Древесина как строительный материал. Часть 1. Структура древесины

История и культура России неразрывно связаны с применением древесины.

Начиная с древних времён, до сегодняшних дней, мы отдаём предпочтение древесине, несмотря на разнообразие альтернативных материалов, предлагаемых современным рынком. Древесина традиционно является одним из важнейших строительных материалов, чему способствуют её прекрасные декоративные свойства, широкое распространение, лёгкость добычи и обработки, а также высокие показатели прочности при малом объёмном весе.

Передовые технологии в сочетании с уникальностью природных свойств древесины позволяют создавать из дерева долговечные деревянные конструкции, восхищающие своей красотой и совершенством.

Симпатия к древесине кроется не только в многовековых традициях использования, но и в несомненных преимуществах − технических, эстетических характеристиках и неповторимой экологичности таких конструкций. Ведь важнейшими аргументами при выборе дома являются его экологическая безопасность, практичность и удобство.

Темпы строительства деревянных домов растут год от года благодаря уникальным свойствам живой древесины, способной «дышать», насыщая воздух благоуханием.

К сожалению, наряду со всеми достоинствами, древесине свойственны и недостатки, значительно ограничивающие применение деревянных конструкций. К таким недостаткам можно отнести опасность загнивания и возгорания, усушка, разбухание, коробление, растрескивание, неоднородность строения и т.п.

Эти недостатки легко устранимы — современная наука выработала различные методы долговременной защиты древесины.

Макроструктура древесины

В растущем дереве различают корень, ствол, крону. Ствол − главная и наиболее ценная часть дерева. Строительную древесину получают из ствола дерева, от особенностей строения которого зависит качество древесины как строительного материала.

Строение ствола дерева, видимое невооруженным глазом, назовём макроструктурой.

Чтобы получить представление о макроструктуре древесины, её рассматривают с трёх основных распилов − поперечного, радиального и тангенциального (рис.1)

Рис.1 Распилы древесины

а) продольный распил проходит через сердцевину ствола.
б) тангенциальный распил проходит вдоль ствола, но удалён от сердцевины на разное расстояние.
в) поперечный распил проходит перпендикулярно оси ствола и образует торцевую плоскость.

Древесина, распиленная в разных направлениях, имеет различную текстуру (рисунок), и отличается своими качествами и свойствами.

На поперечном разрезе ствола древесного растения можно выделить следующие основные макроструктурные единицы древесины:

• Кора
• Камбий
• Заболонь древесина
• Ядро
• Сердцевина

Кора − защитный покров ствола дерева, состоящий из внешнего пробкового и внутреннего лубкового слоёв. Это своеобразная кожа дерева, предохраняющая его от воздействия внешней среды, а также участвующая в регуляции дыхания.

Луб − непосредственно примыкающий к камбию внутренний слой коры (флоэма), состоящий в основном из живых клеток, выполняющий проводящую функцию между кроной дерева и его корнями. Камбий − одноклеточный слой живых клеток, поочередно делящихся в сторону заболони и в сторону луба, обеспечивающий рост дерева в толщину.

На поперечном разрезе древесины можно различить концентрические слои прироста, называемые годичными кольцами, которые светлее к поверхности дерева и темнее у центра. Светлая часть древесины называется заболонью, а темная − ядром.

Годичное кольцо − слой древесины, образовавшийся за один год.

На радикальном разрезе годичные слои имеют вид продольных и прямых полос, на тангенциальном − извилистых конусообразных линий. Подсчитав годичные кольца, можно узнать, сколько лет прожило дерево.

Заболонь как, более молодая часть ствола, менее устойчива к загниванию, чем ядро, но более эластична. Ширина заболони колеблется в зависимости от породы, условий роста и других факторов. У одних пород ядро образуется на третий год (тис, белая акация), у других − на 30…35-й год (сосна). Поэтому заболонь у тиса узкая, у сосны широкая.

Ядро образуется за счёт отмирания живых клеток древесины, закупорки водопроводящих путей, отложения дубильных, красящих веществ, смолы, солей, поэтому, ядро обычно гораздо темнее заболони. В результате этого изменяются цвет древесины, её масса и показатели механических свойств. Ядро у многих пород окрашено в более тёмный цвет, оно является самой ценной, самой прочной частью древесины.

Сердцевидные лучи. На поперечном разрезе некоторых пород хорошо видны невооруженным глазом светлые, часто блестящие, направленные от сердцевины к коре линии − сердцевидные лучи. Сердцевидные лучи имеются у всех видов, но видны лишь у некоторых. Особенно хорошо сердцевинные лучи видны у дуба, бука, платана. Сердцевинные лучи служат для прохода в поперечном направлении по стволу воды, воздуха и органических веществ, вырабатываемых деревом.

Сердцевина находится в центре ствола и проходит по всей его длине. Она представляет собой рыхлую ткань, которая легко разрушается живыми организмами, состоит в основном из живых клеток, образующаяся за счёт деления клеток верхушечной образовательной ткани при росте дерева в высоту. Сердцевину не применяют в строительстве.

Это интересно
По имеющимся оценкам, калифорнийские секвойядендроны доживают до 5000 лет, но число действительно подсчитанных у них годичных колец пока не превышает 3200.

Для хвойный видов характерно наличие смоляных ходов, в которых накапливаются экстрактивные, дубильные, эфирные вещества, придающие хвойной древесине неповторимый аромат.

Древесина лесных видов окрашена обычно в светлый цвет. При этом у одних видов вся масса древесины окрашена в один цвет (ольха, береза, граб), а других центральная часть имеет более тёмную окраску (дуб, лиственница, сосна). Тёмная часть ствола − ядро, а светлая периферическая − заболонь. У некоторых безъядровых видов видно потемнение центральной части ствола. В этом случае тёмная центральная зона называют ложным ядром.

В зависимости от относительного содержания влаги и соотношения величины заболони и ядра древесные виды делят на ядровые, и заболонные.

У ядровых видов заболонь имеет значительное содержание влаги и светлее ядра. Ядровые виды имеют древесину, однородную по цвету. Содержание влаги в ядре меньше, чем в заболони. Заболонные виды отличаются наиболее однородным строением, ядро и заболонь практически неразличимы ни по цвету, ни по содержанию влаги.

Рисунок, который образуют на поверхности деталей из древесины слои, сосуды и сердцевинные лучи, называется текстурой древесины. Такие виды деревьев, как, орех, дуб, ясень, карельская береза, красное дерево и другие, имеют очень красивую текстуру, которую во время отделки стараются сохранить и сделать более чёткой.

Микроструктура древесины

Если посмотреть на тонкий распил древесины под микроскопом, можно увидеть, что она состоит из тканей, образованных клетками. (Рис.)

Именно такое уникальное строение клеточной стенки обеспечивает древесине прочность и гибкость.

Древесина преимущественно состоит из сложных органических соединений. Органические вещества можно представить четырьмя основными группами:

• Целлюлоза
• Гемицеллюлозы
• Лигнин
• Экстрактивные вещества

В состав древесины входит порядка 45-60% целлюлозы, 15-35% лигнина и 15-25% гемицеллюлоз.

Количество экстрактивных веществ в значительной мере зависит от вида и неодинаково в заболони и ядровой древесине.

Содержание минеральных веществ (зольность) древесины обычно значительно меньше 1%. Минеральные вещества преимущественно представлены солями кальция и магния.

Стенка клетки имеет сетчатую структуру из взаимосвязанных длинноцепочечных молекул целлюлозы, наполненную другими углеводородами (гемицеллюлозами), а также лигнином и различными экстрактивными веществами.

Если сравнить древесину с армированным бетоном, то функцию арматуры в древесине исполняет целлюлоза и гемицеллюлоза, а связующим веществом является лигнин.

Элементарный химический состав древесины всех видов практически одинаков. Органическая часть абсолютно сухой древесины содержит в среднем 49-50 % углерода, 43-44 % кислорода, около 6 % водорода и 0,1-0,3% азота. При сжигании древесины остаётся её неорганическая часть − зола (0,1-1,0 %). В состав золы входят кальций, калий, натрий, магний, в меньших количествах фосфор, сера и другие элементы. Они образуют минеральные вещества, большая часть которых (75-90%) не растворима в воде. Среди растворимых веществ преобладают соли щелочных металлов − карбонаты калия и натрия, а из нерастворимых − соли кальция.

Схема химического состава древесины

Свойства древесины сильно зависят от химического состава. Древесина хвойных видов отличается от лиственных несколько большим содержанием лигнина и, особенно, гексозанов. У древесины лиственных видов среди гемицеллюлоз преобладают пентозаны. Только в составе экстрактивных веществ хвойной древесины содержатся смоляные кислоты. В ранней зоне годичного слоя, целлюлозы меньше, чем в поздней. Целлюлозы, лигнина и экстрактивных веществ в заболони хвойных видов меньше, чем в ядре.

У некоторых лиственных видов (ясень, дуб) содержание целлюлозы в ядре больше, чем в заболони. В древесине ветвей содержание целлюлозы на 3-10 % меньше, чем в стволе. Кора по элементному химическому составу мало отличается от древесины, но количество минеральных веществ в ней больше, чем в древесине. Соотношение между основными органическими веществами в коре также иное, чем в древесине, здесь значительно меньше целлюлозы (особенно в корке).

Источник: Компания «Сенеж-препараты»