Древесина

Т Е М А  6.

Д Р Е В Е С И Н А.

     Широкое  применение древесины в строительстве объясняется рядом положительных свойств:  высоким коэффициентом  конструктивного качества,  малой теплопроводностью, легкостью обработки, технологичностью, высокой  морозостойкостью, стойкостью ко многим химическим реагентам.

     Однако древесина имеет и существенные недостатки: горит и гниет, коробится  и  растрескивается при изменении влажности и температуры, гигроскопична, обладает целым рядом пороков строения, разрушается насекомыми.

     В зависимости от степени переработки древесины различают:

     - лесные материалы,  полученные только путем механической обработки ствола дерева (бревна, брус, пиломатериалы);

     - готовые  изделия  и конструкции заводского изготовления (сборные дома и детали, клееные конструкции);

     - синтетические материалы, полученные глубокой переработкой древесины  (целлюлоза,  древесно - волокнистые   и   древесно - стружечные плиты, фанера, арболит и т.д.).

Рекомендуемые материалы

6.1. Строение древесины

     1) Макроструктура древесины - строение ствола дерева, видимое невооруженным глазом или под лупой (рис. 6.1).

     

 КОРА  состоит из корки

(1),пробковой ткани(2) и луба

(3).Корка и пробковая ткань

защищают древесину от

внешних воздействий, луб  -

проводит питательные вещества

от кроны в ствол и корни.

 Рис. 6.1. Поперечный разрез.           

     КАМБИЙ (4) - слой живых клеток.  Ежегодно в вегетационный период камбий откладывает в сторону коры клетки луба, а внутрь ствола в значительно большем объеме  клетки  древесины. Деление клеток камбия начинается весной и заканчивается осенью, поэтому древесина состоит из ряда концентрических слоев.

     Каждое годовое  кольцо  включает  внутренний  слой ранней древесины (весенний) и  внешний  поздней  древесины  (летней), имеющей более темный цвет и прочность относительно ранней.

     ЗАБОЛОНЬ (5) - состоит из более молодой древесины,  в которой еще имеются живые клетки, по которым питательные вещества идут от корней к кроне.

     Эта часть древесины имеет большую  влажность,  легко загнивает, малопрочна,  обладает большой усушкой и склонна к  короблению.

     ЯДРО (6) - спелая  древесина,  внутренняя  часть  ствола, состоящая из  омертвевших  клеток.  Ядро  более темное, так как клетки его постепенно пропитываются у хвойных пород смолой,  у лиственных дубильными веществами,  движение влаги по ним прекращается, поэтому стойкость к  загниванию  и  прочность  резко возрастают.

     СЕРДЦЕВИНА (7) -  рыхлая  первичная  ткань,  имеет  малую прочность и легко загнивает.  Она не допускается в тонких досках и брусках, которые будут работать на изгиб и растяжение.

     СЕРДЦЕВИННЫЕ ЛУЧИ  (8)  -  служат для перемещения влаги и питательных веществ в поперечном направлении и создания их запаса на зимнее время. Древесина легко раскалывается по сердцевинным лучам и растрескивается при высыхании.

     Древесные породы делятся на:

     - ядровые,  имеющие ядро и заболонь (дуб,  ясень, платан, сосна, кедр, лиственница);

     - спелодревесные, имеющие заболонь и спелую древесину, не отличающуюся по цвету от заболони (ель, пихта, бук и др.);

     - заболонные,  у которых отсутствует ядро и нельзя  заметить разницы между центральной и наружной частью ствола (береза, осина, клен, ольха, липа)

     2) Микроструктура древесины - структура видимая под  микроскопом.

     Основную массу древесины составляют клетки веретенообразной формы,  вытянутые вдоль ствола;  клетки сердцевинных лучей вытянуты в горизонтальном направлении.

     В древесине лиственных пород имеются мелкие и крупные сосуды в форме трубочек,  идущих вдоль ствола,  по которым влага идет от корней к кроне. Лиственные породы по распределению сосудов делятся на кольцесосудистые  (дуб,  вяз,  ясень  и  др.) и рассеяннососудистые (бук, граб, береза, осина и др.)

     У хвойных пород сосудов нет, их роль выполняют удлиненные замкнутые клетки - трахеиды.

     Определенные  группы  клеток  выполняют различные функции: проводящие, запасающие,  механические. Оболочки клеток сложены из нескольких слоев очень тонких волоконец,  микрофибрилл, которые компактно  уложены  и направлены по спиралям под  разным углом к продольной оси клетки в каждом слое.

     Микрофибриллы состоят  из  высокомолекулярного природного полимера - целлюлозы [С₆Н₁₀О₅]_n, где n > 2500. В клеточной оболочке содержатся  и другие природные полимеры - гемицеллюлоза, лигнин, которые размещаются преимущественно между  фибриллами, а также немного неорганических солей щелочноземельных металлов.

6.2. Свойства древесины

     1) Физические свойства.

     ИСТИННАЯ ПЛОТНОСТЬ   для   всех   древесных  пород  равна 1,54 г/см³, так как их основным составляющим веществом является  целлюлоза.

     СРЕДНЯЯ ПЛОТНОСТЬ колеблется в широких пределах,  так как строение и пористость растущего дерева зависит от почвы,  кли мата, однако у большинства пород она менее 1 г/см³.

     ПОРИСТОСТЬ колеблется у различных пород  от 30 до 80 %.

     ГИГРОСКОПИЧНОСТЬ - свойство древесины  легко  сорбировать водяные пары из воздуха,  так как она, имея волокнистое строение и большую пористость, обладает огромной внутренней поверхностью.

     ВЛАЖНОСТЬ - количество влаги в процентах по  отношению  к сухой древесине :

m_вл.-m

            W = ------- 100%    (6.1.)

m

     Влажность складывается  из ГИГРОСКОПИЧЕСКОЙ,  связанной в стенках клеток влаги,  и КАПИЛЛЯРНОЙ, свободно заполняющей полости клеток и межклеточное пространство.

     Предел гигроскопической влажности для разных  пород  составляет 25...35%,  среднее значение принимается 30%,  общая же влажность может достигать 40...200%.

     РАВНОВЕСНАЯ ВЛАЖНОСТЬ - это та влажность,  которую достигает древесина при длительном хранении на воздухе, она зависит от температуры и относительной влажности окружающего воздуха.

Для комнатных условий равновесная

влажность – 8..12%, для открытого воздуха

15...18%. Определить равновесную влажность

можно по диаграмме Чулицкого, на которой представлена зависимость между

равновесной влажностью древесины и

относительной влажностью ( %) и

температурой (t˚C) воздуха. С изменением  влажности  древесины изменяются  ее

плотность  и прочность, поэтому для

сопоставления различных  древесных  пород

абсолютные значения этих свойств приводят

к стандартной влажности, которая

принимается 12 %.

Рис. 6.2. Диаграмма

Чулицкого.

     УСУШКА - уменьшение объема и размеров изделия в результате удаления связанной влаги (гигроскопической) из стенок  клеток, таким  образом влажность древесины становится меньше предела гигроскопичности.

     РАЗБУХАНИЕ -  увеличение  размера и объема изделий при их увлажнении в результате  достижения  стенками  клеток  предела гигроскопичности.

     Вследствие неоднородности строения древесины она  усыхает в различных направлениях неодинаково.

Основные разрезы древесины представлены на рис. 6.3.

1 - торцовый разрез,

    или поперечный;

2 - радиальный разрез;

3 - тангенциальный

разрез.

Рис. 6.3. Основные разрезы ствола.

     Максимальная линейная усушка вдоль ствола составляет 0,1%, в радиальном направлении - 3...6%, в тангенциальном - 6...12%.

     Объемная усушка (без учета продольной) равна

ав - а_ов_о

                           У_в = ---------- 100%     где          (6.2.)

а_ов_о

     а и в,  а_о и в_о - соответственно размеры влажного и размеры воздушно-сухого образца.

        Коэффициент объемной усушки :

У_v^max

                           К = --------- ,    где               (6.3.)

W_п.г.

     У_v^max - максимальная объемная усушка, в %;

     W_п.г. - предел гигроскопичности, в %.

     Усушка и разбухание вызывают коробление и  растрескивание древесины.

     КОРОБЛЕНИЕ при сушке неизбежно вследствие различной усушки в радиальном и тангенциальном направлениях. Поэтому  древесину используют с той равновесной влажностью,  при которой она будет в  условиях  эксплуатации:  для  столярки  8...10 %, для наружных конструкций  15...18 %.

     Для предотвращения  возникновения  трещин  торцы бревен и брусьев обмазывают смесью извести, соли и клея.

     ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ сухой  древесины незначительна:  поперек волокон она составляет 0,17 Вт/м˚С,вдоль волокон - 0,34 Вт/м˚С. Увеличение влажности  древесины  вызывает увеличение ее теплопроводности

     ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ древесины  зависит от ее влажности. С увеличением влажности древесины растет ее  электропроводность. Древесина, используемая  для  электрической  проводки,  должна быть сухой.

     СТОЙКОСТЬ К  ДЕЙСТВИЮ  АГРЕССИВНЫХ  СРЕД.  При длительном воздействии кислот и щелочей древесина  медленно  разрушается. При рН < 2 древесина быстро разрушается, слабощелочные растворы почти не разрушают древесину, в морской воде она разрушается значительно быстрее, чем в пресной, в воде большой биологи-ческой агрессивности стойкость древесины низкая.

     2) Механические свойства.

     Прочность древесины определяется на  малых  образцах  без видимых пороков.  Она  характеризуется  пределом прочности при сжатии, растяжении,  статическом изгибе, скалывании. Кроме того, могут  определяться  условный предел прочности при местном смятии и предел прочности при перерезании поперек волокон.

     Древесина является  анизотропным  материалом,  поэтому ее механические свойства различны вдоль и  поперек  волокон,  при этом лучше всего она работает на растяжение.

     Сравнительные механические характеристики древесины:

   R^в_раст. в 2,5 раза больше  R^в_сж;  R^в_сж в  4...6  раз  больше R^п_сж;

   R_изг в 1,8 раза больше  R^в_сж; R_изг примерно равно 70% R;

   R^п_скола в 3...4 раза больше  R^в_скола.

Предел прочности на растяжение древесины приближается к пределу прочности на растяжение стали и стеклопластиков.

     Индексы "в" и "п" обозначают соответственно вдоль и поперек волокон.

     Одноко, все механические показатели древесины резко  снижаются из-за наличия сучков, трещин и других пороков.

     Предел прочности при сжатии определяется  на  стандартных образцах -  кубиках  размером  30х20х20 мм.  Расчетные формулы при испытании

       вдоль  волокон   R_сж=N_р/F; где F = 2х2 = 4 см²;           (6.4.)

       поперек волокон  R_cж=N_р/F; где F = 3х2 = 6 см².            (6.5.)

    Предел прочности при изгибе определяется на стандартных образцах - балочках размером 300х20х20 мм, при действии 2-х симметричных нагрузках, приложенных как указано на рис. 6.4.

                                      Расчетная формула:

3N_pl

               R_изг= ----- ;          (6.6.)

2bh²

Рис.6.4. Схема нагружения балочки.

Прочность древесины  сильно  зависит от влажности,  когда она возрастает от О до 30 %.  В интервале изменения  влажности от 8 до 20% пересчет на прочность при влажности 12 % производится по формуле:

                   R₁₂ = R_w [1 + α(W - 12)] , где                 (6.7.)

     R₁₂ и R_w - соответственно пределы прочности при  влажности

12 % и влажности в момент испытания;

    α - коэффициент изменения прочности при изменении влажности на 1%; при сжатии и изгибе  α = 0,04,при скалывании α = 0,03;

     W - влажность образца в момент испытания.

     Если влажность образца более  30 %,  то стандартную прочность подсчитывают по формуле

                             R₁₂ =  K₁₂ R_w ,                      (6.8.)

где коэффициент К  для различных пород находится в ГОСТе.

     ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА  древесины:  хорошо  строгается, пилится, сверлится, шлифуется, полируется, склеивается, разделывается на шпон, окрашивается, обладает хорошей гвоздимостью.

6.3. Защита древесины от гниения,  поражения насекомыми и возгорания.

     ЗАЩИТА ОТ ГНИЕНИЯ.  Загнивание древесины предупреждается, прежде всего,  конструктивными мерами,  цель которых предохранить ее от увлажнения (изоляция от грунта,  сооружение проветривающих каналов, защита от атмосферных осадков).

     Если их недостаточно, то древесину пропитывают антисептиками - химическими веществами,  которые убивают грибы или создают среду, в которой они не могут существовать.

     Требования к антисептикам:

     - высокая токсичность к дереворазрушающим грибам с одновременной безвредностью для людей и животных;

     - способность сохранять высокую токсичность в течении заданного срока;

     - легко проникать в древесину, не ухудшая ее физико-механических свойств, не вызывая коррозию ее металлических креплений;

     - не иметь неприятного запаха,  обладать  стойкостью  при повышенных температурах;

     - должны быть относительно дешевы и не дефицитны.

     Для антисептирования  используют водорастворимые и масляные антисептики, а также антисептические пасты.

     ВОДОРАСТВОРИМЫЕ АНТИСЕПТИКИ  применяют, когда  древесина в процессе эксплуатации защищена от непосредственного увлажнения и вымывающего действия воды:

     - фторид натрия NaF - применяется в виде 3...4 % раствора белого цвета, без запаха, теряющий свои антисептические свойства при соприкосновении с известью, цементом, гипсом;

     - кремнефтористый  натрий  Na₂SiF₆ - по действию сходен с фторидом натрия,  применяется в виде серого или белого порошка совместно с содой, фторидом натрия и в силикатных пастах;

     - кремнефтористый аммоний (NH₄)₂SiF₆ -  легко  растворимый порошок белого  цвета, без  запаха,  по токсичности превосходит фторид натрия,  повышает огнестойкость древесины,  но вызывает слабую коррозию металла;

     - препараты XXЦ (смесь хлорида цинка и хромпика)  и  МXXЦ (смесь хлорида цинка,  хромпика и медного купороса) трудно вымываются водой, но окрашивают древесину в желто-зеленый цвет и несколько снижают ее прочность;

     - препараты ГР-48 применяют в виде 1...1,5 % раствора без запаха для поверхностной защиты пиломатериалов.

     ОРГАНИКОРАСТВОРИМЫЕ ПРЕПАРАТЫ типа ПЛ и НМЛ  -  высокоактивные антисептики,  хорошо  проникающие  в  древесину  в виде растворов  в зеленом масле,  керосине,  мазуте, препараты типа МНЛ окрашивают древесину в зеленый цвет и затрудняют ее склеивание.

     МАСЛЯНЫЕ АНТИСЕПТИКИ - это масла каменноугольные (креозотовое и антраценовое) и сланцевое,  представляющие собой  жидкости с резким запахом и антисептическим действием.  Водой они не вымываются,  металл не корродируют, но окрашивают древесину в темно-бурый цвет,  Применяются для пропитки шпал, свай, подводных сооружений.

     АНТИСЕПТИРУЮЩИЕ ПАСТЫ  - это  смесь  из  водорастворимого антисептика, связующего (битум,  жидкое стекло) и  наполнителя (торфяная крошка). Пастами обрабатывают элементы открытых сооружений с влажностью более 40 % c последующей их гидроизоляцией. При этом антисептик,  растворяясь во влаге древесины, глубоко проникает в нее.

     Способы пропитки антисептиками:

       1) Поверхностная обработка древесины кистями или  краскопультами.

       2) Метод горяче-холодных ванн:  вначале древесину помещают в раствор антисептика с температурой 90...95˚С,  при этом воздух в порах нагревается и частично удаляется. Затем следует холодная ванна с температурой антисептика 20...30˚С, воздух  в порах  сжимается, создается вакуум, и раствор глубоко проникает в поры древесины.

     ЗАЩИТА ОТ ДЕРЕВОРАЗРУШАЮЩИХ НАСЕКОМЫХ производится своевременной окоркой круглых лесо-материалов и обработкой инсектицидами опрыскиванием, пропиткой, обмазкой, опылением, окуриванием.

     ЗАЩИТА ДРЕВЕСИНЫ ОТ ВОЗГОРАНИЯ производится:

     - конструктивными  мерами - удаление от источников нагревания, устройство огнестойких перегородок и стенок;

     - покрытие деревянных конструкций штукатуркой,  несгораемыми материалами, огнезащитными красками;

     - пропитка древесины антипиренами (растворы буры.  сернокислого и хлористого аммония, фосфорнокислого натрия).

     Огнезащитное действие антипиренов: либо они на на поверхности древесины при возгорании создают оплавленную пленку, которая закрывает доступ воздуха к древесине,  либо выделяет горючие газы, которые вытесняют воздух из зоны горения.

     И антисептики  и  антипирены  ядовиты и обращаться с ними необходимо осторожно, в соответствии с требованиями по технике безопасности.

6.4 Основные древесные породы

        Хвойные породы.

     СОСНА - ядровая порода, ядро буровато-красного цвета, заболонь - желтовато-бурая, широкая, годичные слои хорошо видны, смоляные ходы довольно крупные и многочисленные.

     Применение: несущие  конструкции,  столбы,  сваи,  шпалы, столярные изделия, фанера.

     ЕЛЬ -  спелодревесная  порода,  древесина  белого  цвета, имеются смоляные  ходы различного диаметра,  но меньше,  чем у сосны, поэтому у ели повышенное загнивание.  Применение аналогичное.

     ЛИСТВЕННИЦА - ядровая порода, имеет ядро красновато - бурого цвета и узкую заболонь белого цвета. Прочность,  плотность и твердость выше,  чем у сосны и ели на  30  %.Имеет  повышенную гнилостойкость, но склонна к растрескиванию.

     Применение: гидротехническое строительство,  шпалы,  рудничные стойки.

     КЕДР - ядровая порода,  имеет ядро светло-бурого цвета  и широкую заболонь, почти такого же цвета. Механические свойства у него ниже , чем у сосны.

     Применение: для столярных изделий, отделки мебели в  виде фанеры, в виде круглого леса и пиломатериалав.

     ПИХТА -  по древесине схожа с елью,  но не имеет смоляных ходов, поэтому легко загнивает. Применяется наравне с елью, но в сухих условиях эксплуатации.

        Лиственные породы.

     ДУБ -  ядровая  порода с ярко выраженным ядром от светло - до темно-бурого цвета и узкой светло-желтой заболонью. Отличается высокой прочностью,  стойкостью против гниения,  красивой текстурой и цветом, но дает значительную усушку, что может вызвать растрескивание.

     Применение: несущие конструкции в гидротехническом  строительстве, мостостроении, для изготовления паркета, ножевой фанеры, для изготовления оконных переплетов и дверей.

     ЯСЕНЬ -  напоминает дуб,  но имеет более светлую окраску. Применяется наравне с дубом, но в сухих условиях.

     БЕРЕЗА - заболонная порода, имеет древесину белого цвета с легким желтоватым и красноватым оттенком, твердую, прочную, но легко загнивающую древесину.

     Применение: для изготовления фанеры,  некоторых столярных изделий. Карельская береза,  имеющая свилеватое строение, применяется для производства мебели.

     ОСИНА - заболонная порода, древесина белая, менее прочная, чем у березы. При высыхании не коробится и мало трескается, но во влажном состоянии легко загнивает. Применяется для  временных сооружений и изготовления фанеры.

     БУК -  спелодревесная  порода  белого цвета с красноватым оттенком, очень прочная,  с красивой текстурой  на  радиальном разрезе, хорошо гнется, не гниет, не коробится, не трескается. Применение: изготовление паркета, шпал, фанеры, мебели и т. п.

     ОЛЬХА - заболонная порода, склонна к загниванию. Применяется как береза.

     Другие лиственные породы (липа,  клен, тополь) используют для временных неответственных построек, изготовления подсобно-вспомогательных изделий как местный материал.

6.5. Лесоматериалы и изделия из древесины

     ЛЕСОМАТЕРИАЛЫ.

     а) Круглые лесоматериалы - бревна (d > 12 см), подтоварник (d=8..11 см), жерди (d = 3...7 см).

     б) Пиломатериалы,  получаемые продольной распиловкой бревен. Это доски и бруски обрезные и необрезные, брусья и шпалы.

     ПОЛУФАБРИКАТЫ И ИЗДЕЛИЯ.

     а) Строганные  и шпунтовые доски,  фрезерованные изделия, плинтусы, поручни, наличники.

     б) Паркет планочный и щитовой.

     СТОЛЯРНЫЕ ИЗДЕЛИЯ: оконные и дверные блоки, столярные перегородки и панели для жилых и гражданских зданий.

     ФАНЕРА И КРОВЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

     а) Фанера  -  листовой  материал,  склеенный из нескольких слоев древесного шпона.

     б) Кровельные  материалы для временных зданий выпускают в виде стружки,  драни, плитки деревянной и гонта. Их изготавливают из осины, сосны, ели, пихты. Эти материалы отличаются друг от друга размерами.

     СБОРНЫЕ ДОМА И КЛЕЕНЫЕ ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ.

     а) Дома - брусовые, щитовые, каркасно-обшивные.

     б) Деревянные клееные конструкции - балки,  фермы,  арки.

Их изготавливают склеиванием небольших деревянных заготовок на водостойких клеях.  Большое  достоинство этих конструкций – не коробятся при изменении влажности.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

     1. Положительные  и  отрицательные качества древесины как конструкционного материала ?

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 21 Аргентина 1980-1990-е гг..

     2. Что понимают под макроструктурой древесины ?

     3. Что называют микроструктурой древесины и что она из себя представляет?

     4. Перечислите важнейшие физические свойства древесины.

     5. В  каком  виде  находится  влага в древесине и как она влияет на ее физико-механические свойства ?

     6. Какие существуют наиболее доступные меры защиты древесины от загнивания и горения ?

     7. Виды  лесоматериалов  и изделий,  применяемых наиболее широко в строительстве.