Материалы и изделия из древесины

Рассматриваемые вопросы

1. Свойства древесины различных пород

2. Лесоматериалы и изделия из древесины

Древесиной называют освобожденную от коры часть ствола дерева, имеющую слоисто-волокнистое строение. Древесина обладает рядом ценных свойств: небольшой плотностью, высокой прочностью, малой теплопроводностью, гибкостью и упругостью, высоким коэффициентом конструктивного качества. Однако при использовании древесины в строительстве необходимо учитывать такие недостатки этого материала, зависящие от его строения и состава, как неоднородность свойств по объему и направлению (анизотропию), гигроскопичность, которая приводит к изменению размеров, короблению и растрескиванию, загнивание во влажных условиях и сгораемость.

Строение древесины.На торцевом срезе ствола дерева видна кора, камбий и древесина. Кора состоит из наружной кожицы, пробкового слоя под ней и внутреннего слоя – луба, который проводит питательные вещества по стволу дерева. Камбий, расположенный под лубом, представляет собой тонкий слой живых клеток, способных к делению и росту. Древесина является основной частью ствола и находится под камбиальным слоем. Древесина состоит из годичных слоев. Каждый годичный слой представлен ранней и поздней древесиной. Ранняя древесина образуется весной и в начале лета, поздняя – летом и в начале осени. Поздняя древесина является более плотной и прочной, чем ранняя.

В древесине на торцевом срезе можно выделить сердцевину, ядро и заболонь. Сердцевина – рыхлая первичная ткань, которая имеет малую прочность и легко загнивает. Ядро, или спелая древесина – внутренняя часть ствола дерева, состоящая из омертвевших клеток. Ядро выделяется темным цветом и обладает большей прочностью и стойкостью к загниванию по сравнению с древесиной заболони. Заболонь состоит из живых клеток, имеет бóльшую влажность, легко загнивает, вследствие большой усушки усиливает коробление пиломатериалов.

Древесные породы делят: 1) на ядровые, имеющие ядро и заболонь (дуб, ясень, сосна, лиственница, кедр и др.); 2) спелодревесные, имеющие спелую древесину (она не отличается по цвету от заболони) и заболонь (ель, пихта, осина, бук и др.); 3) заболонные, у которых отсутствует ядро (береза, клен, ольха, липа).

Микроструктура древесины включает разного рода клетки. Оболочка (стенка) клетки состоит на 99 % из органических соединений, главнейшими из которых являются целлюлоза и лигнин. Лигнин – природный полимер, соединяющий в единое целое целлюлозные волокна. Древесина содержит капилляры и поры различных размеров. В древесине содержится влага различных типов: химически связанная, связанная молекулярными силами или гигроскопическая, капиллярная и свободная. Крупные поры и капилляры заполняются водой при непосредственном контакте древесины с водой. Тонкие поры и капилляры заполняются влагой из воздуха при гигроскопическом увлажнении.

Основные хвойные породы древесины. Сосна - ядровая порода, у которой ядро буро-красного цвета, а заболонь – желтого. Древесина сосны легкая (средняя плотность 470–540 кг/м³), легко обрабатывается, при этом достаточно прочная.

Ель по качеству древесины уступает сосне, имеет спелую древесину бело-желтого цвета, менее смолистую и более легкую (плотность 440–500 кг/м³) с большим количеством сучков.

Лиственницаимеет ядро красновато-бурого цвета; ее древесина плотная (плотность 630–790 кг/м³), твердая, прочная, менее подвержена гниению, чем у сосны. Применяется в гидротехническом строительстве, для строительства мостов, из неё изготавливают шпалы.

Кедр имеет мягкую легкую древесину, имеющую более низкие механические свойства, чем у сосны. Из нее изготавливают пиломатериалы, столярные изделия, декоративную фанеру для отделки мебели.

Пихтапо древесине схожа с елью, но не имеет смоляных ходов, легко загнивает, поэтому ее не применяют во влажных условиях эксплуатации.

Основные лиственные породы древесины.Дубимеет плотную (около 720 кг/м³), очень прочную и твердую древесину. Ядро у дуба темно-бурое, заболонь желтая, на разрезе древесины имеются крупные сердцевинные лучи. Дуб применяют в ответственных конструкциях гидротехнических сооружений, мостостроении, для изготовления паркета, мебели.

Ясеньимеет тяжелую, гибкую и вязкую древесину, но менее прочную, чем у дуба. Благодаря красивой текстуре ценится в мебельном производстве и столярно-отделочных работах.

Береза- распространенная заболонная порода, имеет тяжелую (около 650 кг/м³) древесину, которая легко загнивает во влажных условиях. Используют для изготовления фанеры, столярных и отделочных материалов (в том числе для имитации ценных пород древесины).

Бук- спелодревесная порода, имеющая тяжелую и твердую древесину, которая легко раскалывается и относительно легко загнивает. Применяют для производства паркета, мебели, фанеры.

Грабимеет древесину, схожую с буковой, но более тяжелую. Используют для тех же целей, что и бук.

Осина - заболонная порода с мягкой и легкой древесиной (420-500 кг/м³), склонной к загниванию. Служит сырьем для производства фанеры, древесных плит.

Ольха- заболонная порода с мягкой древесиной, склонной к загниванию. Как и березу, используют для изготовления фанеры.

Липа- спелодревесная мягкая порода. Используют для изготовления фанеры, мебели, тары.

Свойства древесины

Свойства древесины подразделяются на физические и механические. Важное значение имеют также наличие в древесине тех или иных пороков и ее стойкость к загниванию.

Физические свойства древесины.К основным физическим свойствам древесины относят влажность, усушку, набухание, истинную и среднюю плотность, пористость, теплопроводность и др.

Древесина, имея волокнистое строение и высокую пористость (55–65 %), обладает большой внутренней поверхностью, которая легко адсорбирует влагу из воздуха. При изменении температурно-влажностных условий эксплуатации древесина легко впитывает и отдает влагу, что сказывается на ее влажности. Влажность, соответствующая предельному содержанию связанной молекулярными силами влаги при ее отсутствии в свободном состоянии, называется пределом гигроскопичности древесины или точкой насыщения волокон. Предел гигроскопичности древесины в среднем равен 30 %. Влажность влияет на все физические и механические свойства древесины (увеличение влажности приводит, например, к повышению электропроводности, увеличению размеров, снижению прочности). В зависимости от влажности древесину подразделяют: на мокрую, длительное время находившуюся в воде, влажностью свыше 100 %; свежесрубленную, влажностью 50–100 %, воздушно-сухую, долгое время хранившуюся на воздухе, влажностью 15–20 %; комнатно-сухую, влажностью 8–12 % и абсолютно сухую, влажностью около 0 %. Влажность древесины, длительно находящейся при постоянном температурно-влажностном режиме, называют равновесной. Для получения сравнимых данных о физико-механических показателях древесины, зависящих от влажности, используется понятие стандартная влажность древесины, значение которой установлено равным 12 %.

Усушка и набухание древесины происходят при изменении ее влажности. Различают линейную и объемную усушку. Линейную усушку поперек волокон определяют в двух направлениях – тангенциальном и радиальном. Усушка в радиальном направлении составляет 3–6 %, в тангенциальном – в 1,5–2 раза больше, чем в радиальном. Усушку вдоль волокон ввиду ее незначительной величины не определяют. Объемная усушка составляет в среднем 12–15 %. Усушка и набухание происходят в пределах гигроскопичности (0–30 %), при этом изменяются (ухудшаются) и физико-механические свойства древесины. Увеличение влажности сверх 30 % на свойствах древесины почти не отражается; не увеличивается и ее объем за счет набухания.

Истинная плотность древесного вещества всех пород примерно одинакова и составляет 1,54 г/см³. Средняя плотность изменяется от 380 кг/м³ (сибирская пихта) до 1110 кг/м³ (ядро фисташки). Для пересчета плотности древесины с влажностью до 30 % на плотность при стандартной влажности используют формулу

, (12.1)

где – средняя плотность древесины при стандартной влажности, г/см³; – средняя плотность древесины при данной влажности, г/см³; k₀ – коэффициент объемной усушки, %; W – влажность образца, %.

Если коэффициент объемной усушки k₀ не определялся, то при пересчете плотности на стандартную влажность для древесины березы, бука и лиственницы значение его берут равным 0,6, а для прочих пород – 0,5.

Теплопроводность древесины вследствие ее высокой пористости в целом невелика, при этом вдоль волокон теплопроводность значительно больше, чем поперек. Например, теплопроводность сосны вдоль волокон равна 0,35 Вт/(м °С), а поперек волокон – 0,17 Вт/(м °С). Древесина – горючий материал с температурой воспламенения 238–255 °С.

Механические свойства древесины. Механические свойства древесины характеризуются пределами прочности при сжатии (вдоль и поперек волокон), растяжении, статическом изгибе и скалывании, модулями упругости. При испытании на прочность образцы, как правило, должны иметь нормализованную влажность (равновесную влажность в среде с температурой (20±2) °С и относительной влажностью воздуха (65±2) %). Для этого перед испытанием образцы кондиционируют при указанных параметрах среды до приобретения древесиной нормализованной влажности. В то же время действующим стандартом допускается проводить испытания на образцах, не подвергавшихся кондиционированию, с влажностью, отличающейся от нормализованной.

Предел прочности при сжатии вдоль волокон кондиционированных образцов пересчитывают на стандартную влажность 12 % с погрешностью до 0,5 МПа по формулам:

– для образцов с влажностью меньше предела гигроскопичности (30 %)

, (12.2)

где – предел прочности при сжатии образца при стандартной влажности, МПа; – предел прочности при сжатии образца с влажностью W в момент испытания, МПа; a – поправочный коэффициент, равный 0,04; W– влажность образца в момент испытания, %;

– для образцов с влажностью, равной или больше предела гигроскопичности,

, (12.3)

где – коэффициент пересчета при влажности 30 %, равный 0,550 – для дуба, липы, ольхи; 0,450 – бука, сосны; 0,445 – ели, осины, пихты, тополя; 0,400 – березы и лиственницы.

Предел прочности древесины на сжатие поперек волокон в 4–6 раз меньше предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Предел прочности древесины при статическом изгибе при данной влажности (в МПа) определяют на образцах в форме прямоугольной призмы с поперечным сечением 20´20 мм и длиной вдоль волокон 300 мм по формуле

, (12.4)

где – максимальная разрушающая нагрузка, приложенная по центру образца, Н; l – расстояние между опорами, мм; b и h – ширина и высота образца, мм.

Пересчет предела прочности древесины при статическом изгибе на стандартную влажность производится так же, как для предела прочности при сжатии.

Предел прочности древесины при скалывании вдоль волокон невелик и составляет примерно 12–25 % от предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Модули упругости при сжатии вдоль волокон и статическом изгибе примерно одинаковы; у воздушно-сухих сосны и ели находятся в пределах 10000–15000 МПа. Их значение возрастает с увеличением плотности, а увлажнение величину модулей упругости снижает.

Пороки древесины. Пороки древесины подразделяют на группы: сучки, трещины, пороки формы ствола, пороки строения древесины, химические окраски, грибные поражения и прочие пороки.

Сучки- части ветвей, заключенные в древесине. Они нарушают однородность строения древесины, вызывают искривление волокон и затрудняют механическую обработку.

Трещины (метиковые, морозные, отлупные) – разрывы древесины вдоль волокон. Нарушают целостность материала, снижают механическую прочность и долговечность.

Пороки формы ствола. Различают: сбежистость– уменьшение диаметра круглых лесоматериалов от толстого к тонкому концу, превышающее нормальный сбег (равный 1 см на 1 м длины бревна); увеличивает расход древесины при распиловке, снижает прочность материалов; закомелистость – резкое увеличение комлевой (нижней) части ствола; кривизну, котораязатрудняет механическую обработку древесины, снижает ее прочность при растяжении и изгибе.

Пороки строения древесины.Различают: наклон волокон (косослой) – непараллельность волокон древесины оси древесного материала, снижающую ее прочность при растяжении и изгибе; крень -ненормальное утолщение поздней древесины в годовых слоях; свилеватость- волокнистое или беспорядочное расположение волокон древесины, чаще в комлевой части ствола; завиток-резкое местноеискривление годовых слоев под влиянием сучков и проростей; сердцевину - узкую центральную часть ствола, состоящую из рыхлой древесной ткани, которая, попадая в изделия, усиливает их растрескивание.

К химическим окраскам относятся желтизна, оранжевая окраска, чернильные пятна, дубильные потеки. Все они проникают на глубину 1-5 мм и мало влияют на физико-механические свойства древесины, ухудшая в основном только внешний вид пиломатериалов.

Грибные поражения (гнили), образующиеся в растущем дереве под действием дереворазрушающих грибов, существенно снижают механические свойства и сортность древесины. Гнили отмершей древесины являются одними из самых опасных пороков. Они образуются под действием домовых грибов. Древесина становится не только непригодной к применению, но и опасной для окружающих материалов.

Такие пороки, как грибные окраски, развивающиеся в отмершей древесине, мало изменяют ее прочность, но ухудшают внешний вид.

К прочим порокам древесины относятся повреждения насекомыми (червоточины), инородные включения и дефекты, деформации (покоробленность – искривление пиломатериала, возникающее при распиловке, сушке и хранении).

Защита древесины от гниения и возгорания.Основным приемом защиты древесины от гниения и повышения ее прочности является сушка. Различают естественную и искусственную сушку. Естественнаясушка происходит на складах – площадках на возвышенности с оборудованными водостоками, защитой от атмосферных осадков в виде навесов. Для предотвращения быстрого высыхания и растрескивания торцы досок промазывают жидким составом из извести, клея, поваренной соли. Доски складывают в штабеля, верхний слой размещают под наклоном и покрывают гидроизоляционным материалом. Естественная сушка не требует специального оборудования, но осуществляется медленно, зависит от погоды и занимает от 2–3 месяцев до 1–1,5 лет. Воздушно-сухую древесину получают с минимальной влажностью 15 %. Искусственнаясушка происходит значительно быстрее и позволяет высушить древесину до влажности 6–10 %. Искусственную сушку часто производят в камерных сушилах периодического действия, теплоносителем в которых является нагретый воздух, пар или дымовые газы с температурой 70–80 °С; в них можно создать мягкий режим сушки и избежать растрескивание древесины; продолжительность сушки сосновых и еловых досок толщиной 50 мм составляет 3–6 суток. Кроме того, применяют контактную сушку, когда тонкую древесину (шпон, фанеру) сушат между периодически смыкающимися горячими плитами пресса; скоростную сушку в горячих жидких средах, когда древесину в виде пакета погружают в ванну с нагретым до температуры 130–140 °С раствором петролатума на 8–12 часов (при этом древесина не растрескивается и не коробится; одновременно производится ее антисептирование); сушку токами высокой частоты, когда древесину помещают между сетчатыми электродами, к которым подведен ток высокой частоты (этот вид сушки требует большого расхода энергии и применяется только для высококачественных древесных материалов).

Для химической защиты древесины от гниения и поражения насекомыми применяют специальные вещества – антисептики. Они делятся на водорастворимые и нерастворимые в воде (маслянистые). К водорастворимым антисептикам относятся: фтористый натрий NaF (применяется в растворах 2–3 % концентрации); кремнефтористый натрий Na₂SiF₆ (применяется совместно с фтористым натрием, а также в составе антисептических паст); препараты ХХЦ (смесь хлорида цинка и натриевого или калиевого хромпика) и МХХЦ (смесь хлорида цинка, хромпика и медного купороса); органорастворимые препараты типа ПЛ (растворы пентахлорфенола в легких нефтепродуктах); высокотоксичные антисептики в виде жидкостей и паст, содержащие арсенаты металлов. Маслянистые антисептики – антраценовое, сланцевое, креозотовое масла – обладают сильным антисептическим действием, не вызывают коррозию металла, но окрашивают древесину в темный цвет, имеют резкий фенольный запах. Применяются для обработки шпал, деталей мостов, свай, наземных деревянных конструкций.

Пропитку антисептиками производят поверхностной обработкой, в горяче-холодных ваннах и под давлением в автоклавах.

Для защиты древесины от возгорания предусматривают: соответствующие конструктивные меры (устройство разделок из несгораемых материалов, защитных покрытий – штукатурных и др.); окрашивание поверхности древесины огнезащитными красочными составами (композициями из связующего вещества – обычно жидкого стекла, наполнителя – кварцевого песка, мела, магнезита и щелочестойкого пигмента (охры, мумии и т.п.); пропитку огнезащитными веществами – антипиренами (бура, сульфат аммония, фосфорно-кислый натрий и аммоний), которые при пожаре либо образуют оплавленную пленку на поверхности древесины, затрудняющую доступ кислорода, либо выделяют негорючие газы, снижающие концентрацию кислорода в газовой среде возле конструкции.

Лесоматериалы и изделия из древесины

Лесоматериалыполучают механической обработкой древесины. Они подразделяются на круглые лесоматериалы, пиломатериалы, фрезерованные и строганые материалы, вторичные продукты: опилки, стружки, щепа, древесная мука.

Круглые лесоматериалы – стволы поваленного дерева, очищенные от сучьев. В зависимости от диаметра ствола в верхнем отрубе различают: бревна (диаметр более 12 см), подтоварник (диаметр 8–11 см) и жерди (диаметр 3–7 см). Бревна делят на строительные (из сосны, лиственницы, кедра, реже ели и дуба), предназначенные для несущих конструкций, и пиловочные, используемые для получения пиломатериалов.

Пиломатериалы получают продольной распиловкой пиловочных бревен. Они подразделяются на доски (толщиной 100 мм и менее), бруски (имеющие толщину менее 100 мм, но ширину меньше трехкратной толщины), брусья (имеющие ширину и толщину более 100 мм).

Строганые и шпунтованные доски и бруски имеют на одной кромке шпунт, а на другой – гребень для плотного соединения элементов. Фрезерованные изделия – плинтус, поручни, наличники и т.п.

Изделия из древесины. К ним относятся паркет, мебельные щиты, столярные изделия – оконные и дверные блоки, двери и т.п., фанера, древесно-стружечные и древесно-волокнистые плиты, древесно-слоистые пластики, а также сборные дома, клееные деревянные конструкции и изделия из модифицированной древесины (обработанной синтетическими смолами, прессованной, пластифицированной аммиаком и др.).

Контрольные вопросы

1. Строение древесины

2. Основные хвойные породы

3. Основные лиственные породы

4. Свойствадревесины (физические и механические)

5. Пороки древесины

6. Лесоматериалы и изделия из древесины