СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Строение и состав

Растущее дерево состоит из корневой системы, ствола и кроны. Промышленное значение имеет ствол, так как из него получается от 60% до 90% древесины.

Макроструктурой называют строение ствола дерева, видимое невооруженным глазом или через лупу, микроструктурой — види­мое под микроскопом. Обычно изучают три основных разреза ство­ла: поперечный (торцовый), радиальный, проходящий через ось ствола, и тангенциальный, проходящий по хорде вдоль ствола (рис. 12.1,а).

Макроструктура

При рассмотрении разрезов ствола дерева невооруженным гла­зом или через лупу можно различить следующие основные его час­ти: сердцевину, кору, камбий и древесину (рис. 12.1,6).

Сердцевина состоит из клеток с тонкими стенками, слабо свя­занных друг с другом. Сердцевина совместно с древесной тканью первого года развития дерева образует сердцевинную трубку. Эта часть ствола дерева легко загнивает и имеет малую прочность.

Кора состоит из кожицы или корки, пробковой ткани и луба. Корка или кожица и пробковая ткань защищают дерево от вред­ных влияний среды и механических повреждений. Луб проводит питательные вещества от кроны в ствол и корни.

Под лубяным слоем у растущего дерева располагается тонкий кольцевой слой живых клеток — камбий. Ежегодно в вегетативный период камбий откладывает в сторону коры клетки луба и внутрь
ствола, в значительно большем объеме, — клетки древесины. Деление клетбк камбиального слоя начинается весной и заканчивается осенью.

Поэтому древесина ствола (часть ствола от луба до сердцевины) в поперечном разрезе состоит из ряда концентрических, так назы­ваемых годичных колец, располагающихся вокруг сердцевины. Ка­ждое годичное кольцо состоит их двух слоев: (весенней) древесины, образовавшейся весной или в начале лета, и поздней (летней) древе­сины, которая образуется к концу лета. Ранняя древесина светлая и состоит из крупных, но тонкостенных клеток; поздняя древесина бо­лее темного цвета, менее пориста и обладает большей прочностью, так как состоит из мелкополостных клеток с толстыми стенками.

В процессе роста дерева стенки клеток древесины внутренней части ствола, примыкающей к сердцевине, постепенно изменяют свой состав и пропитываются у хвойных пород смолой, а у листвен­ных — дубильными веществами. Движение влаги в древесине этой части ствола прекращается, и она становится более прозрачной, твердой и менее способной к загниванию. Эту часть ствола, состоя­щую из мертвых клеток, называют у некоторых пород ядром, у дру­гих — спелой древесиной. Часть более молодой древесины ствола ближе к коре, в которой еще изменяются живые клетки, обеспечи­вающие перемещение питательных веществ от корней к кроне, на­зывают заболонью. Эта часть древесины имеет большую влажность, относительно легко загнивает, малопрочна, обладает большей усуш­кой и склонностью к короблению.

Породы, у которых ядро отличается от заболони более темной окраской и меньшей влажностью, называют ядровыми (сосна, лист­венница, дуб, кедр и др.). Породы, у которых центральная часть ствола отличается от заболони только меньшей влажностью, назы­вают спелодревесными (ель, пихта, бук, липа и др.). Древесные по­роды, у которых нельзя заметить значительного различия между центральной и наружной частями древесины ствола, носят название заболонные породы (береза, клен, ольха, осина и др.).

В древесине всех пород располагаются сердцевинные лучи, ко­торые служат для перемещения влаги и питательных веществ в по­перечном направлении и создания запаса этих веществ на зимнее время. У хвойных пород они обычно очень узки и видны только под микроскопом. Древесина легко раскалывается по сердцевинным лу­чам, по ним же она растрескивается при высыхании.

Микроструктура

Изучая строение древесины под микроскопом, можно увидеть, что основную ее массу составляют клетки веретенообразной формы, вытянутые вдоль ствола. Некоторое количество клеток вытянуто в горизонтальном направлении, т. е. поперек основных клеток (клетки сердцевинных лучей).

а) Торцовый б) Торцовый

В древесине лиственных пород имеются мелкие и крупные со­суды в форме трубочек, идущих вдоль ствола. В растущем дереве по сосудам передвигается влага от корней к кроне. По распределению сосудов в поперечном сечении лиственные породы разделяют на кольцесосудистые (дуб, вяз, ясень и др.) (рис. 12.2,а) и рассеянно­сосудистые (бук, граб, ольха, береза, осина и др.) (рис. 12.2,6).

У хвойных пород сосудов нет, их функции выполняют удлинен­ные замкнутые клетки, называемые трахеидами (рис. 12.3). У боль­шинства хвойных пород, преимущественно в слоях поздней древе­сины, расположены смоляные ходы — межклеточные пространства, заполненные смолой.

Рис. 12.3. Микрострукту­ра древесины хвойных пород:

1 — клетки (трахеиды) поздней древесины; 2 — клетки ранней древесины; 3 — запасающие клетки сердцевинных лучей; 4 — поры в стенках клеток

Одинаковые по форме и функциям группы клеток объединяются в ткани, имеющие различное назначение в жизни древесины: прово­дящие, запасающие, механические.

Живая клетка имеет оболочку, протоплазму, клеточный сок и ядро. Срубленная древесина состоит из отмерших клеток, т. е. только из клеточных оболочек.

Оболочки клеток сложены из нескольких слоев очень тонких волоконец, называемых микрофибриллами, которые компактно уложены и направлены по спиралям под разным углом к продольной оси клетки в каждом слое (сходство с канатом). Иногда микрофиб­риллы ориентированы по встречным спиралям. Микрофибрилла со­стоит из длинных нитевидных цепных молекул целлюлозы — высокомолекулярного природного полимера (СбНю05)п, где п > 2500, со сложным строением макромолекул. Макромолекулы целлюлозы эластичны и сильно вытянуты.

В клеточной оболочке содержатся и другие природные полиме­ры — лигнин и гемицеллюлоза, которые размещаются преимуще­ственно между микрофибриллами, а также небольшое количество неорганических веществ в виде солей щелочно-земельных металлов.

Как по структуре, так и по физико-механическим свойствам, древесина является природным композиционным материалом.

Физические свойства

Истинная плотность древесины изменяется незначительно, так как древесина всех деревьев состоит в основном из одного и того же вещества — целлюлозы. В связи с этим истинную плотность древе­сины можно принять равной 1,54 г/см3. Плотность древесины разных пород и даже древесины одной и той же породы колеблется в весьма широких пределах, поскольку строение и пористость растущего де­рева зависят от почвы, климата и других природных условий. С уве­личением влажности плотность древесины возрастает. Свежесруб - ленная древесина значительно тяжелее древесины воздушно-сухой, имеющей влажность 12% (табл. 12.1).

Влажность выражают обычно в % по отношению к массе сухой древесины. В древесине различают гигроскопическую влагу, свя­занную в стенках клеток, и капиллярную влагу, которая свободно заполняет полости клеток и межклеточное пространство.

Предел гигроскопической влажности (в среднем он составляет около 30%) соответствует полному насыщению стенок клеток древе­сины водой. Полная влажность древесины (считая гигроскопиче­скую и капиллярную влагу) может значительно превышать 30%. На­пример, влажность свежесрубленного дерева может колебаться от 40 до 120%, а при выдерживании древесины в воде ее влажность может возрасти до 200%. При длительном нахождении влажной древесины на воздухе она постепенно высыхает и достигает равновесной влаж­ности.

Равновесная влажность зависит от температуры и относитель­ной влажности окружающего воздуха. Для определения равновесной влажности пользуются номограммой (рис. 12.4). Равновесная влаж­ность комнатно-сухой древесины составляет 8-12%. Влажность воздушно-сухой древесины после продолжительной сушки на от­крытом воздухе составляет 15-18%.

Рис. 12.5. Влияние влажности

Рис. 12.4. Номограмма равновесной влажности древесины (2-28% — величины равновесной влажности древесины)

древесины на разбухание:

1 — вдоль волокон; 2 — в радиальном направлении; 3 — в тангенциальном направле­нии; 4 — объемное разбуха­ние

Показатели свойств (плотность, прочность), полученные при ис­пытании древесины различной влажности, для возможности сопос­тавления приводят к стандартной влажности, равной 12%.

Усушка, разбухание и коробление. Колебания влажности во­локон древесины влекут за собой изменение размеров и формы до­сок, брусьев и других изделий из древесины. При увлажнении сухой древесины до достижения ею предела гигроскопичности стенки дре­весных клеток утолщаются, разбухают, что приводит к увеличению размеров и объема деревянных изделий. Как видно из рис. 12.5, сво­бодная влага, заполняющая полости клеток, на размерах древесины не отражается. Усушка древесины происходит за счет удаления свя­занной влаги из стенок клеток, т. е. если влажность древесины стано­вится меньше предела гигроскопичности, то усушка достигает мак­симального значения при полном удалении влаги, содержащейся в клеточных стенках.

Вследствие неоднородности строения древесина усыхает в раз­личных направлениях неодинаково. Вдоль оси ствола (вдоль воло­кон) максимальная линейная усушка сравнительно невелика — око­ло 0,1% (1 мм на 1 м), в радиальном направлении 3-6% (3-6 см на 1 м), а в тангенциальном — 6-12% (6-12 см на 1 м).

При высушивании древесины от предела гигроскопичности (ко­торый характеризуется влажностью около 30%) до воздушно-сухого состояния (соответствующего 15-18% влажности) усушка составит примерно половину своего максимального значения. При высушива­нии до комнатно-сухого состояния (т. е. влажности 8-10%) усушка составит три четверти максимальной.

Объемную усушку Yv (%) вычисляют, не учитывая продольной усушки, с точностью до 0,1% по формуле

(12.1)

где а и b — размеры поперечного сечения образца при данной на­чальной влажности; a0ub0 — то же, в абсолютно сухом состоянии.

Степень усушки древесины характеризуется коэффициентом объемной усушки Ку, который вычисляют на 1% влажности с

точностью до 0,01% по формуле

(12.2)

В этой формуле среднее значение предела гигроскопичности

Wnr древесины различных пород принято равным 30%.

Усушка и разбухание древесины вызывают коробление и рас­трескивание лесных материалов.

Коробление деревянных изделий (рис. 12.6) является следствием разницы в усушке древесины в тангенциальном и радиальном на­правлениях и неравномерности высыхания. Неравномерность усуш­ки и коробление вызывают появление внутренних напряжений в древесине и растрескивание пиломатериалов и бревен. Широкие доски коробятся больше, чем узкие, поэтому для настилки пола и столярных изделий применяют доски шириной 10-12 см.

Для предотвра­щения коробления и растрескивания де­ревянных изделий используют древе­сину с той равно­весной влажностью, которая будет в ус­ловиях эксплуата­ции. Например, для столярных изделий влажность древеси­ны не должна пре­вышать 8-10%, а для наружных конструкций 15-18%. Чтобы защищать древесину от последующего увлажнения, ее покрывают красками, лаком и эмалями.

В круглом лесе и пиломатериалах трещины усушки образуются в первую очередь на торцах. Для уменьшения растрескивания торцы бревен, брусьев, досок обмазывают смесью из извести, соли и клея или другими составами.

Текстура — это рисунок древесины, зависящий от сочетания ее видимых элементов: годовых слоев, сердцевинных лучей, сосудов. Цвет и текстура древесины характерны для каждой породы дерева. Текстура дуба, чинары, бука, груши и некоторых других пород вы­соко ценится в отделочных работах. Древесные породы тропическо­го пояса могут иметь своеобразные цвета, например древесина эбе­нового дерева — черный, бакута — темно-оливковый. Блеск древе­сины зависит от плотности и степени обработки. Блеск придается древесине путем полирования и покрытия лаками. Древесина теряет
блеск при загнивании. Запах древесины зависит от содержания в ней смолистых, эфирных и дубильных веществ. Например, древесина лиственницы и сосны пахнет скипидаром.

Теплопроводность сухой древесины незначительна: сосны по­перек волокон — 0,17 Вт/(м °С); вдоль волокон 0,34 Вт/(м °С). Теп­лопроводность древесины зависит от ее пористости, влажности и направления теплового потока. Теплозащитные свойства древесины широко используются в строительстве.

Электропроводность древесины зависит от ее влажности. Древе­сина, используемая для электрической проводки (розетки, доски и т. п.), должна быть сухой. Электрическое сопротивление сухой дре­весины в среднем составляет 75х107 Ом см, а сырой древесины — в десятки раз меньше.

Механические свойства

Целлюлозные цепочки всегда представляют собой нитевидные молекулы. Растительная клетка имеет форму трубки, стенки которой образованы длинными, уложенными приблизительно параллельно нитевидными молекулами целлюлозы.

Таким образом, с инженерной точки зрения любую древесину можно считать пучком параллельных трубок. Поскольку материал этих трубок по существу для всех пород одинаков, то прочность дре­весины зависит от толщины стенок и, следовательно, от средней плотности древесины.

Механические свойства древесины не отличаются от свойств, которые можно ожидать от пучка трубок или волокон.

Прочность древесины определяют путем испытания малых, чис­тых (без видимых пороков) образцов древесины. Прочность древе­сины характеризуется пределами ее прочности при сжатии, растяже­нии, статическом изгибе, скалывании. Кроме того, могут опреде­ляться условный предел прочности при местном смятии и предел прочности при перерезании поперек волокон.

Прочность древесины как анизотропного волокнистого материа­ла в большей степени зависит от того, под каким углом к волокнам направлена сила (рис. 12.7).

Диаграмма растяжения-сжатия древесины вдоль волокон пред­ставлена на рис. 12.8. В области растяжения она практически линей­на, а дерево при этом ведет себя как хрупкий материал.

Прочность древесины зависит от породы дерева, средней плотности, косвенно характеризующей пористость древесины, наличия пороков и влажности. Как видно из рис. 12.9, прочность древе­сины понижается, когда ее влажность возрастает от 0 до 30% (до предела гигроско­пической влажности), при этом в интервале влажности 8-20% понижение прочности прямо пропорционально приросту влажности:

Rn=Rw[l + a{w-n)], (12.3)

где R2 > Rw — предел прочности образцов соответственно при 12% и фактической влажности в момент испытаний; а — коэффициент изменения прочности при изменении влажности на 1%; при сжатии и изгибе а = 0,04, при скалывании а= 0,03; W— влажность образца (%) в момент испытаний.

Предел прочности древесины с влажностью в момент испытания равной или больше предела гигроскопической влажности приводят к

318

влажности 12% по формуле

•^12 = R-wK-12 > (12.4)

где Кх2 — пересчетный коэффициент, имеющий различные значе­ния для разных пород и вида испытаний (указан в соответствующих ГОСТах).

Основные физико-механические свойства древесины хвойных и лиственных пород, применяемых в строительстве, приведены в табл. 12.2.

Прочность древесины определяют на небольших лабораторных образцах без пороков.

Прочность при сжатии определяют вдоль и поперек волокон.

319

Прочность древесины при сжатии вдоль волокон в 3-6 раз больше, чем прочность поперек волокон. Например, предел прочности при сжатии образцов воздушно-сухой сосны вдоль волокон — около 60 МПа, а поперек — только 20 МПа.

Прочность древесины при растяжении вдоль волокон в среднем в 2,5 раза превосходит соответствующий предел прочности при сжатии.

Удельная прочность древесины при растяжении вдоль волокон примерно такая же, как у высокопрочной стали и стеклопластика (табл. 12.3).

Следовательно, древесина по своей удельной прочности конку­рирует с современными конструкционными материалами. Однако использовать высокую прочность древесины не так легко, поскольку сучки, трещины и другие пороки сильно снижают ее механические свойства. В этом отношении большие возможности дает применение древесины в клееных деревянных конструкциях.

Прочность при статическом изгибе древесины очень высокая: она примерно в 1,8 раза превышает прочность при сжатии вдоль во­локон и составляет около 70% прочности при растяжении. Поэтому древесина (балки, настилы и т. п.) чаще всего работает на изгиб.

К тому же дерево стойко к концентрации напряжений ввиду на­личия внутренних поверхностей раздела между волокнами.

Прочность древесины при скалывании имеет большое значение при устройстве врубок, клеевых швов и т. д. в деревянных конструк­циях. Предел прочности при скалывании вдоль волокон для основ­ных древесных пород составляет 6,0-13 МПа, а при скалывании по­перек волокон — в 3-4 раза выше. Кроме этих испытаний может проводиться определение предела прочности древесины при перере­зании поперек волокон.

Статическая твердость численно равна нагрузке, которая не-

320

обходима для вдавливания в образец древесины половины металли­ческого шарика радиусом 5,64 мм (при этом площадь отпечатка рав­на 1 см2). Твердость древесины по торцу на 15-50% выше, чем в ра­диальном и тангенциальном направлениях. Мягкие породы (сосна, ель, пихта, ольха) имеют торцовую твердость 35-50 МПа, твердые породы (дуб, граб, береза, ясень, лиственница и др.) — 50-100 МПа, очень твердые (кизил, самшит) — более 100 МПа. Твердые породы труднее обрабатываются, но зато они обладают повышенной износо­стойкостью и лучше удерживают шурупы.

Твердость древесины понижается при увлажнении.

Ударную твердость, (Дж/см2) вычисляют по формуле

-Amghl{7vd2), (12.5)

где т — масса стального шарика диаметром 2,5 мм, падающего на образец древесины; g — ускорение земного притяжения; h — вы­сота падения шарика (по стандарту равна 50 см); d — средний гео­метрический диаметр отпечатка, вычисляемый по формуле d = - Jd^d~2 , где dx — диаметр отпечатка поперек волокон; d2 — то же вдоль волокон.

Ударную и статическую твердость пересчитывают к влажности 12%.

Модуль упругости при статическом изгибе Ew древесины с влажностью W определяют, нагружая образец, покоящийся на двух опорах, двумя сосредоточенными силами.

Модуль упругости вычисляют по формуле

Ew - ЪР1ъ /(64bh3f), (12.6)

где Р — нагрузка; / — расстояние между опорами (0,24 м); Ъ и h — ширина и толщина образца; / — прогиб образца в зоне чистого изгиба.

Модуль упругости Ew образца с влажностью 8-20% пересчиты­вают к влажности 12% по формуле

En=Ewl[-a0{W-2)]. (12.7)

Пересчетный коэффициент а = 0,01.

Модуль упругости образцов с влажностью, равной или большей предела гигроскопичности, пересчитывают к влажности 12% по формуле

Еп =Ewkn. (12.8)

Пересчетный коэффициент кп равен 1,25 для хвойных пород; для различных лиственных пород он колеблется от 1,12 до 1,3.

Модуль упругости воздушно-сухой сосны и ели — 10 000-

15 ООО МПа, он возрастает с увеличением плотности древесины, а увлажнение его снижается. Известно, что гнуть сырую древесину легче, чем сухую. Еще больше облегчает гнутье древесины пропари­вание — это удобный способ нагрева древесины без ее высушивания.

Особенностью древесины является ползучесть, проявляющаяся особенно во влажных условиях. Следствием ползучести является постепенное увеличение деформаций (прогибов балок, провисание тесовых крыш и т. д.) при длительном действии нагрузки.

Факторы, влияющие на механические свойства древесины. В табл. 12.2 сопоставлены плотность и показатели прочности древе­сины хвойных и лиственных пород, произрастающих в России.

Общая тенденция состоит в том, что чем плотнее древесина, тем большую прочность она имеет. Плотность и прочность древе­сины возрастают, если лес растет на возвышенных местах и песча­ных почвах.

Прочностные характеристики древесины несколько снижаются с повышением температуры.

Стандартные методы определения механических свойств на ма­лых «чистых» образцах позволяют сравнивать между собой проч­ность древесины одной породы или разных пород и оценивать общее качество древесины из данного лесонасаждения. Вместе с тем факти­ческая прочность строительной древесины в элементах стандартных размеров (досок, брусьев, бревен), в которых имеются те или иные дефекты строения и другие особенности, может быть значительно ниже. Поэтому при нормировании допускаемых напряжений (расчет­ных сопротивлений) устанавливаются относительно большие коэф­фициенты запаса прочности.

По этой причине в отличие от других строительных материалов сорта лесоматериалов устанавливают не по прочности образцов, а на основании тщательного осмотра материала и оценки имеющихся в нем пороков.