5. Строительные материалы на основе органического сырья
Органическими называют материалы, которые произошли из живой природы.
В промышленности строительных материалов широко используются такие материалы как: древесина, продукты переработки нефти и каменного угля, а также природные и искусственные полимеры.
5.1 Древесные материалы
Лес – это великое благо для жизни на Земле. Зелёный покров планеты потребляет всего лишь 0,2% солнечной радиации, падающей на поверхность Земли. Но при этом вырабатывается «зелёной фабрикой» 100 млрд тонн органической массы, которая выделяет около 100 млрд тонн кислорода ежегодно! Лес – неубывающий источник сырья при условии рационального пользования. Потребность в лесоматериалах удовлетворяется путём комплексной и глубокой переработки древесины. В настоящее время коэффициент использования древесного сырья на передовых предприятиях составляет 98%, в Японии – 102%.
Высокая прочность, особенно при растяжении (волокнистое строение), упругость древесины сочетаются с малой плотностью и низким коэффициентом теплопроводности. Древесина морозостойка, не растворяется в воде и др. растворителях, легко обрабатывается.
Но она имеет недостатки: при насыщении влагой разбухает, при высушивании даёт усадку и коробится, анизотропна (вдоль и поперёк волокон разные свойства), много пороков, горит и поражается грибком.
Пороки древесины могут быть природными и приобретёнными. Природные связаны с условиями роста дерева - помехи, недостаток или избыток влаги, большое количество сучков, кривизна сбежистость, двойная сердцевина и др. Приобретённые – связаны с влиянием внешних факторов – вредителей (червоточины, гниль, трещины и др.). Трещины образуются как в растущем дереве, так и в срубленном. Глубина их иногда доходит до сердцевины и портит деловую древесину.
Рис. 5 – Пороки формы ствола:
а – сбежистость; б, в – закомелистость округлая и ребристая;
г, д – кривизна простая и сложная
Древесиной называют освобождённую от коры ткань волокон дерева. Заготавливают древесину на участке леса с помощью машин, которые валят деревья, освобождают их от сучьев, коры (раскряжевка) и получают деловую древесину. Лесоматериалы – это брёвна толщиной более 11 см, длиной от 3 до 18 м. Поперечный разрез ствола показывает макроструктуру древесины.
Рис. 6 – Виды срезов
Кора состоит из наружной кожицы, пробкового слоя и внутреннего тонкого слоя – луба, под которым ещё один тонкий слой – камбий. Какова их роль? В листьях дерева под лучами солнца вырабатывается глюкоза, растворяющаяся в воде. По внутренним капиллярам луба она поступает к клеткам камбия, где происходит химическая реакция поликонденсации, выделяется молекула воды, и глюкоза превращается в целлюлозу. Целлюлоза – природный полимер, который идёт на построение древесных волокон к середине ствола – ежегодные кольца роста, называемые заболонь. По живым клеткам заболони перемещается влага с растворёнными в ней питательными веществами от корней к кроне дерева. Под большим увеличением (микроструктура) молекулы целлюлозы имеют продолговатое строение, образуют микрофибриллы, скручивающиеся в веретёнообразные волокна древесины. Между тончайшими волокнами расположены такие же тончайшие капилляры (удельная поверхность древесины очень большая). Влага, заполняющая межклеточное пространство – капиллярная, заполняющая полости клеток – гигроскопическая. Гигроскопическая влажность соответствует полному насыщению клеток водой. Эту влагу древесные клетки сорбируют из влажного воздуха, увлажняясь до 30-40% в зависимости от удельной поверхности древесины.
Находясь в воде, наполняются капилляры, древесина набухает, увеличивая объём. Капиллярная влага заполняет пространства между клетками только из воды. При сушке, когда влажность становится меньше гигроскопической, начинается усадка древесины или усушка. Вследствие особенности строения древесины усадка идёт неравномерно: вдоль волокон – 0,1%, по радиусу 3-6%, по хорде – до 12%, поэтому, высыхая, древесина коробится. Для предотвращения коробления древесину берут в работу с той влажностью, которая будет соответствовать при эксплуатации: внутри помещения 8-12%, снаружи 15-18%. Влажность свежесрубленной древесины колеблется от 40 до 120% по массе в зависимости от места произрастания. С такой влажностью её в работу не берут, надо сушить.
В прошлые годы заготовленные брёвна складывали в штабеля и оставляли на делянке в лесу под навесом просушиваться на год. За это время древесина приобретала равновесную влажность 18-20%. С такой влажностью её брали на распиловку.
В результате распиловки круглого леса получают пиломатериалы: пластины (бревно пополам) и четвертины (бревно на четыре части). Если спиливают горбыль, то получают брус, из которого нарезают доски толщиной 16-40 мм.
Рис. 7 – Пиломатериалы
В зависимости от назначения пиломатериалы сушат в специальных сушилках или пропитывают горячими растворами – антисептиками. Искусственная сушка позволяет получить древесину с низкой влажностью быстро, но, работая в условиях с более высокой влажностью, древесина её увеличит до равновесной, т. е. или до комнатно-сухой (8-12%), или до воздушно-сухой (15-18%), в зависимости от того, какая влажность будет в окружающей среде.
С увеличением влажности древесины увеличивается её плотность, а прочность снижается. По средней плотности древесину разделяют на:
лёгкую – ρm < 600 кг/м3;
тяжёлую –ρm = от 600 до 1000 кг/м3;
особо тяжёлую – ρm > 1000 кг/м3.
Истинная плотность древесины для всех пород одинакова – ρа = 1540 кг/м3.
Прочность при сжатии определяют на стандартных образцах, вырезанных из бездефектной древесины размером 20×20×30 мм, прочность при изгибе на образцах 20×20×300 мм.
Испытывают древесину при любой влажности, кроме полностью насыщенной водой, но, так как прочность зависит от влажности, её надо знать, определив по диаграмме Н. Н. Чулицкого, и пересчитать на стандартную влажность.
Стандартная влажность равна 12%, с ней можно сравнивать прочность разных пород древесины и при этой влажности даны характеристики в справочных материалах по прочности.
Повышение влажности до гигроскопической понижет механические свойства (рис. 8), высушивание даже на 1% в пределах от 20 до 8% повышает сопротивление сжатию и изгибу на 4%.
Рис. 8 – Влияние влажности на прочность при сжатии вдоль волокон
Прочность древесины вдоль волокон в 4-6 раз больше прочности поперёк волокон (от 40 до 250 кг/см2). Прочность при статическом изгибе превышает прочность при сжатии вдоль волокон и достигает 500-1000 кг/см2. Модуль упругости воздушно-сухой древесины Е = 10000-15000 МПа, он возрастает с увеличением плотности.
Теплопроводность сухой древесины поперёк волокон ниже, чем вдоль волокон (0,17 и 0,34 Вт/мºС).
Коэффициент конструктивного качества древесины равен Ккк стали.
В сухих условиях при проветривании, а также полностью погруженная в воду древесина сохраняется долго (в пирамидах, в срубах, в затопленных сваях от мостов древних римлян). Наиболее стойкими являются наиболее плотные породы древесины: лиственница, сосна, дуб, ясень. Опасна для древесины бактерицидная среда – контакт с влажным грунтом, когда начинается загнивание. Гниение – это разложение целлюлозы древесины вследствие деятельности дереворазрушающих грибов и микроорганизмов. Разработаны эффективные меры борьбы с гниением: сушка горячим воздухом, паром, газом, токами высокой частоты; пропитка горячим петролатумом и другими антисептиками; контактная сушка.
Древесина – живой организм, при действии помех и изменяющихся условий возникают в структуре растущего дерева дефекты, снижающие качество древесины (сучки, косослой, кривизна, крень, ройка, трещины усушки и морозобойные и др.). Эти пороки портят вид и текстуру (рисунок) древесины. Их вырезают, делают различного размера заготовки, которые сушат, фрезеруют и склеивают полимерым клеем под прессом в виде готовых клееных полуфабрикатов. Получают клееную древесину, очень прочные профилированные изделия или заготовки для клееных конструкций. Для усиления клееной древесины в многослойные изделия вклеивают металлическую или пластиковую арматуру. Такая древесина долговечна, прочна, не коробится, её используют в самых ответственных конструкциях.
Для защиты от огня древесину обрабатывают огнезащитными составами– антипиренами, специальными пастами, после чего она может выдерживать 45 мин. высокую температуру (до 750ºС) не деформируясь. Температура воспламенения незащищённой древесины – 250-300ºС.
Увеличивает срок службы древесины защита от атмосферных воздействий, изоляция от контакта с грунтом, антисептирование (пропитка ядовитыми для микроорганизмов веществами) и покрытие масляными и полимерными красками.
Кроме пиломатериалов из древесины изготавливают фрезерованные и погонажные материалы: плинтусы, наличники, поручни, обшивку, шпон, паркетные клёпки и др.
Шпон – это снятый тонкий слой в 0,55-1,5 мм толщиной с бревна, вращающегося вокруг своей оси. Получается большая стружка, легко расчленяющаяся по волокнам. Чтобы она не рассыпалась, один слой шпона накладывают на другой, промазывая полимерным клеем. Под горячим прессом клей отверждают и получают фанеру толщиной от 3 до 12 мм, которую используют для обшивки стен, ограждающих конструкций, потолков, в мебельном производстве.
Отходы от изготовления изделий из древесины – ценный материал, сохраняющий лес.
Это – опилки, стружка, щепа, сучки, некондиционная древесина и др. они перерабатываются, сортируются и с минеральным или полимерным вяжущим соединяются в композиционные материалы. Композиционные материалы с полимерной матрицей используются как конструкционный материал – древесно-слоистый пластик (ДСП), древесно-волокнистые плиты (ДВП), фанера, или на минеральном вяжущем – арболиты, ксилолиты. Как утеплитель используют композиции на минеральном вяжущем – цементные фибролиты, опилкобетоны, а также на полимерном вяжущем – бумажно-слоистые плиты, древесно-волокнистые плиты и др.