5.6.4 Деревянные конструкции

Органическая часть любой древесины содержит примерно постоянное количество углерода (49,5–51 %), водорода (6,1–6,3 %), азота (0,1 %) и кислорода (почти 44 %). Минеральная часть древесины (зола) составляет 0,3–1 % (а иногда и больше) ее массы. В нерастворимой в воде части золы преобладают соединения кальция (углекислый кальций), а в растворимой – соединения калия (углекислый калий, или поташ). Постоянством элементного состава объясняются одинаковая теплотворная способность единицы массы древесины разных пород. В то же время из одних и тех же исходных веществ в растущих деревьях различных пород образуется неодинаковое количество конечных соединений, входящих в состав клеточной стенки древесины. Поэтому химические свойства древесины различных пород неодинаковы.

Основными составными частями древесины любой породы являются целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин.

Целлюлоза – полисахарид регулярного строения, макромолекулы которого состоят из звеньев β-D-глюкопиранозы, соединенных глюкозидными связями.

Гемицеллюлозы – нецеллюлозные полисахариды клеточных стенок, условно подразделяемые на пентозаны и гексозаны. В пентозанах главная цепь макромолекул состоит преимущественно из звеньев пентоз, а в гексозанах – из звеньев гексоз.

Лигнин представляет собой комплекс ароматических нерегулярных полимеров, построенных из фенилпропановых звеньев.

В древесине содержатся также смолы и терпены, жиры, камеди, дубильные, красящие и некоторые другие вещества.

В настоящее время нет еще полной ясности в вопросе о характеристике связей между основными составными частями древесины, и прежде всего целлюлозы и лигнина. Некоторые ученые считают, что лигнин, неравномерно распределенный в клеточной стенке, смешан с целлюлозой чисто механически; в то же время есть данные, показывающие химическую связь между основными составными частями древесины.

В таблице 5.34 приведен средний химический состав (в процентах) древесины различных пород, произрастающих в Беларуси.

Из таблицы видно, что целлюлоза (клетчатка) составляет около половины массы древесины, лигнин – одну пятую (или немного больше) в лиственных породах и около четверти – в хвойных и, наконец, пентозаны – одну десятую – в хвойных и четверть – в лиственных.

Главное отличие лиственных пород от хвойных по составу заключается в нескольких меньшем содержании целлюлозы и лигнина (а также гексозанов) и в значительно большем содержании пентозанов.

Содержание основных составных частей древесины в деревьях одной и той же породы и в различных частях одного и того же дерева изменяются очень незначительно; содержание других составных частей иногда резко колеблется. Так, в древесине лиственницы содержится от 6 до 25 % веществ, растворимых в воде (лиственничная камедь, представляющая собой полисахарид арабогалактан).

Таблица 5.34 – Средний химический состав древесины

В процентах
Порода	Вещества, растворимые в горячей воде	Смолы и жиры	Целлюлоза	Лигнин	Пентозаны
Сосна	4,8	5,4	51,6	25,1	9,7
Ель	3,2	1,9	55,2	27,0	11,2
Пихта	3,0	2,8	50,7	29,3	7,9
Лиственница	12,8	2,4	51,6	24,3	10,3
Береза	2,2	1,2	50,3	19,5	26,4
Осина	3,0	1,5	44,9	22,6	22,7
Бук	1,4	0,9	49,6	21,8	25,6
Клен	1,4	1,6	48,0	93,1	25,0

Обычно содержание камеди тем выше, чем больше возраст дерева: в древостоях до 200-летнего возраста – в среднем 10–12 %, 250–300-летнего возраста – 14 % и более. Содержание смолистых веществ в сосновой древесине изменяются от 2 до 8 %. Сильно колеблется содержание дубильных веществ, или таннидов (являющихся в химическом отношении производными многоатомных фенолов – пирогаллола, пирокатехина и флороглюцина): в древесине дуба – 3–9 %, в коре дуба и ивы – 8–14, ели – 7–12, лиственницы – 8–16 %.

Разрушение деревянных конструкций происходит из-за химической коррозии: разложение – под действием кислот целлюлозы древесины, а под действием щелочей – растворение основного цементирующего вещества древесины – лигнина и частично целлюлозы.

В условиях слабокоррозионных сред древесина устойчива. Деревянные конструкции стойки к действию растворов аммиака, гидроксидов каль-ция, бария и растворов нейтральных солей любой концентрации. Хвойные породы древесины благодаря содержанию смол обладают большей химической стойкостью, чем лиственные породы.

Воздействие на древесину различных факторов внешней среды.

Растворители. Воздействуя на древесину растворителями, из нее извлекают экстрактивные вещества – смолы, камеди, дубильные вещества. При экстракции древесины растворителями строение и состав ее клеточных стенок не претерпевают существенных изменений, поэтому физико-механические свойства остаются практически неизменными. Такую древесину можно использовать для дальнейшей переработки так же, как и натуральную.

Кислоты. Хвойные породы древесины достаточно стойки по отношению к действию разбавленных растворов уксусной, фосфорной, молочной, масляной и плавиковой кислот. Соляная кислота концентрацией до 10 % и серная кислота концентрацией не более 5 % практически не изменяют их структуру и физико-химическое строение. Концентрированные кислоты разрушают деревянные конструкции, особенно интенсивно кислородсодержащие (азотная, серная, хромовая и др.). Интенсивность разрушительного действия увеличивается с повышением температуры кислот.

Кислоты оказывают на полисахариды древесины гидролизующее действие. При гидролизе древесины образуются соответствующие простые сахара – моносахариды (из целлюлозы – глюкоза, из ксилана – ксилоза и т. д.), вследствие чего процесс кислотного гидролиза древесины часто называют осахариванием; лигнин остается при этом в виде нерастворимого остатка. Концентрированные кислоты осахаривают древесину без нагревания; при этом полисахариды набухают и быстро растворяются в кислоте.

Щелочи. Растворы едких щелочей разрушают древесину менее интенсивно, чем кислоты. Слабые растворы щелочей позволяют извлекать из древесины смолистые вещества и могут взаимодействовать с лигнином и гемицеллюлозами. Концентрированные щелочи действуют на древесину значительно сильнее, особенно при длительном нагревании под давлением. В последнем случае древесина практически полностью растворяется в щелочах с образованием органических кислот (уксусной и муравьиной), газов и смолы.

Влага. От влажности древесины зависят ее прочность и долговечность, а также масса изготовленных из нее изделий. Например, 1 м³ свежесрубленной древесины дуба весит 1,04 т, а в воздушно-сухом состоянии – 0,76 т, сосны – соответственно 0,82 и 0,52, ели – 0,8 и 0,47 т. Общая влажность свежесрубленной древесины хвойных пород обычно равна 45–50 % , мягких лиственных – 40–50, твердолиственных – 30–45 %. Древесина хорошо впитывает влагу из воздуха; при этом она разбухает, увеличивается в объеме, имеющиеся в теле древесины небольшие трещины исчезают.

Способность высушенной древесины поглощать водяные пары называется гигроскопичностью. Гигроскопичность древесины различных пород почти одинакова. При относительной влажности воздуха 100 % и температуре 20 С влагоемкость древесины сосны и дуба составляет 29–30 % , при 90 % – 21–22 %, при 50 % – 9–10 %. Абсолютно сухая древесина увеличивается в объеме при увлажнении до достижения так называемой точки насыщения волокон (при 25–30%-й влажности древесины).

При высыхании, как и при набухании, древесина коробится и часто растрескивается. Такая древесина обладает пониженной механической прочностью и непригодна для использования в качестве конструкционного материала.

Воздействие на древесину дереворазрушающих грибов и насекомых рассмотрено в п.7.7.1 и 7.7.2.