Текст книги "Столяр-плотник. Строение и свойства древесины"

Илья Мельников
Столяр-плотник. Строение и свойства древесины

СТРОЕНИЕ ДЕРЕВА

Дерево состоит из трех основных частей: корней, ствола и кроны. Корни дерева всасывают воду из почвы с растворенными в ней минеральными питательными веществами. Толстые корни разветвляются на более тонкие, которые простираются в почве за пределы кроны.

Ствол проводит воду и минеральные питательные вещества от корней к ветвям и листьям. Такое перемещение называют восходящим потоком сокодвижения.

Крона состоит из ветвей и листьев или хвои. Часть воды, поступившей от корневой системы, испаряется через листья. Остальная вода с растворенными в ней минеральными питательными веществами под воздействием солнечного света и тепла образует органические питательные вещества, необходимые для роста дерева. Листья усваивают из воздуха углекислый газ, распадающийся на углерод и кислород. Кислород выделяется в воздух, поэтому лиственные породы деревьев в городах и называют "легкими города". Органические питательные вещества, образовавшиеся в листьях, по внутренней части коры, называемой лубом, поступают вниз и распространяются по всему дереву. Это уже так называемый нисходящий поток сокодвижения.

Ствол – основная и наиболее ценная часть дерева, дающая 60-90 % деловой древесины. Тонкую часть ствола называют вершиной, толстую – комлем. Строение ствола дерева, видимое невооруженным глазом, называют макроструктурой. Она хорошо видна на трех основных разрезах ствола.

Различают торцевой разрез, перпендикулярный продольной оси ствола; радиальный разрез, перпендикулярный торцевому разрезу и проходящий через сердцевину ствола; тангентальный разрез, проходящий по касательной к годовым слоям на некотором расстоянии от сердцевины.

Строение и свойства древесины неодинаковы по различным разрезам. На поперечном разрезе ствола различают кору, ее пробковый и лубяной слои, камбий. Дальше идет древесина, ее заболонь и ядро, где видны годовые слои, сердцевинные лучи и сердцевина.

Сердцевина расположена в центре ствола дерева по всей его длине. Она имеет рыхлое строение, непрочна и подвержена быстрому загниванию. У хвойных пород диаметр сердцевины равен 3-4 см, а у лиственных несколько больше. Ежегодно прирост древесины происходит на одно годовое кольцо, образуемое камбием под корой.

При росте дерева древесина сердцевины разрушается, поэтому диаметр ее по направлению к кроне постепенно увеличивается. У некоторых пород, например сосны, лиственницы, дуба, ясеня и кедра, часть древесины, расположенная ближе к сердцевине, имеет более темную окраску и пониженную влажность. Эту наиболее ценную часть древесины называют ядром, а остальную часть, расположенную в сторону коры, заболонью. Существуют породы деревьев, у которых отсутствует ядро, у них одинаковый цвет древесины по всему сечению.

Древесина ядра отличается прочностью, плотностью и твердостью, а также большей сопротивляемостью к загниванию, чем заболонь, которая состоит из молодых клеток, отличающихся меньшей плотностью древесины.

Сокодвижение – перемещение воды с растворенными в ней питательными веществами – происходит по заболони. Толщина заболони зависит от породы дерева, его возраста и условий роста. Рост ядра с отмиранием клеток заболони превращается в древесину ядра. У березы, бука, клена, осины и ольхи центр ствола имеет темную окраску, свидетельствующую о начальной стадии загнивания. Эту часть ствола называют ложным ядром.

Между заболонью и корой располагается тонкий слой живых клеток – камбий. В вегетационный период деление камбиальных клеток образует новые клетки древесины и коры. При этом дерево растет как в толщину, так и в длину.

Кора состоит из наружного пробкового слоя и внутреннего лубяного. Наружный слой защищает дерево от атмосферных влияний и механических повреждений, внутренний передает вниз по стволу органические питательные вещества, выработанные в листьях кроны.

У большинства хвойных пород в поперечном разрезе ствола различимы годовые слои в виде концентрических окружностей. Ежегодно, как уже отмечалось, при нормальном росте образуется один годовой слой. Его толщина (в направлении радиуса) у разных древесных пород различна. Ранняя древесина годового слоя сердцевины отличается от поздней древесины, находящейся ближе к коре. Это объясняется ростом ранней древесины годового слоя весной и в начале лета. В это время в почве мало влаги и клетки ранней древесины рыхлые и светлые, обеспечивающие сокодвижение. Поздняя древесина годового слоя растет в конце лета и осенью.

У лиственных пород клетки поздней древесины (годового слоя) состоят из опорных тканей, у хвойных пород – из толстостенных трахеид, более темных по цвету и отличающихся плотностью и прочностью.

Ширина годовых слоев зависит от возраста дерева, породы и условий роста. У молодых деревьев годовые слои обычно более широкие, кроме ивы, имеющей только узкие годовые слои. У сосны, растущей на севере, годовые слои более узкие, чем у сосны, растущей в южных широтах. Свойства древесины характеризует ширина годовых слоев. Хвойные породы с узкими годовыми слоями отличаются большей прочностью и смолистостью.

Сосна с узкими годовыми слоями красно-бурого цвета более ценна, чем с широкими годовыми слоями. Древесина хвойных пород, на торцевом разрезе которой в радиальном направлении в 1 см насчитывается не менее трех и не более 25 годичных слоев, считается лучшей. У лиственных древесных пород наоборот: чем шире годовые слои, тем плотнее, тверже и прочнее древесина. Это характерно для дуба, каштана, ильма, ясеня, вяза. У этих пород в весенний период независимо от климатических, почвенных и других условий образуется 2-3 ряда крупной проводящей ткани (трахеид), а затем – поздняя древесина годового слоя, состоящая из механически прочных тканей.

У березы, бука, граба, клена, липы, ольхи, осины древесина не имеет ярко выраженных годовых слоев и ширина годового слоя не влияет на ее качество.

Сердцевинные лучи располагаются в стволе в радиальном направлении. Различают первичные и вторичные лучи. Первичные сердцевинные лучи начинаются от сердцевины и доходят до коры, вторичные начинаются недалеко от сердцевины и продолжаются до коры. По сердцевинным лучам в горизонтальном направлении перемещаются вода, питательные вещества и воздух. На поперечном разрезе ствола крупные сердцевинные лучи различимы в виде блестящих полосок, на радиальном разрезе – в виде полосок или пятен, а па тангентальном разрезе – в виде точек или полосок. Древесина хорошо раскалывается по направлению сердцевинных лучей. Сердцевинные лучи встречаются у большинства древесных пород, но их размер, вид и количество зависят от породы и условий роста. У деревьев, выросших на солнце, больше сердцевинных лучей, чем у тех, что росли в тени.

ПОРОКИ ДРЕВЕСИНЫ

Повреждения древесины и отклонения от идеального строения, ограничивающие сферу ее применения, называют пороками древесины. Пороки обычно образуются при росте дерева в ненормальных условиях, при повреждении древесины вредителями (жуками-короедами и точильщиками древесинниками). Пороки, возникающие при лесозаготовке и в процессе обработки, относятся к механическим дефектам древесины. Скажем, расщеп комля дерева при лесоповале можно избежать, если правильно сделать зарубку и выбрать оптимальное направление падения дерева.

Пороки возможны и в заготовленной древесине. К порокам древесины относят гниль, как у растущего дерева, так и у пиломатериалов. Пороки растущего дерева называют первичными пороками, в отличие от вторичных, возникающнх при хранении или эксплуатации древесины.

Пороки древесины включают следующие группы: сучки, трещины, пороки формы ствола, пороки строения древесины, химические окраски и гнили, повреждения грибами и насекомыми, другие деформации.

Древесина сучков имеет темную окраску и мелкую структуру годовых слоев. Сучки подразделяют в зависимости от места расположения на широких или узких гранях пиломатериалов, от степени врастания к древесину (сучки наружные и вросшие), от формы поперечного разреза (круглые, овальные, удлиненные), от степени сращивания с древесиной (сросшиеся, частично сросшиеся, несросшиеся), от структуры и качества сучков (здоровые светлые, здоровые темные, здоровые с трещинами, частично подгнившие, гнилые, трухлявые), от степени выхода сучка на поверхность древесины (односторонние и сквозные). Качество древесины определяется количеством и величиной сучков. Относительно оси ствола сучки расположены под различными углами.

Сучки снижают механическую прочность деревянных конструкций. В местах их расположения сопротивляемость древесины снижается, особенно при действии нагрузки поперек волокон. Косослой вокруг сучка снижает сопротивляемость древесины действию внешней нагрузки.

Трещины – это разрыв древесины вдоль годовых слоев и сердцевины. Причиной растрескивания древесины является неравномерная сушка. Трещины образуются по направлению к сердцевине, более редко – по годовым слоям.

Бревна, брусья, толстые доски трудно высушить без трещин. Чаще всего они появляются на торцах. Для предотвращения появления трещин торцы покрывают смесью извести и клея, смолой, жидким стеклом.

Различают следующие виды трещин: от усушки, морозобоины, сердцевинные, двойные радиальные (метик) и кольцевидные (отлуп).

Трещины от усушки идут в радиальном направлении. Они вызваны сушкой древесины под прямыми лучами солнца из-за неравномерных внутренних напряжений, вызывающих трещины различной глубины и ширины.

Морозобоины идут вдоль сердцевины ствола. Они возникают при понижении температуры, когда наружные слои бревна уменьшаются в объеме, а внутренние из-за плохой теплопроводности древесины остаются неизменными. В пиломатериалах стенки морозобоин смолисты, а годовые слои расширены и изогнуты.

Сердцевинные трещины и двойные радиальные трещины (метик) сужаются от сердцевины к периферии. Эти трещины возникают при образовании ядра под воздействием ветра и увеличиваются при сушке древесины. У бревен сердцевинные трещины наблюдаются только в торцах.

Кольцевидные трещины (отлупы) возникают в ядре или в спелой древесине между годовыми слоями. У растущего дерева они образуются под воздействием ветра и затем увеличиваются во время сушки после распиловки. Отлупы в поперечном разрезе ствола видны в виде дуг или окружностей, а на поверхности пиломатериалов – в виде черточек.

Крень – это утолщение годовых слоев с одной стороны ствола. Годовые кольца имеют вид эксцентричных окружностей, со смещением сердцевины, в периферийную зону. Крень характерен для ели. Он появляется в комлевой части криво растущих деревьев.

Крень повышает твердость и прочность древесины на растяжение, способствует высыханию древесины вдоль волокон, но содействует образованию трещин и короблению пиломатериалов, а также снижает степень насыщаемости древесины антисептиками.

Закомелистость – это ненормальное утолщение комля ствола, нередко ребристой формы (ройка). Закомелистость уменьшает выход пиломатериалов и шпона из-за большого количества отходов.

Двойная сердцевина встречается в двух сросшихся вместе деревьях с самостоятельными сердцевинами и годовыми слоями, которые при дальнейшем росте образовали общие волнообразные годовые слои. Этот порок затрудняет обработку древесины и дает значительное количество отходов.

Косослой – это волокна древесины под наклоном к продольной оси ствола или в виде спирали. Косослой различают тангентальный и радиальный. Он увеличивает прочность древесины на скалывание, но затрудняет механическую обработку и ограничивает использование такой древесины в гнутых конструкциях. Тангентальный косослой увеличивает коробление и усушку пиломатериалов при их сушке.

Свилеватость – волнообразное расположение волокон древесины встречается у большинства пород в комлевой части стволов. Свилеватость понижает прочность древесины при сжатии, растяжении и изгибе, но повышает при скалывании вдоль волокон, затрудняя обработку.

Прорость открытая или закрытая образуется из-за врастания в заболонь отмершей древесины или коры, часто с радиальной трещиной. Вокруг прорости нередко образуется засмолок и начинается загнивание ядра. Прорость бывает светлой и темной, нарушающей целостность волокон древесины.

Кривизна – это одно– и многостороннее искривление ствола по длине. Искривление затрудняет распиловку ствола и дает много отходов.

Смоляные кармашки – это заполненные смолой впадины в годовых слоях древесины. Они характерны для хвойных пород, особенно для елей. На тангентальном разрезе смоляные кармашки в виде овальных впадин, на радиальном разрезе – в виде узких, удлиненных щелей, а на поперечном разрезе – в виде коротких изогнутых впадин.

Засмолок – это участок древесины хвойных пород, обильно пропитанной смолой. Просмоленные участки пиломатериалов и фанеры от нормальной древесины отличаются более темным цветом. Засмолок не влияет на прочность древесины, но снижает ее способность впитывать влагу. Смолистая древесина затрудняет ее склеивание и отделку поверхности красками и лаками. Засмолок менее подвержен гниению.

Пятнистость – это окрашенные полосы, появляющиеся в период роста дерева, не влияющие на ее твердость.

Химические окраски древесины нежелательны при окислении дубильных веществ из-за химических и биологических процессов, происходящих в срубленном дереве. Такие окраски равномерны, находятся в поверхностных слоях древесины и после высыхания обычно исчезают, не влияют на прочность древесины.

Зарастание инородных тел (вбитых гвоздей стальных осколков и т. п.) портит древесину. О их наличии судят по утолщениям, складкам коры, деформациям участков коры, щелям и впадинам. У пиломатериалов вблизи инородного тела изменяется естественная окраска древесины. Наличие такого порока затрудняет обработку древесины и вызывает поломки режущего инструмента.

Обугливание стволов деревьев является результатом лесных пожаров.

Дефекты механической обработки снижают качество древесины, ограничивая сферу ее применения. Сортность пиломатериалов снижается из-за неодинаковой толщины ассортимента, грубого, неравномерного пропила, кривизны и др. Показателем качества сортности пиломатериалов является древесина, выросшая без пороков, правильно обработанная и сохраненная.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

К физическим свойствам древесины относят цвет, блеск, запах и текстуру.

Цвет древесины обусловлен климатом, составом почвы, возрастом дерева, его породой и т. д. Цвет древесине придают находящиеся в ней дубильные, красящие, смолистые вещества и окислы этих веществ.

Блеск древесины – это способность отражать световой поток с поверхности в определенном направлении. Блеск зависит от плотности древесины, количества, размеров и расположения сердцевинных лучей. Светлая и более плотная древесина обладает большим блеском, что придает текстуре древесины особую красоту.

Запах древесины зависит от количества эфирных масел, смол и дубильных веществ. Древесина только что срубленного дерева или сразу после ее механической обработки обладает сильным запахом. У хвойных пород более сильный запах, чем у древесины лиственных пород.

Текстура древесины – это естественный рисунок древесных волокон на обработанной поверхности, обусловленный особенностями ее строения. Текстура зависит от расположения древесных волокон на разрезе ствола, видимости годовых слоев, цветовой гаммы древесины, количества и размеров сердцевинных лучей. Декоративные породы: орех, красное дерево, дуб обладают красивыми текстурой и цветом, а также блеском.

Красивую текстуру имеет свилеватая древесина карельской березы. Интересную текстуру получают из дубовых кряжей, распиливая их в радиальном или тангентальном направлении для получения ножевой фанеры или текстурной дощечки. У бука, клена, дуба выразительная текстура при радиальном разрезе, у хвойных пород – при тангентальном разрезе.

По цвету, блеску, и текстуре определяют породу древесины.

Плотность древесины – это отношение ее массы к объему, измеряемой в г/см³ или кг/м³. Плотность зависит от влажности, породы, возраста и условий роста древесины. Различают относительную и абсолютную плотность древесины, определяемую в лабораторных условиях.

Объемную массу пород древесины сравнивают между собой на образцах влажностью 15% (стандартная влажность).

По объемной массе древесину делят на группы:

очень легкая – 0,45 г/см³;

легкая – 0,45-0,60 г/см³;

среднетяжелая – 0,61-0,75 г/см³;

тяжелая – 0,76-0,90 г/см³;

очень тяжелая древесина – более 0,90 г/см³.

Объемная масса древесины – один из показателей ее качества и механических свойств.

Полную насыщенность древесины водой называют границей гигроскопичности. Такая стадия влажности в зависимости от породы дерева куолеблется в пределах 25-35 %.

Древесину, полученную после сушки при температуре 105 °С с полным выделением всей гигроскопической влаги, называют абсолютно сухой.

На практике различают древесину комнатно-сухую (с влажностью 8-12 %), воздушно-сухую искусственной сушки (12-18%), атмосферно-сухую древесину (18-23%) и влажную (влажность превышает 23 %).

Древесину только что срубленного дерева или находившуюся долгое время в воде, называют мокрой, ее влажность до 200 %.

Различают также эксплуатационную влажность, соответствующую равновесной влажности древесины в конкретных условиях.

Усушка древесины – это уменьшение ее объемных размеров при сушке в результате испарения гигроскопической влажности. Усушка в тангентальном направлении составляет 6-12 % (6-12 см на 1 м), в радиальном – 3-6%, а вдоль волокон – около 0,1 %, т. е. 1 мм на 1 м, что обычно не учитывается.

Неравномерная усушка древесины по различным направлениям вызывает деформации и дефекты деревянных деталей и конструкций.

Разбухание древесины – это увеличение размеров и объема при насыщенности ее водой до границы гигроскопичности. Разбухание, как и усушка, неодинаково в различных направлениях.

Из-за усушки и разбухания деревянные конструкции деформируются и могут стать полностью непригодными для эксплуатации, именно по этой причине деревянные конструкции изготовляют из стандартно-сухой древесины.

Коробление древесины – результат неравномерной усушки, вызывающий внутренние напряжения и трещины. Усушка досок в наружных слоях больше, чем во внутренних, что вызывает коробление. Доски из сердцевинной части ствола менее подвержены короблению.

Для предупреждения коробления влажность в момент изготовления изделий должна соответствовать эксплуатационной влажности. При этом соблюдают конструктивные требования: столярные плиты склеивают из узких реек, уложенных с различно или взаимно перпендикулярно направленными волокнами древесины. Рейки не только склеивают, но и закрепляют рамой или наконечниками.

Теплопроводность – это способность толщи древесины проводить тепло от одной поверхности к противоположной. Для древесины характерен низкий коэффициент теплопроводности, зависящий от породы, плотности, влажности и направления разреза. Сухая древесина – плохой проводник тепла.

Звукопроводность – это способность материала проводить звук. Звукопроводность древесины вдоль волокон больше звукопроводности воздуха в 16 раз, а поперек волокон – в 3-4 раза.

Качество древесины определяется звукопроводностью. После удара по комлевой части растущего или срубленного ствола хорошее распространение звука свидетельствует о высоком качестве древесины. Прерывистый звук, переходящий в глухой, свидетельствует о загнивании древесины.

Электропроводность сухой древесины незначительна. Это позволяет использовать древесину в качестве электроизоляционного материала. Электропроводность используют для определения влажности древесины.

Коррозионная стойкость древесины – это ее способность сопротивляться действию агрессивной среды. Древесина не подвержена воздействию слабых растворов щелочей, солей, различных органических и минеральных кислот. Хвойные породы более стойки к коррозии, чем лиственные.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

Различают вертикальные статические и динамические нагрузки.

Вертикальные статические нагрузки – это постоянные или медленно возрастающие. Динамические нагрузки, наоборот, действуют кратковременно. Нагрузку, разрушающую структуру древесины, называют разрушительной. Прочность, граничащую с разрушением, называют пределом прочности древесины, ее определяют и измеряют на образцах древесины. Прочность древесины измеряют в Па/см² (кгс на 1 см²) поперечного сечения образца в месте разрушения.

Сопротивление древесины определяют как вдоль волокон, так и в радиальном и тангентальном направлении.

По направлению действия силы (нагрузок) различают прочность древесины на сжатие, изгиб, скалывание и растяжение. Прочность зависит от направления действия сил, породы дерева, плотности древесины, влажности и наличия пороков.

Чаще всего древесина работает на сжатие, например, стойки и опоры. Сжатие вдоль волокон действует в радиальном и тангентальном направлении.

Строительные нормы и правила в зависимости от пороков делят деревянные конструкции на три категории.

Предел прочности древесины на сжатие вдоль волокон высок у всех пород, поперек волокон он значительно меньше.

Древесина работает на изгиб с опорой в середине, с закрепленным концом, с опорами на обоих концах. Во всех случаях конструкции подвержены растяжению и сжатию. В двух первых вариантах верхний слой конструкции растянут, а нижний – сжат, в третьем варианте верхний слой сжат, а нижний растянут. В первом и третьем вариантах от воздействия критического момента разрушение произойдет в середине детали, во втором варианте – в месте ее закрепления. Во всех вариантах изгиба граница действия сил сжатия и растяжения проходит через ось в центре конструкции. Ее называют нейтральным слоем, так как здесь отсутствуют силы сжатия и растяжения, но действуют силы сдвига.

Предел прочности древесины на сдвиг (скалывание) – это способность ее сопротивляться перемещению вдоль и поперек волокон. Прочность на скалывание поперек волокон больше, чем вдоль волокон.

Скалывание в деревянных конструкциях в узлах фермы действует совместно с силами на сжатие и изгиб.

Прочность древесины зависит от влажности и объемной массы. При увеличении влажности ее прочность уменьшается. Плотная сухая древесина более прочная, чем легкая и рыхлая. Неодинакова прочность древесины и в различных местах ствола. Наиболее прочна древесина комлевой части ствола, имеющая большую объемную массу. На каждые 6 м предел прочности древесины (от комля к вершине) снижается на 8 %.

Для древесины характерны эластичность и пластичность. Эластичность используется в рукоятках ручных инструментов, уменьшающих силу удара, например в ручке стамески.

Пластичность – способность древесины сохранять приданную ей форму после снятия приложенной нагрузки. Влажность и повышение температуры древесины увеличивают пластичность. Обработка древесины паром или горячей водой увеличивает ее пластичность, что находит применение в производстве гнутой мебели, лыж. Высокая пластичность у бука, вяза, дуба, ясеня, меньшая пластичность у хвойных пород из-за прямолинейной структуры волокон.

Хрупкость – это свойство древесины внезапно разрушаться под воздействием нагрузки. Хрупкой древесины не существует, это объясняется ее волокнистым строением.

Твердость древесины – это способность сопротивляться внедрению инородного тела. Увеличение объемной массы древесины повышает ее твердость и увеличивает трудоемкость обработки.

С увеличением влажности твердость древесины уменьшается. По твердости древесину подразделяют на твердую и мягкую. Твердые породы: граб, бук, дуб, клен, ясень, вяз, груша, орешник, ильм, лиственница и др., а наиболее твердые – самшит и акация; мягкие: липа, ель, сосна, ольха и др.

Износостойкость – это способность древесины противостоять нагрузкам, возникающим в процессе трения (при эксплуатации полов, лестниц).

Износ древесины определяется стиранием поверхности при механических нагрузках в процессе эксплуатации и зависит от твердости и объемного веса древесины.