книги из ГПНТБ / Ковалин, Д. Т. Механизация лесохозяйственного производства и лесоэксплуатация учеб. пособие

Раз дел второй

ЛЕСОЭКСПЛУАТАЦИЯ И ОСНОВЫ ЛЕСНОГО ТОВАРОВЕДЕНИЯ

ГЛ А В А XIV. ОСНОВЫ ДРЕВЕСИНОВЕДЕНИЯ

§53. СТРОЕНИЕ ДЕРЕВА И ДРЕВЕСИНЫ

Основные части растущего дерева: ствол (от 50 до 90% всей массы дерева), крона (от 5 до 25% объема дерева) и корни (от 5 до 25% объема дерева).

Из ствола дерева получают наиболее денные лесные материалы для строительства и промышленного использования.

Крона представляет собой совокупность ветвей, используется в качестве дров или сырья для химической переработки.

Пни и крупные корни сосны идут на химическую переработку с целью получения смолы и скипидара. Из прикорневой части клена и березы вырабатывают хомутовые клещи. В основном же корне­ вая часть лиственных деревьев не используется пли используется в качестве топлива.

Древесина — самый универсальный материал, из которого меха­ ническим или химическим способом вырабатывают различные изде­ лия. Нет таких отраслей народного хозяйства, которые бы не по­ требляли древесину или предметы, изготовленные из нее.

Древесина по своему строению — сложный органический мате­ риал.

Строение древесины можно видеть невооруженным глазом, при помощи лупы (макроскопическое определение) либо через микро­ скоп (микроскопическое определение).

Невооруженным глазом хорошо видно строение древесины, если сделать разрез в трех взаимно перпендикулярных направлениях по отношению к оси: поперечном (торцовом), т. е. перпендикулярно оси ствола; радиальном — вдоль волокон через сердцевину ствола; тангентальном — тоже вдоль волокон, но на некотором расстоянии от сердцевины.

200

У одних древесных пород центральная часть ствола (ядро) от­ личается от периферической (заболони) темным цветом, у других

же этих различий нет.

К ядровым породам (имеющим ядерную часть) относятся все хвойные породы, кроме ели и пихты, и многие лиственные (дуб, ясень, вяз, ива и др.), к безъядерным — ель, пихта, бук, осина и др.

При микроскопическом осмотре видны также ежегодные наслое­ ния древесины вокруг сердцевины — годичные кольца. Они состоят

На рис. 84 представлена схема строения древесного ствола. Из этой схемы видно, что большое ме­

сто в древесине занимают сердцевинные лучи, представляющие собой светлые полоски, направленные поперек годичных слоев по радиусу. Они хорошо заметны на радиальном разрезе (блестящие полоски, ленты, пятна), и на тангентальном (темные штрихи или чечевицеобразные полоски, расположенные вдоль волокон).

У разных древесных пород сердцевинные лучи могут быть широ­ кие, узкие и очень узкие, заметные только на строго радиальном разрезе. Сердцевинные лучи оказывают влияние на механические свойства древесины. Широкие сердцевинные лучи уменьшают со­ противление древесины раскалыванию.

У большинства хвойных пород (сосна, кедр, лиственница, ель) в древесине имеются заполненные смолистым соком смоляные хо­ ды, которые влияют на механические свойства древесины и позво­ ляют использовать эти породы для получения живицы.

Лиственные древесные породы по особенностям сложения годич­ ного слоя классифицируются на кольцепоровые и рассеяннопоровые.

У кольцепоровых лиственных пород ранняя часть слоя резко от­ личается от поздней, вследствие чего годичные слои четко выраже­

201

ны (дуб, ясень, вяз и др.). У рассеяннопоровых лиственных пород граница годичных слоев мало заметна, так как между поздней л ранней древесиной нет разницы (бук, клеи, береза, осина, липа

идр.).

Ухвойных древесных пород годичные слои резко выражены, так

как ранняя и поздняя древесина резко отличаются друг от друга.

§ 54. ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

Химический состав древесины

В простейшем виде органическая масса абсолютно сухой древе­ сины содержит в среднем углерода — 49,5%, водорода — 6,3%, кис­ лорода— около 44,1% п азота—■около 1,1%. Минимальные веще­ ства— кальций, калий, натрий и магний, также входящие в состав древесины, при сгорании образуют золу, количество которой колеб­ лется от 0,2 до 1,7%.

Углерод, водород и кислород образуют .сложные органические вещества, входящие в состав стенок и полостей клеток. Клеточные стенки древесины состоят в основном из целлюлозы, гемицеллюло­ зы и лигнина; полости клеток содержат ряд веществ, главные из которых — дубильные вещества и смолы.

Целлюлоза, на долю которой в древесине хвойных пород прихо­ дится 48—50%, а лиственных — 46—48% — основное вещество, из которого путем химической обработки получают бумагу, искусст­ венный шелк, кормовой сахар, винный спирт, лаки и др.

Г е м и ц е л л ю л о з а , содержание которой в древесине колеб­ лется в пределах 23—35%, по химическому составу близка к цел­

малыми калориями. При оценке древесины в качестве топлива на­ до знать удельную (объемную) теплотворную способность, которая получается при умножении весовой теплотворной способности дре­ весины на объемный вес. Древесина с большим удельным весом (дуб, береза) дает наибольшую удельную теплотворность, с мень­ шим удельным весом (осина, ель)-—наименьшую. На теплотвор­ ную способность древесины оказывает влияние и ее влажность.

202

Помимо теплотворной способности, для оценки древесины надо знать ее жаропроизводительную способность, т. е. ту наивысшую температуру, которая может быть достигнута при идеальных усло­ виях сгорания. Практически жаропроизводительиая способность древесины в среднем колеблется в пределах 1000—1200° С.

Физические свойства древесины

Под физическими свойствами подразумевают внешний вид дре­ весины, ее запах, вес, отношение к влаге, теплу, звуку, электричест­ ву, проницаемость для лучей и газов, т. е. свойства, не связанные с изменением химического состава и нарушением цельности испы­

туемого образца.

Внешний вид древесины имеет особенное значение при ее ис­ пользовании в мебельном производстве.

Окраска древесины изменяется от белой до черной, что важно для изготовления из нее столярно-мебельных, музыкальных и худо­ жественных изделий.

Блеск древесины обусловлен в основном сердцевинными лучами. При полировке, лакировке и вощении поверхности древесины не­ которых пород (клен, дуб, бук и др.) блеск усиливается.

При изготовлении художественной мебели очень ценится т е к ­ с т у р а древесины. Красивую текстуру имеет древесина клена, ду­ ба, бука, ореха грецкого, карельской березы. Исключительную ценность представляет свилеватое строение волокон наплывов и капов у березы, клена, ореха грецкого и тиса.

Запах древесины имеет значение при использовании ее для изго­ товления тары (бочек и ящиков). Например, для хранения сливоч­ ного масла нельзя использовать бочки, изготовленные из хвойных пород, так как тара из них придает маслу запах скипидара. Поэто­ му предпочитают изготовлять тару из древесных пород, обладаю­ щих слабым запахом (липа — для кадок под мед, ель — для яичных ящиков, липовая стружка— для упаковки фруктов и др.).

Масса — важное физическое свойство древесины. Различают удельный вес древесинного вещества, объемную массу и пористость древесины. Удельный вес древесинного вещества определяется путем погружения очень тонких срезов древесины, предварительно прокипяченных в воде, в растворы азотнокислого кальция различ­ ного удельного веса. Удельная плотность раствора, при которой срез древесины остается во взвешенном состоянии, и будет соответ­

ствовать удельной плотности древесинного вещества. Он обычно равен 1,54.

Объемная масса древесины определяется отношением массы ■образца древесины, выраженного в граммах, к объему образца, вы­ раженного в сантиметрах:

где V0 объемная масса древесины, г/слг3; q — масса образца, г; F — объем образца, саг3.

203

Объемная масса древесины увеличивается при увеличении влаж­ ности. Объемная масса древесины также зависит от ширины годич­ ных слоев, от условии места произрастания и др. По объемной мас­ се судят о технических качествах древесины.

Под пористостью древесины понимают отношение объема пор (полостей клеток, межклеточных пространств) к общему объему абсолютно сухой древесины. Пористость определяется по формуле

П = 100(1 — 651/0),

где Я — пористость; Р0— объемная масса древесины. Чем больше объемная масса, тем меньше пористость.

Влажность древесины — это количество воды, находящееся в древесине. Различают влажность относительную, определяемую по отношению к первоначальному весу древесины, и абсолютную — по отношению к массе абсолютно сухой древесины. В деревообраба­ тывающей промышленности имеет значение абсолютная влажность, определяемая по формуле

ЮО, •

Vi

где W'a — абсолютная влажность, %; q — масса (вес) древесины в первоначальном состоянии с влагой; q\ — масса (вес) древесины в абсолютно сухом состоянии.

По степени влажности различают древесину свежесрубленную, воздушно-сухую, абсолютно сухую, мокрую.

При усушке древесины уменьшаются ее линейные и объемные размеры. Больше всего усыхает древесина в тангеиталыюм направ­ лении и меньше — по длине волокон. Практически это приводит к тому, что доскам при раскрое их из бревен и изделиям, получаемым из сырого материала, приходится придавать припуски на усушку.

Разбухание — процесс, обратный усушке. Сухая древесина при поглощении влаги увеличивается в размерах по диаметру и незна­ чительно по длине.

Разбухание имеет отрицательное значение, так как ведет к из­ менению размеров и нарушению прочности. Свойство древесины разбухать используется при изготовлении бочек, лодок и т. и.

Неравномерное усыхание наружных и внутренних частей древе­ сины приводит к растрескиванию (обычно в радиальном направле­ нии) или короблению с изменением формы сечения материала.

Растрескивание и коробление отрицательно сказываются на ка­ честве материалов и изделий из древесины.

При использовании лесных материалов большое значение имеет звукопроводность и электропроводность древесины.

Звукопроводность древесины-—отрицательное явление, особен­ но в жилищном строительстве.

Разновидность звукопроводности — способность древесины ре­ зонировать, т. е. усиливать звук без искажения тона. Это положи­

204

тельное качество используется при изготовлении из древесины му­ зыкальных инструментов. Особенно высокую резонансовую способ­

ность имеют ель и пихта кавказская.

Незначительная электропроводность древесины позволяет широ­ ко использовать ее для устройства линий связи и электропередач.

§ 55. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

Механические свойства древесины выражаются в способности ее сопротивляться воздействию механических сил. В зависимости от способа приложения к телу внешних сил возникают те или иные деформации, которые принято делить на следующие виды: растя­ жение, сжатие, изгиб, сдвиг, смятие и кручение. Противодействие же, возникающее в древесине при сопротивлении тому или иному виду деформации, принято называть прочностью.

Растяжение вызывает действие двух равных сил, направленных вдоль оси бруса в противоположные стороны. Оно может идти вдоль волокон и перпендикулярно им. Прочность древесины при растяжении вдоль волокон чрезвычайно велика и составляет 1200— 1500 кгс/см2. Прочность же при растяжении поперек волокон нич­ тожна и колеблется в пределах 3—4% от сопротивления растяже­ нию вдоль волокон. Высокая прочность древесины вдоль волокон позволяет использовать ее на оглобли, дышла, в строительных фер­ мах. в сельскохозяйственном машиностроении и др.

Сжатие вызывается действием двух равных сил, направленных в разные стороны по оси бруса внутрь его. Предел прочности дре­ весины при сжатии вдоль волокон довольно высокий и составляет 400—500 кгс/см2. Это свойство древесины позволяет использовать

еедля изготовления свай, колонн, рудничных стоек и др. Сопротивление сжатию поперек волокон составляет примерно

12% от сопротивления сжатию вдоль волокон. На сжатие поперек волокон испытывают шпалы, подкладки под мостовые формы, обо­ дья колес и т. п.

При статическом изгибе действуют силы, направленные перпен­ дикулярно оси бруса. Деформации при изгибе ведут к искривлению оси балки, причем волокна выпуклой стороны бруса растягиваются а вогнутой — сжимаются. Наибольший прогиб, получающийся при искривлении бруса, называется стрелой прогиба. На величину проч­ ности при изгибе влияет форма сечения балки. Балка, у которой высота больше ширины, выдерживает больший груз, чем балка квадратного сечения. Предел прочности при статическом изгибе довольно высокий — 800—1000 кгс/см2. Большая прочность при из­ гибе позволяет использовать древесину в качестве балок, брусьев, половых досок, деталей и мостов и др.

Сдвиг — это смещение одного сечения относительно другого под действием сил. Смещение приводит к раскалыванию древесины вдоль волокон, к перерезыванию волокон поперек и к кручению (при работе мельничных валов). Способность древесины раскалы­ ваться вдоль волокон под воздействием клина, вбиваемого в торец,

205

имеет практическое значение при колке дров, выработке колотых изделии (клепки, спиц, грани и др.).

Твердость играет большую роль при обработке древесины и ис­ пользовании ее на полы, деревянные мосты и др. Твердость древе­ сины снижается при увеличении влажности: уменьшается от комля

Упругость древесины, т. е. способность ее при прекращении дей­ ствия внешних сил возвращаться к начальной форме и размерам, используется при изготовлении ручек ударных инструментов (то­ поров, колунов, молотков), а также ружейных лож, шпал. Наибо­ лее упругими считаются самшит, граб, дуб, береза и др.

Под пластичностью древесины понимается способность прини­ мать под воздействием неразрушающей силы ту или иную форму и удерживать ее при прекращении этого воздействия. Эти древеси­ ны используются при изготовлении гнутой .мебели, ободьев колес, полозьев и др.

§ 56. СТОЙКОСТЬ И ПОРОКИ ДРЕВЕСИНЫ

Стойкость древесины

Под стойкостью древесины понимается способность ее сохранять свои природные физические и механические свойства. При благо­ приятных условиях древесина дуба и лиственницы может сохра­

на нее тепла и холода, сухости и влажности. Отрицательно влияют на древесину кислоты и щелочи, а также некоторые виды грибов.

К мерам по увеличению стойкости древесины относятся окорка, замораживание, сушка, промазка, пропитка антисептиками (фто­ ристый натрий, хлористый цинк, медный купорос, креозотовое мас­ ло, карболениум).

Древесина, обработанная антисептиками, служит значительно дольше. Так, непропитаииые шпалы из лиственницы служат 8— 10 лет, а пропитанные креозотом — 20 лет, сосновые соответствен­ но 6—8 и 20 лет, дубовые— 12—15 и 25 лет, буковые 2—3 и 30 лет. В ряде зарубежных стран и у нас пропитываются почти все лесные материалы; считается, что, например, пропитанный круглый лес служит в 10 раз дольше непропитанного.

206

Пороки древесины

Под пороками древесины понимаются все отклонения от нор­ мального развития дерева и все повреждения, которые снижают

технические свойства древесины.

По существующему ГОСТу пороки древесины делятся на следу­ ющие группы: сучки, ненормальные окраски и гнили, повреждения насекомыми, трещины, пороки формы ствола, пороки строения дре­ весины, раны, ненормальные отложения.

Сучки. Сучки — это заключенные в древесине ствола основания живых или отмерших при жизни дерева ветвей.

Сучки — это основной порок, который учитывается при опреде­ лении сортности, причем он нормируется по размерам, а в некото­ рых сортиментах — и по количествам. Сучки в круглых лесомате­ риалах измеряются по наименьшему диаметру, расположенному перпендикулярно оси сортимента. Присучковый наплыв в размер сучка не включается.

Все сучки, в зависимости от состояния их древесины и степени срастания с древесиной ствола, делятся на сросшиеся твердые, частично сросшиеся твердые и несросшиеся. По форме они могут быть округло-овальные, сшивные и лапчатые.

К с р о с ш и м с я т в е р д ы м с у ч к а м относятся здоровые суч­ ки, у которых нет признаков гнили и окраска не отличается или ма­ ло отличается от окружающей древесины. У таких сучков годичные слои составляют одно целое с окружающей древесиной на всей длине окружности и древесина их твердая, нормальной струк­ туры;

роговые сучки, также со здоровой древесиной, но сильно пропи­ танной смолой, дубильными и другими веществами, вследствие че­ го они темнее окружающей древесины;

окрашенные сучки, которые находятся в начальной стадии за­ гнивания и их окраска отличается от здоровой древесины.

Ч а с т и ч н о с р о с ш и е с я с у ч к и — это сучки, отмершие при жизни дерева и потерявшие связь с частью длины окужности. Если частично сросшиеся сучки не выходят на поверхность круглого сортимента, но заметны по вздутиям коры, их называют заросшими.

Н е с р о с ш и е с я сучки, как говорит само название, не срос­ лись с древесиной и при выпадении из нее образуют отверстие или гнилые участки.

К несросшимся сучкам относятся следующие: выпадающие суч­ ки, не имеющие непосредственной связи с окружающей древесиной, и выпадающие в пиленых и тесаных материалах; рыхлые сучки, находящиеся в стадии гниения, но окруженные здоровой древеси­ ной; табачные сучки, совершенно разложившиеся и превратившие­ ся в гнилостную массу, распадающуюся в порошок.

Ненормальные окраски и гнили. Ненормальные окраски и гнили появляются в основном вследствие деятельности деревообрабаты­ вающих грибов. Бывают случаи, когда цвет древесины изменяется в результате физико-химических воздействий. К порокам древесины.

207

связанным с ненормальной окраской и гнилыо, относятся пятнис­ тость, ложное ядро, внутренняя гниль, химические окраски, синева,

безъядерным лиственным породам и определяется по темной окрас­ ке внутренней части растущего дерева.

Ложное ядро может быть с признаками загнивания и без при­ знаков загнивания. В первом случае технические свойства лесных

ния древесины грибами, вследствие чего качество древесины резко снижается или она приходит в полную негодность. Различают гниль ситовую, трухлявую, белую, напенную, стволовую.

С и н е в а (ненормальная синевато-серая окраска заболопной части древесины) возникает в результате поражения грибами. Си­ нева бывает поверхностной и глубокой, проникающей в древесину более чем на 2 мм. В последнем случае ценностьлесоматериалов снижается.

П л е с е н ь (зеленый, серый, розовый или кирпично-красный па­ лет на поверхности свежесрубленной пли разделанной древесины) возникает в результате поражения древесины некоторыми видами грибов.

К о ф е й н а я т е м н а я — ненормальная кофейно-коричневая окраска заболони, встречающаяся чаще всего на сосне. После вы­ сыхания древесины окраска исчезает.

3 а б о л о н н а я кр а спин а — порок, снижающий механиче­ скую прочность древесины. При неблагоприятных условиях сушки и хранения древесина, пораженная заболопной краспнной, загни­ вает.

Повреждения насекомыми. Повреждение насекомыми — ч е р в о ­ т о ч и н а — бывает поверхностной, неглубокой (углубление до 5 см.) и глубокой (углубленной более чем на 5 см).

Поверхностная червоточина не оказывает существенного влия­ ния на снижение качеств древесины, неглубокая — понижает сорт­ ность лесоматериалов вплоть до перевода их в дрова.

Размер поражений определяют количеством отверстий на 1 м и их глубиной.

Трещины. Трещина — это разрыв древесины вдоль волокон. Различают следующие виды трещин: метик, отлуп, морозобоину

и трещину в сортиментах от усушки.

Ме т и к — это одна или несколько широких внутренних продоль­ ных трещин, проходящих через сердцевину ствола и направленных радиально, но не доходящих до периферии. Различают простой и крестовый метик, причем каждый из них может быть согласным и несогласным. Простой метик — это одна или две трещины, располо­

208

женные на торце; крестовый — две или несколько трещин, располо­ женных под углом друг к другу. В согласном метике трещина идет по стволу в одной вертикальной плоскости, в несогласном — винто­ образно, при этом на верхнем конце сортимента она имеет иное направление по сравнению с нижним.

Простой согласный метпк не понижает сортность древесины, остальные виды метиков понижают. Размер трещин определяется

ность лесоматериалов. Размер отлупа определяется диаметром,

нию к центру. Морозобоина снижает сортность сортимента, особен­ но морозобоина с гребнем или расположенная винтообразно. Изме­ ряется она по длине и глубине залегания.

Т р е щ и н ы от у с у ш к и также снижают сортность древесины. Размер их определяют по длине и глубине проникновения трещины к центру сортимента.

Пороки формы ствола. К порокам формы ствола относятся кри­ визна, ройка, закомелистость, сбежистость.

К р и в и з н а — это искривление сортимента по длине, она опре­ деляется отношением стрелы прогиба в месте наибольшего искрив­ ления к общей длине кривизны. В зависимости от направления из­ гиба различают кривизну одностороннюю, когда искривление сор­ тимента идет в одной плоскости, и разностороннюю, когда искривление идет в одной плоскости, но в различных местах или в различных плоскостях.

Р о й к а — это наружные продольные углубления в корневой

жение диаметра от комля к вершине. Определяют сбежистость пу­ тем деления разности между комлевыми и вершинными диаметра­ ми на длину сортимента и выражают в процентах.

Пороки строения древесины. К основным порокам строения дре­

слой снижает механические свойства древесины, особенно в отно­ шении статического изгиба и прочности на растяжение вдоль воло­ кон. Величина косослоя определяется отклонением волокон на растяжение по длине.

С в и л е в а т о с т ь (волнистая или путаная) снижает сортность сортиментов.

209