Вся электронная библиотека >>>

 Строительные изделия >>>

 

Строительство. Стройматериалы

Строительные материалы и изделия


Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

 

Древесные стройматериалы и изделия. Структура и свойства древесины

 

 

Древесина является весьма распространенным строительным материалом, применяемым с глубокой древности. Она характеризуется редким сочетанием положительных свойств. Это -весьма легкий и в то же время прочный материал, хорошо сопротивляющийся статическим и динамическим нагрузкам. Благодаря пористой структуре древесина имеет малую теплопроводность. Она легко поддается механической обработке, хорошо склеивается. К своеобразным качествам древесины относится ее способность удерживать металлические крепления - гвозди, шурупы, скобы.

Нашли применение и побочные продукты деревопереработки и лесопиления - стружка, дробленка, опилки и др. Их используют в качестве компонентов различных строительных конгломератов: древесно-стружечных и древесно-волокнистых плит, арболита, ксилолита и др.

Древесина - продукт растительного происхождения и как биологический объект состоит из клеток. Стенки клеток древесины на 99 % состоят из органических соединений, представленных у хвойных пород примерно на 70 %, а у лиственных пород на 80 % углеводами. Последние являются природными веществами, образованными тремя элементами: углеродом, водородом и кислородом. Примерами простых углеводов являются глюкоза и сахар.

В углеводную часть древесины входит целлюлоза как ее основной компонент по объему в стволе дерева и нецеллюлозные полисахариды, именуемые гемицеллюлозой.

Целлюлоза может быть выражена брутто-формулой [C6Hi0O5]w, где п - степень полимеризации, которая у древесной целлюлозы достигает значений от 300 до 6000 и более. Она представляет собой линейный гетероцепной однородный полимер, имеющий большое число гидроксильных групп ОН, образующих водородную связь. Эта связь между водородным атомом гидроксила одной цепи и кислородным атомом гидроксила соседней цепи придает повышенную жесткость полимеру, так как способствует сращиванию цепных молекул в целлюлозных волокнах.

 

 

Кроме водородных связей для целлюлозы характерно также внутри- и межмолекулярное взаимодействие, т. е. силами Ван-дер-Ваальса, что наоборот уменьшает степень жесткости, и молекулы целлюлозы могут принимать различные расположения.

Древесные целлюлозные волокна имеют спиральную структуру и содержат примерно 55.. .65 % кристаллической и 25.. .35 % аморфной (гемицеллюлозной) части, причем у хвойных пород аморфной части меньше, чем у лиственных (28.. .35 %).

Около 30 % древесины составляют вещества ароматической природы, известные под названием лигнин. Полагают, что это смесь нерегулярных разветвленных полимеров сетчатой структуры. Присутствие лигнина устанавливают по цветным реакциям. От целлюлозы он отличается повышенным содержанием углерода - 60...65 % (в целлюлозе - 44 %), что обусловлено его ароматической природой. Из девяти атомов углерода, составляющих структурную единицу (фенилпропановую) лигнина, шесть принадлежат ароматическому кольцу. В химическом отношении лигнин - реакционноспособный полимер. По сравнению с целлюлозой он обладает меньшей химической стойкостью, легче окисляется. Лигнин - аморфное вещество, им обогащаются клеточные стенки с эффектом одревеснения.

Углеводы и лигнин являются природными полимерными веществами. На них распространяются закономерности, характерные для этих соединений, причем они находятся в теснейшей взаимосвязи и образуют единую высокоорганизованную полимерную систему древесины.

Небольшую часть древесины (2...4 %) составляют экстрактивные вещества. Они не входят в состав клеточной стенки, а способны лишь пропитывать ее. Экстрактивные вещества в основном содержатся в полостях клеток и межклеточном пространстве. В отличие от углеводов и лигнина экстрактивные вещества - низкомолекулярные соединения, которые извлекаются из древесины нейтральными растворителями - водой, обычными органическими растворителями. Хотя их немного, но они придают древесине цвет, запах, вкус, иногда токсичность, помогают дереву сопротивляться гниению, поражению грибами и т. д. Среди экстрактивных ^веществ - смолы и смоляные кислоты, танниды (дубители), эфирные масла, красители, камеди, белки и др. В каждой породе присутствуют только некоторые экстрактивные вещества, по-разному распределяясь внутри дерева, например фенольные вещества - в ядровой части, а сахара, жиры и другие - в заболонной древесине. Имеется небольшая доля и минеральных веществ (до 1 %), поступающих из почвы через корневую систему и проводящие ткани.

Структура древесины отличается значительной неоднородностью. Это видно невооруженным глазом на главных разрезах ствола ( 23 а) - поперечном 1, радиальном 2 и тангенциальном 3. Поперечным (торцовым) называют разрез, проходящий перпендикулярно оси ствола. Радиальный разрез проходит вдоль оси ствола по радиусу или диаметру поперечного сечения. Тангенциальный разрез образован плоскостью, параллельной оси ствола и рассекающей поперечное сечение по хорде.

Ствол дерева состоит из многочисленных клеток, вытянутых в основном по его длине. Клетки определенным образом группируются и создают на торце ствола систему концентрических колец. Вместе с другими элементами они формируют макроструктуру древесины.

Макроструктура древесины различима невооруженным глазом или при небольшом увеличении, например с помощью лупы. Выделяют следующие основные элементы макроструктуры: сердцевину, ядро, заболонь, камбий и годичные слои.

Сердцевина - узкая центральная часть ствола ( 236). Она представляет собой рыхлую, слабую ткань первичного образования, легко поддается загниванию. В досках и брусках толщиной до 50 мм сердцевина, как правило, не допускается.

Ядро - это внутренняя зона древесного ствола, большей частью темноокрашенная. Ядро образуется в результате отмирания живых клеток древесины. Темная окраска ядра объясняется отложением в клетках древесины смолы, дубильных и красящих веществ, углекислого кальция. Эти вещества увеличивают стойкость древесины ядра против загнивания.

Заболонь - светлая наружная зона ствола, окружающая ядро. В основном она состоит из живых клеток. Как правило, древесина заболони светлоокрашенная. По механическим свойствам она не уступает древесине ядра, но хуже сопротивляется загниванию.

Древесные породы, у которых четко различимы ядро и заболонь, называют ядровыми (дуб, сосна, лиственница, кедр). В ряде случаев центральная часть древесины имеет такой же цвет, что и наружная, но отличается меньшим содержанием влаги.

Такую древесину называют спелой, а породы - спелодревесными (ель, пихта, бук). Остальные породы, у которых нет различия между центральной и наружной частью ствола ни по цвету, ни по влажности, называют заболонными (береза, осина, ольха).

Камбий ~ тончайший слой из полностью живых клеток, способных к росту и делению на большую часть, откладываемую в сторону древесины, и меньшую часть - в сторону от центра, где расположен следующий слой в виде луба (внутренний слой коры).

Годичные слои представляют собой ежегодный прирост древесины. Они состоят из клеток, образовавшихся за один вегетационный период. На, поперечном разрезе годичные слои расположены в виде концентрических колец, на радиальном разрезе они образуют параллельные полосы, идущие в продольном направлении, на тангенциальном - извилистые сходящиеся линии ( 23).

Каждый годичный слой состоит из ранней и поздней древесины. Ранняя древесина образуется весной, поздняя - к концу лета. Ранняя древесина светлее поздней. Клетки ранней древесины более крупные, а толщина стенок в них меньшая. Поэтому ранняя древесина более пористая и слабая, а поздняя - более плотная и прочная. Чем больше в годичном слое поздней древесины, тем выше механические свойства породы.

Микроструктура древесины представлена большим числом мельчайших клеток. Оболочки клеток состоят в основном из органического вещества - целлюлозы. Это природный полимер, нерастворимый в воде и органических растворителях. Целлюлоза образует систему первичных волокон, называемых микрофибриллами. Первичные волокна расположены в оболочках клеток в несколько слоев.

Древесина состоит из 40...50 % целлюлозы, 20...30 % лигнина, 15...30 % гемицеллюлозы и 1...3 % смол, масел и дубильных веществ. В состав древесины входит 49,5 % углерода, 44,08 % кислорода, 0,12 % азота, 6,3 % водорода и 0,2...1,7 % минеральных веществ.

 Отличительная особенность структуры древесины заключается в том, что она состоит из множества клеток волокнистого строения. Волокна ориентированы в основном вдоль оси ствола. Стенки клеток древесинного вещества сравнительно тонкие. Ориентированное расположение волокон служит причиной неодинаковых свойств древесины в радиальном, тангенциальном и продольном направлениях. Полости клеток, на которые приходится значительная часть объема, формируют вместе с межклеточными промежутками большую пористость древесины.

Клетки в древесине имеют различное функциональное значение. Одни из них выполняют функции проводящих клеток, другие - опорных или механических, третьи - запасающих, четвертые - образовательных (расположены в камбиальном слое), пятые - ассимиляционных (находятся в листве и хвое и благоприятствуют образованию питательных веществ), шестые - покрывных (в коре дерева). Клетки, имеющие одинаковое строение и выполняющие одну и ту же функцию, образуют ткани. Особо выделяют ткани проводящие, механические и запасающие, что соответствует первым трем функциям клеток.

Древесина хвойных пород имеет относительно простое строение ( 24). Она состоит из клеток почти одного типа -трахеид. Это - мертвые веретенообразные клетки длиной от 1,5 до 5 мм со стенками разной толщины и полостями различных размеров. Трахеиды весенней древесины имеют широкие полости и тонкие стенки, а осенней - более узкие полости и толстые стенки. В стенках трахеид имеются поры, через которые клетки общаются между собой и при помощи которых содержимое живых клеток соединяется в одно целое.

Лиственные породы имеют более сложное анатомическое строение. Проводящими (водопроводящими) клетками служат сосуды - длинные трубки шириной 0,02...0,5 мм. Механические клетки и соответственно механическая ткань, называемые у лиственных пород либриформом, заметно отличаются своей веретенообразной формой, толстыми стенками с щелевидными порами, узкими полостями. Механические клетки - сравнительно небольшие по длине и диаметру. Все клетки либриформа являются мертвыми, и лишь паренхимные клетки, как и в хвойных породах, образуют сердцевинные лучи, запасающие и проводящие питательные вещества в радиальном направлении

Свойства древесины характеризует комплекс показателей, в число которых входят внешний вид, цвет, текстура, плотность, пористость, влажность, усушка, прочность, твердость, способность удерживать металлические крепления.

Внешний вид зависит в основном от цвета и текстуры древесины.

Цвет часто служит одним из важнейших признаков при распознавании породы дерева. Целлюлоза, из которой в основном состоит древесина, почти белого цвета. Все многообразие цветовых оттенков связано с находящимися в древесине красящими, дубильными и смолистыми веществами. Цвет также зависит от климатических условий, в которых растет дерево. Породы умеренного пояса окрашены бледно, тропического - ярко.

Текстура ~ это рисунок, образующийся на поверхности древесины при перерезании ее волокон, годичных слоев и сердцевинных лучей. Древесина хвойных пород обладает, как правило, простой и однообразной текстурой. Лиственные породы с ярко выраженными сердцевинными лучами - дуб, бук - отличаются очень красивой текстурой на радиальном и тангенциальном разрезах.

Плотность значительно влияет на свойства древесины, особенно на прочность. Плотность древесины изменяется в очень узких пределах, так как древесинное вещество состоит в основном из целлюлозы. Поэтому независимо от породы дерева плотность принимают равной 1530 кг/м3. Средняя плотность зависит как от породы, так и от условий произрастания дерева. Она колеблется в широких пределах. Так, средняя плотность, определенная при стандартной 12%-й влажности, равна для древесины, кг/м3: сосны - 500; ели - 450; дуба - 690; бука - 670; березы - 630; липы - 500; клена - 700. Она изменяется в зависимости от влажности древесины.

Пористость древесины связана с ее плотностью. С уменьшением средней плотности от 800 до 300 кг/м3 пористость возрастает с 55 до 80 %. Следовательно, большую часть объема древесины занимают поры.

Влажность древесины существенно влияет на ее физические и механические свойства, а в ряде случаев определяет ее пригодность для тех или иных строительных целей. Свежесрубленная древесина имеет влажность от 30 % (дуб) до 45 % (ель) и более. Воздушно-сухая древесина имеет влажность 15...20 %. Влажность сплавной древесины может быть больше 100 %.

Если образец абсолютно сухой древесины выдерживать длительное время во влажном воздухе, то его масса вначале будет возрастать, а затем стабилизируется. Связано это с тем, что водяные пары конденсируются в стенках клеток древесины. Влагу, накапливающуюся в стенках клеток, называют связанной или гигроскопической. Состояние древесины, при котором клеточные стенки максимально насыщены водой, а в полостях клеток находится только воздух, характеризуется пределом гигроскопичности. Для большинства пород влажность, соответствующая пределу гигроскопичности при комнатной температуре, составляет 30 % по массе.

Молекулы связанной воды, конденсируясь в стенках клеток, попадают в промежутки между микрофибриллами. Это вызывает утолщение клеточных стенок и, как следствие, разбухание древесины. Одновременно ослабляются силы взаимодействия между микрофибриллами, что приводит к уменьшению прочности материала.

При насыщении древесины капельно-жидкой водой заполняются не только стенки, но и полости клеток. Влагу, находящуюся в полостях клеток, называют свободной или капиллярной. Она не влияет на разбухание и прочность древесины, но может изменить другие физические свойства. Например, по мере увеличения влажности древесина становится тяжелее, возрастают ее тепло- и электропроводность.

Учитывая большое влияние влажности, условились все свойства определять при стандартной влажности, равной 12 %. Этот показатель соответствует влажности сухой древесины, которая хранится в комнатных условиях.

Усушка - это уменьшение линейных размеров и объема деревянных изделий при удалении из древесины связанной влаги. Такие деформации наблюдаются при изменении влажности в диапазоне от нуля до 30 %, т. е. до предела гигроскопичности. Усушка по разным направлениям неодинакова. Вдоль волокон древесины усушка наименьшая - 0,1...0,3 %, в тангенциальном направлении - 6... 12 и в радиальном - 3...6 %.

Неравномерные деформации усушки в разных направлениях сопровождаются возникновением внутренних напряжений и являются причиной растрескивания и коробления пиломатериалов и деревянных. Деформации досок при сушке изделий

Разбухание древесины происходит при увлажнении. Деформации разбухания аналогичны деформациям усушки, но противоположны им по знаку.

Древесина является плохим проводником теплоты, что обусловлено ее пористостью (поры заполнены воздухом). Теплопроводность древесины составляет 0,16...0,3 Вт/(м - °С). Вдоль волокон она в 1,8 раза выше, чем поперек.

Древесина, являясь важным строительным материалом, обладает высокой прочностью при действии сжимающих и растягивающих напряжений, которая находится в прямой зависимости от содержания поздней древесины, пористости и влажности, направления механических сил по отношению к расположению волокон, в чем особенно сильно проявляется ее анизотропия. Анизотропия является следствием медленно развивающейся оптимизации (упорядочения) микро- и макроструктуры в условиях роста дерева и максимального сопротивления ствола механическим нагрузкам с выделением упрочняющих (армирующих) волокон в его тканях. Эти волокна ориентированы по направлениям действия главных напряжений. Вместе с тем они сочетаются с более податливыми волокнами ранней древесины. Предел прочности древесины хвойных пород при сжатии в 6... 10 раз, при растяжении в 20...30 раз больше для направления вдоль волокон (табл. 2), а модуль упругости в 25 раз больше поперек волокон (для древесины хвойных пород Е0 = 10000 МПа вдоль волокон и Е90 = 400 МПа - поперек волокон). Различие упругих свойств в разных направлениях связано с влиянием сердцевинных лучей, особенно у лиственных пород. Оно проявляется тем больше, чем больше доля сердцевинных лучей как своеобразных лучей жесткости в анатомическом строении древесины.

По прочности на сжатие древесина соответствует наиболее высоким классам бетона, а по прочности на растяжение и изгиб - намного превосходит его. На практике использовать высокую прочность древесины на растяжение очень трудно из-за сложности закрепления рабочих концов изделий, в которых возникают скалывающие напряжения и происходит сщтие древесины. Сопротивляемость древесины скалыванию и смятию весьма невелика, и разрушение при растяжении происходит не в виде разрыва, а в виде скалывания или смятия в местах закрепления изделия. Поэтому древесину в основном используют в изгибаемых и сжимаемых конструкциях (балках, стойках), реже - в растягиваемых элементах (затяжках стропильных ферм).

Прочность древесины, особенно на сжатие и изгиб, зависит от ее влажности. Существенное влияние оказывает только связанная влага, содержащаяся в клеточных оболочках. По мере возрастания влажности прочность древесины уменьшается, особенно при влажности 20...25 %. За пределом гигроскопичности (более 30 %) прочность древесины остается неизменной.

Механические свойства зависят не только от влажности, но и от пороков древесины. Поэтому расчетные сопротивления принимают в 5... 10 раз меньше характеристик прочности древесины, указанных в табл. 2.

Твердость имеет большое значение при обработке древесины режущим инструментом. Наибольшей твердостью обладает торцовая поверхность. По степени твердости все древесные породы разделяют на три группы:

•          мягкие (торцовая твердость - менее 38,5 МПа при 12%-й влажности) - сосна, ель, кедр, пихта, липа, тополь, ольха;

•          твердые (торцовая твердость - 38,5...82,5 МПа) - лиственница, береза, бук, вяз, дуб, ясень, клен;

•          очень твердые (более 82,5 МПа) - акация белая, береза железная, граб, тисе, кизил, самшит.

Способность удерживать металлические крепления - своеобразное свойство древесины, обусловленное упругостью ее волокон. Гвоздь, вбиваемый в древесину, раздвигает волокна, которые оказывают на его боковую поверхность значительное давление Возникающие при этом силы трения прочно удерживают гвоздь. Способность удерживать металлические крепления оценивают по сопротивлению выдергиванию гвоздей или шурупов. Сопротивление выдергиванию соответствует усилию, необходимому для выдергивания из древесины гвоздя или шурупа стандартных размеров.

Наибольшее сопротивление выдергиванию оказывает древесина в радиальном и тангенциальном направлениях. Усилие выдергивания гвоздя, вбитого в торец, т. е. вдоль волокон древесины, почти на 50 % меньше. Вот почему для получения прочного соединения деревянных деталей не следует вбивать гвозди или завинчивать шурупы вдоль волокон древесины. Сопротивление древесины выдергиванию шурупов примерно в 4...5 раз больше, чем гвоздей.

Сопротивление выдергиванию также зависит от породы, плотности и влажности древесины. Например, для забивания и выдергивания гъоздей из древесины граба (плотность - 800 кг/м3) необходимо усилие в четыре раза большее, чем для древесины сосны, плотность которой 500 кг/м3. Во влажную древесину гвозди вбивать легче, чем в сухую. При последующем высыхании способность древесины удерживать гвозди снижается.

 

К содержанию книги:  Строительные материалы и изделия

 

Смотрите также:

 

  Строительные материалы (Учебно-справочное пособие)  

 

Строительные материалы и изделия

 

Строительные материалы (Воробьев В.А., Комар А.Г.)

 

Строительные материалы (Домокеев)

 

Строительные материалы из древесных отходов

 

Материалы будущего - силикаты, полимеры, металл...