Строение и физико-механические свойства древесины

Поперечный разрез ствола хвойного дерева представлен на рис. 1.1.

Рис 1.1. Поперечный разрез ствола: 1-сердцевина; 2-ядро;

3-заболонь; 4-годичное кольцо; 5-камбий; 6-луб; 7-кора;

8-сердцевидные лучи

На разрезе видны основные части ствола: сердцевина (диаметром 2-5 мм); ядро — центральная часть ствола, имеющая более темную окраску, чем сердцевина; заболонь — светлая часть ствола. В раннем возрасте древесина состоит только из заболони, и только с течением времени в центральной зоне образуется ядро; кора — внешний слой, защищающий древесину от внешних воздействий. В толстой коре взрослых деревьев можно различить два слоя: наружный — корку (предохраняет живые ткани ствола от испарения влаги, колебаний температуры, проникновения грибов, механических повреждений) и внутренний слой — луб, непосредственно прилегающий к камбию. Камбий — тонкий слой живых клеток, за счет которых и осуществляется рост древесины. Ежегодные приросты древесины называются годичными слоями или кольцами. Годичные кольца состоят из двух частей: внутренней, обращенной к сердцевине, более светлой и менее твердой — ранней древесины (весенней) и наружной, более темной и твердой — поздней древесины (летней). Поздняя древесина примерно в 2, 5 раза плотнее ранней и выше по прочности.

На поперечном разрезе также видны светлые полосы, идущие в радикальном направлении. Это сердцевидные лучи, по которым осуществляется питание дерева поперек волокон.

Древесина имеет клеточное строение, состоящее из двух видов клеток: прозенхимных и паренхимных. К прозенхимным клеткам относятся трахеиды-полые клетки, сильно вытянутые в длину с заостренными концами. Эти клетки занимают свыше 90% общего объема древесины и придают ей механическую прочность. Паренхимные клетки имеют примерно одинаковые размеры во всех трех осевых направлениях, они входят в состав сердцевидных лучей и занимают около 7% объема древесины. Паренхимные клетки имеют более тонкие оболочки, чем оболочки основных клеток, и по ним, как правило, образуются усушечные трещины в пиломатериалах.

Химический состав абсолютно сухой древесины состоит из углерода (49, 5%), кислорода с примесью азота (44, 2%), водорода (6, 3%). Из этих элементов состоят органические полимерные соединения, входящие в состав клеточных оболочек: целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин. В состав древесины входят еще неорганические соединения, которые при сгорании образуют золу, а также экстрактивные вещества (смолы, эфирные масла, дубильные вещества).

Древесина обладает свойством гигроскопичности, ее влажность изменяется в зависимости от температуры и влажности окружающей среды.

Влажность определяется по формуле

, (1.1)

где W – влажность древесины, %;

m – масса образца влажной древесины;

m₀ – масса образца абсолютно сухой древесины.

Влажность свежесрубленной древесины равна 80%. Повышение влажности за счет поглощения влаги из воздуха называется сорбцией, обратный процесс называют десорбцией.

При постоянной температуре и влажности воздуха — влажность древесины будет стремиться к определенной величине — равновесной влажности.

Различают три вида влаги в древесине: связанную (гигроскопичную), свободную (капиллярную) и химически связанную влагу. Связанная влага находится в клеточных стенках, свободная — в полостях клеток и в микроклеточных пространствах. Кроме свободной и связанной влаги присутствует влага, входящая в химический состав веществ, образующих древесину (химически связанная влага), эта влага учитывается лишь при химической переработке древесины.

Максимальное количество связанной влаги в древесине называется пределом гигроскопичности или пределом насыщения клеточных стенок. Предел гигроскопичности близок к 30% (это значение учитывается при расчетах).

Повышение влажности выше предела гигроскопичности происходит за счет заполнения свободной влагой полостей клеток.

Увеличение влажности от 0 до 30% приводит к увеличению объема и к снижению прочности и модуля упругости древесины; повышение влажности выше 30% не оказывает существенного влияния на прочность.

Стандартная влажность древесины в России принята 12%.

Основной деформационной характеристикой древесины является модуль упругости. В нормах проектирования модуль упругости Е древесины хвойных пород вдоль волокон принимается равным (при стандартной влажности равной 12%) Е=100 ГПа (10000 МПа). Модуль упругости древесины поперек волокон Е₉₀=400 МПа. Модуль сдвига древесины относительно осей, направленных вдоль и поперек волокон, принимается равным G=500 МПа.