ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Общие сведения

Природными каменными материалами называют строительные материалы, получаемые из горных пород путем механической обработки или без нее. Под механической обработкой понимают процессы, направленные на изменение формы и размеров массивных горных пород путем раскалывания, дробления, распиливания, шлифования, полирования, просеивания и т.д. Получаемые при этом строительные материалы почти полностью сохраняют свойства исходной горной породы. Природные каменные материалы обладают рядом ценных строительно-технических свойств: прочность, твердость, морозостойкость, водостойкость, декоративность и др.

В таблице 4 приведены сведения о применении горных пород в строительстве.

Таблица 4 − Применение горных пород в строительстве

Для оценки свойств природных каменных материалов и выбора области их применения необходимо знать свойства и строение исходных горных пород и слагающих их природных минералов.

Природные минералы – образования, сформировавшиеся в результате геохимических процессов, протекающих в земной коре. Каждый минерал имеет определенный химический состав, структуру и свойства.

В земной коре более 7000 минералов и их разновидностей. Большинство их них встречаются редко и лишь немногие (около 100) встречаются часто и в достаточно больших количествах, входят в состав тех или иных горных пород. Такие минералы называют породообразующими.

Структура минералов. Природные минералы в большинстве имеют кристаллическое строение, и лишь некоторые – аморфное. Минералы обладают однородностью строения, состава и свойств. Свойства кристаллических минералов могут быть одинаковыми по всем направлениям (изотропность) или разными по различным направлениям (анизотропность). Аморфные минералы не имеют кристаллической решетки и по своим свойствам они изотропны. Для них характерна неправильная внешняя форма.

Химический состав минералов. Каждый минерал имеет свой химический состав. В отдельных случаях можно встретить минералы сходного химического состава, но в этом случае они обязательно имеют различное внутренне строение, а, следовательно, и различную внешнюю форму.

Физические свойства минералов. Каждый минерал имеет определенные физические свойства. Для строительной отрасли необходимо учитывать такие свойства как: цвет, прозрачность, блеск, спайность, плотность, твердость,

По цвету минералы делятся на две группы: светлые (кварц, полевые шпаты, гипс, кальцит) и темные (роговая обманка, авгит).

По способности пропускать свет через свою толщу минералы делятся на три группы: прозрачные (кварц, мусковит), полупрозрачные (гипс, халцедон) и непрозрачные (пирит, графит).

По блеску (способности поверхности отражать свет в различной степени) минералы делятся на несколько групп: стеклянные (силикаты), жирные (тальк), шелковистые (асбест) и др.

По спайности (способности раскалываться или расщепляться по определенным направлениям с образованием ровных плоскостей - плоскостей спайности), минералы делятся на следующие группы:

− минералы, имеющие весьма совершенную спайность (минералы легко расщепляются по плоскостям спайности);

− минералы, имеющие совершенную спайность (минералы практически всегда раскалываются по плоскостям спайности);

− минералы, имеющие несовершенную спайность (раскалывание минералов не всегда проходит по плоскостям спайности);

− минералы, у которых спайность отсутствует (минералы при раскалывании образуют неровные поверхности).

По плотности минералы делятся на три группы: тяжелые (ρ > 4,0 г/см³), средние (ρ = 2,5…4,0 г/см³) и легкие (ρ < 2,5 г/см³).

По твердости (способности минералов противостоять внедрению в него другого более твердого тела) минералы делятся на четыре группы: мягкие, средние, твердые и очень твердые (таблица 5).

Горные породы представляют собой природные минеральные агрегаты, которые «рождаются» в земной коре. Каждой породе свойственно известное постоянство химического и минерального составов, структуры, а иногда и условий залегания в земной коре.

Таблица 5 − Твердость природных минералов *

* − на практике часто используются такие эталоны твердости, как мягкий карандаш – 1; ноготь – 2,5; медная монета – 3,5; стекло – 5; лезвие ножа – 5,5.

Горные породы чаще всего состоят из нескольких минералов (полиминеральные горные породы). В отдельных случаях они состоят из одного минерала и называются мономинеральными (гипс, ангидрит, мрамор, кварцит и др.). Горные породы не имеют химических формул. Их состав оценивается химическим анализом.

Большое разнообразие (около 1000) горных пород удобно и логично изучать, если их классифицировать по условиям образования (генетическая классификация), т.к. именно условия образования определяют формирование структуры, строения и свойств горных пород, а, следовательно, и природных каменных материалов.

По генезису горные породы делят на 3 большие группы (таблица 6).

Таблица 6 − Генетическая классификация горных пород

Магматические горные породы образовались в результате охлаждения и застывания магмы (огненно-жидкого природного силикатного расплава). Многообразие пород этой группы обусловлено различиями в химическом составе магмы и условиях ее остывания и затвердевания.

Осадочные горные породы образовались в результате процессов выветривания первичных магматических горных пород (механические отложения), выпадения из водных растворов химических осадков (химические осадки) и накопления и преобразования остатков животного мира и растений (органогенные отложения).

Метаморфические (видоизмененные) горные породы образовались в результате преобразования магматических и осадочных горных пород под действием повышенных температур и давлений. При этом возможно перекристаллизация минералов, изменение строения и даже изменение химического состава.

Основные характеристики горных пород приведены в таблицах 7..9

Правильный выбор области применения природных каменных материалов в строительстве основывается на подробных сведениях о составе, структуре, строении и основных свойствах исходных горных пород, которые зависят от условий их образования. Особо значение следует уделять долговечности горных пород (таблица 10)

Таблица 10– Классификация горных пород по долговечности

Цель работы

Исследовать основные свойства природных каменных материалов и изучить их зависимость от условий образования, состава, структуры и состояния исходных горных пород. Определить области применения изучаемых горных пород в строительстве.

Порядок выполнения работы

Для решения задач исследования, поставленных в работе, каждое звено студентов проводит следующие испытания:

− определяет истинную плотность горной породы пикнометрическим методом;

− определяет среднюю плотность горной породы;

− рассчитывает пористость горной породы;

− определяет водопоглощение горной породы.

В качестве объектов исследований рекомендуется выдача образцов горных пород, принадлежащих к различным генетическим группам.

Таблица 7− Основные характеристики магматических горных пород

* − увеличение количества SiO₂ влечет увеличение плотности, прочности и потемнение цвета

** − аналоги неизвестны

Таблица 8 − Основные характеристики осадочных горных пород

Таблица 9 − Основные характеристики метаморфических горных пород

МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ

1 Определение истинной плотности горной породы

Отбирают пробу горной породы и для ликвидации пор и других дефектов структуры ее дробят. а затем размалывают в фарфоровой или агатовой ступке до размера зерен менее 0,2 мм. Приготовленный порошкообразный материал высушивают в термостате при температуре 105…110 ^оС до постоянной массы, взвешивают с погрешностью 0,01 г, а затем охлаждают в эксикаторе до комнатной температуры.

От подготовленной пробы берут навеску массой около 10 г, высыпают ее в чистый предварительно взвешенный пикнометр (рисунок 4).

Рисунок 4 – Пикнометр

Пикнометр с навеской взвешивают с погрешностью 0,01 г, заливают на 2/3 объема дистиллированной водой и ставят на песчаную баню. Осторожным кипячением в течение 15…20 минут удаляют из навески материала воздух. После кипячения пикнометр с содержимым охлаждают до комнатной температуры в ванне с водой. Пикнометр тщательно вытирают снаружи, доливают до черты (по нижнему мениску) дистиллированную воду и взвешивают с погрешностью 0,01 г, определяя массу пикнометра с водой и навеской. Затем пикнометр освобождают от содержимого, промывают, заполняют до черты дистиллированной водой комнатной температурой и вновь взвешивают с погрешностью 0,01 г, определяя массу пикнометра с водой.

Истинная плотность вещества горной породы определяют по формуле

(m₂-m₁) ρ _воды

ρ _в-ва = −−−−−−−−−−−−−− , (1)

m₄ + (m₂ - m₁) - m₃

где ρ _в-ва − истинная плотность вещества, г/см³; m₁ – масса сухого чистого пикнометра, г; ρ _воды − плотность воды, г/см³; m₂ − масса пикнометра с навеской, г; m₃ − масса пикнометра с водой и навеской, г; m₄ – масса пикнометра с водой, г.

Определение истинной плотности вещества горной породы проводят дважды, пока расхождение между двумя параллельными результатами не будет превышать 0,02 г/см³.

2 Определение плотности образцов горных пород

Для каждой горной породы отбирают по 3 образца неправильной формы. Образцы высушивают в термостате при температуре 105…110 ^оС до постоянной массы и после остывания в эксикаторе взвешивают с погрешностью 0,01 г. Затем на каждый образец с помощью кисти наносят тонкий слой расплавленного парафина так, чтобы была покрыта вся поверхность. Дав парафину застыть, образцы снова взвешивают и перевязывают прочной нитью. Используя известные формулы, определяем массу парафина.

Объем образца, покрытого слоем парафина, определяют при помощи объемомера (рисунок 5), который предварительно заполняют водой до уровня слива. Парафинированный образец на нитке опускают в объемомер, а вытесненная жидкость стекает в стакан 4 (мерный цилиндр 3). Водонепроницаемый слой парафина препятствует впитыванию воды, что превышает точность определения объема образца.

Из установленного таким образом объема образца с парафином необходимо вычесть объем, занимаемый парафином. Плотность парафина равна 0,93 г/см³.

Плотность образца горной породы подсчитывают как частное от деления массы образца в сухом состоянии на его объем:

m₁ m₁

ρ _г.п = −−−−− = −−−−−−−−−−−−, г/см³ (2)

V _обр m₂-m₁ m₂ - m₁

−−−−− − −−−−−−

ρ _воды ρ _пар

где ρ _{г. п} − плотность горной породы, г/см³; m₁ – масса образца горной породы в сухом состоянии, г; V _обр − объем образца, см³; ρ _воды − плотность воды, г/см³; m₂ − масса образца горной породы, покрытого слоем парафина, г; m₃ − масса образца горной породы, покрытого слоем парафина в воде, г; ρ _пар − плотность парафина, г/см³.

Рисунок 5 − Объемомер

1 – объемомер, 2 – образец, 3 – мерный цилиндр, 4 − стакан

Плотность горной породы вычисляют как среднее арифметическое результатов испытаний 3 образцов.

Результаты определения истинной плотности и плотности горной породы в куске сравнивают с данными приложений 4…6. Резкие отклонения экспериментальных данных от табличных свидетельствуют о неправильном проведении лабораторных испытаний.

3 Определение пористости горных пород

Пористость, характеризующая степень заполнения объема образца горной породы порами, подсчитывают в процентах по установленным величинам истинной плотности и средней плотности по формуле

p = (1 −езультатыРезультаты

(ρ _г.п/ρ _в-ва)100 %, (3)

где p − пористость горной породы, %; ρ _г.п – плотность горной породы, г/см³; ρ _в-ва − истинная плотность вещества горной породы, г/см³.

4 Определение водопоглощения горных пород

От горной породы отбирают по 3 образца, которые после предварительного высушивания взвешивают с погрешностью 0,01 г. Насыщение водой производят при кипячении в течение 1 часа. Уровень воды в сосуде должен быть выше уровня верха образцов не менее чем 2 см. После кипячения образцы охлаждают до комнатной температуры путем доливания в сосуд холодной воды. Затем образцы поочередно вынимают из воды, обтирают влажной тканью и взвешивают.

Водопоглощение образца определяют по массе поглощенной им воды в процентах от массы сухого образца

W _m = (m _нас − m _сух)/m _сух ^.100 %, (4)

где W _m − водопоглощение образца по массе, %; m _нас – масса образца в водонасыщенном состоянии, г; m _сух – масса сухого образца, г.

Показатель водопоглощения горной породы подсчитывают как среднее арифметическое результатов испытаний 3 образцов.

Выводы по работе

На основе анализа результатов исследований, полученных всей подгруппой и оформленных в отчете в виде сводной таблицы, необходимо сделать заключение о зависимости показателей плотности, пористости, водопоглощения от их состава, строения и условий образования.

Составить аргументированные рекомендации по изготовлению строительных материалов и изделий из этих горных пород и применению их в строительстве.

Контрольные вопросы

1 Что произойдет с кварцем и кварцсодержащими горными породами при нагревании до 600 ^оС?

1 Разрушатся.

2 Расплавятся.

3 Сгорят.

4 Ничего ее произойдет.

2 Назовите представителя природных каменных материалов из магматических горных пород.

1 Мрамор.

2 Гранит.

3 Известняк.

4 Мел.

3 Назовите представителя природных каменных материалов из осадочных горных пород.

1 Мрамор.

2 Гранит.

3 Известняк.

4 Сиенит.

4 Назовите представителя природных каменных материалов из метаморфических горных пород.

1 Мрамор.

2 Гранит.

3 Известняк.

4 Мел.

5 Определите формулу породообразующего минерала кальцита.

1 CaSO₄.

2 CaCO₃MgCO₃.

3 CaCO₃.

4 Ca(HCO₃)₂.

6 Какие магматические горные породы называют аналогами?

1 Горные породы с одинаковой степенью закристаллизованности.

2 Горные породы, образовавшиеся из магмы с одинаковым химическим составом, но при различных условиях охлаждения и затвердевания.

3 Горные породы, содержащие кремнезем.

4 Горные породы с одинаковой пористостью.

7 Назовите представителя породообразующих минералов из группы сульфатов.

1 Кварц.

2 Ангидрит.

3 Доломит.

4 Кальцит.

8 На какие основные группы подразделяют горные породы согласно генетической классификации?

1 Рыхлые, обломочные, сцементированные.

2 Магматические, органогенные, глубинные.

3 Полнокристаллические, скрытокристаллические, аморфные.

4 Магматические, осадочные, метаморфические.

9 Назовите факторы, вызывающие метаморфизм горных пород.

1 Процессы физического выветривания и химического разложения.

2 Химические и биологические процессы.

3 Действие высоких температур и больших давлений газов и растворов.

4 Процессы аморфизации структуры.

10 Какие условия являются благоприятными для процесса кристаллизации магмы и формирования полнокристаллического строения горных пород?

1 Медленное и равномерное охлаждение при большом давлении.

2 Медленное и равномерное охлаждение при нормальном давлении.

3 Быстрое и неравномерное охлаждение при большом давлении.

4 Быстрое и неравномерное охлаждение при нормальном давлении.

11 Какие условия являются благоприятными для процесса аморфизации магмы и формирования аморфной структуры горных пород?

1 Медленное и равномерное охлаждение при большом давлении.

2 Медленное и равномерное охлаждение при нормальном давлении.

3 Быстрое и неравномерное охлаждение при большом давлении.

4 Быстрое и неравномерное охлаждение при нормальном давлении.

12 Назовите представителя породообразующих минералов из группы алюмосиликатов.

1 Полевые шпаты.

2 Ангидрит.

3 Гипс.

4 Известняк.

13 Почему мрамор не рекомендуется применять для наружной облицовки зданий и сооружений?

1 Вследствие его низкой плотности и малой морозостойкости.

2 Мрамор теряет свои декоративные свойства вследствие коррозии.

3 Под действием солнечной радиации мрамор темнеет.

4 Мрамор плохо поддается механической обработке из-за высокой прочности и твердости.

14 Для чего горную породу измельчают в тонкий порошок при определении истинной плотности?

1 Для того, чтобы разрушить кристаллическую решетку.

2 Для ликвидации пор и дефектов строения горной породы с целью получения объема абсолютно плотного материала.

3 Для удобства помещения пробы материала в пикнометр.

4 Для того, чтобы навеску взвесить с погрешностью 0,01 г.

15 С какой целью образцы неправильной формы покрывают слоем парафина при определении плотности образцов горной породы?

1 Для придании образцам правильной геометрической формы.

2 Для правильного определения объема образца и создания водонепроницаемого слоя на поверхности образца.

3 Для снижения доли открытых пор в объеме образца.

4 С целью улучшения санитарно-гигиенических условий.

Лабораторная работа № 2

СТРОИТЕЛЬНАЯ ДРЕВЕСИНА

Общие сведения

Древесина является весьма распространенным строительным материалом, который широко применяется в строительстве благодаря ряду положительных свойств: высокая прочность при малой плотности, малая теплопроводность, легкость механической обработки, простота скрепления отдельных элементов, высокие декоративные показатели.

Вместе с тем древесина имеет ряд недостатков, связанных с ее растительным происхождением. Строительные свойства древесины существенно ухудшаются за счет ее анизотропности, гигроскопичности, наличия пороков, способности к загниванию.

Изучение строения древесины и ее физико-механических свойств необходимо для того, чтобы смягчить и ослабить влияние отрицательных свойств и в максимальной степени использовать положительные свойства при использовании ее в качестве строительного материала.

В зависимости от степени переработки различают:

− лесные материалы, получаемые путем механической обработки стволов дерева (бревна, пиломатериалы), в таком виде древесина сохраняет все присущие ей свойства;

− готовые изделия и конструкции, изготовляемые специально в заводских условиях (столярные плиты, оконные и дверные блоки, элементы и детали сборных домов, клееные конструкции), свойства древесины при этом используются более рационально;

− синтетические материалы, получаемые при глубокой переработке древесного сырья (древесноволокнистые и древесно-стружечные плиты, клееная фанера, арболит и др.), в которых вовлекаются в переработку почти все отходы, образующиеся при обработке древесины.

Для определения породы древесины и суждения о ее свойствах изучают макроструктуру древесины невооруженным глазом или под небольшим увеличением.

Древесина имеет анизотропное строение, поэтому для более полного представления о качестве макроструктуры древесины, ее изучают по трем разрезам ствола дерева (рисунок 6):

– поперечному (торцевому);

– радиальномупродольному (по диаметру или радиусу);

– тангентальномупродольному (по хорде).

В поперечном и радиальном разрезах ствола различают следующие основные части: кору, камбий, собственно древесину (заболонь и ядро) и сердцевину (рисунок 7).

На этих же разрезах различимы концентрически расположенные слои, каждый из которых соответствует одному году жизни дерева.

Рисунок 6 – Главные разрезы дерева

а) – торцевой разрез; б) – радиальный разрез; в) – тангентальный разрез

Рисунок 7 – Основные части древесины на торцевом разрезе

1 - кора; 2 - камбий; 3 - собственно древесина: 3а) – заболонь; 3б) – ядро;

4 – сердцевина; 5 – сердцевинные лучи

Ранняя древесина, образованная весной и в начале лета, имеет светлые крупные тонкостенные клетки, большую пористость и невысокую прочность.

Поздняя древесина, образовавшаяся летом и в начале осени, имеет темный цвет, более высокие плотность и прочность. Годичный слой состоит из кольца ранней и кольца поздней древесины, хорошо различимых на торцевом сечении большинства древесных пород. Чем толще слои поздней древесины, тем выше прочность древесной породы в целом.

Строительной древесиной называют освобожденную от коры ткань древесных волокон, которая содержится в стволе дерева. Тканью называется группа клеток с одинаковым строением и функциями.

Изучая строение древесины под большим увеличением, можно увидеть, что основную ее массу составляют растительные клетки, вытянутые вдоль ствола (микроструктура). Некоторые клетки вытянуты в поперечном направлении (клетки сердцевинных лучей). Каждая клетка имеет оболочку (стенку), древесина растущего дерева содержит живые и отмершие клетки. В живых клетках содержится протоплазма, ядро и клеточный сок.

Срубленная древесина состоит из омертвевших клеток, т.е. из клеточных оболочек. Оболочки клеток сложены из нескольких слоев очень тонких волоконец, называемыхмикрофибриллами, которые, в свою очередь, состоят из длинных нитевидных цепных молекул целлюлозы - высокомолекулярного природного полимера (С₆Н₅О₅)со сложным строением макромолекул, которые очень эластичны и сильно вытянуты.

По назначению клетки делятся на три группы: проводящие, механические и запасающие.

Проводящие клетки служат для передачи питательных веществ от корней к ветвям и листьям. Они в основном находятся в камбии и заболони. В лиственных породах ими являются сосуды, расположенные вдоль оси ствола.

Лиственные породы, называемые кольцесосудистыми (дуб, вяз, ясень), имеют крупные сосуды, которые располагаются в ранней части годичного слоя, и мелкие, собранные в группы или распределенные по всей площади поздней древесины.

В рассеяннососудистых лиственных породах (липа, береза, осина) крупных сосудов нет, и различия между ранней и поздней частями годичного слоя не наблюдаются. Деревья хвойных пород сосудов не имеют, они состоят из замкнутых удлиненных клеток − трахеид. У большинства хвойных пород между трахеидами в поздней части годичного слоя находятся смоляные ходы − межклеточные пространства, заполненные смолой.

Механические клетки имеют вытянутую форму, толстые стенки и узкие внутренние полости, которые плотно соединены между собой. Эти клетки и придают древесине высокую прочность, занимая основной объем ствола.

Запасающие клетки находятся большей частью в сердцевинных лучах и служат для хранения и передачи питательных веществ живым клеткам в горизонтальном направлении. Эти клетки очень слабые и легко загнивают.

Схема анатомического строения сосны и дуба приведены на рисунках 8 и 9.

Большое влияние на свойства древесины оказывает ее влажность. Изменение влажности сказывается на прочности, плотности, теплопроводности, приводит к изменению формы и размеров изделия.

По содержанию влаги различают:

– мокруюдревесину с влажностью до 100 % и более;

– свежесрубленную древесину с влажностью 35 % и более;

– воздушно-сухую древесинус влажностью 15...20 %;

– комнатно-сухую древесину с влажностью 8...15 %;

– абсолютно сухую, получаемую путем высушивания древесины до постоянной массы при температуре 105...110 °C.

Рисунок 8 − Схема анатомического Рисунок 9 − Схема анатомического строения сосны: строения дуба:

1− смоляной ход; 2 − годичный слой; 1 − широкие и узкие сердцевинные лучи;

3 − многорядный луч; 4 − поры; 2 − либриформ; 3 − паренхима;

5 − сердцевинные лучи. 4 − мелкие сосуды; 5 − крупные сосуды

В древесине постоянно имеется влага гигроскопическая и капиллярная (свободная).

Гигроскопическая (связанная)влага за счет молекулярных сил адсорбции и капиллярной конденсации закрепляется в стенках клеток и покрывает поверхность мельчайших пор водными оболочками. Клетки при этом набухают, увеличиваются в объеме, что приводит к снижению прочности.

Капиллярная (свободная) влага заполняет полости клеток и межклеточное пространство в условиях водопоглощения при контакте древесины с водой.

Влажность древесины, соответствующая предельному количеству гигроскопической влаги, называется точкой насыщения волокони изменяется в пределах 23…35% для различных пород древесины.

Влажность, которую древесина набирает при длительном нахождении в условиях с постоянными значениями относительной влажности и температуры, называется равновесной.

В связи с тем, что основные свойства древесины находятся в непосредственной зависимости от влажности древесины, то все показатели ее свойств приводятся к стандартной влажности, равной 12 %.

Механические свойства древесины неодинаковы в различных направлениях и также зависят от многих факторов. То же относится и к плотности древесины. Средние показатели строения и некоторых свойств древесины приведены в таблице 11.

Таблица 11 − Средние показатели строения и некоторых свойств древесины

Сильное влияние на качество древесины оказывают пороки (фауты).

Пороками древесины называют изменения ее внешнего вида, нарушения правильности строения, целостности ее тканей и другие недостатки, снижающие качество древесины и ограничивающие возможности практического использования. По ГОСТ 2140 пороки древесины разделены на девять групп. В каждую группу входит несколько видов пороков. Некоторые из них делятся на разновидности.

Сучки являются самыми распространенным и неизбежным пороком древесины. Они нарушают однородность строения древесины, вызывают искривление волокон и годичных слоев, уменьшают рабочее сечение пиломатериалов, понижают прочность древесины, затрудняют ее механическую обработку и ухудшают внешний вид готовых изделий.

По состоянию древесины различают сучки здоровые, загнившие, гнилые и табачные.

По степени срастания сучки могут быть сросшиеся, частично-сросшиеся, несросшиеся и выпадающие несросшиеся.

По взаимному расположению бывают сучки разбросанные, групповые, разветвленные.

Для изготовления несущих деревянных конструкций допускается древесина, имеющая лишь здоровые сучки, число и размеры которых ограничены для каждого сорта материала.

Трещины образуются в растущем дереве от усыхания ядра, раскачивания ветром, от мороза, а также при высыхании срубленного дерева.

По форме и расположению трещины делятся на сквозные и несквозные, на сомкнутые и разошедшиеся. Они могут располагаться как на одной плоскости (простые), так и на нескольких (сложные). Различают метиковые трещины, проходящие вдоль оси ствола через сердцевину, по радиусу или диаметру; отлупные, проходящие вдоль оси ствола по годичному кольцу; трещины усушки, возникающие от неправильной сушки и хранения сортамента; морозные, располагающиеся около корней и сучков и проходящие вдоль оси ствола через заболонь и камбий.

Пороки формы ствола. Сбежистость и закомелистость характеризуют соответственно постепенное и резкое изменение диаметра ствола по его длине. Кривизна представляет собой отклонение продольной оси сортамента от прямой линии. Она может быть односторонней и разносторонней, причем искривление ствола возможно в одной или нескольких плоскостях.

Пороки строения древесины проявляются в неправильном расположении или развитии волокон и годичных слоев. В свою очередь, они разделяются на:

– пороки строения, обусловленные неправильным расположением волокон и годичных слоев: наклон волокон, свилеватость, завиток;

– пороки строения, обусловленные образованием реактивной древесины: крень, тяговая древесина;

– пороки строения в виде нерегулярных анатомических образований: ложное ядро, прожилки, пятнистость;

– пороки строения в виде ран: сухобокость, прорость, рак;

− пороки строения, проявляющиеся в виде ненормальных отложений: водослой, засмолок, кармашек;

– пороки строения ствола: пасынки и глазки;

– пороки строения сердцевины: двойная сердцевина и смещенная сердцевина.

Химические окраски.

Грибные поражения представляют собой заметные изменения цвета, структуры и твердости древесины, вызванные грибами (плесень, синева, гниль, дупло).

Биологические повреждения представляют собой различного рода отверстия или бороздки, вызванные действием насекомых, птиц и паразитных растений (червоточина, повреждения растениями и птицами). Различают червоточины поверхностные, неглубокие, глубокие, некрупные, крупные, сквозные.

Покоробленности (продольная, поперечная и крыловатость) возникают при распиловке, сушке или хранении древесины.

Инородные включения., механические повреждения и пороки обработки: обугленность древесины, обдир коры, скос пропила, обзол, закорина, бахрома, заруб, скол, вырыв и т.п.

Рассматривая пороки древесины, следует отметить, что часть из них значительно изменяет качество древесины, другие незначительно влияют на нее, от некоторых можно освободиться, используя и применяя прогрессивные методы обработки. Многие пороки древесины повышают декоративность изделий из нее. На декоративность изделий из древесины значительное влияние оказывают такие свойства как цветовой тон (цвет), блеск и текстура.

Цвет зависит от содержания красящих, дубильных и смолистых веществ и продуктов их окисления, имеющихся в полостях и стенках клеток. На цвет влияют возраст и район произрастания дерева, а также состояние древесины (влажность). В древесине различают следующие цвета:

- белый (береза, клен, осина, липа, граб, ель, пихта);

- серый (грецкий орех, хурма, ясень, акация);

- черный (эбеновое дерево, макасар, мореный дуб);

- коричневый светлый (орех, каштан, карагач, дуб, груша);

- коричневый темный (орех, палисандр, абрикос, тик);

- красный (маклюра, падук, махагони, ольха, тис);

- красно-фиолетовый (амарант);

- бурый (дуб, карагач, лиственница, кедр, орех, тис, бук, махагони, тополь);

- розовый (груша, бук, ольха, чинара, яблоня);

- желтый (лимонное дерево, самшит, белая акация, карельская береза, сосна).

Наибольшее количество пород древесины имеет розовато-бурые и красновато-коричневые тона, меньше – желтые и совсем мало красных, черных и серых тонов.

Цвета отдельных кусочков шпона в мозаичном наборе влияют друг на друга, т.е. вступают в определенные отношения, создавая цветовую гамму. Отношение цветов может быть построено на контрасте, нюансе или тождестве, что определяется конкретной задачей. Цветовое решение подчиняется художественному содержанию набора, его назначению. В случае украшения мебели, цветовое решение должно быть увязано с назначением, формой и цветом украшаемой мебели.

Свойства цветов. Кажущееся удаление цветовой поверхности от зрителя, или приближение; слияние цветов на расстоянии; влияние цвета на кажущееся увеличение или уменьшение размеров детали; изменение цвета при искусственном освещении; ощущение тепла и холода. Светлые элементы на темном фоне кажутся больше, а темные на светлом – меньше истинных размеров. Искусственный цвет также значительно изменяет цветовой тон и яркость.

Расширить и обогатить палитру помогает умелое использование законов восприятия цвета, в частности закона хроматического контраста:

− цвета взаимно влияют друг на друга. Поэтому восприятие объекта зависит от окружения, в котором он находится;

− противоположные цвета спектра наиболее контрастны по отношению друг к другу. Помещенные рядом, они усиливают яркость и насыщенность;

− при соседстве близких по тону цветов, насыщенность обоих уменьшается;

− ахроматический тон на цветовом фоне приобретает цветовой оттенок.

Блеск − способность отражать световой поток. Блеск зависит от количества, величины и характера расположения сердцевинных лучей, а также вида разреза (лучше на радиальном разрезе). На блеск влияет освещение. Характер блеска неодинаков у разных пород. В значительной степени это свойство проявляется у бука, клена, чинары, белой акации.

На блеск влияет характер размещения сердцевинных лучей: чем крупнее сердцевинные лучи (дуб) и чем плотнее древесина, т.е. чем кучнее расположены сердцевинные лучи (клен), тем значительнее будет блеск.

В древесине различают следующие разновидности блеска:

− матовый (сатиновый) блеск – дуб, тополь, осина, береза, груша, липа, тик;

− шелковистый блеск – ива, вяз, ясень, черемуха, чинара, кедр, клен;

− муаровый блеск (с волнообразным отливом) – береза, серый клен, лавровишня;

− золотистый блеск – черешня.

Блеск и цвет древесины зависят не только от ее природных свойств, но и от условий освещения, что называют светоотражением древесины. При поворачивании поверхности древесины по отношению к источнику света наблюдаются светотеневые переливы: матовые места становятся блестящими, темные – светлыми, и наоборот. Светотеневые переливы у одних пород хорошо заметны только на продольном разрезе, у других - на всех разрезах. Они существенно влияют на декоративные качества древесины, усиливая или ослабляя ее выразительные звучание, поэтому блеск древесины учитывают при составлении мозаичных наборов. Под влиянием блеска цвет древесины меняет оттенок, приобретая золотистый или серебристый отлив.

Для усиления цвета и блеска древесины применяют:

− отбеливание – обработка древесины отбеливающими средствами (пергидроль, цианистая и щавелевая кислоты) с целью получения чистых и ярких тонов, осветления цветового фона;

− обжиг пламенем газовой горелки с предварительной обработкой неразбавленной HCL или огнеупорной солью для предотвращения растрескивания и коробления.

Текстура. Зависит от строения и вида разреза. Лучше у кольцесосудистых пород. Чем сложнее строение древесины и разнообразнее сочетания отдельных ее элементов, тем богаче текстура. Влияют ширина годичных слоев, степень различия в окраске ранней и поздней древесины, наличие сердцевинных лучей и капа, направление волокон, свилеватость и др.

Многообразие текстур сводится к 12 видам:

− без выраженного рисунка с поверхностью ровного спокойного цвета (черное дерево, груша, липа);

− мелкокрапчатый рисунок − от разреза сердцевинных лучей (бук, дуб, чинара);

− муаровый рисунок – волнообразный отлив (красное дерево, серый клен, береза);

− полосатый рисунок – узкие или широкие темные полосы при радиальном разрезе дерева (красное дерево, орех, палисандр);

− волнистый рисунок – вследствие специфических условий роста дерева, но чаще искусственно при строгании дерева с полосатой текстурой специальным ножом;

− V-образный рисунок – рисунок с расходящимися от основания полосами на тангентальном разрезе. Встречается у древесных пород с различной окраской ранней и поздней древесины;

− криволинейный рисунок – следствие ненормальных условий роста дерева (искривление ствола, образование нароста). На тангентальных разрезах (орех, карагач, ясень);

− листообразный рисунок – на тангентальном разрезе вблизи разветвлений (ясень);

− сучковатый рисунок – у древесных пород с большим количеством сучков (акация, сосна, ель);

− раковинный рисунок – в комлевой части и у развилин (кавказский орех, карагач, ясень). На относительно ровной поверхности попадаются раковины с перепутанным рисунком линий и темными пятнами;

− рисунок “птичий глаз” – отдельно разбросанные раковины с пятнами разных размеров, обвитых перепутанными линиями. Образуется от непроросших почек, образовавшихся под корой (клен, ясень, карельская береза);

− наплывные рисунки – самые живописные разновидности текстуры. Встречаются у древесных пород, образующих в процессе роста капы и наплывы (карагач, береза, вяз).

Цель работы

Изучить строение древесины, степень ее однородности, содержание поздней древесины и влияние этих показателей на механические свойства; исследовать влияние влажности на прочность древесины; изучить пороки древесины и оценить их возможные влияния на качество изделий из древесины.

Порядок выполнения работы

Каждое звено студентов получает образцы древесины, выдержанные в условиях лаборатории длительное время и определяет:

– равновесную влажность;

– число годичных слоев и содержание поздней древесины;

– рассчитывает пределы прочности древесины при сжатии вдоль волокон и при изгибе в тангенциальном направлении по процентному содержанию поздней древесины, применяя эмпирические формулы;

– определяет действительную прочность древесины испытанием и сравнивает полученные данные с рассчитанными значениями;

– изучает влияние влажности на прочность древесины при сжатии вдоль волокон;

− определяет породу древесины по внешнему виду (приложение 1).

При этом: первое звено испытывает образцы древесины, высушенной до постоянной массы (w = 0 %); второе звено – образцы с равновесной влажностью;третье звено – образцы с предельно возможным количеством гигроскопической влаги, соответствующей точке насыщения волокон (w ≈ 30 %);а четвертое звено – образцы в насыщенном водой состоянии;

– вся подгруппа (по указанию преподавателя) изучает пороки древесины по атласам, каталогам, стандартам, образцам, делают их зарисовки и анализируют их влияние на свойства изделий их древесины.

МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ

1 Определение равновесной влажности древесины

Перед испытанием образцы древесины должны длительное время находиться в условиях лаборатории при постоянных значениях относительной влажности и температуры воздуха. Только при таких условиях в древесине установится равновесная влажность.

Равновесная влажность древесины определяется с помощью психрометра, психрометрической таблицы (таблица 12) и диаграммы Н.Н. Чулицкого (рисунок 10).

Таблица 12 − Психрометрическая таблица

Пример. Психрометр в лаборатории показывает температуру воздуха 19 °С, показания влажного термометра психрометра 15 °С. По таблице 12 при разнице показаний t _сух – t _вл=4 °С для 20 °С влажность воздуха равна 60 %, а для 19 °С – 58,5 % (по интерполяции).

По диаграмме Н.Н. Чулицкого на пересечении горизонтальной линии (W _возд = 58,5 %) и вертикальной линии (t _сух = 19 °С) определим равновесную влажность древесины, которая составляет 11 % (по ближайшей наклонной линии с интерполяцией).

2 Определение числа годичных слоев в 1 см и содержания поздней древесины

Для определения числа годичных слоев в 1 см на торцовой поверхности образца древесины по радиальному направлению отмечают границы крайних целых годичных слоев на участке, равном примерно 20 мм, и подсчитывают на нем число слоев (рис. 10).

В л а ж н о с т ь в о з д у х а, %

· Т е м п е р а т у р а в о з д у х а, °С

·

Рисунок 9 − Диаграмма для определения равновесной влажности древесины

Расстояние между метками (длина измеряемого участка l) замеряют с погрешностью 0,5 мм. Количество целых годичных слоев, приходящихся на 1 см, подсчитывают путем деления числа слоев на участке на протяженность участка в см. В каждом годичном слое между отметками при помощи инструментального микроскопа или другого измерительного прибора, имеющего погрешность нe более 0,1 мм, измеряют ширину зоны поздней древесины, затем все величины на данном отрезке суммируют и вычисляютпроцентное содержание поздней древесины по отношению к длине всего участка l по формуле

m = (S a_i /l)·100%,(5)

Пороки измеряются и зарисовываются. Дается заключение об их возможном