I часть. Группы древесных пород 3 страница
В древесине постоянно имеется влага гигроскопическая и капиллярная (свободная).
Гигроскопическая (связанная)влага за счет молекулярных сил адсорбции и капиллярной конденсации закрепляется в стенках клеток и покрывает поверхность мельчайших пор водными оболочками. Клетки при этом набухают, увеличиваются в объеме, что приводит к снижению прочности. Влажность древесины, соответствующая предельному количеству гигроскопической влаги, называется точкой насыщения волокон(ТНВ).
Капиллярная (свободная) влага заполняет полости клеток и межклеточное пространство в условиях водопоглощения при контакте древесины с водой.
Влажность, которую древесина набирает при длительном нахождении в условиях с постоянными значениями относительной влажности и температуры, называется равновесной.
В связи с тем, что основные свойства древесины находятся в непосредственной зависимости от влажности древесины, то все показатели ее свойств приводятся к стандартной влажности, равной 12 %.
Механические свойства древесины неодинаковы в различных направлениях и также зависят от многих факторов. Показатели строения и некоторых свойств древесных пород приведены в табл. 12.
Сильное влияние на качество древесины оказывают пороки древесины.
Пороками древесины называют изменения ее внешнего вида, нарушения правильности строения, целостности ее тканей и другие недостатки, снижающие качество древесины и ограничивающие возможности практического использования. По ГОСТ 2140 пороки древесины разделены на девять групп. В каждую группу входит несколько видов пороков. Некоторые из них делятся на разновидности.
Таблица 12
Средние показатели строения и свойств древесины
| Порода | Число годичных слоев в 1 см | ¯, кг/м3 | Предел прочности, МПа | ||
| При сжатии вдоль волокон | При статическом изгибе | При растяжении вдоль волокон | |||
| Береза | |||||
| Бук | |||||
| Дуб | |||||
| Ель | |||||
| Осина | |||||
| Сосна |
Сучки являются самыми распространенными и неизбежными пороками древесины. Они нарушают однородность строения древесины, вызывают искривление волокон и годичных слоев, уменьшают рабочее сечение пиломатериалов, понижают прочность древесины, затрудняют ее механическую обработку и ухудшают внешний вид готовых изделий.
По состоянию древесины различают сучки здоровые, загнившие, гнилые и табачные.
По степени срастания различают сросшиеся, частично-сросшиеся, несросшиеся и выпадающие несросшиеся сучки.
По взаимному расположению – разбросанные, групповые и разветвленные.
Для изготовления несущих деревянных конструкций допускается древесина, имеющая лишь здоровые сучки, число и размеры которых ограничены для каждого сорта материала.
Трещины образуются в растущем дереве от усыхания ядра, раскачивания ветром, от мороза, а также при высыхании срубленного дерева.
По форме и расположению трещины делятся на сквозные и несквозные, на сомкнутые и разошедшиеся. Они могут располагаться как на одной плоскости (простые), так и на нескольких (сложные). Различают метиковые трещины, проходящие вдоль оси ствола через сердцевину, по радиусу или диаметру; отлупные, проходящие вдоль оси ствола по годичному кольцу; трещины усушки, возникающие от неправильной сушки и хранения сортамента; морозные, располагающиеся около корней и сучков и проходящие вдоль оси ствола через заболонь и камбий.
Пороки формы ствола. Сбежистость и закомелистость характеризуют соответственно постепенное и резкое изменение диаметра ствола по его длине. Кривизна – отклонение продольной оси сортамента от прямой линии.
Пороки строения древесины – неправильное расположение или развитие волокон и годичных слоев:
– обусловленные неправильным расположением волокон и годичных слоев (наклон волокон, свилеватость, завиток);
– обусловленные образованием реактивной древесины (крень, тяговая древесина);
– в виде нерегулярных анатомических образований (ложное ядро, прожилки, пятнистость);
– в виде ран (сухобокость, прорость, рак);
проявляющиеся в виде ненормальных отложений (водослой, засмолок, кармашек);
– пасынки и глазки;
– двойная и смещенная сердцевина.
Химические окраски – ненормально окрашенные участки в срубленной древесине в результате развития химических и биохимических процессов (продубина, желтизна).
Грибные поражения (плесень, синева, гниль, дупло).
Биологические повреждения (червоточина, повреждения растениями и птицами).
Покоробленности возникают при неправильной распиловке, сушке или хранении древесины.
Инородные включения, механические повреждения и пороки обработки (обугленность, обдир коры, обзол, закорина, заруб, скол, вырыв).
Часть пороков значительно изменяет качество древесины, а некоторые повышают декоративность.
Цвет зависит от содержания красящих, дубильных и смолистых веществ и продуктов их окисления, имеющихся в полостях и стенках клеток. На цвет влияют возраст и район произрастания дерева, а также состояние древесины (влажность). Наибольшее количество пород древесины имеет розовато-бурые и красноватые тона, меньше – желтые и совсем мало пород, имеющих красные, черные и серые тона.
Цвета отдельных кусочков шпона в мозаичном наборе, вступая в определенные отношения, создают цветовую гамму. Отношение цветов может быть построено на контрасте, нюансе или тождестве, что определяется конкретной задачей. Цветовое решение подчиняется художественному содержанию набора. В случае украшения мебели, цветовое решение должно быть увязано с назначением, формой и цветом украшаемой мебели.
Свойства цветов – кажущееся удаление (приближение) цветовой поверхности от зрителя; слияние цветов на расстоянии; влияние цвета на кажущееся увеличение (уменьшение) размеров детали; изменение цвета при искусственном освещении; ощущение тепла или холода. Светлые элементы на темном фоне кажутся больше, а темные на светлом – меньше истинных размеров. Искусственный цвет также значительно изменяет цветовой тон и яркость.
Расширить и обогатить палитру помогает умелое использование законов восприятия цвета, в частности закона хроматического контраста:
цвета взаимно влияют друг на друга;
противоположные цвета спектра наиболее контрастны по отношению друг к другу. Помещенные рядом, они усиливают яркость и насыщенность;
при соседстве близких по тону цветов, насыщенность обоих уменьшается;
ахроматический тон на цветовом фоне приобретает цветовой оттенок.
Блеск способность отражать световой поток. Он зависит от количества, величины и характера расположения сердцевинных лучей, вида разреза. Влияет освещение. Характер блеска неодинаков у разных пород. В значительной степени блеск проявляется у бука, клена, чинары, белой акации.
На блеск влияет также характер размещения сердцевинных лучей: чем крупнее сердцевинные лучи (дуб) и чем плотнее древесина, т.е. чем кучнее расположены сердцевинные лучи (клен), тем значительнее будет блеск.
В древесине различают следующие разновидности блеска:
матовый (сатиновый) блеск – дуб, тополь, осина, береза, груша, липа, тик;
шелковистый блеск – ива, вяз, ясень, черемуха, чинара, кедр, клен;
муаровый блеск (с волнообразным отливом) – береза, лавровишня;
золотистый блеск – черешня.
Блеск и цвет древесины зависят не только от ее природных свойств, но и от условий освещения, что называют светоотражением древесины. При поворачивании поверхности древесины по отношению к источнику света наблюдаются светотеневые переливы: матовые места становятся блестящими, темные – светлыми, и наоборот. Светотеневые переливы у одних пород хорошо заметны только на продольном разрезе, у других – на всех разрезах. Они существенно влияют на декоративные качества древесины, усиливая или ослабляя ее выразительные звучание. Под влиянием блеска цвет древесины меняет оттенок, приобретая золотистый или серебристый отлив.
Для усиления цвета и блеска древесины применяют:
отбеливание – обработка древесины отбеливающими средствами (пергидроль, цианистая и щавелевая кислоты);
обжиг пламенем газовой горелки с предварительной обработкой соляной кислотой для предотвращения растрескивания и коробления.
Текстура (рисунок, созданный природой) зависит от строения и вида разреза. Чем сложнее строение древесины и разнообразнее сочетания отдельных ее элементов, тем богаче текстура. Текстура лучше у кольцесосудистых древесных пород. На текстуру влияют также ширина годичных слоев, степень различия в окраске ранней и поздней древесины, наличие сердцевинных лучей и капа, направление волокон, свилеватость и др.
Цель работы
Изучить строение древесины, степень ее однородности, содержание поздней древесины и влияние этих показателей на механические свойства. Исследовать влияние влажности на прочность древесины. Рассмотреть пороки древесины и оценить их возможные влияния на качество изделий.
Порядок выполнения работы
Каждое звено студентов получает образцы древесины, выдержанные в условиях лаборатории длительное время и определяет:
– равновесную влажность;
– число годичных слоев в 1 см и содержание поздней древесины;
– рассчитывает пределы прочности древесины при сжатии вдоль волокон и при изгибе в тангенциальном направлении по процентному содержанию поздней древесины, применяя эмпирические формулы;
– определяет действительную прочность древесины испытанием и сравнивает полученные данные с рассчитанными значениями;
определяет породу древесины по внешнему виду (приложение).
Студенты изучают пороки древесины по атласам, каталогам, стандартам, образцам, делают их зарисовки и анализируют их влияние на свойства изделий из древесины.
Методы испытаний
1. Определение равновесной влажности древесины
Равновесная влажность древесины определяется с помощью психрометра, психрометрической таблицы (табл. 13) и диаграммы Н.Н. Чулицкого (рис. 6).
Контрольный пример. Температура воздуха в лаборатории 19 °С, показания влажного термометра психрометра 15 °С. По табл. 12 при разнице показаний (tсух – tвл) =4 °С для 20 °С влажность воздуха равна 60 %, а для 19 °С – 58,5 % (по интерполяции).
По диаграмме Н.Н. Чулицкого на пересечении горизонтальной линии, характеризующей влажность воздуха (Wвозд = 58,5 %) и вертикальной линии, характеризующей температуру воздуха (tсух = 19 °С) определим равновесную влажность древесины, которая составляет 11 % (по ближайшей наклонной линии с интерполяцией).
| О т н о с и т е л ь н а я в л а ж н о с т ь в о з д у х а, % | 
|
Т е м п е р а т у р а в о з д у х а, °С
Рис. 6. Диаграмма для определения равновесной влажности древесины
2. Определение числа годичных слоев в 1 см
и содержания поздней древесины
Расстояние между метками (длина измеряемого участка l) замеряют с погрешностью 0,5 мм. Количество целых годичных слоев, приходящихся на 1 см, подсчитывают путем деления числа слоев на участке на протяженность участка в см.
В каждом годичном слое между отметками при помощи инструментального микроскопа или другого измерительного прибора, имеющего погрешность нe более 0,1 мм, измеряют ширину зоны поздней древесины, затем все величины на данном отрезке суммируют.
Таблица 13
Психрометрическая таблица
| Показания влажного термометра,°C | Разность показаний сухого и влажного термометров, °C | |||||||||
| 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 3,5 | 4,0 | 4,5 | 5,0 | 5,5 | 6,0 | |
Вычисляютпроцентное содержание поздней древесины по отношению к длине всего участка l по формуле
S ai
Z = ----- 100 %,
l
где Z – содержание поздней древесины, %; ai – ширина зоны поздней древесины каждого годичного слоя, мм; l – длина исследуемого участка, мм.
Для определения числа годичных слоев в 1 см на торцевой поверхности образца по радиальному направлению отмечают границы целых годичных слоев на участке, равном 20 мм, и подсчитывают число слоев (рис. 7). Пользуясь эмпирическими формулами, вычисляют предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон и предел прочности древесины при изгибе в тангентальном направлении
Rсж = 0,6 Z + 30, Rизг = 1,4 Z + 35.
По числу годичных слоев в 1 см следует охарактеризовать однородность образцов древесины, сравнивая результаты всех звеньев.
Рис. 7. Схема замеров ширины зоны поздней древесины
3. Определение предела прочности древесины при сжатии вдоль волокон
Образцы изготовляют в форме прямоугольной призмы основанием 20х20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм. Перед испытанием замеряют штангенциркулем размеры поперечного сечения с погрешностью 0,1 мм. Образец устанавливают на опорной плите пресса таким образом, чтобы действующая нагрузка была направлена вдоль волокон.
Предел прочности древесины при сжатии вычисляют по формуле
N
Rсж= -------------- ,
К12 ·a b
где Rсж – предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон при стандартной влажности, равной 12 %, МПа; N – разрушающая нагрузка, Н; К12 – коэффициент пересчета предела прочности древесины при сжатии с равновесной влажности на стандартную влажность (табл. 14); а, b – размеры поперечного сечения, м.
Таблица 14
Значения коэффициента К12 при определении Rсж (сосна)
| ,% | К12 | ,% | К12 | ,% | К12 | ,% | К12 |
| 1,490 | 1,000 | 0,685 | 0,495 | ||||
| 1,401 | 0,950 | 0,650 | 0,480 | ||||
| 1,325 | 0,900 | 0,615 | 0,470 | ||||
| 1,250 | 0,855 | 0,585 | 0,455 | ||||
| 1,190 | 0,805 | 0,560 | 0,450 | ||||
| 1,125 | 0,760 | 0,535 | — | — | |||
| 1,060 | 0,725 | 0,515 | — | — |
4. Определение предела прочности древесины при изгибе
Образцы изготовляют в виде прямоугольного бруска сечением 20х20 мм и длиной вдоль волокон 300 мм. Посередине длины образца штангенциркулем измеряют ширину образца в радиальном направлении и высоту в тангентальном направлении с погрешностью 0,1 мм.
Испытания производят по схеме, представленной на рис. 8.
Рис. 8. Схема испытания древесины на изгиб
Предел прочности древесины при изгибе вычисляют по формуле
3 N l
Rизг = --------------,
2(К12 b h2)
где Rизг – предел прочности древесины при изгибе при стандартной влажности, МПа; N – разрушающая нагрузка, Н; К12 –коэффициент пересчета предела прочности древесины при изгибе с равновесной на стандартную влажность (табл. 15); b, h, l – размеры поперечного сечения и расстояние между опорами, м.
Таблица 15
Значения коэффициента К12при определении Rизг (сосна)
| ,% | К12 | ,% | К12 | ,% | К12 | ,% | К12 |
| 1,360 | 1,000 | 0,750 | 0,610 | ||||
| 1,310 | 0,955 | 0,720 | 0,600 | ||||
| 1,260 | 0,915 | 0,700 | 0,595 | ||||
| 1,195 | 0,880 | 0,670 | 0,590 | ||||
| 1,140 | 0,845 | 0,655 | 0,580 | ||||
| 1,090 | 0,815 | 0,640 | — | — | |||
| 1,050 | 0,780 | 0,625 | — | — |
5. Изучение пороков древесины
Изучение пороков древесины производится по образцам, плакатам, атласам и стандартам. Пороки измеряются и зарисовываются. Дается заключение об их возможном влиянии на свойства древесины.
Выводы по работе
По полученным результатам сделать заключение о состоянии древесины по показателю равновесной влажности. Охарактеризовать степень однородности образцов древесины (по числу годичных слоев в 1 см), сравнивая результаты всех звеньев. По результатам определения прочности сделать вывод о том, каким видам нагрузки древесина сопротивляется лучше и почему. Составить рекомендации по использованию древесины в строительных конструкциях.
Дать заключение о возможности использования эмпирических формул для предварительной оценки прочности древесины.
Контрольные вопросы
1. Укажите положительные свойства древесины.
1. Биохимическая стойкость. 2. Способность к набуханию и усушке.
3. Сравнительно высокая прочность при небольшой плотности.
4. Гигроскопичность.
2. Укажите недостатки древесины как строительного материала.
1. Анизотропность. 2. Малая плотность.
3. Малая твердость и легкость механической обработки.
4. Малая теплопроводность и высокий ККК.
3. Что называют точкой насыщения волокон?
1. Предельно возможное количество влаги.
2. Влажность свежесрубленной древесины.
3. Влажность древесины, соответствующая предельному количеству гигроскопической влаги. 4. Равновесную влажность древесины.
4. Каким видам нагрузки лучше всего сопротивляется древесина?
1. Растяжению вдоль волокон. 2. Статическому изгибу.
3. Сжатию поперек волокон. 4. Сжатию вдоль волокон.
5. От какого вида влаги существенно зависит прочность древесины?
1. От количества гигроскопической влаги.
2. От количества капиллярной влаги.
3. От разности между гигроскопической и капиллярной влаги.
4. От общей влажности древесины.
6. Какие показатели необходимы для определения равновесной влажности древесины по диаграмме Н. Н. Чулицкого?
1. Относительная влажность воздуха и влажность древесины по массе.
2. Температура и относительная влажность воздуха.
3. Температура воздуха и влажность древесины по массе.
4. Температура воздуха и точка насыщения волокон.
Лабораторная работа № 3
КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Общие сведения
Строительная керамика – искусственный камнеподобный материал, получаемый из рыхлого глинистого сырья путем его измельчения, увлажнения с последующими операциями формования, сушки и обжига при высоких температурах.
Глинистое сырье – смесь глинообразующих минералов (водные алюмосиликаты) и примесей. Важнейшими минералами являются каолинит (Al2O3·2SiO2·2H2O), гидрослюда (K2O·MgO·4Al2O3·7SiO2·2H2O) монтмориллонит (Al2O3·4SiO2·nH2O) и др. Примесями считаются кварцевые, карбонатные, железистые, гипсовые, органические включения.
Разнообразие свойств керамических материалов и изделий зависит от вида сырья, от его химико-минералогического и зернового составов, состава сырьевой шихты, особенностей технологии и условий обжига.
В процессе сушки отформованных изделий из глиняного теста испаряется вода, частицы глины сближаются, что сопровождается воздушной усадкой – уменьшением линейных размеров и объема изделий.
Для регулирования отдельных технологических параметров глинистого сырья в керамическую шихту вводят различные добавки: отощители (снижают пластичность и уменьшают воздушную усадку), пластификаторы (повышают пластичность и связность массы), плавни (снижают температуру спекания); выгорающие добавки (повышают пористость изделий при обжиге) и др.
При обжиге происходят изменения в глинообразующих минералах, примесях и добавках. Рост плотности и прочности изделий при обжиге объясняется прослойками образующегося расплава, который за счет энергии поверхностного натяжения сближает и связывает твердые частицы. Уплотнение и упрочнение керамических изделий при обжиге называется спеканием, сопровождаемое огневой усадкой (до 6 %).
Обжиг изделий, которые должны обладать прочностью и пористостью, ведут в условиях, когда в изделиях образуется минимальное количество расплава, что обеспечивает лишь цементацию всей системы и достаточную прочность керамического черепка (Rсж > 5 МПа).
Обжиг изделий, которые в условиях эксплуатации должны быть плотными, прочными, износостойкими и водонепроницаемыми (плитки для полов), ведется при более высоких температурах (до 1250 °С) до полного спекания. Это позволяет получить плотный спекшийся черепок с малыми значениями пористости и водопоглощения.
Цель работы
Изучить основные свойства изделий строительной керамики; исследовать их зависимость от степени спекания; определить показатели плотности, пористости и водопоглощения; установить марку керамического кирпича по прочности. Сравнить полученные результаты с данными, приведенными в табл. 16.
Таблица 16
Исходные материалы для исследований
| Вид керамики | Интервал обжига, °С | Водопоглощение, % |
| Кирпич керамический рядовой | 800…1100 | > 8 |
| Плитки для внутренней облицовки | 950…1100 | < 16 |
| Плитки для полов | 1150…1250 | < 3,8 |
| Трубы канализационные | 1100…1160 | 11 |
Порядок выполнения работы
Для решения задач исследования, поставленных в работе, каждое звено студентов испытывает образцы одного из видов строительной керамики, исходные данные по которым приведены в табл. 16.
Для каждого вида строительной керамики определяются показатели водопоглощения, открытой пористости и плотности образцов. Кроме того, каждое звено студентов испытывает образцы кирпича для определения пределов прочности при изгибе и сжатии.
Методы испытаний
1. Определение водопоглощения, открытой пористости и плотности
Для испытаний берутся образцы кирпича ввиде целых изделий или отколотые (выпиленные) образцы из облицовочных плиток и плиток для полов объемом 50...100 см3. Образцы высушиваются до постоянной массы, очищаются и взвешиваются: кирпичис погрешностью1 г, а другие образцы с погрешностью 0,01 г.
Для определения водопоглощения кирпичи насыщают водой в течение48 часов. Предварительно определяют геометрические размеры кирпича с погрешностью 0,1 мм. Каждый линейный размер вычисляют как среднее арифметическое трех измерений – двух параллельныхдруг другу ребер и средней линии между ними. Затем образцы кирпича укладывают в сосуд с водой на ложковые грани в один ряд на подкладку. Уровень воды в сосуде должен быть выше верха образцов в пределах 2…10 см. Расстояние между образцами должно быть не менее 2 см. Через 48 часов образцы вынимают из сосуда с водой, обтирают влажной мягкой тканью, взвешивают не позднее чем через 5 минут.
Образцы плиток насыщаются водой при кипячении в течение 3 часов.
Допускается насыщение кирпича производить в течение 2 часов, а плиток в течение 1 часа кипячением, при этом процесс насыщения остается неизменным, а установленный показатель водопоглощения по массе в процентах умножается на коэффициент 1,1 (установлен сравнительными определениями водопоглощения).
Для определения открытой пористости образца, равной его водопоглощению по объему Wоб, и средней плотности образца необходимо определить его объем. Для образцов неправильной геометрической формы применяют объемомер (см. рис. 4).
Водопоглощение по объему Wопоказывает степень заполнения водой объема образца и характеризует величину открытой пористости p от
mнас – mсух
Wоб = pот = ----------------- ·100 % ,
rводы · Vобр
где mсух – масса сухого образца, г; m нас – масса насыщенного водой образца, г; rводы – плотность воды, г/см3; Vобр – объем образца, см3.
Средняя плотность образцов определяют по формуле