Природные строительные материалы: древесина

Лекция 4 ПРИРОДНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДРЕВЕСИНА Общие сведения Древесина является возобновляемым сырьём (при рубке с учетом возраста и обеспечении новых посадок) и экологически чистым материалом (безвредна для человека; не требует энергии для производства; разлагается без ущерба для ОС). Достоинства: высокая прочность, небольшая плотность, малая теплопроводность, легкость обработки и монтажа, высокая морозостойкость и химическая стойкость, декоративность. Недостатки: наличие пороков, гигроскопичность и связанные с ней набухание и усушка, горючесть, подверженность гниению и воздействию биоорганизмов. Древесина, обладая волокнистым строением, является анизотропным материалом. В зависимости от степени переработки древесины различают: - лесные материалы, получаемые только механической обработкой стволов дерева (брёвна, пиломатериал); сохраняются все присущие древесине положительные и отрицательные свойства; - деревянные изделия и конструкции, изготовляемые в заводских условиях (дверные и оконные блоки, клееные конструкции, фанера и др.); степень использования древесины выше, а ее свойства используются более рационально; - материалы, получаемые технологической переработкой древесины: а) из отходов и неделовой древесины с использованием вяжущих веществ (древесно-стружечные плиты, арболит, фибролит); б) получаемые физико-химической обработкой древесного сырья (древесно-волокнистые плиты, картон, бумага); в) получаемые химической обработкой древесины (лаки, краски, клеи, добавки для бетонов на основе эфиров целлюлозы и др.). Строение и состав древесины Древесина – сложный природный композиционный материал. Макроструктура древесины – строение, видимое невооружённым глазом. Выделяют три основных разреза ствола (рис. 3.1): - торцовый (поперечный); - радиальный (проходящий через ось ствола); - тангентальный (проходящий по касательной к годовым кольцам). Внутренняя часть ствола, примыкающая к сердцевине, со временем одеревеневает (движение влаги прекращается; увеличивается прочность, твёрдость, стойкость к загниванию) и пропитывается смолой (у хвойных пород) или дубильными веществами (у лиственных пород). Данную часть ствола называют ядром или спелой древесиной. Микроструктура древесины – строение, видимое только с помощью оптической и электронной микроскопии. Клетки механической ткани древесины имеют веретенообразную форму и вытянуты вдоль ствола. Оболочки клеток сложены из нескольких слоёв очень тонких волоконец (микрофибрилл), которые компактно уложены и направлены по спирали в каждом слое под разным углом к оси клетки (подобно отдельным прядям в канате), что обеспечивает высокую прочность древесины. Микрофибриллы состоят из длинных макромолекул целлюлозы (от лат. cellula – клетка), которые в свою очередь построены из большого числа (нескольких сотен) ячеек глюкозы (поэтому целлюлоза является полисахаридом). Макромолекулы целлюлозы жестко связаны друг с другом через сильно полярные группы ОН-, что объясняет отсутствие у древесины высокоэластичного состояния при нагревании как у большинства линейных полимеров (к примеру, полиэтилена). Набухание и усушка древесины также объясняются образованием электростатической связи между полярными группами ОН- и диполями воды. Количество целлюлозы в клеточных оболочках древесины составляет 40…50%. Вторым компонентом клеточных оболочек является лигнин (20…30%), скрепляющий целлюлозные волокна. Также в древесине содержатся гемицеллюлозы, пектины и небольшое количество (0,17…0,27%) неорганических веществ, образующих золу при сжигании. Древесина всех пород имеет очень близкий элементный состав (мас. %): углерод – 49,5; водород – 6,3; кислород – 44; азот – 0,1. Пороки древесины Пороки – недостатки древесины, появляющиеся во время роста дерева и хранения пиломатериалов на складе. В стандартах на конкретные виды лесопродукции имеются указания о допустимых пороках. Выделяют: - пороки формы ствола; - пороки строения древесины; - сучки; - трещины; - грибковые поражения и червоточины; - покоробленности. Пороки формы ствола (рис. 3.3) легко определяются на растущем дереве: - сбежистость; - закомелистость; - кривизна ствола. Сбежистость – значительное уменьшение диаметра по длине ствола (нормальным сбегом считается уменьшение диаметра на 1 см на 1 м длины ствола). Уменьшает выход обрезных пиломатериалов; снижается прочность материала вследствие перерезания многих волокон. Закомелистость – резкое увеличение диаметра комлевой (нижней) части ствола. Бывает круглой и ребристой. Увеличивает количество отходов; искусственно вызывает косослой в готовой продукции. Кривизна ствола – искривление ствола дерева в одном или нескольких местах. Сильная кривизна переводит древесину в разряд непригодных для строительных целей. Пороки строения древесины (рис. 3.4) представляют собой отклонения от нормального расположения волокон в стволе дерева: - косослой; - свилеватость; - крень; - двойная сердцевина и др. Косослой (наклон волокон) – непараллельность волокон древесины продольной оси пиломатериала. Вызывает (особенно при больших углах наклона волокон) резкое снижение прочности древесины и затрудняет её обработку. Придает пиломатериалу повышенную склонность к короблению при изменении влажности. Свилеватость – крайнее проявление косослоя, при котором волокна древесины расположены в виде волн или завитков. В некоторых породах (орех, карельская береза) придает красивую текстуру древесине, что позволяет использовать её в отделочных работах. Крень – изменение строения древесины, когда годовые кольца имеют разную толщину и плотность по разные стороны от сердцевины. Нарушает однородность древесины. Сучки – неизбежный порок древесины, представляющий собой основания ветвей, заключенные в древесине (рис. 3.5). Они вызывают свилеватость (искривление волокон); уменьшают рабочее сечение пиломатериалов, снижая их прочность в 1,5…2 раза и более (в тонких досках и брусках). По степени срастания сучков с древесиной ствола различают сучки сросшиеся, частично сросшиеся и несросшиеся (выпадающие). Особенно опасными являются сучки разветвлённые (лапчатые). Сучки, сгнившие до превращения в рыхлую порошкообразную массу, называются табачными. Для изготовления несущих деревянных конструкций используется древесина, имеющая только здоровые сросшиеся сучки. Количество и размещение сучков определяют сортность древесины. Трещины могут появиться на растущем дереве и при высыхании срубленного дерева и пиломатериалов. Они нарушают целостность лесоматериалов, снижают их прочность и способствуют гниению. Различают следующие типы трещин (рис. 3.6): - метик; - морозобоина; - отлуп; - трещины усушки. Метик – внутренние трещины, идущие вдоль ствола от центра к периферии; трещин может быть несколько как расположенных в одной плоскости, так и крестообразно (см. ниже). Метик Морозобоина – наружная открытая продольная трещина, сужающаяся к центру. Возникает при замерзании влаги в стволе во время сильных морозов (см. ниже). Морозобоина Отлуп – полное или частичное отделение центральной части ствола от периферийной в результате усушки первой. Такие трещины располагаются по годовым кольцам (см. ниже). Отлуп Трещины усушки возникают в результате напряжений, вызванных неравномерной усадкой при быстрой сушке древесины на воздухе. Они направлены от периферии к центру вдоль волокон древесины (см. ниже). Трещины усушки Грибковые поражения вызываются простейшими живыми организмами – грибами, развивающимися из спор и использующими древесину в качестве питательной среды. Для развития грибов необходим кислород воздуха, определенная влажность и положительная температура. Деревоокрашивающие грибы развиваются на растущих деревьях, питаются содержимым клеток, не затрагивая их стенки. Прочность такой древесины изменяется незначительно, но появляются цветные пятна и полосы из-за биохимического окисления дубильных веществ, провоцируемого микроорганизмами (см. ниже). Деревоокрашивающие грибы Дереворазрушающие грибы питаются материалом стенок клеток – целлюлозой, разлагая ее с помощью ферментов до глюкозы, которая перерабатывается в теле гриба, обращаясь в углекислый газ и воду (гниение). Процесс гниения возможен при достаточной влажности древесины. Одними из наиболее распространенных являются домовые грибы, очень быстро (в течение нескольких месяцев) разрушающие древесину (см. ниже). Домовой гриб Процесс гниения прекращается при снижении влажности древесины до 18…20% (сухая древесина не гниёт), снижении температуры ниже 0 0С или исключении поступления кислорода. Повреждения насекомыми (червоточины) представляют собой ходы и отверстия, проделанные в древесине насекомыми (жуками-короедами, точильщиками), живущими в ней и ею питающимися (см. ниже). Жуки-точильщики могут развиваться в сухой древесине. Поверхностные червоточины не влияют на механические свойства древесины, т.к. при распиловке уходят в горбыль. Глубокие червоточины снижают прочность древесины. Червоточины Покоробленности – нарушение формы пиломатериалов при изменении ее влажности при сушке и хранении или под действием внутренних напряжений при продольной распиловке крупных элементов на более мелкие. Выделяют продольную (простую и сложную), поперечную и винтообразную (крыловатость) покоробленность. Физические свойства древесины Влажность и гигроскопичность. По содержанию влаги различают мокрую древесину (с влажностью W≥100%), свежесрубленную (W = 35…100%), воздушно-сухую (W = 15…20%), комнатно-сухую (W = 8…12%) и абсолютно сухую (высушенную до постоянной массы при температуре 103±2 0С) древесину. При этом у свежесрубленной древесины влажность по сечению ствола расположена неравномерно (в центральной части – 30…40%, на периферии – 80…100%). Ввиду гигроскопичности древесины пиломатериалы, хранящиеся на воздухе, имеют влажность 10…20%, поэтому свойства древесины при оценке ее качества определяются при стандартной влажности W = 12%. Вода в древесине может находиться в двух состояниях – свободном и физически связанном. Свободная (капиллярная) вода заполняет полости клеток и сосудов и межклеточное пространство. Связанная (гигроскопическая) вода находится в стенках клеток и сосудов в виде тончайших гидратных оболочек. Влажность древесины, когда стенки клеток насыщены водой (предельное содержание гигроскопической влаги), а полости и межклеточные пространства свободны от воды (отсутствие капиллярной воды), называют пределом гигроскопической влажности или точкой насыщения волокон. Для древесины различных пород она находится в пределах от 23 до 35%. Древесина, имея волокнистое строение и большую пористость (30…80%), обладает огромной внутренней поверхностью, активно сорбирующей водяные пары из воздуха. Влажность, которую приобретает древесина в результате длительного нахождения на воздухе с постоянной температурой и влажностью, называется равновесной. Между равновесной влажностью древесины и параметрами окружающего воздуха (относительной влажностью и температурой) существует определенная зависимость (рис. 3.8). Гигроскопическая влага, покрывая поверхность частиц в стенках клеток, увеличивает и раздвигает их, при этом увеличивая объем и массу древесины и снижая ее прочность. Свободная вода, накапливаясь в полостях клеток и капиллярах, не изменяет расстояния между элементами древесины и поэтому почти не влияет на ее объем и прочность, увеличивая лишь массу и теплопроводность. Усушка и набухание. Изменение влажности древесины от 0 до предела гигроскопичности вызывает изменение её линейных размеров и объема – усушку или набухание, величина которых зависит от количества испарившейся или поглощенной влаги и направления волокон (рис. 3.9). Для большинства древесных пород линейная усушка вдоль волокон составляет 0,1…0,3%, в радиальном направлении – 4…6%, в тангентальном – 8…10%. Это сопровождается возникновением внутренних напряжений в древесине, что может вызвать ее коробление и растрескивание. Так, боковые края досок стремятся выгнуться в сторону выпуклости годовых слоёв, при этом наибольшему короблению подвержены широкие доски и доски, выпиленные ближе к поверхности бревна (рис. 3.10). Плотность. Истинная плотность древесины разных пород является постоянной величиной и составляет 1540 кг/м3. Средняя плотность древесины разных пород и даже одной и той же породы является переменной величиной и зависит от многих факторов. Для большинства пород плотность сухой древесины меньше 1000 кг/м3, т.е. меньше плотности воды. С увеличением влажности средняя плотность древесины возрастает, поэтому принято сравнивать плотность древесины при её стандартной влажности (12%). Зная плотность ρW при влажности W (%), плотность ρ12 (кг/м3) при стандартной влажности вычисляют по формуле ρ12 = ρW + 2,5(12 – W) Пористость древесины главнейших пород, применяемых в строительстве – 50…70%. Теплопроводность. Древесина как высокопористый материал волокнистого строения обладает относительно низкой теплопроводностью. Вследствие анизотропности теплопроводность древесины вдоль и поперек волокон отличается примерно в два раза (для сосны: вдоль волокон – 0,35 Вт/(м·К), поперек волокон – 0,17 Вт/(м·К)). Стойкость к действию агрессивных сред. При длительном воздействии кислот и щелочей древесина медленно разрушается (в кислой среде начинает разрушаться при рН ≤ 2; слабощелочные растворы почти не разрушают древесину). В морской воде древесина сохраняется значительно хуже, чем в пресной (речной, озёрной) воде. В воде большой биологической агрессивности стойкость древесины низкая. Механические свойства Все механические свойства древесины из-за её анизотропии зависят от направления приложения нагрузок. Так, прочность и модуль упругости наиболее высоки при действии нагрузок вдоль волокон; в плоскости, перпендикулярной направлению волокон, эти показатели резко снижаются. Прочность древесины зависит от следующих факторов: - порода дерева и его плотность; - влажность древесины, особенно в пределах 0…30% (рис. 3.11); - наличие пороков (сучки, трещины и др.); - угол приложения разрушающего усилия (к волокнам). Поэтому при определении механических свойств древесины необходимо всегда учитывать её влажность, точно фиксировать направление действия нагрузки и применять стандартные образцы, не имеющие пороков (т.н. «малые чистые образцы»). Методы определения механических свойств древесины регламентированы ГОСТами. Прочность древесины при сжатии вдоль волокон (40…60 МПа) сопоставима с прочностью бетона. Это объясняется тем, что пустотелые волокна древесины работают как жёсткие пространственные элементы. Прочность древесины при сжатии поперёк волокон составляет 0,15…0,3 от предела прочности вдоль волокон, что объясняется смятием полых клеток древесины без явного разрушения стенок. Поэтому за неё принимают условный предел прочности, равный наибольшему напряжению, при котором ещё сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением: σ=Еε. Прочность древесины при растяжении вдоль волокон (100…120 МПа) в 2…3 раза больше прочности при сжатии в этом направлении. Она сильно зависит от наличия некоторых пороков древесины (сучки, косослой и др.) и относительно мало изменяется от влажности. Прочность древесины при изгибе (60…110 МПа) в 1,5…2 раза превышает прочность при сжатии вдоль волокон, но меньше прочности при растяжении, т.е. принимает промежуточное значение. Она значительно выше, чем у большинства строительных материалов (бетон, керамика и др.), и сопоставима с прочностью металлов. Предел прочности древесины при скалывании вдоль волокон составляет 10…20% от предела прочности на сжатие в этом же направлении. При этом разрушение древесины происходит вследствие нарушения сцепления между волокнами при сохранении их целостности. Предел прочности древесины при перерезании в 3…4 раза выше, чем при скалывании, т.к. разрезать волокна значительно труднее, чем расщепить. Поскольку механические свойства древесины зависят от её влажности, то для получения сравнимых результатов прочность при фактической влажности пересчитывают в прочность при стандартной 12%-й влажности. При фактической влажности 8…20% пересчёт производят по формуле R12 = RW[1 + α(W – 12)], где R12 и RW – предел прочности образцов соответственно при 12%-й и фактической влажности W в момент испытаний; α – поправочный коэффициент на влажность, показывающий насколько изменяется прочность при изменении влажности на 1% (при сжатии и изгибе – α = 0,04; при смятии – α = 0,035). Средние показатели при стандартной 12%-й влажности Порода ρm, кг/м3 Пористость, % Предел прочности, МПа Rсж* Rизг Rр Лиственница 680 56 65 110 125 Сосна 500 68 50 85 105 Ель 450 72 45 80 103 Кедр 440 71 35 65 80 Дуб 700 46 60 107 125 Бук 670 56 55 110 125 Берёза 630 59 55 110 160 Осина 490 68 45 80 120 * - при сжатии вдоль волокон Фактическая прочность строительной древесины в изделиях стандартных размеров (досок, брусьев, брёвен), имеющих те или иные дефекты строения и другие особенности, существенно ниже стандартной прочности. Поэтому при нормировании допускаемых напряжений (расчетных сопротивлений) устанавливают относительно большие коэффициенты запаса. При долговременном действии нагрузки разрушение древесины наступает при напряжениях меньших, чем при стандартных испытаниях (например, предел долговременного сопротивления при изгибе составляет 0,6…0,65 от предела прочности при стандартном испытании). При многократных нагружениях наблюдается усталость древесины, характеризуемая выносливаемостью. Предел выносливости при изгибе равен в среднем 0,2 от статического предела прочности. Модуль упругости древесины сильно зависит от угла приложения нагрузки по отношению к направлению волокон (вдоль волокон – Е = (1…1,5)·104 МПа; поперёк волокон – Е = (0,5…1)·103 МПа, т.е. в 20…25 раз ниже).