Макро- и микроструктура древесины

Структуру древесины изучают как на макроскопическом, так и микроскопическом уровне. При изучении макроскопического строения древесины рассматривают части ствола дерева, которые видимы невооруженным глазом. При изучении микроскопического строения древесины рассматриваются анатомические элементы древесины (клетки), видимые только под микроскопом.

Строение ствола дерева изучаются на 3 разрезах: поперечном (секущем дерево поперек ствола), продольно-радиальном (секущем дерево по радиусу или диаметру), продольно-тангенциальном (секущем дерево по хорде) разрезах (см. рис. 3.1).

Рис. 3.1. Основные разрезы ствола дерева:

1- поперечный (торцовый), 2- радиальный, 3- тангенциальный

Рис. 3.2. Строение ствола дерева:

1- сердцевина; 2 - сердцевинные лучи; 3- годичное кольцо; 4 – кора; 5 – пробковая ткань, луб; 6 – заболонь; 7 – камбий; 8 – ядро.

Основные части древесины хорошо различимы на поперечном разрезе. Строение ствола дерева представлено на рисунке 3.2.

Сердцевина состоит из клеток с тонкими стенками, слабо связанных друг с другом. Сердцевина вместе с древесной тканью первого года жизни дерева образует сердцевинную трубку. Эта часть ствола дерева мало прочна и легко загнивает. Доски, брусы и бруски, в которые попадает сердцевинная трубка, нельзя применять для несущих изгибаемых элементов конструкции, так как она выкрашивается и ослабляет сечение.

В древесине всех пород расположены сердцевинные лучи, которые служат для перемещения влаги и питательных веществ в поперечном направлении от луба к сердцевине и создания запаса этих веществ на зимнее время. У хвойных пород они очень узкие и видны только под микроскопом. По ним древесина легко раскалывается и при высыхании растрескивается.

Кора состоит из кожицы (корки, наружная часть) и пробковой ткани и луба (внутренняя часть). Корка и пробковая ткань защищают дерево от механических повреждений и вредного влияния среды.

Луб служит для доставки питательных веществ, нужных для роста дерева. В нем откладываются запасы этих веществ, необходимых дереву ранней весной для развертывания молодых листочков.

Под слоем луба у растущего дерева находится тонкий слой камбия, состоящего из живых клеток. В вегетативный период они размножаются делением: в сторону луба откладываются лубяные клетки, а к центру дерева – клетки древесины (в значительно большем объеме). Деление клеток камбия начинается весной и заканчивается осенью. Поэтому в поперечном разрезе древесина ствола (его часть от луба до сердцевины) состоит из ряда концентрических годичных колец, расположенных вокруг сердцевины. Каждое годичное кольцо состоит из двух слоев. Клетки ранней (весенней) древесины образуются весной или в начале лета. Клетки поздней (летней) древесины образуются к концу лета. Ранняя древесина имеет светлый цвет и состоит из крупных тонкостенных клеток. Поздняя древесина имеет более темный цвет, меньшую пористость и обладает большой прочностью. Она состоит из мелких клеток с толстыми стенками. Прочность древесины тем выше, чем больше процент поздней древесины.

Толстый наружный слой древесины, находящийся за камбием, называется заболонью. Она состоит из живых клеток, обеспечивающих перемещение питательных веществ от корней к кроне. Эта часть древесины имеет большую влажность, малую прочность, обладает большой усушкой и склонностью к короблению, относительно легко загнивает.

Следующий, за заболонью внутренний слой древесины, называется ядром. В процессе роста дерева стенки клеток древесины внутренней части ствола, примыкающей к сердцевине, постепенно изменяют свой состав, структуру и цвет. Ядро состоит из полностью отмерших клеток. Они не участвуют в жизнедеятельности дерева, не проводят по стволу влагу, имеют меньшую влажность, чем у заболони, более прочные, твердые и менее склонны к загниванию.

Породы, у которых ядро отличается от заболони более темной окраской и меньшей влажностью, называют ядровыми (сосна, лиственница, дуб, кедр). Породы, центральная часть которых имеет только меньшую влажность, по сравнению с заболонью – спелодревесными (пихта, ель, липа, бук). Породы, не имеющие значительного различия между центральной и наружной частями стволовой древесины, называют заболонными (осина, ольха, клен, береза).

Изучая строение древесины под микроскопом, можно увидеть, что основную ее массу составляют клетки веретенообразной формы, вытянутые вдоль ствола. Некоторое количество клеток (клетки сердцевинных лучей) располагаются в горизонтальном направлении, поперек основных.

Клетки древесины классифицируют на клетки механической или опорной ткани, проводящие клетки и клетки запасающей ткани.

Главную роль в древесине, как строительном материале, играют клетки механической или опорной ткани. Они вытянуты в длину, имеют толстые стенки и узкие внутренние полости, наиболее прочны и стойки к загниванию. У хвойных пород это трахеиды поздней древесины. Они занимают примерно 90...95% общего объема. Опорная ткань лиственных пород состоит из узких, вытянутых в длину клеток с заостренными концами, называемых «древесными волокнами». Они равномерно распределены по годичному слою. У большинства хвойных пород, преимущественно, в слоях поздней древесины, расположены смоляные ходы – межклеточные пространства, заполненные смолой.

Срубленная древесина состоит из одеревеневших клеточных оболочек. Оболочки клеток сложены из нескольких слоев очень тонких волоконец, называемых микрофибриллами. Они компактно уложены и направлены по спиралям под разными углами к продольной оси клетки (как у каната). Это обеспечивает прочность материала при растяжении.

Микрофибрилла состоит из длинных нитевидных цепных молекул целлюлозы – высокомолекулярного природного полимера (С₆Н₁₀О₅)_n, где n > 2500, со сложным строением макромолекул. Макромолекулы целлюлозы имеют высокую прочность на растяжение, изгиб и вытянутую форму.

Между микрофибриллами содержатся органические вещества – лигнин и гемицеллюлоза. Есть небольшое количество неорганических веществ в виде солей щелочноземельных металлов. Наличие лигнина обеспечивает прочность древесины при сжатии. Толщина стенок клеток определяет плотность древесины. Эта толщина, а также, толщины составляющих слоев могут заметно различаться не только у разных пород деревьев, но и у деревьев одной породы, что вызвано различиями в природных условиях роста.

Сравнение срезов и элементы микроструктуры хвойных и лиственных пород представлены на рисунках 3.3. – 3.4.

Рис.3.3. Микроскопическое строение древесины на примере сосны:

а - поперечный срез; б - радиальный срез; в - тангенциальный срез; 1 - ранние трахеиды; 2 -поздние трахеиды; 3 - сердцевинные лучи; 4 - вертикальный смоляной ход; 5 - годичный слой; 6 - окаймленные поры; 7 - оконцевые поры; 8 -горизонтальный смоляной ход