Макроструктура древесины

Под макроструктурой разумеются такие  особенности строения древесины, которые  можно исследовать простейшими  оптическими средствами или которые  доступны невооруженному глазу. При  оценке макроструктуры определяют ширину годичных слоев и степень равнослойности древесины, содержание поздней древесины  в годичных слоях, равноплотность древесины, а также величину и характер распределения  естественных неровностей, образовавшихся вследствие перерезания анатомических  элементов. Показателем, характеризующим  ширину годичных слоев, служит число  слоев, приходящееся на 1 см отрезка, отмеренного  по радиальному направлению на торцовой поверхности образца. Степень равнослойности обычно оценивают по разнице в  числе годичных слоев на двух таких  соседних отрезках. Содержание поздней  древесины определяется соотношением в процентах между суммарной  шириной зон поздней древесины  и общей протяженностью (в радиальном направлении) участка измерения, включающего  целое число слоев.

Для характеристики древесины иногда достаточно определить следующие показатели макроструктуры.

Ширина  годичных слоев определяется числом слоев, приходящихся на 1 см отрезка, отмеренного  в радиальном направлении на торцовом срезе. Ширина годичных слоев оказывает  влияние на свойства древесины. Для  древесины хвойных пород отмечается улучшение свойств, если в 1 см насчитывается  не менее 3 и не более 25 слоев. У лиственных кольцесосудистых пород (дуб, ясень) увеличение ширины годичных слоев происходит за счет поздней зоны и поэтому увеличиваются  прочность, плотность и твердость. Для древесины лиственных рассеяннососудистых  пород (береза, бук) нет такой четкой зависимости свойств от ширины годичных слоев.

На  образцах из древесины хвойных и  кольцесосудистых лиственных пород  определяют содержание поздней древесины (в %). Чем выше содержание поздней  древесины, тем больше ее плотность, а следовательно, и выше ее механические свойства.

Степень равнослойности определяется разницей в числе годичных слоев на двух соседних участках длиной по 1 см. Этот показатель используется для характеристики резонансной способности древесины  ели и пихты.

При обработке древесины режущими инструментами  происходит перерезание полых анатомических  элементов (сосудов) и на поверхности  древесины образуются неровности. У  таких пород, как дуб, ясень, грецкий  орех, величина структурных неровностей  значительная. Так как древесина  указанных пород используется для  отделки изделий, то перед полированием необходимо уменьшить величину этих неровностей. Для этого производится специальная операция, которая называется порозаполнением.

 

Вполне  очевидно, что определение указанных  показателей может быть успешно  проведено на древесине пород, отличающихся хорошей видимостью годичных слоев  и четкой границей между ранней и  поздней древесиной в пределах каждого  годичного слоя. Поэтому у некоторых  пород можно определить и ширину годичных слоев и процент поздней  древесины (хвойные и кольцесосудистые лиственные), у части рассеяннососудистых  можно установить только ширину слоев, а у остальных пород определить этот показатель трудно. Число годичных слоев в 1 см и процент поздней  древесины определяют следующим  образом. На гладко зачищенном торце  отмечают границы крайних целых  годичных слоев на участке, равном примерно 2 см, и подсчитывают число слоев N. Расстояние l между отметками измеряют с точностью 0,5 мм. Число п годичных слоев в 1 см вычисляется с точностью до половины слоя по формуле:

В каждом годичном слое между отметками  измеряют затем ширину поздней зоны δ измерительной лупой с точностью 0,1 мм, полученные величины складывают и процент т поздней древесины  подсчитывают с точностью до 1 % по формуле:

где ∑δ — общая ширина поздних зон; l — общее протяжение тех годичных слоев, в которых измерялась ширина поздней зоны.

Как указывалось ранее, ширина годичных слоев и процент поздней древесины  у разных пород различны, изменяются по высоте и радиусу ствола, зависят  от условий произрастания. Влияние  этих показателей макроструктуры на свойства древесины будет рассмотрено  далее. Поверхности древесины, как  бы тщательно они не обрабатывались режущими инструментами, всегда будут  иметь те или иные неровности, образованные перерезанием полых анатомических  элементов. Естественно, что наибольшие неровности наблюдаются в древесине  лиственных пород с крупными сосудами (дуба, ясеня и др.). Древесину этих пород часто используют в качестве облицовочного материала. Для соблюдения высокого качества отделки высота неровностей  при создании полированных поверхностей не должна превышать 16 μ. Поскольку  радиус полостей сосудов у большинства  пород, используемых для декоративных целей, значительно больше этой величины при отделке древесины, до нанесения  основного покрытия проводят специальную  операцию — порозаполнение. Для  обоснования такой технологической  операции важно знать величину и  характер распределения неровностей  на продольных разрезах древесины указанных  пород.

При измерении неровностей более 60 μ  следует использовать прибор для  контроля чистоты поверхности древесины  типа ТСП-4. Равноплотность древесины  характеризует равномерность распределения  механических тканей по ширине годичного  слоя. Малой равноплотностью обладают лиственница, сосна, дуб, ясень и  другие породы. Высокой равноплотностью  отличаются самшит, груша, граб, клен, ольха, осина, липа и ряд других пород.

Плотность древесины.  

E-mail

Плотность материала характеризуется  отношением массы тела к объему, поэтому плотность древесины  должна представлять собой именно объемную массу, а не объемный вес (как это  до сих пор встречается в справочной и учебной литературе). Дело в  том, что значение «веса» не может  быть постоянным для разных географических точек Земли (зависит от ускорения  свободного падения). Следовательно, принципиально  неправильно характеризовать свойство древесины переменным показателем.Плотность (раньше применялся термин «удельный  вес») древесинного вещества, которое  образует 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 р_д 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 (микротомных) 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. По данным различных авторов, d находится  в пределах 1,499—1,564 и в среднем  принимается равной 1,54. Плотность  древесины определяется по формуле:

где pw — плотность древесины  при данной влажности W, кг/см³; m_w — масса образца древесины при влажности W, кг; V_w — объем древесины при влажности W, м³.

Для экспериментального определения  плотности древесины используют образцы в виде прямоугольной  призмы основанием 20X20 мм и высотой (вдоль волокон) 30 мм. Массу образца  можно установить единственным методом  — взвешиванием на рычажных весах. Взвешивание проводится на весах  с точностью до 0,001 г. Объем образца  может быть определен двумя способами: по трем линейным измерениям (ширине, толщине  и высоте) и специальным прибором — объемомером. Кроме того, необходимо установить влажность образца в  момент испытаний и иногда коэффициент  объемного разбухания. Для этого  приходится образец доводить в сушильном  шкафу до абсолютно сухого состояния  и измерять его массу (иногда объем).

Для определения объема по первому методу ширину и толщину  образца измеряют посередине высоты, а высоту — между центрами оснований. Измерение проводят каким-либо мерительным  инструментом (микрометром, штангенциркулем, прибором с индикаторами часового типа и т. д.) с точностью до 0,01 мм. Объем  образца равняется произведению полученных трех величин и выражается в долях кубического метра. Вполне очевидно, что точность определения  объема образца по описанному способу  зависит от тщательности изготовления образца и может снижаться, если образец по форме отличается от прямоугольного параллелепипеда. При использовании  объемомера образец может иметь  любую форму, так как прибор основан  на измерении объема несмачивающей  древесины жидкости после погружения в нее образца. Объем образца  вычисляется с точностью 0,01 см³ по формуле:

где п — цена одного деления  круговой шкалы на обойме.

Подставив найденные значения m_w и V_w в формулу, плотность вычисляют с точностью до 1 кг/м³. Плотность существенно зависит от влажности древесины. В справочной литературе обычно приводятся данные о плотности древесины при влажности 15% (p₁₅). Иногда в расчетах участвуют значения плотности древесины в абсолютно сухом состоянии. Часто приходится оперировать данными о плотности и при других значениях влажности. Указанные показатели можно определить непосредственно экспериментальным путем по массе и объему образца, соответствующей заданной влажности.

Однако часто бывает достаточно определить плотность при любой  влажности ниже или выше предела  гигроскопичности, а затем, используя  пересчетные формулы, получить сначала  значение р₁₅, а затем искомую величину плотности при заданной влажности. Если в момент испытаний влажность образца находилась в диапазоне от нуля до предела гигроскопичности (т. е. до 30%) по любому найденному значению плотности можно вычислить плотность при влажности 15% по формуле: 

 

где p₁₅ — плотность древесины при влажности 15%; pw — плотность древесины в момент испытаний; W — влажность образца, изменяющаяся в диапазоне от 0 до 30%; Кр.об — коэффициент объемного разбухания, %. Принимая в среднем для древесины белой акации, березы, бука, граба и лиственницы K_р._0б , равным 0,6, получим из формулы следующее выражение:

Для остальных пород при  Кр.об, равном 0,5, плотность р₁₅ можно вычислить но формуле:

Формулы используются в том  случае, если в процессе испытаний  не определяется точного фактического значения коэффициента разбухания. Если влажность древесины в момент испытаний составляет более 30%, для  пересчета найденной плотности  к p₁₅ используют следующие формулы: для древесины белой акации, березы, бука, граба и лиственницы:

для древесины остальных  пород:

Для многих расчетов очень  удобно иметь характеристику плотности  древесины, не зависящую от ее влажности,—  условную плотность древесины. Условная плотность древесины определяется по формуле:

где m_о — 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 V_max. Затем образцы сушат и устанавливают массу в абсолютно сухом состоянии— m_о. Подставив найденные значения в формулу, вычисляют р_усл 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. Условную плотность древесины белой  акации, березы, бука, граба и лиственницы  можно вычислить также, если известно значение p₁₅ по формуле:

Условную плотность остальных  пород — по формуле:

Величина плотности древесины  различных пород изменяется в  очень широких пределах: среди  наших пород древесину с очень  малой плотностью имеет пихта  сибирская (380), ива белая (420) и др., а наиболее плотную — самшит (970), береза железная (980), саксаул (1050) и ядро фисташки (1110). По плотности древесины  при 15% -ной влажности все наши породы можно разделить на три  группы:

породы малой  плотности (плотность 550 и менее); к этой группе из хвойных пород относятся сосна, ель (все виды), пихта (все виды), кедр (все виды), можжевельник обыкновенный, из лиственных — тополь (все виды), липа (все виды), ива (все виды), осина, ольха черная и белая, каштан посевной, орех белый, серый и маньчжурский, бархат амурский;

породы средней  плотности (плотность 560—750); в эту группу входят из хвойных пород лиственница (все виды) тисс, из лиственных — береза бородавчатая, пушистая, желтая и черная, бук восточный и европейский, вяз, груша, дуб летний, восточный, болотный, монгольский, ильм, карагач, клен (все виды) , лещина, орех грецкий, платан, рябина, хурма, яблоня, ясень обыкновенный и маньчжурский;

породы высокой  плотности (плотность 760 и выше): акация белая и песчаная, береза железная, гледичия каспийская, глоговина, гикори белый, граб, дзельква, дуб каштанолистный и араксинский, железное дерево, земляничное дерево, кизил, маклюра, саксаул белый, самшит, фисташка и хмелеграб.

Среди иноземных пород  есть как с очень малой (например, бальза из тропической зоны Южной  Америки, 100—130), так и с очень  высокой плотностью (например, бакаут с плотностью 1350). Средние значения плотности p₁₅ и р_усл для наиболее распространенных пород приведены в табл. 19.

Таблица 19. Средние  значения плотности р₁₅ и р_усл.

Порода	Плотность p15 кг/м3	Условная плотность Русл кг/м3	Порода	Плотность p15 кг/м3	Условная Русл кг/м3
Лиственница	670	520	Клен	700	550
Сосна обыкновенная	510	400	Ясень обыкновенный	690	550
Ель	450	360	Бук	680	530
Кедр (сосна кедровая)	440	350	Вяз Береза	660 640	520 500
Пихта сибирская	380	300	Орех грецкий	600	470
Граб	810	630	Ольха	530	420
Акация белая	810	630	Осина	500	400
Груша	720	570	Липа	500	400
Дуб	700	550	Тополь	460	360