ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Древесину издавна широко применяют в строительстве благодаря сочетанию замечательных свойств: высокой прочности и небольшой плотности, малой теплопроводности, легкости обработки, простоте скрепления отдельных элементов, высокой морозостойкости и химической стойкости, декоративности. Наряду с этим у древесины много недостатков: наличие пороков, гигроскопичность и связанные с ней набухание и усушка изделий из древесины, приводящие к их короблению и растрескиванию; особенно серьезным недостатком является ее горючесть и подверженность гниению. Специфическая особенность древесины — анизотропность, т. е. различие свойств в разных направлениях, обусловленное ее волокнистым строением.
На долю России приходится более 20 % мировой площади лесов. Но при этом доля деловой древесины составляет менее половины этих лесных богатств. Сроки роста деревьев деловых пород (сосна, ель, лиственница и др.) до достижения товарной ценности в нашей климатической зоне составляют 40...60 лет. Поэтому рубка леса должна вестись строго с учетом возраста древесины и сопровождаться новыми посадками. Только в этом случае можно говорить, что древесина относится к возобновляемому сырью, в отличие, например, от горючих ископаемых.
Общеизвестно, что древесина — экологически чистый материал. При этом обычно подразумевается, что она как строительный материал безвредна для человека. Это верно, но понятие экологической чистоты древесины значительно шире. Человек получает древесину как материал в готовом виде, не используя энергию для ее производства, т. е. в этом случае исключается загрязнение окружающей среды промышленными выбросами. Отслужившая древесина самоуничтожается, естественно входя в круговорот природы. Однако экологичность древесины реализуется лишь в том случае, когда вырубка и посадка новых деревьев идут как единый процесс, не нарушая биологического равновесия в природе.
При заготовке и распиловке древесины образуется большое количество (до 50...60 %) отходов: горбыль, стружки, опилки и т. п. Эти отходы и неделовую древесину подвергают более глубокой переработке с целью получения полноценных материалов.
В зависимости от степени переработки древесины различают:
• лесные материалы, получаемые только механической обработкой стволов дерева (бревна, пиломатериал); в этом случае сохраняются все присущие древесине положительные и отрицательные свойства;
• деревянные изделия и конструкции, изготовляемые в заводских условиях (дверные и оконные блоки, клееные конструкции, фанера и др.); свойства древесины в этом случае используются более рационально.
• материалы, получаемые технологической переработкой древесины:
а) материалы и изделия из отходов и неделовой древесины с использованием вяжущих веществ (древесно-стружечные плиты, арболит, фибролит);
б) материалы, получаемые физико-химической обработкой древесного сырья (древесно-волокнистые плиты, картон, бумага);
в) материалы, получаемые химической переработкой древесины.
СТРОЕНИЕ И СОСТАВ ДРЕВЕСИНЫ
Макроструктура древесины — строение древесины, видимое невооруженным глазом. Рассматриваются три основных разреза ствола: поперечный — торцовый и два продольных — радиальный, проходящий через ось ствола, и тангенталъный, проходящий по касательной к годовым кольцам.
На поперечном разрезе древесины ствола виден ряд концентрических годовых колец, располагающихся вокруг сердцевины. Каждое годовое кольцо имеет два слоя: ранней (весенней) и поздней (летней) древесины. Ранняя древесина светлая и состоит из крупных тонкостенных клеток. Поздняя древесина более темного цвета, состоит из мелких клеток с толстыми стенками; поэтому она менее пориста и обладает большей прочностью, чем весенняя.
В процессе роста дерева стенки клеток древесины внутренней части ствола, примыкающей к сердцевине, постепенно изменяют свой состав, одеревеневают и пропитываются у хвойных пород смолой, а у лиственных — дубильными веществами. Движение влаги в древесине этой части ствола прекращается, и она становится более прочной, твердой и менее способной к загниванию. Эту часть ствола у разных пород называют ядром или спелой древесиной.
Микроструктура древесины. Изучая строение древесины под микроскопом, можно увидеть, что основную массу древесины составляют клетки механической ткани, имеющие веретенообразную форму и вытянутые вдоль ствола. 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 спирали в каждом слое под разным углом к оси клетки (подобно отдельным прядям в канате). Это обеспечивает высокую прочность древесине.
Микрофибрилла состоит из длинных, напоминающих цепь, молекул целлюлозы — природного полимера состава (С6Н10О5)n, где п = =2500...3000. Ее в древесине 35...45 %. В клеточной оболочке содержатся и другие органические (лигнина — 20...30 % и гемицеллюлозы — около 20%) и неорганические (0,17...0,27 %) вещества. Последние образуют золу при сжигании древесины.
ПОРОКИ ДРЕВЕСИНЫ
Пороками называют недостатки древесины, появляющиеся во время роста дерева и хранения пиломатериалов на складе. Степень влияния пороков на пригодность древесины в строительстве зависит от их вида, места расположения, размеров, а также от назначения древесной продукции. Один и тот же порок в некоторых видах продукции делает древесину непригодной, а в других понижает ее сортность или не имеет существенного значения. Поэтому в стандартах на конкретные виды лесопродукции имеются указания о допустимых пороках.
Пороки древесины можно разделить на несколько групп: пороки формы ствола, пороки строения древесины, сучки, трещины, химические окраски и грибковые поражения и покоробленности. Ниже рассмотрены основные виды пороков.
Пороки формы ствола легко определяются на растущем дереве, поэтому стволы таких деревьев могут быть отбракованы на лесосеке. К этой группе пороков относятся сбежистость, закомелистость и кривизна ствола.
Сбежистость — значительное уменьшение диаметра по длине ствола. Нормальным сбегом считается уменьшение диаметра на 1 см на 1 м длины ствола. Этот порок уменьшает выход обрезных пиломатериалов. Кроме того, в материале оказывается много перерезанных волокон, что снижает его прочность.
Закомелистость — резкое увеличение диаметра комлевой (нижней) части ствола. Закомелистость бывает круглой и ребристой. В любом случае она увеличивает количество отходов и искусственно вызывает косослой в готовой продукции.
Кривизна ствола — искривление ствола дерева в одном или нескольких местах. Сильная кривизна переводит древесину в разряд непригодной для строительных целей.
Пороки строения древесины представляют собой отклонения от нормального расположения волокон в стволе дерева: наклон волокон, свилеватость, крень, двойная сердцевина и др.
Наклон волокон (косослой) — непараллельность волокон древесины продольной оси пиломатериала. Это явление (особенно при больших углах наклона волокон) вызывает резкое снижение прочности древесины и затрудняет ее обработку. Пиломатериал, имеющий косослой, обладает повышенной склонностью к короблению при изменении влажности.
Свилеватость — крайнее проявление косослоя, когда волокна древесины расположены в виде волн или завитков.
Свилеватость в некоторых породах (орех, карельская береза) придает красивую текстуру древесине; такие породы используются в отделочных работах.
Крень — изменение строения древесины, когда годовые кольца имеют разную толщину и плотность по разные стороны от сердцевины. Крень нарушает однородность древесины.
Сучки — самый распространенный и неизбежный порок древесины, представляющий собой основание ветвей, заключенные в древесине. Они нарушают однородность строения древесины, вызывают искривление волокон (свилеватость). Сучки уменьшают рабочее сечение пиломатериалов, снижая их прочность в 1,5..2 раза (а в тонких досках и брусках и более).
По степени срастания сучков с древесиной ствола различают сучки сросшиеся, частично сросшиеся и несросшиеся (выпадающие). Особенно опасны сучки разветвленные (лапчатые).
Здоровые сучки имеют древесину твердую и плотную без признаков гнили. Часто сучки загнивают вплоть до превращения в рыхлую порошкообразную массу — это так называемые табачные сучки.
Для изготовления несущих деревянных конструкций используется древесина, имеющая только здоровые сросшиеся сучки. Количество и размещение сучков определяют сортность материала.
Трещины могут появляться как на растущем дереве, так и при высыхании срубленного дерева и пиломатериалов. Они нарушают целостность лесоматериалов, уменьшают выход высокосортной продукции, снижают прочность и даже делают их непригодными для строительных целей. Кроме того, трещины способствуют гниению древесины.
Различают следующие типы трещин: метик, морозобоина и отлуп, образующиеся на растущем дереве, и трещины усушки, образующиеся на срубленной древесине.
Метик — внутренние трещины, идущие вдоль ствола от центра к периферии; трещин может быть несколько как расположенных в одной плоскости, так и крестообразно.
Морозобоина — наружная открытая продольная трещина, сужающаяся к центру. Такие трещины возникают при замерзании влаги в стволе во время сильных морозов.
Отлуп — полное или частичное отделение центральной части ствола от периферийной в результате усушки первой. Такие трещины располагаются по годовым кольцам.
Трещины усушки встречаются очень часто в древесине всех пород; они возникают в результате напряжений, вызванных неравномерной усадкой при быстрой сушке древесины на воздухе. Эти трещины направлены от периферии к центру вдоль волокон древесины.
Грибные поражения и химические окраски вызываются простейшими живыми организмами — грибами, развивающимися из спор и использующими древесину в качестве питательной среды, или микроорганизмами. Для развития грибов необходим кислород воздуха, определенная влажность и положительная температура. Различают грибы, поражающие деревья, растущие в лесу, и свежесрубленную древесину, и грибы, развивающиеся на деревянных конструкциях.
На растущих деревьях могут развиваться деревоокрашивающие грибы. Они питаются содержимым клеток, не затрагивая их стенки. Поэтому прочность такой древесины изменяется незначительно, но на древесине появляются цветные пятна и полосы.
Изменение окраски древесины без изменения ее механических свойств может происходить из-за биохимического окисления дубильных веществ, провоцируемого микроорганизмами.
Значительно более опасны дереворазрушающие грибы. Они питаются материалом стенок клеток — целлюлозой, разлагая ее с помощью ферментов до глюкозы:
(С6Н1005)n + nН2 O-> С6Н12Об
Это возможно только при достаточной влажности древесины. Глюкоза в теле гриба используется в процессе его жизнедеятельности и, в конце концов, превращается в углекислый газ и воду.
Известно большое число дереворазрушающих грибов. Среди них наиболее часто встречаются так называемые домовые грибы. При поражении такими грибами древесина делается трухлявой и легкой, а на ее поверхности появляется налет плесени в виде мягких подушечек. Домовый гриб может разрушить древесину очень быстро (в течение нескольких месяцев).
Процесс гниения прекращается при снижении влажности древесины до 18...20 % (сухая древесина не гниет), снижении температуры ниже 0° С или исключении поступления кислорода.
Повреждения насекомыми (червоточины) представляют собой ходы и отверстия, проделанные в древесине насекомыми (жуками-короедами, точильщиками). Они живут в древесине и ею же и питаются. Жуки-точильщики могут развиваться в сухой древесине и даже в мебели.
Поверхностные червоточины не влияют на механические свойства древесины, так как при распиловке уходят в горбыль. Глубокие червоточины нарушают целостность древесины и снижают ее прочность.
Покоробленности — нарушение формы пиломатериалов при изменении ее влажности при сушке и хранении или под действием внутренних напряжений при продольной распиловке крупных элементов на более мелкие. Покоробленность бывает поперечная, продольная (простая и сложная) и винтообразная (крыловатость).
