Полная версия научной работы 2304 КБ

Дальневосточный федеральный университет (ДВФУ)
Far Eastern Federal University (FEFU)
Строение и свойства древесины
The structure and properties of wood
Кайгородов Николай Андреевич
Kaygorodov Nikolai Andreyevich
Оглавление
1.
Строение дерева................................................................................................................................. 3
2.
Макроскопическое строение древесины....................................................................................... 9
3.
Строение древесных пород ............................................................................................................ 20
4.
5.
3.1
хвойные породы....................................................................................................................... 20
3.2
лиственные породы ................................................................................................................ 23
Свойства древесины ....................................................................................................................... 27
4.1
долговечность .......................................................................................................................... 27
4.2
плотность .................................................................................................................................. 27
4.3
твердость ................................................................................................................................... 29
4.4
прочность древесины ............................................................................................................. 30
4.5
электро- и теплопроводность и теплозащита и звукоизоляция ..................................... 32
Деформации древесины от влажности ........................................................................................ 33
1. СТРОЕНИЕ ДЕРЕВА
Растущее дерево состоит из корней, ствола и кроны (рис. 1а). Каждая из
частей дерева при его жизни играет определенную роль и используется в
различных целях. На долю веток, которые ее составляют крону, приходится
примерно 12%, на долю пня с корнями 15%, а на долю ствола – 73% всей массы
дерева. Относительный объем, занимаемый каждой частью дерева, для разных
пород представлен в таблице 1 (ориентировочные данные).
Таблица 1 – Относительный объем частей дерева, %
Порода
Часть дерева
Ствол
Корни
Ветви
Лиственница
77....82
12....15
6....8
Сосна
65....77
15....25
8....10
Ясень
55....70
15....25
15....20
Береза
78....90
5....12
5....10
Бук
55....70
20....25
10….20
Клен
65....75
15....20
10....15
Вершина ствола вместе с сучьями и листьями или хвоей (у древесины
хвойных пород) образует крону. У деревьев разных пород крона начинается
на различном расстоянии от земли. Крона кедра и ели начинается низко над
землей, а у взрослой сосны она расположена ближе к вершине. Крона деревьев
различных пород имеет различное очертание, например крона ели,
представляет собой конус, кедра имеет яйцевидную форму, а у березы
вытянутая крона.
Листья или хвоя кроны усваивают углерод из углекислого воздуха, воду
и минеральные соли, которыми их обеспечивают корни из почвы, и на солнце
образуют очень сложные органические вещества, идущие на построение
растительного организма дерева (рис. 1б).
Листья или хвоя используются для приготовления витаминной муки,
являющейся ценным продуктом для животноводства и птицеводства. Ветки и
сучья перерабатывают на технологическую щепу, которая служит сырьем для
изготовления древесноволокнистых плит и тарного картона.
Другая часть дерева – корни. Корни являются фундаментом и сваями,
которые удерживают дерево в вертикальном положении и снабжают дерево
водой и минеральными солями. В корнях хранятся запасы питательных
веществ дерева. У одних, деревьев, например у дуба, корни уходят глубоко в
землю, у других, например у ели, хорошо развиты мощные горизонтальные
корни, расположенные почти у поверхности земли. Корни используют в
качестве второсортного топлива. Из пней и крупных корней сосны через
определенный период после спиливания дерева при переработке получают
канифоль и скипидар.
Третья, основная и самая ценная часть дерева – ствол. Он удерживает
тяжелую крону и служит проводником питательных веществ, поступающих от
корней (восходящие токи) и из листвы или хвои (нисходящие токи).
Рис. 1 – Части растущего дерева: а) – растущее дерево; б) – схема
сокодвижения в дереве; в) – схема формирования ствола
дерева в возрасте 13 лет
В стволе, как и в корнях, хранятся запасы питательных веществ дерева.
Форма ствола зависит от породы дерева и от условий, в которых оно растет.
Например, у сосны, выросшей в лесу ствол прямой и длинный, а на открытом
месте – короткий, местами и искривленный. Верхняя тонкая часть дерева
называется вершиной, а толстая нижняя часть – комлем. Схематически ствол
можно представить как конус. Уменьшение диаметра ствола от комля к
вершине называется сбежистостью. У хвойных пород сбежистость всегда
меньше, чем у лиственных. Меньше сбежистость и у деревьев, выросших в
лесу, чем у деревьев, выросших на открытом месте. Но даже у ствола одного
дерева на разной высоте сбежистость разная, чем ближе к вершине, тем она
больше.
На рисунке 1в показано развитие хвойного дерева и строение его ствола
в возрасте 13 лет. Рост дерева заключается в нарастании слоев, имеющих
форму конуса. Каждый последующий конус имеет большую высоту и
больший диаметр основания. На рисунке показаны 10 концентрических
окружностей (границ приростов за один год) на нижнем поперечном разрезе и
5 на верхнем разрезе. Дереву требуется соответственно 3 года и 8 лет, чтобы
оно достигло той высоты, на которой сделаны нижний и верхний поперечные
разрезы. При достижении дерева максимально возможной для данной породы
и условий произрастания высоты дальнейший рост прекращается (см. табл.2).
Hа поперечном разрезе (рис. 2) показаны кора, сердцевина и древесина с ее
годичными слоями.
Кора покрывает всю поверхность дерева и состоит из двух слоев:
пробкового и лубяного. Расположенный снаружи дерева пробковый слой коры
предохраняет древесину ствола от морозов, перегрева, резких перепадов
температур, механических повреждений и других внешних воздействий. Вид,
фактура и цвет коры зависят породы и возраста дерева. Кора деревьев
разнообразна по цвету: (белая, серая, коричневая, зеленая, красная, черная и
др.), пример, у березы белая, у дуба темно-серая, у ели темно-бурая, и по
форме поверхности (гладкая, пластинчатая, трещиноватая и др.), например, у
пихты гладкая, у сосны чешуйчатая, у можжевельника волокнистая, у березы
бородавчатая. У молодых деревьев кора, как правило, гладкая и изменяется с
возрастом. Кора ежегодно нарастает в толщину, однако вследствие малой
величины годичного прироста и постепенного отпадания наружных слоев в
виде чешуи кора никогда не достигает такой толщины, как древесина.
Таблица 2 – Высота и средняя продолжительность жизни деревьев
Порода
Высота, м
Осина
Береза
Пихта сибирская
Ясень
Вяз
Ель сибирская
Сосна
Липа
Бук
Лиственница
Можжевельник
Дуб
35
20-30
30
25-35
25-30
30-35
20-40
30
25-30
45
1-3
30-40
Продолжительность
жизни, лет
80-100
150
150-200
150-200
300
300-400
300-400
300-400
400-500
500
500
1500
Объем коры по отношению к объему ствола (табл.3) зависит от породы,
возраста дерева и условий произрастания.
С увеличением возраста относительный объем коры снижается, а с
ухудшением условий произрастания - повышается. Доля коры в объеме ствола
понижается с увеличением диаметра ствола. Толщина коры уменьшается по
направлению от комля к вершине.
В зависимости от породы, возраста и условий произрастания у лесных
пород деревьев, растущих в России, кора составляет от 6 до 25% объема
ствола. Многообразно применение коры. Ее используют для дубления кожи
(кора ивы и дуба содержит много дубильных веществ), в медицине (в
натуральном виде и для приготовления лекарств), в красильном деле (для
приготовления
красителей),
для
изготовления
теплоизоляционных
материалов. Из коры пробкового дуба вырезают пробки, а отходы служат для
заполнения морских спасательных поясов.
Рисунок 2 – Поперечный разрез древесного ствола: 1 – кора; 2 – луб;
3 – камбий; 4 – заболонь; 5 – ядро; 6 – сердцевина.
Лубяной слой коры проводит воду с выработанными в листьях или хвое
органическими веществами вниз по стволу. Из луба делают мочало, рогожу,
веревки. Хорошо развитый лубяной слой липы идет на плетение различных
хозяйственных изделий.
Таблица 3 – Относительный объем коры в стволе, %
Порода
Лиственница
Сосна
Ель
Пихта
Кедр
Объем коры
22…25
10...16
6…13
11…19
6...10
Порода
Дуб
Бук
Липа
Осина
Береза
Объем коры
14...21
7…11
12...16
11...20
13...15
Между древесиной и корой расположен очень тонкий сочный слой
живых клеток, не видимый невооруженным глазом, который называется
камбием. Большая часть клеток камбия идет на строительство нового
годичного слоя древесины и совсем незначительная часть на образование
коры.
В середине ствола многих пород деревьев хорошо видна сердцевина,
которая состоит из рыхлых тканей, образованных в первые годы жизни дерева.
Сердцевина пронизывает ствол от комля до вершины и каждую ветку дерева.
У большинства пород деревьев сердцевина на торцовом разрезе темная
круглая, диаметром 2 – 5 мм, но есть породы с другой формой сердцевины,
например, сердцевина ольхи, имеет вид треугольника, ясеня – квадрата,
тополя – пятиугольника, а сердцевина дуба – пятиконечной звезды. На
радиальном разрезе сердцевина видна в форме прямой или извилистой темной
узкой полоски.
Древесина в растущем дереве занимает большую часть ствола, и имеет
основное и главное промышленное значение. Главные разрезы ствола дерева:
поперечный (торцевой или торцовый) – проходит перпендикулярно к
продольной
оси
ствола,
радиальный
проходит
перпендикулярно
к
поперечному через сердцевину ствола, тангенциальный – на некотором
расстоянии от радиального (рис. 3).
Рисунок 3 – Главные разрезы ствола дерева: 1 – поперечный (торцовый);
2 – радиальный; 3 – тангенциальный
2. МАКРОСКОПИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ
Макроскопическим называется строение древесины, которое можно
рассмотреть невооруженным глазом.
Макроскопическое строение древесины изучают на образцах, имеющих форму
трехгранной призмы, стороны которой совпадают с плоскостями главных
разрезов ствола: поперечным, радиальным; тангенциальным (рис. 4).
Рисунок 4 – Схема образца древесины
К основным признакам макростроения древесины относятся: ядро;
заболонь; годичные слои; сердцевинные лучи; сосуды; смоляные ходы;
прожилки.
Заболонь и ядро. Изучая макроскопическое строение древесины, можно
обнаружить, что у одних пород древесина окрашена равномерно, а у других
центральная часть темнее наружной. Темноокрашенная часть называется
ядром, а наружная светлая зона – заболонью (см. рис. 2). У некоторых пород
центральная часть, не отличаясь по цвету от наружной, содержит (в растущем
дереве) значительно меньше воды и называется спелой древесиной. Породы,
имеющие ядро, называются ядровыми, а породы со спелой древесиной –
спелодревесными. Если же между центральной и периферической частями
древесины нет разницы ни в цвете, ни в содержании воды, то породы
называются заболонными.
Полагают, что ядро образуется у всех пород, только у одних темная
окраска его возникает всегда или при определенных условиях, а у остальных
оно остается светлым. Следовательно, спелая древесина – это неокрашенное
ядро.
Окрашенное ядро среди хвойных пород имеют лиственница, сосна, кедр,
тис, можжевельник; среди лиственных – дуб, ясень, вяз, ильм, карагач,
грецкий орех, тополь, ива, рябина и др. К заболонным породам относятся
многие лиственные – береза, ольха, липа, граб, клен, самшит, груша, орешник
и др. Спелую древесину среди хвойных пород имеют ель и пихта, а среди
лиственных – бук, осина и некоторые другие.
В раннем возрасте древесина всех пород состоит только из заболони, и
лишь с течением времени у некоторых пород образуется ядро. У одних пород
образование ядра начинается рано (у дуба, например, на 8...12-й год) и
заболонь бывает узкой. У других пород ядро образуется значительно позднее
(у сосны в возрасте 30...35 лет), что обусловливает наличие широкой заболони.
Переход от заболони к ядру может быть резким (тис) или постепенным
(грецкий орех).
С возрастом диаметр ствола увеличивается, и доля ядра возрастает за
счет перехода части заболонной древесины в ядровую. Так, у дуба объем ядра
при диаметре ствола 15 см составляет примерно 50% объема заболони; при
диаметре 30 см ядро в 3...5 раз больше заболони по объему, а при диаметре 60
см на заболонь приходится всего 10 % объема ядра.
Размеры заболони зависят от условий произрастания. Так, у дуба
наиболее широкая заболонь наблюдается в стволах деревьев, произрастающих
на солонцовых почвах, а наименьшая – в пойменных дубравах. В стволах
сосны из Республики Коми относительное содержание заболони возрастает с
ухудшением условий произрастания. Ширина заболони по высоте ствола у
хвойных пород (сосна, ель) постепенно уменьшается, а у дуба остается почти
без изменения; в то же время доля площади поперечного сечения ствола,
приходящегося на заболонь, увеличивается вверх по стволу. Для сосны из
Республики Коми и Красноярского края ширина заболони с возрастом
увеличивается, а после 100...120 лет начинает уменьшаться главным образом
за счет уменьшения ширины годичного прироста древесины.
В растущем дереве заболонь служит для проведения воды вверх по
стволу (из корней в крону) и для отложения запасных питательных веществ.
Образование ядра зависит от породы, возраста, условий прорастания и
других факторов; в известной мере оно связано с жизнедеятельностью кроны.
Процесса ядрообразования заключается в отмирании живых элементов
древесины,
закупорке
водопроводящих
путей,
отложении
смолы
и
углекислого кальция. Древесина в этой зоне пропитывается дубильными и
красящими веществами, в результате чего темнеет, ее плотность несколько
увеличивается, возрастает стойкость к гниению.
Вследствие закупорки водопроводящих путей древесина ядра мало
проницаема для воды и воздуха, что имеет положительное значение при
изготовлении из древесины тары под, жидкие товары и отрицательное – при
пропитке древесины антисептиками (ядро обычно не пропитывается).
В растущем дереве ядро придает стволу устойчивость; вместе с тем ядро
может служить хранилищем для воды (дуб, вяз).
Годичные слои. Каждый год на стволе откладывается слой древесины.
На поперечном срезе годичные слои имеют вид концентрических кольцевых
полос разной ширины.
Годичные слои заметны у многих пород, но особенно хорошо у хвойных.
На радиальном разрезе годичные слои имеют вид продольных параллельных
полос, а на тангенциальном – извилистых U – образных полос (рис. 5).
Ширина годичных слоев сильно колеблется в зависимости от многих
факторов: породы, возраста, условий произрастания, положения в стволе.
Наиболее узкие годичные слои (до 1 мм) образуются у медленно растущих
пород (самшита), а наиболее широкие (1 см и больше) характерны для быстро
растущих пород (тополя, ивы).
В стволе дерева годичные слои шире, чем в ветвях. В молодом возрасте
и при благоприятных условиях роста образуются более широкие годичные
слои.
По радиусу ствола ширина годичных слоев не остается постоянной и
изменяется так: у сердцевины располагается ряд сравнительно узких годичных
слоев, затем следует зона более широких слоев, а дальше по направлению к
коре ширина слоев постепенно уменьшается. Площадь годичного слоя сначала
довольно быстро увеличивается в направлении от сердцевины к коре,
достигает максимума, после чего постепенно уменьшается.
Рисунок 5 – Годичные слои на поперечном (а), радиальном (б) и
тангенциальном (в) разрезах древесины сосны
На
интенсивность
годичного
прироста
влияют
особенности
метеорологических условий того или иного года, и по ширине годичных слоев
можно
проследить
многолетние
изменения
климата.
Эти
вопросы
рассматривает научная дисциплина дендроклиматология (от греч. dendronдерево).
По высоте ствола ширина годичных слоев нормально возрастает от
комля к вершине, что делает ствол полнодревесным, т.е. приближающимся по
форме к цилиндру. Однако у деревьев, выросших на свободе, самые широкие
годичные слои находятся в нижней части ствола, что придает стволу
конусообразную форму (сбежистый ствол).
У некоторых пород на поперечном разрезе наблюдается волнистость
годичных слоев, например у граба, тиса, можжевельника; у бука и ольхи
граница между годичными слоями в местах пересечения ее широкими
сердцевинными лучами (см. далее) загибается внутрь (к сердцевине), что
также придает слоям волнистый вид.
Годичные слои на противоположных сторонах ствола иногда имеют
неодинаковую ширину; если такая неравномерность распространяется на
большое число соседних годичных слоев, то ствол приобретает эксцентричное
строение, причиной которого часто является неравномерное развитие кроны и
корневой системы (деревья опушек) или действие ветра, вызывающее изгиб
ствола. Особенно хорошо заметно эксцентричное строение в боковых ветвях;
лиственных пород сердцевина ветви бывает смещена ближней стороне, а у
хвойных – к верхней.
У многих пород четко видно, что годичный слой состоит из частей:
внутренней, обращенной к сердцевине е светлоокрашенной и мягкой части –
ранней древесины (она образуется в первой половине вегетационного
периода), и наружной, обращенной к коре более темной и твердой – поздней
древесины. Различие между ранней и поздней древесиной сильнее выражено
в хвойных породах (особенно в лиственнице) и в меньшей мере – во многих
лиственных породах, поэтому годичные слои хорошо видны в хвойных
породах и слабо заметны в лиственных.
В растущем дереве по ранней древесине годичных слоев происходит
передвижение воды вверх по стволу, а поздняя древесина выполняет
преимущественно механические функции. В зависимости от породы, возраста,
условий произрастания, положения в стволе соотношение между ранней и
поздней древесиной может сильно изменяться.
В хвойных породах содержание поздней древесины в годичных слоях в
направлении от сердцевины к коре сначала увеличивается, достигает
максимума, а затем в слоях, расположенных ближе к коре, уменьшается. По
высоте ствола содержание поздней древесины убывает по направлению от
комля к вершине и может снизиться в 1,5...2 раза.
Свойства ранней и поздней древесины годичного слоя существенно
отличаются. У некоторых пород различия особенно ярко выражены.
Например, у лиственницы и дуба, поздняя древесина плотнее ранней
(соответственно в 2,3 и 1,5 раза), больше усыхает (в 1,8 и 1,4 раза), прочнее
при растяжении (в 3,4 и 2,3 раза).
У ели, прочность на растяжение вдоль волокон поздней древесины в 2,7
раз больше, чем ранней. Жесткость поздней древесины также значительно
выше, чем ранней.
Поскольку поздняя древесина плотнее, прочнее и темнее ранней, от
количества именно поздней древесины зависят плотность, прочность, а также
в значительной мере, и цвет древесины в целом.
Сердцевинные лучи (рис. 6). На поперечном разрезе некоторых пород
(например, дуба) хорошо видны светлые блестящие линии, расходящиеся от
сердцевины к коре по радиусам и называемые сердцевинными лучами.
Сердцевинные лучи есть в древесине всех пород, но лишь у немногих пород
они
настолько
широки,
что
ясно
видны
на
поперечном
разрезе
невооруженным глазом.
Ширина сердцевинных лучей, измеряемая на поперечном разрезе
ствола, колеблется в зависимости от породы от 0,005 до 1 мм. По ширине
различают три типа лучей:
1) очень узкие, не видимые невооруженным глазом;
2) узкие, трудно различимые невооруженным глазом;
3) широкие, ясно видимые невооруженным глазом. Последние могут
быть настоящими или ложноширокими (агрегатными), т.е. состоящими из
пучка близко расположенных друг к другу узких лучей.
Настоящие широкие лучи имеют дуб, бук (рис. 6) и платан;
ложноширокие (агрегатные) лучи – граб, ольха и лещина. Узкие, но все же
различимые невооруженным глазом лучи у древесины кленов, ильмовых
пород (вяза, ильма, карагача), липы, кизила и некоторых других. Очень узкие
лучи, которые можно лишь иногда заметить на строго радиальном разрезе
(лучше расколе), свойственны древесине всех хвойных и многих лиственных
пород (ясеня, березы, осины, тополя, ивы, груши, рябины и др.). У некоторых
пород лучи расширяются при пересечении границ годичных слоев (бук).
Рисунок 6 – Вид сердцевинных лучей на поперечном (а), тангенциальном (б),
радиальном (в) разрезах древесины
На радиальном разрезе древесины сердцевинные лучи заметны в виде
поперечных блестящих полос или пятен, окрашенных темнее или светлее
окружающей древесины (см. рис. 6,б). Ширина полосок зависит от высоты
лучей, а длина – от степени совпадения плоскости разреза с направлением
луча. У некоторых пород эти полоски образуют на радиальном разрезе
красивый рисунок (платан, клен, ильм и др.).
На тангенциальном разрезе сердцевинные лучи имеют веретено – или
чечевицеобразную форму (см. рис.6,в); высота их в зависимости от породы
колеблется в широких пределах (от 50 мм у дуба до долей миллиметра у
хвойных пород). В растущем дереве сердцевинные лучи служат в основном
для проведения воды и питательных веществ в горизонтальном направлении и
для хранения запасных питательных веществ зимой. Они выполняют
определенную механическую функцию.
Число сердцевинных лучей в древесине очень велико. Так у березы на 1
см2 поверхности тангенциального разреза насчитывается свыше 3000 лучей, а
у можжевельника, у которого сердцевинные лучи чрезвычайно узкие, – до 15
000. Больше всего сердцевинных лучей находится в нижней части ствола.
Выше по стволу (по направлению к кроне) число лучей уменьшается, а в
области кроны возрастает. Число и размеры сердцевинных лучей (ширина и
высота) увеличиваются в направлении от сердцевины к коре. Объем
сердцевинных лучей зависит от породы – от условий произрастания. Объем
лучей резко различен у листопадных (лиственных) и вечнозеленых (хвойных)
пород. В древесине хвойных пород на долю сердцевинных лучей в среднем
приходится 5...8 % общего объема древесины, лиственных – около 15 %, т.е. в
2,5...3 раза больше. Даже лиственница, сбрасывающая на зиму хвою, содержит
почти вдвое больше лучей (по объему), чем вечнозеленые хвойные (сосна,
ель), выросшие в одинаковых с ней условиях.
Сосуды (рис. 7). На поперечном разрезе древесины некоторых
лиственных пород (дуба, грецкого ореха и др.) можно заметить небольшие
отверстия, представляющие собой поперечные разрезы сосудов имеют
форуму трубок разной величины и являются характерным элементом строения
древесины лиственных пород (у хвойных пород сосудов нет). В растущем
дереве по сосудам из корней в крону поднимается вода.
Сосуды делят на: крупные, ясно видимые невооруженным глазом, и
мелкие, не различимые невооруженным глазом. У ряда пород мелкие сосуды
собраны в группы, которые можно обнаружить без микроскопа. Крупные
сосуды чаще сосредоточены только в ранней зоне годичного слоя и образуют
на поперечном разрезе пористое кольцо (например, у дуба), реже крупные
сосуды распределены по годичному слою равномерно (например, у грецкого
ореха). Собранные в группы мелкие сосуды при наличии крупных сосудов в
ранней зоне располагаются в поздней зоне, где они заметны благодаря более
светлой окраске. Если крупных сосудов нет, то мелкие сосуды у большинства
пород рассеяны по всему слою; однако их число и величина несколько
уменьшаются по направлению к внешней границе слоя.
Описанное распределение сосудов позволяет разделить лиственные
породы на кольцесосудистые с кольцом крупных сосудов в ранней зоне
каждого годичного слоя (рис. 7 а, б, в) и рассеянно-сосудистые, у которых
сосуды, независимо от их величины, распределены по годичному слою более
или менее равномерно (рис. 7,г).
Резкая разница между ранней и поздней зоной делает годичные слои в
кольцесосудистых породах хорошо заметными. В то же время у рассеянососудистых пород нет различия между названными зонами, поэтому годичные
слои имеют однородное строение и границы между ними плохо заметны.
Кольцесосудистыми лиственными породами являются дуб, ясень,
каштан съедобный, вяз, ильм, карагач, бархатное дерево, фисташка и
некоторые
другие.
К
рассеяннососудистым
относится
большинство
лиственных пород; среди них крупными сосудами – грецкий орех и хурма, а с
мелкими сосудами – береза, ольха, рябина, бук, липа, клен, платан, тополь,
ива, груша, лещина и другие.
Скопление мелких сосудов в поздней зоне образуют различный рисунок.
Радиальная группировка мелких сосудов в виде светлых язычков пламени (см.
рис. 7,а) характерна для дуба, каштана; тангенциальная группировка волнистые, иногда прерывистые линии (см. рис.7,б) – для ильма, вяза, береста.
Рассеянная группировка в виде отдельных светлых точек (см. рис. 7, в)
наблюдается у ясеня.
На продольных разрезах сосуды, особенно крупные, бывают, заметны в
виде бороздок. Сосуды редко проходят в стволе строго вертикально, на
продольных разрезах бороздки сравнительно короткие, так как разрез
попадает только часть сосуда. Диаметр крупных сосудов 0,2...0,4 мм, мелких
– 0,016...0,1 мм. Длина сосудов обычно не превышает 10 см, но у дуба
достигает 3 – 6 м, а у ясеня даже до 18м. Объем сосудов у разных пород
колеблется в широких пределах, а для каждой породы зависит от условий
произрастания. По радиусу ствола размер сосудов сначала увеличивается по
направлению от сердцевины к коре, достигает максимума, после чего остается
постоянным или несколько уменьшается. Сосуды, являясь слабыми
элементами, понижают прочность срубленной древесины. Наличием сосудов
объясняется повышенная проницаемость жидкостями и газами древесины
лиственных пород по направлению вдоль волокон.
Рисунок 7 – Схемы расположений сосудов в древесине лиственных пород
а – кольцесосудистая порода с радиальным расположением групп мелких
сосудов; б – кольцесосудистая порода с тангенциальным расположением
групп мелких сосудов; в – кольцесосудистая порода с рассеянным
расположением групп мелких сосудов; г – рассеяннососудистая порода. 1 –
мелкие сосуды в поздней зоне; 2 – крупные сосуды в ранней зоне; 3 – широкие
сердцевинные лучи.
Смоляные ходы. Для древесины ряда хвойных пород характерно
присутствие смоляных ходов – тонких, наполненных смолой каналов. Они
имеются в древесине сосны, кедра, кедра, лиственницы и ели. В древесине
пихты, тиса и можжевельника смоляных ходов нет. По расположению в стволе
различают вертикальные и горизонтальные смоляные ходы; последние
проходят по сердцевинным лучам и образуют с вертикальными ходами общую
смолоносную систему. Благодаря этой системе обеспечивается добыча смолы
подсочкой. Невооруженным глазом можно рассмотреть только вертикальные
смоляные ходы, которые на поперечном разрезе заметны преимущественно в
поздней зоне годичных слоев в виде беловатых точек.
Наиболее крупные смоляные ходы у кедра – их диаметр в среднем 0,14
мм, диаметр смоляных ходов у сосны 0,1 мм, у ели 0,09 мм, у лиственницы
0,08 мм. Длина ходов в пределах 10...80 см.
Наибольшее число смоляных ходов у сосны, довольно много их у кедра,
меньше у лиственницы, еще меньше у ели. У двух последних пород смоляные
ходы занимают не более 0,2% общего объема древесины. Однако даже у пород
с крупными и многочисленными смоляными ходами их доля в общем объеме
древесины менее 1 %. Поэтому сами по себе ходы не могут оказать влияние на
свойства древесины, но заполняющая их смола повышает стойкость
древесины к гниению.
Прожилки (сердцевинные повторения) – это локальные изменения
строения древесины, вызванные повреждением камбия насекомыми.
Они выглядят в виде буроватых черточек на поперечном разрезе и
продолговатых узких темных полосок различной длины и формы на
радиальном и тангенциальном разрезе.
Прожилки являются диагностическим признаком древесины березы, груши и
ольхи.
3. СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСНЫХ ПОРОД
3.1 Хвойные породы
К хвойным породам относятся: ель, лиственница, сосна, кедр,
пихта и др.
Древесина хвойных пород отличается от древесины лиственных более
простым и правильным строением. Она состоит (рис. 1) из трахеид,
сердцевинных лучей, паренхимных клеток и смоляных ходов (не всегда).
Рис. 1. Схема микроскопического строения древесины сосны:
1 – годовой слой; 2 – ранняя зона; 3 – поздняя зона; 4 – ранние трахеиды;
5 – поздние трахеиды; 6 – окаймленные поры; 7 – сердцевинные лучи;
8 – вертикальный смоляной ход; 9 – горизонтальный смоляной ход
Годовой слой – это слой, соответствующий одному году жизни дерева.
В пределах годового слоя различают ранние (рис. 2) и поздние (рис. 3)
трахеиды, которые составляют основную массу (90…95 % общего объема)
древесины хвойных пород.
Трахеиды (от греч. tracheia – дыхательное горло и eidoc – вид) имеют
форму сильно вытянутых волокон с кососрезанными концами. Они являются
мертвыми клетками и только в стволе растущего дерева вновь образующийся
(последний) годовой слой содержит живые трахеиды. Отмирание трахеид
начинается еще весной, постепенно увеличивается к осени, а к середине зимы
все трахеиды последнего годового слоя отмирают.
В зависимости от характера утолщений стенок ранних и поздних
трахеид различают спиральные, лестничные, сетчатые, точечно-пористые и
промежуточные типы трахеид. В пределах одного годового слоя переход от
ранних трахеид к поздним постепенный.
Ранние трахеиды (см. рис. 2) образуются весной и в начале лета. Они
служат для проведения воды с растворенными минеральными веществами.
Характерными их особенностями являются большие внутренние полости и
тонкие стенки, снабженные многочисленными окаймленными порами. На
годовом слое они наиболее светлые, рыхлые и слабые, образуют раннюю
древесину.
Поздние трахеиды (см. рис. 3) образуются в конце лета. Стенки их
сильно утолщены, внутренние полости малы, поры мелкие, малочисленные, со
слабым окаймлением. Выполняют механическую функцию, придавая
древесине прочность. На годовом слое они наиболее темные, плотные и
крепкие, образуют позднюю древесину.
Рис. 2. Ранняя трахеида (радиальный разрез): 1 – крупные окаймленные поры;
2 – мелкие окаймленные поры; 3 – простые поры в месте контакта с
сердцевинными лучами
Простые и окаймленные поры в стенках трахеид
и сосудов служат для обеспечения подъема воды с
растворенными в ней питательными веществами из
одной трахеиды в другую (у лиственных пород –из
сосуда в сосуд) в пределах одного годового слоя.
Простая пора представляет собой прямой
цилиндрический или овальный канал.
Окаймленная пора – это двусторонний клапан,
имеющий вид двузубых вилок, обращенных друг к
другу своими остриями и соединенных тонкой
пленкой (мембраной) с утолщением (торусом) в
Рис.
3.
Поздняя
трахеида
(радиальный разрез)
центре. При отклонении мембраны в ту или другую
сторону торус закрывает или открывает отверстие
поры, по которой проходит вода. Однако из-за
большого количества окаймленных пор (на одной
ранней трахеиде находится в среднем 70 пор, на одной поздней – 17) стенки
трахеид ослаблены и около них, как правило, начинается разрушение
элементов древесины при испытании на сжатие и изгиб.
Паренхимные (от греч. parenohyma – равноналитое) клетки – это одна из
разновидностей живых растительных клеток, в которых откладываются
запасные питательные материалы (крахмал, масла и др.). По внешнему виду –
это четырехгранные призмы, все три измерения которых примерно
одинаковы: стенки обычно тонкие, состоящие из целлюлозы и лигнина. У
хвойных пород паренхимные клетки занимают около 1 % древесины по
объему; у лиственных пород – от 2 до 15 %. Причем у кольцесосудистых пород
их больше, чем у рассеяннососудистых. Паренхимные клетки образуют две
системы – горизонтальную (сердцевинные лучи) и вертикальную (древесную
паренхиму).
Сердцевинные лучи состоят из одного или нескольких рядов
паренхимных клеток, расположены между трахеидами и служат в растущем
дереве, в период вегетации, для передачи питательных веществ и воды по
горизонтальным направлениям; в период покоя в них хранятся питательные
вещества.
На поперечном разрезе они имеют вид узкой, вытянутой полоски,
состоящей обычно из одного ряда клеток.
На радиальном разрезе они выглядят как широкие ленты, состоящие из
нескольких рядов клеток, на тангентальном разрезе – как веретенообразные
полоски, состоящие по высоте из нескольких, а по ширине – из одного ряда
клеток (если в них не залегает смоляной ход).
Смоляные ходы являются характерной особенностью строения
древесины
хвойных
представляют
пород
собой
и
клетки,
вырабатывающие и хранящие смолу.
Различают
горизонтальные
сердцевинным
вертикальные
и
(проходят
по
лучам
и
хорошо
видны на тангентальном разрезе) Рис. 4. Вертикальный смоляной ход
смоляные ходы. Причем у сосны, сосны, заполненный смолой на
ели, лиственницы и кедра смоляные поперечном разрезе: 1 – внутренний
ходы составляют единую систему слой (эпителий), в котором клетки
у выделяют смолу; 2 – кольцо мертвых
можжевельника, пихты и тисса они клеток, заполненных воздухом; 3 –
разобщены. Смоляные ходы имеют наружный слой, состоящий из живых
сообщающихся
каналов,
а
тремя клеток; 4 – канал хода; 5 – трахеиды;
слоями паренхимных клеток (рис. 4). 6 – сердцевинный луч
вид
канала,
окруженного
3.2 Лиственные породы
В зависимости от структуры выделяют лиственные породы:
• кольцесосудистые (рис. 5) – дуб, вяз, ясень, тополь, карагач;
• рассеяннососудистые (рис. 8) – береза, липа, осина, бук, клен, ольха и
др.
Древесина этих пород имеет более сложное строение. Причиной этого
является сильное развитие сосудов, которые смещают соседние клетки,
вследствие чего нарушается правильность и однородность строения.
В состав древесины лиственных пород входят сердцевинные лучи, сосуды,
трахеиды (не всегда), волокна либриформа и паренхимные клетки.
Рис. 5. Схема микроскопического строения древесины дуба: 1 – годовой слой;
2 – ранняя зона; 3 – поздняя зона; 4 – крупные сосуды ранней зоны; 5 – мелкие
сосуды поздней зоны; 6 – широкий сердцевинный луч; 7 – узкий сердцевинный
луч; 8 – сосуды; 9 – либриформ
Характерной особенностью лиственных кольцесосудистых пород
является наличие крупных и мелких сосудов.
Крупные сосуды расположены в ранней древесине и собраны в кольца.
Мелкие сосуды расположены группами в поздней древесине. Благодаря
этому ранние и поздние зоны в годовом слое четко различаются.
Древесина
при
этом
обладает
значительно
более
высокой
водопроницаемостью в направлении длины волокон, чем древесина хвойных
пород.
Сосуды
являются
основными
водопроводящими
элементами
и
представляют собой длинные вертикальные тонкостенные широкополостные
трубки с порами, образовавшиеся в результате слияния вертикального ряда
коротких клеток (члеников), в которых поперечные перегородки полностью
или частично исчезли.
Если при этом в перегородке образовалось одно большое круглое
отверстие, то такая перфорация называется простой, например, у дуба (рис. 6,
а). Если же в перегородке сосуда остается ряд полос, между которыми
находятся
щелевидные
отверстия,
то
такая
перфорация
называется
лестничной, например, у березы (рис. 6, б). Отверстия в перегородках
облегчают передвижение воды по сосуду, а остатки перегородок придают
сосудам жесткость.
Либриформ (от лат. libri – либри) лыко и (от лат. forma – форма) вид –
это механическая ткань, являющаяся главной составной частью древесины
всех лиственных пород (занимает до 76 % общего объема). Ее волокна имеют
толстые одревесневшие оболочки, малую полость и незначительное число
простых пор в виде очень узких щелевидных отверстий, расположенных по
спирали (рис. 7). Волокна либриформа являются наиболее прочными
элементами в древесине лиственных пород и выполняют механические
функции.
Сердцевинные лучи в древесине всех лиственных пород развиты
значительно сильнее, чем у хвойных пород. Они построены исключительно из
паренхимных клеток, несколько вытянутых по длине луча. Оболочки клеток у
них тонкие, одревесневшие, с многочисленными простыми порами.
Рис. 6. Членик сосуда: а – с простой
перфорацией; б – с лестничной
перфорацией;
1
Рис. 7. Волокно либриформа
–окаймленные
поры; 2 – простые поры
В
отличие
от
кольцесосудистых
лиственных
пород,
в
рассеяннососудистых породах нет крупных сосудов. Мелкие сосуды
равномерно распределены по всей ширине годового слоя, поэтому граница
годового слоя между ранней и поздней древесиной выражена менее четко.
Поздняя древесина у этой группы пород окаймлена узкой полоской
толстостенных клеток.
Рис. 8. Схема микроскопического строения древесины березы: 1 – годовой
слой; 2 – ранняя зона; 3 – поздняя зона; 4 – сосуды; 5 – сердцевинные лучи; 6
– либриформ
4. Свойства древесины
Для различения пород деревьев используют текстуру, цвет и запах, а
также ряд технических свойств, таких, как долговечность, плотность,
твердость и прочность. Дальнейшим типичным свойством является
«коробление древесины».
4.1 Долговечность
Правильно обработанное на заводе — долговечно. При частом
изменении влажности и сухости долговечность значительно снижается (табл.
5). Напротив, если дерево находится под водой, то оно может служить очень
долго. В основном древесина в ядре более долговечна, чем заболонь, так как
долговечность зависит от наполняющих веществ, которые исключительно
содержаться в ядре. Долговечность древесины снижается в основном
грибками и насекомыми. С помощью дополнительной обработки средствами
защиты древесины срок службы дерева может быть продлен.
Таблица 5. Долговечность различных видов древесины
Долговечность
Породы деревьев
Очень долговечные
белая акация, тик
Долговечные
дуб, тис
Среднедолговечные
лиственница, сосна
Малодолговечные
ель, пихта
Недолговечные
береза, тополь, бук, ясень
4.2 Плотность
У
дерева
следует
различать
плотность
и
объемную
массу. Плотность относится к чистой деревянной субстанции, т.е. к материалу
стенок клеток, без клеточного пространства. Она составляет у всех видов
дерева около 1,56 кг/дм3, так как стенки клеток у всех пород древесины
состоят из одних и тех же основных веществ. Под объемной массой понимают
плотность дерева вместе с клеточным пространством. Объемная масса зависит
от вида древесины и его влагосодержания. Обычно объемная масса дается для
дерева в воздушно-сухом состоянии (табл. 6). Плотность влияет на
дальнейшие
свойства
дерева,
например
прочность,
твердость,
обрабатываемость и теплопроводность.
Таблица 6. Плотность древесины различных пород
Вид дерева
кг/дм3
Вид дерева
Пихта, ель
0,47
Орегонская сосна
Сосна
0,52
Limba
0,55
Ольха
0,53
Бомерия, сипо
0,60
Лиственница
0,59
Ироко
0,63
Клен
0,61
Береза
0,65
Орех
0,66
Ясень
0,69
Дуб
0,67
Бук
0,69
Граб
0,77
Красный кедр
0,37
Красное дерево
0,43
Американская
(южная) сосна
кг/дм3
желтая
0,51
0,65
4.3 Твердость
Под твердостью дерева понимают сопротивление, которое древесина
создает проникновению в него другого тела, например лезвия режущего
инструмента. Обрабатываемость и истираемость поэтому зависят от
твердости. Твердость древесины тем больше, чем больше объемная масса и
чем меньше влагосодержание. Медленно росшее дерево с толстостенными
клетками, как правило, тверже, чем быстро росшее дерево. Заболонь мягче
ядровой древесины. На практике различают древесину твердых и мягких
пород (табл. 7).
Таблица 7. Твердость различных пород деревьев
Мягкие породы
Твердые породы
Очень мягкие Мягкие
Твердые Очень твердые
Тополь
Липа
Бальза
Пихта
Клен
Ель
Дуб
Сосна
Ясень
Лиственница Бук
Граб
4.4 Прочность древесины
Прочность
древесины,
способность
древесины
сопротивляться
разрушению под действием нагрузок; одно из основных её механических
свойств. Прочность древесины зависит от строения и физического состояния
древесины. В соответствии с видом напряжённого состояния и направлением
усилий по отношению к волокнам и годичным слоям различают прочности
древесины: при сжатии и растяжении вдоль волокон; сжатии, местном смятии
и растяжении поперёк волокон в радиальном и тангенциальном направлениях;
статическом изгибе; скалывании вдоль и поперёк волокон в радиальной и
тангенциальной плоскостях; перерезании поперёк волокон в тех же
плоскостях. Испытания древесины на прочность проводят стандартными
методами на чистых (без пороков) малых (базисное сечение 20х20 мм)
образцах при статических нагрузках. По результатам большинства испытаний
определяется предел прочности древесины — макс. напряжение, которое
выдерживает древесина без разрушения. Форма, размеры образцов и схемы
основных испытаний древесины на прочность приведены на рисунке 9.
Показатели прочности древесины приводят к единой влажности (12%).
Пределы
прочности
древесины
некоторых
распространённых
пород
представлены в таблице 9.
При сжатии и местном смятии поперёк волокон определяют условный
предел
прочности
пропорциональности
древесины,
зависимости
за
который
принимают
«напряжения—деформации».
предел
Этот
показатель при сжатии древесины поперёк волокон для основных пород в
радиальном направлении составляет 2,2—7,0 МПа, а в тангенциальном —
2,4—7,6 МПа. При местном смятии поперёк волокон условный предел
прочности древесины на 20—25% выше, чем при сжатии поперёк волокон.
Рис. 9. Образцы и схемы основных испытаний древесины на прочность: 1 сжатие вдоль волокон, 2 - сжатие поперёк, 3 - местное смятие поперёк волокон,
4 - растяжение вдоль волокон, 5 - растяжение поперёк волокон (радиальное, 6
- статический изгиб, 7 - скалывание вдоль волокон (тангенциальное).
С увеличением температуры и особенно влажности до предела
насыщения клеточных стенок прочность древесины при всех видах испытаний
значительно снижается. Наибольшее уменьшение прочности от увлажнения
древесины наблюдается при сжатии вдоль волокон и статическом изгибе.
Воздействие
высоких
температур
на
влажную
древесину
вызывает
существенное необратимое снижение прочности древесины. Увеличение
размеров испытываемых образцов по сравнению со стандартными малыми
образцами, а также наличие в них пороков древесины приводит к снижению
большинства показателей прочности. Прочность древесины сильно зависит от
продолжительности нагружения. При динамической нагрузке прочность
древесины возрастает, а при долговременной снижается по сравнению со
статической прочностью древесины. Путём направленного изменения
структуры и свойств древесины можно существенно повысить её прочность.
4.5 Электро- и теплопроводность и теплозащита и звукоизоляция
При оценке строительных материалов с точки зрения строительной
физики важными являются свойства проводимости и, соответственно,
изоляции по отношению к теплу, звуку и электричеству (табл. 10).
Таблица 10. Свойства проводимости и изоляции древесины
Свойства
Теплоизоляция
Оценка
Очень хорошая, 1 Хорошее
Сухое дерево не
см сосновой
распространение
проводит
древесины имеет звука.
электрический ток.
такую же
Ограниченные
Влажная древесина
теплоизоляцию, возможности
проводит лучше
как 16 см бетона звукоизоляции
Причина/значение
Много пор в
сухом дереве
Звукоизоляция Электропроводность
Малый вес и
высокая
прочность на
изгиб
Возможно измерение
влажности с помощью
электрического
сопротивления
5. Деформации древесины от влажности
Дерево гигроскопично, т.е. оно может отдавать влагу и набирать ее
снова. Отдача и набор влажности начинается тогда, когда между содержанием
влаги в дереве и содержанием влаги в воздухе, окружающем древесину,
имеется некоторая разница (перепад влажности). Свежесрубленное дерево в
зависимости от породы, места роста и возраста дерева содержит от 85 до 100%
воды, отнесенной к сухой массе древесины. Вода содержится как «свободная
вода» в пустых пространствах клеток и как «связанная вода» в стенках клеток.
Из-за трубчатой клеточной структуры дерева при высыхании свободная вода
относительно быстро отдается в окружающую среду. Если дерево больше не
содержит свободной воды, то влажность древесины составляет в зависимости
от вида древесины от 32 до 35%. Этот диапазон влажности называется
диапазоном волоконного насыщения (табл. 11).
Таблица 11. Область волоконного насыщения
Вид древесины
Влажность
Красный бук, граб, береза32-35%
Пихта, ель
30-34%
Сосна, лиственница
26-28%
Дуб, ясень, орех
23-25%
На практике для упрощения в качестве волоконного насыщения
принимается влажность древесины 30%.
Отдача связанной воды, напротив, происходит очень медленно, так как
она может выйти наружу только за счет диффузии через стенки клеток. Когда
вода уходит из волокон при влажности ниже диапазона волоконного
насыщения, т.е. около 30%, уменьшается объем древесины и изменяется
форма деревянных элементов, дерево усаживается (рис. 10). При этом дерево
может коробиться и, соответственно, расширяться и растрескиваться. При
наборе влажности объем снова увеличивается, оно набухает. Усадку и
набухание называют деформациями древесины от влажности.
Рис. 10. Усадка дерева при высыхании
Усадка происходит не по всем направлениям равномерно. Направление
вдоль волокон (продольное и, соответственно, осевое) имеет наибольшую
усадку в 0,1—0,3%. В направлении сердцевинных лучей (т.е. в радиальном)
— примерно 5%, в направлении годовых колец (тангенциальном) — около
10% (рис. 11). Это — средние значения, которые действительны для дерева,
высушенного в сушильных камерах, т.е. для дерева, высушенного до 0%
влажности. У некоторых видов древесины размеры усадки отклоняются
значительно от средних значений. Так как размеры усадки и набухания во
влажной
для
строительства
области
5—25%
влажности
древесины
изменяются линейно, то их величину часто дают для различных видов дерева
отнесенной к 1% изменения влажности древесины (табл. 12).
Рис. 11. Максимальное изменение размеров за счет усадки при высушивании
с 30 до 0% влажности древесины
Таблица 12. Величины усадки на 1% изменения влажности древесины
Вид древесиныРадиально, %Тангенциально, %
Ель
0,14
0,28
Лиственница 0,14
0,30
Дуб
0,18
0,34
Пихта
0,19
0,36
Сосна
0,19
0,36
Красный бук
0,20
0,41
Ясень
0,21
0,38
Из-за различной по величине усадки в радиальном и тангенциальном
направлениях возникают различные изменения формы. Круглые бревна
растрескиваются и образуют трещины усушки или усадки, брусья
деформируются в зависимости от расположения годовых колец в сечении
(рис. 12). Доски продольного распила по центру (с сердцевиной по центру)
становятся при усадке тоньше в области заболони, чем в области сердцевины.
Кроме того, возникает небольшая усадка в ширину. В области
сердцевины дерево раскалывается. Доски и брусья с сердцевиной, смещенной
от центра, изгибаются в сторону односторонне замкнутых годовых колец и
становятся по концам тоньше и уже. В досках и брусьях тангенциального
распила усадка проявляется в виде сильного растяжения в направлении
годовых колец (рис. 13).
Рис. 12. Усадка круглых бревен и окантованных брусьев
Рис. 13. Формы усадки досок и брусьев прямоугольного сечения
При сильной и особенно при быстрой усадке пиломатериалы могут
разрываться на своих торцах, образуются лобовые или конечные трещины,
сильнее, чем сердцевина. Различные условия роста по величине усадку и
набухание. Чем меньше «работает» дерево, тем выше его стойкость к
атмосферным воздействиям, или его размеро- и формоустойчивость.
Дерево усыхает и набухает в тангенциальном направлении
примерно в два раза больше, чем в радиальном.
«Работа» древесины в продольном направлении так мала, что ее в
большинстве случаев можно не учитывать при проектировании конструкций.
При усадке доски и брусья тангенциального (бокового) распила
деформируются всегда так, что правая сторона становится выпуклой, а левая
— вогнутой.