изменениями в материале, сколько связанными с ними изменениями физико­механических характеристик материалов.

Химическая активность таких строительных материалов, как вяжущие вещества или минеральные добавки, зависит от их состава и строения (т. е. от активности составляющих их молекул), а также от тонкости измельчения. Причина последнего в том, что химические процессы протекают либо при непосредственном контакте этих веществ друг с другом (т. е. на их поверхности), либо при растворении веществ (растворение происходит также с поверхности). Таким обра­зом, чем больше поверхность вещества, тем оно активнее в химическом отношении. Поверхность сильно возрастает при увеличении степени измельчения его частиц (рис. 2.5).

Степень измельчения вещества характеризуется величиной, называемой удельной поверхностью. Удельная поверхность — суммарная поверхность всех частиц единицы массы вещества (см /г). Удельная поверхность тонкомолотых материалов достигает больших значений (см /г): обычного портландцемента —

2000. .2500, а тонкомолотого быстротвердеющего — 3000...4000. Чем больше удельная поверхность, тем быстрее частицы цемента взаимодействуют с водой и соответственно быстрее твердеет цемент.

Стандартизация материалов

Основные требования к качеству материалов, изделий и готовых конструкций массового применения устанавливаются Государственными стандартами Украины (ГОСТ), отраслевыми стандартами (ОСТ), техническими условиями (ТУ).

В ГОСТах и ТУ содержатся краткое описание материалов и способы его изготовления, указаны марки материалов и требования к их качеству, форма и размеры и допускаемые отклонения от них, а также правила транспортирования, приемки и хранения, обеспечивающие сохранность материала, а также методы испытаний. ГОСТы и ТУ — документы, устанавливающие, что данный материал или изделие одобрены для производства и применения при определенном его качестве.

Основные положения строительного проектирования и производства строительных работ регламентируются Строительными нормами и правилами (СНиП).

В части II СНиП «Нормы проектирования» содержатся сведения о том, в каких конструкциях и как следует применять строительные материалы с указанием необходимых требований к свойствам этих материалов.

В стандартах и СНиПах требования к свойствам материалов выражены в виде марок на эти материалы.

Марка строительных материалов — условный показатель, устанавливаемый по главнейшим эксплуатационным характеристикам или комплексу главнейших свойств материала. Так, существуют марки по прочности, плотности, морозостойкости, огнеупорности.

Один и тот же материал может иметь несколько марок по различным свойствам. Так, кирпич маркируют по прочности и морозостойкости, но основной из них считается марка по прочности — главнейшему эксплуатационному показателю. По прочности для всех природных и искусственных каменных материалов СНиПом установлены следующие марки: 4; 7; 10; 15; 25; 35; 50; 75; 100; 125; 150; 200; 300 и

т. д. до 3000. Цифра показывает минимально допустимый предел прочности материала, выраженный в кгс/см“ (например, кирпич марки 100 должен иметь прочность 100... 125 кгс/см² или 10... 12,5 МПа).

Теплоизоляционные материалы делят на марки по плотности. Это объясняется тем, что теплопроводность находится в прямой зависимости от плотности, но контролировать последнюю значительно проще (см. 2.4). Например, изделия из минеральной ваты выпускают марок 75; 100; 150 и т. д. (в этом случае размерность марки кг/м³).

ПРИРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ДРЕВЕСИНА И МАТЕРИАЛЫ ИЗ НЕЕ ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Древесину издавна широко применяют в строительстве благодаря сочетанию замечательных свойств: высокой прочности и небольшой плотности, малой теплопроводности, легкости обработки, простоте скрепления отдельных элементов, высокой морозостойкости и химической стойкости, декоративности. Наряду с этим у древесины много недостатков: наличие пороков, гигроскопичность и связанные с ней набухание и усушка изделий из древесины, приводящие к их короблению и растрескиванию; особенно серьезным недостатком является ее горючесть и подверженность гниению. Специфическая особенность древесины — анизотропность, т. е. различие свойств в разных направлениях, обусловленное ее волокнистым строением.

Сроки роста деревьев деловых пород (сосна, ель, лиственница и др.) до достижения товарной ценности в нашей климатической зоне составляют 40...60 лет. Поэтому рубка леса должна вестись строго с учетом возраста древесины и сопровождаться новыми посадками. Только в этом случае можно говорить, что древесина относится к возобновляемому сырью, в отличие, например, от горючих ископаемых.

Общеизвестно, что древесина — экологически чистый материал. При этом обычно подразумевается, что она как строительный материал безвредна для человека. Это верно, но понятие экологической чистоты древесины значительно шире. Человек получает древесину как материал в готовом виде, не используя энергию для ее производства, т. е. в этом случае исключается загрязнение окружающей среды промышленными выбросами. Отслужившая древесина самоуничтожается, естественно входя в круговорот природы. Однако экологичность древесины реализуется лишь в том случае, когда вырубка и посадка новых деревьев идут как единый процесс, не нарушая биологического равновесия в природе.

При заготовке и распиловке древесины образуется большое количество (до 50…60%) отходов: горбыль, стружки, опилки и т. п. Эти отходы и неделовую древесину подвергают более глубокой переработке с целью получения полноценных материалов.

Лесоматериалы довольно широко применяются для крепления горных выработок, так как древесина имеет относительно высокую прочность при небольшой массе, обладает упругостью, легко обрабатывается и сравнительно дешева. Основные недостатки дерева - неогнестойкость, значительный разброс прочностных показателей и недолговечность в связи с подверженностью гниению, которое особенно интенсивно происходит в подземных условиях. Вследствие гниения срок службы сосновой крепи в среднем составляет всего 2-3 года, а при неблагоприятных условиях (в выработках с исходящей вентиляционной струей и повышенной влажностью) - менее 1 года. Поэтому горные выработки с деревянной крепью приходится за срок их службы перекреплять, что, кроме значительных материальных и трудовых затрат, затрудняет работу подземного транспорта и проветривание выработок.

СТРОЕНИЕ И СОСТАВ ДРЕВЕСИНЫ

Макроструктура древесины — строение древесины, видимое невооруженным глазом. Рассматриваются три основных разреза ствола: поперечный — торцовый и два продольных — радиальный, проходящий через ось ствола, и тангенталъный, проходящий по касательной к годовым кольцам (рис. 3.1).

На поперечном разрезе древесины ствола виден ряд концентрических годовых колец, располагающихся вокруг сердцевины. Каждое годовое кольцо имеет два слоя: ранней (весенней) и поздней (летней) древесины. Ранняя древесина светлая и состоит из крупных тонкостенных клеток. Поздняя древесина более темного цвета, состоит из мелких клеток с толстыми стенками; поэтому она менее пориста и обладает большей прочностью, чем весенняя.

6)

Рис . 3.1. Строение ствола дерева: а — основные разрезы ствола; б — строение ствола дерева на поперечном разрезе; 1 — поперечный (торцовый); 2 — радиальный; 3 — тангенталъный; 4 — кора;

5— заболонь; б — сердцевина

S

Рис. 3.2. Строение клетки древесины:

1 — внутренняя полость клетки; 2—5 — слои стенки клет­ки, состоящие из микрофибрилл целлюлозы, уложенных под разными углами

В процессе роста дерева стенки клеток древесины внутренней части ствола, примыкающей к сердцевине, постепенно изменяют свой состав, одеревеневают и пропитываются у хвойных пород смолой, а у лиственных — дубильными веществами. Движение влаги в древесине этой части ствола прекращается, и она становится более прочной, твердой и менее способной к загниванию. Эту часть ствола у разных пород называют ядром или спелой древесиной.

Микроструктура древесины. Изучая строение древесины под микроскопом, можно увидеть, что основную массу древесины составляют клетки механической ткани, имеющие веретенообразную форму и вытянутые вдоль ствола. Срубленная древесина состоит из отмерших клеток, т. е. только из клеточных оболочек (рис. 3.2). Оболочки клеток сложены из нескольких слоев очень тонких волоконец, называемых микрофибриллами, которые компактно уложены и направлены по спирали в каждом слое под разным углом к оси клетки (подобно отдельным прядям в канате). Это обеспечивает высокую прочность древесине.

Микрофибрилла состоит из длинных, напоминающих цепь, молекул целлюлозы

• природного полимера состава (СбНю05)_п, где п = 2500...3000. Ее в древесине

35. .45 %. В клеточной оболочке содержатся и другие органические (лигниа —

20. .30 % и гемицеллюлозы — около 20%) и неорганические (0,17...0,27 %) вещества. Последние образуют золу при сжигании древесины.

ПОРОКИ ДРЕВЕСИНЫ

Пороками называют недостатки древесины, появляющиеся во время роста дерева и хранения пиломатериалов на складе. Степень влияния пороков на пригодность древесины в строительстве зависит от их вида, места расположения, размеров, а также от назначения древесной продукции. Один и тот же порок в некоторых видах продукции делает древесину непригодной, а в других понижает ее сортность или не имеет существенного значения. Поэтому в стандартах на конкретные виды лесопродукции имеются указания о допустимых пороках.

Пороки древесины можно разделить на _{г г}

^{r г} , а — соежистость; о, в — закомелистость

несколько групп: пороки формы ствола, округлая и ребристая; г, д — кривизна

^{т г} простая и сложная

пороки строения древесины, сучки,

трещины, химические окраски и грибковые поражения и покоробленности. Ниже рассмотрены основные виды пороков.

Пороки формы ствола легко определяются на растущем дереве, поэтому стволы таких деревьев могут быть отбракованы на лесосеке. К этой группе пороков относятся сбежистость, закомелистость и кривизна ствола (рис. 3.3).

Сбежистостъ — значительное уменьшение диаметра по длине ствола. Нормальным сбегом считается уменьшение диаметра на 1 см на 1 м длины ствола. Этот порок уменьшает выход обрезных пиломатериалов. Кроме того, в материале оказывается много перерезанных волокон, что снижает его прочность.

Закомелистость — резкое увеличение диаметра комлевой (нижней) части ствола. Закомелистость бывает круглой и ребристой. В любом случае она увеличивает количество отходов и искусственно вызывает косослой в готовой продукции.

Кривизна ствола — искривление ствола дерева в одном или нескольких местах. Сильная кривизна переводит древесину в разряд непригодной для строительных целей.

Пороки строения древесины представляют собой отклонения от нормального расположения волокон в стволе дерева: наклон волокон, свилеватость, крень, двойная сердцевина и др. (рис. 3.4).

Наклон волокон (косослой) — непараллельность волокон древесины продольной оси пиломатериала. Это явление (особенно при больших углах наклона волокон) вызывает резкое снижение прочности древесины и затрудняет ее обработку. Пиломатериал, имеющий косослой, обладает повышенной склонностью к короблению при изменении влажности.

Свилеватость — крайнее проявление косослоя, когда волокна древесины расположены в виде волн или завитков. Свилеватость в некоторых породах (орех, карельская береза) придает красивую текстуру древесине; такие породы используются в отделочных работах.

Крень — изменение строения древесины, когда годовые кольца имеют разную толщину и плотность по разные стороны от сердцевины. Крень нарушает однородность древесины.

^ Сучки — самый распространенный и

неизбежный порок древесины,

представляющий собой основание ветвей, заключенные в древесине. Они нарушают однородность строения древесины, вызывают искривление волокон

(свилеватость). Сучки уменьшают рабочее сечение пиломатериалов, снижая их прочность в 1,5. .2 раза (а в тонких досках и брусках и более).

По степени срастания сучков с древесиной ствола различают сучки сросшиеся, частично сросшиеся и несросшиеся (выпадающие). Особенно опасны сучки разветвленные (лапчатые). Здоровые сучки имеют древесину твердую и плотную без признаков гнили. Часто сучки загнивают вплоть до превращения в рыхлую порошкообразную массу — это так называемые табачные сучки.

Для изготовления несущих деревянных

конструкций используется древесина, имеющая только здоровые сросшиеся сучки. Количество и размещение сучков определяют сортность материала.

Трещины могут появляться как на растущем дереве, так и при высыхании срубленного дерева и пиломатериалов. Они нарушают целостность лесоматериалов, уменьшают выход высокосортной продукции, снижают прочность и даже делают их непригодными для строительных целей. Кроме того, трещины способствуют гниению древесины.

Различают следующие типы трещин: метик, морозобоина и отлуп, образующиеся на растущем дереве, и трещины усушки, образующиеся на

Рис. 3.4. Пороки строения древесины:

а — наклон волокон; б — сзилеватость; в — крень; г — двойная сердцевина

срубленной древесине.

Метик — внутренние трещины, идущие вдоль ствола от центра к периферии; трещин может быть несколько как расположенных в одной плоскости, так и крестообразно.

Морозобоина — наружная открытая продольная трещина, сужающаяся к центру. Такие трещины возникают при замерзании влаги в стволе во время сильных морозов.

Отлуп — полное или частичное отделение центральной части ствола от периферийной в результате усушки первой. Такие трещины располагаются по годовым кольцам.

Трещины усушки встречаются очень часто в древесине всех пород; они возникают в результате напряжений, вызванных неравномерной усадкой при быстрой сушке древесины на воздухе. Эти трещины направлены от периферии к центру вдоль волокон древесины.

Грибные поражения и химические окраски вызываются простейшими живыми организмами — грибами, развивающимися из спор и использующими древесину в качестве питательной среды, или микроорганизмами. Для развития грибов необходим кислород воздуха, определенная влажность и положительная температура. Различают грибы, поражающие деревья, растущие в лесу, и свежесрубленную древесину, и грибы, развивающиеся на деревянных конструкциях.

На растущих деревьях могут развиваться деревоокрашивающие грибы. Они питаются содержимым клеток, не затрагивая их стенки. Поэтому прочность такой древесины изменяется незначительно, но на древесине появляются цветные пятна и полосы.

Изменение окраски древесины без изменения ее механических свойств может происходить из-за биохимического окисления дубильных веществ, провоцируемого микроорганизмами.

Значительно более опасны дереворазрушающие грибы. Они питаются матери­алом стенок клеток — целлюлозой, разлагая ее с помощью ферментов до глюкозы.

Это возможно только при достаточной влажности древесины. Глюкоза в теле гриба используется в процессе его жизнедеятельности и, в конце концов, превращается в углекислый газ и воду.

Известно большое число дереворазрушающих грибов. Среди них наиболее часто встречаются так называемые домовые грибы. При поражении такими грибами древесина делается трухлявой и легкой, а на ее поверхности появляется налет плесени в виде мягких подушечек. Домовый гриб может разрушить древесину очень быстро (в течение нескольких месяцев).

Процесс гниения прекращается при снижении влажности древесины до 18...20 % (сухая древесина не гниет), снижении температуры ниже 0° С или исключении поступления кислорода.

Повреждения насекомыми (червоточины) представляют собой ходы и отверстия, проделанные в древесине насекомыми (жуками-короедами, точильщиками). Они живут в древесине и ею же и питаются. Жуки-точильщики могут развиваться в сухой древесине и даже в мебели.

Поверхностные червоточины не влияют на механические свойства древесины, так как при распиловке уходят в горбыль. Глубокие червоточины нарушают целостность древесины и снижают ее прочность.

Покоробленности — нарушение формы пиломатериалов при изменении ее

влажности при сушке и хранении или под действием внутренних напряжений при продольной распиловке крупных элементов на более мелкие. Покоробленность бывает поперечная, продольная (простая и сложная) и винтообразная (крыловатость).

ОСНОВНЫЕ ПОРОДЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ

ВЫРАБОТОК

Для крепления горных выработок применяют в основном хвойные породы леса

• сосну, ель, лиственницу, кедр, пихту, реже лиственные - дуб, бук, березу).

Сосна — наиболее распространенная хвойная порода. Древесина сосны светло­золотистого цвета; она характеризуется высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами и хорошо поддается обработке.

Древесина лиственницы по внешнему виду напоминает древесину сосны, но обладает большей плотностью и прочностью. Цвет ее более темный, чем у сосны. Древесина лиственницы характеризуется повышенной стойкостью против загнивания в условиях переменной влажности благодаря высокой смолистости. Поэтому ее применяют для гидротехнических и подземных сооружений, а также для изготовления шпал.

Ель — распространенная хвойная порода, древесина которой отличается малой смолистостью при относительно высоких прочностных показателях. Однако при использовании в сырых местах быстро загнивает. Из ели изготавливают строительные конструкции, эксплуатируемые в сухих условиях.

Древесина пихты белого цвета, по внешнему виду напоминает древесину ели. Физико-механические ее свойства близки к свойствам ели, однако она еще менее стойка к загниванию. В строительстве используют для тех же целей, что и древесину ели.

Кедр имеет легкую прочную и хорошо обрабатывающуюся древесину. Кроме угольной промышленности его применяют в столярном и мебельном производстве.

Лиственные породы

Дуб обладает тяжелой, плотной, твердой и очень прочной древесиной желтоватого цвета с красивой текстурой; она хорошо сохраняется как на воздухе, так и под водой.

Ясень имеет тяжелую, твердую и прочную древесину, по виду и строению напоминающую древесину дуба, но более светлой окраски.

Бук имеет плотную и прочную древесину белого цвета с красноватым оттенком. Бук применяют для изготовления паркета, фанеры, высококачественных столярных изделий и мебели.

Береза — самая распространенная в наших лесах лиственная порода. Древесина ее твердая и прочная, но недолговечная в условиях попеременного увлажнения и высушивания. Это основное сырье для изготовления фанеры, столярных изделий и мебели.

Осина имеет мягкую и легкую древесину белого цвета с зеленоватым оттенком; во влажном состоянии она быстро загнивает. Осина легко раскалывается вдоль волокон, поэтому применяется для изготовления фанеры, кровельных материалов (щепы, гонта, лемеха) и тары.

ЛЕСОМАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ

Лесоматериалами (лесным сортаментом) называют материалы из древесины, сохранившие ее природную структуру и состав. Их подразделяют на необработанные (круглые) и обработанные (пиломатериалы, колотые материалы, шпон и др.). Изделия из древесины получают из лесоматериалов путем механической обработки и в ряде случаев соединения отдельных фрагментов в изделие с помощью склейки или крепежных материалов.

Круглые лесоматериалы — очищенные от сучьев отрезки древесных стволов. В зависимости от диаметра верхнего торца круглые лесоматериалы подразделяют на бревна, подтоварник и рудничные стойки.

Бревна строительные и пиловочные из хвойных и лиственных пород должны иметь диаметр верхнего торца не менее 14 см и длину 4...6,5 м, ошкуренную поверхность, а торцы их должны быть опилены под прямым углом к продольной оси. Для строительных конструкций (здания, гидротехнические сооружения, мосты ит. п.) обычно применяют бревна из хвойных пород. Пиловочные бревна готовят из хвойных и лиственных пород для получения различных пиломатериалов.

В последние годы получили распространение оцилгтдрованные бревна, получаемые из обычных бревен обработкой их на токарном станке, в результате чего они приобретают цилиндрическую форму (без «сбега»). Такая форма облегчает возведение срубов и другие плотницкие работы.

Подтоварник — часть ствола дерева с диаметром верхнего торца 8... 13 см и длиной 3...9 м. Их используют для различных целей в жилом и промышленном строительстве, а также для вспомогательных сооружений.

Рудничные стойки круглый лесоматериал длиной 0,5 - 5 м и толщиной в верхнем торце 7-30 см. Отклонения длины стоек допускаются в размере ± 2см, диаметра - 0,5 см для стоек толщиной до 11 см (включительно) и 1 см для стоек толщиной 12 см и более.

Пиломатериалы получают при продольной распиловке бревен. Для крепления горных выработок применяют в основном следующие пиломатериалы.

Распилы - стойки, распиленные пополам вдоль продольной оси.

Пластины получают при продольном распиливании бревен на две половины, четвертины — по двум взаимно перпендикулярным диаметрам. Пластины и распилы в основном служат в качестве верхняков временной крепи, прогонов и для затяжки боков и кровли выработок.

Обаполы и горбыли — крайние части ствола дерева, распиленного на брусья или доски. Обапол может быть горбыльным, когда пропил имеется только с одной стороны, и дощатым - с пропилом с двух сторон. Используются в основном для затяжки кровли и боков выработок.

Доски в зависимости от чистоты опиловки продольных кромок бывают необрезные с неопиленными кромками на длину более половины длины доски и обрезные — опиленные полностью или более чем на половину длины доски. Длина досок до 6,5 м с градацией через 0,25 м. В зависимости от качества древесины и ее обработки доски делят на пять сортов. Доски применяют для затяжки боков и кровли выработок, устройства кружал, опалубки, полков, обшивки ходовых отделений и перемычек.

Брусья - пиломатериалы, толщина которых равна ширине или более половины ширины. Стороны брусьев называют кантами. Различают брусья четырехкантные, у которых пропилены четыре стороны, и двухкантные, у которых пропилены только