Строение и физические свойства древесины
Строение и состав древесины. Дерево, являясь материалом бортнического происхождения, отличается значительной неоднородностью своего строения. Древесина любой породы дерева состоит из взаимно связанных продолговатых клеток, направленных вдоль ствола. Помимо этих клеток в древесине имеется довольно много слабых тонкостенных клеток, имеющих радиальное направление и образующих радиальные полоски, называемые сердцевинными лучами. Сердцевинные лучи разделяются на первичные, которые начинаются от сердцевины, и вторичные, берущие начало на некотором расстоянии от нее. Те и другие сердцевинные лучи доходят до коры ствола. Они являются слабыми местами древесины, по ним появляются усушечные радиальные трещины.
На поперечном разрезе ствола обнаруживаются концентрические наслоения, каждое из которых соответствует годовому периоду роста дерева и называется годовым слоем. Условия роста дерева сказываются на образовании годовых слоев. Каждый годовой слой состоит из более рыхлой и светлой внутренней зоны весенней (ранней) древесины и более плотной и темной наружной зоны летней (поздней) древесины. Чем больше относительное содержание летней древесины, тем плотнее, тяжелее и крепче древесина данного ствола.
Ствол дерева состоит из сердцевины (сердцевинной трубки), которая представляет собой рыхлую и слабую ткань, и древесины, состоящей из годовых наслоений (слоев) вокруг сердцевины до коры, от которой древесина отделяется камбиальным слоем, отлагающим наслоения древесины в процессе роста дерева. У некоторых пород (сосна, лиственница, кедр, дуб) древесина центральной части ствола с возрастом дерева становится более темной и называется ядром, а наружная остается светлой и называется заболонью. У других пород (ель, пихта, бук) древесина центральной части ствола, занимающая место ядра, не отличается по цвету от заболони и называется спелой древесиной. Заболонный слой (заболонь) древесины быстрее сохнет и увлажняется, легче подвергается загниванию и легче выгибается, чем ядро или спелая древесина.
Основными веществами, составляющими древесину, являются целлюлоза и лигнин, содержание которых достигает 85% от веса и её древесины. Стенки клеток состоят в основном из целлюлозы, лигнин и другие вещества являются инкрустирующими, как бы механически внедренными в целлюлозный скелет. Химический состав целлюлозы определяется формулой С6Н10О5 химическое же строение лигнина пока точно не установлено.
Естественные пороки здоровой древесины. Даже здоровая свежая срубленная древесина имеет неизбежные пороки, связанные с условиями роста отдельного дерева. Главными естественными пороками являются: сбежистость, искривления ствола, косослой, свилеватость, сучковатость. Эти пороки ухудшают механическую прочность древесины. Для древесины, идущей на изготовление инженерных конструкций, наличие пороков должно быть ограничено как с количественной, так и с качественной стороны.
Влажность, усушка и разбухание. В древесине всех пород содержится значительное количество воды. Вода в древесине бывает химически связанной (в стенках клеток) и свободной (в полостях). Свободная вода, испаряясь, может вызывать высыхание древесины. Определенной влажности и температуре окружающего воздуха соответствует определенная же влажность древесины, называемая равновесной влажностью. Таким образом, влажность древесины в конструкциях и сооружениях все время изменяется, следуя с некоторым отставанием за колебаниями влажности и температуры окружающего воздуха.
В сооружениях, защищенных от атмосферного или производственного увлажнения, древесина принимает так называемое воздушно-сухое состояние. Влажность воздушно-сухой древесины составляет 12—18%. Древесина с влажностью 18—23% называется полусухой, а с влажностью 23—45% — сырой. Свежесрубленная древесина имеет влажность 70—80%.
Изменение влажности древесины вызывает изменение ее размеров, называемое усушкой и разбуханием. Усушка и разбухание происходят лишь при колебаниях влажности древесины от 0 до 30% (до точки насыщения волокон), при влажности древесины более 30% ее объем остается, постоянным. Усушка и разбухание древесины в разных направлениях по отношению к направлению ее волокон различна. При высыхании свежесрубленной древесины, до абсолютно сухого состояния усушка колеблется (в %): вдоль волокон 0,10—0,20, поперек волокон в радиальном направлении 5,00—8,50, поперек волокон в направлении годовых слоев (в тангенциальном направлении) 4,00—14,00.
Рис. 1. Зависимость между усушкой древесины поперек волокон и ее влажностью
Изменение размеров от усушки или разбухания древесины при влажностях от 0 до 25% прямо пропорционально изменениям влажности в процентах. При влажности древесины более 30% ее размеры не меняются. На рис. 1 представлена зависимость размеров усушки или разбухания от изменения влажности древесины. Усушка древесины проявляется полностью во всех направлениях только тогда, когда высыхание происходит более или менее равномерно по всей толщине материала, что имеет место при сушке тонких пиломатериалов. При сушке толстых брусьев и бревен древесина в наружной поверхности высыхает раньше и твердеет, препятствуя уменьшению размеров внутренних слоев, высыхающих позднее. Из-за разной усушки древесины в радиальном и тангенциальном поправлениях и неравномерности высушивания материала возникает его коробление. На рис. 2 показано коробление досок при высыхании. Такого рода коробления досок можно избежать правильной их укладкой при сушке, препятствующей короблению. Связанные с высыханием древесины растягивающие усилия в направлении
Рис. 2. Коробление досок, выпи¬ленных из сырого бревна
годовых колец могут вызвать появление продольных радиальных трещин, главным образом по сердцевинным лучам, как наиболее слабым местам. Радиальные трещины возникают и в торцах. Во избежание трещин высушивание древесины нужно вести рационально, не вызывая появления опасных напряжений. Для предупреждения торцовых трещин при естественной сушке древесины на воздухе необходимо задержать испарение влаги с этих поверхностей путем их закрашивания масляной краской. Наибольший эффект в борьбе с образованием трещин при искусственной сушке древесины дает электрическая сушка токами высокой частоты. Этим способом удается высушивать крупные пиломатериалы, например брусья с размерами сторон до 20 см, без появления трещин.
Объемный вес. Удельный вес твердого вещества стенок клеток древесины почти не зависит от породы дерева и составляет около 1,5. Однако для практических целен важно знать не удельный вес твердого вещества клеток древесины, а вес единицы объема древесины в том виде, в каком она встречается в сооружениях, то есть с содержанием клеток, влаги и воздуха. Вес единицы объема древесины называется объемным весом и выражается обычно в тоннах или килограммах на кубический метр. Объемный вес Древесины, установленный при одинаковых влажностях, сильно колеблется не только для разных пород, но и в пределах одной породы. Изменение объемного веса древесины имеет место даже по длине ствола, вследствие различной плотности комлевой и вершинной древесины. Наиболее вероятные веса древесины ходовых пород, которыми можно руководствоваться при исчислении собственных весов элементов конструкции.
Термические свойства. Температурные расширения древесины значительно меньше, чем других строительных материалов. Коэффициент линейного расширения древесины вдоль волокон может быть принят в среднем около 5 • 10-6. Температурные расширения древесины поперек волокон в несколько раз больше, чем вдоль волокон. Однако и они не имеют существенного значения в работе, конструкции. Теплопроводность древесины также невелика, она примерно в 5 раз меньше, чем у железобетона, и в 200—250 раз меньше, чем у стали. Благодаря малой теплопроводности древесины, более или менее кратковременный нагрев деревянных элементов извне не изменяет существенно первоначальной температуры в толще их. Малая теплопроводность дерева в сочетании с малым коэффициентом температурного расширения исключает устройство температурных швов в деревянных конструкциях.
Влияние химических воздействий на древесину. Во многих про¬изводственных помещениях воздух содержит вредно действующие на древесину примеси. Среди них следует указать ангидриды и пары кислот. Серный и сернистый ангидриды, поглощая воду, переходят в соответствующие кислоты, разрушающие древесину.
Доступ капельножидкой воды в этих условиях облегчает развитие поражений древесины. Разрушение идет интенсивнее с повышением температуры. Азотная кислота и окислы азота действуют главным образом на лигнинную часть древесины. Органические кислоты действуют на древесину слабо.
Разрушение древесины химическими реагентами начинается о поверхности, постепенно проникая вглубь элемента. Если деревянные элементы имеют достаточно большое сечение (толстые брусья), то опасное разрушение древесины занимает период времени, исчисляемый годами и даже десятилетиями. Во всяком случае, древесина химически более стойка, чем многие другие строительные материалы, и особенно металлы. Последнее обстоятельство делает рациональным применение деревянных конструкций в предприятиях химической промышленности.
