3. Определение пористости горных пород
Пористость, характеризующая степень заполнения объема образца породы порами, подсчитывают в процентах по установленным величинам истинной плотности и средней плотности горной породы по формуле
p = (1 − (ρг.п/ρв-ва)) .100 %,
где p − пористость горной породы, %; ρг.п – средняя плотность горной породы, г/см3; ρв-ва − истинная плотность вещества горной породы, г/см3.
4. Определение водопоглощения горных пород
От горной породы отбирают по 3 образца, которые после предварительного высушивания взвешивают с погрешностью 0,01 г. Насыщение водой производят при кипячении в течение 1 часа. Уровень воды в сосуде должен быть выше уровня верха образцов не менее чем 2 см. После кипячения образцы охлаждают до комнатной температуры. Затем образцы поочередно вынимают из воды, обтирают влажной тканью и взвешивают.
Водопоглощение определяют по массе поглощенной воды в процентах от массы сухого образца
(mнас − mсух)
Wm = ------------------ .100 %,
mсух
где Wm − водопоглощение образца по массе, %; mнас – масса образца в водонасыщенном состоянии, г; mсух – масса сухого образца, г.
Показатель водопоглощения горной породы подсчитывают как среднее арифметическое испытаний 3 образцов.
Выводы по работе
На основе анализа результатов исследований, полученных всей подгруппой и оформленных в отчете в виде сводной таблицы, необходимо сделать заключение о зависимости показателей плотности, пористости, водопоглощения от их состава, строения и условий образования.
Контрольные вопросы
1. Что произойдет с кварцем и кварцсодержащими горными породами при нагревании до 600 оС?
1. Разрушатся. 2. Расплавятся. 3. Сгорят. 4. Ничего не произойдет.
2. Назовите представителя природных каменных материалов из магматических горных пород. 1. Мрамор. 2. Гранит. 3. Известняк. 4. Мел.
3. Назовите представителя природных каменных материалов из осадочных горных пород. 1. Мрамор. 2. Гранит. 3. Известняк. 4. Сиенит.
4. Назовите представителя природных каменных материалов из метаморфических горных пород. 1. Мрамор. 2. Гранит. 3. Известняк. 4. Мел.
5. Какая формула соответствует кальциту?
1. CaSo4. 2. CaCo3MgCo3. 3. CaCo3. 4. Ca(hco3)2.
6. Какие магматические горные породы называют аналогами?
1. Горные породы с одинаковой степенью закристаллизованности.
2. Горные породы, образовавшиеся из магмы с одинаковым химическим составом, но при различных условиях охлаждения и затвердевания.
3. Горные породы, содержащие кремнезем.
4. Горные породы с одинаковой пористостью.
7. Назовите представителя породообразующих минералов из группы сульфатов. 1. Кварц. 2. Ангидрит. 3. Доломит. 4. Кальцит.
8. На какие основные группы подразделяют горные породы согласно генетической классификации?
1. Рыхлые, обломочные, сцементированные.
2. Магматические, органогенные, глубинные.
3. Полнокристаллические, скрытокристаллические, аморфные.
4. Магматические, осадочные, метаморфические.
9. Назовите факторы, вызывающие метаморфизм горных пород.
1. Процессы физического выветривания и химического разложения.
2. Химические и биологические процессы.
3. Действие высоких температур газов и растворов.
4. Процессы аморфизации структуры.
10. Какие условия являются благоприятными для процесса кристаллизации магмы и формирования полнокристаллического строения горных пород?
1. Медленное и равномерное охлаждение при большом давлении.
2. Медленное и равномерное охлаждение при нормальном давлении.
3. Быстрое и неравномерное охлаждение при большом давлении.
4. Быстрое и неравномерное охлаждение при нормальном давлении.
11. Какие условия являются благоприятными для процесса аморфизации магмы и формирования аморфной структуры горных пород?
1. Медленное и равномерное охлаждение при большом давлении.
2. Медленное и равномерное охлаждение при нормальном давлении.
3. Быстрое и неравномерное охлаждение при большом давлении.
4. Быстрое и неравномерное охлаждение при нормальном давлении.
12. Почему мрамор не рекомендуется применять для наружной облицовки зданий и сооружений?
1. Вследствие его низкой плотности и малой морозостойкости.
2. Мрамор теряет свои декоративные свойства вследствие коррозии.
3. Под действием солнечной радиации мрамор темнеет.
4. Мрамор плохо поддается механической обработке из-за высокой прочности и твердости.
13. Для чего горную породу измельчают в тонкий порошок при определении истинной плотности?
1. Для того, чтобы разрушить кристаллическую решетку.
2. Для ликвидации пор и дефектов строения горной породы с целью получения объема абсолютно плотного материала.
3. Для удобства помещения пробы материала в пикнометр.
4. Для того, чтобы навеску взвесить с погрешностью 0,01 г.
Лабораторная работа № 2
СТРОИТЕЛЬНАЯ ДРЕВЕСИНА
Общие сведения
Древесина является весьма распространенным строительным материалом, который широко применяется в строительстве благодаря ряду положительных свойств: высокая прочность при малой плотности, малая теплопроводность, легкость механической обработки, простота скрепления отдельных элементов, высокие декоративные показатели.
Вместе с тем древесина имеет ряд недостатков, связанных с ее растительным происхождением. Строительные свойства древесины существенно ухудшаются за счет ее анизотропности, гигроскопичности, наличия пороков, способности к загниванию.
Изучение строения древесины и ее физико-механических свойств необходимо для того, чтобы смягчить и ослабить влияние отрицательных свойств и в максимальной степени использовать положительные свойства при использовании ее в качестве строительного материала.
В зависимости от степени переработки различают:
− лесные материалы, получаемые путем механической обработки стволов дерева (бревна, пиломатериалы), в таком виде древесина сохраняет все присущие ей свойства;
− готовые изделия и конструкции, изготовляемые в заводских условиях (столярные плиты, оконные и дверные блоки, элементы и детали сборных домов, клееные конструкции), свойства древесины при этом используются более рационально;
− синтетические материалы, получаемые при глубокой переработке древесного сырья (древесноволокнистые и древесно-стружечные плиты, клееная фанера, арболит и др.), в которых вовлекаются в переработку почти все отходы, образующиеся при обработке древесины.
Для определения породы древесины и суждения о ее свойствах изучают макроструктуру древесины невооруженным глазом или под небольшим увеличением.
Древесина имеет анизотропное строение, поэтому для более полного представления о качестве макроструктуры древесины, ее изучают по трем разрезам ствола дерева (рис.5.):
– поперечный (торцевой) разрез – поперек оси ствола;
– радиальный продольный разрез – вдоль оси ствола по диаметру или радиусу;
– тангентальный продольный разрез – вдоль оси ствола по хорде.
В поперечном и радиальном разрезах ствола различают следующие основные части: кору, камбий, собственно древесину (заболонь и ядро) и сердцевину.
На этих же разрезах различимы концентрически расположенные годичные слои, каждый из которых соответствует одному году жизни дерева. Годичный слой состоит из кольца ранней и кольца поздней древесины, хорошо различимых на торцевом сечении большинства древесных пород.
Ранняя древесина, образованная весной и в начале лета, имеет светлые крупные тонкостенные клетки, большую пористость и невысокую прочность.
Поздняя древесина, образовавшаяся летом и в начале осени, имеет темный цвет, более высокие плотность и прочность. Чем толще слои поздней древесины, тем выше прочность древесной породы в целом.
Строительная древесина – освобожденная от коры ткань древесных волокон, которая содержится в стволе дерева. Ткань – группа клеток с одинаковым строением и функциями.
Рис. 5. Основные разрезы ствола дерева: а) 1 – поперечный (торцевой); 2 – радиальный; 3 – тангентальный; б) строение дерева на поперечном разрезе; 1 – кора; 2 – камбий; 3 – луб; 4 – заболонь; 5 – сердцевина; 6 – сердцевинные лучи
Изучая строение древесины под большим увеличением, можно увидеть, что основную ее массу составляют растительные клетки, вытянутые вдоль ствола (микроструктура). Некоторые клетки вытянуты в поперечном направлении (клетки сердцевинных лучей). Каждая клетка имеет оболочку (стенку), древесина растущего дерева содержит живые и отмершие клетки. В живых клетках содержится протоплазма, ядро и клеточный сок.
Срубленная древесина состоит из омертвевших клеток, т.е. из клеточных оболочек. Оболочки клеток сложены из нескольких слоев очень тонких волоконец, называемых микрофибриллами, которые, в свою очередь, состоят из длинных нитевидных цепных молекул целлюлозы – высокомолекулярного природного полимера (С6Н5О5) со сложным строением макромолекул, которые очень эластичны и сильно вытянуты.
Лиственные породы, называемые кольцесосудистыми (дуб, вяз, ясень), имеют крупные сосуды, которые располагаются в ранней части годичного слоя, и мелкие сосуды, собранные в группы или распределенные по всей площади поздней древесины.
В рассеяннососудистых лиственных породах (липа, береза, осина) крупных сосудов нет, и различия между ранней и поздней частью годичного слоя не наблюдаются.
Деревья хвойных пород сосудов не имеют, они состоят из замкнутых удлиненных клеток − трахеид. У большинства хвойных пород между трахеидами в поздней части годичного слоя находятся смоляные ходы − межклеточные пространства, заполненные смолой.
По назначению клетки делятся на три группы: проводящие, механические и запасающие.
Проводящие клетки служат для передачи питательных веществ от корней к ветвям и листьям. Они в основном находятся в камбии и заболони. В лиственных породах ими являются сосуды, расположенные вдоль оси ствола.
Механические клетки имеют вытянутую форму, толстые стенки и узкие внутренние полости, которые плотно соединены между собой. Эти клетки и придают древесине высокую прочность, занимая основной объем ствола.
Запасающие клетки находятся большей частью в сердцевине и сердцевинных лучах. Они служат для хранения и передачи питательных веществ живым клеткам в горизонтальном направлении. Эти клетки очень слабые и легко загнивают.
Большое влияние на свойства древесины оказывает ее влажность. Изменение влажности сказывается на прочности, плотности, теплопроводности, приводит к изменению формы и размеров изделия.
В древесине постоянно имеется влага гигроскопическая и капиллярная (свободная).
Гигроскопическая (связанная) влага за счет молекулярных сил адсорбции и капиллярной конденсации закрепляется в стенках клеток и покрывает поверхность мельчайших пор водными оболочками. Клетки при этом набухают, увеличиваются в объеме, что приводит к снижению прочности. Влажность древесины, соответствующая предельному количеству гигроскопической влаги, называется точкой насыщения волокон (ТНВ).
Капиллярная (свободная) влага заполняет полости клеток и межклеточное пространство в условиях водопоглощения при контакте древесины с водой.
Влажность, которую древесина набирает при длительном нахождении в условиях с постоянными значениями относительной влажности и температуры, называется равновесной.
В связи с тем, что основные свойства древесины находятся в непосредственной зависимости от влажности древесины, то все показатели ее свойств приводятся к стандартной влажности, равной 12 %.
Механические свойства древесины неодинаковы в различных направлениях и также зависят от многих факторов. Показатели строения и некоторых свойств древесных пород приведены в табл. 12.
Сильное влияние на качество древесины оказывают пороки древесины.
Пороками древесины называют изменения ее внешнего вида, нарушения правильности строения, целостности ее тканей и другие недостатки, снижающие качество древесины и ограничивающие возможности практического использования. По ГОСТ 2140 пороки древесины разделены на девять групп. В каждую группу входит несколько видов пороков. Некоторые из них делятся на разновидности.
Таблица 12
Средние показатели строения и свойств древесины
Порода |
Число годичных слоев в 1 см |
ρ¯, кг/м3 |
Предел прочности, МПа |
||
При сжатии вдоль волокон |
При статическом изгибе |
При растяжении вдоль волокон |
|||
Береза |
5 |
640 |
45 |
100 |
120 |
Бук |
7 |
650 |
46 |
94 |
130 |
Дуб |
6 |
720 |
52 |
94 |
130 |
Ель |
12 |
460 |
42 |
77 |
122 |
Осина |
5 |
500 |
37 |
77 |
130 |
Сосна |
6 |
530 |
44 |
60 |
115 |
Сучки являются самыми распространенными и неизбежными пороками древесины. Они нарушают однородность строения древесины, вызывают искривление волокон и годичных слоев, уменьшают рабочее сечение пиломатериалов, понижают прочность древесины, затрудняют ее механическую обработку и ухудшают внешний вид готовых изделий.
По состоянию древесины различают сучки здоровые, загнившие, гнилые и табачные.
По степени срастания различают сросшиеся, частично-сросшиеся, несросшиеся и выпадающие несросшиеся сучки.
По взаимному расположению – разбросанные, групповые и разветвленные.
Для изготовления несущих деревянных конструкций допускается древесина, имеющая лишь здоровые сучки, число и размеры которых ограничены для каждого сорта материала.
Трещины образуются в растущем дереве от усыхания ядра, раскачивания ветром, от мороза, а также при высыхании срубленного дерева.
По форме и расположению трещины делятся на сквозные и несквозные, на сомкнутые и разошедшиеся. Они могут располагаться как на одной плоскости (простые), так и на нескольких (сложные). Различают метиковые трещины, проходящие вдоль оси ствола через сердцевину, по радиусу или диаметру; отлупные, проходящие вдоль оси ствола по годичному кольцу; трещины усушки, возникающие от неправильной сушки и хранения сортамента; морозные, располагающиеся около корней и сучков и проходящие вдоль оси ствола через заболонь и камбий.
Пороки формы ствола. Сбежистость и закомелистость характеризуют соответственно постепенное и резкое изменение диаметра ствола по его длине. Кривизна – отклонение продольной оси сортамента от прямой линии.
Пороки строения древесины – неправильное расположение или развитие волокон и годичных слоев:
– обусловленные неправильным расположением волокон и годичных слоев (наклон волокон, свилеватость, завиток);
– обусловленные образованием реактивной древесины (крень, тяговая древесина);
– в виде нерегулярных анатомических образований (ложное ядро, прожилки, пятнистость);
– в виде ран (сухобокость, прорость, рак);
− проявляющиеся в виде ненормальных отложений (водослой, засмолок, кармашек);
– пасынки и глазки;
– двойная и смещенная сердцевина.
Химические окраски – ненормально окрашенные участки в срубленной древесине в результате развития химических и биохимических процессов (продубина, желтизна).
Грибные поражения (плесень, синева, гниль, дупло).
Биологические повреждения (червоточина, повреждения растениями и птицами).
Покоробленности возникают при неправильной распиловке, сушке или хранении древесины.
Инородные включения, механические повреждения и пороки обработки (обугленность, обдир коры, обзол, закорина, заруб, скол, вырыв).
Часть пороков значительно изменяет качество древесины, а некоторые повышают декоративность.
Цвет зависит от содержания красящих, дубильных и смолистых веществ и продуктов их окисления, имеющихся в полостях и стенках клеток. На цвет влияют возраст и район произрастания дерева, а также состояние древесины (влажность). Наибольшее количество пород древесины имеет розовато-бурые и красноватые тона, меньше – желтые и совсем мало пород, имеющих красные, черные и серые тона.
Цвета отдельных кусочков шпона в мозаичном наборе, вступая в определенные отношения, создают цветовую гамму. Отношение цветов может быть построено на контрасте, нюансе или тождестве, что определяется конкретной задачей. Цветовое решение подчиняется художественному содержанию набора. В случае украшения мебели, цветовое решение должно быть увязано с назначением, формой и цветом украшаемой мебели.
Свойства цветов – кажущееся удаление (приближение) цветовой поверхности от зрителя; слияние цветов на расстоянии; влияние цвета на кажущееся увеличение (уменьшение) размеров детали; изменение цвета при искусственном освещении; ощущение тепла или холода. Светлые элементы на темном фоне кажутся больше, а темные на светлом – меньше истинных размеров. Искусственный цвет также значительно изменяет цветовой тон и яркость.
Расширить и обогатить палитру помогает умелое использование законов восприятия цвета, в частности закона хроматического контраста:
− цвета взаимно влияют друг на друга;
− противоположные цвета спектра наиболее контрастны по отношению друг к другу. Помещенные рядом, они усиливают яркость и насыщенность;
− при соседстве близких по тону цветов, насыщенность обоих уменьшается;
− ахроматический тон на цветовом фоне приобретает цветовой оттенок.
Блеск − способность отражать световой поток. Он зависит от количества, величины и характера расположения сердцевинных лучей, вида разреза. Влияет освещение. Характер блеска неодинаков у разных пород. В значительной степени блеск проявляется у бука, клена, чинары, белой акации.
На блеск влияет также характер размещения сердцевинных лучей: чем крупнее сердцевинные лучи (дуб) и чем плотнее древесина, т.е. чем кучнее расположены сердцевинные лучи (клен), тем значительнее будет блеск.
В древесине различают следующие разновидности блеска:
− матовый (сатиновый) блеск – дуб, тополь, осина, береза, груша, липа, тик;
− шелковистый блеск – ива, вяз, ясень, черемуха, чинара, кедр, клен;
− муаровый блеск (с волнообразным отливом) – береза, лавровишня;
− золотистый блеск – черешня.
Блеск и цвет древесины зависят не только от ее природных свойств, но и от условий освещения, что называют светоотражением древесины. При поворачивании поверхности древесины по отношению к источнику света наблюдаются светотеневые переливы: матовые места становятся блестящими, темные – светлыми, и наоборот. Светотеневые переливы у одних пород хорошо заметны только на продольном разрезе, у других – на всех разрезах. Они существенно влияют на декоративные качества древесины, усиливая или ослабляя ее выразительные звучание. Под влиянием блеска цвет древесины меняет оттенок, приобретая золотистый или серебристый отлив.
Для усиления цвета и блеска древесины применяют:
− отбеливание – обработка древесины отбеливающими средствами (пергидроль, цианистая и щавелевая кислоты);
− обжиг пламенем газовой горелки с предварительной обработкой соляной кислотой для предотвращения растрескивания и коробления.
Текстура (рисунок, созданный природой) зависит от строения и вида разреза. Чем сложнее строение древесины и разнообразнее сочетания отдельных ее элементов, тем богаче текстура. Текстура лучше у кольцесосудистых древесных пород. На текстуру влияют также ширина годичных слоев, степень различия в окраске ранней и поздней древесины, наличие сердцевинных лучей и капа, направление волокон, свилеватость и др.
Цель работы
Изучить строение древесины, степень ее однородности, содержание поздней древесины и влияние этих показателей на механические свойства. Исследовать влияние влажности на прочность древесины. Рассмотреть пороки древесины и оценить их возможные влияния на качество изделий.
Порядок выполнения работы
Каждое звено студентов получает образцы древесины, выдержанные в условиях лаборатории длительное время и определяет:
– равновесную влажность;
– число годичных слоев в 1 см и содержание поздней древесины;
– рассчитывает пределы прочности древесины при сжатии вдоль волокон и при изгибе в тангенциальном направлении по процентному содержанию поздней древесины, применяя эмпирические формулы;
– определяет действительную прочность древесины испытанием и сравнивает полученные данные с рассчитанными значениями;
− определяет породу древесины по внешнему виду (приложение).
Студенты изучают пороки древесины по атласам, каталогам, стандартам, образцам, делают их зарисовки и анализируют их влияние на свойства изделий из древесины.
Методы испытаний