Лекции_строительные материалы и конструкции

МПа. Кирпич может иметь круглые, квадратные или щелевые пустоты, снижающие массу до 1300…1450 кг/м3 и улучшающие теплозащитные свойства. Выпуск пористых и пустотелых керамических изделий взамен полнотелых уменьшает расход сырья, топлива, снижает транспортные расходы, повышает производительность сушилок и печей обжига. Облегченные керамические изделия позволяют снизить толщину стен и уменьшить нагрузку на фундамент. Их производство требует более тщательной переработки глинистого сырья.

Для изготовления лицевых камней и кирпича используют легкоплавкие и тугоплавкие светложгущиеся глины средней и умеренной пластичности, с хорошими формовочными свойствами, высокой связующей способностью, низкой чувствительностью к сушке и дающие пористость в изделиях 8…14 %. Если сырье не отвечает данным требованиям, необходимо улучшать или изменять его свойства различными методами.

11.ДРЕВЕСИНА

11.1.Строение и свойства древесины

Древесина представляет собой ткань высших растений. Она состоит из высокомолекулярных и низкомолекулярных углеводородов - целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, а также кислот, смол, эфирных масел, жиров, стеаринов и минеральных веществ.

На макроуровне строение древесины изучают по торцовому срезу, на котором выделяют кору, луб, камбий, заболонь, ядро и сердцевинную трубку. Кора представлена пробковым слоем. Камбий – слой живых клеток. Заболонь содержит отмершие и живые клетки, проводящие питательные вещества. Заболонь составляет наиболее молодую и наиболее влажную часть древесины, примыкающую к камбию. Ежегодно из камбия формируются новый слой заболони и новый слой клеток луба, расположенного под корой. Сердцевинная трубка состоит из тонкостенных клеток рыхлой первичной ткани. Она низкопрочна и легко загнивает. Ядро представляет собой совокупность отмерших клеток, расположенных вокруг сердцевинной трубки. Это так назы-ваемая спелая древесина, которая может выделяться более темным цветом, поскольку со временем пропитывается смолой и дубильными веществами. Ядро отличается высокой плотностью и стойкостью к загниванию.

По макростроению различают древесные породы заболонные, ядровые и спелодревесные. У заболонных пород нет ядра, и вся

141

древесина состоит из заболони. Такое строение имеют береза, ольха, клен. У ядровых пород ядро четко выделяется темной окраской. К ядровым породам относят сосну, дуб, кедр. У спелодревесных пород ядро имеется, но окраской от заболони оно не отличается. Такие породы, как ель, пихта, бук, являются спелодревесными породами.

На торцевом срезе древесины отчетливо просматриваются годовые кольца. Каждое кольцо соответствует одному году жизни древесины. В каждом годовом кольце имеется два слоя, отличающиеся цветом и плотностью. В весенний период роста, вследствие интенсивного перемещения питательных веществ, формируется слой годового кольца древесины из тонкостенных клеток с большими полостями. Этот слой годового кольца называют весенней или ранней древесиной. В летний период образуется слой более плотной древесины, состоящей из клеток с более толстыми стенками и небольшими полостями. Этот слой древесины называют летней или поздней древесиной.

Микроструктура древесины характеризуется наличием вытянутых вдоль ствола, веретенообразных клеток, стенки которых содержат целлюлозу (С6Н10О5)n – природный полимер.

Свойства древесины зависят от влажности. Влага в древесине может содержаться в стенках клеток и в их полостях. Влага, находящаяся в полостях клеток, называется свободной, а в стенках – гигроскопической. При высыхании древесина теряет сначала свободную влагу, а затем гигроскопическую. Предельное содержание гигроскопической влаги называют точкой насыщения волокон. Оно составляет обычно 25…35 % и в среднем 30 %.

Древесина гигроскопична. Установлено, что каждому сочетанию температуры и влажности воздуха соответствует своя равновесная влажность древесины. Равновесной влажностью W называется такая влажность, которую приобретает древесина, длительно находясь в постоянных температурно-влажностных условиях. Инженер Н.Н. Чулицкий составил номограмму зависимости равновесной влажности древесины от температуры и влажности воздуха. Понижение влажности древесины ниже точки насыщения волокон сопровождается усушкой. Объемная усушка Уо определяется в процентах:

V

где V1 – объем древесины до усушки, см3; V2 – объем древесины после усушки, см3.

142

Величина усушки зависит не только от процента изменения влажности, но и от породы древесины. Коэффициент объемной усушки Ко показывает величину объемной усушки породы древесины, приходящуюся на один процент изменения влажности:

W1 W2

где W1- влажность древесины до усушки, см3; W2 – влажность древесины после усушки, %.

Коэффициент объемной усушки сосны составляет 0,5, а березы, соответственно, 0,6.

Влажность древесины 12 % принято считать стандартной. Средняя плотность древесины при стандартной влажности γ12 может быть вычислена исходя из значений средней плотности при равновесной влажности γw:

Зависимость прочности древесины стандартной влажности σ12 от прочности древесины при равновесной влажности σW выражается формулой

Коэффициент α отражает зависимость прочности данной породы древесины от изменения ее влажности. Для большинства пород коэффициент α составляет 0,035…0,05.

Характерным свойством древесины является анизотропия. Вследствие анизотропии свойства древесины в продольном и радиальном направлении заметно отличаются. Например, коэффициент теплопроводности в радиальном направлении в два раза ниже, чем в продольном. Свойства древесины различных пород могут отличаться также существенно. Например, в зависимости от породы древесины прочность при сжатии вдоль волокон может изменяться в пределах 35,0…70,0 МПа, а при растяжении – в пределах 80,0…130,0 МПа.

Особенности роста и признаки разрушения древесины, снижающие ее сорт, называют пороками. Наиболее распространенными видами пороков являются трещины и сучки.

Трещины возникают как в растущем дереве, так и в срубленной древесине. В растущем дереве могут возникнуть трещины от мороза – «морозобоины», солнца – солнечные трещины или от раскачивания

143

ветром. В срубленной древесине появляются трещины усушки. Радиальную внутреннюю трещину, не выходящую на поверхность, называют метиком. Трещины усушки и морозобоины обычно радиальные, наружные. Трещину, располагающуюся по годовому кольцу, называют отлупом.

Значительно понижается сортность древесины от присутствия сучков. Сучки представляют собой основания ветвей. Различают сучки здоровые и загнившие, выпадающие и сросшиеся с основной древесиной. Сучки, являясь участками существенного изменения направления волокон, могут затруднять механическую обработку древесины, ослаблять прочность изделий и понижать их качество.

Гниль на древесине – признак поражения древесины грибковыми микроорганизмами, которые способны с помощью своих ферментов расщиплять целлюлозу до глюкозы и использовать ее как питательную среду.

К порокам строения древесины относят закомелистость, косослой,

крень, смещение сердцевины, завиток, свилеватость, засмолок,

водослой, двойную сердцевину. Закомелистось состоит в резком увеличении диаметра ствола у основания. Косослой проявляется в отклонении волокон древесины от продольной оси изделий, что снижает их прочность на растяжение и изгиб. Крень выражается в ненормальном однобоком утолщении годовых колец, возникающем обычно в наклонно стоящих и покривленных деревьях. Кривизна представляет собой искривление продольной оси ствола. Свилеватость

– волнистое расположение волокон древесины. Завиток – местное искривление волокон древесины. Древесина сердцевины, как легко загнивающая и низкопрочная, не допускается в растянутых и изгибаемых элементах деревянных конструкций. Двойная сердцевина, обнаруживаемая в сросшихся стволах, существенно снижает выход деловой древесины. Засмолок представляет собой местное скопление смолы, затрудняющее механическую обработку древесины. Водослой – местное скопление влаги в древесине. Водослой усиливает склонность

арболите применяют измельченную древесину из отходов лесозаготовок и деревообработки хвойных и лиственных пород, костру конопли и льна. Наиболее пригодны следующие породы древесины: ель, пихта, сосна, тополь, осина, береза, бук, дуб.

144

обработки продольных граней – пластей и кромок различают доски обрезные, необрезные и горбыль. Брусья и бруски характеризуются отношением ширины сечения к толщине не более 2. Толщина брусков не превышает 100 мм. Брусья имеют толщину 130…250 мм. Бруски и брусья используют для конструирования деревянных ферм, конструкций крыш. Размеры пиломатериалов должны иметь припуски на усушку, величина которых зависит от номинальной толщины и породы древесины.

К строганым погонажным изделиям относят наличники, плинтусы,

галтели, поручни перил, вагонку, доски для чистого пола, проступи. Их изготавливают профильным строганием на четырехсторонних станках из пиломатериалов или заготовок хвойных и лиственных пород влажностью не более 12 %.

Для устройства полов изготавливают паркет штучный, паркет наборный, паркетные доски, паркет ламинированный, доски для чистых полов. Для паркета используют древесину влажностью не более 8 % преимущественно лиственных декоративных пород с низкой склонностью к растрескиванию: дуб, ольху, березу. Паркет штучный состоит из планок толщиной 15…18 мм, шириной 30…60 мм и длиной 150…400 мм. Паркет штучный имеет на кромках пазы и гребни - правые и левые. Наборный паркет состоит из планок с прямыми кромками, наклеенных лицевой поверхностью на крафт-бумагу, снимаемую после настилки. Паркетная доска состоит из реечного основания толщиной 19 мм и лицевого покрытия из паркетных планок с прямыми кромками, толщиной 6…8 мм, наклеенных на основание. Кромки паркетной доски имеют пазы и гребни. Ламинат представляет представляет собой сверхтвердые прессованные древесноволокнистые панели, пропитанные водоустойчивыми полимерными смолами и антисептиками с лицевым покрытием, имитирующим ценную декоративную породу древесины и ламинированной поверхностной ПВХ пленкой. Доски для чистого пола шпунтовые выпускают толщиной 22…37 мм из сосны, ели, лиственницы, пихты, березы, бука, ольхи.

Плиты столярные изготавливают из реечных щитов, оклеиваемых шпоном, оргалитом или фанерой. Фанера состоит из трех и более листов лущеного шпона, склеенных между собой с взаимно перпендикулярным расположением волокон в смежных листах.

Кстолярным изделиям относят оконные и дверные блоки.

Кнесущим клееным конструкциям относят плоские конструкции -

балки, арки, рамы, фермы, панели и пространственные конструкции (купола, оболочки). Поперечное сечение клееных балок имеет

146

прямоугольную или двутавровую форму. Высота сечения составляет не менее 1/15 пролета балки. Для возведения складов и ряда сельскохозяйственных зданий часто применяют арки стрельчатые, треугольные и кругового сечения. Рамные несущие конструкции состоят из стоек и ригеля.

Деревянные фермы чаще всего конструируют треугольными односкатными и двускатными, а также с параллельными поясами с раскосно-стоечной или с раскосной решетками. Для ограждающих конструкций разработаны деревянные панели с обшивкой из фанеры.

Арболит – композиционный материал на цементном вяжущем, органических заполнителях и химических добавках. В качестве органического заполнителя в арболите применяют измельченную древесину из отходов лесозаготовок и деревообработки хвойных и лиственных пород, костру конопли и льна. Наиболее пригодны следующие породы древесины: ель, пихта, сосна, тополь, осина, береза, бук, дуб.

В таблице приведен требуемый фракционный состав древесного заполнителя:

ствами, к которым относят низкую среднюю плотность, хорошую смачиваемость, дробимость и низкую стоимость, имеет и отрицательные качества, затрудняющие получение материала высокой прочности. Свойствами древесного заполнителя, отрицательно влияющими на процессы структурообразования древесно-цементных композиций, являются: объемные деформации при увлажнении и высушивании, упругость волокон, низкая адгезия к цементному камню, ярко выраженная анизотропия строения и свойств, а также повышенная химическая активность.

При повышении влажности окружающей среды древесный заполнитель увеличивается в объеме, создавая давление в композиционном материале. Упругость древесных волокон следует понижать, чтобы повысить их адгезию к цементному камню и

147

обеспечить качественное уплотнение арболитовой смеси при укладке. Упругость понижается в случае предварительного вымачивания древесного заполнителя в воде.

Древесина и цементный камень обладают различными структурномеханическими свойствами. Необходимо обеспечить их совместную работу за счет повышения степени адгезии этих материалов. Повышение сцепления древесины с цементным камнем достигается оптимизацией исходной влажности древесного заполнителя и водоцементного отношения арболитовой смеси.

Химическая агрессивность древесного заполнителя по отношению к цементу, связана с присутствием в составе этого сырья полисахаридов, гидролиз которых в щелочной среде цементного камня приводит к образованию водорастворимых сахаров (сахарозы, глюкозы, фруктозы), значительно замедляющих процесс твердения цемента. Эти вещества, состоящие их углеводных групп НОСН, осаждаясь на поверхности частичек минералов цемента, образуют тончайшие оболочки, которые изолируют частицы цемента от воды и замедляют процесс гидратации цемента. По этой причине свежесрубленная древесина, вообще считается непригодной для изготовления фибролита и других цементнодревесных композиций.

Втехнологии производства арболита разработаны и широко

сырье приобрело приемлемое качество, его необходимо длительно выдерживать в атмосферных условиях. Применение химических добавок является наиболее технологичным способом. В случае применения хвойной выдержанной древесины рекомендуется использовать добавку хлорида кальция или комплексную добавку на его основе. Для свежесрубленной древесины наиболее пригоден сульфат алюминия и комплексные добавки на его основе. Комплексная добавка на основе хлорида кальция и жидкого стекла в пропорции 2 : 1 вводится в

количестве 2…6 % от массы цемента. Смесь жидкого стекла и сульфата алюминия в пропорции 1 : 1 или 1 : 2 вводится в количестве 5…7 % от массы цемента. Применяется также трехкомпонентная комплексная

148

армированных изделиях не должно превышать 2 % от массы цемента. Известно также, что содержание хлористого кальция в количестве более 8 % от массы цемента в неармированных изделиях повышает гигроскопичность изделий, что неблагоприятно влияет на теплозащитные свойства.

Химические добавки минерализаторы вводят в арболитовую смесь в

пенообразующие и воздухововлекающие добавки: омыленный древесный пек (ЦНИПС-1), смолу нейтральную воздухововлекающую (СНВ), смолу древесную омыленную (СДО).

Технологический процесс производства арболита предполагает дробление и подготовку заполнителя по гранулометрическому составу, его обработку, приготовление химических добавок, дозировку компонентов, приготовление арболитовой смеси, укладку ее в формы и уплотнение, тепловую обработку отформованных изделий, вызревание при положительной температуре, складирование.

Арболитовые изделиястеновые блоки формуют в стальных формах. Вследствие упругости древесных волокон обычное уплотнение арболитовой смеси вибрированием мало эффективно. Современными механизированными способами уплотнения арболитовой смеси

являются: циклическое прессование, вибропрессование, вибросиловой прокат, послойное уплотнение, вибрирование с пригрузом. Твердение арболитовых изделий наиболее благоприятно протекает при температуре 40…50 °С и влажности воздуха 70…80 % в течение 18…20 ч в камерах, оборудованных теплоэлектронагревателями. После этого требуется дополнительная выдержка изделий при 18 °С в течение 7…14 дней.

12.ПЛАСТМАССЫ

12.1.Пластмассы на основе термопластичных полимеров

Наиболее распространенными строительными пластмассами на основе термопластичных полимеров являются поливинилхлоридные, полистирольные и полиэтиленовые пластмассы.

Поливинилхлорид получают полимеризацией винилхлорида – СН2=СНС1. Винилхлорид в нормальных условиях представляет собой газообразное бесцветное вещество, переходящее в жидкость при

149

температуре -13,9 °С, плотность его – 0,97 г/см3. Винилхлорид получают из ацетилена присоединением хлористого водорода:

СН =СН + НС1 → СН2=СНС1.

Вкачестве катализатора применяют хлорную ртуть.

Поливинилхлорид представляет собой белый термопластичный негорючий порошок аморфного строения. При нормальной температуре он безвреден, а при температуре разложения 140 °С выделяет хлорорганические соединения, оксид углерода, хлористый водород. Плотность поливинилхлорида – 1400 кг/м3. Поливинилхлорид устойчив к действию кислот, щелочей, минеральных масел, к окислению, старению. Растворим в дихлорэтане. Недостатком поливинилхлорида является малая устойчивость к действию тепла и света. Рекомендуется использовать при температуре ниже +60 °С. Ему присуща также хладо-

140…180 °С в присутствии термостабилизаторов: свинцовых белил 2РвСО3 х Рв(ОН)2, свинцового сурика Рв3О4, соды Na2CO3, стеаратов, меламина. В качестве пластификаторов используют эфиры фталевых кислот.

На основе поливинилхлорида изготавливают виниловый сайдинг,

Поливинилхлоридный линолеум обладает высокой прочностью и истираемостью, низкой теплопроводностью, гигиеничен, малотеплопроводен, мало подвержен гниению. При выработке линолеума в линолеумную массу вводят пластификаторы: дибутилфталат, диоктилфталат. Для повышения прочности и снижения расхода связующего используют минеральные наполнители: тальк, асбест, барит, каолинит. В качестве пигментов используют природные вещества: мумию, сурик железный. Применяют также добавки - разбавители: олифу, хлорпарафин, веретенное масло.

Безосновный линолеум может производиться вальцово-каландровым способом. Однослойный линолеум производят из линолеумной массы, приготавливаемой в роторном смесителе. Под давлением поршня 0,3…0,4 МПа в смесителе производят пластикацию массы. Затем по ленточному конвейеру масса подается на первую пару вальцов. Здесь масса приобретает форму полотна толщиной 15…20 мм. Затем полотно

150