Древесина
Широкое применение древесины в строительстве объясняется рядом положительных свойств: высоким коэффициентом конструктивного качества, малой теплопроводностью, легкостью обработки, технологичностью, высокой морозостойкостью, стойкостью ко многим химическим реагентам.
Однако древесина имеет и существенные недостатки: горит и гниет, коробится и растрескивается при изменении влажности и температуры, гигроскопична, обладает целым рядом пороков строения, разрушается насекомыми.
В зависимости от степени переработки древесины различают:
- лесные материалы, полученные только путем механической обработки ствола дерева (бревна, брус, пиломатериалы);
- готовые изделия и конструкции заводского изготовления (сборные дома и детали, клееные конструкции);
- синтетические материалы, полученные глубокой переработкой древесины (целлюлоза, древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты, фанера, арболит и т.д.).
Строение древесины
1) Макроструктура древесины - строение ствола дерева, видимое невооруженным глазом.
Кора состоит из корки, пробковой ткани и луба. Корка и пробковая ткань защищают древесину от внешних воздействий, луб - проводит питательные вещества от кроны в ствол и корни.
Камбий - слой живых клеток. Ежегодно в вегетационный период камбий откладывает в сторону коры клетки луба, а внутрь ствола в значительно большем объеме клетки древесины. Деление клеток камбия начинается весной и заканчивается осенью, поэтому древесина состоит из ряда концентрических слоев.
Рис. 3.1
Каждое годовое кольцо включает внутренний слой ранней древесины (весенний) и внешний поздней древесины (летней), имеющей более темный цвет и прочность относительно ранней.
Заболонь - состоит из более молодой древесины, в которой еще имеются живые клетки, по которым питательные вещества идут от корней к кроне.
Эта часть древесины имеет большую влажность, легко загнивает, малопрочна, обладает большой усушкой и склонна к короблению.
Ядро - спелая древесина, внутренняя часть ствола, состоящая из омертвевших клеток. Ядро более темное, так как клетки его постепенно пропитываются у хвойных пород смолой, у лиственных дубильными веществами, движение влаги по ним прекращается, поэтому стойкость к загниванию и прочность резко возрастают.
Сердцевина - рыхлая первичная ткань, имеет малую прочность и легко загнивает. Она не допускается в тонких досках и брусках, которые будут работать на изгиб и растяжение.
Древесные породы делятся на:
- ядровые, имеющие ядро и заболонь (дуб, ясень, платан, сосна, кедр, лиственница);
- спелодревесные, имеющие заболонь и спелую древесину, не отличающуюся по цвету от заболони (ель, пихта, бук и др.);
- заболонные, у которых отсутствует ядро и нельзя заметить разницы между центральной и наружной частью ствола (береза, осина, клен, ольха, липа)
2) Микроструктура древесины - структура видимая под микроскопом.
Основную массу древесины составляют клетки веретенообразной формы, вытянутые вдоль ствола; клетки сердцевинных лучей вытянуты в горизонтальном направлении.
В древесине лиственных пород имеются мелкие и крупные сосуды в форме трубочек, идущих вдоль ствола, по которым влага идет от корней к кроне. Лиственные породы по распределению сосудов делятся на кольцесосудистые (дуб, вяз, ясень и др.) и рассеяннососудистые (бук, граб, береза, осина и др.)
У хвойных пород сосудов нет, их роль выполняют удлиненные замкнутые клетки - трахеиды.
Определенные группы клеток выполняют различные функции: проводящие, запасающие, механические. Оболочки клеток сложены из нескольких слоев очень тонких волоконец, микрофибрилл, которые компактно уложены и направлены по спиралям под разным углом к продольной оси клетки в каждом слое.
Микрофибриллы состоят из высокомолекулярного природного полимера - целлюлозы [С6Н10О5]n, где n > 2500. В клеточной оболочке содержатся и другие природные полимеры - гемицеллюлоза, лигнин, которые размещаются преимущественно между фибриллами, а также немного неорганических солей щелочноземельных металлов.
Свойства древесины
1) Физические свойства.
Истинная плотность для всех древесных пород равна 1,54 г/см3, так как их основным составляющим веществом является целлюлоза.
Средняя плотность колеблется в широких пределах, так как строение и пористость растущего дерева зависит от почвы, кли мата, однако у большинства пород она менее 1 г/см3.
Пористость колеблется у различных пород от 30 до 80 %.
Гигроскопичность - свойство древесины легко сорбировать водяные пары из воздуха, так как она, имея волокнистое строение и большую пористость, обладает огромной внутренней поверхностью.
Влажность - количество влаги в процентах по отношению к сухой древесине :
W = (mвл.-m) / m 100%
Влажность складывается из гигроскопической, связанной в стенках клеток влаги, и капиллярной, свободно заполняющей полости клеток и межклеточное пространство.
Предел гигроскопической влажности для разных пород составляет 25...35%, среднее значение принимается 30%, общая же влажность может достигать 40...200%.
Равновесная влажность - это та влажность, которую достигает древесина при длительном хранении на воздухе, она зависит от температуры и относительной влажности окружающего воздуха.
Для комнатных условий равновесная влажность - 8..12%, для открытого воздуха 15...18%. Определить равновесную влажность можно по диаграмме Чулицкого, на которой представлена зависимость между равновесной влажностью древесины и относительной влажностью ( %) и температурой (t?C) воздуха. С изменением влажности древесины изменяются ее плотность и прочность, поэтому для сопоставления различных древесных пород абсолютные значения этих свойств приводят к стандартной влажности, которая принимается 12 %.
Рис. 3.2 Диаграмма Чулицкого.
Усушка - уменьшение объема и размеров изделия в результате удаления связанной влаги (гигроскопической) из стенок клеток, таким образом влажность древесины становится меньше предела гигроскопичности.
Разбухание - увеличение размера и объема изделий при их увлажнении в результате достижения стенками клеток предела гигроскопичности.
Вследствие неоднородности строения древесины она усыхает в различных направлениях неодинаково.
Основные разрезы древесины представлены на рис. 3.
Максимальная линейная усушка вдоль ствола составляет 0,1%, в радиальном направлении - 3...6%, в тангенциальном - 6...12%.
Объемная усушка (без учета продольной) равна
Ув = (ав - аово)/ аово 100%
Рис. 3.3. Основные разрезы ствола: 1 - торцовый разрез, или поперечный; 2 - радиальный разрез; 3 - тангенциальный разрез.
где а и в, ао и во - соответственно размеры влажного и размеры воздушно-сухого образца.
Коэффициент объемной усушки :
К = Уvmax / Wп.г.,
где Уvmax - максимальная объемная усушка, в %;
Wп.г. - предел гигроскопичности, в %.
Усушка и разбухание вызывают коробление и растрескивание древесины.
Коробление при сушке неизбежно вследствие различной усушки в радиальном и тангенциальном направлениях. Поэтому древесину используют с той равновесной влажностью, при которой она будет в условиях эксплуатации: для столярки 8...10 %, для наружных конструкций 15...18 %.
Для предотвращения возникновения трещин торцы бревен и брусьев обмазывают смесью извести, соли и клея.
Теплопроводность сухой древесины незначительна: поперек волокон она составляет 0,17 Вт/м?С, вдоль волокон - 0,34 Вт/м?С. Увеличение влажности древесины вызывает увеличение ее теплопроводности
Электропроводность древесины зависит от ее влажности. С увеличением влажности древесины растет ее электропроводность. Древесина, используемая для электрической проводки, должна быть сухой.
Стойкость к действию агрессивных сред. При длительном воздействии кислот и щелочей древесина медленно разрушается. При рН < 2 древесина быстро разрушается, слабощелочные растворы почти не разрушают древесину, в морской воде она разрушается значительно быстрее, чем в пресной, в воде большой биологи-ческой агрессивности стойкость древесины низкая.
2) Механические свойства.
Прочность древесины определяется на малых образцах без видимых пороков. Она характеризуется пределом прочности при сжатии, растяжении, статическом изгибе, скалывании. Кроме того, могут определяться условный предел прочности при местном смятии и предел прочности при перерезании поперек волокон.
Древесина является анизотропным материалом, поэтому ее механические свойства различны вдоль и поперек волокон, при этом лучше всего она работает на растяжение.
Сравнительные механические характеристики древесины:
Rвраст. в 2,5 раза больше Rвсж; Rвсж в 4...6 раз больше Rпсж;
Rизг в 1,8 раза больше Rвсж; Rизг примерно равно 70% R;
Rпскола в 3...4 раза больше Rвскола.
Предел прочности на растяжение древесины приближается к пределу прочности на растяжение стали и стеклопластиков.
Индексы "в" и "п" обозначают соответственно вдоль и поперек волокон.
Одноко, все механические показатели древесины резко снижаются из-за наличия сучков, трещин и других пороков.
Предел прочности при сжатии определяется на стандартных образцах - кубиках размером 30х20х20 мм. Расчетные формулы при испытании
вдоль волокон Rсж=Nр/F; где F = 2х2 = 4 см2
поперек волокон Rcж=Nр/F; где F = 3х2 = 6 см2.
Предел прочности при изгибе определяется на стандартных образцах - балочках размером 300х20х20 мм, при действии 2-х симметричных нагрузках, приложенных как указано на рис.3.4.
Расчетная формула:
Rизг= 3Npl / 2bh2;
Рис.3.4 Схема нагружения балочки.
Прочность древесины сильно зависит от влажности, когда она возрастает от О до 30 %. В интервале изменения влажности от 8 до 20% пересчет на прочность при влажности 12 % производится по формуле:
R12 = Rw [1 + б(W - 12)] ,
где R12 и Rw - соответственно пределы прочности при влажности
12 % и влажности в момент испытания;
б - коэффициент изменения прочности при изменении влажности на 1%; при сжатии и изгибе б = 0,04,при скалывании б = 0,03;
W - влажность образца в момент испытания.
Если влажность образца более 30 %, то стандартную прочность подсчитывают по формуле
R12 = K12 Rw ,
где коэффициент К для различных пород находится в ГОСТе.
Технологические свойства древесины: хорошо строгается, пилится, сверлится, шлифуется, полируется, склеивается, разделывается на шпон, окрашивается, обладает хорошей гвоздимостью.
Защита древесины от гниения, поражения насекомыми и возгорания
Защита от гниения. Загнивание древесины предупреждается, прежде всего, конструктивными мерами, цель которых предохранить ее от увлажнения (изоляция от грунта, сооружение проветривающих каналов, защита от атмосферных осадков).
Если их недостаточно, то древесину пропитывают антисептиками - химическими веществами, которые убивают грибы или создают среду, в которой они не могут существовать.
Требования к антисептикам:
- высокая токсичность к дереворазрушающим грибам с одновременной безвредностью для людей и животных;
- способность сохранять высокую токсичность в течении заданного срока;
- легко проникать в древесину, не ухудшая ее физико-механических свойств, не вызывая коррозию ее металлических креплений;
- не иметь неприятного запаха, обладать стойкостью при повышенных температурах;
- должны быть относительно дешевы и не дефицитны.
Для антисептирования используют водорастворимые и масляные антисептики, а также антисептические пасты.
Водорастворимые антисептики применяют, когда древесина в процессе эксплуатации защищена от непосредственного увлажнения и вымывающего действия воды:
- фторид натрия NaF - применяется в виде 3...4 % раствора белого цвета, без запаха, теряющий свои антисептические свойства при соприкосновении с известью, цементом, гипсом;
- кремнефтористый натрий Na2SiF6 - по действию сходен с фторидом натрия, применяется в виде серого или белого порошка совместно с содой, фторидом натрия и в силикатных пастах;
- кремнефтористый аммоний (NH4)2SiF6 - легко растворимый порошок белого цвета, без запаха, по токсичности превосходит фторид натрия, повышает огнестойкость древесины, но вызывает слабую коррозию металла;
- препараты XXЦ (смесь хлорида цинка и хромпика) и МXXЦ (смесь хлорида цинка, хромпика и медного купороса) трудно вымываются водой, но окрашивают древесину в желто-зеленый цвет и несколько снижают ее прочность;