Древесина является природным сырьём, используемым в производстве различных конструкций. Что такое древесина с физической точки зрения? Этот природный материал представляет собой растительную ткань, которая состоит из плотно расположенных клеток, что придаёт ему особую прочность и упругость. Как и у всех растений, оболочка клеток содержит целлюлозу, которая также наделяет дерево прочностью. Клетки дерева называют волокнами ввиду их формы- длинных и узких вертикальных трубок.

Древесина хорошо удерживает тепло, так как имеющиеся пустоты между волокнами являются своеобразной преградой и удерживают его внутри.

Прочность и вес дерева линейно зависимы от размера волокон: чем они толще, тем прочнее материал.

Дерево легче разрубить по направлению расположения волокон, поэтому древесные породы с их параллельным расположением легче поддаются обработке. Труднее обрабатывать такие породы, как клён, так как его волокна тесно переплетены между собой.

Помимо целлюлозы в состав древесины входит лигнин- вещество, которое соединяет клетки дерева. Его химическая формула настолько сложна, что ученые до сих пор до конца не разгадали её.

Характерный запах и цвет дереву придают входящие в его состав смолы, масла и другие вещества. Благодаря их наличию древесина достаточно устойчива к процессу гниения. Они же являются определяющим звеном для выбора лака покрытия изделия.

Пород древесины насчитывают большое количество. Древесину получают из хвойных деревьев: ель, сосна, кедр; из однодольных: бамбук, пальма; и из лиственных (двудольных): дуб, эвкалипт, клён. Ценность древесины определяется её прочностью, долговечностью и рисунком. К ценным относятся дуб, вишня, бук и другие.

Древесные материалы сочетают в себе много полезных свойств для производства: прочность, твёрдость, упругость, износостойкость, влажность и другие. В зависимости от требований, предъявляемых к тому или иному свойству, выбирают подходящую породу древесины.

Применяют древесину в разнообразных областях: в строительстве, мебельном производстве, для изготовления бумаги, в качестве топлива и отделочного материала. При применении в определенной области учитывают эксплуатационные характеристики: твердость, стабильность и уровень усадки, степень окисления, выразительность текстуры и стойкость к нагрузкам. У разных пород эти свойства выражены по-разному.

Сложно представить жизнь на земле без этого природного материала. Его обширная область применения и разнообразие полезных свойств на протяжении всего существования человечества служит незаменимым материалом во многих сферах жизни. Так что такое древесина? Ответ прост: это возобновляемый ценный природный ресурс человечества.

В наш век прогресса существуют инновационные строительные материалы. Но и в прошлые века, и сейчас остается популярным такой материал, как дерево. Этот материал благородный и очень красивый, и при правильной эксплуатации и уходе может сохраняться много лет.

Что такое древесина?

Древесина в строительстве

Еще с давних времен дерево использовали как строительный материал для возведения стен, для сруба. Хотя в последнее время ставят металлопластиковые окна и двери, но деревянные изделия все-таки не уступают, а даже превосходят по своим свойствам.

А натуральный пол из дерева создаст теплый микроклимат вашего дома. Непревзойденно будет смотреться и деревянная лестница.

Древесный материал в дизайнерской сфере используется при обшивке стен домов, бань саун, для производства мебели.

Почему строители и дизайнеры оставляют свой выбор на натуральном материале — древесине?

Преимущества

• — имеет небольшой вес (если сравнивать с железобетоном древесный материал имеет вес в 5 раз меньше и в 16 раз меньше стали);
• — высокая прочность;
• — ее легко добывать;
• — в обработке не требует сложных технологии;
• — деревянные детали конструкции легко собирать, разбирать, переносить и переделывать отдельные деревянные строения и целые сооружения;
• — древесина имеет низкий коэффициент теплопроводности, поэтому она ценная в качестве эффективного утеплителя;
• — материал характеризуется долговечностью, если, конечно, соблюдать правила эксплуатации конструкции;
• — древесину можно возобновлять, это дает широкие возможности для изготовления многих видов изделий;
• — замечательно сочетается с другими строительными материалами;
• — выступает как влагорегулирующий и фильтрующий компонент, (деревянные стены очищают воздух, причем в обоих направлениях медленно пропускает его сквозь структуры своих волокон);
• — древесина — экологически чистый материал.

Недостатки

• — неоднородное строение. Так, если неправильно распилить древесину, то прочность на сжатие может упасть почти в 5 раз;
• — сучковатость;
• — ползучесть. При длительном воздействии нагрузки на древесину она деформируется;
• — подвергается гниению и поражению насекомыми;
• — влаговпитываемость. При увеличенной влажности прочность древесины почти при всех видах работы с ней резко падает;
• — высыхание древесины. Может привести к сильному растрескиванию;
• — подвергается горению.

Знать характеристики лесоматериала очень важно при проектировании, строительстве и эксплуатации деревянных сооружений.

Как строительный материал, дерево используют двух форм:

• — исходной (лес-кругляк, бревна и т.п.)
• — вторичной (доска, брус, фанера, шпон и т. п.).

Какую породу древесины выбрать для строительства?

1. Хвойные породы — наиболее популярный древесный материал. Он, если сравнивать с лиственными, наиболее доступный. И, конечно, имеет высокие технические свойства.

— Сосна. По шкале использования находится на самой высокой позиции. Почему? Во-первых, этот материал прочный, плотный, стойкий к растрескиванию, усыханию и гниению, износостойкий. Во-вторых, сосна легкая древесина, несучковатая, а это очень облегчает процесс обработки. К недостатку можно отнести такое свойство, как «синева», внешний вид сруба этим портится.

— Ель. Отличается гибкостью, поэтому широко применяется для изготовления гнутых деталей. Ель так же, как и сосна, очень прочная (в сухом виде). Но не так богата смолистыми веществами, поэтому ее нужно дополнительно обрабатывать. Ель сучковатая, а это затрудняет процесс обработки, а также область применения сужается.

По сравнению с сосной, ель долго не теряет свою цветовую палитру.

— Лиственница. Она обладает высокой плотностью и прочностью, особенно после высушивания, а также она стойкая к загниванию. Поэтому ее используют для изготовления основных несущих конструкций. Имеет низкую степень водопоглощения. Также она практически не сучковатая и не коробится. Из недостатков можно выделить: легкораскалываемость и затрудненность в обработке.

— Пихта. Обладает малой упругостью и низкой прочностью. Она легко колется, а также обрабатывается. Эта порода гораздо больше подвергается гниению, чем сосна, потому что не имеет смоляных ходов. Пихта не подойдет для изготовления основных внешних конструкций. Она нашла свое применение в изготовлении окон, дверей, полов и других внутренних конструкций.

— Кедр. Высокопрочный материал, но при этом гибкий и мягкий. Он легкий, стойкий к гниению, легко поддается обработке. Из кедра изготовляют наружные конструкции. К преимуществам кедра можно отнести его антисептические свойства, поэтому его успешно применяют в экостроительстве.

2. Лиственные породы
Многие лиственные породы не так прочны и стойки к загниванию (у них нет смоляных ходов), как хвойные, поэтому их применяют в строительной индустрии не так широко.

В строительной сфере наиболее широко используются такие лиственные породы:

— Дуб. У него очень красивая текстура, поэтому он не требует дополнительного окрашивания. Практически не подвержен грибковым воздействиям. Древесина дуба очень прочная, это очень твердый материал. Его применяют при изготовлении внешних конструкций, а также как материал для отделки (окна, двери, пол).

— Орех. Материал тяжелый, прочный и твердый. Он хорошо обрабатывается и замечательно поддается полируется.Текстура ореха очень красивая.

— Ясень. Упругий и прочный материал, имеет светлый цвет. Ясень очень тяжело раскалывается. Благодаря повышенной вязкости, обрабатывать древесину вручную тяжело. Не обладает такими свойствами, как дуб, поэтому его редко применяют во внешних конструкциях. Наиболее активно применяют в качестве материала для отделки.

— Вяз. Стойкий к гниению. Материал отличается плотностью, вязкостью, твердостью и прочностью. Трудно колется, но прекрасно обрабатывается. По своим техническим характеристикам уступает многим хвойным породам, поэтому не используется для строения домов. В основном используют в мебельном производстве, кораблестроении.

Виды пиломатериала

При строительстве деревянных сооружений и выборе пиломатериала вы встретите названия видов пиломатериала, значение которых нужно знать:

• кряж — толстый ствол дерева, освобожденный от коры, или его отрезок достаточно большой длины (но не более 25 см);
• подвязник – тот же кряж, но с диаметром менее 25 см;
• жердь – тонкий ствол дерева (диаметром менее 9 см), очищенный от коры;
• пластина – ствол дерева, распиленный вдоль волокон;
• четвертина - ½ пластины, которая распилена вдоль волокон;
• лежень – это бревно в горизонтальном положении, которое отесанное с двух сторон;
• брус — бревно, которое отесанное со всех четырех сторон с сечением не менее 100х100 мм.
• брусок — то же, что и брус, но меньше размером.
• Облагороженная древесина

В строительной сфере в последнее время популярна так называемая облагороженная древесина — древесные пластики, полученные после продуктов переработки древесного материала.

Виды древесных пластиков:

— фанера;

— ДВП (древесно-волокнистые плиты);

— ДСП (древесно-стружечные плиты);

— ОСП (ориентированно-стружечная плита);

— древесно-слоистый пластик.

Когда выбираешь лесоматериала для строительства, что нужно учитывать?

1. Прочность. Чем прочнее материал, тем ниже коэффициент разрушения. Каждая порода дерева имеет свою прочность. На нее влияют также влажность, плотность и ее пороки.
2. Плотность. От нее зависят вес, легкость обработки и устойчивость к гниению.
3. Изнашиваемость. Чем тверже и плотнее дерево, тем больше степень износостойкости.
4. Сопротивляемость к трещинам. Зависит от того, какая степень усыхаемости древесины: при процессе сушки влага из древесного материала испаряется неравномерно, это приводит к внутреннему напряжению и древесина трескается. Малоусыхающими породами являются пихта, кедр, сосна.
5. Подверженность гниению. Под влиянием разных грибков, древесина разрушается. Считают, что хвойные породы меньше склонны загнивать, чем лиственные. Это можно объяснить наличием смолистых веществ.
6. Текстура. Здесь важно, как она проявляет себя после покрытия морилкой, воском или лаком. Это очень важно в дизайнерском решении.
7. Способность держать крепления из металла (гвоздь или шуруп). Здесь важны плотность и влажность — чем выше плотность, тем сложнее будет вытащить крепление.
8. Наличие сучков. Чем больше древесный материал имеет сучков, тем прочность ниже. Это приведет к дополнительным расходам на переработку.

Инновационные технологии обработки дерева дают возможность изготавливать любые изделия.

Древесина (абсолютно сухая) в основном состоит из трех химических элементов: углерода - 49,5%; кислорода - 44,2;

водорода - 6,3%. Из этих химических элементов образованы сложные органические вещества, входящие в состав клеточной ткани древесины, целлюлоза, лигнин, гемицеллюлоза, которые составляют 90-95% массы абсолютно сухой древесины. Остальные 5-10% составляют экстрактивные вещества, т.е. извлекаемые из древесины различными растворителями. Главные из них - дубильные вещества и смолы. Кроме того, в древесине содержится 0,2-1,7% массы неорганических веществ, получаемых из золы после сжигания древесины. Это соли кальция, калия, натрия, магния. Кора и листья дают больше золы, чем стволовая древесина.

Целлюлозу из древесины можно получить, отделив ее от лигнина и гемицеллюлозы. Отделение целлюлозы от этих веществ основано на ее высокой стойкости к химическим соединениям и в частности к растворам кислот и щелочей, в которых менее стойкие лигнин и гемицеллюлоза переходят в раствор. Древесную щепу варят в котлах в кислотной (сульфитный способ) или щелочной (сульфатный способ) среде при высокой (135-175°С) температуре и высоком (0,5МПа) давлении. После нескольких часов варки целлюлозу промывают, очищают, отбеливают. Целлюлоза исходный материал для производства бумаги, ваты, искусственных волокон (вискозный шелк, штапель), искусственных мехов и кожи, фотои кинопленок, лаков, целлофана, пластмасс, пороха и других материалов.

Гемицеллюлозу и лигнин, перешедшие в раствор при варке, после дальнейшей химической и гидролизной переработки используют для получения этилового спирта, кормовых дрожжей, углекислоты, сухого льда, ванилина, фурфурола. Этиловый спирт является основным сырьем для получения искусственного каучука, уксуса, эфира.

Смола находится в стволе хвойных пород, имеет слабую связь с тканью древесины и сравнительно легко извлекается. Извлечение смолы выполняют либо подсочкой растущего дерева, либо экстракцией сильно осмоленной древесины. При подсочке делают поверхностные раны на стволе живого дерева, из которых вытекает смола живица. В результате переработки живицы получают канифоль и скипидар. При экстракционной переработке древесины смолистые вещества сначала растворяют в бензине, а затем полученный экстракт разгоняют на канифоль и скипидар.

Канифоль используется для получения мыла, изготовления лаков, красок, линолеума, эфиров, а также применяют во многих отраслях (кабельной, кожевенной, нефтяной, резиновой) промышленности. Скипидар используют в медицине, применяют как растворитель для лаков и красок, а также как сырье для производства других продуктов.

Дубильные вещества танниды получают из измельченной древесины и коры экстрагированием горячей водой. Их используют в кожевенной промышленности для дубления кож, придавая ей гибкость, мягкость стойкость к гниению и набуханию. Танниды растворяются в спирте и воде; при соединении с солями различных металлов они могут образовывать красители различных оттенков от светло-желтых до иссиня-черных, применяемых для глубокого крашения древесины.

Древесина является одним из основных материалов, применяемых для изготовления модельных комплектов. Она отличается малой плотностью, хорошей обрабатываемостью режущими инструментами, невысокой стоимостью.

Дерево состоит из тесно сросшихся между собой клеток, разнообразных по своей форме и величине. Клетки образуют волокна, представляющие собой трубки - сосуды, по которым протекают питательные соки. Ствол дерева состоит из конусообразных оболочек неправильной формы, сросшихся между собой и нарастающих каждый год снаружи. Схема строения дерева представлена на рис. 1, а, б.

Кора 1 предохраняет дерево от внешних климатических воздействий. Внутренняя часть коры 2 называется лубом, проводящим питательные вещества. Между корой 1 и древесиной 4 находится камбий 3 - тонкий слой ткани, он служит для питания древесины и образования (отложения) годичного слоя ее.

Древесина состоит из концентрических (иногда извилистых) годичных колец (это ткань, находящаяся между камбием и сердцевиной). Древесина некоторых пород не имеет равномерной окраски: во внутренней части ствола она имеет более темный цвет, чем в периферической. В этих случаях темноокрашенная часть древесины называется ядром, а периферическая, более светлая - заболонью. Такие породы называются ядровыми. К ним принадлежат сосна, лиственница, ясень, дуб и др. Например, у сосны и лиственницы ядро образуется лишь в возрасте 25-30 лет. Некоторые породы не имеют ядра (например, ель, пихта, береза, осина, липа и др.). Они состоят только из заболони.

Низкокачественной частью дерева является сердцевина 5, б, у одних пород она выгнивает (липа, береза), а у других отделяется в виде стержня (ель). Для ответственных частей модели сердцевину удаляют при раскрое пиломатериала.

На торцовом разрезе ствола хорошо видны узкие радиальные полоски - сердцевинные лучи, проводящие питательные вещества.

Представление о строении древесины дает микроструктура. При рассматривании тонких срезов древесины под микроскопом оказывается, что она состоит из разнообразного рода клеток, образованных отложениями камбиального слоя. Живые клетки камбия состоят из нежной оболочки, наполненной жидким веществом - протоплазмой (жидкое прозрачное вещество, содержащее кислоты, неорганические соли, воду, белки и др.). По достижении определенной зрелости протоплазма высыхает, клетка умирает и сохраняется лишь отвердевшая оболочка ее - годичный слой. Из таких мертвых клеток разнообразной величины и формы и состоит вся древесина, формирующаяся из годовых колец. Группа клеток, имеющих одинаковое назначение, называется тканью. Ткани древесины подразделяются на три вида: запасающую, проводящую (сосудистую) и опорную (механическую).

Рис. 1. Схема строения дерева:
а - годичные нарастания на стволе, показанные в долевом разрезе ствола дерева по оси; б - разрезы ствола: П - поперечный (торцовый), Р - радиальный, Т - тангенциальный

Запасающая ткань состоит из коротких запасающих клеток и служит для накопления и хранения питательных веществ (рис. 2, а, б).

Проводящая ткань состоит из вытянутых тонкостенных клеток с широкими внутренними просветами. Длина сосудов в зависимости от породы дерева в среднем составляет от 100 мм и более, а диаметр до 0,5 мм (рис. 2,в).

Опорная ткань состоит из длинных толстостенных клеток с малыми внутренними просветами и заостренными концами. Чем больше этой ткани, тем древесина плотней (рис. 2, г). Длина таких клеток составляет более 1 мм, ширина до 0,2 мм. Концы опорных клеток прочно соединяются друг с другом и оказывают надлежащее сопротивление разрыву, сжатию и изгибу. В лиственных деревьях они довольно равномерно распределены по годичному слою. В хвойных они заменяются толстостенными подводящими клетками.

Чем уже годовые слои у хвойных пород, тем древесина плотнее. У лиственных пород, наоборот: чем шире годовые слои, тем древесина плотнее, тверже (ясень, дуб и др.).

В хвойных породах главную роль играют правильно расположенные вдоль ствола древесины радиальными рядами замкнутые удлиненные клетки (волокна), служащие для проведения воды и растворенных в ней неорганических солей (рис. 2, д, е). Такие клетки называются трахеидами, их находится в хвойных породах до 95% объема древесины. Длина трахеид до 10 мм, толщина - до 0,05 мм.

Тонкостенные трахеиды заменяют собой сосуд, а толстостенные- волокна опорной (механической) ткани. У ряда деревьев хвойных пород имеются смоляные ходы, в которых накапливается смола, увеличивающая стойкость древесины против загнивания. Диаметр смоляных ходов в среднем 0,1 мм, которые составляют около 1% объема древесины.

Строение лиственных пород более сложное, чем у хвойных. Сердцевинные лучи развиты больше и достигают 160 мм в высоту, а ширина лучей изменяется от 0,015 до 0,6 мм. Микроструктура древесных пород показана на рис. 3, а - в.

Рис. 2. Микроэлементы древесины:
а - волокно из коротких запасающих клеток, б - запасающие клетки, в - членик сосуда, г - клетка механической ткани, д - тонкостенная трахеида, е - толстостенная трахеида

ЧТО ТАКОЕ ДРЕВЕСИНА?

Древесина – один из древнейших и важнейших видов естественных материалов, используемых человечеством. Источник этого материала – лес.

Что же за материал – древесина?

Состоит она из целлюлозы, лигнина, золообразующих минеральных и органических экстрактивных веществ. Соотношение этих четырех веществ, а также различия в строении древесины приводят к тому, что древесина легкая и тяжелая, гибкая и жесткая, твердая и мягкая. Существующие в природе различные породы отличаются соотношением этих компонентов и клеточной структурой.

Многовековой опыт человечества и специальные исследования выработали и различное отношение к отдельным породам. Например, древесину дуба издревле использовали в судо - и мостостроении, бондарном производстве, производстве мебели, древесину осины – в производстве спичек, сосны – для столярных изделий (окна, двери), ели – в музыкальных инструментах, бука – в стульях и т.д.

Древесина имеет разнообразные размеры, фактуру, цвет, оттенки, что позволяет удовлетворять почти любые требования, предъявляемые к ней при изготовлении изделий. В отличие, например, от камня, являющегося еще более древним материалом, древесина позволяет создавать самые выразительные формы изделий.

Древесина имеет высокую удельную плотность (отношение предела прочности к массе), а сухая древесина имеет хорошие изоляционные свойства в отношении тепла, звука, электричества. Она может поглощать и рассеивать звуковые волны, что и делает ее незаменимой в производстве музыкальных инструментов. Древесина механически легко обрабатывается, ей могут быть приданы разнообразные формы. Отдельные детали из древесины легко соединяются между собой с помощью гвоздей, шурупов, нагелей, клея. Важное свойство древесины – хорошая пропитываемость , в том числе веществами, препятствующими гниению (антисептики), возгоранию (антипирены).

Деревья бывают лиственные и хвойные. Соответственнои древесина – хвойных или лиственных пород. Последние подразделяются на мягкие (липа, ольха, осина и др.) и твердые (дуб, граб, бук, ясень и т.д.). Береза занимает между ними промежуточное положение.

Дерево состоит из корней, кроны и ствола.

Ствол имеет форму, близкую к конусу, строение его – слоисто-волокнистое. Лучше всего оно видно на разрезах – поперечном, радиальном и тангенциальном. Поперечный разрез, как можно понять из самого названия, перпендикулярен оси ствола, тангенциальный проходит по касательной к годичному слою, а радиальный – по радиусу окружности торца ствола, через его центр.

На поперечном разрезе дерева хорошо видно его строение- снаружи кора, внутри древесина, в центре ствола – сердцевина.

Диаметр ств ола уменьшается от корня к вершине. Величина этого уменьшения, отнесенная к единице длины ствола, называется сбегом.

Древесину, как можно заметить на любой доске, пронизывают сучки, являющиеся продолжением ветвей в стволе. Между корой и древесиной имеется невидимый глазу слой камбия. Сама же кора имеет два слоя: наружный, называемый коркой, и внутренний – луб. Корка состоит из мертвых клеток и выполняет очень важные функции защиты дерева от резких колебаний температуры, не дает влаге, содержащейся в дереве, интенсивно испаряться, препятствует проникновению в дерево бактерий и грибов, предохраняет его от механических повреждений.

Внутренний слой -луб состоит из живых клеток. Цвет коры достаточно разнообразен (например, белый у березы, зелено-синий у осины, темно-серый у дуба и т.д.) и определяет цвет ствола дерева (знаменитая белая береза).

Между корой и древесиной имеется невидимый невооруженному глазу слой клеток – камбий. Рост древесины и коры происходит за счет деления и роста именно этих клеток. Естественно, что клетки древесины откладываются изнутри камбиального слоя, а коры – вне этого слоя. По мере увеличения диаметра ствола кора растягивается, на ней появляются трещины, часть из них зарастает, образуя выступы. Поскольку для каждой породы эти явления протекают по-разному, по структуре поверхности коры можно определять породу древесины.

Прирост древесины за один вегетационный период называется годичным слоем. Часть его, образовавшаяся весной, называется ранней древесиной, а в конце лета и начале осени – поздней. Годичные слои обычно отчетливо видны, а по их количеству легко определить возраст дерева: сколько колец, столько лет дереву.

Ранняя древесина годичного слоя значительно отличается от поздней, она мягче, легче, усыхает меньше в поперечном и больше в продольном направлении. Это предопределяет одно из фундаментальных свойств др евесины: из-за разного усыхания ранней и поздней древесины в ней возникают напряжения, приводящие к ее короблению, в отдельных случаях – разрушению (растрескиванию).

Рассматривая поперечный срез ствола, легко увидеть две зоны – наружную (заболонь) и внутреннюю (ядро). Обычно заболонь менее плотная, чем ядро, содержит намного больше влаги. Ядро у многих пород древесины темнее заболони, заметно плотнее. Оно более устойчиво к загниванию.

Важное свойство древесины – ее волокнистая структура. У лиственных пород волокна короче, длина их примерно равна 1мм. У хвойной древесины волокна длиннее – 3 – 8мм. Вот почему лучшие сорта целлюлозы, бумаги, древесноволокнистых плит делают из древесины хвойных пород.

В стволах деревьев находятся горизонтально расположенные, идущие от сердцевины к коре группы клеток, называемые сердцевинными лучами. Их назначение – проводить соки поперек ствола. Вдоль ствола соки у лиственных пород проводят сосуды, а у хвойных – волокна. Сердцевидные лучи очень хорошо видны у дуба, они украшают структуру его древесины.