Применение хвойных и лиственных пород в строительстве

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 поперечном и двух продольных сечениях: радиальном и тангенциальном (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Разрезы ствола дерева:

а – торцевой; б – тангенциальный; в – радиальный;

Элементы древесины: 1 – сердцевина; 2 – ядро; 3 – заболонь; 4 – кора

На поперечном сечении у хвойных пород имеются годовые кольца. Каждое кольцо состоит в свою очередь из светлого кольца ранней древесины и более темного – поздней. Ранняя древесина образовалась весной или в начале лета, она состоит 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 плотность и прочность. Следовательно, чем больше образовалось поздней древесины, тем выше ее общая прочность и стойкость по отношению к воде.

Вследствие волокнистого строения древесина относится к анизотропным материалам, т. е. все ее физические и механические свойства в разных направлениях различны.

Общие свойства

Каждая порода дерева имеет характерный цвет и текстуру (рисунок). Хвойные породы в основном обладают простым и однообразным рисунком, древесина лиственных пород – сложным. Благодаря богатству и разнообразию текстуры ряд пород – дуб, бук, орех, каштан – высоко ценятся в столярно-отделочных работах.

Истинная плотность древесины, состоящей в основном из целлюлозы, составляет 1540 кг/м³ и практически не зависит от породы дерева. Средняя плотность колеблется от 450 кг/м³ (кедр, пихта) до 900 кг/м³ 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. В зависимости от влажности (степень насыщения водой в %) древесину подразделяют на мокрую – свежесрубленную (более 35%), воздушно-сухую (15 – 20%) и комнатно-сухую (8 – 12%). Влажность, приобретенную древесиной при длительном нахождении в условиях постоянного температурно-влажностного режима, называют равновесной.Полная влажность (при погружении в воду) может доходить до 200 %. Так как влажность влияет на все физические и механические свойства древесины (увеличиваются размеры, повышается электро- и теплопроводность, снижается прочность), то с целью анализа области применения вводят показатель стандартной влажности – 12% и все свойства пересчитывают с его учетом по специальным формулам. Влага в древесине находится в трех видах: химическая, входящая в состав основного вещества целлюлозы, гигроскопическая, адсорбированная на стенках клеток, и свободная, заполняющая клетки и межклеточные пространства.

Колебания влажности влекут 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 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 составами.

При влажных условиях эксплуатации древесина подвергается разрушающему действию микроорганизмов – загнивает. Предохраняют древесину от разрушения и продлевают срок службы конструкций и изделий в зданиях и сооружениях за счет обеспечения вентиляции, предварительной естественной или искусственной сушки, окраски водостойкими красочными и пастовыми составами и антисептированием. Сушку проводят или в хорошо вентилируемом складе под навесом в течение от 2-3 месяцев до полутора лет, или с использованием специального оборудования. Для искусственной сушки применяют специальные камеры-сушила непрерывного и периодического действия с естественной и принудительной циркуляцией воздуха. Теплоносителем является сначала водяной пар с температурой 70 – 80°С, а затем нагретый до 50 – 60°С воздух. Продолжительность сушки – 3 – 6 сут.

Для ускорения процесса сушки до 8 – 12 ч пакет деревянных изделий погружают в ванну с нагретым до 130°С петролатумом, представляющим собой гидрофобный продукт переработки нефти. Сушку особо ценной древесины проводят в поле токов высокой частоты. Метод основан на превращении энергии переменного электрического тока в тепловую энергию, вызывающую нагрев древесины и испарение воды.

Антисептирование проводят с использованием специальных
веществ –антисептиков,которые подразделяют на водорастворимые (фтористый и кремнефтористый натрий, хлористый цинк, медный купорос), применяемые для условий эксплуатации в помещении, и маслянистые (антраценовое, каменноугольное, сланцевое масло), используемые для древесины, находящейся на открытом воздухе, в земле или в воде. Аналогичное назначение имеют антисептические пасты для обмазки на основе битума и жидкого стекла. Последние не водостойки и поэтому сверху их защищают такими гидроизоляционными рулонными материалами, как толь, рубероид.

К антисептикам предъявляют следующие требования: возможно большая токсичность по отношению к дереворазрушающим микроорганизмам; длительное сохранение токсичных свойств; отсутствие вредного влияния на прочность древесины и металла крепления (болты, гвозди); способность как можно глубже проникать в толщу древесины; безвредность для людей.

Пропитка древесины антисептиками может проводиться несколькими методами: поверхностная обработка кистями на глубину 1 – 2 мм; поочередное погружение изделий в горяче-холодные ванны с температурой 90 – 20°С соответственно; под давлением 0,6 – 0,8 МПа в автоклавах; насыщением в высокотемпературной ванне при 160 – 170°С.

Теплопроводность и электропроводностьдревесины зависят от ее пористости, влажности и направления потока тепла или электрического тока. В сухом состоянии древесина является теплоизоляционным материалом и хорошим диэлектриком.

По огнестойкостидревесина относится к сгораемым материалам, ее возгорание происходит при температуре 250 – 300°С. Нормами допускается использование древесины для изготовления балок, колонн, арок, ферм, рам при условии пропитки материала специальными огнезащитными
веществами – антипиренами.Наиболее эффективен метод обработки под давлением. Традиционными средствами огнезащиты деревянных конструкций являются покрытия на основе цементно-песчаных, глиняных и других штукатурок. Для огнезащиты древесины широко применяют также разнообразные краски – невспучивающиеся и вспучивающиеся, неорганические и органические. Покрытия и краски защищают материал от воспламенения, выделяя при нагревании газы, препятствующие процессу горения и поглощающие выделяющуюся теплоту, или воду, поддерживающую температуру на уровне 100°С. Для огнезащиты деревянных конструкций применяют также плитные и листовые материалы. Наиболее широкое распространение нашли гипсокартонные и асбестоцементные листы. Их применение позволяет увеличить предел огнестойкости деревянных конструкций на 20 – 30 мин при толщине 10 мм.

Химическая стойкостьдревесины зависит от концентрации и длительности воздействия растворов кислот и щелочей. Органические кислоты (уксусная, молочная и т.п.) не разрушают этот материал, в равной мере как и слабощелочные растворы. Неорганические кислоты (серная, фосфорная) обезвоживают древесину, вызывая ее обугливание.

Механические свойствадревесины зависят от направления прилагаемой нагрузки по отношению к древесным волокнам, средней плотности и влажности.

Предел прочности при сжатииопределяют вдоль и поперек волокон на образцах в виде прямоугольной призмы размером 20×20×30 мм. Прочность древесины при сжатии вдоль волокон в 4 – 6 раз больше, чем поперек. Например, для сосны вдоль волокон – 100 МПа, поперек – 20 – 25 МПа. Древесина вследствие своего органического происхождения и волокнистого строения оказывает большое сопротивление изгибу, поэтому ее применяют при изготовлении балок, стропил, ферм. Прочность, которая колеблется от 50 до 100 МПа, определяют на образцах-балочках 20×20×300 мм. Испытания проводят по схеме балки, свободно лежащей на двух опорах с пролетом 240 мм и нагруженной двумя сосредоточенными грузами на расстоянии 80 мм.

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

Статическая твердостьчисленно равна нагрузке, которая необходима для вдавливания в поверхность образца половины металлического шарика определенной массы и диаметра. В зависимости от этого показателя все древесные породы подразделяют на мягкие (сосна, ель, ольха) –
35 – 50 МПа, твердые (дуб, граб, береза) – 50 – 100 МПа, очень твердые (кизил, самшит) – больше 100 МПа. Твердость древесины понижается с увеличением ее влажности.

Наряду со статической твердостью определяют динамическую твердостьпо диаметру отпечатка, полученного в результате падения с заданной высоты металлического шарика определенной массы и диаметра. Этот показатель является важным для оценки качества материалов, применяемых для покрытия пола.

При работе балок, арок, ферм очень важно такое свойство, как динамический модуль упругости материала, который рассчитывают по величине прогиба образца-балочки. Например, для сосны и ели динамический модуль упругости составляет 1000 – 15000 МПа. Показатель этот возрастает с увеличением плотности и снижается при увлажнении.

Один из перспективных способов значительного улучшения свойств древесины – модификация ее синтетическими полимерами. Сущность модификации состоит в том, что натуральную древесину пропитывают жидким мономером, который затем отверждают под действием тепла, химических реагентов или ионизирующего излучения. Особенность модификации состоит в том, что синтетический полимер не просто заполняет свободное пространство между волокнами, а взаимодействует с компонентами древесины. В результате исключаются такие недостатки, как набухание и усушка, коробление и растрескивание, загнивание и возгорание. При этом древесина сохраняет свои положительные качества: низкую плотность, высокую прочность, тепло- и звукоизолирующую способность, химическую стойкость. Наибольший эффект от модификации получают в том случае, если в качестве исходного материала используют древесину с низкими физико-механическими показателями, т.е. древесину малоценных пород, не имеющую пока достаточно широкого технического применения, например, осину.