Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Основы строительного дела

Строительство и ремонт

§ 7.1. Строение древесины

В современном индустриальном строительстве лесные материалы занимают значительное место среди других строительных материалов. Их применяют для изготовления несущих и ограждающих деревянных конструкций зданий и сооружений, столярных изделий, опалубки, устройства подмостей, шпал и т.д. Кроме того, отходы древесины (стружки, опилки, сучья, горбыли, рейки) широко используют для производства арболита, фибролита, ксилолита, древесно-цементных, древесноволокнистых и древесностружечных плит. Широкое применение лесных материалов в строительстве объясняется главным образом наличием у них ряда положительных свойств. Они обладают высокой прочностью, малой средней плотностью, легкостью обработки, высокой морозостойкостью и стойкостью к действиям растворов солей, щелочей, органических кислот.

Древесина состоит из живых и отмерших клеток, имеющих различные форму, величину и выполняющие разные функции. Древесина содержит проводящие, механические и запасающие клетки. Проводящие клетки служат для передачи питательных веществ от корней к ветвям и листьям. Это так называемые сосуды (у лиственных пород) и трахеиды (у хвойных пород). Механические клетки вытянуты в длину, имеют толстые стенки и узкие внутренние полости. В древесине лиственных пород функции механических клеток выполняет так называемый либриформ (клетки веретенообразной формы), а в древесине хвойных пород — трахеиды поздней древесины. Запасающие клетки служат для хранения питательных веществ и передачи их живым клеткам в горизонтальном направлении. Они находятся в основном в сердцевинных лучах. Каждая живая клетка древесины имеет клеточную оболочку и находящиеся внутри нее протоплазму, клеточный сок и ядро.

Химический состав древесины всех пород в среднем содержит 49,5% углерода, 6,3% водорода, 44,1% кислорода, 0,1% азота. На долю оболочек клеток приходится около 95 % массы.

Главными составными частями оболочек являются целлюлоза (43...56 %) и лигнин (19...30 %). Остальную часть оболочек занимают гемицелюллозы, пектиновые вещества, минеральные соли, жиры, эфирные масла, алкалоиды, гликозиды и т.д.

Различают следующие главные части (макроструктуру) ствола: кору, луб, камбий, заболонь, ядро, сердцевину, сердцевинные лучи и годовые слои.

Кора состоит из наружного (корки) и внутреннего (луба) слоев. Она защищает дерево от температурных и механических воздействий. Под лубом находится тонкий слой камбия, состоящего из живых клеток. Идущий за камбием толстый слой древесины состоит из ряда тонких концентрических слоев, внутренняя часть которых называется ядром, а периферийная — заболонью. Существуют породы, например береза, клен, ольха и др., у которых ядро отсутствует. Такие породы называются заболонными. По этим признакам все древесные породы классифицируют на ядровые (имеющие ядро и заболонь), заболонные (лишенные ядра, имеющие только заболонную древесину) и сйелодревесные (имеющие не ярко выраженное ядро — спелую древесину и заболонь).

Все древесные породы классифицируются на хвойные и лиственные. Наибольшее распространение в строительстве находят хвойные породы. К ним относят сосну, ель, пихту, лиственницу и кедр. За последние годы в связи со значительным ростом объемов капитального строительства в промышленности стали все больше применяться и лиственные породы, такие, как дуб, бук, береза, осина, липа, граб, ольха, вяз и др.

§ 7.2. Свойства древесины

Основные свойства древесины классифицируются на физические и механические. Физические свойства древесины характеризуются цветом, блеском, текстурой, плотностью, гигроскопичностью и др. Механические свойства древесины характеризуются прочностными и деформативными показателями при различном ее напряженном состоянии (прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании, модуль упругости и сдвига, ползучесть, усадка и др.).

Физические свойства древесины. Рассмотрим те физические свойства древесины, которые имеют наибольшую значимость для строительной индустрии.

Влажность древесины оказывает значительное влияние на ее свойства. Древесина содержит свободную (в полостях клеток) и связанную (в оболочках клеток) влагу.

Полная (при удалении всей связной влаги) усушка составляет в тангенциальном направлении для древесины различных пород б... 10 %, а в радиальном направлении 3...5 %, вдоль волокон 0,1...0,3 %, полная объемная усушка примерно 12... 15 %. Вследствие разницы значений радиальной и тангенциальной усушки при высыхании (или увлажнении) наблюдается коробление древесины.

Объемная масса, или средняя плотность, древесины зависит от ее влажности и объема пор. Плотность древесного вещества (удельная масса) у всех пород одинакова (так как одинаков их химический состав) и примерно равна 1,5. Плотность древесины из-за наличия в ней полостей меньше плотности древесного вещества и колеблется в значительных пределах в зависимости от породы, условий роста, положения образца древесины в стволе и т.д.

Механические свойства древесины. При использовании древесины в качестве конструкционного материала и создании композиционных материалов возникает необходимость учитывать способность древесины сопротивляться действию усилий, т.е. ее механические свойства. К механическим свойствам древесины относятся ее прочность и деформативность, а также связанные с механическими воздействиями некоторые ее эксплуатационные свойства.

Прочность древесины характеризует ее способность сопротивляться разрушению под действием механических нагрузок. Показателем этого механического свойства служит предел прочности — максимальная величина напряжений, которые выдерживает материал без разрушения. Предел прочности устанавливают при испытаниях образцов древесины на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг и (очень редко) при кручении. Древесина относится к анизотропным материалам, поэтому определение показателей прочности проводят по разным структурным направлениям — вдоль и поперек волокон (по радиальному и тангенциальному направлениям).

Деформативностью древесины называют ее способность изменять свои размеры и форму при воздействии усилий. Показателем деформативности древесины служат модули упругости, коэффициенты поперечной деформативности, модули сдвига, длительные модули упругости, ползучесть, усадка и др.

При расчете элементов деревянных конструкций необходимо знать механические свойства древесины и аналитическое определение напряженного и деформированного ее состояний. Многие конкретные задачи   решаются   методами   теории   упругости   и   сопротивления материала.

К числу эксплуатационных и технологических свойств, проявляющихся при воздействии усилий, можно отнести: твердость, ударную вязкость, износостойкость, способность удерживать крепления и др. По своим механическим свойствам древесина относится к анизотропным материалам. Она имеет существенное различие в показателях прочностных и деформативных свойств по разным структурным направлениям. Наибольшую прочность и жесткость древесина имеет вдоль волокон, наименьшую — в поперечном направлении.

Показатели механических свойств древесины зависят от ее влажности. При увлажнении древесины до предела насыщения клеточных стенок показатели всех механических свойств резко уменьшаются. При дальнейшем повышении влажности древесины (свыше 30%) показатели механических свойств практически не изменяются.

Некоторые   ориентировочные   показатели   физико-механических свойств древесины приведены в табл. 7.1 ....7.5.

При расчете конструкций из древесины, работающих на сжатие, изгиб, растяжение или в условиях сложного напряженного состояния, числовые величины показателей механических свойств древесины берут из нормативно-справочной литературы с учетом переходных коэффициентов к расчетным сопротивлениям древесины в зависимости от породы.

§ 7.3. Строительные материалы на основе древесины

К основным древесным строительным материалам относятся круглые лесоматериалы, пиломатериалы, клееные изделия и конструкции, древесностружечные, древесно-цементные и древесноволокнистые плиты, арболит, фибролит, ксилолит и др.

Круглые лесоматериалы — отрезки древесного ствола разных пород и размеров, очищенные от коры и сучьев. В целом виде круглые лесоматериалы применяют в строительстве в качестве стенового материала, опор и столбов для воздушных линий связи и линий электропередачи и настила при строительстве мостов, дорог, для ограждения территорий и т.д.

Выработанные из круглых материалов, сохранившие природную структуру древесины, пиломатериалы, колотые лесоматериалы (клепка для бочек), строганый и лущеный шпон и другие относятся к группе обработанных.

Пиломатериалы-— продукция, получаемая при раскрое бревен, имеющая стандартные размеры и качество, используемая в целом виде или для выработки заготовок, деталей и изделий из древесины. В пиломатериалах продольные и широкие стороны называют пластями, продольные узкие — кромками, а перпендикулярные им — торцами. Линии пересечения пластей и кромок пиленой продукции называются ребрами. Часть поверхности бревна, оставшаяся на пиломатериалах, называется обзолом.

По породам древесины пиломатериалы делятся на две основные группы: хвойные и лиственные. По размерам поперечного сечения они разделяются на брусья, бруски и доски (7.1).

Брусья — пиломатериалы толщиной и шириной 100 м и более. По числу пропиленных пластей различают двух-, трех- и четырех-кантные брусья. Бруски — пиломатериалы толщиной до 100 мм и шириной не более двойной толщины. Доски — пиломатериалы толщиной до 100 мм и шириной более двойной толщины.

Пиломатериалы могут быть обрезными (7.1, в-—д) и необрезными (7.1, а, б, е). У обрезных пиломатериалов пласти и кромки пропилены по всей длине; у необрезных пласти пропилены, а кромки не пропилены или пропилены частично, и величина непропиленной части превышает допустимые размеры для обрезных

пиломатериалов. При выработке пиломатериалов образуется попутная пилопродукция в виде обапола. Обапол — пилопродукция, получаемая из боковой части бревна и имеющая одну пропиленную, а другую непропиленную или частично пропиленную поверхность.

Из пиломатериалов изготовляются для нужд строительной индустрии различные изделия и конструкции, описанные ниже.

Ш п а л ы — продукция, получаемая при продольном распиливании бревен с поперечным сечением, близким к брусьям, длиной 1,35...2,7 м. Шпалы применяют в железнодорожном строительстве.

Шашка из древесины представляет собой бруски четырех- или шестигранной формы. Высота шашки для полов 60...80 мм; для дорожных мостовых покрытий 100...120 мм, ширина 50...100 мм. Влажность древесины для шашки должна быть не более 25 %. Шашки изготовляют из древесины хвойных и твердых лиственных пород, за исключением пихты, березы, бука и дуба. Учитывают шашку в квадратных метрах их торцовой поверхности.

Полуфабрикаты, заготовки и изделия. Полуфабрикаты и заготовки — это доски или бруски, прирезанные применительно к заданным размерам, с соответствующими припусками на механическую обработку и усушку. К ним относятся шпунтованные доски для полов, плинтусы, галтели для заделки пространства между полом и стенками, наличники для обшивки оконных и дверных коробок.

Строительные детали — это элементы сборных домов, различные столярные изделия, изготовленные на специализированных заводах. Наиболее прогрессивными являются клееные деревянные конструкции.

Клееные деревянные конструкции — изделия, получаемые путем склеивания досок (брусков) и фанеры. Технология изготовления клееных конструкций состоит из следующих основных операций: сушки» отбора и сортировки пиломатериалов, обработки поверхностей для склеивания, нанесения клея, запрессовки, выдерживания в прессах под давлением, обработки поверхностей готовых элементов и отправки их на склад готовой продукции.

Пиломатериалы, предназначенные для изготовления клееных конструкций, высушивают до влажности 10...15 %, сортируют по качеству, раскраивают по длине с вырезкой дефектных мест и подготавливают для склейки на «зубчатый шип». Размер склеенной нитки досок обычно равен длине конструкции или ее элемента. После склейки осуществляют стружку элементов на четырехстороннем строгальном станке.

Запрессовка клееных деревянных конструкций обычно осуществляется в специальных горизонтальных и вертикальных ваймовых прессах, а также в пневматических и гидравлических прессах. При запрессовке пакета необходимо соблюдать два основных требования:

1) тщательную калибровку досок (недопустимы их покоробленность и различная толщина); 2) равномерное нанесение клея на склеиваемые поверхности при строгом соблюдении установленной инструкцией вязкости клея и времени обработки и запрессовки.

После выдерживания до отверждения клея конструкции подают на пост отделки, где их очищают от потеков клея и покрывают лакокрасочными материалами, иногда для повышения био- и огнестойкости (эти операции могут быть выполнены на пиломатериалах до их склеивания) — антисептиками и антипиренами. Эти конструкции все шире используются в народном хозяйстве благодаря малой плотности, большой прочности и стойкости при эксплуатации в различных условиях, в том числе в агрессивных средах, возможности изготовления любых размеров и форм.

В строительстве используют клееные конструкции двух принципиально различных видов: несущие и ограждающие. Несущие конструкции являются многослойными, т.е. склеенными из слоев древесины. Иногда многослойные деревянные конструкции усиливают путем вклеивания металлической или пластмассовой арматуры. Такие конструкции называют армированными. Существуют комбинированные конструкции, состоящие из слоев массивной древесины, склеенных с фанерой. Чаще всего это конструкции двутаврового или коробчатого сечения, верхний и нижний пояса которых запроектированы из древесины, а вертикальная стенка — из плоской или волнистой фанеры.

Деревянные клееные конструкции классифицируются по различным признакам: статической схеме, размерам (пролету и высоте) и конфигурации, назначению и т.п. К несущим деревянным конструкциям относятся плоские конструкции — балки, рамы, фермы, арки и пространственные — оболочки и купола.

Балки — наиболее простой тип конструкций; процесс изготовления их может быть максимально механизирован. Клееные балки имеют различные очертания и формы поперечного сечения (7.2). Высота сечения назначается не менее Vis пролета.

Балки сплошного сечения состоят из слоев массивной древесины, склеенных по пласта. Балки двутаврового и коробчатого сечений изготовляют с плоскими и волнистыми стенками, применяя для плоских стенок многослойную клееную древесину или фанеру, а для волнистых — только фанеру. Полки и ребра жесткости изготовляют из массивной древесины. В отдельных случаях для небольших пролетов (до 10 м) в двутавровых балках и стенку, и полки делают из фанеры. Рекомендуется путем предварительного выгиба придавать балкам строительный подъем, примерно равный 1/200 пролета.

Наибольшее применение в строительстве мостов на лесных дорогах находят многослойные балки, чаще всего сплошного прямоугольного сечения.

В строительстве применяют также колонны, стойки и тому подобные клееные конструкции,  которые отличаются от балок по

статической схеме, однако аналогичны им по форме и процессу изготовления.

Древесностружечные плиты изготовляют путем горячего прессования древесных частиц, смешанных со связующим. Древесные частицы обычно называют древесными стружками. При этом применяют специально изготовленную стружку определенной формы и размеров, полученную на специальных стружечных станках. Связующее — это смесь различных веществ, обладающих способностью взаимно связывать частицы древесностружечной плиты. В соответствии с ГОСТ 10632—89 плиты плоского прессования выпускают трех марок: П-1, П-2, П-3. Средняя плотность плит составляет 550...850 кг/м , прочность при статическом изгибе 13,37...24,51 МПа. Размеры плит по длине равняются 2440, 2750, 3500, 3660, 5500 мм, по ширине 1220...2400 и по толщине 10...25 мм (преимущественно 19 мм).

Прессование древесностружечных плит осуществляется прессами периодического, непрерывного и экструзионного действия. В первых двух случаях прессование происходит перпендикулярно плоскости плиты, а в третьем — параллельно (в торец). По числу слоев плиты изготовляют одно-, трех- и многослойные.

Технологический процесс изготовления древесностружечных плит состоит из следующих, стадий: подготовка и измельчение сырья; сушка и сортировка стружки; приготовление связующего вещества; смешивание стружки с вяжущим; формирования плиты с ее подпрессовкой; горячее прессование; выдержка плит; их обработка

(обрезка, шлифовка, облицовка); приемка; складирование и хранение в закрытых складах.

Технологический процесс, осуществляемый способом непрерывного действия, отличается тем, что вместо подпрессовочного пресса и горячего пресса периодического действия применяют установку непрерывного действия.

Выработка экструзионных древесностружечных плит осуществляется с помощью поршневого пресса, который за каждый ход поршня припрессовывает с торца плиты в нагретом направляющем канале прямолинейного сечения порцию стружки. Таким образом плита получается как бы составленная из ряда последовательно связанных торцовых слоев, причем их ширина соответствует ширине канала, а толщина — расстоянию между плоскостями (щеками) канала. В строительстве древесностружечные плиты используются как тепло-и звукоизоляционный конструкционный материал для облицовки стен, перегородок, изготовления дверных полотен, встроенной мебели и др.

Древесноволокнистые плиты представляют собой листовой материал, изготовленный в процессе горячего прессования или сушки массы из древесного волокна, сформированный в виде ковра. Формование ковра может осуществляться как мокрым, так и сухим способами. Мокрым способом изготовляют плиты мягкие, ПТ-100, твердые, сверхтвердые, требования к которым определены ГОСТ 4598—86*. Сухим способом изготовляют плиты твердые и сверхтвердые, требования к которым определены ТУ 13-444—79. Основные показатели плит определены в указанных нормативных документах.

Технологический процесс производства древесноволокнистых плит состоит из приготовления щепы, волокнистой массы, эмульсий и проклеек, формирования плит, гидротермической обработки (сушки и охлаждения), отделки, приемки и отправки на склад.

Щепу получают путем измельчения отходов на рубительных машинах и последующей сортировки. Волокнистую массу приготовляют из щепы механическим, химико-механическим или термомеханическим способами. При механическом способе щепа подвергается размолу на дефибраторах и вторично на рафинерах. При химико-механическом способе щепу варят в растворе едкого натра, после чего промывают и размалывают дважды на мельницах (предпочтителен для смолистой древесины). Термомеханический способ приготовления волокнистой массы заключается в обработке в герметизированном автоклаве влажным паром под давлением, после чего клапан автоклава открывается, а щепа вследствие резкого понижения давления разрывается и распадается на волокна, которые выбрасываются в размельченном состоянии в сепаратор. Затем масса остывает до определенной температуры и в случае необходимости подвергается дополнительному размолу.

Для придания плитам водостойкости, механической прочности и огнестойкости в сырьевую смесь вводят эмульсию. В разведенном состоянии ее подают для смешивания с волокнистой массой. Разбавленная водой и эмульсией волокнистая масса передается на сеточную машину, где происходит обезвоживание и формование плиты. Обезвоженная волокнистая масса-плита обрезается и поступает в сушильный пресс, где прессуется при температуре около 150 °С и давлении примерно 2,5 МПа. После прессования плиты поступают в камеры закаливания, а затем охлаждения и увлажнения. Охлажденные плиты обрезают по формату и упаковывают.

Прессование изоляционных плит осуществляется при более низком давлении, сушку и охлаждение производят в роликовых непрерывных сушилках.

В настоящее время древесноволокнистые плиты изготовляют полусухим и сухим способами. Они отличаются от вышеописанного мокрого способа тем, что ковер формируется не смешиванием древесного волокна с водой, а с помощью воздуха (пневмотранспортом), вследствие чего он имеет меньшее содержание влаги. При этом способе изготовления плит количество влаги в волокнах составляет 20...40 % их массы, а для сухого способа — 10... 15 %. Однако при изготовлении плит этими способами требуется дополнительный расход связующих смол. Основное применение древесноволокнистые плиты находят в жилищном и промышленном строительстве, в мебельном и тарном производстве.

Фанера — тонкий листовой материал, который получают склеиванием древесного шпона в три и более слоев во взаимно перпендикулярном направлении волокон. Шпон получают на специальных станках путем срезки слоя древесины в виде широкой ленты с вращающегося, предварительно распаренного кряжа березы, дуба, ольхи, сосны и других пород. В зависимости от вида применяемого клея получают фанеры: водостойкую (ФСФ), склеенную фенолформальдегидными клеями; средней водостойкости (ФК), склеенную карбамидными клеями; ограниченной водостойкости (ФБА), склеенную альбуминоказеиновыми или белковыми клеями.

§ 7.4. Защита древесины и изделий из нее от гнили и возгорания

Для повышения био- и огнестойкости древесины ее обрабатывают антисептиками и антипиренами.

Антисептики, применяемые для обработки древесины и древесных материалов, разделяют на группы: водорастворимые; антисептики, растворенные в органических растворителях; пасты.

К водорастворимым антисептикам относят: фтористый натрий (NaF), кремнефтористый натрий (Na2SiF6); хлористый цинк (ZnCl); кремнефтористый аммоний [(Na4)SiF6]; фтористый аммоний (Na4F); фенолят натрия (C^HsONa); динитро-

фенолят натрия [C6H3(NO2>ONa] и т.д. Большинство из перечисленных антисептиков обладают высокой токсичностью, поэтому при работе с ними необходимо соблюдать установленные правила по технике безопасности. Применяются они в виде водных растворов 3...5 %.ной концентрации.

В промышленности наиболее распространены маслянистые антисептики: каменноугольное масло, каменноугольное полукоксовое масло, антраценовое масло, сланцевое масло и карболинеум. Применяют эти антисептики в подогретом до 50...60 °С состоянии. Древесина, пропитанная маслянистыми антисептиками, уменьшает свою гигроскопичность, издает резкий запах и не поддается окраске. Они являются лучшими антисептиками для шпал, воздушных опор, опор для мостов и т.д.

К антисептикам, растворенным в органических растворителях, относятся: нафтенат меди, оксидифенол и пентахлорфенол. Эти антисептики растворяют в жидких нефтепродуктах (зеленом масле, мазуте, керосине и т.д.). Они токсичны и требуют осторожности при работе с ними.

Антисептирующие пасты по виду связующих веществ разделяют на битумные, силикатные, глиняные и экстрактовые. Наиболее распространена антисептирующая битумная паста. В ее состав входят: фтористый натрий (30...50 %) — основной антисептик; битум марки III (до 30 %) — проклеивающий материал; зеленое масло (до 30 %) — для придания жидкотекучего состояния; торфяной порошок (5... 10 %)—для улучшения диффузии фтористого натрия из битумного вяжущего. Антисептирующие пасты применяют для защиты деревянных конструкций, которые находятся в грунтах с переменной влажностью.

Одним из недостатков древесины является ее легкая воспламеняемость. Для защиты древесины от возгорания применяют конструктивные меры, а также предохраняют ее от непосредственного соприкосновения с огнем. С этой целью удаляют древесные элементы и конструкции от источников нагревания, покрывают штукатуркой или другими несгораемыми материалами, окрашивают специальными огнезащитными составами, пропитывают специальными огнезащитными составами — антипиренами.

Наиболее эффективными и распространенными веществами для защиты древесины от огня являются силикатные краски. Они состоят из жидкого растворимого стекла и тонкомолотого кварцевого песка, мела, тяжелого шпата и магнезита.

Из обмазок наиболее часто применяют суперфосфат — сульфитную глиняную обмазку, состоящую из смеси суперфосфата (25 %), сульфитного щелока (15 %), глины (25 %) и воды с пигментом (35 %). Обмазка на основе глины, извести, гипса и других компонентов является простейшим и общедоступным средством огнезащиты древесины и конструкций из нее.

Крупные реакции

Антипирены — вещества или смеси, предохраняющие древесину от воспламенения и самостоятельного горения. Предохраняющее их действие определяется низкой температурой плавления с образованием плотной пленки, преграждающей доступ кислорода к материалу, а также разложением антипиренов при нагревании с выделением инертных газов или паров, затрудняющих воспламенение. Наиболее распространенными антипиренами являются фосфаты аммония, аммония сульфат, бура и борная кислота, реже для этих целей применяют хлористый цинк и хлористый аммоний. Антипирены вводят в древесину глубокой пропиткой водными растворами (50...66 кг безводной соли на 1 м пропитываемой древесины) с последующей сушкой.