Древесина — освобожденная от коры внутренняя часть дерева, состоящая из клеток разного вида. Строительные материалы получают из ствола дерева, который распиливается на изделия разной формы и размеров.
Древесина давно нашла широкое применение в строительстве за счет сочетания положительных строительных свойств:
1. относительно низкой средней плотности (до 500-800 кг/м3);
2. прочности, достаточной для возведения высоких и массивных конструкций, малого коэффициента теплопроводности;
3. при правильной эксплуатации, достаточной долговечности
4. легкая обрабатываемость инструментом.
При этом для древесины характерны недостатки:
1. неоднородность строения,
2. низкая био- и огнестойкость,
3. высокопористость материала, способна поглощать и отдавать влагу с изменением своих размеров, формы и прочности.
Улучшение отрицательных качеств производится при помощи следующих технологических операций:
1. Сушки древесины, которая бывает:
а. естественная сушка
б. искусственная сушка:
- в сушильных камерах;
- токами высокой частоты и т.д.
2. Защитой от гниения, которая достигается обработкой различными антисептиками, они в свою очередь бывают:
- водорастворимыми;
- маслянистыми;
- растворимыми в органических растворителях (битумные пасты).
3. Защита от горения, достигается обработкой специальными составами- антиперенами.
Строительные конструкции и сооружения выполняют в основном из древесины хвойных пород. Эти породы обладают прямослойностью, высокими механическими свойствами и стойкостью против загнивания.
Твердые лиственные породы (дуб, бук, граб) в конструкциях применяют только для изготовления мелких ответственных соединительных деталей. Березовая древесина в основном идет на изготовление клееной фанеры и слоистых пластиков.
Мягкие лиственные породы (осина, тополь, ольха) используют для изготовления малоответственных элементов временных зданий и сооружений.
Влажность древесины существенно влияет на ее физико–механические свойства и в ряде случаев определяет пригодность. Вода в древесине находится в трех видах:
- вода в свободном состоянии или капиллярная, заполняет
полости клеток и сосудов и межклеточное пространство;
- гигроскопическая вода находится в стенках клеток;
- химически связанная, входит в химический состав органических веществ.
По степени влажности древесину подразделяют на:
- мокрую (от 65 до 100% и более),
- свежесрубленную (35–60%),
- воздушно-сухую (15–20%),
- комнатно-сухую (8–12%)
- абсолютно сухую (0%).
Пороки древесины — это дефекты, образовавшиеся во время роста дерева, разделяют на несколько групп:
- пороки формы ствола (сбежистость, кривизна ствола);
- пороки строения древесины (косослой, крень, свилеватость);
- сучки;
- трещины (могут возникать как в результате усушки, так и при жизни дерева);
- химические окраски и грибковые поражения.
По стойкости древесины против гниения ее подразделяют на четыре класса в зависимости от породы:
I — стойкие: сосна, ясень, дуб и лиственница;
II — среднестойкие: ель, пихта, кедр и бук;
III — малостойкие: береза, граб, дуб, клен;
IV — нестойкие: ольха, осина, липа.
Из древесины хвойных и лиственных пород в промышленных объемах изготовляют самую разноообразную номенклатуру изделий, а основными являются строганые погонажные изделия, элементы паркетных полов и фанера.
После заготовки из леса привозят круглый лес (бревна) - это длинные отрезки стволов деревьев, очищенных от сучьев, разных размеров.
Затем на предприятии из круглого леса изготавливают заготовки — пиломатериалы:
- пластины — это бревна, продольно распиленные на две
симметричные части;
- брусья — это прямоугольные призмы толщиной и шириной не более 100 мм;
- горбыль представляет собой отпиленную наружную часть бревна с одной необработанной стороной.
Из пиломатериала изготавливают путем обработки строганые длинномерные изделия: доски для полов, шпунтованные доски (на одной кромке паз, на другой гребень для обеспечения плотного соединения досок при устройстве полов), доски для обшивки стен и потолков, плинтусы, поручни для перил, наличники для оконных и дверных коробок.
Столярные изделия из хвойных и лиственных пород изготовляют на специализированных заводах или в цехах: различной формы оконные и дверные блоки, полотна, подоконные доски, перегородки и панели. Клееные конструкции (балки, рамы, арки) получают склеиванием досок прямоугольного, таврового или двутаврового сечения, длиной до 16 м, применяют при устройстве покрытий жилых и производственных зданий.
Влажность древесины оказывает значительное влияние на её физико-механические свойства.
Древесина содержит свободную или капиллярную (в полостях клеток и межклеточном пространстве) и связанную или гигроскопическую (в оболочках клеток) влагу. Пределом гигроскопичности (точкой насыщения) волокон называют состояние, при котором в древесине содержится максимальное количество связанной влаги, а свободная влага отсутствует. Влажность, соответствующая пределу гигроскопичности при температуре 20°С, составляет 30%.
Большинство свойств древесины зависит от содержания связанной влаги, изменение которого вызывает соответствующее изменение линейных размеров и объема древесины – усушку при уменьшении влажности и разбухание при ее увеличении.
Наибольшая влажность свойственна хвойным породам (50–60%), наименьшая — твердым лиственным породам (35–40%). При этом стандартная влажность, обеспечивающая максимальную прочность, равна 12%.
Вследствие разницы значений усушки древесины относительно годичных слоев (поперек 3 – 5%, параллельно 6 – 10%) происходит поперечное коробление пиломатериалов и заготовок. В процессе сушки древесины из-за неравномерного удаления влаги возникают внутренние напряжения, приводящие к растрескиванию изделий и появлению наружных и внутренних трещин радиального направления.
Теплопроводность древесины мала, что обусловлено пористым строением: поры, наполненные воздухом, являются плохим проводником тепла. Малая теплопроводность древесины в поперечном направлении позволяет использовать ее как для несущих, так и для ограждающих конструкций отапливаемых зданий.
Древесина стойко выдерживает ударные и циклические нагрузки, что обеспечивает ей высокую сейсмостойкость. Являясь диэлектриком, она обладает в воздушно-сухом состоянии электроизолирующими свойствами и немагнитна.
Древесина как конструкционный материал обладает рядом недостатков. При неблагоприятных условиях хранения и эксплуатации она загнивает, но современные средства защиты способны обеспечить долговечность деревянной конструкции. Древесина является сгораемым материалом. Однако со временем деревянные конструкции из элементов крупных сечений имеют придел огнестойкости выше др., например, металлических конструкций, и могут быть дополнительно защищены специальными веществами и препаратами.
_________________
К механическим свойствам древесины относятся прочность, жесткость и твердость. Прочность древесины зависит от направления действия усилий, например, при действии вдоль волокон средний предел прочности древесной сосны без пороков составляет, МПа:
- при растяжении – 100,
-при изгибе – 75 и
-при сжатии – 40.
При действии усилий поперек волокон аналогичные показатели не превышают 6,5 МПа. Неоднородность строения, наличие ограниченно допустимых пороков (трещины, сучки, косослой) значительно снижают прочность древесины при сжатии и изгибе (до 30%) и при растяжении (до 70%).
Длительное воздействие нагрузки снижает показатель прочности древесины, полученную при стандартном кратковременном нагружении, почти в 2 раза. Прочность, в 1,5 раза превышающую кратковременную, древесина имеет при кратчайших взрывных и ударных нагрузках. Вибрационные нагрузки снижают прочность древесины до 0,2 от величины статического предела прочности. Величина коэффициент поглощения энергии колебания древесины при расчетах конструкций принимается 0,3 – 0,35.
Жесткость древесины – степень деформативности при действии нагрузок. Различают упругие, эластичные и остаточные деформации. Этот показатель определяется модулем упругости Е и принимается для конструкций, эксплуатируемых в нормально температурно-влажностных условиях равным 10³ МПа, при повышенной влажности и на открытом воздухе он снижается на 10 – 25%. Модуль упругости древесины при действии нагрузок поперек волокон в 50 раз меньше. Коэффициент поперечной деформации для разных пород и направлений волокон колеблется в пределах 0,02 – 0,8.
Твердость древесины – степень сопротивления внедрению наконечника (индентора) в виде стальной полусферы радиусом 5,64 мм. Для древесной сосны нагрузка, требуемая для вдавливания наконечника поперек годичных слоев, составляет 1кН. Малая твердость древесины облегчает ее обработку, а волокнистое строение – использование для креплений металлических гвоздей и шурупов.
Многие механические показатели древесины могут быть улучшены путем ее модификации полимерами (повышение плотности, прочности, жесткости в увлажненной среде).
Древесина является анизотропным материалом, поэтому показатели прочности определяют для разных структурных направлений – вдоль и поперек волокон.
Химический состав древесины зависит частично от ее состояния. Древесина свежесрубленных деревьев содержит много воды. Но в абсолютно сухом состоянии древесина состоит из органических веществ, а неорганическая часть составляет всего лишь от 0,2 до 1,7 %. При сгорании древесины неорганическая часть остается в виде золы, которая содержит калий, натрий, магний, кальций и в небольших количествах - фосфор и другие элементы.
Органическая часть древесины всех пород имеет примерно одинаковый элементный состав. Абсолютно сухая древесина содержит в среднем 49-50 % углерода, 43-44 % кислорода, около 6% водорода и 0,1-0,3% азота.