Качество древесины и лесопродукции

Часть 1. Качество древесины

Древесина - естественный материал, который издревле используется человеком для самых разных нужд. Но до сих пор мы не знаем всех возможностей этого удивительного материала, хотя за последние полтора-два столетия их было открыто немало.

Наука и практика доказали, что древесину можно не только обрабатывать механическими способами (в основном пилением и резанием), но и перерабатывать химико-механическими способами для получения продукции с новыми свойствами (фанеры, древесных плит и пластиков) и получать ранее неизвестные продукты (от спиртов до медпрепаратов). Темпы и масштабы развития химических технологий деревопереработки дают основание многим ученым утверждать, что век древесины не столько в прошлом нашей цивилизации, сколько в ее будущем.

Богатая практика использования древесины в различных областях хозяйственной деятельности людей, включая и военное дело, широкая доступность древесного сырья почти во всех регионах планеты долгое время (вплоть до середины прошлого века) обеспечивали древесине наряду с металлами место в десятке стратегических ресурсов многих стран.

Уникальность свойств древесины делает ее незаменимой или, во всяком случае, труднозаменимой во многих сферах:

• Построенные с использованием древесины жилые здания и помещения в них отличаются наибольшим комфортом, экологией и энергетикой. Объясняется это прежде всего гигроскопичностью древесины, обеспечивающей поглощение избыточной влажности воздуха помещений и выделением древесиной летучих веществ, оказывающих благоприятное воздействие на здоровье человека.
• Древесина - плохой проводник тепла, звука и электричества, что также предопределяет ее востребованность во многих областях, в основном в жилищном строительстве.
• Древесина поглощает ударные нагрузки и вибрации лучше многих других материалов. Именно это свойство используется при устройстве железнодорожных путей, когда применяют только деревянные шпалы. Практика замены деревянных шпал на железобетонные показала, что последние - причина повышенного износа подвижного состава, в основном колесных пар и тележек вагонов.
• Древесина не ржавеет, не подвергается коррозии в морской воде и химически устойчива к большинству холодных разбавленных кислот и щелочей. При длительном нахождении в речной воде древесина отдельных пород (дуба, лиственницы, осины) может даже улучшать свои свойства. Так, сваи из лиственницы служат более 1000 лет, а древесина мореного дуба, пролежав в воде не менее 10 лет, приобретает изумительную текстуру, пользующуюся большим спросом у мебельщиков.
• В отличие от многих металлов, древесина не становится хрупкой при эксплуатации в условиях длительных и повторных знакопеременных нагрузок и напряжений. Длительное время в нашей стране предметом острых дискуссий является огнестойкость древесины в строительных конструкциях и сооружениях. Расчеты и практика строительства в ряде европейских стран подтверждают, что несущие конструкции из деревянных деталей крупного сечения (не менее 100 х 100 мм) могут сохранять надежность почти час, так как скорость распространения огня в таких деталях не превышает 0,7 мм/мин. За этот же отрезок времени стальные и железобетонные конструкции полностью теряют несущую способность.
• Древесина, в отличие от бетона, в течение длительного времени сохраняет сцепляющие способности в условиях воздействия весьма низких температур.
• Пористо-волокнистая структура древесины способствует удержанию лакокрасочных материалов.
• Резонирующие свойства древесины (особенно ели) издавна высоко ценятся изготовителями музыкальных инструментов (скрипок, гитар и др.).

Древесина имеет большое значение как природный ресурс для хозяйственной деятельности людей, а деревья очищают атмосферный воздух и насыщают его кислородом, способствуют влагорегулированию почв, их защите от ветровой эрозии, суховеев.

Совокупность массивов деревьев - леса - образуют лесной фонд нашей страны. С учетом всего комплекса функций леса делятся на несколько групп. К первой группе лесов, занимающей около 17% лесопокрытой территории страны, отнесены леса, выполняющие водоохранные, защитные, оздоровительные функции, и леса, имеющие научное и историческое значение. Вторую группу образуют леса в районах с высокой плотностью населения и строгим режимом лесопользования; эти леса занимают 8% лесопокрытой территории. На долю лесов третьей группы приходится до 75% покрытых лесом площадей, и в этих лесах осуществляются основные объемы лесозаготовок. Леса этой группы расположены в основном на северо-западе европейской части страны, на Урале, в Сибири и на Дальнем Востоке.

Способность лесов к возобновлению - естественному (семенному или вегетативному, порослевому) или искусственному (посев семян, посадка деревьев) определяет их преимущество перед другими видами природных ресурсов (уголь, нефть, руды, газ), но зачастую создает ложное представление об их неисчерпаемых возможностях и дает повод к оправданию нерационального лесопользования.

Каждое дерево состоит из ствола, корневой системы и веток (кроны), общий объем которых образует биомассу дерева. Объем ствола составляет от 55 до 90% биомассы (минимальный объем ствола - у бука, максимальный - у березы и лиственницы), объем корневой системы составляет от 5 до 25% (минимальный - у березы, максимальный - у сосны и ясеня), крона содержит от 5 до 20% биомассы дерева. Объем частей дерева зависит от породы деревьев. Такая же зависимость отмечается и для свойств древесины, которые определяют основное лесопромышленное назначение каждой древесной породы.

Древесные породы

К основным лесообразующим породам, занимающим в России наибольшие площади и имеющим большое лесопромышленное значение, относятся хвойные (лиственница, сосна, ель, пихта, кедр), мягколиственные (береза, осина, ольха, липа, тополь), твердолиственные (дуб, бук, граб, ясень, клен, вяз и др.).

На долю хвойных пород в России к началу XXI века приходилось около 85% лесопокрытых площадей и общих запасов древесины, на долю мягколиственных - до 13% площадей и запасов древесины, на долю твердолиственных пород - всего около 2%.

Таблица 1. Характеристика основных пород древесины

У каждой древесной породы есть свои виды и области преимущественного произрастания (ареалы), каждая порода отличается особенностями строения и свойствами древесины, а также областями применения. Характеристики основных пород древесины приведены в табл. 1.

Преобладающей по запасам древесины является лиственница, а среди мягколиственных пород - береза. Однако лиственница по ряду причин, прежде всего из­-за труднодоступности основных районов произрастания, небольших запасов на 1 га в этих районах и особых режимов обработки древесины, по объемам лесозаготовок и применения в различных областях, в том числе строительстве, уступает другим хвойным породам - ели и сосне. У березы также довольно ограниченное применение по причине особенностей ее свойств и специфики процессов сушки и обработки.

У каждой древесной породы, и даже у каждого ее вида, разные числовые показатели свойств. Все древесные породы характеризуются физико-механическими, технологическими, химическими и другими свойствами, но только определенные свойства имеют значение для использования древесной породы в лесопромышленных производствах, изготовляющих лесопродукцию для тех или иных конечных потребителей. По­-этому знание свойств пород древесины определяет целесообразность их промышленного использования. Совокупность определенных свойств характеризует качество древесины каждой породы, но определяющим, приоритетным, является, как правило, свойство, отвечающее конкретным требованиям к конечному продукту из древесины.

Например, для изготовления строительных деталей и конструкций традиционно используется древесина хвойных пород, для высокохудожественных изделий мебели - карельской березы, гидротехнических сооружений - лиственницы и осины, музыкальных инструментов - еловая.

Свойства древесины

Таблица 2. Основные свойства древесины



Таблица 3. Свойства основных видов древесины

Все древесные породы человек испокон веку оценивал главным образом по критериям практичности. Топорища, ручки молотков и древка знамен делались только из березы из-за упругости ее древесины, полы в домах устраивались из сосновых или лиственничных плах (полубревен), отличающихся прочностью и долговечностью, теми же свойствами объяснялся выбор бревен из этих пород для срубов домов.

Системное изучение свойств древесины началось только в прошлом веке. Научные подходы (классификация свойств, методы и средства их определения и др.) в нашей стране разработали ученые С. И. Ванин, Д. Е. Вихров, Л. М. Перелыгин, Б. Н. Уголев, которые сформировали научную дисциплину древесиноведение. В 70-80-е годы XX века были стандартизованы методы определения большинства свойств древесины, в основном физико-механических и технологических. Разработкой десятков государственных стандартов (ГОСТ) на методы испытаний руководил Б. Н. Уголев.

Определение числовых показателей свойств осуществляют по результатам испытаний образцов древесины небольших размеров - так называемых малых образцов чистой древесины, то есть образцов, у которых однородная структура и отсутствуют пороки.

Основные свойства чистой древесины, характеристики этих свойств (их определения), методы испытаний (оценок, определений) и промышленное значение таких испытаний приведены в табл. 2, а количественные показатели важнейших свойств чистой древесины - в табл. 3.

В реальных условиях применения древесины (прежде всего в различных областях строительства - промышленного, жилищного, транспортного и др.), когда ее приоритетным свойством является прочность, необходимо учитывать и фактор масштаба, то есть различие габаритов малых образцов и фактических размеров строительных конструкций и их деталей. А также неизбежное наличие пороков древесины и неоднородностей строения, характер и длительность действия нагрузок. По­-этому в этих условиях используют не пределы прочности малых образцов, а существенно меньшие расчетные сопротивления.

Например, прочность деталей из древесины сосны под действием постоянной нагрузки в течение нескольких лет составляет всего около 60% предела прочности сосны при кратковременных испытаниях. Для всех видов напряженного состояния расчетное сопротивление принимается не более 0,5 предела прочности при кратковременных статических испытаниях. Более серьезные поправки необходимы при расчете прочности деревянных изделий или деталей при переменных нагрузках, когда наблюдается усталость древесины, характеризующая предел ее выносливости: средняя величина предела выносливости принимается на уровне 20% статического предела прочности.

Проектирование деревянных конструкций по расчетным сопротивлениям неизбежно создает страховой запас прочности, не всегда необходимый и экономически оправданный. Нужны методы системных (лабораторных, стендовых, заводских, натурных) испытаний деревянных конструкций, изделий и деталей. Явный дефицит таких испытаний (см. ЛПИ, № 3, 2014 год) препятствует рациональному и эффективному использованию древесины в различных областях строительства - основной сферы потребления древесины. И не только из­-за не всегда точного определения фактической прочности древесины, но и по причине общих и не всегда обоснованных норм ограничения пороков, присущих древесине.

Пороки древесины

Таблица 4. Общие сведения о пороках древесины





Таблица 5. Характер ограничения пороков древесины в
действующих стандартах

В общепринятом лесотехническом лексиконе пороками древесины называют особенности биологического развития деревьев (сучки, трещины, гнили, кривизну, окраску и т. д.), обусловленные как природой этих многолетних растений, так и внешним воздействием, в частности дереворазрушающих грибов. К порокам принято относить и механические повреждения (сколы, зарубы и т. п.), и дефекты обработки лесопродукции (вырывы, выщербины и т. п.), которые являются следствием воздействия на древесину технических средств при ее обработке. Включение дефектов и механических повреждений в понятие «пороки» объясняется только тем, что на английском языке (в обязательном порядке названия в ГОСТах приводятся на двух языках) оба понятия («пороки» и «дефекты») обозначаются одним и тем же словом: defects. Поэтому представляется возможным заменить ныне принятый в ГОСТ 2140­-81 термин «пороки древесины» более общим «дефекты древесины» с разделением на дефекты природного происхождения (пороки) и дефекты технического происхождения.

Пороки древесины являются нежелательной особенностью древесины, негативно влияющей на ее переработку и применение. Однако следует учитывать, что некоторые пороки могут иметь и положительное влияние на качество древесины и изделий из нее. Например, здоровые сучки улучшают декоративные свойства древесины, что повышает ценность изделий из нее. На одной из европейских выставок­-ярмарок несколько лет назад профилированная обшивка для интерьера жилых помещений продавалась на 20-25% дороже, если на ней были здоровые сросшиеся сучки.

В филенках деревянных дверей зарубежные стандарты также допускают такие сучки, так как они не оказывают существенного влияния на прочность деталей филенки, но способствуют выигрышному внешнему виду. Общеизвестны высокие эстетические свойства изделий из карельской березы, отличающейся своеобразной свилеватостью волокон, и художественные поделки из наростов на стволах некоторых пород.

Общие сведения о пороках - их классификация, определения, способы измерения - регламентированы ГОСТ 2140­-81 и приведены в табл. 4.

Большинство пороков древесины в той или иной степени влияют на качество лесопродукции. Действующие нормативные документы (стандарты и технические условия как приложение к хоздоговорам) подразделяют основные пороки, присущие лесопродукции, на ограничиваемые полностью, то есть недопустимые, ограничиваемые частично, то есть имеющие регламентированные нормы ограничения, и неограничиваемые, то есть неучитываемые. Характеристики этих ограничений по видам лесопродукции представлены в табл. 5.

Нормы ограничения пороков должны учитывать характер и степень влияния нормируемых пороков на качество каждого вида лесопродукции. В общем случае учитываются следующие факторы:

• Основные виды гнилей (ядровая, наружная трухлявая, мягкая заболонная) в наибольшей степени влияют на качество древесины и лесопродукции. Поэтому в бревнах и пиломатериалах они жестко нормируются, а в заготовках и деталях не допускаются.
• Сучки - влияют на прочность древесины, затрудняют ее механическую обработку, нарушают однородность строения и поэтому нормируются во всех видах лесопродукции.
• Трещины - разрушают (особенно сквозные) целостность лесопродукции и снижают прочность древесины. Также нормируются.
• Кривизна - влияет на выход пилопродукции при раскрое бревен и является одной из причин ее покоробленности. (Особенности нормирования кривизны бревен будут рассмотрены в следующей публикации.)
• Прорость, сухобокость, рак - нарушают целостность древесины и вызывают искривление годичных слоев, что влияет на прочностные свойства пилопродукции.
• Червоточина - в зависимости от разновидности, снижает прочность древесины и может сопровождаться гнилью.
• Заболонные грибные окраски и смоляные кармашки - отрицательно влияют на качество лакокрасочных покрытий изделий из древесины.

Другие пороки менее значимы при их нормировании.

Для обеспечения рационального использования первичных видов лесопродукции (то есть хлыстов и бревен) следует учитывать (в том числе и в технологиях их раскроя) характер размещения пороков по поперечному сечению ствола дерева. Среди этих пороков:

• более или менее равномерно распределенные по всему сечению ствола сучки, а также кармашки;
• равномерно увеличивающийся от центра к периферии ствола наклон волокон, сучки в вершинной части хлыста;
• распространенные преимущественно в периферийной зоне ствола заболонная гниль, синева, цветные пятна, червоточина, наклон волокон (частично);
• характерные для центральной зоны ствола сердцевина, ядровая гниль, отлупные и метиковые трещины.

Учитывая большой диапазон изменчивости качества лесопродукции из­-за наличия и размеров пороков, ее подразделяют на несколько групп (сортов) для каждой из которых устанавливают нормы ограничения конкретных пороков. Таков общепринятый принцип нормирования качества лесопродукции, учитывающий влияние пороков на степень использования лесопродукции по назначению и определяющий ценовые параметры каждой группы (сорта) лесопродукции.

Однако в этом принципе не учтены как одновременное наличие нескольких нормируемых пороков у единицы (экземпляра) лесопродукции (то есть их возможная совокупность), так и распределение пороков по длине единицы лесопродукции (бревна, доски, заготовки), то есть насыщенность лесопродукции пороками. Так, нами установлено, что один сортообразующий порок может быть только у 62% лиственничных пиловочных бревен, не менее двух таких пороков почти у 7% бревен, а более чем у 30% этих бревен нет сортообразующих пороков. В других исследованиях автора выявлено, что у сосновых и еловых пиломатериалов на одной доске может быть до шести пороков, в той или иной мере влияющих на дальнейшую сферу использования пиломатериалов. Исследовалось также расположение пороков по длине единицы лесопродукции; полученные результаты имеют значение для рационального использования лесопродукции определенного назначения, и это будет предметом рассмотрения в следующих публикациях.

Виктор КИСЛЫЙ, канд. техн. наук, директор фирмы «МП "ДОМ"»