Тема: исследование свойств древесины

Цель работы: изучение основных физико-механических и эстетических свойств древесины, освоение методиками определения основных показателей материала.

На создание и развитие архитектурных конструкций и архитектурных форм, на создание современного архитектурного стиля и образца сооружений большое влияние оказывают древесные строительные материалы и изделия, отличающиеся легкостью, высокой прочностью, долговечностью при определенной их обработке и отменными художественно-декоративными показателями. В строительном производстве древесину применяют для несущих конструкций /балки, стойки, стропила/; для производства столярных изделий /полотно двери, оконные переплеты, наличники, плинтуса и т.п./; для подсобных работ и временных стоек /опалубка, леса, временные крепления, ограды/. Для изготовления несущих конструкций применяют древесину хвойных пород, лиственных пород - используют для временных сооружений и подсобных работ. Качество лесоматериалов определяется наличием пороков в древесине к которым можно отнести: сучки твердые, рыхлые, табачные; пасынки; косослой - спиральное строение продольных волокон; трещины - метик, откуп; сердцевина; гниль и червоточина..

Для проведения физико-механических исследований отбирают образцы из средовой доски и разделывают на рейки, из которых выпиливают образцы для определения модуля упругости при сжатии и растяжении и других показателей. Образцы для испытаний не должны содержать пороков, грани должны быть гладко выструганы, а торцовые поверхности параллельны между собой и перпендикулярны боковым.

При изучении структуры древесины различают макро- и микроструктуру. Полное представление о макроструктуре дает рассмотрение разреза ствола древесины по трем направлениям /рис.13/. К основным ее элементам принадлежат сердцевина, сердцевинные лучи, ядро, заболонь, годичные слои, сосуды или смоляные ходы. Важную роль в созда­нии текстуры древесины играют сердцевинные слои, годичные слои, а также сосуды и смоляные ходы. Движение влаги по стволу древесины способствует заболонь.

Имея большую влажность, загнивает, а при последующей сушке способствует короблению.

На микроструктурном уровне, при сильном увеличении, можно увидеть, что древесина состоит из большого количества живых и отмерших клеток различной формы и размеров. Живые клетки подразделяются в зависимости от функционального назначения на проводящие, механические и проводящие. Клетки состоят из оболочки, внутри которой находятся протоплазма и белок.

К основным технологическим операциям при производстве материа­лов и изделий из древесины относятся: растяжевка - поперечное деление хлыстов; распиловка - раскрой бревен; фрезерование, лущение, склеивание, сушка и защитная обработка (антисептирование и антипирирование). Антисептики - это вещества, ядовитые для грибов, являю­щихся основной причиной загнивания древесины. Антипирены - представляют собой огнезащитные составы. Формирование эстетических характеристик древесины связано, прежде всего, с характером их отделки, которая может быть: прозрачной - сохранение или более явное выражение текстуры; непрозрачной - цвет и текстура древесины скрываются нанесением грунтовки, шпатлевки, краски; имитационной - придание древесине обычных пород внешнего вида более ценных и редких пород.

Ход работы:

Материалы и аппаратура: образцы древесины размером 20x20x30 мм, бюкса емкостью 500мл, весы аналитические, штангельциркулъ, шкаф сушильный, пресс гидравлический Р-5.

Влажность древесины определяют в процентах к массе абсолютно сухого образца размером 20x20x30 мм, которые помещают в предварительно взвешенную бюксу. Бюксу с образцом взвешивают и ставят в сушильный шкаф с температурой 60±2 °С на 24 час для высушивания до постоянной массы. Влажность вычисляют по формуле:

W=(m₁-m₂)*100/(m₂-m)_, %

где m - масса бюксы, г; m₁ - масса бюксы с образном до высушивания, г; m₂ - то же после высушивания, г.

По степени влажности древесина подразделяется на:

- свежесрубленную с влажностью более 35%;

- воздушно-сухую с влажностью от 15 до 18%;

- комнатносухую с влажностью 8...10%.

Колебания волокон древесины влекут за собой изменение размеров и формы древесных изделий.» При увлажнении сухой древесины до достижения ее предела гигроскопичности /30%/ стенки клеток утолщаются, что ведет к изменению размеров. Усушка древесины происходит за счет уда­ления связной влаги из стенок клетки. Линейной усушкой называется уменьшение размеров, выраженное в процентах по отношению к размену образца после высушивания. Для определения линейной усушки образцов и вырезают в виде прямоугольной призмы таким образом, чтобы годовые слои на торцевых поверхностях были параллельны одной паре параллельных граней и перпендикулярны другой. На торце образца проводят карандашом две взаимно перпендикулярные линии через центр, которые грань на четыре равных квадрата. Дальнейшие измерения производят по линиям штангелъциркулем с точностью до 0,01 мм. После обмера образец высушивают и взвешивают по вышеописанной методике. Немедленно после взвешивания производят измерение размеров по тем же направлениям.

Линейную усушку вычисляют по следующим формулам:

­ - по тангенциальному направлению: Δ _у.т =(a-a₁) /a₁;

­ -по радиальному направлению: Δ _у.р. =(b-b₁) /b₁.

где О. и О - размеры образца до высушивания; С1₄ и 'Ц, - то же пос ле высушивания.

Коэффициент линейной усушки древесины, т.е. средней усушки на процент уменьшения влажности по тем же направлениям определяется по формулам:

К_т = δ_у.т /w, Кр= δ_у.р. /w.

Определение объемной усушки производится на том же образце, что и линейной, но кроме размеров а и b замеряют еще и высоту h.

Вычисление объемной усушки производят по формуле:

Δ_у.о = (V_w -V_o)/ V_o.

Аоа - л&

Для определения средней плотности древесины образцы измеряют с точностью до 0,5 мм и взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,01 г и вычисляют по формуле:

ρ_o =m/Vo, г/см³.

Вычисленную плотность перечитывают с учетом принятой в стандарте 12%-ой влажности древесины по формуле:

ρ_o(12) = ρ_o *[1+0,01*(1-K_o)*(12-w)].

где Ко- коэффициент объемной усушки, %; w - влажность, %.

Предел прочности при сжатии вдоль волокон определяется на образцах размером 20x20x30 мм, вычисляющийся с учетом влажности по формуле:

R_w= Р/(a*b), кг/см²,

где Р - разрушающая нагрузка, кг;

a и b - ширина и длина, см.

При этом необходимо R_w с влажностью w привести к стандартной 12%влажности по формуле: R_{w (12)} = R_w *[1+α*(w -12)],

где α - поправочный коэффициент, равный 0,035 на 1% влажности.

Предел прочности при изгибе определяют на образцах-брусках размером 20x20x300 мм и вычисляют по формуле:

R_w(12) = P_w*l/( b*h²), кг/см²

где l, - расстояние между опорами 240 мм;

b и h- ширина и высота образца.

Предел прочности при изгибе пересчитывают к 12%-ой влажности:

R_{w (12)} = R_w *[1+α*(w -12)],

где о(- поправочный коэффициент на влажность, равный 0,04 для всех древесных пород.

Контрольные вопросы: Каковы строение и структура древесины? Свойства древесины и ее пороки. Как зависит и подразделяется древесина от степени влажности? Что такое линейная и объемная усушки? Как определяется средняя плотность, предел прочности при сжатии и при изгибе древесины? Какие сорта древесине применяются для производства строительных изделий и конструкций?

Для закрепления курса "Архитектурное материаловедение" рекомендуется проводить практические занятия в виде решения конкретных ситуационных задач, основной целью которых является изучение поведения различных строительных материалов и изделий в эксплуатацион­ных условиях. В связи с вышесказанным предлагаются следующие варианты задач:

1. Насыпная плотность сухого кварцевого песка составляет 1500 кг/м³. При 5-ти процентной влажности она уменьшилась до 1150 кг/м³. Определить приращение объема песка за счет увлажнения.

2. При определении истинной плотности строительного гипса была взята навеска 85г. В колбу Ле-Шателье внесена часть этой навески, а остаток составил 15,5г. В результате этого уровень керосина повысился до отметки 25 см³. Рассчитать истинную плотность строительного гипса.

3. Масса образца из известняка-ракушечника при полном водонасыщении изменилась с 300 до 380 грамм. Определить водопоглощение известняка по массе и по объему, а также открытую пористость если его средняя плотность составила 2370 кг/м³.

4. Бетонный образец влажностью по объему 7%-ов имеет среднюю плотность 2400 КГ/М³. После водонасыщения под давлением его средняя плотность возросла до 2800 кг/м³. Определить открытую пористость бетона.

5. Определить пористость горной породы, если известно, что водопоглощение по объему в 1,45 раза больше, чем водопоглощение по массе.

6. Рассчитать межзерновую пустотность, истинную пористость и общую пористость щебня, если его насыпная плотность составляет 1,35 г/см³, средняя плотность - 2,5 г/см³, истинная плотность - 2,6 г/см³.

7. Образец ячеистого бетона в виде куба с ребром 15 см был опущен в воду. Высота над уровнем воды в первый момент составила 5,1 см. Определить истинную пористость газобетона при его истинной плотности 2,75 г/см³. Водопоглощением на этот момент можно пренебречь.

8. Определить диаметр силосного склада для хранения цемента в количестве 80 т при насыпной плотности 1370 кг/м³. Высота склада - 10 м, а коэффициент заполнения - 0,9.

9. Определить среднюю плотность каменного образца неправильной формы массой 150г, а при взвешивании его в воде масса составила 75 г. До взвешивания в воде его парафинировали, масса парафинированного образца - 151,8г. Плотность парафина - 0,93 г/см³.

10. Какую нагрузку на каждую из двух опор оказывает железобетонная балка прямоугольного сечения размером 75x17 см и длиной 7,0 м при средней плотности железобетона 2450 кг/м³?

11. Во время стандартных испытаний на изгиб древесины с влажностью 19%, разрушающая нагрузка составила 280 кг. Температура испытаний - 15°С. Определить предел прочности древесины при стандартной влажности.

12. Определить предел прочности при изгибе керамического кирпича, если площадь поршня пресса - 50 см², разрушающая нагрузка при испытании составила 15 атм. Размеры кирпича стандартные, расстояние между опорами - 200 мм.

13. Определить, является ли кирпич водостойким и можно ли ее использовать для строительства фундаментов стен, если прочность при сжатии в сухом состоянии - 250 кг/см11, а в водонасыщенном -150 кг/см².

14. В воздушно-сухом состоянии предел прочности известняка-ракушечника 9,5 МПа, а коэффициент его размягчения - Кр = 0,65. Определить прочность при сжатии в водонасыщенном состоянии.

15. Какой может быть масса керамического кирпича размером 250х120x65 мм при толщине стены 64, 51 и 38 см, если во всех случаях термическое сопротивление стены 0,95 м² С/Вт?

16. Сколько можно получить высокопрочного гипса в результате термической обработки 15 тонн гипсового камня влажностью 1%при содержании минеральных примесей 8%?

17. Определить количество негашеной комовой извести, изготовленной при обжиге 15 тонн чистого известняка влажностью 12%.

18. Определить, сколько необходимо природного гипсового камня с влажностью 3% для получения 30 тонн строительного гипса.

19. Рассчитать, сколько можно получить сухой гидратной извести в результате гашения 8000 кг негашеной комовой извести активностью 87%.

20. Сколько можно получить полуводного гипса в результате термической обработки 15 тонн природного гипсового камня?

21. Определить истинную, среднюю плотности, а также пористость бетона состава 1:2:4,5 при В/Ц=0,5 после испарения избыточной влаги, если известно, что средняя плотность бетонной смеси 2380 кг/м³и содержание химически связанной воды - 19% от массы цемента.

22. Рассчитать экономию цемента, расходуемого на приготовление 1 м³ бетонной смеси для бетона М400 с 0&=2 и ОК=6 см на рядовых заполнителях (щебень крупностью 20 мм и водопотребностью 7% ) и портландцементе М400 при удлинении марочного возраста с 28 до 180 суток.

23. Рассчитать расход материалов для приготовления цементно-известкового раствора М75 подвижностью 7 см, если применялся портландцемент М400 с насыпной плотностью 1280 кг/м³ и известковое тесто со средней плотностью 1400 кг/м³. Весок - мелкий кварцевый при плотности 1450 кг/и³ и влажности 7%.

24. Определить расход известкового теста и песка на 100 м³ известково-песчаного раствора состава 1: 3,5 по объему. Песок имеет истинную плотность 2,65 г/см³ и среднюю плотность 1450 кг/м³.

25. Масса одного утолщенного силикатного кирпича в высушенном состоянии составляет 4,2 кг. Сколько потребуется извести и песка для изготовления 1000 штук кирпича при сырьевой влажности 6%, сырьевой активности смеси 7,5% и активности извести 85%?

26. В результате процесса карбонизации утолщенного силикатного кирпича средней плотностью 1740 кг/м³ за год дополнительно связалось 85г свободной воды, не вступившей в реакцию с кремнеземом при запаривании кирпича в автоклаве. Какой стала через год масса кирпича?

27. Определить количество полимера плотностью 1,13 г/см³ для изготовления плиты утеплителя размером 100x50x5 см заливочным способом и давление развиваемое в форме, если при свободном вспенивании жидкого полимера объемом 11 см³ образуется 166 см³ пенопласта.

ЛИТЕРАТУРА

1. Байер В.Е. Архитектурное материаловедение. - М.: Стройиздат, 1989;

2. Айрапетов Д.П. Материал и архитектура. - М.: Стройиздат, 1978-269с.

3. Суздальцева А.Я. Бетон в архитектуре. - М.: Стройиздат, - 1981.-208с

4. Попов Л.Н. Лабораторные испытания строительных материалов и изделий. - М.: Высшая школа, 1984. - 168с.

5. Комар А.Г. Строительные материалы и изделия. - М.: Высшая школа. 1983. - 574с.

6. Чмырь В.Д. Материаловедение для отделочников-строителей. - М.: Высшая школа, - 1990. - 208 с.