Конструкции с применением пластмасс.

Применение пластмасс в строительных конструкциях при увеличении выпуска пластических масс и синтетических смол раци­онально с технической и экономической точек зрения в случаях, когда необходимо:

а) уменьшить вес конструкций;

б) сократить объем транспортных и монтажных ра­бот (при строительстве в отдаленных и труднодоступ­ных районах);

в) уменьшить мощность подъемно-транспортного оборудования;

г) повысить надежность зданий и сооружений;

д) применить безметальные конструкции (в условиях воздействия агрессивной среды, а также когда требуется исключить влияние магнитных свойств строительных кон­струкций и возможность искрообразования).

Важной задачей дальнейшего развития в СССР стро­ительных конструкций с применением пластмасс являет­ся продолжение исследований физических и механичес­ких свойств конструкционных пластмасс с целью их улучшения — повышения долговечности (защиты от ста­рения), прочности и деформативности, теплостойкости и огнестойкости, уменьшения ползучести и т. д.

Целесообразными с технической и экономической то­чек зрения конструктивными формами применения пласт' масс в ближайшие годы будут панели стен и малопро­летных покрытий, пространственные конструкции из сборных элементов, в том числе в светопрозрачных реше­ниях. Нередко бывает оправдано комплексное решение трехслойных панелей и плит из пластмасс в сочетании с другими материалами (для обшивок) — фанерой, асбес­тоцементом и т. п. Широкое применение найдут пневма­тические конструкции, позволяющие перекрывать проле­ты более 100 м при малом расходе синтетических мате­риалов.

Необходимо продолжать экспериментальное проекти­рование и строительство объектов с применением конст­рукций перечисленных видов, налаживать и развивать заводское производство конструкций с использованием пластмасс, работать над их типизацией и стандартиза­цией.

Раздел I. Древесина и пластмассы как конструкционные строительные материалы, их свойства, достоинства и недостатки

Глава 1. Древесина — конструкционный строительный материал

§ 1.1. Сырьевая база применения древесины в строительстве

Советский Союз — самая богатая лесом страна в ми­ре, запасы древесины в которой определяются примерно 80 млрд. м³, что составляет около 40 % мировых запа­сов. Основные лесные ресурсы СССР сосредоточены в Сибири и на Дальнем Востоке, занимая 73 % всей пло­щади лесов СССР. Преобладающими породами являют­ся хвойные: лиственница 37 %, сосна 19, ель и пихта 20, кедр 8%. Запасы березы, являющейся основным сырьем для фанерной промышленности, составляют около 13%.

Для выполнения целевой комплексной программы увеличения выпуска пластмасс, клееных деревянных конструкций, древесных плит, картона и других видов продукции химической, деревообрабатывающей и целлю­лозно-бумажной промышленности необходимо упорно и настойчиво заниматься ускорением научно-технического прогресса.

В строительную практику все шире внедряются про­грессивные деревянные конструкции заводского изготов­ления; должно существенно возрасти использование от­ходов лесной и деревообрабатывающей промышленнос­ти. Ответственная роль в выполнении этой задачи при­надлежит проектировщикам-конструкторам.

§ 1.2. Анатомическое строение древесины — основа для правильного понимания ее механических и физических свойств

Деревянные строительные конструкции в основном изготавливаются из древесины хвойных пород (сосна, ель, лиственница), поэтому ограничимся рассмотрением анатомического строения древесины хвойных пород, которая отличается от древесины лиственных пород прос­тотой и однообразием структуры.

Рис. 1.1. Главные разрезы ствола

П — поперечный; Р — радиальный; Т — тангенциальный

На поперечном сечении ствола дерева (рис. 1.1) различают следующие части: под корой расположен тон­кий слой камбия, отлагающего древесину и работающего с различной интенсивностью, так как деятельность его зависит и от внешних условий. Камбиальной зоной обыч­но называют слой камбия вместе с молодыми, еще не дифференцированными элементами древесины. В расту­щем дереве камбий обусловливает прирост древесины и коры. В центре сечения ствола расположена сердцевина, имеющая форму небольшого круглого пятнышка диа­метром 2—5 мм.

Вся основная древесина, расположенная между то­неньким слоем камбия и сердцевиной, состоит из двух частей, немного отличающихся одни от других цветовы­ми оттенками — внутренняя зона, более темная, называ­ется ядром, а более светлая заболонью. С возрастом размеры ядра увеличиваются за счет перехода части заболонной древесины в ядровую, а ширина заболони постепенно уменьшается. В то же время процент площади поперечного сечения ствола, приходящийся на заболонь, увеличивается с переходом вверх по стволу.

На поперечном сечении ствола можно увидеть кон­центрические слои, окружающие сердцевину. Каждое такое кольцо представляет собой ежегодный прирост древесины и называется годичным слоем. Ширина годичных слоев колеблется в зависимости от возраста, поро­ды, условий произрастания и положения в стволе.

Древесина состоит из клеток двух видов — прозенхимных и паренхимных. Прозенхима происходит от греческих слов «проз»—«удлиненное» и «енхима»— наполненное, а паренхима от латинского слова «пар»—«одина­ковый» и от греческого слова «енхима». Паренхимные клетки имеют примерно одинаковые размеры во всех трех осевых направлениях. К. прозенхимным клеткам от­носятся трахеиды — полые клетки, сильно вытянутые в длину с заостренными концами. Среднее отношение дли­ны этих клеток к их размерам в поперечном сечении при­близительно равно 50—60.

Установлено, что в 1 см³ древесины приблизительно размещается 420000 трахеид. Основными элементами древесины хвойных пород являются трахеиды, которые занимают свыше 90 % общего объема древесины.

Паренхимные клетки в хвойной древесине входят в состав сердцевинных лучей. В растущем дереве по серд­цевинным лучам происходит движение питательных ве­ществ и воды в горизонтальном направлении в период вегетации, а в период покоя в них хранятся запасные питательные вещества. В процессе роста трахеиды свои­ми заостренными концами врастают между другими ана­томическими элементами или себе подобными элемен­тами.

Таким образом, стыкование трахеид в продольном направлении, решаемое природой, является подсказкой решения стыка в растянутых клееных элементах с по­мощью так называемого стыка «на ус».

Трахеиды хвойных пород выполняют не только свой­ственные им проводящие функции, но и механические. Трахеиды ранней части годичного слоя (рис. 1.2, а) об­ладают тонкими стенками и большими внутренними полостями, а трахеиды поздней части годичного слоя име­ют более толстые стенки и малые полости (рис. 1.2,6). Резкость перехода между ранней и поздней древесиной в пределах одного годичного слоя неодинакова у разных представителей хвойных пород (у лиственницы — рез­кий, а у сосны менее резкий). Но даже при таком замет­ном переходе как у лиственницы можно установить про­межуточные ряды клеток, которые нельзя отнести по их форме ни к ранней, ни к поздней древесине. На (рис. 1.3) показана объемная схема микроскопического строе­ния сосны.

Р ис. 1.3. Схема микроскопиче­ского строения древесины сос­ны

тр —трахеиды; о. п. — окаймлен­ные поры; в. с. х. — вертикальный смоляной ход; с. л. -сердцевинный луч; г. с. — годичный слой; р. д. — ранняя (весенняя) древесина; п. д.— поздняя (летняя) древесина.

Рис. 1.2. Поперечное сечение ранних и поздних трахеид сосны

На основе современных исследований установлено, что стенки клеток трахеид представляют собой слоистую оболочку (рис. 1.4). В стенке каждой нормальной трахеиды различают: тонкую первичную оболочку Р, значи­тельно более толстую вторичную оболочку S, состоя­щую из наружного слоя Si, среднего слоя $2 и внутренне­го слоя 5₃. Трахеиды связаны между собой аморфным межклеточным веществом срединной пластинки М, ок­ружающей каждую клетку (рис. 1.4). Каждый слой обо­лочки трахеид состоит из микрофибрилл, основой которых является кристаллическая целлюлоза, инкрустиро­ванная матриксом аморфных или паракристаллических полимеров, стабилизирующих структуру микрофибрилл.

Рис. 1.4. Схема строения Рис. 1.5. Микрофибриллы во вторичном слое S растения обо­лочки трахеид валония, увеличенные в 12000 раз (по данным К. Мюлетгалера)

Рис. 1.6. Поперечное сечение ранних и поздних трахеид лиственницы

В составе стенки клетки особую роль играет лигнин. Если высокая прочность при растяжении обеспечивает­ся в основном целлюлозными микрофибриллами, то лиг­нин придает оболочке прочность на сжатие. Невольно возникает аналогия между микрофибриллами и армату­рой, а также между лигнином и бетоном.

Микрофибриллы ориентированы различно в слоях Р, S\, S2 и S3. В слое Р они преимущественно располагают­ся поперек оси трахеид, а в слоях Sb 82 и S3 по спирали под разными углами (рис. 1.5). Все слои стенок трахеид отличаются одни от других не только углами наклона микрофибрилл по отношению к продольной оси клеток, но и толщиной; которая для отдельных слоев, как и у всей толщины стенки клетки, неодинакова для различ­ных пород древесины (рис. 1.2 и 1.6). Изменчивость так­же наблюдается в пределах одного вида дерева, что мо­жет быть следствием различия условий произрастания. От толщины стенок клеток зависит плотность древесины.

Исследования В. Е. Вихрова показали, что у поздних трахеид вторичная оболочка и срединная пластинка вдвое толще, чем у ранних. Однако соотношение между слагающими клеточную стенку оболочками в обоих случаях одинаково. Целлюлозные микрофибриллы обычно представляют собой тяжи шириной 10—25 нм (послед­няя величина является максимальной).

В древесине хвойных пород из паренхимных клеток состоят в основном многочисленные сердцевинные лучи (см. рис. 1.3). Они узкие, преимущественно однорядные, но среди них встречаются и многорядные лучи со смоля­ным горизонтальным ходом посредине. У сосны, ели и лиственницы кроме паренхимных клеток лучи содержат трахеиды.

Только на основе глубокого анализа микро- и субмик­роструктуры древесины можно раскрыть действительный характер и особенности механических свойств древеси­ны как материала для строительных конструкций.