ДРЕВЕСИНА, как конструкционный строительный материал

Все породы деревьев делятся на хвойные и лиственные. Хвойные породы отличаются от лиственных большей прямослойностью волокон и наличием в их составе большего количества смолистых веществ. Именно смолистые вещества увеличивают сопротив¬ляемость древесины загниванию. Поэтому деревянные строительные конструкции изготавливаются в основном из древесины хвойных пород. Исходя из этого подроб¬нее остановимся на строении и свойствах хвойной древесины.

СТРОЕНИЕ ХВОЙНОЙ ДРЕВЕСИНЫ

Древесина имеет трубчатое слоисто-волокнистое строение. В поперечном разрезе ствол дерева состоит из коры, тонкого слоя камбия, заболони, ядровой части и сердцевины. Камбий – это живая часть ствола, находящаяся под корой. Питаясь восходящими соками, камбий непосредственно участвует в росте дерева, организует прирост основной древесины и коры. Сердцевина — центральная внутренняя часть ствола диаметром всего 3—5 мм. Она относится, скорее, к порокам естественного роста, чем к полезной части древесины, так как состоит из рыхлых малопрочных клеток. Поэтому пиломатериалы мелких сортаментов (доски) с сердцевиной относятся ко второму и третьему сорту и не рекомендуются к применению в растянутых элементах несущих конструкций.

Вся основная часть ствола дерева, расположенная между тонким слоем камбия и сердцевиной и содержащая прочные и плотные клетки, состоит из двух частей: заболони и ядра. Заболонь – молодая, неомертвевшая часть древесины, которая находится ближе к наружному контуру ствола и осуществляет восходящее движение соков от корней к кроне дерева. Ядро — старая, наиболее прочная и плотная часть древесины, не принимающая участия в движении соков. Именно в ядровой части заключается наибольшее количество смол, которые придают материалу прочность и выделяют фитонцидные вещества. С возрастом дерева размеры ядра увеличиваются за счет перехода части заболонной древесины в ядровую, а ширина заболони постепенно уменьшается. Наиболее прочный строительный материал получается из ядровой древесины. Чтобы отличить заболонь от ядра, нужно обратить внимание на цвет: заболонь, как правило, более светлая, ядро более темное. Исключение составляет древесина ели, в которой отли¬чить ядро от заболони труднее. С точки зрения микростроения основную массу древесины (до 95%) составляют древесные волокна, располагающиеся вдоль ствола растущего дерева и состоящие из удлиненных пустотелых оболочек отмерших клеток, называемых трахеидами.

Трахеиды в сечении имеют почти прямоугольную пустотелую форму. Их пористые стенки представляют собой многослойное сплетение тонких волоконец – фибрилл, образованных из нитевидных молекул целлюлозы. Целлюлоза входит в состав воло¬кон, формируя их каркас и обеспечивая им прочность. Промежутки между клетками – волокнами заполнены межклеточным веществом аморфной структуры – лигнином, который склеивает волокна между собой. Таким образом, целлюлоза и лигнин явля¬ются основными компонентами древесинного вещества. Упрощенное, но наглядное представление о строении древесины хвойных пород дает сравнение ее с пучком соломы, в котором отдельные соломинки-волокна склее¬ны между собой в поперечном направлении клеем аморфного строения.

Рост дерева происходит за счет деления клеток камбия только в весенне-летне – осенний период. Зимой дерево не растет. Каждый год дерево прибавляет по одному слою древесины. При этом в каждом годичном слое присутствует ранняя и поздняя древесина. Ранняя древесина имеет трахеиды с большими размерами поперечного сечения и тонкой стенкой. В поздней древесине – трахеиды с меньшими размерами поперечного сечения, но с гораздо более толстыми стенками. Таким образом, поздняя древесина в своем строении имеет меньше пустот и больше древесинного вещества. Поэтому она плотнее, темнее по цвету и прочнее ранней древесины. В деревьях хвойных пород 70—90% годичного слоя составляет ранняя древесина и всего лишь Годичный слой – слой древесины, который у растущего дерева образуется ежегодно с наружной части ствола под корой. На поперечном срезе хвойного дерева годичные слои представлены в виде чередующихся светлых и темных полос, количество пар которых соответствует возрасту дерева в годах. Ранняя древесина – часть годичного слоя, которая образовалась весной при избытке влаги, когда рост идет интенсивно. Поздняя древесина – часть годичного слоя, которая образовалась в летне-осенний период, когда влаги меньше, рост замедлен, но питательных веществ еще достаточно. Сучки – радиально направленные волокна древесины (основания ветвей); вызывают искривление во-локон основного ствола. Древесина сучков отличается от основной массы ствола повышенной твердо¬стью, более темным цветом и имеет самостоятельную систему годичных колец. Сучки снижают прочность древесины, затрудняют ее обработку, создают внутреннее напряжение в деревянных элементах.

Свиль (свилеватость) – извилистое или спутанное расположение волокон, образующее завиток. Свилеватость увеличивает плотность древесины в местах ее расположения. Так же, как и сучки, за-трудняет обработку древесины и создает внутренние напряжения.

10-30% – поздняя древесина. Чем больше поздней древесины в годичных слоях, тем прочнее «чистая» (то есть без сучков, свили, косослоя и других пороков) древе¬сина. В деревянных конструкциях должен применяться лесоматериал, содержащий в своей структуре не менее 20% поздней древесины.

В структуре древесины различают также сердцевинные лучи, которые в хвойных породах занимают около 7% полного объема древесины, а в лиственных – 18%. Их клетки имеют радиальное направление, поэтому помогают древесине работать на скалывание в тангенциальном направлении (вдоль волокон) и увеличивают прочность на смятие в радиальном направлении (поперек волокон). Именно они и образуют ветки (а значит, и сучки).

Древесина лиственных пород имеет несколько отличную от хвойных структуру, в кото¬рой стенки клеток древесного волокна образованы тремя слоями микрофибры. Каждый из слоев микрофибры направлен по спирали с различным углом наклона к продоль¬ной оси клетки. Спиральное направление стенок клеток древесины лиственных пород, в частности, наиболее распространенной в России березы, приводит к короблению и растрескиванию пиломатериала при сушке и ухудшению гвоздимости. Наличие этих недостатков и малая стойкость к загниванию ограничивают применение лиственных пород для деревянных конструкций. Вместе с тем, высокие прочностные показатели древесины твердых лиственных пород (в том числе и березы) позволяют использовать их для изготовления мелких соединительных элементов (нагелей, шпонок, накладок), а также ответственных опорных деталей. Такие детали из древесины дуба можно не антисептировать, а из березы они обязательно должны быть антисептированы.

Кроме пустотелых волокон, межклеточного вещества, смолы и сердцевинных лу¬чей, древесина содержит большое количество влаги (водных растворов солей). Всю влагу, содержащуюся в древесине, можно разделить на три вида: свободная, гигроскопическая и химически связанная влага. Свободная и гигроскопическая влага могут быть удалены из древесины путем сушки. Химически связанная влага выделяется из древесины лишь в процессе ее хими¬ческой переработки, а также при гниении или горении. Кстати, при гниении 1 куб. м древесины из нее выделяется около восьми литров воды.

Количество воды в древесине оценивается таким ее показателем, как влажность. Свежесрубленная древесина имеет влажность до 80—100%, а влажность сплав¬ной древесины может достигать 180-200%. Для строительных деталей должна использоваться древесина с влажностью в пределах от 8 до 20%. Достигается такой по-казатель в процессе правильно организованной сушки.

Снижение влажности до 30% достигается воздушной сушкой в штабелях. Наиболее трудным и ответственным в общем процессе сушки древесины является процесс сушки от 30 до 8-20% влажности. Принято считать, что максимальное количество гигроскопической влаги, которое может набрать древесина, составляет при температуре 20°С примерно 30% (это так называемая точка насыщения волокон). Точка насыщения волокон является граничной для изменения прочности древесины в зависимости от ее влажности. Это объ-ясняется тем, что при уменьшении влажности от 200 до 30% в древесине удаляется только свободная влага, а удаление свободной влаги не вызывает усушки, а следовательно, и деформаций. (Примерная длительность сушки пиломатериалов из свежесрубленной древесины до влажности 30% указана в таблице). Дальнейшая отдача влаги (уже гигроскопической) происходит существенно медленнее. Движение и отдача влаги при высы-хании происходит как поперек, так и вдоль волокон, однако с большей интенсивностью влага перемещается вдоль волокон. Движение влаги поперек волокон при высыхании приводит к состоянию, когда наружные слои древесины уже высохли, а внутренние остаются сырыми. Это создает нежелательные внутренние напряжения в сечении деревянного элемента, являющиеся причиной его растрескивания или коробления.

Чтобы избежать такого нежелательного эффекта, важно, чтобы наружные и внутренние слои высыхали равномерно. Такие условия создает мягкий режим сушки, при котором все процессы происходят медленнее и при меньшей температуре, чем при жестком или нормальном режиме.

Наоборот, при увеличении влажности от 0 до 30% происходит насыщение водой оболочек клеток, древесина набухает, и строительные детали увеличиваются в объ – Свободная влага – влага, частично или полностью заполняющая внутреннюю полость клеток древесины и межклеточное пространство. Гигроскопическая влага – влага, которую впитали в себя пористые стенки клеток; количество ее ограничено способностью клеток впитывать, то есть гигроскопичностью. Химически связанная влага — вода, входящая в химический состав древесинного вещества. Влажность древесины – отношение массы воды, содержащейся в древесине, к массе абсолютно сухой (то есть не содержащей свободной и гигроскопической влаги) древесины, выраженное в процентах. Усушка – уменьшение линейных размеров и объема древесины при удалении из нее гигроскопической влаги. Удаление свободной влаги не вызывает усушки. Чем больше клеточных стенок в единице объема древесины, тем больше в ней гигроскопической влаги и выше усушка.

Изменение формы дерева при сушке

Коробление – изменение формы пиломатериалов и заготовок при сушке, а также выпиловке и неправильном хранении. Чаще всего коробление происходит из-за различия величины усушки по разным структурным направлениям (то есть в радиальном и тангенциальном направлениях).При этом в стесненных условиях (например, в стене дома) в деревянных элемен-тах могут возникнуть значительные внутренние напряжения, которые также приведут к деформациям (выпучиванию) деревянных элементов и конструкций. Важно также знать, что, чем плотнее древесина, тем больше размеры усушки и разбухания при прочих равных условиях. В соответствии с этим размеры усушки в радиальном и тангенциальном направлениях у поздней (более плотной) древесины значительно больше, чем у ранней (более пористой).

Стандартной влажностью древесины считается влажность 12%. Именно при такой влажности сравниваются все свойства древесины.

Достоинства хвойной древесины

Наряду с такими актуальными характеристиками, как экологичность, природная кра-сота, способность «дышать» и создавать благоприятный микроклимат в помещении, хвойная древесина обладает еще целым рядом положительных свойств, делающих деревянный дом прочным, теплым, надежным, долговечным и экономичным.

Малый вес. Древесина хвойных пород, используемая в строительстве, при сред¬ней плотности 500 кг/м3 в 15,7 раза легче стали и в 4,8 раза легче бетона, что поз¬воляет значительно снизить материальные затраты на транспортировку, устройство фундаментов, обходиться без тяжелых грузоподъемных механизмов при возведении зданий и сооружений. Высокая удельная прочность. Одним из показателей эффективности применения конструкций из различных материалов является так называемая удельная прочность материала. Если иметь в виду, что расчетное сопротивление (то есть предел прочности) древесины в среднем составляет 14 МПа (мегапаскалей), стали 230 МПа, а бетона клас¬са В25 – 30 МПа, то для древесины соотношение расчетного сопротивления к плотности составляет 28, для стали – 29,3, а для бетона – 1 2,5 единицы. Таким образом, удельная прочность древесины всего на 4,4% меньше, чем стали, и на 122% выше, чем бетона. Этот показатель подтверждает целесообразность применения деревянных и, в частнос¬ти, клееных деревянных конструкций наравне с металлическими конструкциями в боль¬шепролетных зданиях, где собственный вес конструкций имеет решающее значение.

Эластичность и вязкость. Из всех традиционных строительных материалов толь¬ко древесина, обладая высокой эластичностью, позволяет зданию реагировать на неравномерную осадку оснований фундаментов без появления и развития трещин в деревянных деталях, а также дает возможность обходиться фундаментами мелко¬го заглубления. Вязкий характер разрушения конструкций из древесины позволяет перераспределяться усилиям в элементах конструкций, что исключает возможность мгновенного их обрушения.

Незначительное температурное расширение. Температурное расширение дре-весины при нагреве или остывании значительно меньше, чем у других строительных материалов. Например, коэффициент термического расширения древесины вдоль воло¬кон составляет всего 3,6×10’6, стали – 11,5×10 6, алюминия – 23,8-27×10’6, бетона – 12,6×10″6 градус’. Это говорит о том, что в условиях сильного нагрева деревянные эле¬менты будут иметь удлинения в 2,5 раза меньше, чем стальные, в 2,8 раза меньше, чем бетонные, и в 5,7 раза меньше, чем алюминиевые. Именно поэтому исчезает необходимость расчленять деревянные здания на блоки ограниченной длины посредством устройства температурных швов.

Опубликовано в журнале “Дом из чистого дерева” №3 2010 года.