Лекция 7 Древесина и изделия из неё

Древесина относится к одному из весьма распространенных строительных материалов с многовековым опытом применения. В современном строительстве лесные материалы занимают значительное место среди других строительных материалов. Их применяют для изготовления несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений, столярных изделий (изготавливаемые полностью из дерева: дверные и оконные блоки, паркетные доски, плинтусы, щиты и др.), опалубки, устройства подмостей и т.д. Кроме того, отходы древесины (стружки, опилки и т.п.) применяют для производства древесноволокнистых, древесностружечных плит, фанеры, арболита, фибролита и др.

Такое широкое использование древесины в строительстве обусловлено ее преимущественными характеристиками:

• высокая прочность и упругость при малой плотности;

• низкая теплопроводность;

• высокая морозостойкость;

• высокие звукоизоляционные свойства;

• не растворяется в воде и органических растворителях;

• обладает низким линейным расширением;

• легко обрабатывается, склеивается, удерживает металлические крепления;

• способность поглощать ударные нагрузки и гасить вибрации.

Недостатки:

• анизотропность свойств вследствие волокнистой структуры;

• пороки структуры (сучки, трещины и др.);

• повышенная гигроскопичность;

• влажностные деформации;

• загниваемость;

• возгораемость.

Макроструктура дерева. Растущее дерево состоит из корневой системы, ствола и кроны. Промышленное значение имеет ствол, так как из него получается от 60 до 90 % древесины.

При рассмотрении разрезов ствола можно различить: сердцевину, кору, луб, камбий и древесину.

Рис. 6 Строение ствола дерева

Сердцевина, расположенная вдоль ствола в его центральной части, состоит из клеток с тонкими стенками, слабо связанных друг с другом.

Кора состоит из кожицы, пробковой ткани и луба. Кора защищает дерево от вредных влияний среды и механических повреждений.

Луб – тонкий внутренний слой коры, он предназначен для передачи питательных веществ от кроны в ствол и корни.

Под лубяным слоем у растущего дерева располагается тонкий кольцевой слой живых клеток – камбий. В слое камбия ежегодно в вегетативный период откладываются в сторону коры клетки луба, а внутрь ствола, в значительно большем объеме – клетки древесины. Эти клетки образуют слой, который называют годичным слоем. У некоторых пород (дуб) они хорошо видны на торцевом срезе. Каждое годичное кольцо состоит из двух слоев: (весенней) древесины, образовавшейся весной или в начале лета, и поздней (летней) древесины, которая образуется к концу лета. Ранняя древесина светлая и состоит из крупных, но тонкостенных клеток; поздняя древесина более темного цвета, менее пориста и обладает большей прочностью, так как состоит из мелкополостных клеток с толстыми стенками.

В процессе роста дерева стенки клеток древесины внутренней части ствола, примыкающей к сердцевине, постепенно изменяют свой состав, одеревеневают и пропитываются смолой или дубильными веществами. Движение влаги в этой части ствола прекращается, и она становится более прочной, твердой и менее способной к загниванию.

Часть ствола от луба до сердцевины называется древесиной.

Основные породы дерева, применяемые в качестве конструкционных и отделочных материалов. В наших лесах встречаются две группы древесных пород: хвойные и лиственные. Древесина хвойной породы имеет невысокую плотность, по сравнению с лиственными породами обрабатывается легче. Ствол имеет правильную форму - это позволяет использовать ее в строительстве более полно. Смолистость повышает ее технические свойства. Чаще всего применяют сосну, ель, лиственницу, кедр и пихту.

Лиственные породы уступают хвойным по запасам древесины, зато превосходят их по многообразию. Лиственные породы используются в строительстве гораздо реже хвойных. Больше всего применяются в строительстве такие породы как дуб, бук, ясень, ольха, осина, береза.

Строительные материалы из древесины.

Основные виды лесных строительных материалов.

1. Круглые лесоматериалы – бревна строительные из хвойных и лиственных пород. Получаются по следующей схеме: ствол поваленного дерева очищается от сучьев, отпиливается от корневой системы. Длина бревна колеблется от 3 до 6,5 м, диаметр верхнего отруба - от 6 до 34 см. Используется для несущих конструкций зданий и пролетных строений мостов, для ЛЭП и др.

2. Пиломатериалы – получают продольной распиловкой древесины. По геометрической форме и размерам разделяются на пластины (половина бревна), четвертины, доски, горбыль (крайние спилы), брус (размером 100 на 100 мм). По характеру обработки делят на обрезные (пропилены со всех 4 сторон) и необрезные (кромки не пропилены), строганные (с пазом, гребнем) и нестроганные.

3. Измельченные лесоматериалы. К этой категории относятся: технологическая щепа, технологические опилки, стружка и древесная мука. Данный вид строительного материала получается из низкокачественной древесины и отходов лесопиления; используется для производства ДСП, ДВП, а также как сырье (заполнитель) для получения арболита, фибролита, ЦСП.

4. Композиционные древесные материалы.

Фанера представляет собой листовой материал, склеенный из трех и более слоев лущеного шпона.

Технология производства ламинированной фанеры. Для производства отбирают стволы деревьев диаметром 20-40 мм и длиной 5,2 м. На этапе подготовки древесина подвергается проварке в специальных бассейнах в течение 24 ч. Температура в бассейне поддерживается в пределах 35-45⁰ С . Благодаря этому, древесина приобретает пластичность. Проваренный фанерный кряж подается в отделение по окорке (очистки от коры) и распиловке (на чурбаки – короткие бревна длиной 1,3 или 2,6 м). Далее на специальных станках с чурбака срезается непрерывная тонкая лента шпона. Самый тонкий шпон получается из российской березы 1,2-1,5 мм, толщина шпона из хвойных пород - 2-4 мм. После лущения лента шпона подается на автоматические ножницы, где происходит рубка на стандартные листы размером 1,3 × 2,6 м. Далее разрезанные листы поступают на сушку, где обдуваются горячим воздухом (за 8-10 мин из шпона уходит до 90 % влаги).

После сушки происходит сортировка листов (по наличию дефектов, по полноте просушки), при необходимости материал отправляется на досушку или починку (участки с выпавшими сучками и трещинами вырезаются, на их место приклеиваются новые). Далее листы промазываются клеем на основе фенол-формальдегидной смолы и укладываются друг на друга до набора определенной толщины (из березы от 3 до 40 мм). При этом направление волокон в каждом слое меняют так, чтобы они были перпендикулярны друг другу. Это придает фанере большую прочность и деформационную стойкость в любом направлении (очень важно для опалубки).

Полученная стопа отправляется на подпрессовку (холодное прессование) для получения цельного пакета, необходимого для транспортировки в пресс. Время подпрессовки составляет 5-10 мин, давление 1-1,5 МПа. Далее следует горячее прессование при температуре 120-130⁰ С и давлении 1,2-1,8 МПа.

После прессования склеенные листы обрезаются с четырех сторон до установленных размеров (например, 1250-2500 мм) с точностью ± 3 мм. После этого с помощью шлифовальной ленты (шкурка) фанере придается гладкая поверхность. После чего, с двух сторон на фанеру наносится пленка, и в таком виде она подается на прессование, в процессе которого пленка сцепляется с поверхностью фанеры. Пленка необходима для защиты фанеры от влаги, механических повреждений. Далее на торцы фанеры наносится водоэмульсионная краска для защиты от попадания влаги.

Толщина фанеры: от 1,5 до 18 мм. Фанера из березы имеет малую толщину до 3мм. Листы фанеры выпускаются длиной до 3 м и шириной до 2 м.

Ламинированная фанера используется, главным образом, для изготовления опалубки при бетонировании конструкций. Ее преимущества:

• Легкость;

• Гладкая поверхность (что позволяет получить бетон с ровной и гладкой поверхностью);

• Легко обрабатывается (пилится, сверлится, не растрескиваясь).

Кроме опалубки фанеру используют для обшивки стен, устройства перегородок и др.

Древесностружечные плиты, изготавливаемые путем горячего прессования специально приготовленных древесных стружек с термоактивными жидкими полимерами (на основе фенолформальдегидных смол). Стружку получают на специальных стружечных станках, используя сырье в виде отходов деревообработки. Плотность таких изделий колеблется от 550 до 800 кг/м³. Водостойкость плит зависит от вида связующего и породы стружки.

Плиты применяются для изготовления строительных панелей, подоконников, дверей и др.

Древесноволокнистые плиты (ДВП) изготавливают путем горячего прессования волокнистой массы, состоящей из древесных волокон, воды, наполнителей, полимера и специальных добавок. Древесные волокна получают из отходов деревообработки. Древесину на рубильных машинах перерабатывают в щепу, которую пропаривают в растворе едкого натра. Затем щепу измельчают до тонких волокон. Последние обрабатываются паром при Т=160⁰С и Р=0,6-1 МПа и смешивают с водой, полимером и добавками. Далее масса подается на сетку, выкладывается тонким слоем, обезвоживается и разрезается на плиты. После чего подвергается сушке. При получении твердых плит используется прессование массы. Плотность ДВП колеблется от 150 до 950 кг/м³. ДВП используют для устройства перегородок, облицовки стен, потолков, настилки полов.

Защита древесины. Для защиты древесины от загнивания в процессе эксплуатации используют как конструкционные, так и химические меры. К первым относится создание неблагоприятного температурного и влажностного режима для развития грибков. Второй заключается в пропитке древесины антисептиками (соли хрома, мышьяка, цинка, фторид натрия).

Также древесину защищают от насекомых, методом окуривания в течение 2-3 дней ядовитыми газами (сероуглеродом).

Для защиты древесины от возгорания используют антипирены. Наиболее распространенные антипирены получают на основе фосфата и сульфата аммония. Кроме пропитки используют окрашивание древесины огнестойкими красками (силикатные краски на основе жидкого стекла). Пропитку проводят либо в ваннах, либо под давлением.

Лекция 8

Искусственные строительные материалы на основе

органических вяжущих.

К органическим веществам относят: полимерные материалы и изделия, битумные и дегтевые вяжущие вещества и бетоны на их основе.

Полимерные материалы и изделия из них.

Полимерами называют химические вещества, в которых каждая молекула представляет собой цепь из множества последовательно соединенных одинаковых групп атомов, причем одна и та же группа атомов повторяется много раз. Структуру такой молекулы можно представить в виде цепи, сделанной из тысяч одинаковых звеньев.

Цепи, из которых слагаются полимеры, называются макромолекулами. В зависимости от формы макромолекул полимерные соединения подразделяют на линейные, разветвленные и сетчатые.

У линейных полимеров макромолекулы представляют собой сотни или тысячи элементарных звеньев мономеров, соединенных внутримолекулярными связями в бесконечные цепи (а).

У разветвленных полимеров цепи образуют ответвления, состоящие также из элементарных звеньев мономеров (б).

У сетчатых полимеров цепи образуют пространственную сетку (в).

Рис. 7 Строение высокомолекулярных соединений.

Линейные и разветвленные относятся к термопластичным, а сетчатые - к термореактивным полимерам. Термопластичными называют полимеры, способные обратимо размягчаться при нагреве и отвердевать при охлаждении, сохраняя основные свойства. Термореактивными называют полимеры, которые, будучи отверждены, не переходят при нагреве в пластичное состояние, а претерпевают деструкцию и загораются.

Сырьем для полимеров может быть природный газ, «попутный» газ, продукты переработки нефти, каменноугольный деготь и др.

Синтетические полимеры могут быть получены двумя основными способами: полимеризация и поликонденсация. При реакции полимеризации происходит объединение однородных мономеров с последующим образованием нового высокомолекулярного вещества (полимера) без выделения каких-либо побочных продуктов. По такой схеме получается полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, поливинилацетат и др.

Поликонденсация заключается в образовании нового высокомолекулярного вещества – полимера и сопровождается выделением каких-либо побочных продуктов (например, Н₂О, аммиак и т.п.). По этой реакции получаются фенол-формальдегидные полимеры, полиуретаны, кремнийорганические полимеры, эпоксидные и др.

Пластмассы – это материалы, в состав которых входят полимеры (связующее), наполнитель (аналог заполнителя в бетоне; удешевляет, повышает ряд свойств, например, прочность), а также пластификатор, отвердитель, стабилизатор (способствует сохранению структуры) и краситель.

Достоинства пластмасс: низкая плотность, при этом ряд материалов имеют высокую прочность (текстолит 150 МПа); низкая теплопроводность; высокая химическая стойкость; устойчивость к коррозии; способность окрашиваться; малая истираемость; легкость обработки (пиление, сварка, сверление и др.). Пластмассы легко перерабатываются в изделия требуемой формы и заданных размеров.

Недостатки: низкая теплостойкость (70-200⁰ С); низкая поверхностная твердость; высокий коэффициент термического расширения (в 2,5 - 10 раз выше стали); повышенная ползучесть; горючесть с выделением вредных газов.

Недостаточно изучен вопрос об их долговечности.

Примеры использования полимеров в производстве строительных материалов.

1. Полимербетоны – композиционные материалы, изготавливаемые на основе термореактивных полимеров. Заполнители выбирают в зависимости от вида агрессивной среды (то есть обычный цементный бетон только в качестве вяжущего - полимеры). В отличие от цементных бетонов полимербетоны обладают высокой химической стойкостью, повышенными прочностными характеристиками. Применяют полимербетоны для химически стойких конструкций, износостойких покрытий, высокопрочных сред. Недостаток: высокая стоимость, большая ползучесть, недолговечность.

Также полимеры вводятся в состав обычного цементного бетона (например, ПВА в количестве 10-20 %). В результате повышается предел прочности на изгиб и растяжение. Такие бетоны применяются для обустройства полов.

2. Стеклопластики – это листы, полученные путем пропитывания стеклянного волокна синтетическими смолами. Волокна тесно сцепляются со смолой и подобно арматуре в ЖБИ существенно улучшают физико-механические свойства изделия. Связующим веществом в стеклопластиках служат феноло-формальдегидные, эпоксидные полимеры. Прочность на изгиб 2400 – 5500 кг/см², прочность на растяжение 2200-3500 кг/см². Из стеклопластика изготавливают трубы, емкости, его используют для устройства кровель, ограждений.

3. Пластмассовые (полимерные) трубы получают из полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида.

Пластмассовые трубы получают экструзивным способом (выдавливанием) с помощью обогреваемого шнека. Также их получают прессованием или склеиванием из листовых заготовок.

Трубы выпускают диаметром 6-150 мм при толщине стенок 2-8 мм. Они рассчитаны на рабочее давление до 1,2 МПа. Монтаж трубопроводов осуществляют сваркой встык или с помощью муфт, а также с помощью фланцевых соединений.

Преимущества:

- легкие (в 3-8 раз легче стальных), при этом имеют достаточную прочность;

- высокая эластичность, что позволяет их вписывать в повороты трассы;

- не подвержены коррозии;

- высокая водо- и химическая стойкость;

- низкая теплопроводность;

- высокая пропускная способность (на 10-15 % выше, чем у стальных) вследствие высокой гладкости;

- возможность использования щадящих методов прокладки (узкотраншейные, бестраншейные технологии);

- высокая скорость монтажных работ.

Недостатки:

- низкая теплостойкость, нетерпимость к прямому воздействию солнечных лучей;

- релаксация – все термопласты в зависимости от нагрузки и времени теряют свои прочностные характеристики;

- повышенная стоимость.

Пластмассовые трубы применяются для монтажа систем водоснабжения, канализации и вентиляции.

Полиэтиленовые трубы изготавливаются диаметром 10-1200 мм и выпускаются в бухтах и отрезках длиной 6-12 м.

Преимущества: высокая коррозионная стойкость; устойчивость к отрицательным температурам (до -20⁰ С); высокая эластичность.

Полипропиленовые трубы занимают второе место по использованию. Их свойства близки к полиэтиленовым, но отличаются более высокой жесткостью. Поэтому трубы выпускают в виде мерных отрезков, что требует большого количества соединительных элементов при монтаже.

Поливинилхлоридные трубы изготавливают с раструбом и без, диаметром - 10-350 мм. Преимущества: пониженная горючесть, повышенная химическая стойкость, менее чувствительны к УФ-излучению. Недостатки – неэкологичны. Применяют для напорной и безнапорной канализации, для прокладки технологических трубопроводов, для прокладки электрокабеля.

4. Клей из синтетических материалов обладает высокой клеящей способностью и водостойкостью. В отличие от природных клеев они хорошо склеивают древесину, пластмассы, металлы, керамику, стекло. Прочность клеевых стыков в ряде случаев выше прочности материала. Также изготавливаются мастики, краски на основе латекса.