Древесина

Древесина — это природный конструкционный и поделочный материал, представляющий собой ксилему (ткань высших растений, выполняющую водопроводящую и опорную функции), освобождённую от коры и других покровных тканей. В промышленности и быту под древесиной понимают внутреннюю часть ствола, ветвей и корней деревьев и кустарников, используемую в качестве сырья для строительства, производства мебели, бумаги, топлива и множества других изделий. Древесина является одним из древнейших материалов, освоенных человеком, и сохраняет ключевое значение в мировой экономике благодаря своей возобновляемости, доступности и уникальному сочетанию прочности, лёгкости и обрабатываемости.

Строение и состав

Макроскопическое строение

На поперечном спиле ствола древесного растения различными глазом выделяются несколько концентрических слоёв:

• Кора — внешний защитный слой, не являющийся древесиной.
• Камбий — тонкий слой образовательной ткани, за счёт деления клеток которого происходит рост ствола в толщину.
• Заболонь — внешняя, более светлая и влажная часть древесины, по которой активно транспортируется вода с растворёнными минеральными веществами от корней к кроне.
• Ядро — центральная, обычно более тёмная часть ствола, состоящая из отмерших клеток, пропитанных смолами, дубильными веществами и другими соединениями, что придаёт ей повышенную прочность и стойкость к гниению. Не все породы деревьев имеют чётко выраженное ядро (например, берёза, осина, липа относятся к заболонным породам).
• Годичные кольца — концентрические слои прироста древесины за один вегетационный период. По их количеству можно определить возраст дерева, а по ширине — судить об условиях его роста.

Микроскопическое строение

Основу древесины составляют клетки с одревесневшими (лигнифицированными) оболочками. Главные типы клеток:

• Сосуды (у лиственных пород) и трахеиды (у хвойных) — проводящие элементы, отвечающие за транспорт воды.
• Волокна либриформа — длинные толстостенные клетки, выполняющие механическую (опорную) функцию.
• Древесная паренхима — живые клетки, запасающие питательные вещества (крахмал, жиры).

Химический состав

В среднем сухая древесина состоит из:

• Целлюлоза (40–50 %) — линейный полисахарид, основной структурный компонент клеточных стенок.
• Лигнин (20–30 %) — ароматический полимер, скрепляющий целлюлозные волокна и придающий жёсткость.
• Гемицеллюлозы (15–35 %) — смесь различных полисахаридов, связанных с целлюлозой.
• Экстрактивные вещества (1–10 %) — смолы, камеди, дубильные вещества, эфирные масла, красители, определяющие цвет, запах и стойкость древесины.
• Минеральные вещества (0,1–1 %) — зола, образующаяся при сгорании.

Физические свойства

Влажность

В свежесрубленном состоянии древесина содержит 50–100 % влаги (от массы сухого вещества). Различают:

• Свободную влагу, заполняющую полости клеток и межклетники.
• Связанную влагу, находящуюся в клеточных стенках.

При высыхании сначала удаляется свободная влага, затем — связанная. Точка насыщения волокон (когда стенки клеток полностью насыщены, а полости пусты) для большинства пород составляет около 30 % влажности.

Усушка и разбухание

При потере связанной влаги древесина уменьшается в размерах (усушка), а при её поглощении — увеличивается (разбухание). Усушка неравномерна по направлениям: наименьшая — вдоль волокон (0,1–0,3 %), наибольшая — в тангенциальном направлении (6–12 %), промежуточная — в радиальном (3–6 %). Эта анизотропия является причиной коробления и растрескивания древесины при высыхании.

Плотность

Плотность древесины сильно варьирует в зависимости от породы, условий роста и влажности. Стандартная плотность при 12 % влажности:

• Малой плотности (до 500 кг/м³): сосна (около 500), ель (450), липа (490), осина (480), кедр (440).
• Средней плотности (500–750 кг/м³): берёза (650), дуб (700), бук (670), лиственница (660).
• Высокой плотности (более 750 кг/м³): граб (800), самшит (1000), акация белая (800), железное дерево (до 1400).

Теплопроводность

Древесина обладает низкой теплопроводностью (0,1–0,4 Вт/(м·К)), что делает её отличным теплоизолятором. Этот показатель зависит от плотности, влажности и направления волокон (вдоль волокон теплопроводность выше, чем поперёк).

Твёрдость

Твёрдость древесины (способность сопротивляться вдавливанию) оценивается по шкале Бринелля или Янка. Мягкие породы (сосна, ель, липа) имеют твёрдость 1,5–2,5 МПа, твёрдые (дуб, бук, ясень) — 3,5–5 МПа, очень твёрдые (самшит, граб, акация) — 7–10 МПа.

Механические свойства

Прочность

Древесина — анизотропный материал, её прочность сильно зависит от направления приложения нагрузки относительно волокон:

• Прочность на сжатие вдоль волокон — наибольшая (для сосны около 40–50 МПа).
• Прочность на растяжение вдоль волокон — ещё выше (до 100–120 МПа для сосны).
• Прочность на скалывание (сдвиг) вдоль волокон — наименьшая (5–10 МПа).

Упругость и пластичность

Древесина обладает упругостью, особенно хвойные породы (например, ель, используемая для музыкальных инструментов). При нагревании и увлажнении древесина становится пластичной, что позволяет гнуть её (технология гнутоклеёных конструкций).

Твёрдость и износостойкость

Твёрдые породы (дуб, бук, клён) применяются для изготовления паркета, лестниц, рукояток инструментов благодаря высокой износостойкости.

Классификация древесных пород

Хвойные породы

• Сосна — самая распространённая в строительстве порода в России. Обладает прямой стволой, смолистостью, умеренной плотностью и прочностью.
• Ель — менее смолистая, чем сосна, с более лёгкой и упругой древесиной. Используется для музыкальных инструментов, бумаги, строительства.
• Лиственница — отличается высокой плотностью, прочностью и стойкостью к гниению, особенно в воде. Применяется для гидротехнических сооружений, мостов, полов.
• Кедр (сосна сибирская) — лёгкая, мягкая, с приятным запахом, устойчивая к гниению. Используется для отделки, изготовления карандашей.
• Пихта — лёгкая, мягкая, белая древесина, применяется в производстве бумаги и тары.

Лиственные породы

• Дуб — твёрдая, прочная, тяжёлая древесина с красивой текстурой, устойчивая к гниению. Классический материал для мебели, паркета, бочек для выдержки вин.
• Берёза — плотная, однородная, легко обрабатывается. Используется для фанеры, шпона, рукояток, игрушек.
• Бук — твёрдая, прочная, но неустойчивая к влаге древесина. Применяется для мебели, паркета, рукояток, гнутых деталей.
• Ясень — очень прочная и упругая древесина, похожая на дуб, но менее стойкая к гниению. Используется для спортивного инвентаря (клюшки, биты), рукояток, мебели.
• Осина — лёгкая, мягкая, белая, устойчивая к влаге. Применяется для кровли (гонт), спичек, тары.
• Липа — очень мягкая, лёгкая, однородная, легко режется. Идеальна для резьбы, игрушек, чертёжных досок.

Применение

Строительство

Древесина является одним из основных материалов в малоэтажном строительстве (брус, бревно, каркасные конструкции), а также для изготовления стропил, балок, оконных рам, дверей, полов, опалубки. Клеёный брус и LVL-брус позволяют создавать большепролётные конструкции.

Производство мебели

Массивная древесина, шпон, ДСП (древесно-стружечные плиты), МДФ (древесноволокнистые плиты средней плотности) и фанера — основа мебельной промышленности.

Целлюлозно-бумажная промышленность

Древесина (прежде всего ель, сосна, берёза) является основным сырьём для производства целлюлозы, из которой изготавливают бумагу, картон, вискозу, целлофан.

Топливо

Дрова, древесный уголь, пеллеты (топливные гранулы) и брикеты используются для отопления.

Прочие применения

• Железнодорожные шпалы (из лиственницы, дуба, сосны, пропитанные антисептиками).
• Судостроение (исторически — дуб, тик; современное — фанера, клеёные конструкции).
• Музыкальные инструменты (ель — для дек, клён — для корпусов скрипок, палисандр — для грифов).
• Спортивный инвентарь (клюшки, биты, лыжи, ракетки).
• Химическая промышленность (получение канифоли, скипидара, уксусной кислоты, древесного угля).

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Возобновляемость — при правильном лесопользовании древесина является возобновляемым ресурсом.
• Экологичность — натуральный материал, не выделяющий вредных веществ (за исключением обработанной химикатами).
• Низкая теплопроводность — хороший теплоизолятор.
• Высокая удельная прочность (отношение прочности к плотности) — сравнима с некоторыми металлами.
• Лёгкость обработки — режется, строгается, сверлится, склеивается, гнётся.
• Эстетичность — разнообразие текстур, цветов, запахов.

Недостатки

• Гигроскопичность — способность впитывать влагу, что приводит к разбуханию, короблению, гниению.
• Горючесть — древесина легко воспламеняется и поддерживает горение. Требует обработки антипиренами.
• Биостойкость — подвержена поражению грибами, насекомыми, бактериями. Требует обработки антисептиками.
• Анизотропия — неодинаковые свойства по разным направлениям.
• Наличие пороков — сучков, трещин, смоляных карманов, гнили, которые снижают качество.
• Ограниченные размеры — длина и диаметр ствола ограничены природой.

Интересные факты

• Самое высокое дерево в мире — секвойя вечнозелёная (Hyperion) высотой 115,6 м. Самое массивное — секвойядендрон гигантский (General Sherman) объёмом ствола 1487 м³.
• Древесина бамбука, хотя и относится к злакам, по свойствам близка к древесине твёрдых пород и широко используется в строительстве и мебели.
• Метод дендрохронологии (датирование по годичным кольцам) позволяет определять возраст археологических находок и изучать климат прошлого.
• В России лесной фонд составляет около 1,18 млрд га (около 20 % мировых запасов древесины), а ежегодный прирост древесины превышает объём рубок.
• Самая твёрдая древесина в мире — у дерева квебрахо (Schinopsis lorentzii) из Южной Америки, её плотность достигает 1400 кг/м³, и она тонет в воде.
• Древесина лиственницы не гниёт в воде и при контакте с почвой, поэтому её использовали для строительства свай в Венеции и Санкт-Петербурге.

Источники

• Уголев Б. Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. — М.: МГУЛ, 2001.
• Перелыгин Л. М. Древесиноведение. — М.: Лесная промышленность, 1969.
• ГОСТ 16483.0-89. Древесина. Общие требования к методам испытаний.
• Лесной кодекс Российской Федерации (статья 1, 16, 29).
• Данные Рослесхоза о лесном фонде РФ (2023).