Общие сведения о древесине

Древесина относится к весьма распространенному строительному материалу. Древесные материалы применялись в строительстве с глубокой древности. Еще в XII - XIII вв. русскими зодчими были созданы замечательные сооружения из древесины: крепостные сооружения, мосты, дворцы и храмы, великолепные по архитектурной выразительности. Некоторые из них сохранились до сих пор.

Россия занимает первое место в мире по запасам лесных материалов: одна треть всех хвойных пород мира находятся на территории нашей страны.

Для производства строительных материалов, изделий и конструкций используется древесина - освобожденная от коры часть ствола. Достоинства древесины заключены в том, что материал можно пилить, резать, строгать, колоть, долбить, сверлить, фрезеровать, шлифовать, полировать, лущить. Кроме того, элементы из древесины можно легко соединять. Имеются различные варианты врезок, врубок, материал приколачивают гвоздями, склеивают.

Древесина - материал легкий (средняя плотность сосны - 450 - 550 кг/м³), обладающий низкой теплопроводностью и высокой пористостью. Многие породы дерева отличаются высокой механической прочностью, приближаясь по данному показателю к стали. Древесина хорошо работает на сжатие, изгиб и растяжение вдоль волокон. Декоративность - характерное качество для многих пород. Материал экологически чист, долговечен.

Наряду с достоинствами древесине присущи недостатки:

• анизотропность - неодинаковость свойств в зависимости от направления;
• слабая огнестойкость (предел огнестойкости не превышает 20 мин);
• загнивание при повышенной температуре, влажности и наличии кислорода;
• большое количество пороков формы ствола и внутреннего строения, что приводит уменьшению выхода деловой древесины;
• повышенная чувствительность, при изменении влажности происходит усушка или набухание, что может вызвать коробление и появление трещин.

Однако технологическими мероприятиями все эти недостатки сравнительно легко устраняются.

Древесина является продуктом растительного происхождения. Стенки клеток древесины сложены из углеводородов (целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин) и эстрактивных веществ.

Структура древесины в первом приближении представляет собой конструкционное сочетание целлюлозы с лигнином. Волокна целлюлозы обладают высокой прочностью на разрыв, но легко изгибаются. Лигнин объединяет их в единое целое с помощью водородных и ван-дер-ваальсовых сил связи, поэтому древесина по существу - природный органический материал с конгломератным типом структуры, в котором имеются матричная пространственная сетка из лигнина и кристаллический волокнистый наполнитель в виде целлюлозы. Эта структура хорошо, например, видна на микроснимке, полученном американским ученым Э. Келли для среза осины при увеличении в 11 тыс. раз. Темная полоса - лигнин, менее темная - стенка целлюлозной клетки и светлая область - полость клетки.

Подобно искусственным конгломератам, древесина содержит капилляры и поры различных размеров; в период жизни дерева они имеют большое значение для передвижения воды и питательных соков, их накопления и т.д. Крупные капилляры являются полостями и порами стенок, капилляры и поры находятся между фибриллами, микрофибриллами и внутри них. Крупные капилляры могут заполняться водой, быстро и легко удаляется из них при сушке. В тонких порах и капиллярах заполнение водой происходит при контакте с ней и при сорбировании влаги из влажного воздуха.

Максимальное насыщение древесины гигроскопической влагой составляет в среднем 30 % к массе сухой древесины и называется пределом насыщения.

Это сопровождается набуханием древесины и ухудшением ее свойств. При сушке трудно испаряется гигроскопическая вода от клеточных стенок. При температуре 105 ºС масса древесины сохраняет постоянное значение, которое принимается за абсолютно сухое состояние древесины. Более высокое нагревание ведет к деструкции древесины.

Изменение показателей свойств древесины по мере ее высыхания можно изобразить в системе координат: по оси ординат показываются свойства, по оси абсцисс - гигроскопическая влажность древесины.

Числовые значения экстремумов получают экспериментальным путем при испытании образцов или расчетным путем, применяя некоторые известные зависимости. В них значение влажности для получения экстремальной величины принимается равным нулю (W=0).

Такой комплекс экстремумов согласно закону створа возможен только при оптимальной структуре. Следовательно, под влиянием внешних и внутренних воздействий в период роста дерева происходит постепенная оптимизация структуры древесины эволюционным путем. К внешним воздействиям на растущее дерево следует отнести силовые воздействия - от ветровой нагрузки и массы кроны, тепловые - от переменной температуры окружающей среды, воздействие влаги, солнечного света и др.

К внутренним воздействиям относятся перемещение влаги с растворенными минеральными веществами из почвы, перемещение и создание запаса питательных веществ и др. Реальные условия развития дерева, его рост вызывали необходимость в приспособляемости к механическим напряжениям, особенно древесных волокон (сопротивляемости ветровым нагрузкам, нагрузкам от массы кроны.) В результате нормального роста древесина хвойных и лиственных пород набирает комплекс элементов, общими для которых являются: упорядоченность волокнистой структуры и клеточного строения древесины, утончение стен - прослоек матричной части из лигнина, значительная кристаллизация целлюлозы и отчасти гемицеллюлозы, общее упорядочение расположения молекул с анизотропией свойств по главным структурным направлениям, формирование оптимальной структуры с соответствующей закономерностью створа с комплексом экстремальных значении свойств.

Древесные строительные материалы Строение древесных материалов. Часть 1