Породы древесины и виды пластмасс, применяемые для изготовления строительных конструкций, их физико – механические свойства

КОНСТРУКЦИИ ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС

Леса занимают более 40% территории России. Основные лесные массивы находятся к востоку от Урала. Запасы наиболее ценной для строительства древесины хвойных пород составляют около 50 млрд. м³, из них на долю лиственницы приходится 30%; сосны -20%; ели и пихты - 16%. Из лиственных пород важнейшее значение имеет береза - цен­ное сырье для производства фанеры (запасы около 8 млрд. м³).

Древесина хвойных пород используется для изготовления несущих конструкций; твердые лиственные породы - для изготовления мелких ответственных деталей; береза -для изготовления фанеры; древесина других лиственных пород используются при устрой­стве опалубки, лесов, подмостей, а также во временных зданиях и сооружениях. Основными хвойными породами для изготовления несущих и ограждающих дере­вянных конструкций являются сосна и ель.

Древесина, как и другие строительные материалы, имеет свои достоинства и недос­татки.

Достоинства:

- наличие широкой, постоянно возобновляемой сырьевой базы;

- относительно малая плотность;

- высокая удельная прочность - отношение предела прочности при растяжении вдоль волокон к плотности: 100/500 = 0,2 (примерно равная стали);

- стойкость к солевой агрессии, к воздействию других химически агрессивных сред;

- биологическая совместимость с человеком и животными - в зданиях из древесины наилучший микроклимат;

- высокие эстетические и акустические свойства - лучшие концертные залы страны облицованы древесиной;

- малый коэффициент теплопроводности поперек волокон - стена из бруса шириной 200 мм эквивалентна по теплопроводности кирпичной стене шириной 640 мм;

- малый коэффициент линейного расширения вдоль волокон - в деревянных зданиях нет необходимости устраивать температурные швы и подвижные опоры;

- меньшая трудоемкость механической обработки, возможность создания гнутоклееных конструкций.

Недостатки:

- анизотропия строения древесины;

- подверженность загниванию и поражению жуками-древоточцами;

- сгораемость в условиях пожара;

- изменение физико-механических характеристик под воздействием различных фак­торов (влаги, температуры);

- усушка, разбухание, коробление и растрескивание под влиянием атмосферных воздействий;

- наличие пороков (сучки, косослой и других), существенно снижающих качество изделий и конструкций;

- ограниченность сортамента лесоматериалов.

Задача инженеров состоит в том, чтобы максимально использовать положительные качества древесины, уменьшить влияние ее отрицательных свойств, обеспечить экономи­чески эффективное применение деревянных конструкций в конкретных условиях строи­тельства и эксплуатации.

Многие природные недостатки древесины можно устранить или существенно огра­ничить их влияние на качество деревянных конструкций. Так, применение КДК снимает проблему ограниченного сортамента лесоматериалов, использование листовых материа­лов на основе древесины (фанеры, ДВП, ДСП и др.) снижает влияние анизотропии строе­ния древесины. С помощью конструктивных и химических мер защиты уменьшается опасность загнивания и возгорания деревянных конструкций.

 

Физические свойства древесины

Основные физические свойства древесины, имеющие большое значение в строи­тельстве.

Плотность. Зависит от породы и влажности и составляет (кг/м³): для свеже-срубленной древесины - 1000; для высушенной до стандартной влажности 12% древеси­ны сосны и ели - 500; для лиственницы - 650; для березы - 700.

Теплопроводность. Благодаря трубчатому строению древесина плохо проводит теп­ло. Теплопроводность вдоль волокон больше, чем поперек волокон. Малая теплопровод­ность поперек волокон 0,12 Вт/(м °С) позволяет использовать древесину в ограждающих конструкциях.

Температурное расширение. Изменение размеров древесины при нагревании харак­теризуется коэффициентом линейного расширения . Вдоль волокон древесины этот ко­эффициент равен ; поперек волокон - (1/ °С). Ввиду незначительной вели­чины этих коэффициентов, они не учитываются при проектировании конструкций.

Цвет - важная характеристика внешнего вида древесины, учитываемая при выборе породы для отделки помещений, изготовлении мебели. Основное вещество в древесине - целлюлоза - имеет практически белый цвет. Все многообразие цветовых оттенков прида­ют древесине красящие, дубильные вещества и смолы.

Текстурой называется рисунок, образуемый на поверхности образцов при перерезы­вании анатомических элементов древесины, чем сложнее строение древесины, тем богаче ее текстура. Красивую замысловатую текстуру имеют: карельская береза, бук, платан (на радиальном разрезе), орех, дуб (на тангенциальном разрезе).

Механические свойства древесины

Механические свойства древесины характеризуются: прочностью - способностью сопротивляться разрушению от механических воздействий; жесткостью - способностью сопротивляться изменению размеров и формы; твердостью - способностью сопротив­ляться проникновению другого твердого тела; ударной вязкостью - способностью погло­щать работу при ударе. Механические свойства древесины зависят от многих факторов.

1. Влияние длительности действия нагрузки

Работы по исследованию влияния продолжительности действия нагрузки на проч­ность древесины были проведены проф. Ф. П. Белянкиным в 1931 - 1934 гг. Было уста­новлено, что древесина обладает свойством ползучести, т. е. под воздействием прило­женной постоянной нагрузки в древесине наблюдается рост деформаций, который со вре­менем прекращается (затухает), если нагрузка не превышает определенного предела. В этом случае, после снятии нагрузки часть деформаций (упругие) исчезает сразу, другая часть (эластичные) - постепенно, а остаточные деформации остаются. Если же нагрузка превысила определенный предел, то деформации в деревянном элементе возрастают до разрушения образца. Пределом длительного сопротивления древесины называется макси­мальное напряжение, не вызывающее разрушение деревянного образца при любой про­должительности действия приложенной нагрузки. Изменения предела прочности древеси­ны во времени наглядно иллюстрируется кривой длительного сопротивления (рис. 2.3,6).

2. Влияние угла между усилием и направлением волокон древесины

Древесина обладает ярко выраженной анизотропией строения: при изменении угла между направлением действующего усилия и направлением волокон древесины от 0 до 90⁰ расчетное сопротивление древесины на сжатие и смятие по всей поверхности умень­шается примерно в 7 раз, например для 2-го сорта, с 13 до 1,8 МПа (рис. 2.3,а).

3. Влияние влажности

Влажностью древесины называется отношение массы влаги, содержащейся в дан­ном объеме древесины, к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах. Влажность древесины определяется весовым способом по нижеприведенной формуле (или с помощью электровлагомера):

где W - влажность древесины, %;

m- масса образца влажной древесины, г;

т₀- масса образца абсолютно сухой древесины, г.

В древесине различают две формы влаги: свободную (капиллярную) - заполняющую полости клеток и межклеточное пространство, и связанную {гигроскопическую) - находя­щуюся в клеточных оболочках.

Кроме свободной и связанной влаги, различают влагу, входящую в состав веществ, образующих древесину, химически связанную влагу. Эта влага имеет значение лишь при химической переработке древесины.

Максимальное количество связанной влаги для всех пород примерно одинаково и составляет 30% при температуре 20°С. Эта величина называется пределом гигроскопично­сти или точкой насыщения клеточных оболочек. Предел гигроскопичности - такое со­стояние древесины, при котором свободной влаги в древесине нет, а в клеточных оболоч­ках содержится максимальное количество связанной влаги.

Зависимость прочности древесины на сжатие от влажности показана на рис. 2.3,в: увеличение влажности от 0 до 30 % приводит к снижению прочности и модуля упругости; повышение влажности выше 30 % не оказывает существенного влияния на прочность.

 

Влажность древесины Wf % Температура воздуха /,°С

Рис. 23. Влияние различных факторов на прочность древесины на сжатие: угла между направлением усилия и направлением волокон, б - длительности действия нагрузки, в - влажности, г - температуры

Для сопоставления результатов испытаний образцов с различной влажностью на сжатие, изгиб и скалывание вдоль волокон показатели прочности приводятся к стандарт­ной влажности по формуле

где R12 - прочность древесины при стандартной влажности 12%;

R_w - прочность древесины в момент испытаний;

W - влажность древесины в момент испытаний;

- поправочный коэффициент, зависящий от породы и вида напряженного состоя­ния, например, для сосны при сжатии = 0,04.

Формула приведения действительна только при влажности древесины от 8 до 23 %. Образцы с влажностью более 23% необходимо перед испытаниями подсушивать. Влияние влажности на прочность древесины при растяжении вдоль волокон незначительно.

Каждому сочетанию температуры и относительной влажности воздуха соответствует определенная установившаяся влажность древесины, которая называется равновесной влажностью. Зная условия, в которых будут эксплуатироваться деревянные конструкции, можно определить соответствующую равновесную влажность древесины по специальной диаграмме.

Сушкой древесины называется процесс удаления влаги из древесины путем испаре­ния. Используются три способа сушки пиломатериалов: естественная (атмосферная), искусственная (камерная) и комбинированная (атмосферная + камерная).

Удаление свободной влаги происходит сравнительно легко, без изменения линейных размеров и объема, уменьшается только плотность древесины. При дальнейшей сушке, в результате удаления связанной влаги, изменяются линейные размеры и объем древесины. Полная линейная усушка древесины хвойных пород (от предела гигроскопичности 30% до конечной влажности 12... 15 %) в среднем составляет, %: вдоль волокон до 0,3; в ради­альном направлении до 6; в тангенциальном до 12.

Сушка древесины - важнейший этап в процессе изготовления деревянных конструк­ций. Неравномерная сушка приводит к деформациям деревянных элементов, появлению радиальных и продольных усушечных трещин. Чем медленнее идет процесс сушки, тем меньше внутренние напряжения, возникающие за счет изменения размеров деревянного элемента, и меньше вероятность появления дефектов. Пиломатериалы для изготовления несущих КДК рекомендуется сушить в две стадии: 1) естественная сушка до влажности 25...30%, 2) камерная сушка при мягких режимах до стандартной влажности 12%.

4. Влияние температуры

На основе многочисленных испытаний установлено, что прочность древесины зави­сит и от температуры (рис. 2.3,г). С повышением температуры от 20 до 50°С предел проч­ности снижается в среднем (в %): при сжатии - на 20...30; при растяжении - на 12... 15. С повышением температуры также понижается и модуль упругости.

При отрицательных температурах предел прочности на сжатие при любой влажно­сти несколько повышается за счет включения в работу замерзшей воды. Однако древесина при этом становится хрупкой и ее прочность на раскалывание снижается.

5.Влияние пороков древесины

Пороками древесины называются изменения внешнего вида древесины, нарушения правильности ее строения, целостности ее тканей, клеточных оболочек и другие недостат­ки отдельных участков древесины, снижающие ее качество и ограничивающие возмож­ность ее использования. Основные группы пороков: сучки', трещины; пороки формы ствола; пороки строения древесины; химические окраски; гриб­ные поражения; биологические повреждения; инородные включения, механические по­вреждения и пороки обработки; покоробленности.

Пороки снижают прочность древесины: в меньшей степени при работе древесины на сжатие, смятие и изгиб, и в большей степени при работе древесины на растяжение и ска­лывание. Существенно влияют на прочность древесины следующие группы пороков.

Сучки - части ветвей, заключенные в древесины ствола. Они нарушают однород­ность строения древесины, вызывают образование местных косослоев, затрудняют меха­ническую обработку древесины. Сучки различают по виду: открытые и заросшие. Разно­видности открытых сучков: по форме (круглые, овальные, продолговатые); по положению в сортименте (пластевые, кромочные, ребровые, торцовые); по взаимному расположению (разбросанные, групповые, разветвленные); по степени срастания (сросшиеся, частично сросшиеся, несросшиеся, выпадающие); по состоянию древесины сучков (здоровые, за­гнившие, гнилые, табачные); по выходу на поверхность (односторонние, сквозные).

Пороки формы ствола: сбежистость - изменение диаметра по длине ствола дерева более чем на 0,8 см на 1 м длины ствола; закомелистость - резкое увеличение диаметра комлевой части ствола; овальность; наросты; кривизна.

Пороки строения древесины: наклон волокон (косослой) - отклонение волокон дре­весины от продольной оси ствола дерева; крень (местная, сплошная) - изменение строения древесины, выражающееся в увеличении ширины поздней зоны годичных слоев; свилева­тость (волнистая, путанная) - извилистое или путаное расположение волокон древесины; сердцевина; двойная сердцевина; засмолок и др.В зависимости от наличия, количества и месторасположения тех или иных пороков в древесине, пиломатериалы подразделяются на сорта.

Пластмассы

Пластмассами называют материалы, содержащие в качестве важной составной части синтетические высокомолекулярные вещества – полимеры и обладающие пластичностью на определенном этапе их производства. В зависимости от количества входящих компонентов в пластмассу, они бывают простые и сложные. Простой называется пластмасса, состоящая из одного связующего – полимера. Сложной – состоящая из полимера и других компонентов (наполнителей)

Полимеры, являющиеся основой пластмасс, представляют собой высокомолекулярные соединения, моле­кулы которых состоят из многих элементарных звеньев одинаковой структуры. Эти звенья соединены между собой ковалентными связями в длинные цепи или обра­зуют жесткие и пластичные пространственные решетки.

Технические свойства высокомолекулярных соедине­ний зависят от строения и природы исходных мономеров и значения молекулярной массы. Чем длиннее цепи этих соединений, тем выше, например при прочих равных ус­ловиях, механическая прочность.

В строительстве наибольшее применение нашли стек­лопластики и древесные пластики. Стеклопластики пред­ставляют собой пластмассы, состоящие из стеклянного наполнителя и связующего. В качестве последнего ис­пользуют обычно ненасыщенные полиэфирные, эпоксид­ные и фенолоформальдегидные смолы, а также некото­рые термопласты. Наполнители в настоящее время используются главным образом стекловолокнистые, свойствами которых во многом определяются физико-механические характеристики стеклопластиков.

Стеклянное волокно является для стеклопластика своеобразной арматурой подобно металлу в железобе­тоне. Смола выполняет роль связующего и в то же время защищает стеклянные волокна от влияния внешней сре­ды и способствует равномерному распределению уси­лий, возникающих в них.

Пресс-материалы. Принцип получения стеклопластикового пресс-материала состоит в совмещении различ­ными способами связующего и стекловолокнистого на­полнителя, в результате чего образуется композиция, удобная для дальнейшей переработки в изделие мето­дом прямого или литьевого прессования.

Пресс-материалы типа СВАМ. Стекловолокниетый анизотропный материал (СВАМ), являющийся одним из первых отечественных стеклопластиков, получают не­посредственно при выработке первичной стеклонити, применяя связующее в качестве замасливателя.

Пресс-материалы типа АГ-4С представляют собой однонаправленную ленту, получаемую на основе круче­ных стеклянных нитей и анилино-фенолоформальдегидной смолы

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что использование стеклопластиков в строительстве имеет немало технико-экономических преимуществ, благодаря которым они используются в строительстве главным об­разом в виде ограждающих конструкций (стеновые и кровельные панели), несущих строительных конструк­ций, архитектурно-строительных деталей и изделий, санитарно-технических изделий, декоративно-облицовочных материалов, арматуры и опалубки для бетонных конст­рукций.

В качестве ограждающих конструкций из листовых стеклопластиков наибольшее применение нашли плоские и волнистые полиэфирные стеклопластики, бесцветные или окрашенные в различные цсета. Такие материалы используются в большинстве случаев для покрытия про­мышленных зданий и сооружении.

Наиболее эффективными конструкциями из пласт­масс являются пространственные конструкции в виде оболочек покрытия, в которых благодаря рациональной геометрической форме в значительной степени компен­сируется такой недостаток пластмасс, как повышенная деформативность вследствие относительно низкого мо­дуля упругости.

Оболочки покрытий для неотапливаемых зданий и сооружений выполняют из стеклопластика. Толщина та­ких оболочек исчисляется миллиметрами, поэтому в по­давляющем большинстве случаев их собственный вес не превышает 20 кг на 1 м² перекрываемой площади, что в 10—12 раз меньше, чем железобетонной оболочки при аналогичном пролете. Элементы оболочек из пластмасс в основном соединяются на болтах. Реже применяют соединения на клеях, а также в сочетании с болтами, винтами, заклепками.

Древесные пластики—это материалы, полученные соединением синтетическими смолами продуктов пере­работки натуральной древесины. К, ним относятся древесно-слоистые пластики, древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты, бумажный слоистый пластик (гетинакс) и др.

Достоинства: пластмассы обладают малой средней плотностью, при значительной прочности, большой химической стойкостью к коррозии, малой тепло и электропроводностью, хорошими тепло, звуко и гидроизоляционными свойствами. Некоторые пластмассы обладают хорошими клеящими свойствами, что позволяет их использовать в качестве клеев и замазок. Некоторые пластмассы обладают способностью образовывать тонкие пленки. Пластмассы можно отливать в формы, прессовать, штамповать в пластичном состоянии, продавливать в мундштуки машин для получения труб. При всех этих способах полученные изделия не требуют дополнительной обработки. Широкое применение пластмасс в строительстве связано не только с ее положительными свойствами, но и с недефицитностью исходного сырья (газ, торф, продукты нефтяной промышленности)

Недостатки: как все материалы органического происхождения пластмассы обладают невысокой теплостойкостью и высоким коэффициентом термического расширения. Пластмассы стареют, увеличивается жесткость, хрупкость, снижается прочность, появляется липкость, мягкость, потемнение.