Изучение анатомии древесины позволяет вскрыть связи между ее строением и физико-механическими свойствами. Отсутствие ясных представлений о характере распределения напряжений в древесине, о процессах, происходящих при тепловой обработке, пропитке, о ее формоизменяемости и т. д., затрудняет прогресс в технологии обработки древесины и, в конечном итоге, сдерживает расширение сферы ее использования. Это относится ко всем древесным породам, но прежде всего касается древесины лиственницы, так как даже отработанные технологические процессы механической, тепловой и других видов обработки для лиственничной древесины имеют свои особенности.
В первую очередь следует остановиться на характеристиках, влияющих на физико-механические свойства древесины: поверхностной пористости; соотношении различных тканей и характере их распределения; размерах анатомических элементов; встречаемости и размерах сердцевинных лучей.
Годичный слой - важнейший элемент строения древесины, видимый невооруженным глазом. Ранняя и поздняя зоны годичного слоя древесины лиственницы значительно отличаются друг от друга по строению, физико-механичским свойствам и химическому составу.
У хвойных пород в поздней древесине содержится больше целлюлозы, чем в ранней, лигнин же в большем количестве содержится в ранней древесине.
Связь между шириной годичного слоя и его поздней части имеет четкую зависимость.
Увеличение ширины слоя ранней древесины связано с увеличением слоя поздней древесины; есть тенденция к некоторому увеличению процента поздней древесины с увеличением ширины годичного слоя.
Микроскопическое исследование трахеид по радиальным рядам годичного слоя от внутренней до внешней его границы на поперечном срезе позволило определить их диаметр, диаметр полости в тангенциальном и радиальном направлениях и толщину клеточных облочек.
Полученные исследователями данные показывают, что трахеиды ранней древесины имеют площадь поперечного сечения почти в 3 раза большую, чем поздней. Площадь поперечного сечения оболочек ранних и поздних трахеид практически оказалась почти одинакова, однако размер пустот в ранней древесине в 3 раза больше, чем в поздней.
Сравнение данных по пористости древесины разных пород показывает, что пористость ранней древесины сосны, ели и лиственницы практически одинакова, в то время как пористость поздней древесины лиственницы значительно меньше, чем поздней древесины сосны и ели. Следовательно, у лиственницы различие в строении между ранней и поздней древесиной гораздо больше, чем у сосны и ели из-за повышенной плотности поздней части слоя.
Эта особенность ее должна быть учтена при рассмотрении причин сравнительно низких показателей по скалыванию и раскалыванию древесины лиственницы, по растрескиванию ее при сушке и случаям появления заколов, защепов при эксплуатации.
Полученные данные позволяют также сделать вывод о том, что площадь полостей трахеид и поверхностная пористость ранней и поздней древесины являются важными показателями, определяющими физико-механические свойства древесины этих зон годичного слоя.
Продольные смоляные ходы у лиственницы расположены в основном в поздней части годичного слоя. На 1 см2 торцовой поверхности насчитывается 60-90 продольных смоляных ходов диаметром 70-90 μ, с общей их площадью 0,421 мм2.
Эта величина сравнительно небольшая, и смоляные ходы не оказывают существенного влияния на прочность древесины.
Размеры трахеид изменяются с возрастом дерева. Диаметр трахеид раннего слоя по радиусу от центра к периферии ствола (от 5-летнего к 100-летнему слою) увеличивается в 3 раза, а у трахеид позднего слоя - в 2 раза. Площадь полости у ранних трахеид возрастает в 3,5 раза, а поздних остается прежней и составляет соответственно 1400-1700 μ2 и 130-160 μ2. Увеличение площади ранних трахеид по диаметру дерева происходит за счет их полости, а в поздних трахеидах в основном за счет толщины клеточных оболочек. Это показывает, что с возрастом дерева возникает более резкая диференциация ранних и поздних трахеид. У ранних увеличивается относительная величина полостей, у поздних происходит увеличение площади клеточных оболочек и, как следствие этого, повышаются их механические свойства.
Полученные данные показывают, что различие в свойствах очень большое. Поздняя древесина более, чем в 2 раза тяжелее ранней, имеет почти вдвое большую усушку и объемную порозность. Прочность поздней древесины по сопротивлению статическому игибу в 4-5 раз выше, чем ранней древесины, а по сопротивлению растяжению выше более чем в 3 раза.
Плотность поздней древесины в абсолютно сухом состоянии значительно больше, чем ранней. Однако при насыщении древесины влагой разница в плотности летней и весенней древесины уменьшается.
Ранняя древесина впитывает воды больше, чем поздняя, за счет этого и происходит нивелировка плотности. В 1 см3 ранней древесины лиственницы при наибольшем насыщении размещается около 0,638, а в поздней - 0,509 г воды. Это связано с отношением толщин оболочек и поверхностной пористости поздних трахеид к ранним.
С увеличением толщины оболочек трахеид как ранней, так и поздней древесины, происходит увеличение плотности древесины. Эта зависимость более четко выражена в поздней древесине. Плотность древесины лиственницы зависит от процента поздней древесины, от ее микроскопического строения (толщины оболочек трахеид, поверхностной пористости), от влажности древесины и от количества ранней и поздней древесины в разных годичных слоях.
Усушка ранней и поздней древесины годичного слоя лиственницы различна. Поздняя древесина усыхает в 1,5 раза больше, чем ранняя. Это объясняется, главным образом, разным количеством древесного вещества в единице объема.
Данные о линейной усушке ранней и поздней древесины в радиальном и тангенциальном направлениях показывают, что поздняя древесина усыхает более равномерно в разных направлениях, чем ранняя.
Различие в усушке ранней и поздней древесины у лиственницы значительно больше, чем у сосны и ели, причем абсолютные значения усушки поздней древесины у лиственницы гораздо большие, чем у сосны и ели. Это в значительной степени объясняет наличие в древесине лиственницы сравнительно больших скалывающих напряжений вдоль годичного слоя при высыхании.
Чтобы объяснить различную усушку древесины поперек волокон в разных направлениях, изучались поперечные срезы поздних трахеид лиственницы в сухом и влажном состоянии при увеличении в 800 раз. Величина разбухания оболочек трахеид в тангенциальном направлении составляет 35,9%, в радиальном - 24,85%. Разбухание в диаметре трахеид составляет соответственно 9,84 и 9,6%. В тангенциальном и радиальном направлениях трахеиды разбухают почти одинаково, а оболочки трахеид в тангенциальном направлении разбухают в большей степени.
Форма трахеид, составляющих раннюю и позднюю древесину, различна. Ранние трахеиды тонкостенны и в поперечном сечении имеют вид прямоугольников, значительно вытянутых в радиальном направлении. Поздние трахеиды округлы и несколько вытянуты в тангенциальном направлении, при этом в тангенциальном направлении диаметр поздних и ранних трахеид одинаков. Проведенные замеры более 900 трахеид показали, что в поздней древесине лиственницы в тангенциальном направлении протяженность оболочек (древесинного вещества) составляет 49,6, а в радиальном направлении 62,3%, в то же время в ранней древесине протяженность оболочек соответственно 20,2 и 13,3%.
Полученные данные показывают, что у поздней древесины как в тангенциальном, так и в радиальном направлениях процент протяженности оболочек трахеид значительно больше, чем у ранней, поэтому поздняя древесина усыхает больше чем ранняя.
Сравнительно большой процент протяженности оболочек в тангенциальном направлении в ранней древесине в сочетании со значительным усыханием сердцевинных лучей по ширине увеличивает тангенциальную усушку ранней древесины. Радиальная же усушка ранней древесины незначительна, поэтому отношение усушки тангенциальной к радиальной для ранней древесины очень велико.
При высыхании между ранней и поздней древесиной в годичном слое возникают напряжения. В поздней древесине - это напряжение растяжения, а в ранней - напряжение сжатия. Кроме того, в пограничной зоне годичного слоя возникают напряжения скалывания, которые могут привести к образованию микротрещин.
Радиальная усушка древесины складывается из суммы усушек ранней и поздней древесины, и поэтому возникновение опасных напряжений от неравномерной усушки мало вероятно.
В результате исследований прочность на растяжение поздней древесины лиственницы в 3,4 раза выше по сравнению с прочностью ранней. Прочность при растяжении поздней древесины ели в 2,7 раза выше прочности ранней древесины. Это свидетельствует о том, что прочность лиственницы по зонам годичного слоя более неравномерна.
Сделав пересчет на прочность с учетом поверхностной пористости, можно лучше представить себе истинную прочность ранней и поздней древесины. Временное сопротивление растяжению вдоль волокон ранней и поздней древесины при их пористости соответственно 66 и 21%, подсчитанное не на площадь сечения образцов, а на площадь сечения только оболочек трахеид, составит 1300 и 1910 кгс/см2. В данном случае различие в прочности между зонами резко уменьшилось и составило меньше 50%. Это различие в прочности В. Е. Вихров объясняет различной длиной трахеид, строением и химическим составом клеточных оболочек.
Большое различие в прочности ранней и поздней древесины наблюдается при испытаниях на статический изгиб тонких пластинок, имеющих разную влажность.
Так, временное сопротивление для поздней древесины при влажности 9-10% составляет 2509 кгс/см2, а при влажности более 30% снижается до 1047 кгс/см2, или на 59%. Для ранней древесины при тех же условиях влажности оно составляет 483 и 258 кгс/см2, т. е. с увеличением влажности прочность снижается на 46,5%. Таким образом, сопротивление статическому изгибу поздней древесины в зависимости от влажности в 4-5 раз больше, чем ранней, и значительно снижается с увеличением влажности.
Значительное снижение прочности древесины наблюдается и при испытаниях на сжатие при разной влажности.
Обращает на себя внимание не факт снижения прочности при увеличении влажности, а то, что при высокой влажности прочность меньше зависит от процента поздней древесины в годичном слое.
Полученные данные позволяют сопоставить снижение прочности при увеличении влажности и степень разбухания у ранней и поздней древесины. Оба явления более резко выражены у поздней древесины.
При насыщении водой в единице объема поздней древесины гигроскопической влаги по объему разместится больше, чем в ранней, а это приведет к большему абсолютному снижению прочности и большему разбуханию поздней древесины.
Таким образом, на материале микроскопического изучения трахеид, толщины их оболочек, поверхностной пористости древесины можно в первом приближении объяснить ряд явлений, связанных с изменением формы и размеров заготовок и деталей из лиственницы.
При прочих равных условиях стабильность деревянных элементов из лиственницы будет более высокая, если детали и изделия изготовлены из пиломатериалов радиальной распиловки. Чем тоньше такие детали, тем стабильность их при переменных влажностных режимах будет выше.
При значительных размерах деревянных элементов из лиственницы радиальной распиловки и при элементах любых размеров.
Необходима разработка методов и средств уменьшения неравномерности усушки в разных направлениях, неравномерности усушки ранней и поздней древесины, уменьшения абсолютных размеров усушки древесины лиственницы. Эти вопросы подробнее рассмотрены ниже.