4. Строительные материалы органического происхождения
В отличие от минеральных материалов, получаемых из неживой природы – каменных пород, органические материалы произошли из живой материи – растений. Эти материалы потребляли не только питательные вещества из Земли, но и солнечную энергию, углекислый газ, воду, выделяя кислород. Сгорая, они выделяют полученную энергию или сохраняют её, если находятся без доступа воздуха. В строительной практике широко используют такие органические материалы как древесина, битумы, полимеры.
4.1 Древесина
Как строительный материал древесина обладает целым рядом ценных свойств: высокой прочностью, пластичностью, лёгкостью в обработке, долговечностью. Древесина возобновляемый материал, ежегодный прирост составляет 7000-9000 млн. м3. Ежегодные мировые заготовки древесины составляют около 2600 млн. м3, что вдвое превосходит производство стали и цемента и почти в 30 раз больше мирового производства синтетических полимеров. Около 1500 млн. м3 используется в качестве топлива, 15-20% древесины идёт на переработку химическими и механохимическими методами. На производство строительных конструкций расходуется 30-40% заготовляемой древесины, потребление её в строительстве непрерывно возрастает. В России ¼ мировых запасов леса, степень использования древесного сырья в нашей стране всего 65-70%.
В настоящее время древесина является самым перспективным органическим сырьём на фоне истощения запасов невозобновляемого органического сырья (нефти, угля, газа).
После механической обработки лесоматериалов получают пиломатериалы. Брёвна разделяют на пиловочные и строительные. Из пиловочных брёвен изготавливают брус, пластины, обрезные и необрезные доски, горбыль и погонажные фрезерованные изделия: плинтусы, карнизы, поручни, галтели. Из нестандартной древесины изготавливают полуфабрикаты, паркет, столярные изделия (оконные и дверные блоки), а также фанеру. В настоящее время из небольших деревянных заготовок путём склеивания изготовляют крупноразмерные элементы строительных конструкций, отличающиеся большой прочностью и меньшей массой, не подверженные усушке и короблению, так как соединены под давлением на водостойких клеях. В заготовки не принимаются слабые с дефектами и пороками части древесины, а склеиваются крепкие и качественные части в наиболее выгодном положении, получают качественные элементы для ответственных конструкций.
По мере развития производства и технологии переработки древесины расширяется сырьевая база лесоматериалов за счёт наиболее полного использования отходов лесопиления. Нашли широкое применение в производстве строительных материалов. деревобетон (арболит, ксилолит), древесно-волокнистые, древесно-стружечные, древесно-слоистые композиции.
Рис10 Химические компоненты древесины [2]
В производстве плитных материалов используют древесину как армирующую основу древесно-полимерных композиций. Из кусковых отходов лесопиления и деревообработки изготавливают клееные панели, щиты и плиты, щитовой паркет, кровельную плитку и гонт, заготовки для столярного производства, стеновые блоки, кровельный картон. Из опилок и мелкой стружки после дробления, формования и горячего прессования получают плиты вибролита, которые используют для настила чёрного пола, устройства перегородок, щитовых дверей и др. Из коры и сучьев с гипсовым вяжущим получают королит, применяемый как утеплитель для пола и стен. На целлюлозно-бумажных предприятиях из древесины получают целлюлозу, лигнин, бумагу, картон. На основе гидролизной технологии из древесины производится этиловый спирт, фурфурол, метанол, уксусная кислота. Всего из древесины при химической переработке могут получать более 60000 наименований химических продуктов. Первичные продукты приведены на схеме (Рис.10).
Долговечность древесных конструкций зависит от водо-и влагопоглощения, а также биокоррозии. Способность древесины впитывать капельно-жидкую влагу называют водопоглощением, способность поглощать влагу из воздуха – влагопоглощением. Эти свойства связаны с развитой капиллярной системой древесины, которая складывается из межклеточного пространства, полостей внутри клетки и капиллярного пространства между фибриллами, линейными полимерами древесного вещества. Капиллярное строение древесины обуславливает её высокую удельную поверхность (~300 м2/г) и адсорбционную способность.
По величине плотности древесины породы дерева разделяют на 3 группы (при стандартной влажности):
низкой плотности от 400 до 600 кг/м3. Это ель, сосна, кедр, пихта, осина, ива, липа, тополь;
средней плотности от 600 до 1000 кг/м3. Это лиственница, берёза, бук, дуб, клён;
высокой плотности – более 1000 кг/м3. Это самшит, граб, акация, кизил.
Древесина – природный полимерный композит, макромолекулярные компоненты которого состоят из целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина. В небольших количествах присутствуют экстрактивные и минеральные вещества. Целлюлоза – главный компонент древесины занимает большую часть объёма древесины, выполняет функцию клеточных стенок и представляет собой линейный полимер (С6Н10О5)n с высокой молекулярной массой, построенной из остатков глюкозы (С6Н12О6)n. Лигнин – аморфная матрица древесины – сложный пространственный полимер, вместе с целлюлозой определяющие все физические и химические свойства композита.
При действии холодной воды на древесину происходит растворение небольшого количества экстрактивных веществ. С повышением температуры растворимость возрастает. При температуре 150-175°С начинается гидролиз лигноуглеводного комплекса и образуются сахара, органические кислоты, фурфурол и др. вещества. Концентрированные кислоты вызывают гидролиз полисахаридов. Лигнин выходит в нерастворимый остаток. Растворы щелочей действуют на углеводы, часть лигнина растворяется. Кислород воздуха при нормальной температуре на древесину не действует, при повышенных температурах начинаются термоокислительные деструкции, при 250°С она темнеет и может произойти воспламенение. Древесина устойчива к нагреванию вплоть до 100°С. При температуре 500°С происходит сухая перегонка древесины. При полном окислении целлюлозы образуется диоксид углерода и вода:
(С6Н10О5)n → 6nCO2 + 5nH2O.
Целлюлоза является многоатомным спиртом, образующим с химическими реагентами соединения для получения вискозных волокон, фосфатов целлюлозы, что связано с переводом древесины в разряд трудносгораемых материалов. Защита от огня осуществляется огнезащитными покрытиями, пропитками. Все виды покрытий (лаки, краски, обмазки) создают на поверхности древесины слой, изолирующий на некоторое время древесину от терморазложения. 1-ая группа огнезащитной эффективности соответствует потери массы не более 9% (трудносгораемые). 2-я группа – при потере массы не более 25% (трудновоспламеняемые материалы). Наиболее эффективными огнезащитными пропитками являются фосфорсодержащие соединения.
Опасной для древесины является бактерицидная среда. Погодные изменения влажности и температуры приводят к растрескиванию древесины, в щелях и трещинах во влажной среде поселяются микроорганизмы, насекомые, продукты их жизнедеятельности действуют разрушающе на целлюлозу. Установлено, что анаэробные микроорганизмы в десятки раз ускоряют процесс разрушения древесины.
Наиболее распространённые методы защиты древесины от биоповреждений основаны на её пропитке жидкими антисептиками. Антисептики могут быть в виде растворов, суспензий и паст, бывают масляные составы. В них содержатся яды: фтористый и кремнефтористый натрий, кремнефторид аммония, бихромат калия с сульфатом меди, смесь борной кислоты и буры, препараты на основе пентахлорфенола, а также дёготь и его масла (антраценовое, сланцевое, петролатум), каменноугольное масло.
Деревянные строительные конструкции и изделия антисептируют различными способами: поверхностной обработкой и пропиткой горячим и холодным растворами, пропиткой под давлением в автоклавах (шпалы, части мостов, сваи, подводные сооружения), обмазкой пастами (концы балок, столбов).
Модифицирование древесины – целенаправленное изменение свойств несколькими способами:
термомеханическое – уплотнение древесины, нагретой до 90°С сухим или влажным способом с помощью прессования до 50МПа в одном или одновременно в двух направлениях, а также методом проката;
химико-механическое уплотнение пластифицированной аммиаком древесины (лигнамон) или мочевиной (дестам). После насыщения древесины в автоклаве, её охлаждают, выдерживают в помещении до 10 суток, сушат в камере при 90-120°С до влажности 15-20%, уплотняют в пресс-форме и выдерживают 7 часов при температуре 170°С. Уплотнение заготовок достигает 55%;
термохимическое модифицирование включает пропитку полимерами (полиэфирными смолами), отверждение, попеременную сушку после выдержки на открытой площадке и в сушильной камере;
химическое модифицирование предусматривает обработку древесины реагентами, повышающими её водо- и биостойкость. Вакуумированную 2-3 часа древесину подвергают ацетилированию в жидком уксусном ангидриде при температуре 125-130°С.
Модифицированная древесина имеет более высокую плотность, прочность, биостойкость, не коробится, не даёт усадки, более долговечна.
От насекомых используют все перечисленные антисептики, а также порошок и пасту ДДТ, раствор хлорофоса, эмульсии и газы (хлорпикрин).
Чаще осуществляют комбинированную защиту древесины от возгорания и гниения добавлением в огнезащитные составы антисептиков (фторид натрия), не снижающих огнезащитных свойств.
Увеличение влажности древесины приводит её к загниванию, а древесина обладает способностью поглощать влагу из воздуха. Наружные деревянные конструкции, имеющие контакт с атмосферной влагой, содержащей кислотные агенты, подвержены значительным гидролитическим разрушениям. В этом случае наиболее широко применяются гидрофобизаторы – кремнийорганические соединения (КОС). Пропитка осуществляется в автоклаве (силилирование), методом горяче-холодных (с перепадом температур) ванн не менее 7 часов. Есть способ поверхностной обработки древесины растворами фосфор – и кремнийорганических соединений, который приводит к химическому взаимодействию модификаторов с компонентами древесины, что обеспечивает долговечность защиты. В результате фосфорилирования-силилирования древесина переходит в разряд трудносгораемых, биостойких материалов с гидрофобными свойствами. Эти меры позволили сохранить памятники деревянного зодчества и были использованы в защите - консервации музея-заповедника Кижи и других музеев.