При изготовлении изделий из природных материалов человек практически не вмешивается в их структуру, а только придает им заданную форму. К таким материалам относится древесина и природный камень.
3.1. Лесные материалы
Качество древесины зависит от породы древесины. Древесные породы подразделяются на две основные группы: хвойные и лиственные. К хвойным породам, широко используемым в строительстве, относят сосну, лиственницу, ель, пихту и кедр. Лиственные породы в строительстве используют значительно реже, чем хвойные. Среди многообразия лиственных пород наибольшее применение в строительстве имеют дуб, ясень, бук, береза, осина.
Как по структуре, так и по физико-механическим свойствам древесина является природным композиционным материалом.
СОСТАВ, СТРУКТУРА И СОСТОЯНИЕ ДРЕВЕСИНЫ
Микроструктурой называют строение ствола дерева, видимое под микроскопом, макроструктурой - видимое невооруженным глазом или через лупу.
По химическому составу древесина слагается из органических веществ, представленных углеводами (у хвойных пород примерно на 70%, а у лиственных — на 80%). Основной углеводный компонент - целлюлоза (С6Н10О5)n, где п — степень полимеризации, которая у древесной целлюлозы достигает значений от 300 до 6000 и более. Около 30% древесины составляют вещества ароматической природы, известные под названием лигнина - тоже природный полимер, представляет собой высокомолекулярную ароматическую часть. К небольшой части древесины (2…4 %) относятся экстрактивные вещества. В отличие от углеводов и лигнина, это низкомолекулярные соединения, в основном, соли щелочноземельных металлов. Хотя их немного, но они придают древесине цвет, запах, вкус, иногда токсичность, помогают дереву сопротивляться гниению, поражению грибами и пр.
Длинные нитевидные цепные молекулы целлюлозы образуют спиралевидные древесные волокна: фибриллы и микрофибриллы – тонкие волоконца, несколько слоев которых, компактно уложенные и направленные по спиралям под разным углом к продольной оси клетки, образуют стенки (оболочки) клеток. Фибриллы и микрофибриллы имеют кристаллическую структуру, обладают высокой прочностью на разрыв, но легко изгибаются. В единое целое фибриллы и микрофибриллы объединяет лигнин с помощью водородных и ван-дер-ваальсовых сил связи и когезии.
Срубленная древесина состоит из отмерших клеток – трахеидов (для хвойных пород), т.е. только из клеточных оболочек. Основное число клеток имеют веретенообразную форму средней шириной 50 мкм и длиной 3 мм и вытянуты вдоль ствола, а некоторые – в горизонтальном направлении (клетки сердцевинных лучей). Таким образом, с инженерной точки зрения любую древесину можно считать пучком параллельных трубок. Поскольку материал этих трубок по существу для всех пород одинаков, то прочность древесины зависит от толщины стенок и, следовательно, от средней плотности древесины.
Помимо этого, древесина содержит капилляры и поры различных размеров; в период жизни дерева они имеют большое значение для передвижения воды и питательных соков, их накопления и пр. Крупные капилляры могут заполняться водой, которая мало влияет на состояние древесины и ее качество (механические свойства) как строительного материала. Эта влага сравнительно легко приходит в капилляры и поры, особенно при контакте дерева с водой, заполняет полости и может составлять до 100…200 % к массе абсолютно сухой древесины. Она сравнительно быстро и легко удаляется из них при сушке. Мелкие поры и капилляры заполняются не только при контакте с водой, но и в условиях влажного воздуха. Это и обуславливает гигроскопичность древесины и влажностные деформации.
Макроструктура древесины зависит от разреза ствола: поперечный (торцовый), радиальный, проходящий через ось ствола, и тангенциальный, проходящий по хорде вдоль ствола. При рассмотрении разрезов ствола дерева можно различить следующие основные его части: сердцевину, кору, камбий и собственно древесину.
На мегамасштабном уровне растущее дерево состоит из корневой системы, ствола и кроны. Промышленное значение имеет ствол, так как из него получается от 60% до 90% древесины.
Параметры структуры. Поскольку древесина состоит практически из одного вещества – целлюлозы, то ее истинная плотность для всех пород принимается равной 1,54 г/см3. Средняя плотность наиболее распространенных пород древесины в зависимости от влажности составляет 300…750 кг/см3. Хотя есть и экзотические для нас породы, которые даже в абсолютно сухом состоянии имеют плотность выше 1 г/см3. Самое тяжелое дерево в мире – квебрахо (Южная Америка).
Помимо обозначенных нами структурных элементов, строение древесины характеризуется также наличием пороков: сучков (нарушают однородность строения древесины, вызывают искривление волокон и затрудняют механическую обработку), трещин (нарушают целостность лесоматериалов, снижают их механическую прочность и долговечность), пороки формы ствола (увеличивают отходы при распиловке и лущении бревен, обуславливают появление радиального наклона волокон в пиломатериалах и шпоне, а следовательно, и снижение прочности этих материалов), химические окраски (могут портить внешний вид облицовочных материалов), грибные поражения (резко снижают механические свойства древесины вплоть до полной ее непригодности) и прочие.
Главное положительное качество древесины – ее экологичность, отличные санитарногигиенические характеристики. Древесина «дышит». Это единственный, пожалуй, материал, относящийся к категории возобновляемых.
Декоративность древесины обусловлена ее текстурой, цветом и блеском. Текстура - это рисунок древесины, зависящий от сочетания ее видимых элементов: годовых слоев, сердцевинных лучей, сосудов. Цвет и текстура древесины характерны для каждой породы дерева. Блеск древесины зависит от плотности и степени обработки. Блеск придается древесине путем полирования и покрытия лаками. Древесина теряет блеск при загнивании. Запах древесины зависит от содержания в ней смолистых, эфирных и дубильных веществ.
Конструкционные свойства. Малая плотность древесины обеспечивает ее низкую теплопроводность. Теплопроводность сухой сосны поперек волокон - 0,17 Вт/(м·°С), вдоль волокон 0,34 Вт/(м·°С). Древесина морозостойка, не растворяется в воде и органических растворителях. К тому же такие конструкции обладают надежной химической стойкостью в средах, которые агрессивны по отношению к стали и бетону.
Прочность древесины как анизотропного волокнистого материала зависит от того, под каким углом к волокнам направлена сила. Прочность древесины при сжатии вдоль волокон в 3…6 раз больше, чем прочность поперек волокон, и составляет примерно 40…60 МПа. Прочность древесины при растяжении вдоль волокон (60…170 МПа) в среднем в 2,5 раза превосходит соответствующий предел прочности при сжатии. Прочность древесины при изгибе очень высокая: она примерно в 1,8 раза превышает прочность при сжатии вдоль волокон и составляет около 70 % прочности при растяжении. Поэтому древесина (балки, настилы и т.п.) чаще всего работает на изгиб.
Хотя по абсолютным показателям прочности древесина значительно уступает высокопрочной стали и стеклопластику, ее удельная прочность при растяжении вдоль волокон (соотношение прочности с относительной плотностью) примерно такая же, как у этих самых прочных материалах. Это обуславливает ее высокую конкурентоспособность и позволяет возводить деревянные конструкции пролетом до 100 м и более.
Имеется у древесины и положительные технологические качества: легкость технологической обработки с приданием изделиям практически любых форм; надежная склеиваемость и хорошая гвоздимость.
Вместе с тем древесина имеет ряд недостатков, ограничивающих ее область применения в строительстве. К ним можно отнести пороки структуры; гигроскопичность и, как следствие, влажностные деформации - усушка и разбухание, которые вызывают коробление и растрескивание лесных материалов; загниваемость и горючесть, обусловленные легкой окисляемостью древесины.
Практически все эти недостатки сравнительно легко преодолеваются техническими средствами. Для защиты древесины от гниения применяют сушку древесины, конструктивные меры по предотвращению увлажнения конструкций в процессе эксплуатации и пропитку древесины антисептиками.
Защита древесины от поражения насекомыми ведется путем обработки древесины ядовитыми веществами – инсектицидами, в качестве которых используют антисептики на органических растворителях и другие вещества.
На деревянные конструкции наносят огнезащитные составы или пропитывают древесину химическими веществами - антипиренами. Огнезащитное действие антипиренов основано на том, что одни из них при нагревании древесины создают оплавленную пленку, закрывая доступ кислорода к древесине, другие при высокой температуре выделяют газы, которые препятствуют горению древесины.
По способу механической обработки все лесоматериалы подразделяются на шесть классов:
1. Круглые лесоматериалы, получаемые поперечным делением хлыста на отрезки стандартной длины от 1 до 6,5 м с градацией размеров через каждые 0,25 м. К ним относятся: бревна, предназначенные для использования в круглом виде или в качестве сырья для выработки пиломатериалов и заготовок; кряжи (чураки), используемые для выработки специальных видов лесоматериалов — лущеного и строганного шпона, шпал и др.; балансы, перерабатываемые на целлюлозу и древесную массу.
2. Пиленые лесоматериалы, изготовляемые продольным пилением круглого леса с последующей поперечной распиловкой полученного полуфабриката с припусками на усушку. По форме и размерам поперечного сечения пиломатериалы подразделяются на: доски (ширина от 60 до 250 мм вдвое больше толщины от 11 до 100 мм); бруски (ширина от 100 до 175 мм – меньше двойной толщины, которая составляет от 50 до 100 мм), брусья (ширина не превышающую полуторной толщины и составляет от 125 до 250 мм), обапол(горбыльный и дощатый) и шпалы.
Из пиломатериалов изготовляют:
- строганые и шпунтовые доски и бруски;
- фрезерованные изделия (плинтусы и галтели для заделки углов между стенами и полом, поручни и наличники для обшивки дверных и оконных коробок);
- паркет планочный и щитовой;
- столярные изделия (оконные и дверные блоки с вмонтированными в них оконными переплетами и дверными полотнами, столярные перегородки и панели для жилых и гражданских зданий);
3. Лущеные лесоматериалы, получаемые резанием древесины по спирали (лущением). В качестве полуфабриката лущеный шпон используется для изготовления клееной фанеры, древесных слоистых пластиков и облицовки (фанерования) изделий из древесины.
4. Строганные лесоматериалы, изготавливаемые резанием древесины ножами, формирующими плоскую поверхность раздела. К ним относится строганный шпон, который изготавливают из древесных пород, обладающих красивой текстурой, цветом и рисунком, и применяют как облицовочный материал, для производства декоративной фанеры. Строганием получают также штукатурную дрань, толщиной 4 мм, шириной 19…32 мм и длиной от 500 до 1500 мм.
При этом в основном используются отходы древесины хвойных и мягких лиственных пород.
5. Колотые лесоматериалы, производимые продольным разделением древесины клиновидными инструментами. Путем раскалывания получают колотые балансы.После удаления ядровой гнили из низкокачественной древесины при раскалывании поленьев образуется полноценное сырье для выработки целлюлозы и древесной массы.
6. Измельченные лесоматериалы, получаемые переработкой древесины на специальном оборудовании (рубильном, строгальном, размольном). К этой категории материалов относятся технологическая щепа, технологические опилки, стружка и древесная мука. Широко используются в качестве заполнителей в производстве древесностружечных и древесноволокнистых плит, цементно-стружечных плит, арболита, фибролита, ксилолита, строительных биокомпозитов.
3.2. Каменные материалы и изделия
Каменные материалы и изделия изготовляются из горных пород. Горная порода - это природный минеральный агрегат более или менее определенного состава и строения, являющийся продуктом геологических процессов и образующий в земной коре самостоятельные тела.
Свойства горных пород, и, соответственно, изделий из природного камня, зависят от происхождения породы и ее минералогического состава. В зависимости от условий формирования горные породы делят на три генетические группы: магматические, осадочные и метаморфические.
Горные породы слагаются из минералов. Минералы - это природные физически и химически однородные тела, возникающие в земной коре в результате физико-химических процессов. В образовании горных пород участвуют около 50 минералов. Горные породы могут состоять как из одного (мономинеральные), так и из нескольких (полиминеральные) минералов. Все минералы отличаются друг от друга по составу, структуре и свойствам, поэтому преобладание в породе тех или иных минералов определяет ее строительные свойства.
Минералы находятся, как правило, в твердом состоянии. Большинство имеют кристаллическую структуру, но есть и аморфные (например, опал, трепел, вулканическое стекло). По химическому составу минералы делятся на четыре основные группы: кварца, алюмосиликатов, железистомагнезиальных, карбонатов и сульфатов.
Средняя плотность камней составляет от 0,5 до 3,3 г/см3. По этому показателю природные камни делятся на легкие (плотностью не более 1,8 г/см3) и тяжёлые (более 1,8 г/см3).
Легкие камни имеют пористое строение и малую теплопроводность (вулканический туф, пемза, известняк-ракушечник), и потому применяются в конструкциях стен жилых и общественных зданий в виде стеновых камней и блоков и щебня для легких бетонов. Недостаток - малая прочность и долговечность.
Плотные каменные материалы (из гранита, сиенита, диорита и т.п.) трудоемки, обладают большой массой и высокой теплопроводностью. Но характеризуются высокой прочностью при сжатии (до 500 МПа), долговечностью (например, гранит до 1500 лет), архитектурной выразительностью (цвет, фактура и текстура поверхности), высокой огнестойкостью (кроме гранита). Применяются для облицовочных работ, устройства полов, для гидротехнического и дорожного строительства и пр.
Отличительной чертой всех каменных материалов является то, что их предел прочности при растяжении в 10 – 50 раз ниже прочности на сжатие. Поэтому их нельзя применять в изгибаемых конструкциях.
Изделия из природного камня делят на следующие основные виды: грубообработанные (бутовый камень, щебень, гравий и песок); камни и блоки правильной формы (для кладки стен и др.); плиты (облицовочные для стен, чистого пола и др.);
профилированные детали (ступени, подоконники, пояски, наличники, капители колонн и т.п.); изделия для дорожного строительства (бортовой камень, брусчатка, шашка для мощения).
В наше время природные плотные каменные материалы уже не используются для возведения несущих конструкций. Горные породы являются главным источником получения остальных строительных материалов: их используют как сырье для изготовления керамики, стекла, металла, тепло- гидроизоляционных и других материалов, а также для производства неорганических вяжущих веществ - цементов, извести и строительного гипса. Отходы горнодобывающей и камнеобрабатывающей промышленности (песок, гравий и щебень) используются в качестве заполнителя для бетонов и растворов.
Что бы оставить комментарий войдите
Комментарии (0)