Глава 11. Строительные материалы из древесины

 

Общие сведения

 

Древесина – ткань растений, состоящая из клеток со стенками, проводящими воду и растворенные в ней соли.

Огромные запасы древесины в виде хвойных и лиственных лесов, относительная простая разработка лесных массивов, легкая обрабатываемость дерева явились основными факторами широкого применения древесины с глубокой древности.

Древесина, как строительный материал, обладает рядом ценных технических свойств:

- высокая прочность и упругость;

- малая средняя плотность (что облегчает ее транспортирование и придает небольшой вес деревянным конструкциям);

- способность удерживать металлические крепления (гвозди, шурупы, скобы).

Однако указанные преимущества снижаются наличием у древесины комплекса отрицательных свойств:

- анизотропность (различные свойства древесины по разным направлениям);

- гигроскопичность;

- изменение механических свойств от влажности;

- недостаточная (у отдельных пород) твердость;

- способность к образованию трещин;

- подверженность гниению и повреждению насекомыми;

- легкая воспламеняемость.

Хотя указанные недостатки снижают качество древесины, в современных условиях они в значительной мере устраняются путем применения химических способов консервации древесины и ее защиты от возгорания.

 

Микроструктура древесины

 

Микроструктура древесины позволяет ознакомиться с особенностями строения, определяющими ее свойства.

Древесина – продукт растительного происхождения. Это биологический объект, который состоит из клеток.

В древесине на долю оболочек клеток приходится около 95 % массы. Оболочки клеток древесины на 99 % сложены из органических соединений, представленных у хвойных пород примерно на 70 % углеводами, а у лиственных – на 80 %. Углеводы – природные вещества, образованные тремя элементами: углеродом, водородом и кислородом. Примерами простых углеводов являются глюкоза и сахар.

Средний элементарный состав абсолютно сухой древесины всех пород следующий (%):

- углерод – 49,5;

- водород – 6,3;

- кислород + азот – 44,2

- минеральные вещества (преимущественно соли кальция) – 0,2…0,7.

Каждая клетка древесины представляет собой сложное образование (рис. 11.1).

Каждая молодая клетка состоит из оболочки 1 и находящейся в ней протоплазмы 2. Внутри протоплазмы обычно находится одно ядро 3 (встречаются и многоядерные клетки). В процессе роста клетки протоплазма расходуется и в ней образуются полости (вакуоли) 4, которые заполняются клеточным соком. В дальнейшем отдельные вакуоли постепенно сливаются в одну общую и оттесняют протоплазму к оболочке клетки. Кроме протоплазмы, ядра и вакуолей с клеточным соком, в клетках находятся еще так называемые пластиды, т.е. бесцветные или окрашенные образования.

Протоплазма представляет собой зернистую, прозрачную, тягучую слизь (растительный белок). Ядро имеет обычно овальную форму, в нем находится одно или несколько блестящих ядрышек и тонкие нитеобразные белковые вещества, которые называются хроматинами. Ядро, так же как и протоплазма, состоит из сложного белкового соединения.

Пластиды в зависимости от окраски делятся на лейкопласты – бесцветные пластиды, хромопласты – с желтым и оранжевым пигментом и хлоропласты, содержащие зеленый пигмент, который называется хлорофиллом. Хлорофилловые зерна находятся преимущественно в листьях и под влиянием солнечных лучей превращают углекислый газ воздуха в различные органические соединения (углероды, белки, жиры).

Растения, лишенные хлорофилла, сами не могут вырабатывать органические соединения, необходимые им для жизни растения, и поэтому вынуждены паразитировать.

Клеточный сок, заполняющий вакуоли, представляет собой водный раствор различных веществ: углеводов, пигментов, дубильных веществ и свободных органических кислот.

Оболочка клетки в основном состоит из целлюлозы или клетчатки (С₆Н₁₀О₅)n. Степень полимеризации n достигает значений от 300 до 6000 и более. Целлюлоза – линейный гетероцепной однородный полимер, имеющий большое число гидроксильных групп (ОН), образующих водородную связь. Эта связь между водородным атомом гидроксила одной цепи и кислородным атомом гидроксила соседней цепи придает повышенную жесткость полимеру, так как способствует сращиванию цепных молекул в целлюлозных волокнах.

Кроме водородных связей для целлюлозы характерно также внутри- и межмолекулярное взаимодействие, т.е. силами Ван-дер-Ваальса, что наоборот уменьшает степень жесткости, и молекулы целлюлозы могут принимать различные расположения.

Древесные целлюлозные волокна имеют спиральную структуру и содержат примерно 55…65 % кристаллической и 25…35 % аморфной (гемицеллюлозной) части, причем у хвойных пород аморфной части меньше, чем у лиственных (28…35 %).

Являясь основным веществом древесины, целлюлоза образует в структурном отношении слоистую клеточную оболочку (стенку), способную при механической обработке распадаться на тонкие целлюлозные волоконца – фибриллы, а при химической – на микрофибриллы. Фибрилла имеет кристаллическую структуру, так как для нее типичным является регулярное расположение молекул, характерное для молекулярной кристаллической решетки. Микрофибриллы также в основном сохраняют кристаллические (ориентированные) области.

В клеточной оболочке наблюдается слоистость. Материал оболочки образуется за счет распада протоплазмы, поэтому по мере роста клетки количество протоплазмы в ней уменьшается. Более старая оболочка клетки содержит большее количество минеральных веществ. По мере окончания роста клетки происходит постепенное утолщение оболочки за счет нарастания последующих слоев. Иногда утолщение бывает настолько велико, что внутри клетки оболочка имеет тонкие поры. Оболочка претерпевает различные изменения в строении и составе, в результате чего происходит ее одеревенение, или опробкование, или ослизнение.

При одеревенении в оболочке клетки образуется особое вещество – лигнин, который содержит значительное количество углерода; увеличиваются также прочность и твердость, но уменьшаются упругость, способность к разбуханию и пр. Одеревенение клеток происходит преимущественно в стволе.

Лигнин, другой структурообразующий компонент древесины, тоже природный полимер, представляющий собой высокомолекулярную ароматическую часть, количество которой в древесине хвойных пород до 28-30 %, а в древесине лиственных пород – 18-24 %. В древесине он был открыт более 145 лет назад, но его весьма сложное строение до сих пор остается не полностью выясненным. Полагают, что это смесь нерегулярных разветвленных полимеров сетчатой структуры. От целлюлозы лигнин отличается повышенным содержанием углерода – 60-65 % по сравнению с 4 % в целлюлозе.

В химическом отношении лигнин – реакционно-способный полимер. По сравнению с целлюлозой лигнин обладает меньшей стойкостью – он легче окисляется.

Оба основных компонента древесины – целлюлоза и лигнин взаимодействуют между собой на химическом уровне.

Клеточная структура древесины в первом приближении представляет собой конструкционное сочетание целлюлозы с лигнином. Волокна целлюлозы обладают высокой прочностью на разрыв, но легко изгибаются. Лигнин объединяет их в единое целое с помощью водородных и ван-дер-ваальсовых сил связи и когезии, поэтому в совокупности древесина – по существу природный органический материал с конгломератным типом структуры, в котором имеются матричная пространственная сетка из лигнина и кристаллический волокнистый наполнитель в виде целлюлозы. Оба этих компонента, как ужу отмечалось, теснейшим образом взаимосвязаны и представляют природный композиционный материал (конгломерат). Эта структура хорошо, например, видна на микроснимке, полученном американским ученым Э.Келли для среза осины при увеличении в 11000 раз (рис. 11.2). Темная полоса – лигнин, менее темная – стенка целлюлозной клетки, а светлая область – полость клетки.

Подобно искусственным конгломератам, древесина содержит капилляры и поры различных размеров; в период жизни дерева они имеют большое значение для передвижения воды и питательных соков, их накопления и пр. Крупные капилляры являются полостями и порами стенок, капилляры и поры тонкие и мельчайшие находятся между фибриллами, микрофибриллами и вокруг микрофибрилл.

Если в крупных капиллярах удельная площадь внутренней поверхности невелика, составляя, например, у ели около 0,2 м²/г, то у мельчайших пор она очень большая, например, у ели при диаметрах капилляров 10×10^-8 – 10×10^{-7 см (от 10 до 100 Ǻ) удельная площадь их поверхности составляет до 300 м2}/г. Такое различие капилляров отражается на характере их контакта с водой. Крупные капилляры могут заполняться водой, которая мало влияет на состояние древесины и ее качество как строительного материала. Эта влага сравнительно легко приходит в капилляры и поры, особенно при контакте дерева с водой, заполняет полости и может составлять до 100-200 % к массе абсолютно сухой древесины, но она также сравнительно быстро и легко удаляется из них при сушке. Тонкие поры и капилляры заполняются не только при контакте с водой, но и в условиях влажного воздуха в связи с гигроскопичностью древесины по законам капиллярных сосудов. Гигроскопическая влага сорбируется на стенках клеток, частично переходя в коллоидно-связанную с веществом дерева. Предельное насыщение древесины гигроскопической влагой составляет 25-35 % (в среднем 30 %) к массе абсолютно сухой древесины и называется пределом насыщения клеточных стенок. Насыщение гигроскопической влагой до этой предельной точки сопровождается набуханием древесины, изменением (ухудшением) ее физических и механических свойств. Увеличение влаги после 30%-ного ее содержания на механические свойства древесины почти не отражается; не увеличивается и ее объем за счет набухания.

Опробкование сопровождается образованием в оболочке клетки вещества, более бедного кислородом, чем лигнин. В результате опробкования клетка хорошо противостоит гниению и становится непроницаемой для воды и газов. Опробкованию подвергаются обычно клетки на поверхности растения.

Ослизнение сопровождается превращением всей оболочки или части ее в камедь, или слизь, которая растворяется в воде. Если ослизняется часть оболочки, образуются отверстия, которыми клетки соединяются между собой, образуя сосуды.

Хотя клетки плотно прилегают друг к другу и соединены между собой межклеточным веществом, но между ними образуются межклеточные пространства, заполняющиеся выделениями клеток (например, у хвойных пород – смолой). Кроме смоляных ходов могут быть воздухоносные межклеточные ходы.

Небольшую часть древесины (2…4 %) составляют экстрактивные вещества. Они не входят в состав клеточной стенки, а способны лишь пропитывать ее. Экстрактивные вещества в основном содержатся в полостях клеток и межклеточном пространстве. В отличие от углеводов и лигнина экстрактивные вещества – низкомолекулярные соединения, которые извлекаются из древесины нейтральными растворителями – водой, обычными органическими растворителями. Хотя их немного, но они придают древесине цвет, запах, вкус, иногда токсичность, помогают дереву сопротивляться гниению, поражению грибами и т.д. Среди экстрактивных веществ – смолы и смоляные кислоты, танниды (дубители), эфирные масла, красители, камеди, белки и др. В каждой породе присутствуют только некоторые экстрактивные вещества, по-разному распределяясь внутри дерева.

Содержание смол в лиственных породах – до 1 %, а в хвойных может быть до 20 %.

 

Строение дерева

 

Дерево относится к многолетним растениям. В нем различают: ствол, ветви, листья и корни. Листья и ветви образуют крону дерева. Корни служат для укрепления дерева в грунте и для всасывания влаги и растворенных в ней минеральных веществ и передвижения их по стволу; ствол удерживает крону дерева и служит для перемещения воды и солей от корней к листьям, а от листьев в обратном направлении, к корням, органических веществ, которые частично откладываются в стволе.

Ствол составляет главную массу дерева (от 50 до 90 % объема) и является основной частью с точки зрения использования для строительных целей; корни занимают от 5 до 25 % и ветви – от 5 до 20 % объема дерева. Дерево по мере роста обычно освобождается в нижней части от веток, ствол же увеличивается как в длину, так и в диаметре. Ствол, имеющий форму, приближающуюся к цилиндру, называется полнодревесным, а при значительном уменьшении диаметра ствола от комля к вершине – сбежистым. Прирост ствола как в длину, так и по диаметру вначале происходит довольно быстро, но после достижения некоторого максимума этот прирост постепенно уменьшается.

 

Строение древесного ствола

 

Структура древесного ствола отличается значительной неоднородностью. Это подтверждается простым наблюдением невооруженным глазом на главных разрезах ствола (рис. 11.3).

Структуру ствола дерева изучают по трем направлениям:

- поперечному (торцовому), проходящему перпендикулярно оси ствола;

- радиальному, проходящему вдоль ствола через его ось;

- тангенциальному, проходящему вдоль ствола на некотором расстоянии от оси (по хорде поперечного сечения).

Ствол дерева состоит из многочисленных клеток, вытянутых в основном по его длине. Клетки ствола группируются определенным образом и образуют на торце ствола систему концентрических колец. Вместе с другими элементами они формируют макроструктуру древесины.

 

Макроструктура древесины

 

Основными элементами макроструктуры древесины являются (рис. 11.4):

- кора;

- луб;

- камбий;

- заболонь;

- ядро;

- сердцевина.

Функциональная роль каждого элемента макроструктуры древесины описана ниже.

Кора защищает дерево от механических повреждений и внешних температур. Из коры некоторых пород (пробковый дуб, бархатное дерево) изготовляют пробку, теплоизоляционные изделия, дубильные вещества и др.

Луб – тонкая внутренняя часть коры, обычно светлого цвета, состоит из ситовидных трубок и лубяных волокон, служит для перемещения органических веществ, выработанных листьями (нисходящий ток).

Камбий располагается непосредственно за лубом в виде тонкого слоя живых клеток. Камбий образует механическую ткань, состоящую из толстостенных сплюснутых клеток, которые способны к росту и делению.

Образовавшиеся в течение вегетационного периода слои ранней и поздней древесины называют годичными слоями или кольцами. По числу годичных слоев можно ориентировочно судить о возрасте дерева.

Далее от камбия к центру идет обычно самый толстый слой древесины – заболонь.

Заболонь – светлая зона ствола, окружающая ядро. В основном она состоит из живых клеток. Как правило, древесина заболони светлоокрашенная. По механическим свойствам она не уступает древесине ядра, но хуже сопротивляется загниванию.

Ядро – внутренняя зона древесного ствола, большей частью темноокрашенная. Ядро образуется в результате отмирания живых клеток древесины. Темная окраска ядра объясняется отложением в клетках древесины смолы, дубильных и красящих веществ, углекислого кальция. Эти вещества увеличивают стойкость ядра против загнивания.

Породы, имеющие заболонь и ядро, называют ядровыми (дуб, сосна, лиственница, тополь, каштан, кедр и др.).

Древесина некоторых пород имеет своеобразную окраску ствола, но центральная часть ствола обладает всеми свойствами ядра и, в частности, меньшей влажностью. Более сухую центральную часть древесины таких пород называют спелой древесиной. Ядровая и спелая древесина обладает более высокими техническими свойствами, чем заболонная. Если древесина центральной части ствола ничем не отличается от периферийной (например, у березы, ольхи, граба, клена и др.), то такие породы называют заболонными. В раннем возрасте древесина всех пород имеет только заболонь.

Сердцевина расположена в центральной части ствола по всей его высоте. Она состоит из крупных тонкостенных клеток, имеет рыхлое строение и является наиболее слабой частью ствола, склонной к загниванию. Для накопления и проведения питательных веществ в поперечном направлении служат сосудисто-волокнистые ткани, которые называются сердцевинными лучами.

Изучение макроструктуры древесины дает представление о ярко выраженной анизотропии свойств.