Предисловие
Древесина представляет собой древнейший строительный и отделочный материал. Из нее можно изготовить и легкую красивую посуду, и построить дом. Это привело к тому, что постепенно сформировались и развились близкие, однако не идентичные ремесла – столярное и плотничное. В обоих случаях дело связано с обработкой древесины. Но если плотник может срубить дом, баню, возвести крышу, настелить пол, выполнить потолок, установить и разобрать строительные леса, сделать опалубку, то работа столяра более тонкая – изготовление мебели, отделка дома, изготовление и монтаж дверных и оконных блоков. Да и инструмент они используют разный. Для плотника это топор, пила, разнообразный электроинструмент, призванный облегчить обработку древесины. Столяр же редко берет в руки большой молоток и гвозди, чаще он манипулирует стамеской, долотом и др.
Отличие столярных работ от плотничных состоит и в более тщательной и тонкой отделке, абсолютной точности соединения деталей и элементов.
В наше время в дело идет не только цельная древесина, находят применение и отходы деревообрабатывающей промышленности, из которых производят ДСВ, ДВП, фанеру и другой необходимый материал. Пиломатериалы идут на изготовление внутренних стен и перегородок, окон и дверей, обрешетки, лестниц и перил. Чтобы ориентироваться в огромном количестве того, что предлагает современный строительный рынок, нужны знания, которыми мы поделимся на страницах этой книги. Разумеется, охватить всю информацию, подробно остановиться на каждом вопросе – это дело не одной книги. Тем не менее мы поможем заложить некую основу, которую каждый, кто заинтересуется плотничным или столярным ремеслом, сможет развивать и совершенствовать в дальнейшем.
Глава 1
Свойства древесины
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДРЕВЕСИНЫ
Древесина как материал для различных конструкций относится к самым распространенным в строительстве, даже несмотря на то, что постоянно создаются, производятся и внедряются новые, более совершенные, часто лишенные ее недостатков материалы. Поскольку древесина имеет растительное происхождение, то им и обусловлены ее химические характеристики. В состав древесины входят органические вещества:
1) углерод – 49,5 %;
2) кислород – 44,2 %;
3) водород – 6,3 %.
Химические элементы, из которых состоит древесина, образуют целлюлозу, гемицеллюлозу, лигнин, эфирные масла, смолы, а также дубильные и красящие вещества.
Древесина обладает рядом как положительных, так и отрицательных качеств, которые представлены в табл.1.
Таблица 1
Достоинства и недостатки древесины как строительного материала
Таблица наглядно показывает, что достоинства древесины явно преобладают над ее недостатками, чем в конечном итоге и объясняется широкое применение данного материала в строительной индустрии. Кроме того, уровень современных технологий таков, что специальная обработка может существенно нивелировать отрицательные качества древесины. В этом не последнюю роль играет подбор пород деревьев, а также возможность производства древесных материалов из щепы и стружки.
Но, прежде чем использовать в строительных целях тот или иной сорт древесины, следует учесть, насколько ее строение и физико-механические свойства соответствуют конкретной области применения.
Древесина имеет достаточно сложное строение и состоит из элементарных клеток, образующих прочное соединение и различающихся размерами и формой.
СТРОЕНИЕ ДЕРЕВА
Основной материал столяра и плотника – древесина, которая, в зависимости от того, от какой породы дерева она была получена, может иметь различные характеристики. Дерево состоит из кроны, ствола (видимые части) и корней (невидимаячасть), за которыми закреплены определенные функции.
Крону образуют ветви и листья (у хвойных – хвоя). В последних из углекислоты, которую они поглощают из воздуха, и поступающей от корней воды формируются органические вещества, обеспечивающие вегетацию этого растения.
Функции ствола состоят в том, что он осуществляет восходящий ток, при котором минеральные вещества, растворенные в воде, поднимаются от корней к кроне, и нисходящий ток, при котором органические вещества от листьев движутся вниз, а также поддерживает крону. Кроме того, он дает 50–90 % древесины, имеющей промышленное значение. При этом у ствола различают вершину (верхнюю часть) и комель (нижнюю часть). В процессе роста и развития на нем нарастают конусообразные слои древесины, причем каждый последующий из них имеет большую высоту и диаметр основания.
Корень – это своеобразное хранилище питательных веществ. Благодаря ему дерево удерживается в вертикальном положении.
В соответствии с тем, как распилен ствол, выделяют следующие плоскости (рис. 1):
1) торцовую (поперечную), при которой разрез перпендикулярен к оси ствола;
2) радиальную, при которой разрез проходит через сердцевину ствола;
3) тангенциальную, при которой разрез не совпадает с сердцевиной и находится на некотором расстоянии от нее.
Свойства и вид древесины зависят от характера выполненного распила.
Торцовый разрез (рис. 2) позволяет различить сердцевину, кору и годичные кольца древесины.
Узкая центральная часть ствола – это сердцевина, представляющая собой рыхлую ткань, которая на поперечном разрезе кажется небольшим (2–5 мм) пятнышком темного цвета, а на радиальном разрезе она выглядит как прямая или извилистая узкая полоска.
Снаружи дерево покрыто корой, которая представлена наружным (пробкой, коркой) и внутренним (лубом) слоями. Благодаря последнему органические вещества перемещаются по стволу от листьев к корню.
Рис. 1. Основные плоскости ствола дерева: 1 – торцовая; 2 – радиальная; 3 – тангенциальная
Рис. 2. Торцовый разрез ствола дерева: 1 – сердцевина; 2 – сердцевинные лучи; 3 – ядро; 4 – пробка; 5 – луб; 6 – заболонь; 7 – камбий; 8 – годичные кольца
Кора защищает дерево от механических повреждений, насекомых, температурных колебаний и вредного воздействия окружающей среды. Различные породы деревьев имеют кору разного вида и цвета. Если у молодых деревьев она гладкая, то со временем на ней образуются трещины. У разных пород деревьев кора может быть чешуйчатой (сосна), волокнистой (можжевельник), бородавчатой (бересклет). Кроме того, она различается по цвету и может быть белой (береза), темно-бурой (ель), темно-серой (дуб) и др.
Между корой и древесиной находится камбий, представляющий собой слой живых клеток, благодаря которым происходит нарастание слоев древесины.
В зависимости от породы древесина может быть полностью окрашена одним цветом, как, например, у березы и ольхи, либо иметь темноокрашенную центральную часть (у лиственницы, дуба и др.). Последняя и называется ядром, а более светлая окружающая древесина – заболонью.
Центральная часть ствола различается и по содержанию влаги. Древесина с меньшей влажностью называется спелой, а сами породы – спелодревесными.
По наличию и отсутствию ядра породы древесины бывают ядровыми и безъядровыми, то есть заболонными (они не различаются ни по цвету, ни по содержанию влаги).
К ядровым относятся некоторые хвойные (сосна, лиственница) и лиственные (тополь, дуб, ясень) породы. Заболонными являются клен, береза, граб и др., спелодревесными – ель, пихта (хвойные), бук, осина (лиственные). Среди безъядровых пород (береза, осина и др.) встречаются такие, у которых явно выделяется более темная центральная часть. В этом случае говорят о ложном ядре.
В состав клеток дерева входят смолы, вода, камедь. Из клеток образованы сосуды, сердцевинные лучи и сама древесная масса.
Ядро возникает вследствие различных причин, в частности в результате отмирания древесины, закупорки водопроводящих путей, отложения смолы, дубильных и красящих веществ и т. д., причем у молодых деревьев (независимо от породы) оно отсутствует. Ядро образуется как на 3-й год, например у тиса или белой акации, так и через 30–35 лет, как у сосны. От этого признака зависит и ширина заболони: у первых она узкая, а у вторых – широкая. Порода дерева определяет и то, каким будет переход от заболони к ядру. Он может быть четким и резким (у лиственницы) или плавным, постепенным (у кедра).
Текстура древесины – это рисунок, в который складываются годичные кольца дерева, расположенные вокруг сердцевины. В зависимости от разреза они имеют разный вид (рис. 3).
На поперечном разрезе они выглядят как концентрические круги, на радиальном – как продольные полосы, а на тангенциальном – как извилистые линии. Годичные кольца нарастают по направлению к периферии, то есть к наружным слоям, поэтому понятно, что самым молодым будет наружный слой. По их количеству можно определить возраст дерева, причем проверять это нужно обязательно на комле, а не на вершине. Ширина годичных колец зависит от ряда причин, в частности от породы дерева, условий местности, где оно произрастает, и положения на стволе. Различаются быстрорастущие породы с широкими годичными кольцами (тополь) и медленнорастущие с узкими годичными кольцами (тис).
Рис. 3. Рисунок годичных колец на разрезах: а – торцовом; б – радиальном; в – тангенциальном
Поскольку ствол по своей форме приближается к цилиндру, у его основания годичные кольца более узкие, а вверху – более широкие, ведь дерево растет как в ширину, так и в высоту. На их ширину даже у одноименных пород влияют условия произрастания. Например, узкие кольца могут свидетельствовать о нехватке питательных веществ, морозных или засушливых годах и пр. Даже степень освещенности имеет значение, поэтому на стороне, которая освещена в большей степени, годичные кольца могут быть более широкими.
Годичные кольца различаются и по форме. У некоторых деревьев (можжевельника, тиса и др.) они могут быть слегка волнистыми, что только усиливает декоративность их текстуры.
И последнее, что касается годичных колец: они состоят из двух частей – ранней (направленной к сердцевине, более светлой и мягкой) и поздней (направленной кнаружи, темной и твердой) древесины. Они различаются и по времени образования. Ранняя древесина закладывается в начале лета (по ней по стволу перемещается вода), а поздняя – ближе к концу этого времени года (от нее зависят плотность и механические качества материала).
У всех без исключения пород деревьев имеются сердцевинные лучи (рис. 4), но не всегда они видны на торцовом разрезе.
Это блестящие, идущие от сердцевины линии, основная функция которых заключается в том, чтобы горизонтально перемещать влагу, воздух и питательные вещества, а также создавать их запасы. Их количество определяется породой дерева, например у лиственных этот показатель в 2–3 раза больше, чем у хвойных.
Рис. 4. Сердцевинные лучи на разрезах: а – торцовом; б – тангенциальном; в – радиальном
Сердцевинные лучи бывают очень узкими, настолько, что они даже не видны невооруженным глазом (у осины, березы, всех хвойных), узкими, различимыми с трудом (у липы, вяза), и широкими, которые невозможно не заметить (у бука). Последние также делятся на настоящие широкие (у дуба) и ложноширокие (у ольхи, орешника), поскольку представляют собой сближенные пучки узких лучей.
На радиальном разрезе сердцевинные лучи напоминают светлые блестящие полоски, идущие поперек волокон. Они заметны еще и благодаря тому, что могут отличаться по цвету от окружающей древесины и быть более светлыми или темными. Сердцевинные лучи на радиальном разрезе складываются в оригинальный узор, на который прежде всего и обращают внимание при выборе материала. На тангенциальном разрезе они выглядят как темные штрихи с острыми кончиками либо как чечевицеобразные полоски, ориентированные вдоль волокон, а их ширина составляет 0,015–0,6 мм.
Иногда на торцовом разрезе у некоторых пород встречаются рассеянные пятнышки бурого или коричневого цвета, сконцентрированные вдоль границы годичных слоев. Они называются сердцевинными повторениями и являются результатом повреждения камбия насекомыми или низкой температурой.
Древесина представляет собой природный полимер из клеток-волокон, для которых характерны трубчатая форма и размещение вдоль ствола.
На торцовом разрезе лиственных пород можно заметить отверстия. Это сечения сосудов разной величины, образующих сеть (их объем может составлять от 7 до 43 %), по которой вода доставляется к определенным участкам древесины. Они бывают крупными и мелкими. Первые хорошо видны, а вторые почти незаметны. Обычно крупные сосуды пронизывают раннюю древесину лиственных пород, а на торцовом разрезе выглядят как сплошное кольцо. В связи с этим такие породы называются кольцесосудистыми (ясень, вяз, каштан и др.). У них в поздней древесине мелкие сосуды скомпонованы в виде групп, хорошо видимых благодаря более светлой окраске. На радиальном разрезе они могут казаться языками пламени (у дуба), а на тангенциальном выглядеть как сплошные или прерывающиеся линии, направленные вдоль годичных слоев (у ильма, карагача), или быть рассеянными в виде светлых точек, черточек (у ясеня).
Сосуды могут быть равномерно разбросанными по ширине годичного слоя. Породы, у которых это наблюдается, называются рассеянно-сосудистыми (ольха, тополь, платан, орех и др.). Подробно это видно на рис. 5.
У хвойных пород, в отличие от лиственных, древесина пронизана смоляными ходами (их объем составляет 0,2–0,7 %). Они бывают горизонтальными (проходящими по сердцевинным лучам) или вертикальными (в виде тонких, узких каналов). На торцовом разрезе вертикальные смоляные ходы похожи на светлые точки в поздней древесине, а на продольных разрезах они выглядят штрихами темного цвета, ориентированными вдоль оси ствола. У различных пород деревьев их количество и размер различны. Например, у сосны они крупные и многочисленные, в отличие от лиственницы, древесина которой имеет мелкие и немногочисленные смоляные ходы.
Рис. 5. Разновидности группирования сосудов: а – у кольцесосудистых пород: 1 – радиальная группировка; 2 – тангенциальная группировка; 3 – рассеянная группировка; б – у рассеянно-сосудистых пород
Показателями макроструктуры являются:
1) ширина годичных колец. Зависит от количества слоев на 1 см отрезка, выделенного на торцовом срезе в радиальном направлении. Этот параметр влияет на качество и свойства древесины. У хвойных пород они значительно улучшаются, если на 1 см приходится не менее 3 и не более 25 слоев. А у лиственных кольцесосудистых пород по мере увеличения ширины годичных колец возрастают плотность, прочность и твердость. Однако у рассеянно-сосудистых пород такая закономерность не прослеживается;
2) содержание поздней древесины. Измеряется в процентах. Чем оно выше, тем плотнее материал, тем лучше его механические характеристики;
3) степень равнослойности. Является важной характеристикой резонансной способности древесины и устанавливается путем сравнения количества годичных колец, имеющихся на двух участках длиной 1 см, расположенных рядом;
4) величина структурных неровностей. Может быть более или менее значительной. Обработка древесины режущими инструментами приводит к появлению на ее поверхности неровностей вследствие перерезания сосудов. У отдельных пород (дуба, ореха, ясеня) это очень заметно. Поскольку такая древесина применяется для отделки, неровности необходимо минимизировать. Для этого можно прибегнуть к порозаполнению с помощью различных составов.
Такова макроструктура древесины.
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ
На микроуровне строение древесины является не менее интересным. Кроме того, оно определяет свойства хвойной и лиственной древесины. Например, у первых волокна прямолинейные (это связано со строением клеточных оболочек), следовательно, показатели прочности у них более высокие, а у последних они слегка извилистые, что обусловливает высокие показатели ударной вязкости, прочность при раскалывании, осуществляемом вдоль волокон, и т. п. Остановимся более подробно на физических свойствах древесины, которые поддаются осмотру, измерению и пр. К ним относятся следующие параметры:
1) внешний вид;
2) запах;
3) влажность;
4) плотность;
5) электро-, звуко– и теплопроводность.
Внешний вид древесины складывается из таких
ее характеристик, как цвет, блеск, текстура и макроструктура (о ней уже говорилось ранее). Определенный цвет древесине придают дубильные и смолистые вещества и пигменты, которыми заполнены клетки. Он колеблется в широких пределах – от белого (у ели, липы) до черного (у черного дерева) со всеми промежуточными оттенками. Деревья, растущие на юге, отличаются более яркой и насыщенной окраской древесины, чем у тех, которые встречаются в северной и умеренной зонах. В границах одного климатического коридора одни и те же древесные породы окрашены одинаково, поэтому о цвете можно говорить как о дополнительном признаке, помогающем их идентифицировать.
В некоторых случаях цвет древесины не является постоянным и может меняться под воздействием света и воздуха. Например, только что срубленная ольха имеет светло-розовый цвет, но вскоре темнеет и становится желтовато-красной, а дуб после продолжительного нахождения в воде меняет цвет на коричневый или даже черный.
Качественные характеристики древесины, которые проявляются при испытаниях, не связанных с изменением химического состава, называются физическими свойствами.
Под влиянием микроорганизмов, например грибов, цвет также может варьироваться. Зависит это и от возраста дерева: у молодых цвет более светлый, чем у старых. Тем не менее ряд пород (каштан, самшит, груша и др.) характеризуется устойчивым цветом.
Данный параметр имеет особое значение, например, при изготовлении мебели, так как предмет, выполненный из древесины с богатой палитрой оттенков, сродни произведению искусства.
Цвет древесины при необходимости можно улучшить, подвергнув ее соответствующей обработке, например протравливанию, пропариванию или окрашиванию.
Помимо цвета, внешний вид изделий из дерева определяет блеск, представляющий собой способность древесины направленно отражать поток света. Он зависит от плотности, количества, размера и расположения сердцевинных лучей. Именно они придают блеск поверхности на радиальном разрезе. По этому признаку древесина далеко не однородна. Необычный блеск свойствен дубу, платану, белой акации, клену, а для липы, осины, тополя и других подобных пород характерна матовость.
Древесина приобретает красивый внешний вид благодаря блеску, который можно интенсифицировать путем полирования, лакирования, вощения или с помощью прозрачной пленки из искусственных смол.
Узор, который возникает на разрезах древесины, называется текстурой. Ее образ уют перерезанные волокна, годичные кольца, сосуды и сердцевинные лучи, поэтому она зависит от ширины годичных колец, наличия мелких или крупных сосудов, узких или широких сердцевинных лучей, а также от контрастности окраски ранней и поздней древесины и направления волокон (запутанного или волнистого). Хвойные породы отличаются необычной текстурой на тангенциальном разрезе благодаря разнице в окраске ранней и поздней древесины. Лиственные породы особенно хороши на радиальном и тангенциальном разрезах, поскольку на них наиболее ярко проявляются годичные кольца и широкие сердцевинные лучи. Наличие неправильно расположенных волокон придает древесине особую красоту.
Текстура хвойных и мягких лиственных пород довольно незатейливая и не слишком разнообразная в отличие от твердых лиственных пород, которые всегда являются не просто интересными по своей текстуре, но и изысканными.
Применение различных прозрачных лаков помогает подчеркнуть текстуру древесины. Ее ценность (а следовательно, и мебели из нее) определяется именно текстурой материала.
Запах – еще одно важное свойство древесины. Он зависит от тех веществ, которые входят в ее состав, в частности от наличия смол, эфирных масел, дубильных веществ и пр. По типичному запаху можно установить некоторые породы. Для хвойных характерен скипидарный запах, а для дуба – дубильных веществ, палисандру свойствен аромат ванили, приятный запах источает и можжевельник. Кроме того, свежая древесина пахнет сильнее, чем высушенная, а ядро ароматнее заболони.
Следующий важный параметр древесины – ее влажность. Под данным термином понимают отношение массы влаги, находящейся в данном объеме древесины, к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах. Для определения влажности древесины разработан ГОСТ 16588-79.
В зависимости от того, пропитывает ли влага клеточные оболочки или заполняет полости клеток и межклеточное пространство, она бывает связанной, или гигроскопической (в первом случае), либо свободной, или капиллярной (во втором случае). При сушке древесины сначала испаряется капиллярная влага, а потом гигроскопическая. Если древесина впитывает влагу из воздуха, то в первую очередь ею насыщаются клеточные оболочки, а клеточные полости и межклеточные пространства могут пропитываться только в случае вымачивания, пропаривания и пр.
Гигроскопическая и капиллярная влага определяют общую влажность древесины. Чем больше в последней пустот, которые могут заполняться водой, тем выше в ней предельное количество гигроскопической влаги.
Состояние древесины, при котором клеточные оболочки содержат максимальное количество связанной влаги, а в полостях клеток находится только воздух, называется пределом гигроскопичности. Соответствующая ему влажность при температуре 20 °C составляет 30 % и никак не определяется породой древесины.
На практике древесина различается степенью влажности и бывает:
1) абсолютно сухой при влажности 0 % (достижимо только в условиях лаборатории при температуре 103 ± 2 °C);
2) комнатно-сухой – 8 – 15 % (при длительной выдержке в отапливаемом помещении);
3) воздушно-сухой – 16–20 % (при выдержке на открытом воздухе);
4) полусухой – 21–23 %;
5) сырой – более 23 %;
6) свежесрубленной – 40–75 % (влажность вегетирующего дерева);
7) мокрой – более 75 % (при выдержке в течение длительного времени в воде).
Для определения физико-механических параметров древесины ее кондиционируют, т. е. доводят до нормализованной влажности – 12 %.
Влажность – физическое качество древесины, которое определяется количеством находящейся в ней влаги. Процентное соотношение массы воды к массе сухой древесины называется относительной влажностью.
Если древесина продолжительное время находится в условиях постоянной относительной влажности, то она приобретает определенную влажность, которая называется равновесной. При изменении условий в ту или иную сторону (при повышении или понижении влажности) наблюдается набухание или усушка древесины. Усушку вызывает удаление из древесины связанной воды, что обусловливает уменьшение ее линейных размеров и объема, в отличие от удаления свободной воды, которое не приводит к усушке. Величина усушки древесины прямо пропорциональна степени уменьшения ее влажности.
Содержание влаги зависит от времени года, части ствола и его радиуса. Например, у заболони растущей сосны этот параметр в 3 раза больше, чем у ядра, чего нельзя сказать о лиственных породах, у которых влага более равномерно распределена по стволу.
По мере высыхания уменьшаются линейные размеры и объем древесины. Этот процесс и называется усушкой. Она начинается тогда, когда гигроскопичная влага полностью испарилась и наступила очередь капиллярной влаги. После удаления последней усушка считается полной. В различных направлениях она происходит неравномерно ив тангенциальном составляет 6 – 10 %, в радиальном – 3–5 %, вдоль волокон – 0,1–0,3 %. Сокращение объема древесины в результате испарения капиллярной влаги называется объемной усушкой.
Полная объемная усушка варьируется в пределах 11–17 %. Усушка, понижающая влажность древесины на 1 %, называется коэффициентом усушки и неодинакова у разных пород древесины. Наиболее высокий коэффициент усушки характерен для дуба, бука, граба, клена и составляет до 11 %. Умеренное усыхание присуще сосне, осине, тополю – до 3–5 %. Менее всего подвержены усыханию ель и лиственница – до 2 %. Величина усушки определяется как породой дерева, так и природно-климатическими условиями, в которых оно растет. Усушка должна учитываться при распиловке бревен, сушке пиломатериалов и т. п.