Общие сведения о древесине

Древесина относится к одному из весьма распространенных строительных материалов. Древесные материалы применялись в строительстве с глубокой древности. Еще в XII... XIII вв. русскими зодчими были созданы замечательные сооружения из древесины — мосты, стеновые укрепления, великолепные по архитектурной выразительности и долговечности здания. Некоторые из них сохранились и до сих пор как памятники архитектуры.

В XVIII...XIX вв. древесина оставалась одним из основных строительных материалов в России. Основные лесные массивы произрастают в России главным образом в Сибири и на Дальнем Востоке. Это огромная общественная ценность, определяющая климатические условия в стране, сохраняющая здоровье человека.

Древесина обладает рядом положительных свойств:

ü достаточно высокая прочность — при сжатии предел прочности составляет 35... 70 МПа, при растяжении и изгибе пределы прочности, равны 80... 120 МПа;

ü легкость — средняя плотность древесины составляет примерно 400...600 кг/м3 (у самых распространенных пород— сосны, ели, лиственницы, дуба);

ü низкая теплопроводность (особенно поперек волокон);

ü высокая химическая стойкость в отношении кислот и щелочей;

ü технологичность при использовании: гвоздимость, легкая обрабатываемость, надежная склеиваемость и т. д.;

ü красивый внешний вид.

Сочетание высокой прочности и легкости обеспечивает высокий коэффициент конструктивного качества (ККК) древесины. Этот коэффициент равен отношению предела прочности при сжатии материала к его средней плотности. У древесины этот коэффициент равен 0,7 и выше, тогда как у кирпича 0,06...0,15, у стали марок 3 и 5 — от 0,5 до 1,0. Высокие показатели ККК у пластмасс.

Текстура древесины - это естественный рисунок, образованный волокнами и слоями древесины и обусловленный особенностями ее структуры. Зависит от расположения древесных волокон, различимости годовых слоев, цветовой гаммы древесины, количества и размеров сердцевинных лучей. По цвету и текстуре определяют породу древесины.

Твердость древесины в первую очередь зависит от породы древесины, а также в большой степени от условий роста дерева, влажности и пр. В пределах одного вида разброс значений может быть весьма значительным. Обычно указываются средние относительные показатели твердости по Бринелю в процентах по отношению к дубу, относительная твердость дуба принимается за 100%.

Твердость по Бринелю определяется вдавливанием в испытываемый образец стального закаленного шарика диаметром 10 мм с определенной силой. Затем измеряют образовавшуюся лунку и рассчитывают величину твердости по Бринелю (чем меньше лунка, тем тверже древесина). Чем тверже древесина, тем выше число по этой шкале.

Древесина является гигроскопичным материалом, который обладает свойством поглощать влагу из окружающей среды и отдавать ее. Ее влажность изменяется при изменении климатической характеристики окружающего воздуха. Например, при относительной влажности воздуха 50% и температуре +20 °С равновесная влажность древесины составит 9%, при влажности воздуха 30% и температуре +25 °С этот показатель равен 5%. Скорость изменения влажности древесины зависит от породы.

При изменении влажности древесины происходит и изменение линейных размеров планок, характеризуемое коэффициентом линейного расширения. Данный показатель выражается в % от ширины планки.

Деформация древесины, являющейся анизотропным материалом, происходит неодинаково в различных направлениях и зависит от типа распила и от наличия остаточных напряжений после сушки. Свежесрубленное дерево может иметь относительную влажность древесины 50-70%. Существуют различные способы сушки древесины, в т.ч. горячим воздухом, СВЧ и с помощью вакуумных камер. В ходе технологического процесса важно не только довести влажность древесины до требуемой величины (9±3 %), но и не создать при этом остаточных напряжений, которые могут в дальнейшем привести к короблению паркета или его растрескиванию. Необходимо понимать, что даже хорошо высушенный паркет будет реагировать на перепады влажности в помещении. Но при этом изменения, происходящие в нем, не будут носить критический характер, если относительная влажность и температура в помещении соответствуют нормальным условиям. Исходя из общих для разных пород древесины критериев оценки, можно определить характеристики, которые трансформируются в потребительские свойства изделий из древесины, и составить соответствующую таблицу.

В качестве критериев оценки свойств древесины применяются следующие:

§ твердость и стойкость к нагрузкам, влияющие на износостойкость - срок службы паркетного пола;

§ стабильность и степень усадки, характеризующие реакцию древесины на изменение температуры и влажности и определяющие, в том числе совместимость разных пород в структурах художественного паркета;

§ степень окисления, определяющая стабильность цвета древесины в процессе эксплуатации; выразительность текстуры, характеризующая эстетические свойства поверхности древесины.

Защита древесины подразумевает сравнительно широкий круг мер и средств, призванных воспрепятствовать влиянию на нее воздействий, разрушающих ее или изменяющих ее характеристики в нежелательном направлении. Это, прежде всего защита от влажности, предусматривающая нанесение на поверхность дерева (с пропиткой его на некоторую глубину) лаков, восковых мастик или масел. Защита от влажности в процессе хранения и транспортировки предусматривает использование соответствующей упаковки, защищающей как от влажности, так и от механических воздействий при перевозке. Для определенных условий эксплуатации предусматривается пропитка древесины гидрофобными и антисептическими средствами.

С целью повышения твердости древесины при изготовлении некоторых видов напольных покрытий она подвергается специальному прессованию, повышающему плотность поверхностных слоев. Для таких видов напольных покрытий, как паркетная доска и пронто-паркет, используется многослойная структура в подоснове материала с взаимно-перпендикулярным креплением слоев, что способствует повышению стабильности геометрических размеров элементов напольных покрытий.

И, наконец, задаче защиты натуральной древесины служит поддержание нормальных условий эксплуатации напольных покрытий из нее. Ибо, несмотря на все защитные покрытия и меры по гидроизоляции полов, мы ценим натуральные деревянные полы, кроме всего прочего, за их способность «дышать», т.е. обеспечивать влагообмен с окружающим воздухом. Излишняя влажность или, наоборот, пересушенный воздух вредны для нас также, как и для используемых нами изделий из натурального дерева. При этом следует иметь в виду, что ни применяемая упаковка, ни любые виды защитных покрытий, используемых для полов, не обеспечивают полной влагонепроницаемости.

Древесина обладает и некоторыми недостатками, ограничивающими области ее применения:

ü анизотропностью, т. е. неоднородностью ее структуры и свойств в разных направлениях;

ü повышенной гигроскопичностью;

ü загниваемость в переменно-влажностных условиях;

ü легкая возгораемость;

ü наличие разнообразных пороков, снижающих сортность древесных материалов.

Большинство этих недостатков возможно преодолевать техническими мероприятиями и созданием благоприятных условий при эксплуатации конструкций из древесины.

Строение древесины изучают на трех разрезах ствола — поперечном, или торцевом, радиальном, проходящем через ось ствола, и тангенциальном, параллельном оси ствола.

Ствол состоит из следующих структурных элементов:

§ Кора состоит из корки и луба. Луб проводит питательные вещества от кроны в ствол и корни. Кора составляет от 6 до 25% объема дерева.

§ Камбий, расположенный под лубом,— тонкий кольцевой слой живых клеток, способных к делению и росту; большая их часть откладывается в сторону древесины, меньшая — в сторону луба. Древесина является основной частью ствола и находится под камбиальным слоем. По ней поднимается вода от корней в крону.

§ Сердцевина, или сердцевинная трубка, — примерно в центре ствола вдоль его оси является рыхлой первичной малопрочной тканью. Древесина состоит из концентрически расположенных годичных слоев. Каждый годичный слой представлен ранней (весенней) и поздней (летней) древесиной. Ранняя древесина образуется весной и в начале лета, поздняя — летом и в начале осени. Чередуясь, ранняя и поздняя древесина создают слоистость в строении дерева. Летняя древесина является более плотной, чем весенняя.

§ По радиальным направлениям в виде узких полосок проходят так называемые сердцевинные лучи, чаще невидимые простым глазом; они видны у дуба, бука, клена и некоторых других пород дерева.

§ Лиственные породы имеют водопроводящие сосуды, которые проходят вдоль оси ствола в древесине и на поперечном разрезе видны их только сечения разной формы. В некоторых породах они крупные и хорошо видны, образуя как бы кольца. Такие породы называют кольцесосудистыми—дуб, ясень, вяз. Породы с мелкими, беспорядочно расположенными сосудами называют рассеянно-сосудистыми — береза, осина, липа, клен, ольха, бук.

§ В разном возрасте внутренняя часть древесины ствола некоторых пород приобретает более темную окраску, что объясняется выделением в эту древесину дубильных и красящих веществ. Такая древесина называется ядровой или ядром, а породы, имеющие ядро, называются ядровыми. К ним относятся: из хвойных пород — сосна, лиственница, кедр; из лиственных — дуб, ясень, вяз.

§ Периферийная, неокрашенная часть древесины — заболонная (заболонь). В породах, в которых отсутствует ядро, имеется только заболонь; они называются заболонными: береза, липа, клен, граб и др. Различают еще одну разновидность пород — спелодревесные, которые имеют спелую древесину в центральной части ствола (более сухую, чем остальная), заболонь одинаковой со спелой древесинной окраской. К ним относятся ель, пихта, бук, осина. Древесина ядра имеет пониженную влажность и повышенные стойкость против загнивания и прочность по сравнению с древесиной заболони.

§ У многих хвойных пород (сосна, ель, лиственница, кедр и др.) присутствуют смоляные ходы, представляющие собой тонкие каналы в древесине, заполненные смолой. Они отсутствуют у пихты, можжевельника, тисса. Смоляные ходы бывают вертикальными и горизонтальными, сообщающимися друг с другом. Простым глазом можно рассмотреть только вертикальные смоляные ходы. Смола повышает стойкость древесины против гниения.

Пороками древесины называют различные отклонения от нормы, существенно изменяющие и, как правило, понижающие качество древесины, ограничивающие ее использование. К порокам относят также повреждения древесины грибами и насекомыми, а иногда и дефекты, возникающие при обработке древесины (например, при камерной сушке). Всего насчитывают свыше 200 пороков.

Пороки делят на девять групп; сучки, трещины, пороки формы ствола, пороки строения древесины, химические окраски, грибные поражения, повреждения насекомыми, инородные включения и дефекты, деформации.

Пороки древесины можно разделить также по времени их образования:

§ возникающие в растущем дереве

§ образующиеся в срубленном дереве

Пороки растущего дерева переходят в срубленную древесину, в которой, в свою очередь, возникают пороки, аналогичные некоторым порокам растущего дерева. Поэтому обычно их рассматривают совместно.

Сучки— живые и отмершие, закрытые и заросшие, здоровые и загнившие представляют собой части ветвей, заключенные в древесине. Они нарушают однородность строения древесины, затрудняют обработку пиломатериалов, нарушают правильность распределения внутренних напряжений, снижают прочность древесины и, следовательно, ее сортность.

Ненормальные окраски и гнили. Ложное ядро отличается от настоящего ядра древесины непостоянством по времени образования, по форме и размерам. Ложное ядро чаще всего встречается у бука, березы и других заболонных и спелодревесных пород; иногда располагается эксцентрично. Значительного влияния на качество древесины этот порок не оказывает, если отсутствует признак загнивания, но может нарушать общую фактуру изделия.

Пятнистость(радиальная и тангенциальная) наблюдается на торце в виде пятен шириной не более ширины годичного слоя, вытянутых на радиальном срезе незначительно в виде узких полос, а на тангенциальном — в виде широких полос, вытянутых вдоль ствола на несколько метров. Этот порок, ухудшая внешний вид пиломатериалов, не влияет на их механические свойства.

Ложное ядро и пятнистость характерны для растущего дерева. Но изменение окраски, сопровождаемое гнилью, наблюдается также и у срубленной древесины при ее хранении. В частности, к ним относятся химические и грибные окраски. К химическим окраскам относятся желтизна, оранжевая окраска, продубина, чернильные пятна, дубильные потеки. Все эти разновидности окраски проникают на глубину 1 ... 5 мм, но мало влияют на физико-механические свойства древесины, ухудшая в основном только внешний вид пиломатериалов.

Грибные окраски (гнили) поражают отмирающую и мертвую древесину.

На отмирающей древесине при медленном подсыхании образуется так называемая прелость вследствие поражения складскими грибами: плесень, цветной налет в 1 ... 2 мм глубиной, цветная заболонь, синева, коричневая или желтая окраска (в виде лимонно-желтых пятен и полос в отличие от химической окраски), коричная окраска; эти окраски развиваются за счет содержимого отмирающих клеток и мало затрагивают клеточные стенки, поэтому физико-механические свойства древесины ухудшаются незначительно. Более опасными являются изменения окраски древесины, связанные с формированием гнили у растущего дерева и мертвой древесины.

Гнили у растущего дерева — пестрая, белая и бурая — образуются под воздействием грибов. Белая, пестрая (коррозийные гнили) и бурая (деструктивная) гнили развиваются постепенно с появлением пятен и полос до появления мягкой гнили, имеющей трухляво-волокнистую структуру и легко ломающейся пальцами. Гнилая древесина почти полностью теряет свои механические свойства, сильно понижается плотность; она непригодна к использованию в строительстве.

Гнили мертвой древесины являются одним из самых опасных видов пороков. Они могут развиваться после вторичного увлажнения в лежалой древесине и открытых деревянных сооружениях. Особенно распространена бурая деструктивная гниль, вызываемая грибами заборным, столбовым, шпальным и др. Древесина становится бурой, появляются поперечные и продольные трещины; древесина быстро приобретает трухлявость и распадается на куски.

В закрытых сооружениях, плохо проветриваемых, с высокой влажностью и умеренной температурой развивается бурая деструктивная гниль под воздействием так называемых домовошахтных грибов, настоящего домового гриба (грибница ватообразная с каплями желтоватой жидкости), пленочного домового гриба (плодовое тело пленчатое распростертое), белого домового гриба (плодовые тела белые, мягкие, распростертые с большими угловатыми порами), шахтного или пластинчатого домового гриба (развивается в подземных сооружениях).

Эти разновидности грибов и делают древесину непригодной для применения, и опасной для окружающих древесных материалов.

Водослой— участок древесины, сильно пропитанный водой, расположенный на месте ядра, спелой древесины, ложного ядра или радиальной пятнистости. Как правило, водослой связан с очагами гнили. Водослойная древесина отличается повышенными усушкой и разбуханием; после высыхания образуются трещины.

Грибные ядровые пятна и полосы — измененная окраска в зоне ядра, вызываемая грибами в растущем дереве, наблюдается на торцах и продольном разрезе. Этот порок имеет также название как темнина или краснина. Ухудшая внешний вид пиломатериалов, порок на механические свойства почти не оказывает заметного влияния.

Значительное влияние на снижение качества древесины оказывают пороки, именуемые трещинами. Они характерны как для растущего дерева, так и для мертвой древесины, хотя их вид и paзмеры различные.

Трещины

Трещины продольные — метиковые, простые и сложные. Эти трещины проходят через сердцевину ствола, находясь обычно в пределах зоны ядра или спелой древесины. Они идут по длине ствола от комля (нижней части растущего дерева) до зоны живых сучков, расширяясь от периферийной части ствола к сердцевине.

Простые метиковые трещины расположены по одному диаметру и идут по длине ствола в одной плоскости; сложные — по одному диаметру, но идут по спирали или по нескольким диаметрам (тогда по длине ствола идут по нескольким плоскостям).

Отлупные трещины — неполные и кольцевые — внутренние трещины, проходящие в зоне ядра или спелой древесины между годичными слоями. Отлуп как порок особенно часто встречается у дуба, осины, пихты, тополя, ели. Как и метиковые, отлупные трещины образуются при раскачке дерева ветром и при резкой смене температуры. Метики и отлуп, возникнув у растущего дерева, увеличиваются в своих размерах в срубленном дереве при его высыхании.

Морозные трещины — открытые радиальные трещины, видимые на поверхности ствола (чаще в комлевой части дерева) и распространяющиеся до сердцевины. Возникают зимой при резком охлаждении стволов. Чаще всего поражают толстые стволы клена, бука, дуба, ясеня, ореха, а иногда осину и липу.