3.4. Горные породы
Свойства горных пород, главным образом, зависят от свойств породообразующих минералов и строения, т.е. от структуры и текстуры.
Структура горных пород характеризуется размером, формой слагающих ее минералов, количественным соотношением и характером связи между ними. Структура может быть кристаллической, пегматитовой, порфировой, зернистой, офитовой, зернисто-стекловатой и др.
Текстура горных пород характеризуется взаиморасположением или относительным распределением ее минералов. Текстура может быть однородной и неоднородной, слоистой, сланцеватой, плотной, пористой, полосчатой и др. Внешний вид горных пород, в основном, определяется их цветом и строением.
Для определения области использования горных пород в современном строительстве и промышленности строительных материалов принимаются следующие условные обозначения: Щ – щебень для бетона, Ш – шашка, такелажная и мозаиковая шашка, брусчатка для строительства дорог, Б – бутовый камень, БК – бортовой камень, К – камень для стен, П – плиты для полов, ОП – облицовочные плиты, С – ступени, СВВ – сырьё для вяжущих веществ, СО – сырье для огнеупоров, КЛ – сырье для каменного литья, СТМ – сырье для теплоизоляционных материалов.
Остановимся на характеристике некоторых горных пород и областях их использования.
Гранит – магматическая массивная глубинная горная порода. Имеет цвет от светло-серого и розового до темно-красного или почти черного. Структура гранита зернисто-кристаллическая, текстура – плотная массивная. Состоит из кварца, полевых шпатов и слюды. Иногда слюда частично замещена авгитом или другими темноокрашенными минералами, ρm= 2500…2900 кг/м3, Rсж=120…300 МПа. Обладает высокой стойкостью. Применяется в качестве ОП, С, П, Щ, Б, БК.
Габбро – магматическая массивная глубинная горная порода. Цвет от темно-серого и темно-зеленого почти до черного. Состоит из плагиоклазов (
50%) и темноокрашенных минералов – авгита, реже роговой обманки, оливина. Структура крупно- или средне-кристаллическая. Текстура массивная плотная, пятнистая, ρm= 2900…3300 кг/м3, Rсж=200…450 МПа. Обладает высокой атмосферостойкостью, хорошо полируется и имеет красивый вид. Применяется, главным образом, в качестве ОП, а также в качестве Б, П, Ш и др.
Диабаз – магматическая массивная излившаяся порода. Цвет черный. Выветренные породы имеют цвет зеленовато-серый. Скрытокристаллическая или тонкокристаллическая структура. Текстура плотная, массивная. Минеральный состав почти аналогичен габбро. Обладает высокой ударной вязкостью, ρm= 3000 кг/м3, Rсж=300…400 МПа. Высокая атмосферостойкость. Имеет сравнительно невысокую температуру плавления – 1200…13000С и является ценным сырьем для каменного литья. Области применения: Ш, Щ, КЛ, БК, ОП, П, СТМ и др.
Кварцевый порфир – близок по составу к граниту, структура порфировая. Порфировые вкрапления (от долей миллиметра до 4…5 мм, редко до 1…1,5 см) представлены полевым шпатом и кварцем. Основная масса породы тонко- и мелкокристаллическая. Прочность плотных порфиров близка к прочности гранита, но порфиры быстрее разрушаются при колебаниях температуры вследствие различия температурных коэффициентов расширения вкрапленников и основной массы. Поэтому порфиры не рекомендуется применять для изготовления изделий, подвергающихся многократному замораживанию и оттаиванию (наружные облицовки и др.).
Базальт – магматическая массивная излившаяся горная порода темно-серого, зелено-черного или черного цвета. Обладает скрытокристаллической, иногда стекловато-зернистой или порфировой структурой и плотной текстурой. По минеральному составу аналогичен габбро, т.е. состоит из плагиоклазов, авгита, реже роговой обманки, иногда оливина. Порода тяжелая, ρm= 2700…3300 кг/м3, Rсж у базальтов, не подверженных выветриванию, достигает 550 МПа. Атмосферостойкость высокая. Применяется в качестве ОП, Ш, Щ, Б, П, КЛ, СТМ и др.
Вулканический туф и пемза – магматические обломочные сцементированные породы. Цвет этих пород может быть желтый, красный, синеватый, лиловый и др. Вследствие быстрого охлаждения магмы эти породы имеют стекловатую структуру и пемзовидную пористую текстуру, преимущественно с замкнутой пористостью. Состоят, главным образом, из аморфного кремнезема, который обеспечивает высокую атмосферостойкость, ρm колеблется в пределах 750…1400 кг/м3. Характеризуется невысокой прочностью Rсж=6…15 МПа и небольшой теплопроводностью (0,3…0,45 Вт/0С). Применяются в качестве Щ (для лёгких бетонов), ОП, К, СВВ.
Песчаник кремнистый – осадочная горная порода, относящаяся к подгруппе механических отложений (сцементированных). Цвет песчаников разнообразен: от белого до темно-серого, от розового до красно-бурого. Имеет зернистую (конгломератную) структуру, плотную текстуру. По составу представляет собой зерна кварцевого песка, сцементированные кремнеземистым веществом, ρm= 2300…2700 кг/м3, Rсж до 250 МПа. Значительная твердость кремнистых песчаников затрудняет их обработку. Применяется в качестве Щ, ОП, Б, К, СО, С
Брекчия, конгломерат – осадочные породы, относящиеся к подгруппе механических отложений (сцементированных). Брекчия представляет собой породу, образовавшуюся в результате цементации природного щебня или дресвы различными природными цементами (карбонатным, кремнеземистым, железистым и др.). Конгломерат образовался в результате цементирования гравия, галечника вышеуказанными природными цементами. Эти породы имеют различную окраску: от серой и бурой до пестрой. Структура их обломочная угловатая (у брекчии), обломочная окатанная (у конгломерата). Текстура чаще плотная. Rсж , ρm зависят от вида цементирующего вещества, породы цементированных частиц и крупности обломков , ρm= 1800…2700 кг/м3, Rсж может достигать 150 МПа и более. Стойкость различна: для пород с кремнистым цементирующим веществом, с мелкими обломками гранитного происхождения может быть высокой. Применяется чаще всего для Щ, Б, красивые и стойкие разновидности в качестве ОП.
Известняк-ракушечник – осадочная органогенная зоогенная порода. Цвет чаще всего светло-серый, желтый. Структура раковистая, текстура пористая. Состоит, главным образом, из кальцита, так как образовалась порода из слабосцементированных известковых ракушек отмерших морских животных организмов, сцементированных известковым цементом, ρm= 600…1500 кг/м3, Rсж до 15 МПа. Обладает средней атмосферостойкостью. Широко применяется в качестве блоков для стен (К), Щ для легких бетонов, СВВ.
Известняк плотный – осадочная порода. По условиям образования может находиться в подгруппе органогенных сцементированных или в подгруппе химических осадков. Цвет известняков белый, но в зависимости от примесей может быть с желтыми, красноватыми, серыми или бурыми оттенками. Встречается кристаллической, мраморовидной, аморфной структуры и плотной текстуры. Состоит, главным образом, из кальцита с возможными примесями доломита, глины. ρm= 1700…2600 кг/м3, Rсж может достигать 200 МПа. Широко применяется в строительстве в качестве Щ, Б, ОП, К, С, СВВ и др.
Диатомит, трепел, опока – осадочные органогенные фитогенные породы. Имеют белую окраску с желтоватым оттенком. Структуру имеют землистую, текстуру – мелкопористую. Состоят, главным образом, из аморфного кремнезема в виде опала с примесями кварца. Их ρmколеблется от 400 до 1200 кг/м3, Rсж – до 2,5…5 МПа. Стойкие разновидности применяются в качестве Щ (для легких бетонов), СВВ, СТМ и др.
Доломит – осадочная горная порода, относится к подгруппе химических осадков. Имеет белый, желтоватый или серый цвет. Структура породы может быть скрытокристаллической, мелко-зернистой и других видов. Текстура плотная. Мономинеральная порода состоит из минерала доломита, иногда с примесями. ρm= 2200…2800 кг/м3, Rсж = 100…200 МПа. Стойкость против выветривания - средняя. Применяется при получении Щ, СО, СВВ, СТМ и др.
Гипс – осадочная горная порода, относится к подгруппе химических осадков. Цвет белый, с примесями может быть розовый. Структура кристаллическая с различной формой кристалла (зерна, волокна и др.).текстура плотная. Состоит из минерала гипса. ρm= 2000…2300 кг/м3, Rсж от 5 до 30 МПа. Атмосферостойкость низкая. Применяется как СВВ и при производстве искусственного мрамора для облицовки стен.
Мергель – осадочная горная порода. Представляет собой природную смесь кальцита и глинистых минералов. В зависимости от содержания глинистых минералов (25…60 %) может относиться к группе химических осадков или к группе механических отложений. Имеет цвет светло-серый. Структура землистая, текстура плотная. ρm 2000 - 2400 кг/м3, Rсж 1 - 50 МПа, не водостоек и не морозостоек. Применяется в качестве СВВ (для получения портландцемента).
Гнейс – метаморфическая горная порода, образуется чаще из гранита. Серого цвета, может быть розового. Структура кристаллическая, разнозернистая. Текстура плотная, полосчатая, со слабо выраженной сланцеватостью. Состоит, главным образом, из кварца, слюды, полевых шпатов. ρm= 2400…2800 кг/м3, Rсж до 400 МПа. Анизотропна по прочности. По плоскостям сланцеватости раскалывается на плиты. Расслаивается при замораживании и оттаивании. Применяется в качестве П, С, Б, ОП.
Кварцит – метаморфическая горная порода, образуется из кремнистого песчаника. Цвет может быть светло-серый, розовый, красный, вишневый. Структура мелкокристаллическая, слитнокристаллическая. Текстура плотная, массивная. Состоит из кварца и различных примесей. ρm= 2500…2700 кг/м3, Rсж=100…450 МПа. Порода очень стойкая против выветривания, имеет высокую твердость, трудно истирается. Применяется в качестве ОП, П, С, СО.
Мрамор – метаморфическая горная порода, образуется из известняков и доломитов. Цвет имеет самый разнообразный: от белого до черного. Может быть розовый, красный, пестрый и др. Структура мрамора зернистая, текстура плотная. Состоит, главным образом, из кальцита, ρm= 2600…2800 кг/м3, Rсж=100…300 МПа. Стойкость имеет среднюю. Подвергается сульфатной коррозии. Легко обрабатывается, полируется. Применяется в качестве ОП, П, С, Щ и др.
Глинистый сланец – метаморфическая горная порода. Образуется в результате уплотнения глин и их частичной перекристаллизации. Окраску имеет различную, чаще темно-серую, черную. Структура глинистая. Текстура плотная, сланцеватая. Состоит из каолинита, кварца, полевых шпатов, гидрослюд и примесей. ρm= 1000…2000 кг/м3, Rсж 20…40 МПа. Порода анизотропна по прочности. В воде не размокает и не приобретает пластичности в отличие от глин. Раскалывается на тонкие пластинки толщиной 2… 8 мм. Атмосферостойкость высокая. Применяется в качестве КП, ОП, СВВ.
Серпентинит (змеевик) – метаморфическая горная порода, состоящая, в основном, из серпентина, а также примесей – магнетита, карбонатов, остатков первичных минералов (оливин, пероксены) и др. Образуется, главным образом, в результате метаморфизма пород группы перидотита. Структура кристаллическая, текстура плотная, массивная. Серпентиниты имеют зеленую окраску различных тонов, преимущественно, темных с пятнами и прожилками разных цветов. Средняя плотность ρm= 2600…2700 кг/м3, Rсж=50…130 МПа, стойкость против выветривания низкая. Обладает высокими декоративными качествами, хорошо полируется.
3.5. Характеристика и применение природных каменных изделий
3.5.1. Грубообработанные каменные изделия
Бутовый камень (бут) – куски камня неправильной формы размером не более 50 см по наибольшему измерению. Бутовый камень может быть рваный (неправильной формы) и постелистый. Для получения рваного бута и щебня разработку пород осуществляют преимущественно взрывным способом. Плитняковый бут получают из пород пластового залегания.
Бут из осадочных пород (известняков, доломитов, песчаников) не должен содержать примесей глины, рыхлых прослоек и включений пирита.
Из бута возводят плотины и другие гидротехнические сооружения, его применяют для подпорных стенок, кладки фундаментов и стен неотапливаемых зданий. Большое количество бутового камня перерабатывается в щебень.
Щебень – куски камня размером 5 – 70 мм (для гидротехнического строительства – до 150 мм). Получают его дроблением бутового камня. Для обеспечения нужного зернового состава щебня процесс дробления осуществляют в несколько стадий.
Гравий состоит из окатанных зерен тех же размеров, что и у щебня. Его получают просеиванием рыхлых осадочных пород, в необходимых случаях применяют промывку для удаления вредных примесей (глины, пыли).
Песок состоит из зерен различных минералов (кварца, полевого шпата, слюды и др.) размерами 0,16 – 5 мм. Применяют природные и искусственные (дробленые) пески.
Щебень, гравий и песок используют в качестве заполнителей для бетонов и основания дорог.
3.5.2. Камни и плиты
Бортовые камни, отделяющие проезжую часть дороги от тротуара, изготовляют из плотных изверженных пород (гранита, диабаза и т.п.), отличающихся высокой морозо- и износостойкостью и прочностью. Бортовые камни бывают прямые и лекальные, высокие – до 40 см и низкие – до 30 см.
Брусчатка для мощения дорог имеет форму бруска, слегка суживающегося книзу. Брусчатку изготовляют механизированным способом из однородных мелко и среднезернистых пород (диабаза и др). Из таких пород изготовляют шашку для мозаиковой мостовой (приближающуюся по форме к кубу) и шашку для мощения (в виде усеченной пирамиды).
Стеновые камни получают из туфов и пористых известняков путем выпиливания механизированным способом из массива горной породы или распиловки блоков-заготовок. Камни применяют для кладки наружных и внутренних стен и перегородок.
Основные размеры стеновых камней: 390×190×188; 490×240×188; 390×190×288 мм. Каждый такой камень заменяет в кладке 8-12 кирпичей. Целесообразно изготовлять и применять стеновые блоки объемом не менее 0,1 м3 из туфа, известняка, доломита, песчаника или пористого андезита. Укрупнение камней уменьшает затраты труда, позволяет перейти к индустриальным методам строительства.
Стены из мелкопористого природного камня не требуют наружной штукатурки или облицовки. Для наружных стен применяют камни плотностью не более 2300 кг/м3. Водопоглощение камня должно быть не более 30%, морозостойкость не менее 15 циклов.
Для облицовки гидротехнических сооружений, набережных, устоев мостов, цокольной части монументальных зданий применяют камни и плиты из гранита и др. изверженных пород, которым свойственна высокая морозостойкость, прочность и твердость. Камни для облицовки могут быть плитообразные (толщиной 15-25 см), утолщенные пирамидального вида (толщиной 30 см и более).
Наружная облицовка зданий может выполняться из атмосферостойких осадочных пород (известняков, доломитов, песчаников, туфов), которые легче поддаются обработке и экономнее гранитных пород. Для внутренней облицовки общественных зданий и сооружений (например, станций метрополитена) широко используют плиты, получаемые из хорошо распиливающихся пород: мрамора, ангидрита, гипса.
Плиты для наружной облицовки имеют толщину 4…8 см, для внутренней – 1,2…4 см. Применение алмазного инструмента позволяет изготовлять тонкие (5…10 мм) экономичные плиты, стоимость которых в 2-4 раза ниже, чем обычных. Тонкие плиты находят широкое применение особенно для внутренней облицовки.
Специальные облицовки применяют для защиты от коррозии и действия высоких температур, для защиты от растворов кислот (кроме плавиковой и кремнефтористоводородной) используют андезит, гранит, сиенит, диабаз, кварцит, кремнистый песчаник и др. кислотостойкие породы.
Цокольные плиты, а также детали карнизов, поясков и др. выступающих частей сооружений изготовляют из стойких пород. Эти изделия не должны иметь волосных трещин, им предается такая форма, чтобы на них не скапливалась дождевая вода и тающий снег.
Плиты для полов и каменных ступеней внутренних лестниц должны иметь высокую износостойкость и соответствовать архитектуре интерьера.
Природные каменные материалы применяются также для гидротехнических сооружений. В зоне переменного уровня воды условия службы материала особенно неблагоприятны: камень испытывает многократное замораживание и оттаивание в насыщенном водой состоянии. Защитную облицовку устраивают из плотных изверженных пород, имеющих водопоглощение не более 1%, марку по прочности – не ниже 80-100 МПа и по морозостойкости – 150-500 циклов в зависимости от класса сооружения, климатических и других условий эксплуатации. Внутренние части набросок можно сделать из камня, полученного из осадочных пород марок 30-60 МПа с коэффициентом размягчения не менее 0,7-0,8. Каменные материалы проверяют на влияние веществ, растворенных в воде (морской, грунтовой, речной, болотной).
Тротуарные плиты изготовляют из гнейса и подобных ему слоистых горных пород. Они имеют форму прямоугольной или квадратной плиты со стороной 20-80 см с ровной поверхностью, толщиной не менее 4 см и не более 15 см.
3.5.3. Каменные кислотоупорные изделия
Некоторые магматические и метаморфические (кварциты) горные породы используют для футеровки разнообразных установок и аппаратов, подвергающихся действию кислот, щелочей, солей и агрессивных газов, а также испытывающих влияние высоких и резко меняющихся температур и давлений. Кислотоупорные породы идут на изготовление тесаных плит, кирпичей, брусков и фасонных изделий, а в дробленом и размолотом виде служат в качестве заполнителей и наполнителей в кислотоупорном бетоне, являются составными частями кислотоупорных цементов.
В соответствии с назначением применяемые горные породы должны удовлетворять определенным требованиям, а именно: быть кислотоупорными, т.е. хорошо сопротивляться воздействию различных кислот и других реагентов; это свойство оценивается по растворимости порошка породы в концентрированных кислотах (соляной, серной) при нагревании; иметь высокую огнеупорность; обладать достаточным сопротивлением сжатию и изгибу; выдерживать резкие колебания температур.
Из изверженных горных пород кислотоупорными являются, главным образом, кислые, мелкокристаллические, к которым относятся андезиты, граниты и некоторые туфы, а из метаморфических – кварциты.
Применение кислотоупорного штучного камня ограничено его высокой стоимостью, обусловленной трудностью добычи и обработки, а также малым выходом готовой продукции из горной массы. Полноценным заменителем камня служит значительно более дешевый кислотоупорный бетон. Со штучным тесаным камнем соперничает также искусственный литой камень (базальтовый, диабазовый).
3.6. Способы защиты каменных материалов от коррозии
1. Конструктивные – придание выступающим частям каменных конструкций, формы, препятствующей накоплению воды, и полирование поверхности.
2. Пропитка поверхности растворами магниевых, цинковых и др. солей кремнефтористоводородной кислоты или ее растворами (флюатирование) с предварительной обработкой поверхности раствором извести или без обработки (для известняков и мраморов). Получающиеся новообразования практически нерастворимы в воде, они отлагаются в порах, уменьшают смачиваемость поверхности и препятствуют загрязнению облицовки пылью.
3. Покрытие органическими веществами: битумом, дегтем и др.
4. Пропитка растворимым стеклом и хлористым кальцием, в результате чего на поверхности камня образуются нерастворимые соединения, закрывающие поры.
5. Обработка поверхности камня синтетическими полимерами, главным образом, кремнийорганическими.
4. Материалы и изделия из древесины
4.1. Общие сведения
Древесиной называется очищенная от коры твёрдая ткань дерева. Её широко применяют в строительстве благодаря высокой прочности при небольшой средней плотности, упругости, малой теплопроводности, лёгкости обработки, простоте скрепления отдельных элементов, высокой морозостойкости, нерастворимости в воде и органических растворителях, декоративности. Вместе с тем древесина имеет ряд недостатков: анизотропия строения и свойств, наличие пороков, гигроскопичность и, как следствие, влажностные деформации, приводящие к изменению размеров, короблению и растрескиванию; склонность к загниванию и возгоранию.Россия располагает примерно пятой частью мировых запасов древесины. В отличие от богатств земных недр лес восстанавливаетсядо промышленной вырубкив течение 50 – 100 лет. Кроме того, при традиционной заготовке и переработке древесины образуется большое количество отходов. На лесопильных заводах 8 ... 12% древесины превращается в опилки. При изготовлении строительных изделий в опилки, стружки и обрезки отходит до 40%, а в других отраслях промышленности –до 60%. Все это требует совершенствования технологических процессов распиловки и обработки древесины, а также способов утилизации отходов.
В зависимости от степени переработки древесины различают:
- лесные материалы, получаемые только путем механической обработки ствола дерева (бревна, пиломатериалы); в этом случае сохраняются все положительные и отрицательные свойства древесины;
- готовые изделия и конструкции, изготавливаемые в заводских условиях (сборные дома и детали, клееные конструкции, фанера); свойства древесины используются более рационально;
- материалы, получаемые путем глубокой переработки древесины: а) отходы и неделовая древесина с применением вяжущих веществ (фибролит, древесно-стружечные плиты, арболит); б) химическая переработка (добавки для модифицирования бетонов на основе эфиров целлюлозы); в) физико-химическая обработка древесного сырья (картон, древесноволокнистые плиты);
- изделия из термостабилизированной древесины(вместо, запрещённой в 2004 г., химической пропитки природного дерева).Термостабилизированная древесина получается при длительном воздействии температур 230 ...240 оС и давления до 0,2 МПа без доступа кислорода с периодической подачей водяного пара.
Качество древесины зависит от породы дерева, условий его произрастания: типа почвы, затенённости, количества влаги, климатических условий и т.д. Древесные породы подразделяются на хвойные и лиственные.
К хвойным породам, используемым в строительстве, относят сосну, лиственницу, ель, пихту, кедр, секвойю, кипарис, тую.
Лиственные породы применяются в строительстве значительно реже. Из них используют дуб, ясень, бук, липу, березу, осину.При отделке внутренних помещений используют лиственные породы твёрдых и ценных пород дерева (дуба, вишни, груши, клёна, карельской берёзы, ипе, гевеи, ироко, кемпаса, красного дерева, мербау, оливы, американского ореха, падука, палисандра, платана, сапелли, тика, ярра, венге, эбенового дерева, эвкалипта, ятоба, амаранта и др.).
4.2. Строение и состав древесины
Описание
Промышленное значение имеет ствол, из которого получается от 60 до 90% деловой древесины. Древесина представляет собой природный композиционный материал, армированный волокнами. Она является природным полимером и состоит из целлюлозы (С6Н10О5)n. Невооруженным глазом различается макроструктура древесины, а с помощью оптической и электронной микроскопии виднамикроструктура.
4.2.1. Макроструктура древесины
Макроструктуру можно рассматривать на трех основных разрезах ствола: поперечном (торцовом) и двух продольных:радиальном, проходящим через ось ствола и тангенциальном, проходящим по хорде вдоль ствола (см. рис. 4.1).
Рис. 4.1. Основные разрезы ствола дерева:
1- поперечный (торцовый), 2- радиальный, 3- тангенциальный
Рис.4.2. Строение ствола дерева: 1-кора (кожица, пробковая ткань, луб);
2- камбий; 3- заболонь; 4- ядро; 5- древесина; 6- сердцевина; 7- сердцевинные лучи
Основные части древесины хорошо различимы на поперечном разрезе. Строение ствола дерева представлено на рисунке 4.2.
Кора состоит из кожицы (корки, наружная часть) и пробковой ткани и луба (внутренняя часть). Корка и пробковая ткань защищают дерево от механических повреждений и вредного влияния среды.
Луб служит для доставки питательных веществ, нужных для роста дерева. В нем откладываются запасы этих веществ, необходимых дереву ранней весной для развертывания молодых листочков.
Под слоем луба у растущего дерева находится тонкий слой камбия, состоящего из живых клеток. В вегетативный период они размножаются делением: в сторону луба откладываются лубяные клетки, а к центру дерева – клетки древесины (в значительно большем объеме).Деление клеток камбия начинается весной и заканчивается осенью. Поэтому в поперечном разрезе древесина ствола (его часть от луба до сердцевины) состоит из ряда концентрических годичных колец, расположенных вокруг сердцевины. Каждое годичное кольцо состоит из двух слоев. Клетки ранней (весенней) древесины образуются весной или в начале лета. Клетки поздней (летней)древесины образуются к концу лета. Ранняя древесина имеет светлый цвет и состоит из крупных тонкостенных клеток. Поздняя древесина имеет более темный цвет, меньшую пористость и обладает большой прочностью. Онасостоит из мелкихклеток с толстыми стенками. Прочность древесины тем выше, чем больше процент поздней древесины.
Толстый наружный слой древесины, находящийся за камбием, называется заболонью. Она состоит из живых клеток, обеспечивающих перемещение питательных веществ от корней к кроне. Эта часть древесины имеет большую влажность, малую прочность, обладает большой усушкой и склонностью к короблению, относительно легко загнивает.
Следующий, за заболонью внутренний слой древесины, называется ядром. В процессе роста дерева стенки клеток древесины внутренней части ствола, примыкающей к сердцевине, постепенно изменяют свой состав, структуруи цвет. Ядро состоит из полностью отмерших клеток. Они не участвуют в жизнедеятельности дерева, не проводят по стволу влагу,имеют меньшую влажность, чем у заболони, более прочные, твердые и менее склонны к загниванию.
Сердцевина состоит из клеток с тонкими стенками, слабо связанных друг с другом. Сердцевина вместе с древесной тканью первого года жизни дерева образует сердцевинную трубку. Эта часть ствола дерева малопрочна и легко загнивает. Доски,брусы и бруски, в которые попадает сердцевинная трубка, нельзя применять для несущих изгибаемых элементов конструкции, так как она выкрашиваетсяи ослабляет сечение.
Породы, у которых ядро отличается от заболони более темной окраской и меньшей влажностью, называют ядровыми (сосна, лиственница, дуб, кедр). Породы, центральная часть которых имеет только меньшую влажность, по сравнению с заболонью – спелодревесными (пихта, ель, липа, бук). Породы, не имеющие значительного различия между центральной и наружной частями стволовой древесины, называют заболонными (осина, ольха, клен, береза).
4.2.2. Микроструктура древесины
Изучая строение древесины под микроскопом, можно увидеть, что основную ее массу составляют клетки веретенообразной формы, вытянутые вдоль ствола. Некоторое количество клеток (клетки сердцевинных лучей) располагаются в горизонтальном направлении, поперек основных.
Клетки древесины классифицируют на клетки механической или опорной ткани,проводящие клетки и клетки запасающей ткани.
Главную роль в древесине, как строительном материале, играют клетки механической или опорной ткани. Они вытянуты в длину, имеют толстые стенки и узкие внутренние полости,наиболее прочны и стойки к загниванию. У хвойных пород это трахеиды поздней древесины. Они занимают примерно 90...95% общего объема. Опорная ткань лиственных пород состоит из узких, вытянутых в длину клеток с заостренными концами, называемых «древесными волокнами». Они равномерно распределены по годичному слою.У большинства хвойных пород, преимущественно, в слоях поздней древесины, расположены смоляные ходы – межклеточные пространства, заполненные смолой.
Срубленная древесина состоит из одеревеневших клеточных оболочек. Оболочки клеток сложены из нескольких слоев очень тонких волоконец, называемых микрофибриллами. Они компактно уложены и направлены по спиралям под разными углами к продольной оси клетки (как у каната).Это обеспечивает прочность материала при растяжении.
Микрофибрилла состоит из длинных нитевидных цепных молекул целлюлозы – высокомолекулярного природного полимера (С6Н10О5)n, где n> 2500, со сложным строением макромолекул. Макромолекулы целлюлозы имеют высокую прочность на растяжение, изгиб и вытянутуюформу.
Между микрофибрилламисодержатся органические вещества – лигнин и гемицеллюлоза. Есть небольшое количество неорганических веществ в виде солей щелочноземельных металлов. Наличие лигнина обеспечивает прочность древесины при сжатии.Толщина стенок клеток определяет плотность древесины. Эта толщина, а также, толщины составляющих слоев могут заметно различаться не только у разных пород деревьев, но и у деревьев одной породы, что вызвано различиями в природных условиях роста.
4.3. Виды влаги в древесине
Влажность древесины выражается в(% ) по отношению к массе сухой древесины. Вода в древесине может находиться в трех видах – объёмном, физически и химически связанном.Благодаря волокнистому строению и большой пористости древесина обладает огромной внутренней поверхностью, которая легко сорбирует водяные пары из воздуха (гигроскопичность).
Влажность, которую приобретает древесина в результате длительного нахождения на воздухе или помещении, называют равновесной. Равновесная влажность зависит от температуры и относительной влажности окружающего воздуха. При хранении на воздухе под навесом древесина имеет равновесную влажность 15...18 %. При хранении древесины внутри помещения - 5...8%. Свежесрубленная древесина может содержать влаги от 35 до 120%.При нахождении древесины долгое время под водой она может иметь влажность до 200 %.
Стандартной принято считать 12%-ю влажность. Понятие стандартной влажности необходимо для обеспечения возможности сравнения результатов испытаний древесины при определении средней плотности, прочности и т.д.
Влажность древесины, при которой стенки клеток насыщены водой (предельное содержание гигроскопической влаги), а полости и межклеточные пространства свободны от воды, называют пределом гигроскопической влажности. Для древесины различных пород она колеблется от 23 до 35% (в среднем 30%) от массы сухой древесины.
Водные оболочки гигроскопической влаги, покрывающие поверхность стенок клеток, раздвигают их, снижают силы сцепления между ними. При этом, объём и масса древесины увеличиваются, а прочность снижается. Колебания влажности от 0 до предела гигроскопичности вызывают влажностные деформации: разбухание или усушку древесины.
Объёмная влага, накапливаясь в полостях клеток и заполняя пустоты, существенно не изменяет расстояние между клетками, и поэтому не влияет на прочность и объем древесины, увеличивая лишь её массу.В конструкциях и изделиях для разных условий эксплуатации необходимо использовать методы защиты древесины.
К ним относятся: конструктивная защита (проветривание, исключение попадания влаги и др.), а также объёмная или поверхностная обработка древесины (пропитка или покрытие антисептиками, антипиренами, покрытие мастиками, красками, лаками и др.).
4.4. Физические свойства древесины
4.4.1. Плотностьдревесины
Истинная плотность древесины изменяется незначительно, так как древесина всех деревьев состоит в основном из одного вещества – целлюлозы. В связи с этим истинную плотность древесины можно принять равной 1,54 г/ см3. Средняя плотность древесины разных пород и даже одной и той же породы зависит от многих факторов, связанных с условиями роста дерева. У большинства древесных пород плотность сухой древесины меньше 1000 кг/м3, т.е. меньше плотности воды. С изменением влажности средняя плотность древесины меняется, поэтому принято сравнивать плотность древесины при одной и той же стандартной влажности, равной 12 %.
Зная среднюю плотность древесины в момент испытания ρmw при равновесной влажности W (определяется по номограмме, %), среднюю плотность при стандартной влажности ρm12 вычисляют по формуле:
|
ρm12=ρmw+α(12 –W) (кг/м3),
|
(4.1)
|
где: ρm12 – средняя плотность образца древесины при стандартной влажности, кг/м3;
ρmw – средняя плотность образца древесины с влажностью W в момент испытания, кг/м3;
W– влажность образца древесины в момент испытания, %.
α = 2,5 – поправочный коэффициент изменения плотности древесины при изменении ее влажности на 1%.
4.4.2. Усушка, разбухание и коробление
Колебания влажности волокон древесины влекут за собой изменение размеров и формы досок, брусьев и других изделий из древесины.При увлажнении сухой древесины до достижения ею предела гигроскопической влажности стенки древесины утолщаются, разбухают, что приводит к увеличению размеров и объема деревянных изделий. Как видно из рисунка 4.3 свободная влага, заполняющая полости клеток, на размерах древесины не отражается.
Вдоль оси ствола (вдоль волокон) линейная усушка для большинства древесных пород составляет 0,1…0,3% (1…3мм на 1 м); в радиальном направлении – 4…6 % (4…6мм на 1 м), а в тангенциальном направлении – 8 …10% (8…10мм на 1 м).
Рис. 4.3. Влияние влажности древесины на разбухание: 1 – вдоль волокон;
2 – в радиальном направлении; 3 – в тангенциальном направлении; 4 – объемное разбухание
Это сопровождается возникновением внутренних напряжений в древесине, что вызывает ее коробление и растрескивание. Коробление деревянных изделийявляется следствием разницы в усушке древесины в тангенциальном и радиальном направлении и неравномерности высыхания.
Для предотвращения коробления и растрескивания деревянныхизделий используют древесину с той же равновесной влажностью,которая будет в условиях эксплуатации. Чтобы защитить древесину от последующего увлажнения, ее покрывают красками, лаком и эмалями.
4.4.3. Теплопроводность
Теплопроводность сухой древесины незначительна. Например, для сосны она составляет: поперек волокон – 0,17 Вт/(м·оС); вдоль волокон – 0,34Вт/(м·оС). Теплопроводность зависит от ее пористости, влажности и направления теплового потока. Теплозащитные свойства древесины широко используют в строительстве.
|
Скачать 1.71 Mb.