014

Нові можливості застосування деревини в будівництві дає виробництво

конструкції (балки, арки, ферми, палі тощо), які мають високу міцність, водота вогнестійкість, а також меншу масу й усушку порівняно із звичайними деревними к о н с т р у к ц і я м и .

В а д а м и д е р е в и н и є дефекти її будови, пошкодження й інші недоліки, що знижують якість лісоматеріалів. Всі вади деревини поділяються на групи та види: сучки, грибні офарблення й гниль, хімічні офарблення, пошкодження комахами, деформації та тріщини, пороки форми стовбура та будови деревини, ненормальні відкладення в деревині, механічні пошкодження, дефекти обробки.

Загнивання деревини полягає в поступовій зміні її кольору, зменшення щільності, зниженні механічної міцності. Гнилля виникає під дією грибів при вологості 25...70 %, температурі повітря від +5 до +25°С. У воді загнивання не починається тому, що немає доступу кисню, необхідного для життєдіяльності грибів. Розвиток грибів припиняється також при температурі нижче 0°С та вище 45°С.

Деформації та розтріскування – це група вад, що є наслідком зміни форми або порушення цілісності деревини. Вони виникають під дією значних внутрішніх напружень, які утворюються протягом росту дерев, при різкій зміні температури. Тріщини розрізняють мітикові, відлупні та морозні, які утворюються в процесі росту, та тріщини усушки в зрубаних матеріалах. Мітикові тріщини направлені радіально і спостерігаються тільки на торцях. Відлупні тріщини також є внутрішніми, але вони розташовані по річним шарам перпендикулярно радіусу. На відміну від мітика і відлупу морозні тріщини і тріщини усушки являють собою зовнішні повздовжні розриви, які розповсюджуються від бокової поверхні в глибину матеріалу по радіальним напрямкам.

Фізико-механічні властивості деревини.

Дійсна густина деревини коливається в межах 1,49...1,56 кг/м3. Г у с т и - н у деревини визначають речовини, які складають оболонки кліток. Середня густина деревини залежить від вологості та пористості породи. Нормальною вологістю деревини приймається 12 %, стосовно цієї вологості наводяться табличні дані її властивостей. В діапазоні від 0 до 30% вологості (границя гігроскопічності ) застосовують перерахункову формулу:

ρ012 = ρ0W (1+ 0,01(1− Kр.о )(12 − W)),

де ρ120 – середня густина деревини при вологості 12 %; ρ0W – середня густина

деревини при вологості W; Кр.о – коефіцієнт об’ємного розбухання (для берези, бука, граба, модрини та білої акації Кр.о=0,6; для інших порід Кр.о=0,5).

При вологості деревини понад 30 % середню густину перераховують за формулою:

101

де А = 1,222 для берези, бука, модрини та білої акації та А= 1,203 для інших порід.

За середньою густиною деревини всі породи умовно поділяють на три групи: легкі ( ρ120 < 550 кг/м3), середні ( ρ120 = 550...750 кг/м3), важкі ( ρ120 >

750 кг/м3). У табл. 2.15 наведені середні значення густини для деяких порід деревини.

Повітряно-суха деревина, яка тривалий час перебувала на повітрі, має в о л о г і с т ь 15...20 %. Розрізняють гігроскопічну (зв’язану) та вільну вологу деревини. Гігроскопічна волога просочує оболонки клітин і утримується фізико-хімічними зв’язками. Максимальну кількість гігроскопічної вологи, яка може поглинатися деревиною при витримуванні у повітряному середовищі, називають границею гігроскопічності. Границя гігроскопічності залежить від породи деревини і складає в середньому 30 %.

На відміну від гігроскопічної вільна волога заповнює канали судин та міжклітинний простір, утримується лише фізико-механічними зв’язками з деревиною. Видалення вільної води потребує менших енергетичних витрат, тому її вплив на властивості деревини менш суттєвий, ніж гігроскопічної вологи. При висиханні деревини спочатку видаляється переважно вільна вода, потім зв’язана – гігроскопічна. Процес висихання деревини припиняється при досягненні рівноважної вологи, яка відповідає температурі та відносній вологості навколишнього повітря.

102

При видаленні із деревини гігроскопічної вологи спостерігається у с у - ш к а , тобто скорочення розмірів лісоматеріалу, а при гігроскопічному зволоженні деревини стінки клітин потовщуються, що викликає р о з б у - х а н н я . Усушку та розбухання при даній вологості розраховують за формулою:

де vг.г – об’єм зразка, який відповідає границі гігроскопічності; vW – те ж, за заданою вологістю; v0 – те ж, у абсолютно сухому стані.

Після висихання, внаслідок нерівномірного розподілення вологості по перерізу і анізотропності, в деревині залишаються внутрішні напруження. Розвиток цих напружень викликає розтріскування та короблення лісоматеріалів. Щоб уникнути цих дефектів особливе значення має режим сушіння деревини.

Механічні властивості деревини залежать від кута між направленням діючого зусилля та направленням волокон.

Г р а н и ц я м і ц н о с т і деревини при розтягненні повздовж волокон в стандартних зразках ( вологість 12% ) є порівняно високою. Для сосни та ялини, наприклад, вона дорівнює в середньому 100 МПа. При розриві поперек волокон границя міцності у 10...40 разів менша. Опір розтягненню особливо сильно знижується при наявності сучків та косого шару.

Найбільш важливою характерною механічною властивістю деревини є міцність при стисканні повздовж волокон. Цей вид навантаження є вирішальним для паль, ферм, колон, стінок та інших конструкцій. Стандартним зразком при випробуванні деревини на стиснення повздовж волокон є прямокутна призма висотою 30 мм, поперечним перерізом 20×20 мм.

Границі міцності при стисканні повздовж волокон, МПа, для деяких порід деревини при стандартній вологості наведені нижче:

При обробці ріжучим інструментом та при стираючій дії важливою є твердість деревини. Ця властивість визначається на зразках-кубах методом вдавлювання. Найбільшу твердість (50...90 МПа) мають ясен, бук, дуб, в’яз, модрина.

Захист деревини від руйнування може здійснюватись двома способами: конструктивним та хімічним. К о н с т р у к т и в н и м и способами захищають дерев’яні елементи споруд від зволоження, їх ізолюють від ґрунту, каменю та бетону гідроізоляційними матеріалами, захищають від атмосферних опадів, влаштовують відливи у зовнішніх віконних оправ, канали для провітрювання тощо.

103

Руйнування деревини йде особливо швидко в умовах змінної температури та вологості середовища. Заходи конструктивної профілактики малоефективні для відкритих дерев’яних споруд. В цьому випадку основним способом є к о н с е р в у в а н н я деревини, тобто захист її від руйнування грибами або комахами за допомогою хімічної ( антисептичної) обробки.

Стійкість деревини до руйнування під дією грибів, які викликають утворення гнилі, залежить від породи, щільності, зросту та положення у стовбурі. До високостійких проти гнилі порід належать: кедр, тис, каштан, дуб, карагач. Нестійкими є ялиця, береза, бук, липа, осика, клен, тополя, ясен. Проміжне місце займає сосна, ялина, вільха.

Для тієї самої породи стійкість зростає з підвищенням щільності (середньої густини) та із віком. Для підвищення стійкості застосовують а н т и - с е п т и к и – токсичні хімічні сполуки, які надають деревині стійкість проти дії грибів та комах. До антисептиків ставиться низка вимог: достатня токсичність до руйнівників деревини, безпека при застосуванні антисептиків, здатність проникати в деревину, висока стійкість, недефіцитність, економічність.

Залежно від хімічних і фізичних властивостей антисептики поділяють на дві основні групи: масла та речовини, які розчиняються в маслах, а також водорозчинні. До першої групи належать кам’яновугільні та сланцеві масла, а також речовини, які розчиняються в органічних розчинниках. Водорозчинні антисептики застосовують в тих випадках, коли деревина постійно не зволожується, наприклад, для антисептування елементів будівель та виробів із деревної стружки, тирси, очерету, торфу. Найбільш відомі із цієї групи антисептиків фтористий натрій та різні пасти, складовою яких він є. Застосовується хлористий цинк як 2...5%-ний розчин. Він має меншу токсичність, ніж фтористі антисептики, є вогнезахисним засобом. Застосовуються також бура і борна кислота, солі хрому, мідний купорос та комбіновані препарати.

Всі численні методи консервування деревини можна поділити на дві групи: без застосування зовнішнього тиску та під тиском. До першої групи належить дифузійний метод та просочення шляхом вимочування у гарячехолодних ваннах. Просочення під тиском здійснюється у автоклавах.

Речовини, котрі підвищують вогнестійкість деревини, називають а н - т и п і р е н а м и . Захисна дія антипіренів може бути обумовленою виділенням при нагріванні кристалізаційної води у вигляді пари, або інших негорючих газів, які відтискують повітря від поверхні деревини та розбавляють горючі гази (калійний галун, сірчанокислий та фосфорнокислий амоній тощо). Багато з антипіренів (бура, борна кислота, силікат натрію, хлористий цинк тощо ) плавляться при нагріванні та утворюють захисну щільну плівку, яка покриває поверхню деревини й утруднює доступ кисню.

104

Метали та сплави.

М е т а л а м и називають матеріали, характерними ознаками котрих є висока тепло - й електропровідність, ковкість, блиск та інші. Ці властивості обумовлені наявністю у кристалічній гратці металів електронів з вільним переміщенням.

Метали та їх сплави поділяються на чорні та кольорові. До чорних належать залізо й сплави на його основі – чавун, сталь, феросплави; до кольорових – всі інші метали – мідь, алюміній, цинк, нікель та інші. Найбільше значення для народного господарства мають чорні метали. З них виготовляються труби, численні металеві конструкції для будівництва, значна частина сталі використовується для армування залізобетонних конструкцій.

Характеристика металів і способи їх виробництва.

В и р о б н и ц т в о т а в и д и ч а в у н у . Ч а в у н – це залізовуглецевий сплав, який містить понад 2 % вуглецю. Основним способом отримання чавуну є доменний процес. Він складається з трьох стадій: відновлення заліза з оксидів, які містяться в руді, вуглецювання заліза та шлакоутворення. Сировиною для чавуна є залізні руди, паливо, флюси.

Основним паливом для плавлення чавуну є кокс, котрий використовується як джерело тепла та безпосередньо приймає участь у відновленні та вуглецюванні заліза.

Розплавлені при температурі 1380...1420°С, чавун і шлак випускають крізь літники – отвори у печах для плавлення. Чавун розливається у форми, а шлак прямує на переробку.

В залежності від стану вуглецю в чавуні його розподіляють на сірий і білий. В сірому чавуні вуглець перебуває переважно у вільному стані, а в білому – у вигляді цементиту. Сірий чавун – найбільш дешевий і розповсюджений сплав для лиття. Його використовують для лиття різних виробів і деталей, санітарно-технічного обладнання, труб, плит для підлог, тюбінгів тунелів тощо. Для виготовлення виробів чавун розплавляють і розливають у пі- щано-глинисті форми.

Білі чавуни мають підвищену твердість і крихкість, вони в основному використовуються для переробки в сталь і виготовлення ковкого чавуну. При введенні в сірий чавун спеціальних добавок отримують модифікований (високоміцний) чавун з поліпшеними властивостями.

В и р о б н и ц т в о т а в и д и с т а л і . С т а л і – залізовуглецеві сплави, які містять менше 2% вуглецю. Сталь отримують із переробного чавуну окисленням за допомогою мартенівського, конверторного .та електроплавильного способів. Основним способом виробництва сталі є мартенівський, але розповсюджений також киснево-конверторний спосіб завдяки його техні-

регенераторах підігрівають повітря та газоподібне паливо, котрі подають потім в мартен. Процес отримання сталі включає: плавлення шихти, під час якого утворюється велика кількість захисного заліза; окислення вуглецю та інших домішок закисним залізом та розкислення – відновлення заліза із закису добавками феросиліцію або алюмінію.

К о н в е р т о р н и й спосіб виробництва сталі було запропоновано Бесемером у 1856 р. Суть цього способу полягає в тому, що крізь чавун, налитий у конвертор, продувають повітря. Після закінчення процесу конвертор повертають горизонтально, припиняють дуття, перевіряють склад сталі та виливають її у ківш. За киснево-конверторним способом дуття здійснюється чистим киснем.

Найбільш досконалим є е л е к т р о п л а в и л ь н и й спосіб виготовлення сталі . У електричних печах виплавляють якісні сталі високої чистоти та розкислення. Основним вихідним матеріалом для електроплавки сталі є сталевий брухт.

Розплавлену сталь, виготовлену у металургійних печах, розливають в металеві форми-виливниці для отримання злитків або в земляні форми для отримання фасонного литва.

С т а л е в і в и р о б и отримують різними методами: литтям, обробкою тиском та різанням, із застосуванням зварювання та паяння. Самим ма-

спеціального призначення (кругла, квадратна, листова, кутова сталь, швелери, двотаври, рейки та інші), також кругла арматурна сталь, яка використовується для виробництва залізобетону, сталь для шпунтових паль різних профілів та інші види сталі.

За хімічним складом розрізняють вуглецеву та леговану сталь. Вуглецева сталь містить від 0,02 до 2 % вуглецю, також домішки марганцю (0,3...0,9 %), кремнію (0,15... 0,35 %), сірки та фосфору (до 0,07 %). Для будівельних конструкцій застосовують звичайно конструкційну вуглецеву сталь, яка містить біля 0,7 % вуглецю. При збільшенні кількості вуглецю від 0,65 до 1,35 %, вмісту марганцю до 0,4 % отримують інструментальну сталь тощо.

Леговані сталі отримують шляхом введення елементів групи нікелю (Nі, Со, Сu, Мn, Sі) та групи хрому (Сr, Ті, W, Zr, V, Аl, Мо). Леговані сталі в залежності від призначення поділяються на конструкційні, інструментальні та сталі із особливими властивостями (нержавіючі, жароміцні, зносостійкі та інші). У будівництві в основному застосовують низьколеговані сталі з такими легуючими елементами як марганець (до 1,75 %) та кремній (до 0,7 %).

виготовлення корозійностійких, декоративних несучих конструкцій, стінових панелей, покрівлі, облицювання, заповнення віконних блоків, підвісної стелі, також труб і різноманітних деталей.

Алюміній отримують із глинозему – продукту переробки бокситів, нефелінів, алунітів. В чистому вигляді він використовується для виготовлення фарб, як газоутворювач, у вигляді фольги. Чистий алюміній має невисоку міцність, високу пластичність. Як конструкційний матеріал алюміній використовують у вигляді різних сплавів. Позитивними властивостями алюмінієвих сплавів є низька середня густина, висока міцність і корозійна стійкість, а негативними – низький модуль пружності, високий коефіцієнт лінійного термічного розширення та інші. Застосування сплавів дозволяє знизити масу стін і покрівлі в 10…80 разів, скоротити трудомісткість монтажу та його строки у 2...3 рази, збільшити обіговість збірно-розбірних споруд у 3...5 разів.

Сплави із алюмінію поділяються на дві групи: здатні до деформування та для лиття, із сплавів першої групи отримують прокатні, ковані та штамповані профілі. Основним видом сплаву цієї групи є дюралюміній – сплав алюмінію із міддю (2,2...4,8%), магнієм (6,4…2,4%) і марганцем (0,4…0,8%). Дюралю-

міній має порівняно невисоку твердість (за Бринелем НВ = 42...45), високу міцність (360…490 МПа), границю текучості – 190...340 МПа.

Крім алюмінієвих сплавів у будівництві застосовують м і д н і с п л а - в и – латуні та бронзи. В латунях основним легуючим елементом є цинк (до

107

4,5%), а в бронзах – олово, алюміній, кремній та інші. Латуні та бронзи мають високу міцність (300...600 МПа) і твердість (НВ = 200…250), корозійну стійкість, сприятливі антифрикційні властивості.

Цинк та цинкові сплави застосовують як покриття, що захищають сталь від корозії. Висока міцність в сполученні із корозійною стійкістю є характерною для титанових сплавів. Для антикорозійних покриттів спеціальних труб, особливих видів гідроізоляції, наприклад для обробки швів між тюбінгами в тунелях, застосовують свинець.

Корозія металів.

К о р о з і я м е т а л і в – це поступове руйнування їх внаслідок хімічної та електрохімічної взаємодії із зовнішнім середовищем. Хімічна корозія металів спостерігається в сухих газах і неелектролітах (окислення при високих температурах).

Більш за все метали руйнуються внаслідок електрохімічної корозії, тобто через дію електролітів – водних розчинів кислот, солей і лугів. Цей вид корозії спостерігається в атмосферних умовах, при дії морської, річкової, ґрунтової та інших вод.

Основними способами захисту металів і сплавів від корозії є: легування металів і виготовлення хімічно стійких сплавів; створення на поверхні виробів оксидних плівок; нанесення захисних металічних та неметалічних покрить.

Основним легуючим елементом, який надає сталі корозійну стійкість, є хром, який утворює щільну плівку оксиду. Різко покращують корозійну стійкість сталі добавки нікелю та міді.

Найбільш розповсюдженим металічним покриттям сталі є цинк. Електродний потенціал цинку є більш від’ємним, ніж заліза, цинк є анодом, при пошкодженні покриття розчиняється та захищає основний матеріал від руйнування. На такому принципі ґрунтується протекторний захист крупних споруд, трубопроводів, резервуарів, морських кораблів. До конструкції, яка підлягає захисту, приєднують платівки із металу або сплаву (протектор) із більш від’ємним потенціалом.

Як неметалічні покриття широко застосовують синтетичні лаки та фарби, емалі, пластмаси тощо.

108