Строение и свойства древесины (дуба)

Так же, как и усушка, наибольшее разбухание древесины наблюдается в тангенциальном направлении поперек волокон, а наименьшее — вдоль волокон. При закреплении разбухающих деталей из древесины (например, клепки в бочке) будет возникать давление разбухания, которое зависит от породы, части ствола, направления.

Величина давления при набухании дуба.

Давление разбухания для древесины ядра больше, чем для заболони; давление при тангенциальном разбухании для древесины дуба почти в 2 раза больше, чем при радиальном разбухании. Разбухание древесины прямо зависит от диэлектрической постоянной жидкости, поэтому, например, керосин почти совершенно не вызывает разбухания. Разбухание — отрицательное свойство древесины, но в некоторых случаях оно приносит пользу, обеспечивая плотность соединений (в бочках, судах и т.д.).

4.4. Плотность

Плотность материала характеризуется отношением массы тела к объему.

Плотность древесинного вещества, которое образуют оболочки клеток, мало зависит от породы; это объясняется практически одинаковым химическим составом древесины различных пород. Относительная плотность древесинного вещества представляет собой безразмерную величину, равную отношению плотности рд совокупности веществ, слагающих клеточную оболочку, к плотности воды при 3,98° С:

Имеются различные способы определения величины d. Например, этот показатель можно установить путем погружения очень тонких срезов древесины в раствор азотнокислого кальция разной концентрации; плотность раствора, в котором срезы останутся во взвешенном состоянии, будет равна плотности древесинного вещества. В зависимости от способа определения значения d несколько различаются и находится в пределах 1,499—1,564 и в среднем принимается равной 1,54.

Плотность древесины — это отношение массы древесины к ее объему. Выражается плотность в кг/м3.

Плотность древесины меньше плотности древесного вещества, так как она имеет пустоты, заполненные воздухом, т. е. пористость, которая выражается в процентах и характеризует отношение пустот в абсолютно сухой древесине. Чем больше плотность древесины, тем меньше ее пористость.

Плотность древесины определяется по формуле:

где pw — плотность древесины при данной влажности W, кг/см3;

mw — масса образца древесины при влажности W, кг;

Vw — объем древесины при влажности W, м3.

Плотность древесины существенно зависит от влажности. С увеличением влажности плотность древесины возрастает. По плотности все породы делятся на три группы (при влажности древесины 12 %):

1) породы с малой плотностью – 540 кг/м 3 и менее – это ель, сосна, липа и др.;

2) породы средней плотности – от 550 до 740 кг/м 3– это дуб, береза, вяз и др.;

3) породы высокой плотности – 750 кг/м 3 и более – это кизил, граб, фисташка и

              Между прочностью и плотностью существует тесная связь. Более тяжелая древесина, как правило, является более прочной.

Для многих расчетов очень удобно иметь характеристику плотности древесины, не зависящую от ее влажности,— условную плотность древесины.

Условная плотность древесины определяется по формуле:

где mо — масса образца древесины в абсолютно сухом состоянии, кг;

Vmax — объем образца при влажности выше предела гигроскопичности, м3.

Экспериментальным путем условную плотность древесины определяют на образцах (20X20X30 мм), выпиленных из предварительно выдержанных в воде (до приобретения максимального объема) заготовок. Измеряют длину, ширину и толщину каждого образца и на основании этих данных определяют Vmax. Затем образцы сушат и устанавливают массу в абсолютно сухом состоянии— mо. Подставив найденные значения в формулу, вычисляют русл с точностью до 1 кг/м3.

Величина условной плотности очень близка к величине плотности древесины в абсолютно сухом состоянии. Соотношение между этими показателями выражается формулой:

где У — полная усушка.

Иногда необходимо определить пористость древесины, характеризующую объем внутренних пустот (полостей клеток, межклеточных пространств), выраженный в процентах от объема древесины в абсолютно сухом состоянии. Зная относительную плотность древесинного вещества (1,54) и плотность древесины в абсолютно сухом состоянии ро, можно подсчитать величину пористости П по формуле:

Средние значения плотности р15 и русл.

Среднее значение плотности для древесины дуба при стандартной влажности (12%) — 690 кг/м3, для абсолютно сухой — 650 кг/м3.

Эта характеристика для дуба ощутимо зависит от места его произрастания. Наиболее плотной древесиной отличаются материалы, получае­мые на Украине и в Азербайджане

(р12= 723-726 кг/м3), затем следует Белоруссия (р12 = 703-710 кг/м3). Наименьшие показатели характерны  для Краснодарского края,  Прибалти­ки и Грузии (р12 = 604-663 кг/м3).

Плотность и твердость древесины уменьшаются с возрастом дуба. Этот факт учитывают при получении строганного шпона.

Плотность по разным зонам ствола различается у дуба заметнее, чем  у хвойных пород, она нерегулярна -преимущественно полосами и гнез­дами.

5. Пороки древесины (дуба).

Условия, в которых растет и развивается дерево, влияют не только на текстуру его древесины, но и приводят к различным отклонениям от строения и развития ствола. Это, в свою очередь, может вызвать наличие различных пороков, накладывающих ограничения на область применения древесины.
Пороками древесины считают недостатки отдельных участков древесины, снижающие ее качество и ограничивающие возможность ее использования.
Действующий в настоящее время ГОСТ 2140-81 "Пороки древесины" все пороки древесины делит на 9 групп:
1. Сучки.
2. Трещины.
3. Пороки формы ствола.
4. Пороки строения древесины.
5. Химические окраски.
6. Грибные поражения.
7. Биологические повреждения.
8. Инородные включения, механические повреждения и пороки обработки.
9. Покоробленности.

Каждая группа пороков подразделяется на виды и разновидности.
Сучки бывают двух видов - открытый сучок и заросший сучок. Открытый сучок имеет несколько разновидностей - по форме разреза на поверхности сортимента (круглый, овальный, продолговатый); по положению в сортименте (пластовой, кромочный, ребровый, торцовый, сшивной); по взаимному расположению (разбросанные, групповые, разветвленные); по степени срастания (сросшийся, частично сросшийся, несросшийся, выпадающий); по состоянию древесины (здоровый, здоровый светлый, здоровый темный, здоровый с трещинами, загнивший, гнилой, табачный); по выходу на поверхность (односторонний, сквозной). Заросший сучок выявляется только в круглых лесоматериалах и разновидностей не имеет.
Сучки - основной сортообразующий порок, поскольку при использовании древесины они оказывают отрицательное влияние. Они нарушают однородность строения и вызывают искривление волокон и годичных слоев, что снижает механические свойства древесины. Древесина здоровых сучков имеет повышенную твердость по сравнению с твердостью окружающей древесины, поэтому сучки затрудняют обработку ее режущими инструментами. Табачные сучки в круглых сортиментах сопровождаются внутренней гнилью.
Трещины. Делятся на разновидности по типам - метиковая (простая и сложная), отлупная, морозная, трещина усушка; по положению в сортименте - боковая, пластовая, кромочная, торцовая; по глубине - несквозная (неглубокая и глубокая), сквозная; по ширине - сомкнутая, разошедшаяся.
Трещины появляются в древесине по мере ее роста. На их образование влияют природные факторы и внутренние напряжения, возникшие в стволе. Морозные трещины появляются в результате расширения внутренней влаги при сильных морозах. В результате возникают сквозные трещины, направленные радиально.
Внутренние напряжения, возникающие в стволе, приводят к появлению отлупных (отслоение друг от друга годичных слоев) и метиковых (идущих вдоль ствола от комеля к вершине) трещин. Помимо этого при сушке древесины могут появиться трещины, являющиеся результатом усушки.
Пороки формы ствола. Выделяют следующие виды - сбежистость, закомелистость (округлая и ребристая), овальность, нарост и кривизна (простая и сложная).
Кривизна - это искривление продольной оси ствола. Она может быть простой и сложной (ствол имеет несколько изгибов в разном направлении). Кривизна в круглых лесоматериалах затрудняет их использование, увеличивает количество отходов в деревообрабатывающей промышленности.
Закомелистость - это утолщение или увеличение диаметра комля по отношению к стволу дерева. При изготовлении досок из этой части ствола неизбежны большие отходы, полученный материал при распиловке - невысокого качества, так как появляется большое количество перерезанных волокон.
Ройки - продольные углубления в комлевой части ствола. Поперечный распил торца бревна выглядит звездообразным с волнистым расположением годичных колец. При распиле на доски большую часть ствола выбраковывают в отходы, поскольку такие доски сильно коробятся и имеют пониженную прочность.
Наросты - резкое местное утолщение ствола, имеют свилеватую древесину. В большинстве случаев встречаются на лиственных породах: березе, клене, ольхе, дубе и некоторых других, а иногда и на хвойных. Наросты бывают двух видов - наплывы и капы.
Наплывы - внутреннее заболевание дерева, сопровождающееся наростами с гладкой поверхностью, чаще бывают на комлевой части дерева.
Капы - выражены более рельефной поверхностью; при очистке от коры рельеф выглядит в виде капель. Возникают они на месте интенсивно появляющихся на дереве спящих почек.
Пороки строения древесины. Здесь выделяют следующие виды - наклон волокон, крень, тяговая древесина, свилеватость, завиток, глазки, кармашек, сердцевина, двойная сердцевина, смешанная сердцевина, пасынок, сухобокость, прорость, рак, засмолок, ложное ядро, пятнистость, внутренняя заболонь, косослой.
Косослой (наклон волокон) представляет собой различные отклонения направления волокон от продольной оси дерева. Древесина с таким пороком плохо воспринимает поперечную нагрузку. К разновидностям косослоя можно отнести свилеватость (волнистое размещение волокон) и завиток (местное искривление годичных слоев).
Крень - изменение строения древесины хвойных пород в сжатой зоне ствола и ветвей. Наблюдается в виде дугообразных участков. Часто образуется в древесине искривленных и наклонно стоящих стволов. При поперечном разрезе, особенно у хвойных пород, хорошо видно смещение сердцевины в одну сторону. Крень нарушает однородность строения древесины, понижает прочность, способствует сильному продольному короблению досок и брусьев.
Двойная сердцевина. Она ярко выражена при поперечном распиле ствола в месте раздвоения. Торец дерева в этом месте обычно имеет овальную форму. Часто между двумя сердцевинами бывает закрытая прорость (заросшая кора). Затрудняет обработку, увеличивает отходы, способствует растрескиванию.
Внутренняя заболонь - группа годичных колец-слоев, расположенных в ядровой древесине, имеющая окраску, свойства и строение заболони. На торце ствола ярко выражена в виде одного или нескольких колец разной ширины, более светлых, чем ядро древесины. Такой порок наблюдается в стволах лиственных пород, особенно у дуба и ясеня.
Ложное ядро - внутренняя часть ствола с темной окраской различных оттенков. Форма ложного ядра может быть: круглой, эксцентричной, звездчатой, лопастной. От заболони ложное ядро отличается более темной окраской.
Кармашек - полость внутри годичных слоев, заполненная смолой или камедями. Смоляной кармашек портит поверхность изделий, плохо поддается отделке и склеиванию, пачкает инструменты, снижает прочность древесины.
Свилеватость - это волнистое размещение волокон, особенно в прикорневой части дерева. Чаще всего свилеватость наблюдается у клена, дуба, карельской березы, ореха и др. С этим пороком древесина трудно поддается обработке, зато при изготовлении строганого шпона она высоко ценится, особенно у ореха, клена. Характерны в этом отношении и наплывы - наросты на прикорневой части ствола.
Внутренняя заболонь характерна для лиственных пород. Ее участки располагаются в ядровой древесине и имеют цвет заболони. Сплошные или прерывистые кольца двойной заболони состоят из мягкой древесины, что способствует впоследствии растрескиванию пиленого материала. Двойная заболонь встречается у дуба, ясеня и -некоторых других лиственных пород. Для мозаичных работ этот порок очень ценен.
В лиственных и хвойных породах иногда встречаются участки, на которых в естественных условиях древесина приобретает другой цвет. Цветовые тона таких участков бывают темнее и светлее основного тона окраски слоев древесины. В лиственных породах получается коричнево-красная окраска, в хвойных - светло-желтая.
Прорость - дефект на участке дерева, возникший в результате механических повреждений клетчатки. Такой участок древесины портит внешний вид и затрудняет отделку. Часто в этом месте встречаются грибные пятна и засмолки.
Завиток характерен местным искривлением годичных слоев вследствие влияния прорости или сучков ствола. Завитки бывают сквозные и односторонние. Детали, которые должны нести значительную нагрузку, изготовляют из древесины без завитков, снижающих ее прочность. Смоляные кармашки, крень и засмолок характерны для хвойных пород, особенно для ели.
Пятнистость выражается в окраске заболони в виде продолговатых прожилок. По цвету они напоминают ядровую ткань древесины. Этот порок-следствие грибных поражений клетчатки. Располагается он в основном на пограничном слое ядра и заболони.
Засмолок - это участок древесины, обильно пропитанный смолой. Возникает на месте ранения ствола деревьев хвойных пород. Засмоленные участки выделяются более темной окраской. Древесина в месте порока тяжелее основной. Засмолок снижает ударную вязкость, уменьшает водопроницаемость древесины, затрудняет склеивание и отделку.
Рак - это рана на поверхности ствола дерева, возникшая в результате заражения паразитическим грибом и бактериями. На хвойных породах по границам зараженного участка происходит сильное смолотечение. На месте заражения древесина не нарастает, а с противоположной стороны ствола в виду усиленного прироста образуется характерное вздутие (опухоль).
Химические окраски характеризует один вид - "химическая окраска" с разновидностями по типам - "продубина" и "желтизна"; по интенсивности цвета - светлая и темная.
Грибные поражения. Выделяют 6 видов - грибные ядровые пятна (полосы), плесень, заболонные грибные окраски, побурение, гниль, дупло. Заболонные грибные окраски характеризуются разновидностями по цвету (синева, цветные заболонные пятна), по интенсивности цвета (светлые, темные);
по глубине (поверхностные, глубокие, подслойные).
Вид - "гниль" имеет разновидности по цвету и структуре пораженной древесины (пестрая ситовая, бурая трещиноватая, белая волокнистая); по типам - заболонная (твердая и мягкая), ядровая и наружная трухлявая.
Грибным поражениям древесина подвергается в результате воздействия на нее различного рода гнилей. При этом цветовой тон отдельных участков древесины изменяется. Часто грибные болезни поражают древесину на сплавах леса. При определенных условиях (в частности, при температуре внешней среды 15...25 °С и влажности древесины 30...60 %) грибные споры развиваются особенно интенсивно. На первых стадиях своего развития грибные пятна и полосы не снижают качества древесины, а изменяют лишь окраску определенных участков. На породах со светлой древесиной грибные поражения имеют вид продолговатых полос и колец различных оттенков: серого, фиолетового, красно-бурого, красноватого и др. Начинающему столяру необходимо научиться отличать здоровую древесину от древесины, пораженной настолько, что ее механические свойства не позволяют использовать ее для определенных видов работ (под нагрузкой, в агрессивной среде и т. д.). Древесина, пораженная ядровой гнилью, не годится ни для столярных, ни для наборных мозаичных работ, так как она очень мягкая и хрупкая.
Ядровая гниль на первой стадии поражения древесины еще не влияет на ее механические свойства; для мозаистов она известна под названием мраморной гнили лиственных  пород. Заболевшая древесина при этом пронизана белыми и черными линиями с красной окантовкой. Следуя изгибу здоровых волокон, нити мраморной гнили представляют собой красочную картину. Древесина, пораженная мраморной гнилью, всегда будет находкой для мозаиста. Существуют и другие виды ядровой гнили: бурая трещиноватая и пестрая ситовая.
Заболонная окраска развивается в срубленной древесине, не снижая ее твердости. В основном это бывает у хвойных пород. Для сосны характерна синева, которая приобретает то сероватый, то зеленоватый оттенок. Этому пороку сопутствуют цветные заболонные пятна с окраской участков древесины в желтый, розовый, фиолетовый, коричневый и оранжевый тона. По интенсивности цвета они бывают разные; глубина проникновения их ограничивается верхними слоями заболони. Мозаисты с успехом используют заболонную окраску древесины без применения дополнительного воздействия на нее химическими препаратами и красителями, несколько вуалирующими текстуру.
Побурение, которое считается пороком срубленного дерева и распространяется от периферии к центру в виде пятен разной интенсивности, часто встречается у лиственных пород (осины, березы, бука).
Биологические повреждения. Выделяют три вида - червоточина, повреждение древесины паразитными растениями, повреждение птицами.
Повреждение древесины паразитными растениями - это отверстия в древесине, пилопродукции или детали, возникающие в результате жизнедеятельности паразитных растений (омела). Нарушают целостность древесины и снижают ее механические свойства.
Повреждение птицами - полость в круглых лесоматериалах, возникающая в результате жизнедеятельности птиц. Нарушают целостность круглых материалов, может затруднить их использование по назначению. Увеличивает количество отходов при распиловке и лущении.
Червоточина - разрушение древесины личинками и жуками. При очистке древесины от коры хорошо видны следы деятельности насекомых в виде ходов и бороздок различной формы и конфигурации. Червоточина может быть поверхностной, когда жуки проделывают ходы в коре и лубяном слое; глубокой и неглубокой, когда ходы жуков-древесников проникают на несколько сантиметров в глубину или даже пронизывают древесину насквозь.
Инородные включения, механические повреждения ни пороки обработки. В данной группе выделяют 32 вида - инородные включения" обугленность, обдир коры, карра, скос пропила, обзол (тупой и острый), закорина, риски, волнистость, ворсистость, мшистость, бахрома, заруб, запил, отщеп, скол, козырек, заусенец, вырыв, задир, выщербины, вмятина, рваный торец, рябь шпона, накол, царапина, выхват, непрофрезеровка, гребешок, прошлифовка, недошлифовка, ожог.
Виды - риски, волнистость, мшистость, бахрома, вырыв, рваный торец, выщербины, рябь шпона являются показателями качества обработки, определяют шероховатость поверхности, уменьшают физические размеры материалов и затрудняют отделку, склеивание, облицовывание материалов.
Виды - отщеп, скол, задир, выхват, запил, заруб, карра, накол нарушают целостность древесины, ухудшают внешний вид, уменьшают физические размеры материала, при больших размерах снижают механическую прочность материала, затрудняют использование его по назначению.
Козырек, заусенец и гребешок являются показателями качества обработки резанием.
Непрофрезеровка, недошлифовка, прошлифовка - ухудшают внешний вид, нарушают правильность формы сортимента, требуют дополнительной обработки.
Покоробленности. В этой группе выделяют один вид -покоробленности с разновидностями - продольная по пласти (простая и сложная), продольная по кромке, поперечная и крыловатость.
Пороки древесины оказывают различное влияние на технические свойства древесины.
Влияние порока на качество древесины зависит от его вида и разновидности, размера, расположения в сортименте и назначения сортимента. Поэтому один и тот же порок в одних сортиментах не допускается, в других снижает сортность, а в третьих почти или совершенно не имеет значения.

6. Промышленное использование древесины дуба.

На первом месте — столярное производство. Прежде всего, пар­кет, погонажные изделия, лестни­цы, двери и прочие элементы ин­терьера. Решающими факторами в этой сфере служат высокая изно­состойкость, прочность, красивая текстура дубовой древесины. На оконные рамы дуб идет реже. Отме­тим: мелкие профили из него невы­разительны.               Очень популярна дубовая мебель. Красивый и прочный мореный дуб хо­рош для дорогих эксклюзивных гар­нитуров, паркета, музыкальных ин­струментов и художественных изде­лий. Высоко ценится красноватая или розовая древесина североамерикан­ских дубов (кстати, более мягкая, чем у белых).

Дубовый шпон облагоражи­вает менее красивые породы.

Дуб давно освоен корабелами и строителями.  В домостроении его применение ограничивается высо­кой стоимостью пиломатериалов. Нижние венцы или прокладки между стенами и фундаментом дольше все­го стоят, если сделаны из дуба. Из него делают сваи, которые служат десятки, сотни лет.

Дубовая древесина - превосходный строительный и поделочный материал: она идёт на подводные и сухопутные постройки, устройство подводных и основных частей деревянных судов (преимущественно летнего дуба).

А как не вспомнить, что коньяч­ные спирты созревают только в при­сутствии дубовой древесины. Эк­страгирование ароматических ве­ществ, содержащихся в ней, во мно­гом формирует вкусовой букет конь­яка.

Необходимы танины дуба для созревания и старения красных и десертных вин. Вот почему весьма важной областью применения дуба остается производство бочек и дру­гой бондарной посуды.

Кора и древесина (особенно мо­лодых деревьев) используются для получения танинов, применяемых в кожевенном деле и медицине. Пробконосные дубы снабжают нас материалом, позволяющим надеж­но закупоривать самые разные бу­тылки.

В Китае на листьях зубчатого дуба выкармливают шелкопряда.

Опытные хозяйки используют дубо­вые листья для солений.

Некоторые любители русской бани предпочита­ют дубовые веники всем прочим.

Велико природоохранительное значение дубовых насаждений. Они занимают первое место в по­лезащитном лесоразведении. Дуб превосходит многие породы по оздоровительному влиянию на окру­жающую среду, так как интенсивно выделяет кислород. Дубы, особен­но старые, отличаются высокими эстетически ми качествами. За­метьте, с каким особым настроени­ем вступаем мы под сень дубовых аллей.

  Древесина дуба способствует защите человека от негативных влияний, она компенсирует нехватку энергии для человеческого организма. Это дерево очищает биополе, способствует повышению активности, устраняет застойные явления.