Чем отличаются древесные материалы от древесины

Достоинства древесины

В отличие от многих видов сырья, используемых и невозобновляемых (газ, уголь, руда, нефть, торф, горючие сланцы и т.д.), древесина – это сырье, запасы которого могут непрерывно восстанавливаться. На земном шаре примерно треть площади занимает суша, и около трети ее покрыто лесами. На долю России приходится около пятой части всех лесов земного шара.

Древесину как сырье используют для получения многих видов изделий. Это мебель (корпусная, решетчатая, мягкая), столярно-строительные изделия (окна, двери, паркет, фрезерованные погонажные детали), музыкальные инструменты (рояли, пианино, скрипки, гитары, виолончели), деревянные суда (шлюпки, яхты, каноэ, суда для академической гребли), спортивный инвентарь (лыжи, клюшки, городки, биты), тара (ящики, бочки, буты) и др.

Древесина – прекрасный материал для внутреннего оборудования пассажирских железнодорожных вагонов и теплоходов, из нее изготавливают детали и узлы грузовых автомашин сельскохозяйственной техники, футляры радиоприемников и телевизоров, часов, микроскопов и приборов точной механики, шкатулки, посуду, художественные изделия, из древесины получают пилопродукцию, а также фанеру, столярные и стружечные плиты, ее используют в строительстве мостов, пристаней, она незаменима в производстве колодок для обуви, ручек инструмента, катушек, челноков, спичек, карандашей.

При этом в силу анизотропии свойств усушка и разбухание древесины в разных направлениях различны. Вдоль волокон усушка практически равна нулю, наибольшую величину она имеет в тангентальном направлении. В радиальном направлении усушка древесины примерно в 2 раза меньше, чем в тангентальном.

К недостаткам древесины как конструкционного материала относят также легкую возгораемость, загниваемость, особенно в условиях переменных температур и влажности воздуха, изменение цвета под воздействием световых лучей, различных веществ, невысокое сопротивление изнашиванию, особенно вдоль волокон и т.д.

Однако достоинства древесины как материала для конструкции настолько велики, что, несмотря на значительное развитие технологии искусственных материалов – заменителей древесины, полностью ее заменить каким-либо другим материалом не представляется возможным. Кроме того, за тысячелетия использования древесины человек научился так конструировать изделия из нее, чтобы максимально устранить недостатки и выявить достоинства.

Древесина как материал для изготовления изделий имеет ряд достоинств, которыми не обладает ни один из конструкционных материалов. Древесина обладает малым объемным весом при сравнительно высокой прочности; древесина сосны, лиственницы, пихты на каждый грамм своего веса выдерживает при растяжении такую же нагрузку, как сталь, в 3 раза большую, чем литой алюминий и в 7 раз большую, чем чугун.

Древесина легко обрабатывается режущими инструментами, хорошо склеивается различными клеями, скрепляется шурупами и гвоздями, окрашивается, лакируется, полируется. Она обладает высокой упругостью, хорошо поглощает звуки, возникающие при ударе, поэтому широко применяется в вагоностроении и строительстве.

Высокие резонансные свойства (особенно мелкослойной ели) делают древесину незаменимым материалом в производстве музыкальных инструментов, в том числе со сложной деревянной механикой.

Большая стойкость древесины против кислот и щелочей позволяет изготовлять фанерные трубы для агрессивной жидкости. Такие трубы находят большее применение по сравнению с металлическими.

Ее значительная пластичность дает возможность делать из нее гнутые изделия.

Древесина хорошо прессуется, повышая при этом свои физикомеханические свойства, что позволяет применять ее вместо известных металлов в ответственных деталях машиностроения (подшипниках скольжения).

Обладая низкой электропроводностью, древесина применяется как диэлектрик в таких ответственных установках, как установки с применением токов высокой частоты (ТВЧ).

Вместе с тем древесина как конструкционный материал имеет существенные недостатки. Древесина анизотропна, т.е. ее физико-механические свойства в различных структурных направлениях неоднородны. Например, при сжатии вдоль волокон прочность древесины в 3-4 раза больше, чем при сжатии поперек волокон. Прочность древесины при растяжении поперек волокон в 30 раз меньше, чем при растяжении вдоль волокон. Сучки значительно снижают прочность древесины. Так, при ширине бруска 100 мм здоровый сучок d=50 мм на пласти снижает прочность в 2 раза.

Чем древесина суше, тем она прочнее. Древесина влажностью 30 % имеет прочность на изгиб 70 % от прочности при влажности 15 %.

Значительным недостатком древесины является изменение формы и размеров в зависимости от температуры и влажности воздуха. Древесина усыхает, коробится, разбухает. Изменение влажности воздуха влечет за собой изменение объема древесины: чем выше влажность, тем больше объем древесины. Например, влажность древесины наружных дверей в течение года изменяется от 10 до 26 %.

Из древесины, измельченной до размеров волокна, получают бумагу, картон, древесноволокнистые плиты, бумажно-декоративные слоистые пластики. В процессе химической и микробиологической ее переработки получают различные изделия и вещества: искусственные ткани и меха, кино- и фотопленку, спирты, лекарственные средства, ветеринарные и косметические препараты, смазочные масла, лаки и краски, клей, ядохимикаты, кормовые дрожжи, пищевые кислоты, глюкозу, упаковочные пленки, искусственную кожу, дубители, глицерин.

Из хвои и листьев получают эфирные масла, хвойные лечебные экстракты, хвойную витаминную муку и другие продукты. Подсчитано, что человеком в быту и на производстве используется до 20 тысяч различных вещей, сделанных из дерева. Нет ни одной отрасли производства, которая в той или иной степени не использует изделий из древесины или продуктов ее химической переработки.

Главное достоинство бесспорно заключается в экологической чистоте этого материала. Люди, внимательно относящиеся к вопросам регулирования экологичности своего жилья, предпочитают изделия, которые изготовлены из натуральной древесины. Таким образом, они гарантируют защиту от отрицательного действия низкокачественных материалов.

Высокая прочность и длительный период эксплуатации можно назвать одним общим преимущественным параметром. Предмет мебели, созданный из прочного сорта лесоматериалов, в большинстве случаев имеет высокое качество, не подвержен заражению микроорганизмами. Именно эти характеристики гарантируют устойчивость к износу, и длительный период службы.

Простота ремонтных работ состоит в том, что через какое-то время можно собственноручно отреставрировать деревянное изделие при помощи шлифования или лакирования.

Кроме этого к плюсам древесины можно отнести:

  • возобновляемость ресурсной базы 
  • достаточно низкая плотность 
  • высокий показатель удельной прочности — отношения максимальной прочности при растяжении вдоль волокон к уровню плотности: 100/500 = 0,2. Почти такой показатель у стальных изделий
  • устойчивость к солевой агрессии, а также к действию прочих химически агрессивных соединений
  • биологическая совместимость с людьми и животными. Деревянные здания имеют самый благоприятный микроклимат 
  • прекрасные акустические качества. Как известно самые лучшие концертные залы отделаны деревом 
  • низкая теплопроводность поперек волокон. Брусовая стена в толщину 200 мм имеет аналогичную теплопроводность кирпичной кладке в ширину 640 мм
  • низкое линейное расширение вдоль волокон. Здания из дерева не нуждаются в температурных швах и подвижных опорах 
  • создание гнутоклееных сооружений.
Коэффициенты качества древесины
Материал Плотность (объемная масса), кг/м3 растяжении сжатии
Ель 445 2,315 1,000
Лиственница 660 1,894 0,977
Дуб 690 0,833
Бук 670 1,836 0,828
Ясень 680 2,132 0,868
Береза 630 2,667 0,873

Специалисты стараются по максимуму воспользоваться положительными качествами лесоматериалов, снизить действие на них негативных факторов, гарантировать экономически эффективное использование конструкций из дерева. Большую часть естественных недостатков лесоматериалов можно ликвидировать или в значительной мере ограничить их действие на качество деревянных зданий.

Высокая стоимость, естественно, обуславливается натуральностью этого материала. Следовательно, и изделия, созданные из натурального дерева, имеют более дорогую стоимость, чем изготовленные из древоподобного сырья. В тоже время высокая стоимость довольно оправдана, приведенными выше преимуществами.

Неустойчивость к влажности является наиболее опасным фактором, подвергающим деревянное изделие порче. В результате высокого уровня влажности материал разбухает и становится абсолютно не пригодным. По этой причине ванная комната — не самое удачное помещение для деревянной мебели.

Вследствие анизотропности строения лесоматериалы отличаются неравномерностью свойств вдоль и поперек волокон. К примеру, усушка по росту волокон в несколько десятков раз ниже, а уровень прочности на растяжение существенно выше, чем поперек волокон. Естественное происхождение лесоматериалов обусловливают высокую изменчивость ее свойств. Интересным качеством лесоматериалов можно назвать их способность «предупреждать» (потрескивание) о приближающемся разрушении.

Чем отличаются древесные материалы от древесины

Дерево отличается гигроскопичностью, то есть оно способно поглощать мельчайшие капельки влаги из воздуха, в результате чего увеличивается вес и размер материала. При этом существенно снижается прочность.

2. Физико-механические, технологические и декоративные свойства древесины

Различные свойства древесины напрямую зависят от строения древесины.

Внешний вид древесины. Древесина характеризуется цветом, блеском, текстурой, запахом.

Цвет – зрительное восприятие, зависящее от спектрального состава отраженного ею светового потока. Наука о цветовых измерениях – колориметрия – характеризует количественную характеристику цвета тремя показателями – цветовым тоном, чистой и светлой. Цвет древесины можно установить, пользуясь атласом цветов или колориметром.

Он варьируется от белого до черного и зависит от породы, климата, условий произрастания, возраста. Первоначальный цвет древесины меняется под воздействием солнца, воздуха, окисления, соединения с солями металлов, поражения грибами и загнивания. При производстве изделий иногда специально меняют цвет древесины, отбеливая ее или окрашивая в более темные или яркие цвета.

У молодых деревьев древесина обычно светлее, чем у старых. Устойчивым цветом обладают дуб, груша, белая акация, самшит, каштан, яблоня.

Условная классификация пород по цвету древесины:

  • Белый – береза, клен, осина, липа, граб, ель, пихта;
  • Серый – грецкий орех, хурма, ясень, белая акация (ядро);
  • Черный – эбеновое дерево, макасар;
  • Коричневый:
    • светлый – орех, каштан, карагач, дуб, груша;
    • темный – полисандр, абрикос, тик;
    • красный – маклюра, падуб, махагони, ольха;
    • красно-фиолетовый – амарант;
    • бурый – дуб, карагач, лиственница, кедр, орех, тис, бук, махагони;
    • розовый – груша, бук, ольха, чинара, яблоня;
  • Желтый – лимонное дерево, самшит, белая акация (заболонь), карельская береза, сосна, барбарис.

Блеск древесины проявляется при отражении падающего света. Такой способностью обладают сердцевинные лучи, остальная поверхность заметно выраженного блеска не имеет. Поскольку в большинстве случаев изделия из древесины покрывают лакокрасочными материалами, естественный блеск древесины перекрывается зеркальной, матовой или кроющей поверхностью отделочного слоя.

Особым блеском отличается древесина бука, клена, ильма, платана, белой акации, дуба. Шелковистый блеск свойственен древесине бархатного дерева. Древесина осины, тополя, липы с очень узкими сердцевинными лучами и сравнительно тонкими стенками клеток имеет матовую поверхность.

Текстура древесины – это рисунок, образующийся на поверхности вследствие перерезания элементов древесины (сосудов, годичных слоев, сердцевинных лучей и др.). Текстура зависит от породы древесины (у хвойных более простая и однообразная, у лиственных более сложная и разнообразная), плоскости разреза (радиальная, тангентальная, торцевая), волнистости, свиливатости, от различия в окраске отдельных элементов.

Хвойные породы на тангентальном и торцевом разрезе из-за резкого различия в цвете ранней и поздней древесины имеют красивую текстуру. Лиственные породы с ярко выраженными годичными слоями и развитыми сердцевинными лучами (дуб, бук, клен, карагач, ильм, платан) имеют очень красивую текстуру радиального и тангентального разрезов.

Текстурой характеризуется декоративная ценность изделия из древесины.

Запахдревесины зависит от присутствия в ней пахучих и ароматических веществ – эфирных масел, смол, дубильных веществ. Наиболее сильный запах у свежесрубленных хвойных пород. С фактором запаха считаются при изготовлении тары для хранения и перевозки различных изделий. Так, тару под мед следует изготавливать из липы, масло лучше упаковывать в буковую тару, для вина использовать дубовые бочки, а шерстяные вещи отлично хранятся и не портятся молью в кедровых сундуках, комодах.

Макроструктура характеризуется шириной годичных слоев, определяемой числом годичных слоев на 1 см отрезка, отмеренного в радиальном направлении на поперечном срезе. Древесина хвойных пород имеет более высокие физико-механические показатели, если в одном см не менее 3 и не более 25 слоев. У лиственных кольцесосудистых пород (дуба, ясеня) увеличение ширины годичных слоев происходит за счет поздней зоны, и поэтому увеличиваются прочность, плотность и твердость.

У древесины лиственных рассеяннососудистых пород (березы, бука) нет четкой зависимости свойств от ширины годичных слоев. По образцам древесины хвойных и кольцесосудистых лиственных пород определяют содержание поздней древесины в процентах. Чем выше содержание поздней древесины в процентах, тем больше ее плотность и, следовательно, лучше механические свойства.

Влажность древесины, свойства связанные с ее изменением. Влажность характеризует количественную оценку содержания влаги в древесине.

где m – масса влажной древесины, г; mc – масса абсолютно сухой древесины, г.

Древесина влажностью более 100 % считается мокрой, в интервале 100…50 % – свежесрубленной, в интервале 20…15 % – воздушно-сухой, в интервале 12…8 % – комнатно-сухой и около нуля – абсолютно сухой. Влажность 20…22 % называется транспортной, в период эксплуатации изделий из древесины – эксплуатационной, в процессе изготовления деталей и узлов – производственной (обычно меньше на 1…2 % эксплуатационной). Значения эксплуатационной влажности, %, пиломатериалов и деревянных деталей:

  • Пиломатериалы – 20…22
  • Детали и заготовки:
    • для обозостроения – 10…12
    • автомобильные – 12…15
    • сельскохозяйственных машин – 12
    • товарных вагонов – 18
    • пассажирских внутренних – 10
    • пассажирских наружных – 15
    • оконных переплетов и дверных полотен – 1-2
    • коробок наружных дверей и окон – 18
    • коробок внутренних дверей и фрамуг – 15
  • Шканты и нагели – 7
  • Паркет – 8
  • Плинтуса, галтели, поручни и внутренние наличники – 12
  • Доски чистого пола и наружные наличники – 15

Влажность растущей древесины в зависимости от породы и элемента (ядро, заболонь) составляет от 30 до 120 %.

В срубленной древесине различают два вида влаги – свободную и связанную. Свободная – это влага, заполняющая полости клеток и сосудов. Связанная – это влага, находящаяся в стенках клеток. Состояние древесины, при котором количество связанной влаги максимально возможное, а свободной влаги нет, называется пределом насыщения клеточных стенок, для большинства пород он равен примерно 30 %.

При влажности выше предела насыщения волокна в полостях клеток начинает появляться свободная влага. Максимальное количество свободной влаги, которое может быть в древесине, зависит от ее строения и может доходить до 250 %. Древесина, содержащая только связанную влагу, называется влажной; древесина, содержащая связанную и свободную влагу, – сырой.

Влажность, к которой стремится влажность древесины при длительной выдержке на воздухе постоянного состояния, называется равновесной.

Величина фактической влажности, которой достигает древесина, стремясь к равновесной, называется устойчивой влажностью. Для массивной древесины (длиной более 100 мм и толщиной более 15 мм) устойчивая влажность примерно на 1,25 % больше или меньше равновесной. Для измельченной древесины (опилки, стружка, щепа) устойчивая влажность мало отличается (±0,15 %) от равновесной.

Влагопоглощение – способность древесины поглощать влагу из окружающего воздуха. Это отрицательное свойство древесины (для большинства случаев). Для уменьшения его влияния древесину покрывают лаками, пропитывают различными составами.

Водопоглощение – способность древесины впитывать капельножидкую влагу. Она имеет значение при сплаве древесины, получении целлюлозы и т.д.

Влагопроводность – способность древесины пропускать влагу из зон повышенной влажности в зоны с пониженной влажностью. Она имеет важное значение при гидротермической обработке древесины. Влагопроводность характеризуется коэффициентом влагопроводности, величина которого зависит от температуры, породы, плотности, местоположения древесины в стволе, направления тока влаги относительно волокон древесины.

Усушка и разбухание – явления, связанные с уменьшением или увеличением содержания влаги в древесине и заключающиеся в уменьшении или увеличении ее линейных размеров и объема. Они наблюдаются при изменении влажности древесины в пределах от 0 до 30 %. Полная усушка – уменьшение линейных размеров или объема древесины при изменении влажности от точки насыщения волокон до удаления всей связанной влаги.

Чем отличаются древесные материалы от древесины

Внутренние напряжения в древесине возникают при удалении связанной влаги в результате усушки. Причины возникновения напряжений следующие: неравномерное удаление влаги по сечению и различная величина усушки в различных (радиальном и тангенциальном) направлениях.

В пиломатериалах (досках, брусках) неоднородность усушки влечет за собой изменение формы поперечного сечения материала, т.е. поперечную покоробленность древесины. Продольная покоробленность древесины может быть следствием различной величины усушки вдоль волокон различных зон (например, ядровой, заболонной). Крыловатость – это спиральная покоробленность, являющаяся следствием наклона волокон.

Плотность древесины. Плотность, кг/м3 или г/см3, – масса единицы объема материала. Для характеристики плотности древесины используют несколько показателей.

Плотность древесного вещества – масса единицы объема материала, образующего клеточные стенки.

Плотность абсолютно сухой древесины – масса единицы объема древесины при отсутствии в ней воды.

Относительная плотность древесинного вещества определяется отношением плотности клеточной оболочки к плотности воды при температуре 3,98 0С и составляет в среднем 1,54, т.е. древесинное вещество в 1,54 раза тяжелее воды.

Плотность древесины зависит от ее породы и влажности. Для того чтобы результаты измерений были сравнимы, принято плотность исчислять при стандартной влажности древесины, равной 12 %.

Дефекты древесины

Существуют различные недостатки древесины. Самым часто встречающимся изъяном можно назвать присутствие сучков. Сучки бывают двух типов. Первый тип – это прочно сросшиеся с древесиной, их можно убрать из массива лишь удалением всего участка. Второй тип – это сучки, которые легко отделить от лесоматериала. Помимо этого, при длительном хранении лесоматериалов для строительной отрасли сучки первыми темнеют. Исключением являются лишь хвойные сорта.

Разновидность сучков:

  1. круглый
  2. овальный
  3. продолговатый
  4. пластевой
  5. кромочный
  6. ребровый
  7. сшивной
  8. груповые
  9. разветвленные

В числе изъянов лесоматериалов, которые обязательно нужно учесть в работе, стоит отметить наличие трещин. Они могут образоваться в массиве лесоматериалов во время роста древесного ствола. Морозные трещины делят ствол на две половины. Трещины начинаются от наружного края и проходят внутрь. Они могут образоваться лишь зимой в сильный мороз. Трещины в процессе усушки могут образоваться и в лесоматериалах без серьезных недостатков.

Кроме этого, среди пороков стоит выделить наличие наклона волокон. Он бывает естественным и механическим. Хвойные сорта чаще всего имеют такой недостаток, как крень. Она возникает в ходе сжатия ствола во время роста.

3. Лесные древесные породы и их отличительные особенности

Рис. 2. Дом из CLT-панелей

Леса России разнообразны по своему породному составу. Преобладают хвойные породы. Доля хвойных насаждений уменьшается с севера на юг (%): тайга – 78, зона смешанных лесов – 53, лесостепь – 25, степь – 12. Соответственно увеличивается доля лиственных насаждений: в зоне смешанных насаждений за счет мягких лиственных пород (березы, осины, липы и др.), в лесостепной зоне, кроме того, за счет твердых лиственных пород, среди которых преобладает дуб.

Основную массу хвойных лесов составляют лиственничные леса (более 1/3 всей лесопокрытой площади страны), сосновые, еловые, пихтовые и кедровые. Среди лиственных лесов наиболее распространены березовые леса, занимающие 60 % площади всех лиственных лесов, осиновые – до 13 %, затем дубовые и буковые леса, леса с преобладанием липы. Площадь остальных лесов незначительна.

Древесные растения, используемые для получения древесных материалов, делятся по породам на две группы – хвойные и лиственные. Деревья хвойных пород имеют в России наибольшее распространение, они занимают около 75 % лесных площадей. Отличительная черта деревьев хвойных пород – смолистость, игольчатая и чешуйчатая форма листьев (хвоя), не опадающих (в России – кроме лиственницы) на зиму.

Деревья лиственных пород имеют пластинчатые листья различных очертаний, опадающих на зиму. Лиственные породы делятся на две подгруппы в зависимости от твердости древесины: твердые лиственные породы (дуб, бук, ясень, граб и др.), мягкие лиственные породы (липа, осина, ольха и др.). В зависимости от расположения сосудов, проводящих воду и растворенные в ней соли из корней в крону деревьев, лиственные породы можно разделить на кольцесосудистые, у которых в ранней зоне годичного кольца образован ряд из крупных сосудов, и рассеянно-сосудистые, у которых сосуды расположены по годичному слою относительно равномерно.

У кольцесосудистых пород древесины (дуба, ясеня, каштана, вяза, ильма, карагача, бархатного дерева, фисташки) очень хорошо заметны годичные слои. У рассеянно-сосудистых с крупными сосудами (грецкого ореха, хурмы) и мелкими (березы, бука, самшита, ольхи, осины, клена, платана, тополя, ивы, рябины и груши) нет резкого различия между ранней и поздней зонами древесины, поэтому границы между годичными слоями выражены слабо. Более подробно о строении древесины различных пород и ее применении можно узнать из работ Б.Н. Уголева, Т.К. Курьяновой.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Полезный инфопортал