РОЗДІЛ 12. Деревинні будівельні матеріали

Деревинні будівельні матеріали в основному складаються із де­ревини, яка застосовується у будівництві для улаштування риштувань, опалубки, дверних коробок та віконних рам, перемичок, естакад, мос­тів, зведення будівель тощо.

Деревинні матеріали мають порівняно високу механічну міц­ність при невисокій середній густині, пружність, низьку теплопровід­ність, значну морозостійкість, легку обробність.

Застосування деревинних матеріалів у будівництві обмежу­ється тим, що вони у змінно-вологісних умовах здатні до загнивання, короблення, розбухання та розтріскування, їх фізико-механічні влас­тивості неоднакові в різних напрямках. Крім того, деревина є горючим матеріалом, піддається пошкодженню грибком, деякими комахами. Застосування деревини обмежується дійсно раціональними областями, де відчутні її техніко-економічні переваги.

12.1. Будова деревини, види лісних матеріалів

Деревина характеризується шарувато-волокнистою будовою і складається із клітин різної форми, величини та призначення. Так, 90...95 % деревини хвойних порід складають трахеїди - витягнуті по­вздовж стовбура порожнисті клітини довжиною 2.5 мм, які прово­дять воду від коріння до гілок живого дерева. Оболонку клітин утво­рює переважно клітковина або целюлоза - головний компонент несу­чої частини дерев. До складу деревинних кліткових стінок і міжкліт- ковинної речовини входять також лігнін та інші складні органічні сполуки.

Приблизно в центрі стовбура розташована серцевинна трубка (рис. 12.1) діаметром 2...5 мм. Це найбільш слабка частина деревини, здатна до загнивання. Кора захищає дерево від атмосферних та зовні­шніх механічних впливів і складається із двох шарів - зовнішнього - корки, що виконує захисні функції, та внутрішнього - луб'яного, який приймає активну участь в русі живильних речовин в дереві.

На межі між лубом та деревиною розташовується тонкий шар клітин, здатних до ділення й росту, який має назву камбій. Він забез­печує приріст товщини деревини та кори.

Деревину в залежності від макроскопічної будови поділяють на три групи: ядрову, спілодеревну та заболонну. Деревина я д р о в и х п о р і д (сосна, кедр, модрина, дуб, ясен, тополя, в'яз) мають більш темне офарблення центральної частини - ядра і більш світлу перифе­ричної частини - заболоні. Якщо центральна частина деревини має однаковий колір з периферійною і відрізняється лише меншою вологі­стю, вона має назву не ядра, а спілої деревини. До групи с п і л о - д е р е в н и х п о р і д належать ялина, ялиця, бук, липа, осина та інші. Спіла деревина, також як і ядро, є більш щільною частиною стовбура, не приймає участі в русі живильних речовин.

З а б о л о н ь складається із більш молодих клітин і призначена для руху вологи з розчиненими мінеральними речовинами. Із віком заболонь поступово переходить в ядро або спілу деревину. Для всіх порід деревини характерні серцевинні промені - лінії, що розходяться по радіусам до кори безпосередньо від серцевини або на деякій від­стані від неї. Вони призначені для проведення водневих розчинів жи­вильних речовин в горизонтальному напрямі. Деревина легко розко­люється по серцевинним променям і дає тріщини при усиханні.

За видом породи дерева лісоматеріали поділяються на х в о й н і (сосна, модрина, ялина, ялиця, кедр) і л и с т я н і (дуб, граб, береза, липа, осина, тополя, вільха та інші).

За масштабами застосування у будівництві хвойні породи, які мають високі технічні властивості, розташовуються в наступний ряд (за спаданням) сосна-ялина-модрина-ялиця-кедр. Кращі фізико- механічні властивості має модрина, деревина якої особливо цінується завдяки високій щільності, міцності і стійкості проти загнивання. Із листяних порід кращим матеріалом є дуб, деревина якого застосову­ється для відповідальних конструкцій, які працюють на повітрі та на­віть у воді.

Деревину застосовують переважно у вигляді круглого лісу і пи­ломатеріалів. К р у г л и й л і с являє собою відрізки стовбура з об­рубаними сучками та спиляними торцями. Відрізки стовбуру діамет­ром (верхній кінець) не менш 14 см, довжиною від 4 м та більше є де­ревиною, діаметром 8... 14 см і довжиною не менш 3 м - підтоварни- ком, а діаметром 3...7 см - жердиною. Для паль, гідротехнічних спо­руд і елементів мостів залізниць повинна застосовуватись деревина хвойних порід товщиною (верхній торець) 22... 34 см, довжиною 6,5...8,5 м.

П и л о м а т е р і а л и поділяються (рис. 12.2): за розмірами поперечного перерізу - на дошки товщиною до 70 мм, шириною по­над подвійної товщини; бруски товщиною 8...100 мм, шириною не бі­льше подвійної товщини; бруски товщиною та шириною понад 100 мм; за товщиною - на тонкі товщиною до 35 мм та товсті - понад 35 мм; за характером обробки - на обрізні, обпиляні з 4-х боків, необрі- зані - обпиляні лише з 2-х боків.

Рис. 12.1. Торцевий пе- Рис. 12.2. Основні види пиломате- реріз ствола дерева ріалів 1 - кора; 2 - луб; 3 - камбій; 4 а - пластина; б - двокантний брусок; в - - заболонь; 5 - ядро; 6 - сер- шпала; г - обапіл; д - чотирикантний брус; цевина. е - необрізана дошка; ж - обрізана дошка.

 

Основна довжина пиломатеріалів хвойних порід 6,5 м, листяних - 4,5 та 5м.

Поряд із круглим лісом та пиломатеріалами у будівництві засто­совують дерев'яні п о г о н а ж н і с т р у г а н і вироби (шпунтові дошки, плінтуси, галтелі, наличники, поручні), п а р к е т, п о к р і в е л ь н і м а т е р і а л и (фанера, гонт), деталі й елементи збірних конструкцій.

Б у д і в е л ь н а ф а н е р а являє собою листовий матеріал, який виготовляють шляхом склеювання трьох та більше шарів шпону при взаємно перпендикулярному розташуванні волокон. Шпоном на­зивають тонкий лист деревини товщиною 0,3 мм та більше. Для від­критих споруд та опалубки при проведенні бетонних робіт застосову­ють фанеру підвищеної водостійкості і з водостійким офарбленням. Застосовують також фанерні труби. Фанера широко застосовується також для виготовлення щитових дверей, клеєфанерних щитів для зо­внішніх та внутрішніх стін і стель, панелей тощо.

Нові можливості застосування деревини в будівництві дає виро­бництво водостійких клеєних деревних конструкцій. Шляхом склеювання можна отримати із маломірної деревини різноманітні конструкції (балки, арки, ферми, палі тощо), які мають високу міцність, водо- та вогнестійкість, а також меншу масу й усуш­ку порівняно із звичайними деревними конструкціями.

Вадами деревини є дефекти її будови, пошкодження й інші недоліки, що знижують якість лісоматеріалів. Всі вади деревини поділяються на групи та види: сучки, грибні офарблення й гниль, хі­мічні офарблення, пошкодження комахами, деформації та тріщини, пороки форми стовбура та будови деревини, ненормальні відкладення в деревині, механічні пошкодження, дефекти обробки.

Загнивання деревини полягає в поступовій зміні її кольору, зменшення щільності, зниженні механічної міцності. Гнилля виникає під дією грибів при вологості 25...70 %, температурі повітря від +5 до +25 °С. У воді загнивання не починається тому, що немає доступу ки­сню, необхідного для життєдіяльності грибів. Розвиток грибів припи­няється також при температурі нижче 0 °С та вище 45 °С.

Деформації та розтріскування - це група вад, що є наслідком зміни форми або порушення цілісності деревини. Вони виникають під дією значних внутрішніх напружень, які утворюються протягом росту дерев, при різкій зміні температури. Тріщини розрізняють мітикові, відлупні та морозні, які утворюються в процесі росту, та тріщини усушки в зрубаних матеріалах. Мітикові тріщини направлені радіаль­но і спостерігаються тільки на торцях. Відлупні тріщини також є вну­трішніми, але вони розташовані по річним шарам перпендикулярно радіусу. На відміну від мітика і відлупу морозні тріщини і тріщини усушки являють собою зовнішні повздовжні розриви, які розповсю­джуються від бокової поверхні в глибину матеріалу по радіальним напрямкам.

12.2. Фізико-механічні властивості деревини

з

Дійсна густина деревини коливається в межах 1,49... 1,56 кг/м. Густину деревини визначають речовини, які складають оболонки кліток. Середня густина деревини залежить від вологості та пористос­ті породи. Нормальною вологістю деревини приймається 12 %, стосо­вно цієї вологості наводяться табличні дані її властивостей. В діапазо­ні від 0 до 30% вологості (границя гігроскопічності) застосовують перерахункову формулу:

р 0² = р У (1 + 0,0і(і - К ро)і2 - ))

де р0² - середня густина деревини при вологості 12 %; р^ - середня

густина деревини при вологості ^^ К_р._о - коефіцієнт об'ємного розбу­хання (для берези, бука, граба, модрини та білої акації К_р._о=0,6; для інших порід К_р._о=0,5).

При вологості деревини понад 30 % середню густину перерахо­вують за формулою:

_р 12 = ^{А р У} Р0

1 + 0,0Ш

де А = 1,222 для берези, бука, модрини та білої акації та А= 1,203 для інших порід.

За середньою густиною деревини всі породи умовно поділяють

12 3 • 12 3

на три групи: легкі (р₀ < 550 кг/м), середні (р₀ = 550...750 кг/м),

12 3

важкі (р₀ > 750 кг/м). У табл. 12.1 наведені середні значення густи­ни для деяких порід деревини.

Повітряно-суха деревина, яка тривалий час перебувала на повіт­рі, має вологість 15...20 %. Розрізняють гігроскопічну (зв'язану) та вільну вологу деревини. Гігроскопічна волога просочує оболонки клітин і утримується фізико-хімічними зв'язками. Максимальну кіль­кість гігроскопічної вологи, яка може поглинатися деревиною при ви­тримуванні у повітряному середовищі, називають границею гігроско­пічності. Границя гігроскопічності залежить від породи деревини і складає в середньому 30 %.

Таблиця ^ 12.1. Середня густина порід деревини Група порід Порода р, кг/м^3 Легкі Ялиця   Кедр   Ялина   Тополя   Липа   Сосна   Середні Береза   В'яз   Модрина   Бук   Ясен   Клен   Дуб   Важкі Граб   Акація

 

На відміну від гігроскопічної вільна волога заповнює канали су­дин та міжклітинний простір, утримується лише фізико-механічними зв'язками з деревиною. Видалення вільної води потребує менших ене­ргетичних витрат, тому її вплив на властивості деревини менш суттє­вий, ніж гігроскопічної вологи. При висиханні деревини спочатку ви­даляється переважно вільна вода, потім зв'язана - гігроскопічна. Про­цес висихання деревини припиняється при досягненні рівноважної вологи, яка відповідає температурі та відносній вологості навколиш­нього повітря.

При видаленні із деревини гігроскопічної вологи спостерігаєть­ся усушка, тобто скорочення розмірів лісоматеріалу, а при гігро­скопічному зволоженні деревини стінки клітин потовщуються, що ви­кликає розбухання. Усушку та розбухання при даній вологості розраховують за формулою:

У _W = ^{vг V w}. 100; Р_W = ^{Vw - Vo}. 100,

^V г.г ^V0

де v_r._r - об'єм зразка, який відповідає границі гігроскопічності; v_W - те ж, за заданою вологістю; v₀ - те ж, у абсолютно сухому стані.

Після висихання, внаслідок нерівномірного розподілення воло-

гості по перерізу і анізотропності, в деревині залишаються внутрішні напруження. Розвиток цих напружень викликає розтріскування та ко- роблення лісоматеріалів. Щоб уникнути цих дефектів особливе зна­чення має режим сушіння деревини.

Механічні властивості деревини залежать від кута між направ­ленням діючого зусилля та направленням волокон.

Границя міцності деревини при розтягненні повздовж волокон в стандартних зразках (вологість 12%) є порівняно високою. Для сосни та ялини, наприклад, вона дорівнює в середньому 100 МПа. При розриві поперек волокон границя міцності у 10...40 разів менша. Опір розтягненню особливо сильно знижується при наявності сучків та косого шару.

Найбільш важливою характерною механічною властивістю де­ревини є міцність при стисканні повздовж волокон. Цей вид наванта­ження є вирішальним для паль, ферм, колон, стінок та інших констру­кцій. Стандартним зразком при випробуванні деревини на стиснення повздовж волокон є прямокутна призма висотою 30 мм, поперечним перерізом 20*20 мм.

Границі міцності при стисканні повздовж волокон, МПа, для де­яких порід деревини при стандартній вологості наведені нижче:

Береза 39,6...53,3 Вільха 37...40,3

Бук 46,1...49,2 Ялиця 31,7...39,1

Дуб 45,6...55,6 Сосна 36,2...47,6

Ялина 35,3...43,1 Кедр 33,7...37,8

Модрина 51,1...61,5 Тополя 30,1...42,4

При обробці ріжучим інструментом та при стираючій дії важли­вою є твердість деревини. Ця властивість визначається на зразках- кубах методом вдавлювання. Найбільшу твердість (50...90 МПа) ма­ють ясен, бук, дуб, в' яз, модрина.

Гідротехнічні деревинні споруди мають високу довговічність, особливо у річковій воді і дуже змінюються після перебування в річ­ковій воді лише через декілька сот років. Морська ж вода значно ско­ріше погіршує властивості деревини. Механічні властивості лісомате­ріалів погіршуються також під впливом мінеральних кислот і лугів, особливо концентрованих. Корозійна стійкість листяних порід нижча ніж хвойних.

г» ^ • ^

Захист деревини від руйнування може здійснюватись двома способами: конструктивним та хімічним. Конструктивними способа­ми захищають дерев'яні елементи споруд від зволоження, їх ізолюють від грунту, каменю та бетону гідроізоляційними матеріалами, захи­щають від атмосферних опадів, влаштовують відливи у зовнішніх ві­конних оправ, канали для провітрювання тощо.

Руйнування деревини йде особливо швидко в умовах змінної температури та вологості середовища. Заходи конструктивної профі­лактики малоефективні для відкритих дерев'яних споруд. В цьому ви­падку основним способом є консервування деревини, тобто захист її від руйнування грибами або комахами за допомогою хімічної (антисептичної) обробки.

Стійкість деревини до руйнування під дією грибів, які виклика­ють утворення гнилі, залежить від породи, щільності, зросту та поло­ження у стовбурі. До високостійких проти гнилі порід належать: кедр, тис, каштан, дуб, карагач. Нестійкими є ялиця, береза, бук, липа, оси­ка, клен, тополя, ясен. Проміжне місце займає сосна, ялина, вільха.

Для тієї самої породи стійкість зростає з підвищенням щільності (середньої густини) та із віком. Для підвищення стійкості застосову­ють антисептики - токсичні хімічні сполуки, які надають дере­вині стійкість проти дії грибів та комах. До антисептиків ставиться низка вимог: достатня токсичність до руйнівників деревини, безпека при застосуванні антисептиків, здатність проникати в деревину, висо­ка стійкість, недефіцитність, економічність.

Залежно від хімічних і фізичних властивостей антисептики по­діляють на дві основні групи: масла та речовини, які розчиняються в маслах, а також водорозчинні. До першої групи належать кам'яновугільні та сланцеві масла, а також речовини, які розчиняють­ся в органічних розчинниках. Водорозчинні антисептики застосову­ють в тих випадках, коли деревина постійно не зволожується, напри­клад, для антисептування елементів будівель та виробів із деревної стружки, тирси, очерету, торфу. Найбільш відомі із цієї групи антисе­птиків фтористий натрій та різні пасти, складовою яких він є. Застосо­вується хлористий цинк як 2...5 %-ний розчин. Він має меншу токсич­ність, ніж фтористі антисептики, є вогнезахисним засобом. Застосо­вуються також бура і борна кислота, солі хрому, мідний купорос та комбіновані препарати.

Всі численні методи консервування деревини можна поділити на дві групи: без застосування зовнішнього тиску та під тиском. До першої групи належить дифузійний метод та просочення шляхом ви­мочування у гаряче-холодних ваннах. Просочення під тиском здійснюється у автоклавах.

Речовини, котрі підвищують вогнестійкість деревини, назива­ють антипіренами. Захисна дія антипіренів може бути обумов­леною виділенням при нагріванні кристалізаційної води у вигляді па­ри, або інших негорючих газів, які відтискують повітря від поверхні деревини та розбавляють горючі гази (калійний галун, сірчанокислий та фосфорнокислий амоній тощо). Багато з антипіренів (бура, борна кислота, силікат натрію, хлористий цинк тощо) плавляться при нагрі­ванні та утворюють захисну щільну плівку, яка покриває поверхню деревини й утруднює доступ кисню.