Тема 2 Строительные материалы и изделия

Тема 2. Строительные материалы и изделия.

§ Основные свойства строительных материалов.

Свойство – способность материалов определенным образом реагировать на воздействие отдельных или совокупных внешних или внутренних силовых, усадочных, тепловых и других факторов.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

• Физические свойства характеризуют особенности физического строения материалов и отношение их к различным физическим процессам (воде и температуре).

К физическим свойствам материала относятся плотность, пористость, водопоглощение, влагоотдача, гигроскопичность, водопроницаемость, морозостойкость, теплопроводность, звукопоглощение, огнестойкость, огнеупорность и другие.

• Строительные материалы готовят из природного и искусственного сырья, содержащего определенное количество примесей. Различают при этом неоднородные (гетерогенные) и однородные (гомогенные) системы.

• Однородность – способность материала иметь в каждой единице объема одинаковые состав, структуру и состояние, а, следовательно, и свойства.

Плотность материала бывает средней и истинной. Средняя плотность определяется отношением массы тела ко всему занимаемому им объему, включая имеющиеся в нем поры и пустоты, и выражается в соотношении кг/м 3.

Истинная плотность — это предел отношения массы к объему без учета имеющихся в них пустот и пор. У плотных материалов, таких как сталь и гранит, средняя плотность практически равна истинной, у пористых— меньше истинной.

Пористость. Эта характеристика определяется степенью заполнения объема материала порами, которая исчисляется в процентах. Пористость влияет на такие свойства материалов, как прочность, водопоглощение, теплопроводность, морозостойкость и др.

Для материалов, находящихся в рыхлосыпучем состоянии вместо средней плотности вводится понятие насыпная плотность, а вместо пористости вводится понятие пустотность материала

Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать в своих порах влагу. По объему водопоглощение всегда меньше 100%, а по массе может быть более 100%, например у теплоизоляционных материалов.

Насыщение материала водой ухудшает его основные свойства, увеличивает теплопроводность и среднюю плотность, уменьшает прочность.

• Влажность (ω) характеризует наличие влаги в материале, не оценивая способы попадания и удерживания ее в материале.

Количество влаги зависит от свойств материала и окружающей среды. Различают гигроскопичность или гигроскопическую влажность, т. е. способность материала поглощать воду из окружающей паро-воздушной среды в случае повышения ее относительной влажности.

• Различают водопоглощение по массе Wm и водопоглощение по объему Wv.

• Огнеупорность – свойство материалов не деформироваться при длительном воздействии высоких температур в условиях эксплуатации.

Показателем огнеупорности является предельная температура, при которой материал еще не переходит в вязкотекучее состояние и не теряет своих прочностных характеристик.

• Способность материала выдерживать кратковременное действие высоких температур без потери несущей способности – огнестойкость.

• Огнестойкость оценивается по возгораемости. • Различают несгораемые (жаростойкие, огнеупорные и термически стойкие) материалы, трудносгораемые и сгораемые.

Трудносгораемые и сгораемые материалы являются не огнестойкими, а несгораемые могут быть огнестойкими и не огнестойкими.

• Теплопроводность – способность материала пропускать тепло через свою толщу.

Оценивается коэффициентом теплопроводности λ (Вт/м*град), который представляет собой количество тепла, проходящего через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м² за 1 сек. при разности температур на противоположных поверхностях образца в 1ºС.

Морозостойкость — это способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без снижения прочности и массы, а также без появления трещин, расслаивания, крошения.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

• Механические свойства строительных материалов – способность материалов сопротивляться разрушению или изменению форм и размеров от внутренних напряжений, возникающих под действием внешних статических или динамических усилий.

Образующиеся напряжения стремятся разорвать внутренние силы связи между атомами или ионами.

Прочностью называется способность материала противостоять разрушению под воздействием внешних сил, вызывающих в нем внутренние напряжения.

Прочность материала характеризуется пределом прочности при трех видах воздействия на него — сжатии, изгибе и растяжении.

Упругость — это способность материала после деформирования под воздействием каких-либо нагрузок принимать после снятия их первоначальную форму и размеры. Наибольшее напряжение, при котором материал еще обладает упругостью, называется пределом упругости.

Твердость — способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела.

Хрупкость — свойство материала разрушаться под действием деформаций. Хрупкие материалы: кирпич, природные камни, бетон, стекло и т. д.

Сопротивление удару — способность материала противостоять разрушению под действием ударных нагрузок. Плохо сопротивляются ударным нагрузкам хрупкие материалы.

Пластичность — свойство материала изменять под нагрузкой форму и размеры без образования разрывов и трещин и сохранять изменившиеся форму и размеры после удаления нагрузки. Это свойство противоположно упругости.

• Истираемость – способность материала сопротивляться нагрузкам, действующим по касательной к поверхности и вызывающим постепенное уменьшение массы за счет отрыва мелких частиц с поверхности.

• Сопротивление износу (износостойкость) – способность материала сопротивляться совместному действию ударных и истирающих усилий.

§ Древесные материалы. Строение и свойства древесины.

• Дерево представляет собой высшие растения, состоящие из живых и отмерших клеток. • Растущее дерево включает три части: крону, ствол и корни.

• Основное вещество, слагающее клеточную стенку – целлюлоза, которая представляет собой углеводный полимер с длиной цепной молекулой.

• Пространство заполнено не только углеводородным полимером (лигнином), но и гемицеллюлозами – веществами, близкими к целлюлозе, но с меньшей длиной молекулы.

• В хвойных породах содержатся трахеиды, выполняющие проводящую и механическую функции, а также паренхимные клетки, выполняющие запасающую функцию.

• В лиственных породах содержатся трахеи (сосуды), выполняющие проводящую функцию, волокна либриформа, выполняющие механическую функцию и паренхимные клетки, выполняющие запасающую функцию.

Макростроение древесины Кора – наружный покров, резко отличающийся от внутренних наслоений древесины. Наружный слой – корка (кожица), внутренний слой – пробковая ткань и луб.

• Корка и пробковая ткань предохраняют дерево от резких температурных воздействий и биологических повреждений.

Луб проводит питательные вещества от кроны в ствол и корни, а также откладывает запасы их. Пробковая ткань, имея малую теплопроводность, применяется для изготовления изоляционных и отделочных материалов.

• Камбий – находящиеся между лубом и древесиной в виде тонкого слоя живых тонкостенных клеток, способных к делению и росту.

Собственно древесина состоит из заболони и ядра. Заболонь – часть древесины, состоящая из молодых клеток. Ядро состоит из мертвых клеток.

• Ядровые породы, у которых имеется четко выраженное ядро и заболонь (дуб, акация, сосна, лиственница, кедр, тис, можжевельник, ясень и т. д. )

• Заболонные породы, у которых отсутствует ядро и собственно древесина состоит только из заболони (береза, граб, осина, ольха, липа, клен, самшит).

Спелодревесные породы, имеющие спелую древесину и заболонь, не отличающиеся по цвету (ель, пихта, бук, бархатное дерево).

ЛЕСО- И ПИЛОМАТЕРИАЛЫ

• Круглые лесоматериалы. • Кряжи – деловые отрезки ствола от нижней комлевой части, которые служат сырьем для пиломатериалов, используются для скульптуры и объемной резьбы. Более мелкие кряжи – чураки и полена.

Пиленые лесоматериалы. Получают продольной и последующей поперечной распиловкой бревен.

Брусья (брус, полубрус, брусок), доски (обрезные, не обрезные и полуобрезные), пластины, четвертины, горбыль (обапол).

• По качеству пиломатериалы лиственный пород разделяют на 3 сорта, а хвойные – на 5 (отборный, 1, 2, 3, 4). • Сорт (показатель качества) определяется наличием сучков, гнили, трещин, точностью распиловки, чистотой обработки, степенью покоробленности.

• Погонажные изделия (шпунтовые доски, поручни, наличники, плинтусы).

Кровельные материалы

• Кровельная стружка (щепа) получается срезанием ствола вдоль волокон (40… 50 х7… 12 х0, 3 мм); • Кровельная дрань получается раскалыванием ствола вдоль волокон (40… 100 х9… 13 х0, 4 мм);

• Кровельная черепица получается раскалыванием ствола дерева по радиусу; • Кровельный гонт – разновидность черепицы, имеет паз (штунт).

Домашнее задание: Древесные полуфабрикаты

Пороки древесины

Пороки древесины, особенности и недостатки отдельных участков древесины, ухудшающие её свойства и ограничивающие возможности её использования.

• Возникают в растущих деревьях (сучки, кривизна и др. ), в лесоматериалах (синева, побурение и др. ), некоторые пороки характерны как для растущих деревьев, так и для срубленных (трещины, гниль, червоточина).

• Пороки механического происхождения, образующиеся при заготовке древесины, её транспортировке, механической обработке и т. п. процессах, называют дефектами обработки.

• Основными пороками древесины являются сучки, трещины, пороки формы ствола и строения древесины, химические окраски, грибок, инородные включения. • Повреждения древесины, полученные в процессе обработки, называются дефектами.

• Самыми частыми пороками древесины являются сучки. Они бывают различной формы: круглые, овальные, продолговатые; с различным выходом: на пласть доски, на ребро, на торец; они могут быть разбросанными и сросшимися.

• Вообще, древесины без сучков практически не бывает (меньше всего сучков в основании дерева, в комлевой его части), а потому наличие сучков на досках еще не является поводом браковать весь материал.

• Сучки могут быть и здоровыми, имеющими древесину без гнили, не нарушающие технических характеристик дерева. Единственный недостаток здоровых сучков сложность механической обработки.

• Трещины представляют собой разрывы древесины вдоль волокон. Как правило, больше всего трещин приходится на торцы. Не все трещины бывают опасны.

• Трещины бывают разными: метиковые (трещины в ядре), морозные (возникающие при изменении температур), отлупные (по окружности годовых колец), трещины усушки (возникающие при хранении материала). Трещины, как и сучки, могут выходить на пласти доски, торцы, кромки; могут быть глубокими и сквозными.

• Существуют пороки формы ствола, такие как сбежистость (значительное уменьшение диаметра ствола или ширины пиломатериала) и закомелистость (значительное увеличение диаметра или ширины), эти пороки ведут к значительным отходам при обработке.

• Кроме того, различают наросты резкое местное утолщение ствола, что осложняет обработку (между тем в мебельном производстве как раз наросты в силу перепутанности волокон и красивой текстуры наиболее ценны), и кривизну (изгибы материала), которая препятствует нормальному использованию древесины и увеличивает количество отходов.

• Есть и пороки строения древесины. Они достаточно разнообразны, а потому мы ограничимся лишь кратким описанием. Наклон волокон отклонение волокон от продольной оси; это затрудняет обработку материала, но вместе с тем повышает прочность древесины.

• Крень изменение строения древесины хвойных пород возле сучьев: годичные слои резко утолщаются; • крень захватывает несколько годичных слоев и повышает твердость древесины и ее прочность, но вызывает коробление материала.

• Свилеватость извилистое или беспорядочное расположение волокон; чаще всего встречается в лиственных породах. Свилеватость снижает прочность древесины и затрудняет ее обработку.

СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

• На свойства древесины большое влияние оказывает влажность. Воду, находящуюся в древесине, делят на три вида: капиллярную (или свободную), гигроскопическую и химически связанную.

• Капиллярная вода заполняет в древесине полости клеток, межклеточные пространства и сосуды. Гигроскопическая вода находится в стенках клеток. Химически связанная вода входит в химический состав веществ, образующих древесину.

• Основную массу воды в растущем дереве составляют капиллярная и гигроскопическая вода или только гигроскопическая вода. Состояние древесины, в которой отсутствует капиллярная вода и содержится только гигроскопическая, называется точкой насыщения волокон.

• По степени влажности различают древесину: • мокрую, • свежесрубленную (влажность до 80%), • воздушно-сухую (влажность 15. . . 20%) • комнатно-сухую (влажность 8. . . 12%)

• Гигроскопичностью древесины называют свойство ее поглощать из воздуха парообразную воду. Степень поглощения зависит от температуры воздуха и его относительной влажности.

• Пористость древесины хвойных пород колеблется от 46 до 85%, лиственных — от 32 до 80%.

• Усушкой древесины называют уменьшение ее линейных размеров и объема при высыхании. Испарение капиллярной воды не сопровождается усушкой. Последняя происходит только при испарении гигроскопической влаги.

• Ввиду неоднородности строения древесина усыхает или разбухает в различных направлениях не одинаково. • Свойство неравномерного изменения линейных размеров в различных направлениях является одним из отрицательных свойств дерева как строительного материала.

• Набуханием называют способность древесины увеличивать свои размеры и объем при поглощении воды, пропитывающей оболочки клеток. Древесина разбухает при поглощении влаги до точки насыщения волокон. Набухание, как и усушка, не одинаково в разных направлениях.

Рассматривают направления и распилы

• Набухание древесины вдоль волокон составляет 0, 1. . . 0, 8%, в радиальном направлении — 3. . . 5% и в тангенциальном — 6. . . 12%.

• Теплопроводность древесины невелика, она зависит от характера пористости, влажности, направления волокон, породы и плотности дерева, а также от температуры.

Теплопроводность древесины вдоль волокон примерно в 1, 8 раза больше, чем поперек волокон. В среднем она составляет 0, 16. . . 0, 30 Вт/(м -°С).

• Электропроводность древесины зависит от ее влажности.

• Водопроницаемость вдоль волокон больше, чем через радиальную и тангенциальную поверхности.

• Механические свойства древесины как анизотропного материала не одинаковы в различных направлениях.

• Механические свойства древесины зависят от многих факторов: с увеличением влажности прочность дре-весины снижается; древесина большой плотности имеет более высокую прочность; на прочность древесины влияют процент поздней древесины, наличие пороков, гнили, старение.

• Прочность древесины при сжатии. • Усилия к конструктивному элементу могут быть приложены с учетом строения древесины вдоль или поперек волокон, поэтому различают сжатие вдоль и поперек волокон.

• Прочность древесины на растяжение. Древесина имеет высокий показатель прочности на растяжение вдоль волокон. Для наших основных пород эта величина меняется от 80 до 190 МПа.

• Прочность древесины на статический изгиб высока, благодаря чему ее широко применяют для элементов зданий и сооружений, работают на изгиб (балки, бруски, стропила, фермы и т. д. ).

• Прочность древесины на скалывание вдоль волокон невысокая— 6, 5. . . 14, 5 МПа.

Образцы и схемы основных испытаний древесины на прочность: 1 - сжатие вдоль волокон; 2 - сжатие поперёк волокон; 3 - местное смятие поперёк волокон; 4 - растяжение вдоль волокон; 5 - растяжение поперёк волокон (радиальное); 6 - статический изгиб; 7 - скалывание вдоль волокон (тангенциальное).