9. Древесные строительные материалы и изделия

Одна треть нашей страны покрыта лесами, где преобладают такие ценные для строительства породы, как сосна, ель, лиственница. Эти породы отличаются высокими прочностными свойствами и высоким коэффициентом конструктивного качества.

Древесина – высокопористый продукт живой природы, отлича­ющийся специфическим волокнистым строением, предопределяющим своеобразие ее физико-механических свойств, широкое и многооб­разное использование в различных отраслях народного хозяйства. Благодаря этим свойствам лесные материалы, а также изделия и конструкции на их основе могут достаточно долго работать в различ­ных условиях эксплуатации.

К положительным свойствам древесины относится высокая ме­ханическая прочность и одновременно с этим лёгкость, что позволяет отнести ее к эффективным материалам с достаточно высоким коэффициентом конструктивного качества.

Древесина способна поглощать ударные нагрузки и гасить вибра­ции, она отличается высокими тепло-, звуко- и электроизоляцион­ными свойствами, химической стойкостью к кислотам и щелочам, легко обрабатывается резательными инструментами, хорошо удер­живает металлические и другие крепления, надёжно склеивается и, наконец, обладает естественной декоративностью, что делает ее по­пулярным отделочным материалом.

К отрицательным свойствам древесины относятся анизотропность, т.е. неоднородность структуры и свойств в различных направлениях по отношению к расположению древесных волокон; повышенная гигроскопичность и водопоглощение, предопределяющие изменение важнейших физико-механических характеристик за счёт неравномерного разбухания, коробления и растрескивания.

Структура древесины отличается значительной неоднород­ностью. Это видно невооружённым глазом на разрезах ствола: поперечном, радиальном и тангенциаль­ном. Ствол дерева состоит из многочисленных клеток, вытянутых в основном по его длине. Клетки определённым образом груп­пируются и создают на торце ствола систему концентрических колец. Вместе с другими элементами они формируют макро­структуру древесины.

Макроструктура древесины различима невооружённым гла­зом или при небольшом увеличении. Выделяют следующие основные элементы макроструктуры: сердцевину, ядро, заболонь, камбий и годичные слои.

Микроструктура древесины представлена большим числом мельчайших клеток. Оболочки клеток состоят в основном из органического вещества – целлюлозы. Это природный полимер, нерастворимый в воде и органических растворителях. Целлюло­за образует систему первичных волокон, называемых микро­фибриллами. Первичные волокна расположены в оболочках кле­ток в несколько слоёв.

Свойства древесины характеризует комплекс показателей, в число которых входят внешний вид, цвет, текстура, плотность, пористость, влажность, усушка, прочность, твёрдость.

Внешний вид зависит в основном от цвета и текстуры древесины.

Цвет часто служит одним из важнейших признаков при рас­познавании породы дерева. Все многообразие цве­товых оттенков связано с находящимися в древесине красящими, дубильными и смолистыми веществами.

Текстура – это рисунок, образующийся на поверхности дре­весины при перерезании её волокон, годичных слоёв и сердце­винных лучей. Древесина хвойных пород обладает, как правило, простой и однообразной текстурой. Лиственные породы с ярко выраженными сердцевинными лучами – дуб, бук – отличаются очень красивой текстурой на радиальном и тангенциальном раз­резах.

Плотность значительно влияет на свойства древесины, особенно на прочность. Независимо от породы дерева истинную плот­ность принимают равной 1530 кг/м³. Средняя плотность колеблется в широких пределах. Так, средняя плотность, опре­делённая при стандартной 12 %-й влажности, равна для древеси­ны, кг/м³: сосны – 500; ели – 450; дуба – 690; бука – 670; берё­зы – 630; липы – 500; клёна – 700. Она изменяется в зависимости от влажности древесины.

Пористость древесины связана с её плотностью. С умень­шением средней плотности от 800 до 300 кг/м³ пористость воз­растает с 55 до 80 %. Следовательно, большую часть объёма древесины занимают поры.

Теплопро­водность древесины составляет 0,16...0,3 Вт/(м׺С). В продольном направлении во­локон она в 1,8 раза выше, чем в поперечном.

Влажность древесины существенно влияет на её физические и механические свойства. По влажности различают древесину:

– мокрую (более 100 % влажности по массе);

– свежесрубленную (более 35 %);

– воздушно-сухую – 15…20 %;

– комнатно-сухую – 8…12 %;

– абсолютно сухую, высушенную до постоянной массы древесину.

Стандартной считают влажность древесины – 12%.

Усушка и набухание – изменение линейных размеров древесины при изменении её влажности. Вдоль волокон линейная усушка не превышает 0,1 %, поперёк волокон – 3…6 %. Вызванные усушкой напряжения могут привести к появлению трещин.

Твёрдость имеет большое значение при обработке древеси­ны режущим инструментом. Наибольшей твёрдостью обладает торцовая поверхность. По степени твёрдости все древесные по­роды разделяют на три группы:

– мягкие (торцовая твёрдость – менее 38,5 МПа при 12 %-й влажности) – сосна, ель, кедр, пихта, липа, тополь, ольха;

– твёрдые (торцовая твёрдость – 38,5…82,5 МПа) – листвен­ница, берёза, бук, вяз, дуб, ясень, клён;

– очень твёрдые (более 82,5 МПа) – акация белая, берёза же­лезная, граб, тисс, кизил, самшит.

Прочность древесины вдоль волокон составляет 40…60 МПа и сопоставима с прочностью бетона. Прочность при сжатии поперёк волокон составляет 0,15…0,3 от предела прочности вдоль волокон. Прочность при растяжении вдоль волокон в 2 – 3 раза больше прочности при сжатии вдоль волокон и составляет 100…120 МПа. Прочность при изгибе составляет 60…110 МПа. Прочность при изгибе у древесины выше, чем у большинства строительных материалов.

Механические свойства древесины зависят от влажности. Для получения сравнимых результатов прочность древесины при фактической влажности пересчитывают на прочность при стандартной влажности по формуле:

R12 = RW [1 + α (W – 12)],

(20)

где R₁₂ и R_W соответственно пределы прочности образцов при 12 %-ной и W влажности в момент испытаний, α – поправочный коэффициент на влажность, показывающий на сколько изменяется прочность при изменении влажности на 1%.

Породы по ряду биологических признаков принято подразделять на хвойные и лиственные. Хвойные породы: сосна, лиственница, кедр.

Сосна – наиболее распространённая хвойная порода. Древесина сосны светло-золотистого цвета, имеет хорошие физико-механические и эксплуатационные характеристики, хорошо поддаётся обработке. Из сосны изготавливают несущие деревянные конструкции, фанеру.

Лиственница более плотная и прочная, является более стойкой против загнивания, характеризуется большей смолистостью. Её можно применять в подземных сооружениях, в качестве свай и для гидротехнических сооружений: мостов, причалов.

Ель и пихта – распространённые хвойные породы, древесина которых отличается малой смолистостью, но высокой прочностью. Из них изготавливают конструкции, эксплуатируемые в сухих условиях.

Кедр имеет лёгкую прочную и легко обрабатываемую древесину.

Лиственные породы применяют в строительстве реже, чем хвойные. Из всего многообразия лиственных пород в строительстве нашли применение дуб, ясень, бук, берёза и осина.

Дуб обладает тяжёлой, плотной, и очень твёрдой древесиной с желтоватой красивой текстурой. Она хорошо сохраняется на воздухе и в воде. Из дуба делают высококачественный паркет, фанеру, дверные и оконные блоки.

Бук имеет плотную и прочную древесину с желтоватым оттенком. Бук применяют для изготовления паркета, фанеры, погонажных изделий.

Ясень имеет тяжёлую, твёрдую и прочную древесину, напоминающую дуб, но более светлой окраски.

Берёза – самая распространённая в наших лесах лиственная порода. Древесина берёзы твёрдая и прочная в сухих условиях, но не долговечная во влажных.

Осина имеет мягкую и лёгкую древесину белого цвета с зеленоватым оттенком, во влажном состоянии она быстро загнивает. Осина легко раскалывается вдоль волокон, поэтому её хорошо использовать для изготовления фанеры.

Пороки строения древесины – отклонения от нормального расположения волокон в стволе дерева:

– наклон волокон (косослой) – непараллельность древесины продольной оси пиломатериала;

свилеватость – волокна древесины расположены в виде волн и завитков;

– крень – годовые кольца имеют разную толщину и плотность по разные стороны от сердцевины;

– завиток – представляет собой местное искривление годичных слоёв у сучков и проростей.

Сучки – самый распространённый порок, представляющий собой основание ветвей дерева. Сучки бывают сросшиеся и несросшиеся, лапчатые, загнившие. Сучки снижают прочность пиломатериала, количество и расположение сучков определяют сортность древесины.

Трещины могут появиться и на растущем, и на срубленном дереве:

– метиковая – одна или несколько внутренних трещин, идущих от центра к периферии вдоль ствола;

– морозобой – наружная открытая продольная трещина, сужающаяся к центру;

– отлупная – частичное или полное отделение центральной части ствола по годовым кольцам от периферийной в результате усушки.

– трещины усушки – образуются в результате неравномерной сушки древесины.

Грибные поражения и химические окраски вызываются простейшими живыми организмами (грибами, микроорганизмами, червоточины).

Материалы из древесины, сохранившие её природную физи­ческую структуру и химический состав, называют лесоматериа­лами. Их подразделяют на необработанные (круглые) и обрабо­танные (пиломатериалы, колотые лесоматериалы, шпон и др.).

По способу механической обработки все лесоматериалы подраз­деляются на шесть классов:

Круглые лесоматериалы, получаемые поперечным делением хлыста на отрезки различной длины. В зависимости от диамет­ра верхнего торца круглые лесоматериалы подразделяют на бревна, подтоварник и жерди.

Бревна строительные должны иметь диаметр верхнего торца не менее 14 см, длину в пределах 4…6,5 м, ошкуренную поверхность, а торцы спиливаются под прямым углом. При строительстве срубов все большее распространение получают оцилиндрованные бревна, обработанные на токарном станке без сбега.

Подтоварник – бревна с диаметром верхней части 8…13 см и длиной 3…9 м. Его используют для различных целей в жилищном и сельскохозяйственном строительстве, а также для вспомогательных и временных сооружений.

Жерди имеют верхний диаметр – 3…8 см, длину 3…9 м. Эти материалы применяют там же где и подтоварник.

Пилёные лесоматериалы, изготовляемые продольным пиле­нием круглого леса с последующей поперечной распиловкой полученного полуфабриката. По форме поперечного сечения разли­чают следующие виды пиломатериалов:

– пластины – половинки брёвен, распиленных по оси ствола;

– четвертины – части брёвен, распиленных по двум взаимно перпендикулярным диаметрам;

– брусья – пиломатериал, имеющий ширину и толщину более 100 мм. По числу пропиленных сторон бывают двух-, трёх- и четырёхкантные;

– бруски – пиломатериал толщиной до 100 мм при соотноше­нии ширины к толщине менее 2;

– доски – пиломатериал, толщиной до 100 мм при соотноше­нии ширины к толщине более 2. Их разделяют на тонкие, тол­щиной до 32 мм, и толстые, толщиной более 32 мм для листвен­ных пород и более 40 мм – для хвойных. Тонкие называют тё­сом. В зависимости от чистоты опиловки доски бывают необрезные, с неопиленными кромками на всю длину доски или на половину длины, и обрезные, с кромками, пропиленными по всей длине (в данном случае сечение доски представляет собой правильный прямоугольник) или более чем на половину длины доски;

– обапол – боковая часть, образующаяся при распиловке бревна на доски или бруски. Одна сторона у него полностью пропиленная, вторая — частично (дощатый обапол) или непро- пиленная (горбыльный обапол).

Лущёные лесоматериалы, получаемые резанием древесины по спирали (лущением). Путём лущения – срезания слоя древесины в виде непрерывной ленты с вращающегося предварительно окоренного и нагретого (рас­паренного) отрезка ствола – получают шпон толщиной от 0,55 до 1,5 мм.

Шпон изготавливается из берёзы, ольхи, бука, дуба, ясеня, иль­ма, липы, сосны, лиственницы, кедра в виде листов толщиной 0,55; 0,75; 0,95; 1,15; 1,5 мм, шириной (поперёк волокон древесины) от 150 до 800 мм с градацией через 50 мм и от 800 до 1600 мм с града­цией через 100 мм. В качестве полуфабриката лущёный шпон используется для изготовления клеёной фанеры, слоистых пластиков и облицовки (фанерования) изделий из древесины.

Строганые лесоматериалы, изготавливаемые резанием древесины ножами, формирующими плоскую поверхность раздела. Шпон строганый изготавливается главным образом из древесных пород, обладающих красивой текстурой, цветом и рисунком (дуб, ясень, бук, чинара, лиственница, тис и некоторые разновидности экзотических пород – красное, лимонное дерево и др.), и используется как облицовочный материал.

Строганием получают также штукатурную дрань, толщиной 4 мм, шириной 19, 22, 25 и 32 мм и длиной от 500 до 1500 мм с градацией в 100 мм. На специальных строгальных станках из отрезков древесины осины, тополя, ольхи и хвойных (кроме лиственницы) пород изготавливают кровельную щепу толщиной 2…3 мм, шириной от 50 до 120 мм и длиной от 350 до 1000 мм с градацией 50 мм.

Колотые лесоматериалы, производимые продольным разделением древесины клиновидными инструментами. Путём раскалывания получают колотые балансы. После удале­ния ядровой гнили из низкокачественной древесины при раскалыва­нии поленьев образуется полноценное сырье для выработки целлю­лозы и древесной массы.

Измельчённые лесоматериалы, получаемые переработкой древесины на специальном оборудовании (рубильном, строгальном, размольном). К этой категории материалов относятся технологическая щепа, технологические опилки, стружка и древесная мука. Технологическая щепа, получаемая в виде товарной продукции из низкокачественной древесины и круглых отходов лесопиления, широко используется в производстве древесностружечных и древесноволокнистых плит, а также в качестве исходного сырья для изготовления древесных заполнителей в таких композиционных материалах и изделиях на их основе, как арболит, фибролит, цементно-стружечные плиты.

Изделия из древесины. Элементы небольшого поперечного сечения – деревянные фрезерованные детали, называемые погонажными (их измеряют погонными метрами): плинтусы, галтели, карнизы, пояски, наличники, поручни для лестничных перил, обшивки, раскладки, а также доски и бруски для покрытия полов (на одной кромке имеют паз, на другой – гребень).

Столярные плиты состоят из внутреннего шита, который изготовляют из узких реек путём их тесного состыковывания впритык, и наклеенных на него с обеих сторон шпона в один или два слоя. Для производства столярных плит используют древесину хвойных и лиственных мягких пород, главным образом отходы производства (горбыли, рейки и др.). Размеры столярных плит: длина – до 2500 мм, ширина – до 1525 мм, толщина – до 30 мм. Из этих плит изготовляют двери, перегородки, щитовую мебель и пр.

Изделия для паркетных полов – штучный паркет (дощечки длиной 150…450 мм и шириной 30…60 мм с пазами и гребнями), щитовой паркет, паркетные доски (клеёные трёхслойные конструкции, состоящие их шпона, твёрдой породы и основания из сосновых или еловых реек).

Фанера – склеенные между собой три и более листов шпона, с волокнами, расположенными перпендикулярно.

Столярные изделия строительного назначения – оконные и дверные блоки, выпускаемые на предприятиях, окрашенными и антисептированными.

Строительные конструкции и детали из древесины: комплекты деревянных домов, балки, фермы (получаемые склеиванием).

Материалы из отходов древесины – древесностружечные плиты, древесноволокнистые плиты, в которых древесина в виде стружки или опилок используется как наполнитель в сочетании с полимерным или минеральным связующим. Такие плиты используют для обшивки полов, потолков, стен, устройства перегородок.

В последние годы все шире применяют клеёные конструкции, крупноразмерные элементы, изготовляемые путём склеивания сравнительно небольших деревянных заготовок друг с другом или с другими материалами, – арки, балки двутаврового сечения, блоки и т. п. Они отличаются большей прочностью, водостойкостью, био- и огнестойкостью, чем обычные конструкции из древесины, не подвержены усушке и короблению. Использование клеёных конструкций – один из наиболее экономически эффективных путей применения древесины в строительстве.

Долговечность и надёжность строительных конструкций из древесины зависит от условий хранения и сушки, условий эксплуатации древесных материалов. Кроме того, для изменения некоторых свойств, придания древесине особых качеств её подвергают обработке механическими, физическими и химическими методами.

Защита древесины от загнивания и поражения насекомыми. Существует ряд конструктивных мер для предотвращения загнивания древесины – изоляция её от грунта, каменной кладки, бетона; проветривание деревянных конструкций; защита от атмосферных осадков лакокрасочными покрытиями или гидроизоляционными материалами. Но эти меры не всегда могут полностью предохранить древесину от увлажнения, и возникает необходимость в антисептировании деревянных материалов и изделий.

Антисептики – это химические вещества, которые убивают грибы, вызывающие гнили, или создают среду, в которой их жизнедеятельность прекращается. Антисептики должны обладать токсичностью только по отношению к грибам и быть безвредными для людей и животных, не ухудшать качества древесины, не вызывать коррозию металлических креплений.

Защита древесины от возгорания. Древесина относится к легко возгораемым материалам. Её возгорание происходит при температуре 260…290 ºС, а при нагревании выше 350 ºС она может воспламениться из-за выделяющихся газов, поэтому деревянные конструкции удаляют от источников нагревания; деревянные элементы покрывают штукатуркой или облицовывают несгораемыми материалами (например, асбестоцементными); окрашивают огнезащитными красками или пропитывают специальными веществами – антипиренами.

Огнезащитное действие антипиренов основано на том, что при нагревании древесины одни из них образуют оплавленную плёнку на поверхности древесины, а другие – выделяют негорючие газы, оттесняющие воздух и выделяемые деревом при нагревании горючие газы от поверхности древесины.