СМ 2013

251

при влажности W = 12 % теплопроводность сосны поперек волокон 0,17 Вт/(м·К), вдоль волокон – в 2 раза выше, дуба – соответственно 0,22 и 0,39 Вт/(м·К).

Звукоизоляционная способность древесины сравнительно невелика: например, сосновая перегородка толщиной 19 мм поглощает 8-11 % звуковой энергии при частоте 100-400 Гц.

Прочность древесины зависит от ее температуры, с повышением температуры прочность понижается. При повышении влажности древесины до точки насыщения волокон (~30%) ее прочность и модуль упругости понижаются, а деформативность увеличивается; повышение влажности выше точки насыщения волокон не оказывает влияния на ее прочность.

В зависимости от типа напряженного состояния, направления усилия по отношению к волокнам и годичным слоям различают: прочность при сжатии и растяжении вдоль волокон; сжатии, местном смятии и растяжении поперек волокон в радиальном и тангенциальном направлении; статическом изгибе, скалывании вдоль и поперек волокон в радиальной и тангенциальной плоскостях, перерезании поперек волокон.

Определение прочности древесины производится путем испытания малых (базисное сечение 20×20 мм) образцов без дефектов. Форма, размеры и схемы основных испытаний приведены на рис. 8.7.

Испытывают серии образцов и результаты подвергают статистической обработке. Показатели прочности приводят к стандартной влажности

252 Глава 8.  Древесина, материалы и изделия из нее

Рис.  8.7.  Образцы и схемы основных испытаний древесины на прочность

1 – сжатие вдоль волокон;  2 – сжатие поперек волокон;  3 – местное смятие поперек волокон;  4 – растяжение вдоль волокон; 5 – растяжение поперек волокон (радиальное);  6 – статический изгиб; 7 – скалывание вдоль волокон (тангенциальное)

W = 12 %. Пределы прочности некоторых древесных пород представлены в табл. 8.3.

Древесина анизотропна и ее прочность при сжатии вдоль волокон для различных пород изменяется в пределах от 30 до 60 МПа, а прочность поперек волокон в радиальном направлении – от 4 до 13 МПа. Прочность древесины при растяжении вдоль волокон изменяется в пределах от 90 до 170 МПа. С увеличением влажности прочность древесины при сжатии уменьшается в 2,0-2,5 раза, при растяжении – в 1,3-1,5 раза. При длительном нагружении прочность древесины понижается на 40-50 % по сравнению с прочностью при кратковременном загружении. Поэтому при расчете несущих деревянных конструкций используется не средняя прочность, определяемая испытанием стандартных образцов, а нормативная прочность, которая в несколько раз ниже.

253

Таблица 8.3

Пределы прочности некоторых древесных пород, МПа

8.4.  Древесные породы, применяющиеся в строительстве

В строительстве зданий и инженерных сооружений применяются главным образом хвойные породы, имеющие сравнительно ровный ствол, высотой до 10-15 м и обладающие сравнительно высокой биостойкостью.

Хвойные породы

Сосна – ядровая порода, ядро окрашено в буро-красный цвет. Применяется для изготовления пиломатериалов и столярных изделий. По запасам занимает 2 место после лиственницы в России.

Ель – порода спелодревесная, древесина белого цвета. По сравнению с древесиной сосны менее долговечна.

Лиственница – ядровая порода, ядро окрашено в светло-коричнен- вый цвет, обладает высокой плотностью, стойкостью против загнивания. Область произрастания (ареал) в России – Сибирь и Дальний Восток.

Пихта – по внешнему виду и свойствам мало отличается от древесины ели.

254 Глава 8.  Древесина, материалы и изделия из нее

Лиственные породы

Дуб – ядровая кольцесосудистая порода, древесина плотная, прочная, твердая, средняя плотность 650 кг/м³ при W = 12 %. Применяется в качестве отделочного материала, для изготовления высококачественного паркета и мебели.

Береза – самая распространенная заболонная порода. Древесина негнилостойкая. Применяется при изготовлении фанеры, мебели, паркета.

Осина – спелодревесная порода. Древесина белого цвета, легкая, нестойкая против загнивания. Применяется как отделочный материал, в изготовлении фанеры.

Липа – имеет древесину белого или красновато-белого цвета, она хорошо режется, строгается и колется.

Ясень – ядровая порода, произрастающая в средней и южной части РФ. Ядро ясеня имеет бурый цвет. Древесина – прочная, полируется и имеет красивую текстуру.

Бук – растет на Кавказе и в некоторых других южных районах России. Древесина его обладает большой твердостью, хорошо окрашивается. Недостаток бука – высокое водопоглощение и коробление. Цвет древесины белый с красными прожилками, розоватый. Применяют бук для изготовления паркета, а также в качестве отделочного материала.

8.5.  Пороки древесины

Пороками древесины называют отклонения от нормального строения, понижающие качество древесины и ограничивающие ее применение. Пороки возникают при произрастании, транспортировке, хранении и эксплуатации древесины. Они нарушают однородность, понижают прочность древесины, затрудняют ее обработку, увеличивают количество отходов при обработке. Пороки подразделяются на 10 основных групп – сучки, трещины, пороки формы ствола и строения древесины, химические окраски, поражения грибами, насекомыми и другие.

Сучки

Самый распространенный порок строения древесины. Сучки нарушают однородность строения, некоторые сучки существенно снижают прочность. Сучки подразделяют: по форме – круглые, овальные, продолговатые и лапчатые; по степени срастания – сросшиеся, частично сросшиеся и несросшиеся (выпадающие); по состоянию древесины сучка – здоровые, загнившие, гнилые и табачные. Сучки бывают односторонние и сквозные. Пиломатериалы, содержащие выпадающие и загнившие сучки, выбраковываются.

255

Рис.  8.8.  Виды трещин ствола а – метиковая;  б – отлупная;  в – трещина усушки;  г – морозная

Трещины

Метиковые трещины – простая и сложная – внутренняя трещина, не выходящая на боковую поверхность ствола, образуется под действием ветровых нагрузок (рис. 8.8, а).

Морозные трещины – радиальные трещины, направленные от периферии к центру ствола. Возникают зимой при резком охлаждении древесины (рис. 8.8, г).

Трещины усушки – наружные радиально направленные трещины, возникающие при сушке срубленной древесины. Подразделяют на торцевые и боковые (рис. 8.8, в).

Отлупные трещины – между годичными слоями ядра ствола, образуются в местах резкого перехода от мелкослойной древесины в крупнослойную. Образуются под действием напряжений, возникающих от ветра, мороза и неравномерного усыхания центральной части ствола (рис. 8.8, б).

Пороки формы ствола

Сбежистость – значительное (более 1 см на 1 пог. м) уменьшение диаметра ствола от комля к вершине.

Кривизна ствола (простая и сложная) – искривление ствола по длине, уменьшает выход пиломатериалов при продольной распиловке.

Закомелистость – резкое увеличение диаметра комлевой части ствола, бывает округлая и ребристая.

Нарост – резкое местное утолщение ствола.

Грибные окраски и гнили

Грибные окраски возникают под действием деревоокрашивающих грибов (синева). Окраски не влияют на физико-механические свойства древесины, но ухудшают внешний вид.

256 Глава 8.  Древесина, материалы и изделия из нее

Гнили мертвой древесины относятся к числу наиболее опасных пороков. Гниение древесины – это биологическое разложение оболочек древесных клеток дереворазрушающими грибами, например домовыми грибами (настоящий, белый, пластинчатый), которые постепенно разрушают деревянные конструкции зданий и сооружений. Гниение причиняет большой экономический ущерб, уничтожая 10-30 % всей заготавливаемой древесины. По характеру воздействия грибов на древесину различают деструктивный и коррозионный тип гниения. При деструктивном гниении грибы выделяют ферменты, и происходит разложение только целлюлозы, гемицеллюлозы и других полисахаридов. В результате уменьшается объем и нарушается структура древесины, она растрескивается и крошится, легко растирается в порошок. При коррозионном типе гниения разрушаются как полисахариды, так и лигнин. В результате разрушаются группы клеток, в древесине появляются пустоты, заполненные неразложившимся веществом. Скорость гниения зависит от типа гриба, древесной породы и внешних условий. Благоприятными условиями для развития грибов являются температура 25-40 °С, влажность древесины, равная 20-60 %, и кислород. Древесина сухая и находящаяся в болотной воде не загнивает.

К порокам древесины относятся также химические окраски, повреждения насекомыми, пороки строения, раны, ненормальные отложения (косослой, засмолок), механические повреждения и дефекты обработки. Известно более 200 пороков древесины.

8.6.  Производство материалов из древесины

Основные технологические операции – заготовка древесины, механическая обработка и сушка (приложение, рис. А.58-А.64).

Заготовка древесины включает операции валки деревьев, обрезки сучков, распиловки на бревна или кряжи, сортировки, маркировки и вывозки на склад.

Высыхание древесины в нерегулируемых условиях может привести к образованию пороков (трещин, грибных окрасок и др.) и снижению сортности.

Сушка древесины – снижение ее влажности до уровня, соответствующего условиям эксплуатации изделий. Сушка предупреждает нерегулируемое изменение размеров и формы изделий, предохраняет от загнивания, снижает массу. Древесина высушивается в виде бревен, пиломатериалов, шпона, полуфабрикатов. Различают естественную и искусственную сушку.

Естественная сушка производится на открытом воздухе под навесами или временной кровлей, а также в закрытых помещениях, она не

257

требует затрат энергии. Пиломатериалы укладывают на прокладках в штабеля на бетонные или деревянные фундаменты. В горизонтальные ряды доски складируют с просветами для прохождения воздуха. Сверху штабеля устраивают временную кровлю. Продолжительность естественной сушки (до достижения воздушно-сухого состояния) зависит от климата, формы и размеров изделий (бревна, брус, доски), она может продолжаться несколько месяцев. Не исключается появление грибных окрасок. При естественной сушке получают воздушно-сухую древесину.

Искусственная сушка выполняется в короткие сроки, исключает появление грибных окрасок и гнилей и позволяет получить древесину с требуемой влажностью.

Камерная сушка производится в сушилках непрерывного и периодического действия. Теплоносителем является нагретый воздух. В зависимости от назначения древесины температуру воздуха изменяют от 40 до 100 °С. Снижение влажности вызывает деформации усушки древесины, при этом возможно образование трещин. Поэтому сушку в камерах нужно проводить при повышенной относительной влажности теплоносителя в начале процесса (нагревание), к концу процесса сушки влажность теплоносителя постепенно понижается. Продолжительность сушки изменяется от 20 ч (высокотемпературная сушка) до 25 сут. (мягкие режимы сушки).

Сушка токами высокой частоты (сушка т.в.ч.). При обработке диэлектрика (древесины) переменным электромагнитным полем, появляется электрический ток (смещения и проводимости), который приводит к выделению тепла и нагреванию древесины. Достоинством промышленных сушильных установок является высокая скорость диэлектрического нагрева, равномерное по объему нагревание пиломатериалов с низкой теплопроводностью, что понижает вероятность образования трещин усушки. Недостатком сушки является высокая стоимость использования технологии и оборудования для использования т.в.ч.

Сушка в петролатуме, в продукте переработки нефти, состоящем преимущественно­ из нефтяных масел. Пиломатериалы погружают в ванну с петролатумом, нагретым до температуры 130 °С и выдерживают в течение 8-12 ч, в зависимости от типа пиломатериала. Нагретый петролатум не только способствует ускоренной сушке древесины, но и пропитывает ее, обеспечивая гидрофобизацию и защиту от загнивания.

Вакуумная сушка. Пиломатериалы помещают в герметически закрытую камеру, где создается вакуум, что позволяет понизить температуру кипения воды до 60 °С. Древесину можно нагревать, что также ускоряет процессы сушки.

258 Глава 8.  Древесина, материалы и изделия из нее

8.7.  Защита древесины от загнивания

Защитить древесину от загнивания можно с помощью конструктивных мероприятий. Необходимо исключить увлажнение, обеспечить хорошую вентиляцию, изолировать древесину от грунта, бетона, кирпичной кладки и других капиллярно-пористых материалов. В случаях, когда велика вероятность даже периодического увлажнения, например дождевой водой, древесину следует обрабатывать антисептиками.

Антисептики – вещества, защищающие древесину от разрушения грибами, насекомыми и морскими древоточцами. Антисептики токсичны по отношению к биоразрушителям, они должны легко проникать в древесину, не вызывать коррозии металлов и быть относительно безопасными для людей.

Антисептики подразделяются на три группы: водорастворимые, растворимые в органических растворителях и масляные.

К водорастворимым антисептикам относятся: ФН – фторид нат­ рия; КФН – кремнефторид натрия; ДНФН – динитрофенолят натрия; КФА – кремнефторид аммония; боросодержащие вещества – ББ-11 (50 % буры и 50 % ортоборной кислоты); ПХФН – пентахлорфторид натрия; ПББ и ПБС – хлорфенолоборные; ХМББ – хромомедноборные и др. Водорастворимые антисептики применяют только в сухих условиях, например внутри зданий.

Антисептики, растворимые в органических растворителях: ПХФ –пен- тахлорфенол; НМ – нафтенат меди. Эти вещества ядовиты и не допускаются к применению в жилых, общественных и производственных зданиях.

Масляные антисептики – антраценовое, сланцевое масло, торфяной креозот.

Антисептики двух последних групп токсичны и используются для обработки шпал, деталей мостов, свай, деревянных подземных и подводных конструкций.

Применяются также комбинированные антисептики, состоящие из нескольких веществ, например на основе фторида натрия и динитрофенолята, и антисептические пасты, содержащие антисептик, связующее вещество (битум, глину, жидкое стекло и др.) и наполнитель (например, торфяной порошок).

Эффективность защиты зависит от количества введенного в древесину антисептика и глубины пропитки.

Антисептирование древесины заключается в ее пропитке различными антисептиками. В зависимости от условий эксплуатации производится либо полная, либо частичная (с поверхности) пропитка антисептиком. Поверхностная пропитка может быть однократной или многократной, в зависимости от свойств применяемого антисептика и срока службы конструкции.

259

Диффузионная пропитка основана на растворении антисептика в воде и диффузии раствора в древесине. Влажная древесина (W > 40 %) либо пересыпается водорастворимым антисептиком, либо обрабатывается антисептической пастой.

Пропитка водными растворами антисептиков высокой концентрации (15-30 %) с последующей выдержкой в штабелях обеспечивается диффузией растворов в древесине.

Пропитка в холодных ваннах. Ванны с раствором антисептика преимущественно заглублены в грунт. Пиломатериалы в пакетах загружают в ванны. Продолжительность выдержки до полной пропитки может достигать 20 сут., в зависимости от толщины изделий.

Пропитка в горячих ваннах ускоряет процессы пропитки. Температура антисептика 90-95 °С, продолжительность зависит от толщины изделия.

Пропитка в горячих и холодных ваннах. Глубокая пропитка обеспечивается при последовательной выдержке древесины в ванне с антисептиком, нагретым до 90-95 °С, где воздух частично удаляется из пор, с последующей выдержкой в ванне с холодным антисептиком (температура 20-30 °С). В холодной ванне давление воздуха в порах древесины понижается, и вакуум обеспечивает более глубокую пропитку.

Пропитка под давлением (автоклавная). Наиболее глубокая пропитка обеспечивается в автоклавах. Древесину загружают в автоклав и под вакуумом удаляют часть воздуха из пор. Далее в автоклав подается горячий антисептик и давление повышают до 0,6-1,5 МПа, что обеспечивает практически полную пропитку. Возможно также последующее повторное вакуумирование для удаления части антисептика, заполняющего крупные поры, и снижения его расхода.

8.8.  Защита древесины от возгорания

Температура возгорания древесины изменяется в пределах от 260 до 470 °С в зависимости от условий. При длительном нагревании температура возгорания понижается. Горение обусловлено термическим разложением (пиролизом) углеводородов с образованием смеси газов – СО; СО ; С Н и др. Сгорание (окисление) этих газов представляет собой пламенную фазу горения. При высоких температурах начинается окисление углерода (уголь) и эта фаза называется тлением. При горении выделяется большое количество теплоты, поэтому этот процесс самообусловлен. Необходимыми условиями возгорания являются соответствующая температура и контакт с кислородом воздуха.

Древесину защищают от возгорания с помощью конструктивных мероприятий – наносят слой штукатурки, изолируют гипсовыми

260 Глава 8.  Древесина, материалы и изделия из нее

(гипсокартонные листы) и асбестосодержащими материалами, предусматривают возведение стен и перегородок из несгорающих материалов через определенные расстояния (брандмауэры).

Эффективным способом защиты древесины является ее обработка антипиренами – веществами или смесями, предохраняющими древесину от воспламенения и самостоятельного горения.

1.На поверхность деревянных конструкций наносят покрытия, вспучивающиеся при обжиге. Образуется слой, теплопроводность которого ниже теплопроводности древесины, вследствие этого понижается скорость нагревания. Составы содержат газообразователи (фосфаты аммония), связующее (крахмал, декстрин) и другие компоненты. Разложение фосфата аммония при нагревании приводит к выделению сильных кислот (ортофосфорной и серной), которые превращают древесину в уголь.

2.На поверхность древесины наносят краску со сравнительно невысокой температурой плавления, например силикатную краску, состоящую из жидкого стекла и наполнителей. Плавление покрытия приводит

кобразованию газонепроницаемой пленки, препятствующей доступу кислорода и замедляющей процессы горения.

3.Применяются также огнезащитные обмазки на основе глины, извести, суперфосфата, которые наносят слоем толщиной 2-3 мм. Диссоциация материала обмазки (дегидратация) сопровождается поглощением тепла и препятствует повышению температуры древесины.

4.Лучшая огнезащита достигается при обработке антипиренами – веществами, которые при нагревании выделяют газы, не поддерживающие процессы горения, или плавятся с образованием огнезащитной пленки. Антипиренами являются: (NH ) PО – фосфорнокислый аммоний, (NH ) SO – сернокислый аммоний, ортоборная кислота (H BO ) и бура – тетраборнокислый натрий (H B O  · 10H O).

Для обработки применяются пасты, содержащие антипирен и наполнитель.

Обработка антипиренами осуществляется теми же способами, что и антисептирование. Некоторые антисептики (борная кислота, бура) являются также и антипиренами.

8.9.  Применение древесины в строительстве

Материалы из древесины, сохранившие ее природный состав, текстуру и физико-механические свойства, называются лесоматериалами или лесными сортиментами. Сортименты подразделяют на круглые (необработанные) и обработанные – пиломатериалы, шпон и др.

Круглые лесоматериалы (бревна) – используются для строительства или производства пиломатериалов, (пиловочные).