В настоящее время ель аянская (Picea ajanensis) наряду с лиственницей даурской является одной из наиболее распространенных пород, заготовкой которых занимаются лесозаготовительные предприятия Дальнего Востока.

Источник публикации и ссылка для цитирования — Исаев, С. П. Влияние территориально-географического расположения участков заготовки круглых лесоматериалов ели аянской (Picea ajanensis) на показатели качества конструкционных пиломатериалов / С. П. Исаев // Системы. Методы. Технологии. – 2024. – № 2(62). – С. 111–118. – DOI 10.18324/2077-5415-2024-2-111-118.

ВВЕДЕНИЕ

Принимая во внимание, что большинство деревоперерабатывающих предприятий Хабаровского края расположены в его южной части, а также факт того, что деревообработка дальневосточного региона наиболее развита на территории Приморского края, в исследовании была принята к рассмотрению порода ели аянской, ареал произрастания которой характерен для данных территорий.

Древесина ели достаточно широко применяется для изготовления различных изделий и элементов конструкций, используемых в малоэтажном домостроении, из всей номенклатуры которых можно выделить клееные многослойные брусья, предназначенные как для изготовления ненесущих конструкций, например, оконных блоков, так и для создания клееных деревянных конструкций, работающих в условиях различных внешних нагрузок. Такие конструкции применяют в качестве различных прогонов, балок, ферм и других строительных изделий, для которых требуется древесина, отвечающая определенным физико-механическим показателям.

Отсюда следует, что, поскольку диапазон практического применения клееных деревянных конструкций обладает определенной разнообразной применимостью, при их производстве следует применять полуфабрикаты, которые в конечном счете обеспечат требуемые показатели качества для конкретной области применения изделия. Следовательно, древесное сырье следует поставлять на деревообрабатывающие предприятия из таких районов, на местности которых произрастает древесина, обладающая требуемыми физико-механическими показателями.

В Российской Федерации требования к пиломатериалам конструкционного назначения определяются в соответствии с ГОСТ 33080–2014 [1]. Конструкционные пиломатериалы, производимые деревообрабатывающими предприятиями и предназначенные для изготовления строительных конструкций, должны иметь показатели плотности, предела упругости и прочности, соответствующие ГОСТ 33080–2014.

Физико-механические показатели древесины, согласно требованиям ГОСТ 33080–2014, включают плотность, имеющую различные значения у разных пород. Следует отметить, что плотность древесины в значительной мере определяется совокупностью параметров древостоя, из которых можно выделить условия местности, ее геоклиматические особенности, выполнение или отсутствие плановых лесохозяйственных мероприятий [2]. Выбор плотности как важного физического показателя обусловлен тем, что, согласно исследованиям, проведенным в области технологий обработки и несущей способности конструкций [3–8], плотность древесины является определяющим фактором. Таким образом, производство конструкционных пиломатериалов, помимо выбора и применения эффективной схемы раскроя елового пиловочного сырья, требует учета территориально-географических особенностей местности, на которой осуществляется заготовка лесоматериалов. (Анализ состояния вопроса, цель и задачи, а также ряд положений методики исследования доступны в полной версии.)

По данным учета лесного фонда [21], площадь распространения ели аянской 3121,3 тыс. га и запас ее древесины 556,4 млн м³ в лесах Приморского края определяют ее ведущее место среди основных лесообразующих пород. Ель аянская растет преимущественно на горных склонах и плоскогорьях, находящихся на различных высотах над уровнем моря.

Территория лесов южных районов Хабаровского края так же, как и леса Приморского края, относится к климатической зоне, которая является частью умеренного Тихоокеанского муссонного региона.

Климатические условия, способствующие наиболее благоприятному росту ели аянской, локализуются на высоте до 400–500 м над уровнем моря. Здесь же отмечается годовое количество осадков в пределах 600–700 мм, а продолжительность положительных температур воздуха составляет 150–160 дней, что обеспечивает вегетационный период длительностью 150–160 дней.

Особенностью климата Приморского края является его умеренный муссонный характер. Главное своеобразие климата данной территории проявляется в сильных дождях и туманах в летнее время. Среднегодовая температура изменяется от +1^оС в северной части Сихотэ-Алиня до +7^оС в южной части региона. Длительность безморозного периода составляет 150–200 дней.

Значительными положительными температурами воздуха в континентальных районах края отмечаются летние месяцы года, тогда как на побережье период теплых дней продолжается до начала октября.

ТЕХНОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для исследования были выбраны стволы ели аянской, заготовленные на лесозаготовительных предприятиях Приморского края, расположенных на различных высотах местности над уровнем моря.

Обработанные стволы раскраивали согласно схеме, приведенной на рис. 1, а, при этом получали цилиндрические образцы, из которых затем вырезали планки толщиной 10–12 мм (рис. 1, б).

Количество годичных слоев в 1 см радиального разреза определяли на трех образцах древесины планок, изготовленных из ствола, заготовленного на определенной высоте над уровнем моря. Всего было рассмотрено 9 высотных отметок в интервале от 110 до 660 м над уровнем моря.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

В результате определения числа слоев ранней и поздней древесины на 1 см радиального разреза стволов ели аянской, заготовленных на территории Хабаровского края, получена графическая зависимость влияния высотности местности на макроструктуру древесины (рис. 2, зависимость 1).

График 1, изображенный на рис. 2, характеризующий изменение макроструктуры древесины ели аянской, произрастающей на различных высотах местности в Хабаровском крае, однозначно свидетельствует о том, что с подъемом высотности местности число слоев в радиальном разрезе ствола увеличивается. При этом следует отметить, что динамика изменения числа слоев несколько ниже по сравнению с аналогичным показателем, характерным для ели аянской, растущей на территории Приморского края.

Изменение температурного режима, зависящее от высотности местности, характерно тем, что в зимний период усиленный прогрев холодного воздуха, перемещающегося на прибрежные территории с высот, имеет значительно низшую влажность по сравнению с влажностью горного воздуха. В летний период воздух морского климата характеризуется повышенными значениями в сравнении с континентальной местностью, что обусловлено действием тихоокеанских муссонов.

Развитию мощного растительного покрова Приморского края способствует обилие влаги в летнее время. Осадки, количество которых тесно связано с движением воздушных масс, выпадают в пределах 550–920 мм в год.

Изменение макроструктуры древесины в период активного роста зависит от температурно-климатических условий местности его произрастания, поэтому большая продолжительность теплого периода в Приморском крае в сравнении с периодом на территории Хабаровского края в значительной мере способствует формированию количества годичных слоев в единице радиуса ствола.

Обработка результатов измерений числа годичных слоев на 1 см радиального разреза ели аянской, стволы которой были заготовлены в Приморском крае, позволила установить взаимозависимость исследуемого показателя от высотности местности, линия 2 на рис. 2.

Графики, изображенные на рис. 2 и характеризующие изменение числа годичных слоев на 1 см радиального разреза в зависимости от высотности местности участков заготовки древесины, иллюстрируют тот факт, что с подъемом рельефа число годичных слоев увеличивается. Но при этом следует отметить, что характер изменения графиков имеет региональный аспект. Так, для ели аянской, произрастающей в Приморском крае, характерен динамичный рост числа годичных слоев на 1 см древесины радиального разреза, при этом резкое увеличение данного показателя наблюдается при изменении высотности в пределах 400–600 м. Следует отметить, что более стабильные показатели имеет макроструктура древесины ели аянской, произрастающей на территории Хабаровского края. Поэтому дальнейшее исследование свойств древесины, произрастающей на различной высоте над уровнем моря, выполнено для ели аянской, растущей в Приморском крае.

На рис. 3 показано, что толщина годичного слоя ели аянской, произрастающей в Приморском крае, уменьшается с повышением высотности участков заготовки пиловочного сырья.

Сокращение толщины годичного слоя с повышением высоты над уровнем моря при одновременном увеличении показателя числа годичных слоев на 1 см радиального разреза ствола объясняется тем, что чем ниже древесные растения произрастают над уровнем моря, тем раньше начинается прирост древесины и тем длительнее сезон ее роста. Здесь важное влияние на толщину годичного слоя древесины оказывают сроки начала сезона.

Известно, и дальнейшими исследованиями подтверждено, что у древесины хвойных пород увеличение ширины годичного слоя происходит преимущественно за счет увеличения зоны ранней древесины, и поэтому мелкослойная древесина хвойных пород часто считается лучшей [2].

Проведенные исследования показали, что толщина поздней зоны древесины ели аянской Приморского края мало зависит от высоты над уровнем моря и составляет в среднем 0,13±0,04 мм.

Принимая во внимание, что с повышением высоты над уровнем моря района заготовки древесины толщина годичного слоя древесины уменьшается, а толщина поздней древесины находится в некотором постоянном диапазоне значений, представляют интерес не только абсолютные значения величин ранней и поздней зоны древесины, но и относительный показатель их толщин к общей толщине годичного слоя.

Графическая зависимость относительной толщины поздней зоны древесины от высотности местности, представленная на рис. 4, показывает, что в древесине ели аянской с повышением над уровнем моря района ее произрастания увеличивается доля поздней древесины.

Отсюда можно ожидать, что высотность местности произрастания деревьев вызывает изменчивость физико-механических показателей древесины, которые предъявляются к конструкционным пиломатериалам согласно ГОСТ 33080–2014.

Так, согласно требованиям ГОСТ 33080–2014, нормативное значение плотности древесины для конструкционных материалов марки «С» должно быть в интервале от 290 до 460 кг/м³.

На рис. 5 показана зависимость значений средней плотности древесины ели аянской от высотности территории расположения древостоя.

Проведенные исследования позволили установить, что круглые лесоматериалы, заготовленные в среднегорном массиве Сихотэ-Алиня, по показателю плотности соответствуют требованиям ГОСТ 33080–2014 и могут быть использованы при производстве пиломатериалов конструкционного назначения. При этом класс прочности по показателю плотности марки «С» ограничивается классом С24 и марки «Т» — классом Т14, поскольку значение средней плотности древесины ели аянской на исследуемых территориях не превышает 450 кг/м³.

Одним из важных механических параметров древесины, характеризующих показатель качества конструкционных пиломатериалов, согласно ГОСТ 33080–2014, является модуль упругости, который определяет ее способность противостоять деформациям. Данный фундаментальный показатель используют при расчете прогиба деревянной конструкции под нагрузками.

Графическая зависимость, изображенная на рис. 6, свидетельствует о том, что с повышением местности над уровнем моря модуль упругости древесины, растущей в ее пределах, увеличивается.

При рассмотрении графика зависимости модуля упругости от высотных условий местности можно сделать принципиально важный вывод о том, что не все производимые пиломатериалы могут быть использованы для изготовления балок и настилов, поскольку их показатели модуля упругости при изгибе варьируют в пределах 17%. Поэтому пиломатериалы, полученные при раскрое пиловочника, поставляемого с высот местности 200–400 м, целесообразно использовать для изготовления столярных изделий. Для изготовления конструкционной клееной продукции желательно применять пилопродукцию из бревен, заготовленных на высотах от 400 до 700 м.

Это наглядно подтверждает прямую тесную связь между толщиной годичных слоев, плотностью и модулем упругости (рис. 4, 5 и 6).

Модуль упругости, характеризующий жесткость слоев клееной конструкции под нагрузками, является не единственным показателем, определяющим применимость пиломатериала для изготовления данного вида продукции. Не менее важным показателем является прочность при изгибе, особенно для изделий пролетных строений, работающих как при статических нагрузках, так и в условиях переменных напряжений.

Средние показатели предела модуля упругости древесины при изгибе конструкционных пиломатериалов, применяемых для изготовления цельнодеревянных несущих конструкций, ГОСТ 33080–2014, определяются интервалом от 6,3 до 19,2 ГПа. Конструкционные пиломатериалы марки С20 по классу прочности должны обладать показателями упругих характеристик в условиях изгиба древесины не менее 8,5 ГПа. При этом для следующей марки прочности С22 данный показатель должен быть 9,3 ГПа, что не подтверждается результатами испытаний древесины ели аянской.

Для многослойных клееных деревянных конструкций модуль упругости древесины пиломатериалов из ели аянской ограничивается маркой прочности Т11 (9,0 ГПа), так как показателю модуля упругости выше 9,5 ГПа соответствуют конструкционные пиломатериалы следующей марки Т12, а выполненные исследования не выявили таких значений.

Учитывая, что предел прочности древесины ели при растяжении вдоль волокон в стандартных чистых образцах влажностью 12% в среднем составляет 100 МПа [2], а классы прочности пиломатериалов марки «Т» нормируют данный показатель в пределах от 8 до 30 МПа, было принято решение исследовать только зависимость прочности при изгибе древесины ели аянской от высотных условий местности ее произрастания.

Прочность древесины при изгибе с ростом высоты местности над уровнем моря увеличивается (рис. 7).

Такое увеличение можно объяснить соответствующими изменениями относительной толщины поздней древесины годичного слоя и средней плотности древесины от высотных условий местности ее произрастания. Пропорциональное увеличение доли поздней древесины и средней плотности древесины будет, несомненно, способствовать увеличению прочности древесины в целом.

Нормативные значения прочности древесины при изгибе конструкционных пиломатериалов, согласно требованиям ГОСТ 33080–2014, должны находиться в диапазоне от 14 до 50 МПа. Как видно на рис. 6, прочностные показатели ели аянской, растущей в Приморском крае, достаточно высоки. Следовательно, пиломатериалы, производимые из бревен, заготовленных в условиях местности, высота которой изменяется с повышением от 200 до 650 м, можно классифицировать как конструкционные по физико-механическим показателям при соблюдении требований визуальной сортировки.

Приведенные выше графические зависимости рассматриваемых свойств древесины от ее произрастания над уровнем моря показывают, что физико-механические свойства древесины ели аянской, произрастающей в Приморском крае, повышаются по мере подъема ее локации над уровнем моря. При этом характер приведенных графиков указывает на достаточно высокую степень корреляции рассматриваемых зависимостей. Расчетное значение коэффициента корреляции между высотой над уровнем моря и относительной толщиной годичного слоя поздней древесины составляет 0,884; средней плотностью древесины — 0,960; прочностью при изгибе — 0,950. При этом теснота корреляционной связи между прочностью при изгибе и плотностью определяется коэффициентом, значение которого равно 0,912, а коэффициент корреляции между значениями прочности при изгибе и значениями относительной толщины годичного слоя поздней древесины равен 0,858.

ВЫВОДЫ

В результате проведенного исследования установлено, что пиломатериалы, производимые из бревен, заготовленных в среднегорном массиве Сихотэ-Алиня, по физико-механическим показателям соответствуют требованиями ГОСТ 33080–2014, и их можно применять как конструкционные.

Анализ влияния территориально-географического расположения участков заготовки круглых лесоматериалов (высота над уровнем моря) показал, что:

1. Повышение отметки высотных условий местности произрастания ели аянской отражается на числе годичных слоев на 1 см радиального разреза. При этом изменения влажностно-температурного режима и продолжительность безморозного периода, характерные для Приморского края, способствуют большему числу годичных слоев на 1 см радиального разреза.

2. С повышением высоты над уровнем моря местности, на которой произрастает ель аянская, физико-механические характеристики древесины этой породы возрастают.

3. Интегрированная оценка нормативных значений определяющих свойств конструкционных пиломатериалов, отвечающих требованиям ГОСТ 33080–2014, указывает на то, что в качестве конструкционных пиломатериалов из ели аянской для цельнодеревянных несущих конструкций применимы пиломатериалы классов прочности марок С14 – С20, а в качестве конструкционных пиломатериалов из ели аянской для многослойных клееных конструкций применимы пиломатериалы классов прочности марок Т8 – Т11.

4. В целом физико-механические показатели древесины ели аянской, растущей в климатических условиях территории Приморского края, обеспечивают гарантированное применение получаемых из нее пиломатериалов как конструкционных, в пределах выше обозначенных классов прочности.

5. Полученные экспериментальные зависимости изменения физико-механических показателей древесины ели аянской, растущей на территории Приморского края в местностях с разной высотностью, имеют достоверное статистическое обоснование, что подтверждается расчетными значениями коэффициентов корреляции.

6. Полученные результаты исследования способствуют развитию рационального технологического районирования процессов заготовки древесины при освоении лесных участков в условиях гористой местности.

Поставку заготовленной древесины следует осуществлять в соответствии с планом производимой деревообрабатывающим предприятием продукции на основе предварительных договоров, в которых отражены необходимые объемы конструкционных пиломатериалов с заданными физико-механическими показателями.

Сергей Исаев, д.т.н.

Тихоокеанский государственный университет

Библиографический список