Дерево и деревянные строительные конструкции. Свойства и состав изделий из дерева

Дерево как материал

Дерево как материал представляет собой неоднородно построенное тело. Неоднородность эта является следствием происхождения дерева как растительного организма и предопределяет свойства дерева и его применение для тех или иных целей. К физическим свойствам дерева относят его цвет, блеск и текстуру, влажность, усушку и разбухание, удельный вес, теплоемкость, тепло — звуко- и электропроводимость. Цвет пород в общем светлый, варьирует от почти белого (пихта, осина) до бурого (дуб), темно-серого (орех) и буро-красного (тисс). Зависит он от присутствия различных красящих веществ, которые даже и добываются на некоторых тропических древесных пород (сандаловое).

Цвет и влажность

При оценке внешнего вида цвет играет значительную роль, равно как его блеск и текстура. Некоторые породы обладают природным шелковистым блеском (бархатное дерево, клен), который в большинстве случаев лучше заметен на радиальных разрезах и обусловливается частыми, близко поставленными сердцевинными лучами. В обычных условиях службы дерево всегда содержит влагу, которая оказывает сильнейшее влияние на техническое качество. Различают 4 степени влажности:

1. Свежесрубленное  содержит 5 0 % и выше влаги от первоначального веса;
2. Воздушно-сухое 15—18%;
3. Комнатно-сухое 8 —1 0 %;
4. Абсолютно сухое—не более ‘/s % влаги.

Наибольшее практическое значение имеет воздушно-сухое состояние. Такая влажность соответствует условиям службы дерева в строительном деле, и при этой влажности обычно указываются удельный вес и механические коэффициенты. Дерево обладает гигроскопичностью: будучи высушено до абсолютно сухого состояния. При выставлении на воздух начинает поглощать влагу из окружающего пространства до тех пор, пока не установится известное равновесие между влажностью и относительной влажностью воздуха. Высыхание дерева всегда сопровождается уменьшением размеров сортамента (усушка), часто изменением его формы (коробление) и растрескиванием. Различают усушку объемную и линейную.

Усушка

Последняя в свою очередь делится на радиальную, тангентальную и продольную. Первая является наибольшей и достигает 1 0 %,  вторая — примерно вдвое меньше —5%, а продольной усушкой при расчетах обычно пренебрегают, так как она не превышает 0,1%. Отмеченная разница в величине радиальной и тангентальной усушки приводит к изменению формы, или короблению. В пиленом лесе (досках) коробление наблюдается в виде выгибания доски. При высыхании годовые слои сильно стягивают и заставляют кромки досок отгибаться в сторону выпуклости годовых слоев. Вследствие чего покоробившаяся доска своей выпуклостью будет всегда обращена к сердцевине ствола. Та же причина, связанная с неравномерностью высыхания дерева (наружные слои сохнут быстрее), вызывает и появление трещин.

Удельный вес (абсолютный и относительный)

Различают абсолютный удельный вес, т. е. вес вещества, из которого построены элементы дерева, и относительный, или объемный удельный вес, т. е. вес в том виде, как оно дается природой со всеми пустотами и пр. Абсолютный удельный вес для всех пород приблизительно одинаков, колеблясь в пределах от 1,3 до 1,7. Объемный удельный вес имеет значительно большие колебания (от 0,3 до 1,0 в воздушно — сухом состоянии) и находится в прямой зависимости от количества механических элементов и толщины их стенок. Строение дерева оказывает влияние того же порядка и на механические свойства, то его удельный вес служит довольно верным показателем технических качеств.

Теплопроводность

Дерево обладает невысокой теплопроводностью, которая вдоль волокон больше чем поперек их. Большое влияние на теплоемкость оказывает содержащаяся в нем вода. Средняя величина теплоемкости—между 0° и 100° С для дуба равна 0,57, для сосны и ели—0,65. Дерево обладает хорошей звукопроводностью, причем вдоль вол окон проводит звук лучше, чем поперек их. Весьма важным свойством является способность его усиливать звук, т. е. резонировать. Этим свойством пользуются при устройстве музыкальных инструментов. Дерево во многих случаях применяется в качестве изолирующего материала, т. к. электропроводимость его невелика и зависит от породы и от состояния дерева.

Пропитка

Для увеличения изолирующих свойств дерево пропитывают маслом, парафином и пр. Механические свойства, характеризующие его способность сопротивляться действию внешних усилий, находятся в тесной связи с его строением. Получаемые в результате испытаний нормальных образцов механические коэффициенты характеризуют дерево с точки зрения его доброкачественности, но не могут служить непосредственно для расчета сооружений и конструкций. Для последней цели необходимы специальные испытания в соответствии с формой и размерами конструкций и допустимыми недостатками применяемого дерева.

Механические свойства

К механическим свойствам относятся твердость и сопротивления растяжению и сжатию вдоль и поперек волокон, изгибу статическому и динамическому (ударному), раскалыванию, скалыванию, а также изнашивание и способность удерживать гвозди и шурупы. Дерево лучше всего сопротивляется усилиям, направленным вдоль вол окна, поэтому чаще всего применяется для службы именно в таких условиях. С этой точки зрения сжатие вдоль волокна является одним из наиболее распространенных видов напряжения, которым подвергается дерево в сооружениях (стойки). Сопротивление сжатию поперек вол окна меньше в 3—6 раз. Изгиб статический находит широкое применение при службе частей в виде балок.

Динамический изгиб

Направление усилия по отношению к годовым слоям оказывает заметное влияние на величину сопротивления, причем коэффициент крепости менее всего колеблется при действии сил в тангонтальном направлении. Способность давать большую деформацию при изгибе характеризует гибкость дерева. Большая упругая деформация является показателем упругости, а большая остающаяся деформация указывает на вязкость. Динамический изгиб (ударный) имеет место в аэропланах, сельхозмашинах. Сопротивление динамическому изгибу измеряется работой, поглощаемой образцом при разрушении и относимой к его объему или к размерам поперечного сечения.

Скалывание

Под скалыванием подразумевается разрушение под влиянием сил, действующих в разных плоскостях вдоль волокон, дерево сопротивляется скалыванию очень слабо, обычно этот вид сопротивлений не превышает величины сопротивления сжатию вдоль вол окон. Раскалывание представляет собою разъединение волокон под действием клина, имеет значение при креплении гвоздями и шурупами. Скручивание имеет место в работе валов, лопастей пропеллеров, деревянных осей. Твердость имеет значение при обработке режущими инструментами и по принятому методу определяется величиной груза, необходимого дл я вдавливания в дерево стальной полусферы с площадью большого круга, равной 1 см2.

Сопротивление выдергиванию гвоздей

Способность дерева удерживать гвозди и шурупы в практике используется широко, а т. к. при этом имеет место сложное сопротивление, то эта способность определяется в каждом частном случае экспериментальным путем. Сопротивление растяжению весьма велико, но, несмотря на это редко применяется для работы на растяжение, ибо при всех способах укрепления дерева для передачи усилия имеет место скалывание или сжатие поперек вол окон, а эти виды сопротивлений—первое в 30 раз, а второе в 5—10 раз меньше, чем сопротивление растяжению. Растяжению поперек волокон (вид сопротивления, близкий к раскалыванию) дерево противостоит в 10—30 раз хуже, нежели вдоль волокон.

Истирание

Изнашивание (истирание) имеет место при службе дерева в качестве материала дл я мостовых, полов, лестниц. Оно характеризуется количеством древесины, снимаемой определенным способом с единицы поверхности в единицу времени. Дл я этой цели пользуются или пескоструйными аппаратами или вращающимися дисками с наклеенной песочной бумагой, к которым испытуемый образец прижимается с определенным усилием. Древесина сосны средней плотности и веса обладает прямослойностью, хорошо сопротивляется внешним усилиям. Благодаря присутствию смолы, которой присущи антисептические свойства, древесина сосны обладает значительной прочностью при службе в условиях переменной влажности.

Изготовление музыкальных инструментов

Древесина лиственницы в указанном отношении превышает сосну, но подвержена растрескиванию, являясь в остальном породой, близкой по своим качествам к сосне. Еще близко к сосне стоит кедр, отличающийся от нее большей мягкостью и меньшей прочностью. Древесина ели почти белого цвета, содержит менее смолы по сравнению с сосной, почему и является менее прочной. Однако длинное и тонкое волокно древесины делает ель весьма пригодной дл я изготовления древесной  массы и целлюлозы. Благодаря прямослойности древесины и равномерности строения ель находит применение в качестве резонансового леса (производство музыкальных инструментов). Из хвойных пород пихта стоит на последнем месте по своим техническим качествам; ее древесина рыхла, не отличается прочностью, подвержена растрескиванию и короблению.

Свойства дуба

Древесина всех хвойных хорошо раскалывается, и пихте в этом отношении принадлежит преимущество, почему на Кавказе, например она в большом количестве идет на изготовление драни, древесной массы и целлюлозы. Кроме того пихта с успехом может служить заменой ели в целлюлозном производстве. Из лиственных пород наилучшими техническими качествами обладает дуб. Древесина ого обладает красивой текстурой и гибкостью. Присутствие дубильных веществ придает ей прочность и красивый цвет. Древесина дуба тяжела, тверда и крепка и в силу своих высоких качеств имеет чрезвычайно широкое и разнообразное применение.

Близкой к дубу является древесина каштана и ясеня. Из мягких лиственных пород наибольшее практическое значение имеют береза, ольха и осина. Из них наибольшей прочностью отличается ольха, а большей крепостью береза. В силу незначительных различий в строении весенней и летней зоны годового слоя древесина этих пород находит себе большое применение для изготовления клееной фанеры.

Ольха, Alnus

Род растений семейства березовых. Около 30 видов в Северном  полушарии. В России насчитывается до 12 видов. Наиболее распространены ольха черная, или клейкая (A. glutinosa), и ольха белая, или серая (A. iueana). Ольха черная—дерево до 35 м высоты. Кора темно-бурая  с трещинами. Листья  обратнояйцевидные с выемкой на вершине. Молодые—блестящие, клейкие, а развитые — сверху темно-зеленые, снизу светло-зеленые. Соцветия — сережки — закладываются к осени (мужские — цилиндрические пониклые, женские—значительно короче). При  созревании плодов прицветные  чешуй-подобные  шишечки до 2 см длины. Плод—орешек, окаймленный мало заметным кожистым крылышком. 

Размножается семенами и порослью от пня. Встречается на сырых местах. Ольха белая  достигает в высоту до 15 м. Кора светло-серая. Листья яйцевидные, к вершине заостренные, молодые не блестящие и не клейкие. Позднее темно-зеленые с редкими волосками сверху и сизовато-серые снизу. Соцветия—как у черной. Шишечки до 1,5 см. Орешек с ясным крылышком. На очень сырых местах не растет. Дает обильную поросль от корней. Древесина свстлокрасная,  мягкая,  легкая,  малоэластичная, легко колется, прочна только в воде. Хорошо принимает окраску. Идет на постройки в воде, фанеру, грубо-резные изделия, для  мебели (имитация более ценных пород), для изготовления сигарных ящиков. Хорошее топливо. Кора применяется для дубления и для окраски тканей в кустарном производстве.

Консервация дерева

Консервация имеет целью предохранить дерево:

1. От преждевременного загнивания;
2. От разрушительного действия насекомых, животных и других его вредителей;
3. От легкой возгораемости.

Способы предохранения:

1. Сушка (естественная и искусственна);
2. Обугливание (непосредственно огнем или пламенем специальных переносных аппаратов в виде паяльных ламп);
3. Частичное удаление, пропаркой или вымачиванием, некоторых составных частей соков, способствующих разложению последних и могущих служить питанием для гнилостных грибов;
4. Обмазка и окраска дерева, предохраняющие его с поверхности;
5. Пропитка, подразделяющаяся на пропитку без дополнительного, сверх атмосферного давления и на пропитку с повышенным давлением. К первой можно еще отнести последовательную пропитку в двух ваннах, сперва в горячей и затем в холодной, и способ «Кобра », при котором противогнилостное вещество в виде пасты вводится в дерево через уколы при посредстве аппарата с полой иглой.

Пропитка

Существуют два вида пропитки под давлением:

1. Пропитка с полным поглощением;
2. С ограниченным ограничением (по способу Рюпинга).

В первом случае в дереве остается по окончании операции все введенное в него количество антисептика, а во втором часть антисептика извлекается при помощи вакуума обратно. Причем качество пропитки (в отношении глубины проникания антисептика в дерево и равномерности его распределения) остается то же, лишь удаляется свободно находящийся в сосудах и между его вол окнами антисептик. Полученная при этом промазка клеточных стенок является таким же хорошим предохранителем, как и пропитка с полным поглощением. Пропитка по способу ограниченного поглощения сокращает расход антисептика в 4—5 раз.

Применяемые для пропитки вещества должны быть:

1. Достаточно ядовитыми, чтобы воспрепятствовать или затруднить развитие в дереве гнилостных начал;
2. Безвредными для людей и животных, приходящих в соприкосновение как с ними во время работ по пропитке, так и с пропитанным ими в дальнейшем;
3. Не действующими вредно на древесину и не повышающими по возможности ее возгораемости;
4. Хорошо усвояемыми древесиной и трудно вымываемыми из последнего;
5. Должно быть, по возможности мало летучими под действием высоких температур;
6. Оправдывающими экономически их применение;
7. Не препятствовала последующей окраске.

Антисептики

Из большого числа антисептиков практическое применение в настоящее время находят антисептики минерального происхождения:

• Поваренная соль (NaCl), слабо антисептичная сама по себе, но находящая оправдание своему применению там, где имеются под рукой соленые озера (Сиваш, Баскунчак, Аральское море);
• Хлористый цинк (ZnCl) применяется в настоящее время.

Недостатками хлористого цинка в отношении применения его для пропитки шпал служат его легкая вымываемость и разъедающее действие на железо и на древесину. Положительным качеством хлористого цинка служит его относительно невысокая стоимость. Медный купорос (Cn S0 4 +5H,0) мало применяется и только для телеграфных столбов.

Сулема

Сулема (хлористая ртуть—llgCI,) применения не имеет вследствие своей крайней ядовитости. В виду разъедающего действия ее на металлы она должна применяться для пропитки преимущественно путем вымачивания в открытых ваннах (деревянных, кирпичных, бетонных). Являясь сильнейшим антисептиком, сулема проникает в дерево только на 1,5—3 мм с поверхности, почему образующиеся позднее трещины открывают доступ гнилостным зародышам внутрь дерева, к непропитанной его части.

Кианизирование

Этот способ, называемый по имени изобретателя (Киан) кианизированием, практикуется в настоящее время еще и в несколько  измененных видах под названием:

• Улучшенного кианизирования в соединении с фтористым натрием, имеющим способность более глубоко проникать в дерево (до 25—30 мм);
• Диакианизирования, с предварительной пропаркой, что также значительно увеличивает глубину проникания антисептика.

Фтористый натрий (Na F) является хорошим антисептиком, не разъедающим металла и входящим в прочное соединение с древесиной.

Обладает слабой растворимостью в воде (около 4 %) , почему и не вымывается легко из пропитанного им дереве. Применяется не в чистом виде, а с небольшим добавлением различных органических примесей и продается под различными названиями (флюоксит, триолит, базилит). К антисептикам принадлежит и кремнефтористый натрий (Na s Si F,). Из масляных антисептиков применяются:

• Каменноугольное масло, называемое обычно креозотом;
• Антраценовое масло, смесь каменноугольного масла с мазутом (в пропорции 20—25% каменноугольного масла и 80—7 5 % мазута), и проч. Мазут для указанной смеси должен обладать, возможно, меньшей вязкостью.

Карболинеум

Далее находят себе применение: карболинеум, вещество, аналогичное каменноугольному креозоту, древесная смола в соединении с бихроматами или фтористым натрием, соли нафтеновых кислот и др. Крепость рабочих водных растворов солей металлов колеблется от 2 % до 5 %, маслянистые же антисептики применяются в натуральном виде. Стремление понизить их расход привело к применению эмульсий, получаемых химическим или механическим путем. Эмульсия получалась при посредстве аппарата гомогенизатора с добавлением ничтожного количества, какого- либо эмульгатора (аммиака, смоляного клея).

В виду относительной сложности приготовления и разнородности результатов пропитки эмульсии широкого применения не имели. Пропитке у большинства древесных пород поддается заболонная часть древесины, которой главным образом и угрожает опасность загнивания. Лесоматериалы, у которых снят весь или частью заболонный слой (переводные брусья, доски), пропитываются на ничтожную глубину, что все же служит достаточным предохранением от загнивания. Буковый лес благодаря своему строению пропитывается до сердцевины. Количества поглощаемого антисептика или его водного раствора при способах полного поглощения для соснового леса колеблются от 250—300 .

Пропитке маслами

По способу ограниченного поглощения (Рюпинга), практикуемого при пропитке маслами, на 1 м3 соснового дерева расходуется 63—68 кг. Поглощения каменноугольного масла шпалами из соснового, дубового и букового дерева относятся между собою как 1: 8 / 4: 1,5, или в целых числах 4: 3: 6. Некоторые породы, как например ель, не принимают пропитки в поперечном направлении к оси и могут пропитываться лишь в продольном направлении. Поэтому для пропитки ели последняя предварительно должна подвергнуться специальной обработке—накалыванию отверстий, от которых затем антисептик распространяется узко по длине древесных волокон.

Пропитка по способу полного поглощения осуществляется в специальных металлических, герметически закрывающихся цилиндрах, в которых оно подвергается некоторое время пропарке при давлении не свыше 1,5 атм. После этого в цилиндре делается разрешение, способствующее выходу части соков, затем вводится раствор антисептика. По заполнении антисептиком пустот между лесом в цилиндре и поглощении древесиной части раствора для большего поглощения подкачивается в цилиндр насосом раствор, пока не будет достигнуто нормальное поглощение (на шпалу объемом в 0,1 м3 около 27—30 кг раствора). Что достигается обычно при давлении в 6—8 атм.

Вакуум

Выдержав это давление от 1 часа, раствор выпускают, и процесс считается законченным. Пропарка в настоящее время не обязательной фазой процесса. Для пропитки по способу ограниченного поглощения, прежде всего после загрузки цилиндра лесом производится воздушное давление до 2 атм., затем, не понижая давлении, вводят антисептик, повышают насосом давление (до 6—8 атм.) и после выдержки удаляют при помощи вакуума часть антисептика. Вакуум совместно с действием находящегося в дереве в сжатом состоянии воздуха и дает возможность извлечь излишек масельного антисептика.

Предохранение дерева от возгораемости

Дерево, подвергаясь действию высоких температур, начинает разлагаться и выделяющиеся при этом газы при наличии огня воспламеняются.  Сделать дерево несгораемым нельзя, но можно до известной степени замедлить повышение температуры и понизить способность воспламеняться. Некоторой защитой от легкого воспламенения служит штукатурка, особенно если она нанесена по металлической сетке. Масляная окраска или покрытие дерево жидким (фуксовым) стеклом также предохраняет древесину до известной степени от возгорания. Более действительным средством является вымачивание или пропитка под давлением соответственными растворами, противодействующими воспламенению.

Введенные в дерево вещества (легкоплавкие), плавясь при повышении температуры, покрывают подобно слою окраски волокна и не дают им загораться (фосфорные соединения, бура). Аммиачные и сернокислые соединения, нагреваясь, выделяют газы, тушащие огонь. Аналогично действуют пары соляной кислоты и сернистая кислота. Применяется также смешанная пропитка взаимно друг друга разлагающими солями (борнокислым натрием и сернокислым магнием, дающими нерастворимый борнокислый магний). Вопрос предохранения дерева от огня особых технических затруднений не представляет, но должен в каждом отдельном случае разрешаться с точки зрения экономической  целесообразности  его применения.