Задача 9.4

Какой толщины необходимы плиты из пенополистирола с коэффициентом теплопроводности λ для обеспечения термического сопротивления ограждающей конструкции равному R?

10. ДРЕВЕСНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Одна треть нашей страны покрыта лесами, где преобладают такие ценные для строительства породы, как сосна, ель, лиственница. Эти породы отличаются высокими прочностными свойствами и высоким коэффициентом конструктивного качества.

Древесина – высокопористый продукт живой природы, отлича­ющийся специфическим волокнистым строением, предопределяющим своеобразие ее физико-механических свойств, широкое и многооб­разное использование в различных отраслях народного хозяйства. Благодаря этим свойствам лесные материалы, а также изделия и конструкции на их основе могут достаточно долго работать в различ­ных условиях эксплуатации.

К положительным свойствам древесины относится высокая ме­ханическая прочность и одновременно с этим лёгкость, что позволяет отнести ее к эффективным материалам с достаточно высоким коэффициентом конструктивного качества.

Древесина способна поглощать ударные нагрузки и гасить вибра­ции, она отличается высокими тепло-, звуко- и электроизоляцион­ными свойствами, химической стойкостью к кислотам и щелочам, легко обрабатывается резательными инструментами, хорошо удер­живает металлические и другие крепления, надёжно склеивается и, наконец, обладает естественной декоративностью, что делает ее по­пулярным отделочным материалом.

К отрицательным свойствам древесины относятся анизотропность, т.е. неоднородность структуры и свойств в различных направлениях по отношению к расположению древесных волокон; повышенная гигроскопичность и водопоглощение, предопределяющие изменение важнейших физико-механических характеристик за счёт неравномерного разбухания, коробления и растрескивания.

Структура древесины отличается значительной неоднород­ностью. Это видно невооружённым глазом на разрезах ствола: поперечном, радиальном и тангенциаль­ном. Ствол дерева состоит из многочисленных клеток, вытянутых в основном по его длине. Клетки определённым образом груп­пируются и создают на торце ствола систему концентрических колец. Вместе с другими элементами они формируют макро­структуру древесины.

Макроструктура древесины различима невооружённым гла­зом или при небольшом увеличении. Выделяют следующие основные элементы макроструктуры: сердцевину, ядро, заболонь, камбий и годичные слои.

Микроструктура древесины представлена большим числом мельчайших клеток. Оболочки клеток состоят в основном из органического вещества – целлюлозы. Это природный полимер, нерастворимый в воде и органических растворителях. Целлюло­за образует систему первичных волокон, называемых микро­фибриллами. Первичные волокна расположены в оболочках кле­ток в несколько слоёв.

Свойства древесины характеризует комплекс показателей, в число которых входят внешний вид, цвет, текстура, плотность, пористость, влажность, усушка, прочность, твёрдость.

Внешний вид зависит в основном от цвета и текстуры древесины.

Цвет часто служит одним из важнейших признаков при рас­познавании породы дерева. Все многообразие цве­товых оттенков связано с находящимися в древесине красящими, дубильными и смолистыми веществами.

Текстура – это рисунок, образующийся на поверхности дре­весины при перерезании её волокон, годичных слоёв и сердце­винных лучей. Древесина хвойных пород обладает, как правило, простой и однообразной текстурой. Лиственные породы с ярко выраженными сердцевинными лучами – дуб, бук – отличаются очень красивой текстурой на радиальном и тангенциальном раз­резах.

Плотность значительно влияет на свойства древесины, особенно на прочность. Независимо от породы дерева истинную плот­ность принимают равной 1530 кг/м³. Средняя плотность колеблется в широких пределах. Так, средняя плотность, опре­делённая при стандартной 12 %-й влажности, равна для древеси­ны, кг/м³: сосны – 500; ели – 450; дуба – 690; бука – 670; берё­зы – 630; липы – 500; клёна – 700. Она изменяется в зависимости от влажности древесины.

Пористость древесины связана с её плотностью. С умень­шением средней плотности от 800 до 300 кг/м³ пористость воз­растает с 55 до 80 %. Следовательно, большую часть объёма древесины занимают поры.

Теплопро­водность древесины составляет 0,16...0,3 Вт/(м׺С). В продольном направлении во­локон она в 1,8 раза выше, чем в поперечном.

Влажность древесины существенно влияет на её физические и механические свойства. По влажности различают древесину:

– мокрую (более 100 % влажности по массе);

– свежесрубленную (более 35 %);

– воздушно-сухую – 15…20 %;

– комнатно-сухую – 8…12 %;

– абсолютно сухую, высушенную до постоянной массы древесину.

Стандартной считают влажность древесины – 12%.

Усушка и набухание – изменение линейных размеров древесины при изменении её влажности. Вдоль волокон линейная усушка не превышает 0,1 %, поперёк волокон – 3…6 %. Вызванные усушкой напряжения могут привести к появлению трещин.

Твёрдость имеет большое значение при обработке древеси­ны режущим инструментом. Наибольшей твёрдостью обладает торцовая поверхность. По степени твёрдости все древесные по­роды разделяют на три группы:

– мягкие (торцовая твёрдость – менее 38,5 МПа при 12 %-й влажности) – сосна, ель, кедр, пихта, липа, тополь, ольха;

– твёрдые (торцовая твёрдость – 38,5…82,5 МПа) – листвен­ница, берёза, бук, вяз, дуб, ясень, клён;

– очень твёрдые (более 82,5 МПа) – акация белая, берёза же­лезная, граб, тисс, кизил, самшит.

Прочность древесины вдоль волокон составляет 40…60 МПа и сопоставима с прочностью бетона. Прочность при сжатии поперёк волокон составляет 0,15…0,3 от предела прочности вдоль волокон. Прочность при растяжении вдоль волокон в 2 – 3 раза больше прочности при сжатии вдоль волокон и составляет 100…120 МПа. Прочность при изгибе составляет 60…110 МПа. Прочность при изгибе у древесины выше, чем у большинства строительных материалов.

Механические свойства древесины зависят от влажности. Для получения сравнимых результатов прочность древесины при фактической влажности пересчитывают на прочность при стандартной влажности по формуле:

где R₁₂ и R_W соответственно пределы прочности образцов при 12 %-ной и W влажности в момент испытаний, α – поправочный коэффициент на влажность, показывающий на сколько изменяется прочность при изменении влажности на 1%.

Породы по ряду биологических признаков принято подразделять на хвойные и лиственные. Хвойные породы: сосна, лиственница, кедр.

Сосна – наиболее распространённая хвойная порода. Древесина сосны светло-золотистого цвета, имеет хорошие физико-механические и эксплуатационные характеристики, хорошо поддаётся обработке. Из сосны изготавливают несущие деревянные конструкции, фанеру.

Лиственница более плотная и прочная, является более стойкой против загнивания, характеризуется большей смолистостью. Её можно применять в подземных сооружениях, в качестве свай и для гидротехнических сооружений: мостов, причалов.

Ель и пихта – распространённые хвойные породы, древесина которых отличается малой смолистостью, но высокой прочностью. Из них изготавливают конструкции, эксплуатируемые в сухих условиях.

Кедр имеет лёгкую прочную и легко обрабатываемую древесину.

Лиственные породы применяют в строительстве реже, чем хвойные. Из всего многообразия лиственных пород в строительстве нашли применение дуб, ясень, бук, берёза и осина.

Дуб обладает тяжёлой, плотной, и очень твёрдой древесиной с желтоватой красивой текстурой. Она хорошо сохраняется на воздухе и в воде. Из дуба делают высококачественный паркет, фанеру, дверные и оконные блоки.

Бук имеет плотную и прочную древесину с желтоватым оттенком. Бук применяют для изготовления паркета, фанеры, погонажных изделий.

Ясень имеет тяжёлую, твёрдую и прочную древесину, напоминающую дуб, но более светлой окраски.

Берёза – самая распространённая в наших лесах лиственная порода. Древесина берёзы твёрдая и прочная в сухих условиях, но не долговечная во влажных.

Осина имеет мягкую и лёгкую древесину белого цвета с зеленоватым оттенком, во влажном состоянии она быстро загнивает. Осина легко раскалывается вдоль волокон, поэтому её хорошо использовать для изготовления фанеры.

Пороки строения древесины – отклонения от нормального расположения волокон в стволе дерева:

– наклон волокон (косослой) – непараллельность древесины продольной оси пиломатериала;

свилеватость – волокна древесины расположены в виде волн и завитков;

– крень – годовые кольца имеют разную толщину и плотность по разные стороны от сердцевины;

– завиток – представляет собой местное искривление годичных слоёв у сучков и проростей.

Сучки – самый распространённый порок, представляющий собой основание ветвей дерева. Сучки бывают сросшиеся и несросшиеся, лапчатые, загнившие. Сучки снижают прочность пиломатериала, количество и расположение сучков определяют сортность древесины.

Трещины могут появиться и на растущем, и на срубленном дереве:

– метиковая – одна или несколько внутренних трещин, идущих от центра к периферии вдоль ствола;

– морозобой – наружная открытая продольная трещина, сужающаяся к центру;

– отлупная – частичное или полное отделение центральной части ствола по годовым кольцам от периферийной в результате усушки.

– трещины усушки – образуются в результате неравномерной сушки древесины.

Грибные поражения и химические окраски вызываются простейшими живыми организмами (грибами, микроорганизмами, червоточины).

Материалы из древесины, сохранившие её природную физи­ческую структуру и химический состав, называют лесоматериа­лами. Их подразделяют на необработанные (круглые) и обрабо­танные (пиломатериалы, колотые лесоматериалы, шпон и др.).

По способу механической обработки все лесоматериалы подраз­деляются на шесть классов:

Круглые лесоматериалы, получаемые поперечным делением хлыста на отрезки различной длины. В зависимости от диамет­ра верхнего торца круглые лесоматериалы подразделяют на бревна, подтоварник и жерди.

Бревна строительные должны иметь диаметр верхнего торца не менее 14 см, длину в пределах 4…6,5 м, ошкуренную поверхность, а торцы спиливаются под прямым углом. При строительстве срубов все большее распространение получают оцилиндрованные бревна, обработанные на токарном станке без сбега.

Подтоварник – бревна с диаметром верхней части 8…13 см и длиной 3…9 м. Его используют для различных целей в жилищном и сельскохозяйственном строительстве, а также для вспомогательных и временных сооружений.

Жерди имеют верхний диаметр – 3…8 см, длину 3…9 м. Эти материалы применяют там же где и подтоварник.

Пилёные лесоматериалы, изготовляемые продольным пиле­нием круглого леса с последующей поперечной распиловкой полученного полуфабриката. По форме поперечного сечения разли­чают следующие виды пиломатериалов:

– пластины – половинки брёвен, распиленных по оси ствола;

– четвертины – части брёвен, распиленных по двум взаимно перпендикулярным диаметрам;

– брусья – пиломатериал, имеющий ширину и толщину более 100 мм. По числу пропиленных сторон бывают двух-, трёх- и четырёхкантные;

– бруски – пиломатериал толщиной до 100 мм при соотноше­нии ширины к толщине менее 2;

– доски – пиломатериал, толщиной до 100 мм при соотноше­нии ширины к толщине более 2. Их разделяют на тонкие, тол­щиной до 32 мм, и толстые, толщиной более 32 мм для листвен­ных пород и более 40 мм – для хвойных. Тонкие называют тё­сом. В зависимости от чистоты опиловки доски бывают необрезные, с неопиленными кромками на всю длину доски или на половину длины, и обрезные, с кромками, пропиленными по всей длине (в данном случае сечение доски представляет собой правильный прямоугольник) или более чем на половину длины доски;

– обапол – боковая часть, образующаяся при распиловке бревна на доски или бруски. Одна сторона у него полностью пропиленная, вторая — частично (дощатый обапол) или непро- пиленная (горбыльный обапол).

Лущёные лесоматериалы, получаемые резанием древесины по спирали (лущением). Путём лущения – срезания слоя древесины в виде непрерывной ленты с вращающегося предварительно окоренного и нагретого (рас­паренного) отрезка ствола – получают шпон толщиной от 0,55 до 1,5 мм.

Шпон изготавливается из берёзы, ольхи, бука, дуба, ясеня, иль­ма, липы, сосны, лиственницы, кедра в виде листов толщиной 0,55; 0,75; 0,95; 1,15; 1,5 мм, шириной (поперёк волокон древесины) от 150 до 800 мм с градацией через 50 мм и от 800 до 1600 мм с града­цией через 100 мм. В качестве полуфабриката лущёный шпон используется для изготовления клеёной фанеры, слоистых пластиков и облицовки (фанерования) изделий из древесины.

Строганые лесоматериалы, изготавливаемые резанием древесины ножами, формирующими плоскую поверхность раздела. Шпон строганый изготавливается главным образом из древесных пород, обладающих красивой текстурой, цветом и рисунком (дуб, ясень, бук, чинара, лиственница, тис и некоторые разновидности экзотических пород – красное, лимонное дерево и др.), и используется как облицовочный материал.

Строганием получают также штукатурную дрань, толщиной 4 мм, шириной 19, 22, 25 и 32 мм и длиной от 500 до 1500 мм с градацией в 100 мм. На специальных строгальных станках из отрезков древесины осины, тополя, ольхи и хвойных (кроме лиственницы) пород изготавливают кровельную щепу толщиной 2…3 мм, шириной от 50 до 120 мм и длиной от 350 до 1000 мм с градацией 50 мм.

Колотые лесоматериалы, производимые продольным разделением древесины клиновидными инструментами. Путём раскалывания получают колотые балансы. После удале­ния ядровой гнили из низкокачественной древесины при раскалыва­нии поленьев образуется полноценное сырье для выработки целлю­лозы и древесной массы.

Измельчённые лесоматериалы, получаемые переработкой древесины на специальном оборудовании (рубильном, строгальном, размольном). К этой категории материалов относятся технологическая щепа, технологические опилки, стружка и древесная мука. Технологическая щепа, получаемая в виде товарной продукции из низкокачественной древесины и круглых отходов лесопиления, широко используется в производстве древесностружечных и древесноволокнистых плит, а также в качестве исходного сырья для изготовления древесных заполнителей в таких композиционных материалах и изделиях на их основе, как арболит, фибролит, цементно-стружечные плиты.

Изделия из древесины. Элементы небольшого поперечного сечения – деревянные фрезерованные детали, называемые погонажными (их измеряют погонными метрами): плинтусы, галтели, карнизы, пояски, наличники, поручни для лестничных перил, обшивки, раскладки, а также доски и бруски для покрытия полов (на одной кромке имеют паз, на другой – гребень).

Столярные плиты состоят из внутреннего шита, который изготовляют из узких реек путём их тесного состыковывания впритык, и наклеенных на него с обеих сторон шпона в один или два слоя. Для производства столярных плит используют древесину хвойных и лиственных мягких пород, главным образом отходы производства (горбыли, рейки и др.). Размеры столярных плит: длина – до 2500 мм, ширина – до 1525 мм, толщина – до 30 мм. Из этих плит изготовляют двери, перегородки, щитовую мебель и пр.

Изделия для паркетных полов – штучный паркет (дощечки длиной 150…450 мм и шириной 30…60 мм с пазами и гребнями), щитовой паркет, паркетные доски (клеёные трёхслойные конструкции, состоящие их шпона, твёрдой породы и основания из сосновых или еловых реек).

Фанера – склеенные между собой три и более листов шпона, с волокнами, расположенными перпендикулярно.

Столярные изделия строительного назначения – оконные и дверные блоки, выпускаемые на предприятиях, окрашенными и антисептированными.

Строительные конструкции и детали из древесины: комплекты деревянных домов, балки, фермы (получаемые склеиванием).

Материалы из отходов древесины – древесностружечные плиты, древесноволокнистые плиты, в которых древесина в виде стружки или опилок используется как наполнитель в сочетании с полимерным или минеральным связующим. Такие плиты используют для обшивки полов, потолков, стен, устройства перегородок.

В последние годы все шире применяют клеёные конструкции, крупноразмерные элементы, изготовляемые путём склеивания сравнительно небольших деревянных заготовок друг с другом или с другими материалами, – арки, балки двутаврового сечения, блоки и т. п. Они отличаются большей прочностью, водостойкостью, био- и огнестойкостью, чем обычные конструкции из древесины, не подвержены усушке и короблению. Использование клеёных конструкций – один из наиболее экономически эффективных путей применения древесины в строительстве.

Долговечность и надёжность строительных конструкций из древесины зависит от условий хранения и сушки, условий эксплуатации древесных материалов. Кроме того, для изменения некоторых свойств, придания древесине особых качеств её подвергают обработке механическими, физическими и химическими методами.

Защита древесины от загнивания и поражения насекомыми. Существует ряд конструктивных мер для предотвращения загнивания древесины – изоляция её от грунта, каменной кладки, бетона; проветривание деревянных конструкций; защита от атмосферных осадков лакокрасочными покрытиями или гидроизоляционными материалами. Но эти меры не всегда могут полностью предохранить древесину от увлажнения, и возникает необходимость в антисептировании деревянных материалов и изделий.

Антисептики – это химические вещества, которые убивают грибы, вызывающие гнили, или создают среду, в которой их жизнедеятельность прекращается. Антисептики должны обладать токсичностью только по отношению к грибам и быть безвредными для людей и животных, не ухудшать качества древесины, не вызывать коррозию металлических креплений.

Защита древесины от возгорания. Древесина относится к легко возгораемым материалам. Её возгорание происходит при температуре 260…290 ºС, а при нагревании выше 350 ºС она может воспламениться из-за выделяющихся газов, поэтому деревянные конструкции удаляют от источников нагревания; деревянные элементы покрывают штукатуркой или облицовывают несгораемыми материалами (например, асбестоцементными); окрашивают огнезащитными красками или пропитывают специальными веществами – антипиренами.

Огнезащитное действие антипиренов основано на том, что при нагревании древесины одни из них образуют оплавленную плёнку на поверхности древесины, а другие – выделяют негорючие газы, оттесняющие воздух и выделяемые деревом при нагревании горючие газы от поверхности древесины.

Вопросы для проверки

1. Какова структура древесины?

2. Назовите основные свойства древесины.

3. Как изменяются физико-механические свойства древесины в радиаль­ном, тангенциальном и продольном направлениях?

4. Как влияет влажность на свойства древесины?

5. Основные древесные породы, применяемые в строительстве.

6. В чем отличие свойств древесины хвойных и лиственных пород?

7. Как различаются пороки древесины? Как влияют пороки на её качество?

8. Какие существуют виды круглых лесоматериалов?

9. Как классифицируют пиломатериалы по видам?

10. Назовите изделия для паркетных полов.

11. Какие существуют разновидности фанеры и где её применяют?

12. Назовите способы защиты древесины от гниения.

13. Назовите способы защиты древесины от возгорания.

14. Как используются отходы древесины в промышленности строительных материалов?

Номер варианта задачи выбирается в соответствии с порядковым номером в журнале.