Текст книги "Строительные материалы из древесины"

Как правило, при определении породы древесины пользуются определителями, на основании всестороннего изучения строения древесины.

Породу растущего дерева сравнительно легко определить по кроне, коре, листьям или хвое и плодам.

Для использования древесины при изготовлении столярных изделий и применении ее в строительном деле лучшим возрастом для ели является примерно 100 – 150 лет, сосны – 80 – 120 лет, березы – 50 – 70 лет.

В строительстве при производстве фанеры и в мостостроении применяют сосну, ель, лиственницу, дуб, ясень, березу, осину, бук, граб.

В гидротехническом строительстве применяют лиственницу, дуб, ясень, березу, осину, бук, граб. При изготовлении шпал также применяют лиственницу. Для изготовления паркета применяют дуб, ясень, бук, граб.

При изготовлении стеновых отделочных материалов применяют дуб, ясень, березу, осину, бук, граб. Отделка поверхностей стен, панелей, потолков, лестниц различными породами древесины является одной из разновидностей отделки зданий. Выполнение такой отделки требует хорошего знания свойств и структуры древесины, умения использовать наиболее ценные ее свойства. В подборе отделочной древесины особенно важно использовать светотеневую игру, что достигается расположением отдельных слоев древесины в различных направлениях по отношению к свету. Декоративные качества древесины – ее текстура, строение и светотеневые возможности особенно выявляются при окончательной отделке – лакировке и полировке.

Сосна. Древесина сосны – плотная, твердая, прочная и среднеусыхающая. Она легко обрабатывается, относительно хорошо склеивается, но плохо отделывается и окрашивается.

Ель. Род елей включает девять видов. В строительстве чаще всего применяют ель европейскую (обыкновенную) и сибирскую. Ель обыкновенная по физико-механическим свойствам дает лучшую древесину. Из-за большой сучковатости древесина ели обрабатывается и отделывается несколько хуже. Ее преимуществами являются однородность строения, белый цвет и малая смолистость. Древесина мягкая, легкая, малоусыхающая, хорошо склеивается. В строительстве применяется для изготовления оконных и дверных блоков, досок для покрытия полов, плинтусов, наличников, обшивки и раскладки, для изготовления мебели. Важное место занимают также пиломатериалы и балансы из ели.

Лиственница. Произрастает 14 видов лиственницы, из которых наибольшее значение в строительстве имеют даурская и сибирская. Даурская произрастает на Дальнем Востоке и в Восточной Сибири, сибирская – в лесах Западной Сибири и частично в Восточной Сибири. Древесина лиственницы имеет высокие физико-механические свойства: плотность и прочность ее тяжелой древесины почти на 30 % выше, чем у древесины сосны. Она обладает высокой стойкостью против гниения. Ее часто называют сибирским дубом.

Используют древесину лиственницы в случаях, когда требуется высокая прочность и стойкость против гниения (гидротехнические сооружения, сваи, столбы связи, шпалы, рудничная стойка). В некоторых случаях древесину лиственницы используют вместо древесины дуба. Используют ее также в мебельном производстве, так как она имеет красивую текстуру.

Пихта. Имеется несколько видов пихты: сибирская, кавказская, маньчжурская, белокорая и др. Наиболее высокими физико-механическими свойствами обладает древесина кавказской пихты. Она не уступает древесине ели.

Кедр. Произрастает два вида кедра: кедр сибирский, или сосна кедровая сибирская, и кедр корейский. Сибирский кедр растет почти на всей территории Сибири, корейский кедр произрастает в южной части Дальнего Востока и в Маньчжурии. По физико-механическим свойствам древесина кедра занимает промежуточное положение между древесиной сибирской ели и пихты, но по стойкости против гниения превышает ее. Древесина кедра хорошо обрабатывается в разных направлениях, применяется в столярно-мебельном производстве, для изготовления шпал и др.

Тис. Древесина тиса имеет красивый внешний вид и поэтому применяется для внутренней отделки помещений, в мебельном производстве, токарных и резных изделий и др.

Многочисленность видов и многообразие свойств лиственных пород обусловливают их разнообразное применение в строительстве.

Дуб. Древесина дуба характеризуется высокой прочностью и стойкостью против гниения, способностью к сгибанию, красивой текстурой и цветом. Используется древесина дуба в столярно-мебельном, паркетном и фанерном производствах.

Ясень. Древесина ясеня отличается высокой прочностью и вязкостью, малой склонностью к растрескиванию, красивой текстурой. Применяется наравне с древесиной дуба.

Береза. Среди множества видов березы наибольшее применение в строительстве имеет древесина березы плакучей, или бородавчатой, и березы пушистой. У березы плотность и твердость средние, она однородна по строению, прочная, достаточно вязкая. Недостатком этой породы является приверженность к растрескиванию и короблению, к тому же береза сильно усыхает, легко поражается червоточиной и загнивает. Древесина березы хорошо обрабатывается инструментом, склеивается, полируется и окрашивается. После соответствующей окраски береза применяется для имитации красного дерева, серого клена, грецкого ореха и т.д. В строительстве применяется для производства лущеного шпона, фанеры, древеснослоистых пластиков, паркета. Из коры березы получают деготь. Наросты и капы березы используют в качестве облицовочного материала в производстве мебели.

Древесина березы железной по плотности и прочности в 1,5 раза, а по твердости в 2,5 раза превосходит древесину плакучей березы.

Ольха. Древесина ольхи мягкая, легкая, среднеусыхающая, дает незначительное коробление при сушке, хорошо склеивается, режется, полируется и окрашивается. Ольха может применяться в фанерном, столярно-мебельном производстве, в виде строганого шпона для имитации черного и красного дерева, а также грецкого ореха.

Осина. Для нужд строительства из древесины ольхи изготовляют кровельную стружку, кровельную плитку, дрань и др.

Бук. Древесина бука очень прочная, с красивой текстурой, хорошо гнется, подвержена загниванию. Применяется для изготовления мебели, тары для нефтепродуктов, паркетного фриза, строганого шпона и т.д.

Рябина. Древесина рябины плотная, тяжелая, твердая, прочная, хорошо сопротивляется ударам. Применяется для изготовления рукояток к различным строительным инструментом и др.

Вяз. Древесина вяза тяжелая, прочная, вязкая, хорошо поддается гнутью. Применяется для изготовления дуг, обода, в столярно-мебельном производстве.

Ильм. Красивая текстура древесины ильма применяется в основном в фанерном и мебельном производствах.

Дерево состоит из ствола, кроны и корней. Ствол является основной и наиболее ценной частью, из него получают от 60 до 90 % деловой древесины. По своему строению древесина является волокнистым пористым материалом, состоящим из живых и мертвых клеток. По назначению клетки подразделяют на проводящие питательные вещества, запасающие их и механические. Макроструктуру древесины изучают в одном поперечном и двух продольных сечениях: радиальном и тангенциальном.

В поперечном сечении ствола у деревьев хвойных пород имеются годовые кольца. Каждое кольцо складывается из светлого кольца ранней древесины и более темного – поздней. Ранняя древесина образуется весной или в начале лета. Состоит она из крупных тонкостенных клеток, склонна к загниванию, имеет большую пористость и низкую прочность.

Древесина, образовавшаяся летом и в начале осени (поздняя), имеет темный цвет вследствие насыщения смолянистыми веществами, большую прочность и плотность. Чем больше образовалось поздней древесины, тем выше общая прочность древесины и ее стойкость по отношению к воде. Вследствие волокнистого строения древесина относится к анизотропным материалам, то есть ее физические и механические свойства в разных направлениях различны.

Каждая порода дерева имеет характерный цвет и текстуру (рисунок). Древесина хвойных пород в основном обладает простым и однообразным рисунком, лиственных пород – сложным. Дуб, бук, орех, каштан и некоторые другие породы благодаря богатству и разнообразию текстуры высоко ценятся в столярно-отделочных работах. Истинная плотность древесины, состоящей в основном из целлюлозы, составляет 1540 кг/м куб. и практически не зависит от породы дерева. Средняя плотность колеблется от 450 кг/м куб. (кедр, пихта) до 900 кг/м куб. и более (граб, железное дерево, самшит, кизил) и зависит от общей пористости, которая для хвойных пород равняется 46…81 %, лиственных – 32…80 %.

Вследствие гидрофильной природы и волокнистой пористой структуры древесина при изменении температурно-влажностных условий эксплуатации легко впитывает и отдает влагу, которая находится в ней в трех видах – химическая, входящая в состав основного вещества целлюлозы, гигроскопическая, адсорбированная на стенках клеток, и свободная, заполняющая клетки и межклеточные пространства.

В зависимости от влажности (степени насыщения водой, %) древесину подразделяют на мокрую – свежесрубленную (более 35 %), воздушно-сухую (15…20 %) и комнатно-сухую (8…12 %). Влажность, приобретенная древесиной при длительном нахождении в условиях постоянного температурно-влажностного режима, называют равновесной. Полная влажность (при погружении в воду) может достигать 200 %. Влажность влияет на все физические и механические свойства древесины (увеличение размеров, повышение электро– и теплопроводности, снижение прочности), поэтому с целью анализа области применения вводят показатель стандартной влажности, равный 12 %. Все свойства пересчитывают с учетом этого показателя по специальным формулам.

Изменения влажности влекут за собой изменения размеров и форм изделий. Вследствие неоднородности строения древесина усыхает в различных направлениях неодинаково. Вдоль волокон усушка составляет 1 см на 1 м (1 %), в радиальном направлении – 3…6 см на 1 м (3…6 %), в тангенциальном – 6 – 12 см на 1 м (6 …12 %). Неравномерность усушки и, как следствие, коробление приводят к появлению внутренних напряжений и растрескиванию пиломатериалов и бревен.

Для предотвращения коробления и растрескивания деревянных изделий их изготавливают из древесины, предварительно высушенной до той равновесной влажности, которая будет при эксплуатации.

Для столярных изделий, эксплуатируемых внутри помещения, влажность должна составлять 8…10 %, для наружных конструкций – 15…18 %. Чтобы защитить древесину от последующего увлажнения, ее покрывают водостойкими красками, полимерными пленками. В круглом лесе и пиломатериалах трещины усушки образуются в первую очередь на торцах. Для уменьшения растрескивания торцы бревен, брусьев обмазывают смесью из извести, соли и клея или другими защитными средствами.

Как предохранить и сохранить древесину от гниения и разрушения. Если древесина эксплуатируется во влажных условиях, она подвергается разрушающему действию микроорганизмов – загнивает. В зависимости от породы и строения древесина имеет различную стойкость против гниения. По стойкости от гниения породы и зоны древесины разделяют на различные классы: стойкие, среднестойкие, малостойкие и нестойкие.

К стойким породам относятся сосна, ясень, ядро дуба и лиственницы.

К среднестойким породам относятся ель, пихта, периферическая часть кедра, заболонь лиственницы, центральная зона бука.

К малостойким – заболонь березы, бука, граба, дуба, клена, ядро вяза.

К нестойким – ольху, осину, заболонь липы, центральную зону березы.

В конструкциях зданий и сооружений древесина часто находится в условиях попеременного действия теплоты, холода и влажности и подвергается загниванию.

Особенно опасно появление гнили, которую вызывают домовые грибы. Разрушение древесины и распространение грибной инфекции происходит очень быстро.

Чтобы предохранить и сохранить древесину от загнивания, растрескивания, коробления, от действия грибов, насекомых и продлить срок службы конструкций и изделий в зданиях и сооружениях необходимо принять следующие меры:

– обеспечить предварительную естественную (атмосферную) и искусственную сушку;

– изолировать древесину от грунта, камня и бетона;

– сделать каналы для проветривания, вентиляции;

– защитить деревянные конструкции от атмосферных осадков;

– отвести воду и устроить гидроизоляцию;

– предотвратить конденсацию влаги;

– утеплить подполья;

– устроить отливы у наружных оконных переплетов;

– окрасить водостойкими красочными и пастовыми составами;

– пропитать антисептиками.

Антисептирование, применяемое для защиты древесины от гниения, используют в случаях, когда мерами конструктивного характера полностью предохранить древесину от увлажения не удается. По пропитываемости антисептиками породы древесины подразделяются на несколько групп:

– легкопропитываемые (заболонь березы, бука и сосны);

– умеренно пропитываемые (кедр, ольха, осина, граб, дуб, клен, липа, заболонь лиственницы европейской, сосна, осина, ядро ольхи);

– труднопропитываемые (ель, лиственница сибирская, заболонь пихты, береза, бук, ядро пихты, дуб, ясень, вяз).

Применяемые антисептики должны удовлетворять следующим требованиям:

– обладать высокой токсичностью по отношению к дереворазрушающим грибам, но быть безвредными для людей и животных;

– легко проникать в древесину, не ухудшая при этом ее физико-механические свойства;

– не вызывать коррозии металлических креплений и не затруднять отделку древесины;

– быть стойкими при повышенных температурах и в процессе обработки древесины;

– не иметь неприятного запаха.

Чтобы защитить деревянные конструкции до их просыхания при дальнейшей эксплуатации в нормальных условиях раствор антисептика наносят кистью или путем опрыскивания из гидропульта. В зимних условиях растворы подогревают до 45 – 50 0С. Работы производят при наружной температуре не ниже 10 градусов. Обычно для антисептирования применяют водорастворимые антисептики (фтористый и кремнефтористый натрий, хлористый цинк, медный купорос).

Если пропитывать деревянные конструкции и элементы по способу горяче-холодных ванн, качество пропитки получается наилучшим. В этом случае деревянные элементы, сформированные в пакет на прокладках с зазорами, подают в пропиточную ванну с температурой водного раствора около 95 0С. Время выдержки в ванне зависит от влажности древесины, сечения элементов породы и т.п. После окончания срока выдержки древесины в горячем растворе, его откачивают в запасной бак, затем снизу в ванну подают холодный раствор (20 – 30 0С). Полная замена горячего раствора на холодный производится на 5 минут.

В горяче-холодных ваннах с маслянистыми антисептиками пропитка древесины производится при температуре от 90 до 110 градусов – горячая ванна и 50 – 60 градусах – холодная. В качестве маслянистых антисептиков применяют антраценовое, каменноугольное и сланцевые масла. Используют их для древесины, находящейся на открытом воздухе, в земле или в воде.

В автоклаве пропитку производят под действием вакуума – разряженного воздуха и давления. Этот способ обеспечивает быструю и наиболее глубокую, часто сплошную пропитку древесины.

Пропитка древесины диффузионным способом основана на проникновении в сырую древесину веществ под действием разности их концентрации на поверхности и внутри древесины.

Антисептические пасты на основе битума и жидкого стекла применяют для защиты элементов из древесины с начальной влажностью от 45 % , а также для защиты элементов, увлажнение которых происходит в процессе эксплуатации, например, концы балок, закапываемых в землю, и др. После обработки антисептической пастой элементы открытых сооружений защищают гидроизоляционным покрытием – толью, рубероидом и др.

Чтобы предохранить древесину от разрушения насекомыми, применяют способ окорки круглых материалов, а также содержат склад, где хранится древесина, в соответствии с санитарными требованиями. Если насекомые уже поразили древесину в сооружениях и изделиях, то для борьбы с ними применяют профилактические и активные способы. В случае принятия профилактических мер все внутреннее оборудование из древесины жилых помещений, особенно, если они не защищены красками или лаками, следует протирать три раза в год 3%-ным водным раствором фтористого или кремнефтористого натрия. При применении эти растворы не меняют цвета поверхности изделий и неядовиты.

Как сушить древесину. В любом срубленном дереве имеется влага, необходимая живому дереву для перемещения питательных веществ. При отмирании дерева влага способствует разложению древесины, то есть гниению. Удаление влаги приводит к усадке древесины – усушке. Чтобы обеспечить качество изделий и деревянных конструкций, а также их долговечность, древесину необходимо сушить. Процесс сушки заключается в обезвоживании древесины. Для этого из древесины удаляют влагу при ее нагревании, при котором происходит превращение воды в пар. В парообразном состоянии объем влаги увеличивается почти в 1000 раз. При таком увеличении своего объема влага интенсивно выделяется из древесины.

Сухая древесина служит намного дольше, поэтому для изделий из нее и ремонтных работ необходимо меньше. Различают массовую сушку, вырабатываемых пиломатериалов до транспортной влажности (18 – 22 %) и технологическую сушку пиломатериалов или заготовок до эксплуатационной влажности, то есть до влажности, назначенной в технической документации на изделия.

Массовая, атмосферная сушка пиломатериалов производится естественным образом, на открытом воздухе. Камерная сушка производится в специальных сушильных камерах. При комбинировании этих способов выполняют комбинированную сушку.

При атмосферной сушке материал складывается в сушильные штабеля, конструкции которых зависят от размеров пиломатериалов, уровня механизации укладки, климата и т.д. Штабеля ставят на опоры высотой 50 – 70 см. Между кромками досок или заготовок должны быть промежутки (шпации) для улучшения испарения влаги. Доски (заготовки) разделяются по высоте штабеля прокладками, если же сушатся тонкие пиломатериалы, то они сами являются прокладками. На штабеля устанавливают съемные крыши. Сохнут пиломатериалы медленно – месяц, два и более. Поэтому их нужно непременно антисептировать. Кроме этого, необходимо заботиться о предотвращении растрескивания концов досок, особенно толстых, а также твердых пород любой толщины. Это делают, обмазывая торцы специальными замазками.

Для искусственной сушки применяют специальные камеры непрерывного и периодического действия с естественной и принудительной циркуляцией воздуха. Сушильные камеры требуют значительных затрат на строительство и эксплуатацию. Теплоносителем в них сначала является водяной пар с температурой 70…80 0С , а затем нагретый до 50…60 градусов воздух. Продолжительность сушки составляет от 3 до 6 суток. Чтобы процесс сушки ускорить до 8…12 часов, пакет деревянных изделий погружают в ванну с нагретым до 130 градусов Цельсия петролатумом, представляющим собой гидрофобный продукт переработки нефти. Сушку особо ценной древесины проводят в поле токов высокой частоты. В этом случае энергия переменного электрического тока превращается в тепловую энергию, вызывающую нагрев древесины и испарение воды. В некоторых случаях комбинируют высокочастотную сушку и камерную.

Как правило, продолжительность сушки зависит от требуемой конечной влажности. Так, если необходима влажность 8 % , а не 12 %, то продолжаться сушка будет в 1,2 раза больше.

Основными свойствами древесины являются механические и технологические свойства.

Под механическими свойствами древесины понимают ее способность сопротивляться воздействию внешних сил – нагрузок. По характеру действия сил различают нагрузки статические, динамические, вибрационные и долговременные. Статическими называют нагрузки, возрастающие медленно и плавно. Динамические, или ударные, нагрузки действуют мгновенно и в полную силу. Вибрационными называют нагрузки, у которых меняются величина и направление. Долговременные нагрузки действуют в течение очень продолжительного времени. Под воздействием внешних сил в древесине нарушается связь между отдельными ее частицами и изменяется форма. Механические свойства древесины зависят от направления прилагаемой нагрузки по отношению к древесным волокнам, средней плотности и влажности.

В результате сопротивления древесины внешним нагрузкам в древесине возникают внутренние силы. Если эти силы отнести к единице площади сечения, то получают напряжение, которое выражается в МПа. К механическим свойствам древесины относятся:

– прочность,

– твердость,

– ударная вязкость,

– деформативность.

Прочностью древесины называется ее способность сопротивляться разрушению под действием механических нагрузок. Прочность древесины зависит от направления действующей нагрузки, породы дерева, плотности, влажности, наличия пороков. Она характеризуется пределом прочности – напряжением, при котором разрушается образец.

Значительное влияние на прочность древесины оказывает только связанная влага, содержащаяся в клеточных оболочках. При увеличении связанной влаги прочность древесины уменьшатся. Дальнейшее повышение влажности за предел гигроскопичности, величина которого составляет 30 %, не оказывает влияния на показатели прочности древесины. Показатели пределов прочности можно сравнивать только при одинаковой влажности древесины.

На показатели механических свойств древесины, кроме влажности, оказывает также влияние и продолжительность действия нагрузок. Поэтому при проведении испытаний древесины придерживаются заданной скорости нагружения на каждый вид испытания.

Основными видами действий сил являются:

– растяжение,

– сжатие,

– изгиб,

– скалывание.

Предел прочности при растяжении. Средняя величина предела прочности при растяжении вдоль волокон для всех пород составляет 130 МПа. На прочность при растяжении вдоль волокон большое влияние оказывает строение древесины. Снижение прочности снижает даже небольшое отклонение от правильного расположения волокон. Прочность древесины при растяжении поперек волокон очень мала и составляет примерно 1/20 часть от предела прочности при растяжении вдоль волокон, т.е. 6,5 МПа. Поэтому древесина почти не применяется в деталях, работающих на растяжение поперек волокон. Прочность древесины поперек волокон имеет значение при разработке режимов резания с режимов сушки древесины.

Предел прочности на сжатие. Различают сжатие вдоль и поперек волокон. Предел прочности при сжатии определяют вдоль и поперек волокон на образцах в виде прямоугольных призм размером 20 х 20 х 30 мм. При сжатии вдоль волокон деформация выражается в небольшом укорочении образца. При сжатии вдоль волокон прочность древесины в 4 – 6 раз больше, чем поперек. Разрушение при сжатии начинается с продольного изгиба отдельных волокон. Во влажных образцах и образцах из мягких и вязких пород оно проявляется как смятие торцов и выпучивание боков. В сухих образцах и в твердой древесине вызывает сдвиг одной части образца относительно другой.

При сжатии поперек волокон не всегда можно точно установить момент разрушения древесины и определить величину разрушающего груза.

Предел прочности при изгибе. При изгибе верхние слои древесины испытывают напряжение сжатия, а нижние – растяжения вдоль волокон. Предел прочности при сжатии меньше, чем при растяжении, поэтому разрушение начинается в сжатой зоне. Видимое разрушение начинается в растянутой зоне и выражается в разрыве крайних волокон. Древесина оказывает большое сопротивление изгибу, поэтому ее применяют при изготовлении балок, стропил, ферм. Прочность на изгиб, значения которой колеблются от 50 до 100 МПа, определяют на образцах-балочках размером 20 х 20 х 300 мм. Испытания проводят по схеме балки, свободно лежащей на двух опорах с пролетом 240 мм и нагруженной двумя сосредоточенными грузами на расстоянии 80 мм. Прочность при изгибе в два раза больше предела прочности при сжатии вдоль волокон. Предел прочности древесины зависит также от породы и влажности.

На скалывание древесина работает в стропильных фермах. Эта прочность составляет 6…13 МПа при скалывании вдоль волокон и 24…40 МПа поперек волокон.

Твердость, деформативность и вязкость древесины. Под твердостью называется способность древесины сопротивляться внедрению в нее более твердых тел. На величину твердости оказывает влажность древесины. При изменении влажности древесины на 1 % торцовая твердость изменяется на 3 %, тангенциальная и радиальная – на 2 %.

Статическая твердость численно равна нагрузке, которая необходима для вдавливания в поверхность образца половины металлического шарика определенной массы и диаметра. В зависимости от этого показателя все древесные породы подразделяются на мягкие (сосна, ель, ольха, пихта, тополь, липа, осина) – 35…50 МПа; твердые (дуб, граб, береза, бук, вяз, ильм, карагач, клен, яблоня, ясень) – 50…100 МПа; очень твердые (кизил, самшит, акация белая, граб, береза железная) – более 100 МПа. Как уже говорилось, с увеличением влажности твердость древесины понижается.

Для оценки качества материалов, применяемых для покрытия пола, определяют динамическую твердость по диаметру отпечатка, полученного в результате падения с заданной высоты металлического шарика определенной массы и диаметра. Твердость древесины имеет важное значение при обработке ее режущими инструментами: пилении, фрезеровании, лущении, а также в тех случаях, когда подвергается истиранию при устройстве полов, перил, лестниц.

Деформативность древесины. Под деформативностью древесины понимают ее способность изменять свои размеры и форму под воздействием усилий. Деформации, исчезающие после прекращения действия силы, называют упругими, а сохраняющиеся после снятия нагрузки – остаточными. Модуль упругости важен при изготовлении арок, балок, ферм и т.д. Рассчитывается он по величине прогиба образца-балочки. Так, для сосны и ели динамический модуль упругости составляет 1000…15000 МПа. С увеличением плотности этот показатель возрастает, при увлажнении снижается. Для древесины разных пород модуль упругости различен.

Ударная вязкость древесины. Ударная вязкость представляет собой способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения. Определяется она при испытаниях на изгиб. Чем больше величина работы, необходимая для излома образца древесины, тем выше его вязкость. Если древесина хрупкая, то для разрушения образца необходимо затратить меньшую величину работы. Древесина лиственных пород имеет ударную вязкость в среднем в 2 раза большую, чем у пород хвойных.