Химический состав древесины

Древесина состоит из 49,5 % углерода, 44,08 % кислорода, 0,12 % азота, 6,3 % водорода и 0,2–1,7 % минеральных веществ. Углерод, кислород и водород образуют углеводы.

В углеводную часть древесины входит целлюлоза (40–50 %) и нецеллюлозные полисахариды – гемицеллюлоза (15–30 %). 20–30 % древесины составляют ароматические вещества – лигнин. В состав древесины в количестве 1–3 % входят экстрактивные вещества.

Целлюлоза (С₆Н₁₀О₅)_n – высокомолекулярный углевод со степенью полимеризации от 300 до 6000 и более. Она является основным веществом древесины. При механической обработке распадается на тонкие волоконца – фибриллы, а при химической – на микрофибриллы, имеющих кристаллическую структуру. Волокна целлюлозы имеют высокую прочность на разрыв.

Гемицеллюлоза имеет хаотическое (аморфное) расположение макромолекул со степенью полимеризации 100–200.

Лигнин – природный полимер, представляющий собой высокомолекулярную ароматическую часть. Это аморфное вещество, обогащающее клеточные стенки с эффектом одревеснения.

Экстрактивные вещества извлекаются нейтральными растворителями – водой и органическими растворителями. Это смолы, эфирные масла, дубильные вещества, красители и пр. Они придают древесине цвет, запах, вкус, противостоят гниению.

Таким образом, древесина слагается из двух основных компонентов, в которой волокна целлюлозы имеют высокую прочность на разрыв и хорошо изгибаются, а лигнин объединяет их в единое целое.

Свойства древесины

Физические свойства

К физическим свойствам относятся: внешний вид, запах, влажность, плотность, электро-, звуко- и теплопроводность, показатели макроструктуры.

Внешний вид древесины определяется цветом, блеском, текстурой и макроструктурой.

Цвет древесины характеризуют обычно определениями – белый, красный, розовый, светло-розовый, черный и реже по атласу или шкале цветов. Цвет древесине придают красящие, дубильные, смолистые вещества, содержащиеся в полости клеток. Так, древесина осины, ели, липы имеют белый цвет, дуба и ясеня – бурый. Дуб, пролежавший длительное время в воде, приобретает коричневый или черный цвет. Древесина ольхи в свежесрубленном состоянии имеет светло-розовый цвет, затем темнеет и приобретает желтовато-красную окраску. Цвет древесины иногда изменяют пропариванием, протравливанием или окрашиванием. Цвет древесины имеет значение при изготовлении столярных изделий, мебели.

Блеск – свойство древесины отражать световой поток, зависит от ее плотности, количества, размеров и расположения сердцевинных лучей. Особым блеском отличается древесина дуба, клена. Блеск может быть усилен полированием, лакированием, вощением.

Текстура – рисунок, получаемый на разрезах древесины. Она зависит от анатомического строения пород деревьев и направления разреза. Красивую текстуру имеет дуб, ясень, клен, древесина с неправильным расположением волокон. Усиливают текстуру нанесением прозрачных лаков. Текстура определяет декоративную ценность древесины при изготовлении мебели, паркетных полов и др.

Запах древесины определяет находившиеся в ней смолы, эфирные масла, дубильные и др. вещества. Так, дуб имеет запах дубильных веществ, сосна, ель – скипидара. По запаху можно определить отдельные породы.

Макроструктура. Ш ирина годичных слоев влияет на свойства древесины. В хвойных породах отмечается улучшение свойств при наличии в 1 см не менее 3 и не более 25 слоев. У дуба, ясеня годичные слои увеличиваются за счет поздней древесины и поэтому прочность и твердость повышаются.

Влажность. На свойства древесины существенное влияние оказывает ее влажность. Вода в древесине может находиться в трех видах – в свободном состоянии, гигроскопическом и химически связанном. Свободная, или капиллярная, вода заполняет полости клеток и сосудов и межклеточное пространство; гигроскопическая вода находится в стенках клеток и химически связанная вода входит в химический состав веществ.

По степени влажности древесина подразделяется на мокрую, свежесрубленную, воздушно-сухую, комнатно-сухую и абсолютно сухую. Мокрая имеет влажность свыше 100 %, свежесрубленная – 35 % и выше, воздушно-сухая – 15–20 %, комнатно-сухая – 8–12 % и абсолютно сухая – 0 %.

За стандартную влажность условно принята влажность, равная 12 %. Содержание воды в древесине изменяется вследствие ее гигроскопичности и влагоотдачи.

Гигроскопичностью называют способность древесины поглощать из воздуха парообразную воду. Противоположная характеристика гигроскопичности – влагоотдача – способность древесины отдавать воду в окружающую среду. Гигроскопичность и влагоотдача зависит от температуры и относительной влажности воздуха.

Состояние древесины, когда в ней содержится только гигроскопическая вода и отсутствует капиллярная, называется точкой насыщения волокон, или пределом гигроскопичности. Для разных пород деревьев она составляет 25–35 %.

Находясь длительное время в воздухе с постоянной относительной влажностью и температурой, древесина приобретает определенную влажность, которая называется равновесной. В результате изменения влажности происходит усушка или разбухание древесины.

Усушкой называется уменьшение линейных размеров и объема древесины при высыхании. Усушка не происходит при испарении свободной и начинается только при удалении гигроскопической воды. Усушка древесины в различных направлениях неодинакова. Вдоль волокон она составляет 0,1–0,3 %, в радиальном направлении – 3–6 % и в тангентальном – 7–12 %. Объемная усушка, выражаемая коэффициентом объемной усушки К _о, составляет 0,2 – 0,75 %.

По величине коэффициента объемной усушки древесные породы подразделяются на малоусыхающие с К _о не более 0,40 % - ель, пихта, кедр; среднеусыхающие с К _о от 0,40 до 0,47 % – дуб, ясень, вяз, ольха, осина, пихта; сильноусыхающие с К _о более 0,47 % – береза, клен остролистный, лиственница. Усушка приводит к появлению щелей между деревянными элементами, образованию трещин.

Набуханием называется способность древесины увеличивать свои размеры при поглощении воды. Набухание вдоль волокон составляет 0,1–0,8, в радиальном направлении – 3–5, в тангентальном – 6–12 %.

Свойства древесины по-разному изменять свои размеры при усушке и набухании приводит к короблению.

Истинная плотность древесины составляет примерно 1530 кг/м³, средняя плотность в зависимости от породы – 350–1100 кг/м³. Ее оценивают при стандартной влажности 12 %. Средняя плотность наиболее распространенных пород приведена в таблице 13.1.

Теплопроводность древесины составляет 0,16–0,3 Вт/(м·^оС). Вдоль волокон она в 1,8 раза выше, чем поперек. Влажность повышает теплопроводность.

Звукопроводность древесины вдоль волокон в 16 и поперек волокон в 3–4 раза выше звукопроводности воздуха. Вдоль волокон она составляет 5000, поперек волокон в радиальном направлении – 1450 и в тангентальном – 850 м/с. В связи с высокой звукопроводностью древесины при устройстве деревянных полов, перекрытий следует применять звукоизоляционные материалы.

Механические свойства древесины. К механическим свойствам древесины относят прочность, твердость, деформативность, ударную вязкость. Они зависят от средней плотности, влажности, наличия пороков, приложения нагрузки с учетом строения древесины.

Важнейшей характеристикой древесины является прочность. В деревянных конструкциях древесина работает на сжатие вдоль и поперек волокон, скалывание, изгиб, растяжение.

Древесина различных пород имеет неодинаковую прочность. Среди растущих в Беларуси наибольшую прочность имеет дуб. Предел прочности древесины наиболее распространенных пород приведен в таблице 13.1.

 

Таблица 13.1 – Физико-механические и технологические свойства древесины

Порода дерева	Средняя плотность, кг/м3	Коэффициент объе- мной усушки, %	Предел прочности, МПа, вдоль волокон при	Ударная вязкость, кДж/м2	Статическая танген тальная твердость, МПа
растяжении	сжатии	скалывании радиальном	статическом изгибе
Хвойные: лиственница сосна обык- новенная ель пихта сибирская Лиственные: дуб береза бук ольха осина		0,52   0,44 0,43   0,39   0,43 0,54 0,47 0,43 0,41	103,5     125,5	64,5   48,5 44,5   39,0   57,5 55,0 55,5 44,0 42,5	9,9   7,5 6,9   6,4   10,2 9,3 11,6 8,1 6,3	111,5   86,0 79,5   68,5   107,5 109,5 108,5 80,5 78,0		28,4   24,5 17,5   16,7   32,4 43,6 27,5 20,1

 

Ударная вязкость – свойство древесины сопротивляться воздействию ударных нагрузок. Показатель ударной вязкости учитывается при применении древесины в конструкциях и деталях испытывающих ударные воздействия. Значения ударной вязкости древесины разных пород деревьев приведены в таблице 13.1.

Твердость – способность древесины сопротивляться проникновению в нее других более твердых тел. Статическая твердость определяется вдавливанием в древесину полусферического наконечника диаметром 1,28 мм.

Статическая твердость древесины в радиальном и тангентальном направлениях примерно одинакова, торцевой поверхности – на 30–40 % больше тангентальной и радиальной.

Твердость влияет на истираемость при эксплуатации дощатых и паркетных полов, на обработку древесины режущими инструментами. Значения твердости приведены в таблице 13.1.

 

Технологические свойства

К технологическим свойствам относят: способность древесины удерживать металлические крепления, износостойкость и др.

Способность древесины удерживать металлические крепления. Большое практическое значение в строительстве имеет способность древесины удерживать гвозди, шурупы, скобы, костыли и др. На боковую поверхность вбитого крепления оказывают давление раздвинутые волокна, что вызывает трение, которое удерживает их в древесине.

При испытании определяют максимальную нагрузку в ньютонах, при которой происходит выдергивание гвоздей диаметром 2 мм и длиной не менее 40 мм или ввинченных на глубину 20 мм шурупов диаметром 4 мм. Затем вычисляют удельное сопротивление выдергиванию гвоздей (шурупов) делением максимальной нагрузки на глубину их забивания (ввинчивания). Чем больше средняя плотность древесины, тем выше сопротивление выдергиванию гвоздя или шурупа. На выдергивание гвоздя, вбитого в торец, требуется усилие на 10–50 % меньшее, чем для выдергивания гвоздя, забитого поперек волокон. Легче забиваются гвозди во влажную древесину. При высыхании древесины удерживающая способность ее уменьшается. Сопротивление выдерживанию шурупов примерно в два раза больше, чем гвоздей.

Для соединения рельсов с деревянными шпалами применяются промежуточные рельсовые скрепления – костыльное смешанное с пятью костылями и шурупно-болтовое. Сопротивление выдергиванию костыля из новой сосновой шпалы примерно составляет 20 кН, из дубовой – 35 кН. Сопротивление выдерживанию шурупа в 1,5–2 раза больше.

Износостойкость – способность древесины не разрушаться при воздействии истирающих усилий. Она зависит от твердости древесины. Высокую износостойкость имеет дубовый паркет.

 

Эксплуатационные свойства

Сроки службы деревянных конструкций и деталей зависят от условий их эксплуатации и породы деревьев. Ориентировочные, полученные на практике, сроки службы отдельных пород деревьев приведены в таблице 13.2.

 

Таблица 13.2 – Срок службы деревьев

Условия эксплуатации	Сроки службы деревьев, лет
Сосна	Ель	Дуб	Береза	Осина
Защищенные от влаги Незащищенные от влаги	50–100   15–20		100–1000   30–40	3–7

 

Пороки древесины

Пороками называют отклонения от нормы отдельных участков древесины. Они оказывают влияние на технические свойства древесины, понижают качество и ограничивают область ее применения.

Пороки подразделяются на следующие девять групп: сучки, трещины, пороки формы ствола и строения древесины, химические окраски, грибные, биологические и механические повреждения.

 

Сучки

Сучки являются основанием ветвей, заключенных в древесине ствола. По форме разреза на поверхности сортимента они бывают круглые, овальные и продолговатые. По положению в сортименте сучки подразделяются на пластевые, кромочные, торцевые, сшивные. По взаимному расположению сучки делятся на разбросанные, групповые и разветвленные. По степени срастания сучки подразделяются на сросшиеся, частично сросшиеся, несросшиеся и выпадающие несросшиеся. По строению древесины сучки делятся на здоровые, светлые здоровые, темные здоровые, здоровые с трещинами, загнившие, гнилые и табачные. По выходу на поверхность сучки бывают односторонние и сквозные (рисунок 13.3).

Рисунок 13.3 – Основные разновидности сучков в пилопродукции:

1 – круглый; 2 – овальный; 3 – продолговатый; 4 – пластевый; 5 – кромочный; 6 – ребровый; 7 – сшивной; 8 – групповые; 9 – разветвленные

Сучки нарушают однородность строения древесины, искривляют волокна и годичные слои, затрудняют механическую обработку.

Бессучковая древесина находится в нижней части ствола дерева в комлевых бревнах. Она более высокого качества.

Для деревянных конструкций следует применять древесину со здоровыми сросшимися сучками.

 

Трещины

Трещины являются разрывами древесины вдоль волокон. Они образовались в результате внутренних напряжений в растущем дереве или в срубленной древесине при ее сушке, хранении и эксплуатации.

Трещины подразделяются на метиковые, морозные, трещины усушки и отлупные (рисунок 13.4).

Метик – одна или нескольких продольных внутренних трещин, отходящих от сердцевины по радиусу ствола. Они возникают в растущем дереве и увеличиваются при высыхании срубленной древесины. Если трещины расположены на обоих торцах сортимента в одной плоскости их называют простыми метиковыми трещинами, если в разных плоскостях – сложными метиковыми трещинами. Метик понижает качество бревен.

Отлуп – разрывы в древесине, проходящие между годичными слоями по длине сортимента. Отлупные трещины образуются в результате напряжений, возникающих при раскачке дерева ветром и воздействия отрицательных температур. Они имеют вид дугообразных трещин, чаще всего на комлевом торцевом конце круглых сортиментов. Цельность древесины в пиломатериалах нарушается и ухудшается их качество.

Морозобоина – радиальная трещина, видимая на поверхности ствола и идущая до сердцевины. Образуется зимой при резком охлаждении ствола. Она нарушает сплошность и понижает выход пиломатериала, кроме того способствует появлению гнили.

Трещины усушки – наружные радиально направленные вглубь сортимента трещины. Они образуются в бревнах и пиломатериалах при высыхании. Различают торцевые, пластевые, кромочные и сквозные трещины. Они нарушают цельность древесины и снижают ее сортность.

		а)
	б)
	в)

г)

Рисунок 13.4 – Основные разновидности трещин в пилопродукции:

а – метиковые; б – морозные; в – трещины усушки; г – отлупные; 1 – пластевые; 2 – кромочные; 3 – торцовые