Drzewo skãada sič z korony (konary i gaãčzie z aparatem asymilacyj-nym), pnia (pomičdzy szyjĈ korzeniowĈ a wierzchoãkiem) oraz korzeni.
ĭródãem drewna jest jego pieę oraz konary (rzadziej korzenie). Drewno jest tkankĈ zãoİonĈ, zbudowanĈ z komórek martwych i İywych: przewo-dzĈcych wodč i sole mineralne (naczynia i nieliczne cewki u liĤciastych oraz cewki u iglastych), przenoszĈcych obciĈİenia (wãókna drzewne u li-Ĥciastych, cewki wãókniste u iglastych) i magazynujĈcych skãadniki po-karmowe (tkanki mičkiszowe). Tkanki drzewne drzew iglastych sĈ mniej
18 Pewne gatunki drzew sĈ Įródãem nieobojčtnych dla zdrowia substancji, np. pyã drewna cedrów (Cedrus spp.) zawiera kwas plikatynowy, który dziaãa szkodliwie na ukãad oddechowy (COCKCROFT i IN. 1979); pyã drewna dčbu , jesionu i buku moİe byþ przyczynĈ astmy; drewno olszy , jesionu , buku, brzozy , topoli , jodãy , cisu, kasztana moİe byþ przyczynĈ chorób skóry (ģPIEWAK 1998). Lista 45 toksycznych gatunków znajduje sič na stronie http://home.earthlink.net/~wooddude78/Woodlib2_3.html;
sĈ na niej m.in. takie popularne rodzaje i gatunki, jak: buki , brzozy , dĈb czerwony, mahonie, teki.
wyspecjalizowane niİ tkanki drzew liĤciastych i mogĈ peãniþ kilka funkcji jednoczeĤnie, np. cewki speãniajĈ funkcje przewodzenia wody oraz funk-cje mechaniczne. Budowč pnia przedstawia rysunek 2-2.
Pieę skãada sič z: korowiny , ãyka (ß oem), miazgi (kambium) i drewna (ksylem). Korowina jest martwĈ tkankĈ ochronnĈ zabezpieczajĈcĈ przed utratĈ wody, szkodnikami, grzybami itp. Pod niĈ znajduje sič tkanka przewodzĈca asymilaty – ãyko pokrywajĈce miazgč, dzički której pieę drzewa przyrasta na gruboĤþ (WILLIAMS i LEÓN 2001).
CharakterystycznĈ cechĈ drzew rosnĈcych w klimacie z zaznaczonĈ sezonowoĤciĈ jest koncentryczny przyrost masy drzewnej w cyklach rocznych19. Przyrost w naszej streÞ e klimatycznej nastčpuje od wczesnej wiosny do póĮnej jesieni. Przyrosty roczne uwidaczniajĈ sič na przekroju poprzecznym pnia w formie par wspóãĤrodkowych pierĤcieni – sãoi rocz-nych (rys. 2-3 i 2-4 na s. 25-26). Wytwarzane wiosnĈ drewno to tzw. drew-no wczesne 20 (jaĤniejszy pierĤcieę), natomiast wytwarzane póĮnym latem – to tzw. drewno póĮne (ciemniejszy pierĤcieę). Drewno wczesne (przyrost wiosenno-letni) jest zbudowane z komórek o stosunkowo duİych Ĥred-nicach i o cienkich Ĥcianach. Drewno póĮne (przyrost letnio-jesienny) jest zbudowane z komórek o znacznie mniejszej Ĥrednicy i o grubszych Ĥcianach. W pniu drzewa kaİdy kolejny przyrost roczny pnia lub gaãčzi
19 IstniejĈ nieliczne wyjĈtki, np. jemioãa pospolita (Viscum album L.) w Europie ģrodkowej nie tworzy pierĤcieni w drewnie (ZIELSKI i KRćPIEC 2004).
20 Wystčpuje pewna zmiennoĤþ okresów, w których przyrasta drewno wczesne i drewno póĮne (KRZYSIK 1975).
Rys. 2-2. Budowa pnia drzewa (na podstawie WILLIAMSA i LEÓNA 2001)
drzewa pokrywa poprzedni, przyjmujĈc formč geometrycznĈ zbliİonĈ do wydrĈİonego stoİka pozbawionego podstawy.
WielkoĤþ przyrostu rocznego wpãywa m.in. na wãaĤciwoĤci wytrzy-maãoĤciowe i trwaãoĤþ drewna. Drewno wĈskosãoiste , czyli o szeroko-Ĥci sãoju mniejszej niİ 2,5 mm, moİe mieþ nieco wičkszĈ wytrzymaãoĤþ mechanicznĈ niİ drewno szerokosãoiste (choþ nie zawsze jest to reguãĈ).
Rys. 2-3. Sãoje przyrostu rocznego sosny pinii (Pinus pinea L.) Ĥcičtej w 2007 roku
Uwaİa sič, İe drewno o szerokoĤci sãoju 2-3 mm ma najlepsze wãaĤciwo-Ĥci wytrzymaãowãaĤciwo-Ĥciowe (KRZYSIK 1975). SzerokoĤþ sãoi wpãywa równieİ na gčstoĤþ drewna, która (na ogóã) zmienia sič wzdãuİ promienia drzewa w kierunku od rdzenia ku obwodowi (na obwodzie sĈ rozmieszczone são-je o najmniejszej szerokoĤci). W praktyce istniesão-je przekonanie, İe sãoistoĤþ jest wskaĮnikiem gčstoĤci. W przypadku drzew iglastych wičkszĈ gčstoĤþ ma drewno wĈskosãoiste , natomiast liĤciastych pierĤcieniowonaczynio-wych – drewno szerokosãoiste .
Drewno drzew iglastych ma sãoje lepiej widoczne niİ drewno drzew liĤciastych. WĤród gatunków liĤciastych pierĤcieniowonaczyniowe (np. dĈb , jesion , wiĈz , grochodrzew ) majĈ sãoje bardziej wyraziste od
Rys. 2-4. Biel i twardziel na przekroju poprzecznym dčbu czerwonego (Quercus rubra L.); widoczna znaczna mimoĤrodowoĤþ rdzenia
rozpierzchãonaczyniowych (np. brzoza , olsza , buk , lipa , klon , grab , topo-la , wierzba , jabãoę , wiĤnia , czereĤnia , Ĥliwa , grusza ). U tych ostatnich na-czynia, widoczne dopiero pod lupĈ, sĈ stosunkowo niewielkie i rozsiane równomiernie w caãej objčtoĤci przyrostu rocznego, a drewno wczesne jest trudne do odróİnienia od drewna póĮnego .
Przekroje poprzeczne pni wielu gatunków drzew majĈ dwie strefy:
wewnčtrznĈ, ciemniej zabarwionĈ i starszĈ (twardziel), oraz otaczajĈcĈ jĈ jaĤniejszym pierĤcieniem strefč mãodszĈ (biel ) (rys. 2-2 i 2-4). Twardziel jest wyãĈczona z peãnienia funkcji Þ zjologicznych i jej rolĈ jest tylko prze-noszenie obciĈİenia, biel – zewnčtrzne partie drewna zbudowane ze sãoi wytworzonych w ostatnich okresach wegetacyjnych – peãni te funkcje, przewodzĈc wodč i rozpuszczone w niej skãadniki od korzeni do korony.
Ciemniejsza barwa twardzieli jest spowodowana odkãadaniem sič w niej substancji konserwujĈcych (İywic, gum i garbników), dzički którym ta czčĤþ drewna jest bardziej odporna na biokorozjč. Twardziel róİni sič od bielu nie tylko ciemniejszym zabarwieniem, lecz takİe (na ogóã) mniej-szĈ zawartoĤciĈ wody, wičkmniej-szĈ gčstoĤciĈ i wičkmniej-szĈ twardoĤciĈ. Drewno twardzieli trudniej nasyca sič impregnatami niİ drewno bielu . Czasem twardziel nie róİni sič w sposób istotny barwĈ od bielu, a jej zabarwienie nastčpuje dopiero po Ĥcičciu drzewa i wystawieniu drewna na bezpo-Ĥrednie dziaãanie powietrza i Ĥwiatãa (utlenianie garbników21) .
Z punktu widzenia wzajemnych ukãadów mičdzy strefami bielu i twardzieli moİna wyróİniþ cztery grupy drzew, w których drewnie wyróİnia sič: (1) biel, strefč twardzieli niezabarwionej i strefč twardzieli zabarwionej (np. wiĈzy, jesiony ), (2) biel i niezabarwionĈ twardziel (np.
Ĥwierki , jodãy ), (3) biel i ciemno zabarwionĈ twardziel – sĈ to tzw. gatunki twardzielowe (np. dčby , orzech wãoski, kasztan jadalny, robinia, klon ta-tarski , klon srebrzysty , sosna , modrzew , cis , jaãowiec ), (4) gatunki, w któ-rych nie zachodzi zróİnicowanie na biel i twardziel – sĈ to tzw. gatunki bielaste (np. buki , klon zwyczajny , klon jawor , grab zwyczajny, brzozy , olsze , kasztanowiec zwyczajny 22, leszczyna ).
W centrum pnia znajduje sič rdzeę , o zabarwieniu brunatnym lub ja-snobrunatnym, na przekroju poprzecznym widoczny jako strefa skãada-jĈca sič z kilku sãoi drewna o luĮnej, gĈbczastej budowie. Rdzeę bardzo
21 Garbniki – substancje reagujĈce z kolagenem – biaãkiem skóry; majĈ cierpki smak, rozpuszczajĈ sič w wodzie i alkoholu, tworzĈ osady z biaãkiem.
22 Kasztanowiec naleİy do rodziny kasztanowcowatych (Hippocastanaceae), nato-miast kasztan – do rodziny bukowatych (Fagaceae).
Rys. 2-5. Mikrostruktura drewna dčbu (na górze, powičkszenie 50 ×) oraz sosny (na dole, powičkszenie 80 ×)
czčsto jest przesuničty wzglčdem geometrycznego Ĥrodka przekroju (co wiĈİe sič z nierównomiernĈ sãoistoĤciĈ drewna wynikajĈcĈ z nie-symetrycznej korony, rys. 2-4). Jego Ĥrednica wynosi zazwyczaj okoão 1-5 mm. Przekroje rdzeni wičkszoĤci drzew sĈ okrĈgãe, niektóre jednak majĈ unikalne ksztaãty: rdzeę olszy jest trójkĈtny, jesionu – czworokĈtny, topoli – pičciokĈtny, dčbu zaĤ – gwiaĮdzisty (KRZYSIK 1975). Rdzeę wraz z niewielkĈ warstwĈ drewna uformowanĈ w pierwszych latach wzrostu drzewa nosi nazwč rury rdzeniowej, która jest maão zroĤničta z innymi warstwami i ma niewielkĈ wytrzymaãoĤþ mechanicznĈ oraz trwaãoĤþ.
Porównanie mikrostruktur drewna gatunków liĤciastych oraz igla-stych przedstawia rysunek 2-5. W drewnie dčbu (Quercus robur L.) sĈ widoczne specyÞ czne dla gatunków liĤciastych naczynia (tracheje).
W drewnie sosny (Pinus sylvestris L.) wyraĮnie widaþ warstwč drewna póĮnego pomičdzy dwiema warstwami drewna wczesnego .
Na rysunku 2-6 przedstawiono w sposób poglĈdowy funkcje poszcze-gólnych skãadników struktury drewna.
ģciany komórek cewek majĈ strukturč przypominajĈcĈ nieco struk-turč sztucznie otrzymywanych kompozytów tworzyw sztucznych, np.
polimeru epoksydowego zbrojonego wãóknami (np. aramidowym – AFRP, wčglowym – CFRP lub szklanym – GFRP ). Rolč zbrojenia peãniĈ w drewnie wãókna celulozy , biopolimeru wielkoczĈsteczkowego o wzo-rze (C6H10O5)n wytworzonego przez drzewo w reakcji polikondensacji
Rys. 2-6. Funkcjonalny ukãad celulozy , ligniny i hemiceluloz w drewnie
z glukozy C6H12O2 (Ĥredni wagowy stopieę polimeryzacji DPw23 wynosi od 200 do 10 000). Celuloza jest polimerem, który moİe ãatwo krystalizo-waþ, przyjmujĈc postaþ regularnych zespoãów ãaęcuchów celulozowych (tzw. mikroÞ bryli, przedstawionych na rysunku 2-7) na zewnčtrznej po-wierzchni bãony komórkowej, peãniĈc tym samym rolč szkieletowego skãadnika Ĥciany komórkowej o duİej wytrzymaãoĤci. Zbliİone do sie-bie ãaęcuchy celulozowe sĈ powiĈzane siãami mičdzyczĈsteczkowymi Van der Waalsa i tworzĈ obszary krystaliczne – krystality oraz obszary amorÞ czne.
MikroÞ bryle , w liczbie okoão 400, ãĈczĈ sič w wiĈzki i tworzĈ makroÞ -bryle . Szacuje sič, İe mikroÞ -bryle celulozy stanowiĈ okoão 40-60% masy drewna. Rolč osnowy w drewnie peãniĈ: lignina (polimer amorÞ czny, 26-30% masy drewna) i hemicelulozy (polimery czčĤciowo krystaliczne o mniejszym DPw od celulozy , 18-35% masy drewna). Pozostaãe 10-15%
to woda i substancje, które nadajĈ drewnu zapach oraz decydujĈ o jego
23 DPw – estymator (liczba statystyczna) okreĤlajĈcy stopieę polimeryzacji, tzn.
liczbč merów, z których zbudowany jest ãaęcuch polimeru. Estymator ten wyzna-cza sič, dzielĈc ĤredniĈ masč czĈsteczkowĈ polimeru (tzw. makroczĈstki) przez masč czĈsteczkowĈ jednego meru (w przypadku celulozy masč grup koęcowych pomija sič, gdyİ ma znikomy wpãyw na wynik). JeĤli za podstawč tych obliczeę przyjmie sič ĤredniĈ masč czĈsteczkowĈ merów, to otrzymuje sič Ĥredni stopieę polimeryzacji.
Rys. 2-7. MikroÞ bryle celulozy w drewnie (WEIGEL 2005)
trwaãoĤci (İywice, tãuszcze, garbniki i zwiĈzki mineralne) (udziaãy wago-we podano za KRZYSIKIEM 1975).
Woda w drewnie moİe wystčpowaþ w trzech postaciach: (w1) wody wolnej (wypeãniajĈcej mikroskopowe pory), (w2) wody zwiĈzanej (na-sycajĈcej bãonč komórkowĈ i przestrzenie miedzyÞ brylowe), (w3) wody konstytucyjnej – wchodzĈcej w skãad zwiĈzków chemicznych (niemoİli-wej do usuničcia przez suszenie drewna). WilgotnoĤþ drewna w istotny sposób wpãywa na jego wãaĤciwoĤci wytrzymaãoĤciowe . Powszechnie stosowanym parametrem charakteryzujĈcym wilgotnoĤþ drewna jest wilgotnoĤþ bezwzglčdna (wyznaczana jako stosunek masy wody zawartej w próbce do masy próbki w stanie absolutnie suchym). Drewno na pniu ma wilgotnoĤþ bezwzglčdnĈ do 50-150(200)%. Po Ĥcičciu zmniejsza sič ona samorzutnie do wilgotnoĤci równowaİnej (stanu powietrzno-suche-go) kosztem wody wolnej (w1), wypeãniajĈcej kapilary drewna. Spadek wilgotnoĤci drewna poniİej wilgotnoĤci równowaİnej wiĈİe sič z usunič-ciem wody zwiĈzanej (w2), wypeãniajĈcej Ĥciany komórkowe, i wymaga dostarczenia dodatkowej energii (jest moİliwy tylko w warunkach labo-ratoryjnych). Powtórnie chãonĈc wodč z powietrza, wãókna drewna dĈİĈ do osiĈgničcia wilgotnoĤci PNW 24; dalszy wzrost wilgotnoĤci jest moİli-wy dopiero po zanurzeniu drewna w wodzie. RocznĈ zmiennoĤþ wilgot-noĤci równowaİnej w wybranych lokalizacjach na Ĥwiecie zamieszczono w tabeli 10.
WilgotnoĤþ bezwzglčdna drewna w stanie powietrzno-suchym w umiarkowanej streÞ e klimatycznej wynosi, w zaleİnoĤci od pory roku, od okoão 12 do 20%. Najmniejsza wilgotnoĤþ bezwzglčdna w pomiesz-czeniach suchych, ogrzewanych za pomocĈ centralnego ogrzewania, mieĤci sič wedãug KRZYSIKA (1975) w granicach od 4% (wiosna) do 13%
(jesieę). Ze zmianĈ wilgotnoĤci sĈ bezpoĤrednio zwiĈzane pčcznienie
24 PNW (ang. FSP) – punkt nasycenia wãókien – stan równowagi higroskopijnej, której wartoĤþ zaleİy od temperatury i wilgotnoĤci otoczenia: im niİsza temperatura i wičksza wilgotnoĤþ, tym wičksza wartoĤþ PNW (maksymalna w temperaturze 0°C i przy wilgotnoĤci > 99%). Jeİeli wilgotnoĤþ nasycenia wãókien drewna lub papieru zostanie zdeÞ niowana jako taka wilgotnoĤþ, przy której Ĥciany komórkowe sĈ nasycone [wodĈ] i nie wystčpuje woda wolna w widocznej pod mikroskopem strukturze kapilarnej, to moİna udo-wodniþ, İe wilgotnoĤþ nasycenia wãókien [PNW] mieĤci sič mičdzy 99,0 a 99,9% wilgotnoĤci wzglčdnej powietrza (STAMM 1959). Najmniejsza wartoĤþ PNW opisana w literaturze wynosi 15,4% dla drewna palisandrowego z poãudniowo-wschodniej Azji (z teryto-rium Indonezji, Nowej Gwinei i Archipelagu Malajskiego) (Dalbergia latifonia Roxb.), a maksymalna – okoão 35% w niektórych gatunkach liĤciastych, np. w drewnie lipo-wym (Tilia spp.) (HIGGINS 1957).
i kurczliwoĤþ drewna. Przy odparowywaniu wody wolnej (w1) drewno nie zmienia swojej objčtoĤci (zmienia jedynie masč), natomiast odparo-wywanie wody zwiĈzanej (w2) powoduje zmniejszenie objčtoĤci i masy drewna (tzw. skurcz). KurczliwoĤþ drewna nie jest równomierna we wszystkich kierunkach. Zmiany wymiarowe zwiĈzane z kurczliwoĤciĈ sĈ uzaleİnione od kierunku przebiegu wãókien. Najmniejsze zmiany dãugo-Ĥci pod wpãywem zmian wilgotnodãugo-Ĥci nastčpujĈ w kierunku wzdãuİnym (0,1-0,2%), nieco wičksze w kierunku promieniowym (3-6%), a najwičk-sze w kierunku stycznym (6-12%). Dla zachowania stabilnoĤci wymiarów drewno naleİy wysuszyþ do wilgotnoĤci równowaİnej – w zaleİnoĤci od otoczenia, w którym bčdzie uİytkowane: 8-12% w pomieszczeniach ogrzewanych, 15-18% na styku pomieszczeę ogrzewanych z otoczeniem zewnčtrznym, 18-22% na wolnej przestrzeni.
Pomimo faktu, İe drewna poszczególnych gatunków drzew róİniĈ sič znacznie wyglĈdem i pozostaãymi wãaĤciwoĤciami, to ich skãad chemicz-ny i budowa Ĥcian komórek sĈ takie same. ģciany komórek tak róİniĈ-cych sič od siebie gčstoĤciĈ gatunków drewna, jak balsa (ǒ = 110 kg/m3) i dĈb (ǒ = 710 kg/m3), sĈ zbudowane z substancji drzewnej o gčstoĤci ǒSD = 1540 kg/m3. Orientacyjny skãad chemiczny Ĥciany komórkowej przedstawia tabela 1125.
Róİnice w technicznych wãaĤciwoĤciach drewna poszczególnych ga-tunków sĈ zdeterminowane ich unikalnĈ budowĈ anatomicznĈ. ObecnoĤþ,
25 Skãad chemiczny komórek róİni sič w obrčbie rodzajów drewna, jego gatunków, a nawet w obrčbie tego samego gatunku. W tabeli przytoczono wartoĤci przybliİone.
Tabela 10
ģrednia wilgotnoĤþ równowaİna (w stanie powietrzno-suchym) w drewnie skãa-dowanym na zewnĈtrz w wybranych lokalizacjach na Ĥwiecie [%] (SIMPSON 1998)
Lokalizacja MiesiĈc
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Australia, Perth 9,0 8,8 9,5 11,1 13,1 14,4 15,3 14,0 13,0 12,0 10,7 9,8 Sudan, Chartum 5,0 4,0 3,2 3,2 3,7 4,8 6,8 7,7 6,9 5,1 5,2 5,6 Niemcy, Berlin 19,0 16,8 14,9 14,4 11,8 12,8 12,3 12,5 14,5 16,1 18,5 20,0 Rosja, Moskwa 17,5 16,2 14,4 12,3 12,1 13,1 13,8 15,4 16,2 17,0 18,0 18,5 Czechy, Praga 19,8 17,4 14,0 12,1 12,7 13,1 12,5 13,1 14,0 16,6 19,2 19,9
sposób rozmieszczenia komórek prozenchymatycznych (podãuİnych), a takİe ich liczba w caãej tkance drzewnej decydujĈ o wãaĤciwoĤciach drewna (FABISIAK 2005). Dzički zróİnicowanej porowatej budowie i uni-kalnym systemom przestrzeni kapilarnych kaİde drewno ma odmiennĈ wytrzymaãoĤþ mechanicznĈ, cičİar wãaĤciwy, przewodnictwo cieplne i dĮwičkowe, nasiĈkliwoĤþ oraz trwaãoĤþ.
Helikalne uãoİenie wãókien celulozy w komórce oraz specyÞ czny ksztaãt i uãoİenie komórek odpowiadajĈ za duİĈ anizotropič drewna. Na rysunku 2-8 a zaznaczono trzy, wzajemnie do siebie prostopadãe, gãów-ne kierunki anizotropii drewna (np. GENERAL TECHNICAL REPORT... 1999, NEUHAUS 2004): styczny (X), wzdãuİny (Y) i promieniowy (Z). Kierunek Tabela 11
Skãad Ĥciany komórki drewna (ASHBY i JONES 1996)
Materiaã Budowa Przybliİony udziaã
(% wagowe) Wãókna
celuloza (C6H10O5)n
Krystaliczna
45 Osnowa
lignina hemiceluloza woda inne
AmorÞ czna
CzčĤciowo krystaliczna
Rozpuszczona w osnowie Rozproszona w osnowie
20 20 10 5
Rys. 2-8. Kierunki anatomiczne drewna: a – umowne trzy kierunki gãówne, b – ortotropia cylindryczna
styczny (X) jest prostopadãy do wãókien i styczny do tworzĈcej walca sãoi rocznych, kierunek wzdãuİny (Y) jest równolegãy do kierunku wãókien, kierunek promieniowy (Z) jest prostopadãy do kierunku wãókien i prosto-padãy do tworzĈcej walca sãoi rocznych.
Osie dwukrotnej symetrii w wybranych punktach pnia przedstawiono na rysunku 2-8 a. Osie symetrii zmieniajĈ swe kierunki zgodnie z cylin-drycznym przebiegiem sãoi – drewno charakteryzuje sič anizotropiĈ krzy-woliniowĈ lub bardziej szczegóãowo: ortotropiĈ cylindrycznĈ . W drewnie pokrywanie sič kierunków naprčİeę i odksztaãceę zachodzi tylko w tych przypadkach, gdy kierunki gãównych odksztaãceę pokrywajĈ sič z osiami ortotropii. DoĤþ dobrĈ miarĈ anizotropii drewna sĈ stosunki liniowych moduãów sprčİystoĤci wzdãuİ poszczególnych kierunków gãównych (wg rys. 2-8 a); w tabeli 12 zestawiono je z analogicznymi stosunkami w wybranych materiaãach drewnopochodnych.
Z tabeli 12 wynika, İe moduã sprčİystoĤci liniowej drewna w kierunku stycznym (X) wynosi zaledwie 3-9%, a w kierunku promieniowym (Z) 6-18% moduãu w kierunku wzdãuİnym Y. PorównujĈc drewno z mate-riaãami drewnopochodnymi (pãyta wiórowa, pilĤniowa i sklejka), moİna stwierdziþ, İe jest ono anizotropowe (EY = 100%, EX § 3-9%, a EZ § 6-18%), natomiast pãyty sĈ ortotropowe (EY § EX, a EZ § 3-11%).