Структура и состав древесины

Физические и механические свойства древесины определяются ее трубчато-волокнистым анатомическим строением, тонкой анизотропной структурой клеточных оболочек, малой плотностью древесинного вещества () и относительно высокой прочностью его вдоль волокон.

Для изучения свойств необходимо рассмотреть как макро-, так и микроструктуру древесины.

Макроструктура древесины рассматривается на трех сечениях: поперечном, радиальном и тангенциальном.

На поперечном сечении ствола дерева различают следующие части:

- под корой расположен тонкий слой камбия, который обуславливает прирост древесины и коры;

- в центре сечения ствола расположена сердцевина, имеющая форму небольшого круглого пятнышка диаметром ;

- сердцевину окружает древесина темного цвета, которая называется ядром;

- между ядром и камбием располагается светлая древесина называемая заболонью.

Основным веществом, из которого состоит древесина, является целлюлоза, с возрастом размеры ядра увеличиваются за счет того, что клетки заболони пропитываются лигнином - веществом, которое по составу близко целлюлозе.

На поперечном сечении ствола можно увидеть концентрические слои, которые представляют собой ежегодный прирост древесины и называются годовыми слоями. Годовой слой состоит из двух частей: более светлая часть слоя представляет раннюю древесину, которая образуется весной; более темная древесина называется поздней, она образуется летом и является более прочной.

У хвойных деревьев на поперечном сечении можно видеть сердцевинные лучи, имеющие более слабую структуру. По этим лучам производится отток смолы.

На радиальном сечении годовые слои имеют вид вертикальных прямых, а сердцевинные лучи имеют вид поперечных блестящих участков, идущих от сердцевины к коре. При таком сечении структура древесины не нарушается и работает с максимальной прочностью.

На тангенциальном сечении годовые слои имеют веретенообразный вид за счет того, что ствол дерева имеет коническую форму, и при подобном разрезе происходит нарушение структуры древесины, т.к. разрезаются годовые слои.

Основным элементом микроструктуры древесины хвойных пород являются трахеиты, которые представляют собой вытянутые вдоль ствола пустотелые отмершие клетки. Они придают древесине механическую прочность. Длина трахеит составляет , ширина - . Толщина стенок трахеит в ранней части годового слоя , в поздней - , что определяет большую прочность поздней древесины по сравнению с ранней.

Другим структурным элементом являются паренхимные клетки, входящие в состав сердцевинных лучей.

Оболочка клетки имеет первичную и вторичную стенки, состоящие из целлюлозных волоконец - микрофибрилл. Вторичная стенка состоит из трех слоев: тонкого внешнего слоя, где микрофибриллы направлены под углом к продольной оси клетки; мощного центрального слоя, где микрофибриллы направлены по очень крутым спиралям - под углом и менее к продольной оси, и тонкого внутреннего слоя с расположением микрофибрилл по спиралям, но под большим углом к продольной оси клетки.

Механическая прочность древесины определяется главным образом наличием вторичной стенки - ее мощного центрального слоя. Спиральное расположение микрофибрилл во вторичной стенке придает значительную прочность древесине на растяжение.

Качество лесоматериалов определяется в основном степенью однородности строения древесины, от которой зависит ее прочность. Неоднородность строения древесины возникает в процессе роста дерева, хранения лесоматериалов на складах, сушки, обработки и в процессе эксплуатации конструкций. Степень однородности древесины определяется размерами и количеством участков, где однородность ее строения нарушена. Такие участки называются пороками.

Недопустимыми пороками древесины являются гниль, червоточина и трещины в зоне скалывания в соединениях. Допускаемыми пороками являются: сучки, остатки ветвей, вызывающие искривление направления волокон древесины; косослой, который образуется в результате винтообразного расположения волокон в стволе и при распиловке конусообразной формы стволов (сбега); трещины. Существуют и другие менее распространенные пороки: мягкая сердцевина, выпадающие сучки и т.д.

Основными факторами, определяющими сорт древесины, являются размеры сучков и наклон волокон в элементе. Например: 1-ый сорт - общий диаметр сучков на длине 20 см и наклон волокон не более 7 %; 2-ой сорт - и наклон волокон не более 10%; 3-ий сорт - и наклон волокон не более 12%.

В конструкционной древесине годовые слои должны быть не шире , и поздняя древесина должна составлять не менее 1/5 их ширины.

Древесину 1-го сорта рекомендуется применять для изготовления ответственных элементов конструкций, работающих на растяжение и растянутых зонах высоких клеедеревянных балок, древесину 2-го сорта - для прочих элементов несущих строительных конструкций, 3-го сорта - в малонапряженных настилах и обшивках.

Влага в древесине

Величина влажности древесины определяется по количеству воды, содержащейся в ней в процентах от ее веса в абсолютно сухом состоянии.

Влага, заполняющая в древесине пустоты, называется свободной или капиллярной. Влага, пропитывающая оболочку клеток, называется гигроскопической или связанной. Максимальное количество гигроскопической влаги составляет при около и мало зависит от ее породы.

Влажность древесины в значительной степени влияет на ее физико-механические свойства. По влажности древесина имеет следующую классификацию:

1. при - воздушно- сухая древесина, при определяются физико-механические свойства древесины;

2. при - полусухая древесина;

3. при - сырая.

В свежесрубленной древесине влажность . При высыхании сначала удаляется свободная влага с поверхности элемента с одновременным перемещением ее из внутренних слоев к наружным. Это приводит к равномерному распределению влаги по сечению. Перераспределение влаги происходит до величины, соответствующей температуре и влажности окружающей среды. Такая влажность называется равновесной.

При удалении свободной влаги процесс сушки происходит сравнительно быстро, без изменения линейных размеров и объема, уменьшается только объемный вес древесины.

При дальнейшей сушке в результате удаления связанной влаги изменяются линейные размеры и объем древесины, т.е. происходит усушка древесины.

При высыхании толстых элементов влажность по сечению выравнивается медленно, неравномерность распределения в начале процесса может быть значительной. К такому же эффекту приводит большая плотность древесины. У хвойных пород у поздней древесины усушка примерно одинакова в радиальном и тангенциальном направлениях, у ранней усушка в тангенциальном в 2 - 3 раза больше усушки в радиальном.

Неравномерная усушка приводит к появлению сжимающих усилий во внутренних годовых слоях и растягивающих усилий в поверхностных годовых слоях. Это приводит к появлению радиальных усушечных трещин, направленных по сердцевинным лучам и уширяющихся от сердцевины к периферии.

Если возможно свободное развитие деформаций, то возникающие напряжения не превышают соответствующих пределов прочности, но появляется коробление - изменение формы сечения, следствие того, что усушка в радиальном и тангенциальном направлениях различна: в радиальном составляет ; в тангенциальном - .

Процесс набухания представляет собой обратное явление усушке, проявляющееся при поглощении древесиной влаги из окружающей среды, которая пропитывает оболочки клеток, что приводит к нарастанию линейных размеров и объема. При увеличения объема и линейных размеров не происходит.

Для защиты от набухания (коробления, растрескивания и т.д.) древесину пропитывают гидрофобными веществами или покрывают водостойкими лаками или красками, что приводит к снижению скорости проникания влаги в пористую структуру древесины.