосмолистая кедровая древесина не деформируется, не гниет, ее не поражают жучки-древоточцы, она не боится температурных перепадов и воздействия химически агрессивных сред.

Срез кедра.

Технологические свойства

Плотность: от 426 до 455 кг/м3 (зависит от места произрастания дерева).

Благодаря своей пластичности кедровая древесина отлично поддается обработке, что дает возможность воплощать самые смелые дизайнерские задумки в плане деревянного домостроения.

Применение

Обычно кедр используют как материал для эффектной отделки при создании элитных интерьеров или в качестве декоративных элементов мебели. Несмотря на идеальные тепло- и звукоизоляционные параметры кедровой древесины, применять ее в строительной области не всегда целесообразно, учитывая существенную дороговизну материала.

Баня отделанная кедром.

Лиственница

Особенности древесины

Относится к ядровым породам, отличается ядром красно-бурого цвета, заболонью светлого тона с очень контрастными по оттенку годичными кольцами, которые наделяют древесину многогранностью цветовой палитры.

Лиственничная древесина не впитывает влагу, ей не страшны атаки насекомых и плесневых грибов, она не загнивает и обладает очень высокой огнестойкостью.

Срез лиственницы.

Технологические свойства

Плотность: 640 кг/м3.

Внушительные показатели прочности и высокая смолистость этой древесины создают некоторые сложности в ее обработке, особенно станочным способом. Важный момент: чтобы лиственница не раскалывалась и внезапно не «пошла» многочисленными трещинами при распиле, требуется щепетильное соблюдение специального и довольно трудоемкого режима сушки.

Применение

Лиственничная древесина широко и с успехом используется в строительстве, в частности для сооружения срубов деревянных построек, которые в последствие будут эксплуатироваться в условиях очень высокой влажности или даже при непосредственном контакте с водой.

Полы, капитальные несущие стены, мебель из древесины лиственницы или отделка каких-либо изделий лиственничным шпоном безукоризненно служат десятилетиями, не теряя изначальной формы и своей первозданной привлекательности.

Доска из лиственницы.

Пихта

Особенности древесины

Малосмолистая, легкая, достаточно мягкая и гибкая по структуре хвойная порода. Небольшое количество смол, к сожалению, наделяет эту древесину недостатками в виде коробления и загнивания при повышенной влажности. Однако невероятно красивая текстура пихтовой древесины и стойкость к ударным нагрузкам сглаживает эти недостатки.

Срез пихты.

Технологические свойства

Плотность: 380 кг/м3.

Пихтовая древесина очень легка в обработке, без проблем поддается процедуре морения, окраске и покрытию лаковыми составами.

Применение

Актуальна в процессе возведения стропил, может использоваться при внутренней обшивке стен или для создания надежных перегородок в помещении. Пихтовая древесина гармонично раскрывает свою красоту и изящество в декоративных элементах мебели или в ажурных нюансах деревянного зодчества.

Доска из пихты.

Сосуды, смоляные ходы сердцевинные лучи

В древесине лиственных пород для движения влаги кроме клеток имеются и более крупные элементы — сосуды; они имеют форму трубочек, идущих вдоль ствола дерева. На гладкой, хорошо остроганной торцовой поверхности древесины дуба, ясеня, вяза, ильма и др. можно заметить, что крупные сосуды расположены в ранней древесине и собраны в кольцо, отчего эти породы носят название кольцесосудистых. Поздняя древесина этих пород также имеет сосуды, но более мелкие, а потому и не видимые невооруженным глазом.

У таких лиственных пород, как береза, ольха, бук, граб, клен, осина, липа и др., крупных сосудов нет и поэтому их ранняя и поздняя древесина резко не различаются; для них характерны мелкие сосуды, рассеянные по всей ширине годичного слоя. Эти породы носят название рассеянно-сосудистых.

Сердцевинные лучи: 1 — на поперечном разрезе ствола; 2—на радиальном; 3— на тангентальном.

Поздняя древесина данной группы лиственных пород окаймлена узкой полосой толстостенных клеток, отделяющих один слой от другого. Хвойные породы в отличие от лиственных не имеют сосудов, а состоят в основном из замкнутых сравнительно длинных клеток.

Смоляные ходы

У большинства хвойных пород в промежутках между клетками, в так называемых смоляных ходах, сосредоточивается смола. Смоляные ходы расположены преимущественно в поздней древесине. На торцовом разрезе смоляные ходы видны при значительном увеличении, но на продольных разрезах (особенно на заболонной части) их можно обнаружить в виде темных черточек и невооруженным глазом. Смола защищает древесину от заболевания при повреждении ствола.

Сердцевинные лучи

На поперечном разрезе ствола таких пород, как дуб, бук, клен и др., заметны узкие радиальные линии — так называемые сердцевинные лучи. На радиальном разрезе они представляют собой светлые или темные полоски; они часто прерываются, так как отклоняются от строго радиального направления. На тангентальном разрезе сердцевидные лучи имеют вид темных штрихов с заостренными концами, расположенными по длине ствола. У хвойных пород они обычно очень узки и видны только под микроскопом.

Классификация древесины по стойкости к гниению

Классы стойкости к гниению прописаны ГОСТом 20022.2-80. Разделяют следующие классы стойкости к гниению:

• Стойкие к гниению -заболонь сосны и ясеня. Ядро кедра, ясеня, сосны, лиственницы, дуба
• Среднестойкие к гниению- заболонь кедра, пихты, ели, лиственницы. Ядро ели, бука, пихты
• Малостойкие к гниению- заболонь березы, бука, дуба, граба, вяза, клена. Ядро вяза, клена.
• Нестойкие к гниению- заболонь липы, осины. Ядро березы, осины, липы

Заболонные грибные окраски

• Заболонные грибные окраски
  — ненормальные окраски заболони без понижения твёрдости древесины. Повышают водопроницаемость, разрушают клеи и лакокрасочные материалы. Классифицируются по: цвету:
  синева
  — серая окраска заболони и, редко, ядра, синеватых или зеленоватых оттенков. Обычно появляется в срубленной древесине при её медленном просыхании:
  бревенная синева
  занимает заболонь долго лежавших в тепле неокорённых брёвен;
• налётная синева
  появляется при хранении пиломатериалов на складе, сначала в виде пятен и полос, а затем может занять всю поверхность материала. Снижает ударную прочность древесины;