Древесные материалы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

САХАЛИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА МЕНЕДЖМЕНТА ОРГАНИЗАЦИИ

КИМ Ми Дя

ДРЕВЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Р е ф е р а т

Специальность: 061100 (080507.65) — менеджмент организации Специализация: 061100 (080507.65-11) — производственный менеджмент

Проверила:

старший преподаватель

Фролова О.С._________

Южно-Сахалинск, 2009

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ              3

1.      СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ………………………………………………….5

2.      ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ………………………………9

3.      МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ………………………….13

4.      ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ………………………………………16

5.      ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ……………….18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………..19

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК              20

ВВЕДЕНИЕ

Древесина относится к одному из весьма распространенных строительных материалов. Древесные материалы применялись в строительстве с глубокой древности. Еще в XII... XIII вв. русскими зодчими были созданы замечательные сооружения из древесины — мосты, стеновые укрепления, великолепные по архитектурной выразительности и долговечности здания. Некоторые из них сохранились и до сих пор как памятники архитектуры.

В XVIII...XIX вв. древесина оставалась одним из основных строительных материалов в России.

Основные лесные массивы произрастают в России главным образом в Сибири и на Дальнем Востоке. Это огромная общественная ценность, определяющая климатические условия в стране, сохраняющая здоровье человека.

Древесина обладает рядом положительных свойств. К достоинствам этого материала, объясняющим причины широкого использования ее в строительстве, относятся, во-первых, достаточно высокая прочность — при сжатии предел прочности составляет 35... 70 МПа, при растяжении и изгибе пределы прочности, равны 80... 120 МПа; во-вторых, легкость — средняя плотность древесины составляет примерно 400...600 кг/м3 (у самых распространенных пород— сосны, ели, лиственницы, дуба).

Сочетание высокой прочности и легкости обеспечивает высокий коэффициент конструктивного качества (ККК) древесины. Этот коэффициент равен отношению предела прочности при сжатии материала к его средней плотности. У древесины этот коэффициент равен 0,7 и выше, тогда как у кирпича 0,06...0,15, у стали марок 3 и 5 — от 0,5 до 1,0.

Высокие показатели ККК у пластмасс. Низкая теплопроводность (особенно поперек волокон); высокая химическая стойкость в отношении кислот и щелочей; технологичность при использовании: гвоздимость, легкая обрабатываемость, надежная склеиваемость и т. д.; красивый внешний вид дерева делают его эффективным отделочным материалом.

Но древесина обладает и некоторыми недостатками, ограничивающими области ее применения: анизотропностью, т. е. неоднородностью ее структуры и свойств в разных направлениях; повышенной гигроскопичностью. Оба эти недостатка приводят к неравномерному набуханию, короблению и растрескиванию пиломатериалов из древесины. К недостаткам относятся также загни-ваемость в переменно-влажностных условиях; легкая возгораемость, наличие разнообразных пороков, снижающих сортность древесных материалов. Большинство этих недостатков возможно преодолевать техническими мероприятиями и созданием благоприятных условий при эксплуатации конструкций из древесины.

1. СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ

1.1. Строение

Ствол составляет главную часть дерева. На поперечном разрезе ствола различают следующие основные части: кору, камбий, собственно древесину и сердцевину.

Кора имеет два слоя — наружный пробковый, представляющий собой мертвую корку, предохраняющую дерево от внешних влияний и повреждений, и внутренний — лубяной, по которому питательные вещества поступают из кроны.

Камбий — следующий за корой слой, представляющий собой жизнедеятельную ткань, в которой развиваются клетки для роста древесины и частично коры. Новые клетки образуются путем деления исходных клеток на две части, причем одна из них остается в камбиальном слое, а десять других переходят в древесину.

Оболочки клеток спустя некоторое время после их образования превращаются в целлюлозу.

1.2. Макроструктура

Строение ствола рассматривают по трем разрезам: поперечному, или торцовому, проходящему в плоскости, перпендикулярной оси ствола, радиальному, делаемому через ось ствола, и тангентальному, идущему по хорде, т. е. в плоскости оси ствола, на некотором от нее расстоянии.

Рост древесины, происходящий в весенний и летний периоды года, прекращается осенью.

Образуемый в период роста новый слой древесины состоит из клеток, появившихся весной,— более крупных, рыхлых, и клеток, образовавшихся летом,— мелких, но плотных и с толстыми стенками. Цвет летней древесины темнее из-за более плотных клеток.

Таким образом, видимая в поперечном сечении ствола древесина состоит из концентрических слоев, получивших название годовых. Рост дерева в диаметре и в высоту определяет собой и характер построения годовых колец по высоте в форму конусов, что хорошо видно на тангентальном разрезе ствола.

На радиальном разрезе годовые слои заметны в виде продольных полос, а на тангентальном в виде гиперболических линий. Следовательно, чем ближе разрез к вершине дерева, тем меньше годовых колец, и определить возраст дерева по годовым кольцам можно лишь по нижнему его сечению.

1.3. Структура дерева

В процессе жизни дерева происходит отмирание внутренних клеток древесины. При этом протоплазма и ядро клетки распадаются, и оболочка пропитывается веществом, выделенным протоплазмой — так называемым лигнином.

Мертвые клетки составляют большую внутреннюю часть древесины, в которой прекращается движение влаги, накопление запасов питательных веществ и образование смолы. Клетки при этом уплотняются.

Если эта часть древесины окрашивается, что хорошо заметно у дуба, сосны, лиственницы, то ее называют ядром, и такие породы носят название ядровых (дуб, сосна, кедр). Наружная светлая часть древесины, где протекают все жизненные функции дерева, называют заболонью.

Ширина заболонной части наибольшая у сосны и ясеня.

У некоторых пород дерева ядро отсутствует. Такие породы называют заболонными. К числу заболонных пород относятся осина, береза, ольха.

Сердцевина представляет собой рыхлую ткань, состоящую из тонко¬стенных клеток. По своим размерам она обычно невелика (1—10 мм) у хвойных пород и несколько больше у лиственных.

Из сказанного ясно, что дерево по своей структуре, в отличие от некоторых других материалов, является материалом анизотропным, т. е. неоднородным.

Кроме перечисленных структурных элементов древесины, в радиальном разрезе дерева можно различить продольные полосы-ленты, так называемые сердцевинные лучи, оказывающие значительное влияние на прочность. [4]

1.4. Микроструктура древесины

Выделяемые камбиальным слоем клетки заполнены протоплазмой. Оболочка клетки состоит из клетчатки — целлюлозы, а протоплазма представляет собой сложное вещество, состоящее в основном из азотистых соединений.

Клетки отличаются формой, размером и биологическим назначением. По форме существуют в основном клетки округлые, коротко-цилиндрические, многогранные (так называемые паренхимные) и клеточки, более вытянутые в длину — прозенхимные. Основная масса древесины состоит из прозенхимных клеток.

По назначению в стволе дерева клетки могут быть:

запасающие — паренхимные, в которых сосредоточиваются запасы питательных веществ. Эти клетки расположены в стволе дерева, главным образом в сердцевинных лучах, и передают питательные вещества другим клеткам в горизонтальном направлении; проводящие и опорные клетки, которые проводят почвенную влагу и придают древесине необходимую устойчивость. Эти клетки значительно отличаются в лиственных и хвойных породах деревьев.

Если у лиственных пород для указанных целей имеются сосуды и трахеиды, то в хвойных породах все функции выполняются только трахеидами (удлиненными клетками). Сосудов и волокон эти породы деревьев не имеют. У хвойных пород трахеиды являются одновременно водопроводящей и опорной тканью.

Хвойные породы имеют свою особенность — смоляные ходы, про¬дольные и поперечные, содержащие смолу. Поперечные ходы расположены в сердцевинных лучах и соединяют продольные ходы, имеющие длину 0,1—0,5 м и диаметр в среднем 0,1 мм.

Смоляные ходы на торцовом разрезе имеют вид светлых точек в поздней части годичного слоя, а на радиальном и тангентальном разрезах — вид темных черточек.

В некоторых лиственных породах (дуб, ясень, вяз) имеются крупные и мелкие сосуды. Крупные сосуды располагаются в ранней части годового слоя, а мелкие собраны в группы или распределены равномерно по всей площади поздней древесины.

Такие породы называют кольцесосудистыми. У некоторых лиственных пород (береза, осина) крупных сосудов нет. Эти породы называются рассеяннососудистыми. [2, с.67]

2. Физические свойства древесины

Капиллярная влага заполняет полости клеток, сосудов и межклеточные пространства и может содержаться до 200% от веса абсолютно сухого дерева.

Влага в гигроскопическом, или связанном, состоянии находится в оболочках клеток в количестве до 30%.

При высыхании влаги древесина сначала теряет капиллярную влагу, а потом гигроскопическую. Состояние древесины, в которой отсутствует капиллярная влага и содержится только гигроскопическая, называют точкой насыщения.

Свежесрубленная древесина имеет 50—100% влажности и более, воздушно-сухая — 15—20% и комнатносухая — 8—13%.

Испаряется влага с поверхности наружных слоев. При испарении влага внутренних слоев древесины будет продвигаться к наружным слоям.

Влажность, которую получила древесина при длительном нахождении в воздушных условиях при постоянной температуре воздуха и его относительной влажности, называется равновесной влажностью.

Влажность древесины, хранящейся в помещении при различной температуре и влажности воздуха, можно определить с точностью до 0,75% по диаграмме Н. Н. Чулицкого. На оси ординат этой диаграммы указана влажность воздуха, а на оси абсцисс — температура воздуха.

2.1. Усушка, разбухание и коробление

Усушка древесины с уменьшением ее линейных размеров и объема происходит только при испарении гигроскопической влаги, но не капиллярной. Однако при испарении гигроскопической влаги происходит линейное сокращение и, наоборот, при поглощении гигроскопической влаги — разбухание.

Усушка древесины вследствие неоднородности ее строения в различных направлениях неодинакова.

Обычно линейная усушка древесины бывает в пределах 0,1—0,3%, в радиальном направлении — 3—6% и в тангентальном — 7—12%.

Коэффициент объемной усушки в зависимости от породы дерева колеб-лется в пределах 0,2—0,75%.

Из приведенных данных видно, что усушка в различных направлениях неодинакова, и происходящая при этом усадка древесины в тангентальном направлении значительно больше, чем в радиальном.

Эти различия вызывают коробление древесины. Коробление может быть продольным и поперечным. Поперечное коробление изменяет форму сечения сортамента.

Продольное коробление имеет форму дугообразного выгиба деревянной детали по длине или в форме винтообразного скручивания. Неравномерная усушка древесины вызывает также ее растрескивание.

Породы дерева с плотной древесиной (например, дуб, бук) имеют большую усушку, чем древесина менее плотных пород — сосна, ель.

Так как испарение влаги наиболее интенсивно проходит в торцах бревен, то и растрескивание их начнется в этих плоскостях. Во избежание этого явления торцы бревен обмазывают обычно смесью извести с клеем.

При разбухании древесины в результате поглощения воды, пропитывающей оболочки клеток, она увеличивается в объеме.

Разбухание древесины неодинаково в различных направлениях: вдоль волокон 0,1—0,8%, в радиальном направлении 3—5% и в тангентальном — 6—12%. При увлажнении, в результате насыщения оболочек клеток водой, древесина увеличивается в весе и объеме.

После дальнейшего насыщения древесины водой влага насыщает полости клеток и пространства между ними. При этом вес древесины изменяется, а объем не увеличивается.

2.2. Объемный и удельный веса

Абсолютный объемный вес древесины зависит только от плотности древесных пород, так как его измеряют при условии нахождения древесины в абсолютно сухом состоянии; обычно абсолютный объемный вес ее меньше 1,0.

Объемный вес древесины одной и той же породы увеличивается при увеличении влажности; поэтому принято характеризовать древесину по объемному весу, пересчитанному на стандартную 15%-ную влажность.

Древесина сосны и ели имеет объемный вес 0,46—0,60; дуба, березы и лиственницы — 0,60—0,75. Объемный вес древесины характеризует такие ее физико-механические свойства, как прочность, теплопроводность, водопоглощение.

Удельный вес вещества древесины— 1,54 г/см3.

2.3. Теплопроводность древесины

Древесина обладает небольшой теплопроводностью, которая зависит от характера пористости, направления волокон, от породы и объемного веса дерева, влажности и температуры. Теплопроводность дерева вдоль волокон в 1,8 раза выше, чем поперек волокон.

Она повышается с увеличением его влажности и объемного веса, так как при этом уменьшается количество воздуха, содержащегося в порах древесины. В среднем теплопроводность ее равна 0,15—0,25 ккал/м*ч*град. [1, с.81]

2.4. Звукопроводность

Распространение звука в древесине зависит от ее породы и от направления движения звука. Звук распространяется быстро вдоль волокон, медленнее в радиальном направлении и в 4 раза медленнее в тангентальном направлении. Звукопроводность металла и дерева вдоль волокон почти одинакова.

Стойкость древесины к действию кислот, щелочей и воды. В зависимости от состава растворов кислот и щелочей, при длительном их воздействии возможно разрушение древесины. В кислой среде при рН<=2 древесина начнет разрушаться.

В слабощелочной среде древесина почти не разрушается. Более стойкими породами дерева при воздействии на них кислот являются хвойные породы и особенно древесина лиственницы.

3. Механические свойства древесины

Дерево в сооружениях под влиянием различных механических воздействий испытывает сжатие, растяжение, изгиб, скалывание, срез. Поскольку древесина имеет неоднородное строение, то возникающие в ней под влиянием этих воздействий напряжения воспринимаются неодинаково в различных направлениях.

Кроме того, при определении механических свойств древесины необходимо учитывать ее влажность и абсолютный объемный вес. С увеличением влажности до точки насыщения механическая прочность древесины снижается, а объемный вес увеличивается.

3.1. Прочность при сжатии

Усилия могут быть приложены к дереву вдоль волокон (колонны, стойки, опоры, сваи) и поперек волокон (стены срубов, шпалы, мауэрлаты и др.). В соответствии с этим различают сжатие вдоль и поперек волокон.

Испытание образцов древесины на сжатие вдоль волокон производят на прессе в виде прямоугольной призмы размерами 20x20x30 мм.

Предел прочности при сжатии вдоль волокон должен быть приведен к пределу прочности древесины при 15% влажности и температуре 20° с точностью до 1 кГ/см2.

При влажности древесины 15% предел прочности при сжатии, в зависимости от породы дерева, находится в пределах 300—775 кГ/см2. Для сосны предел прочности равен 400 кГ/см2. Предел прочности древесины при сжатии поперек волокон значительно меньше, чем при сжатии вдоль волокон.

За показатель прочности древесины при сжатии поперек волокон принимают условный предел прочности, равный наибольшему напряжению, при котором еще сохраняется линейная зависимость между напряжениями и вызываемой ими деформацией.

Для определения предела прочности древесины при сжатии поперек волокон в процессе загружения образцов замеряют деформацию и по полученным экспериментальным данным строят зависимость.

За предел прочности древесины при сжатии поперек волокон принимают напряжение, соответствующее концу прямолинейного участка на кривой.

Предел прочности древесины при сжатии поперек волокон составляет примерно от 0,1 до 0,3 величины предела прочности вдоль волокон.

3.2. Прочность при растяжении

Древесина обладает высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Предел этой прочности в кГ/см2 определяют по формуле с точностью до 10 кГ/см2.

Для испытания на растяжение из дерева изготовляют образцы специальной формы. Так как влажность древесины хвойных пород не оказывает заметного влияния на предел прочности при растяжении вдоль волокон, то пересчет с учетом влажности 15% не производят.

Сопротивление древесины растягивающим усилиям поперек волокон значительно ниже, чем вдоль волокон.

Предел прочности при растяжении вдоль волокон для различных пород составляет от 1200 до 1350 кГ/см2, а при растяжении поперек волокон — от 15 до 100 кГ/см2.

3.4.  Прочность при статическом изгибе

Дерево хорошо сопротивляется изгибающим усилиям благодаря волокнистой структуре, а потому широко применяется в таких конструкциях, как фермы, стропила, балки, прогоны, обрешетки и др.

Образцы дерева для испытания на изгиб изготовляются в форме балочек квадратного сечения 20x20 мм, длиной вдоль волокон 300 мм.

Предел прочности при статическом изгибе в кГ/см2 при влажности образца в момент испытаний вычисляют с точностью до 5 кГ/см2.

У лиственных пород прочность при изгибе в радиальном и тангентальном направлениях одинакова, а у хвойных пород прочность в тангентальном направлении немного больше, чем в радиальном. Сопротивление статическому изгибу различных пород дерева находится в пределах 500—1000 кГ/см2.

3.5. Прочность при скалывании

Скалывание древесины может происходить по двум направлениям: по направлению волокон и перпендикулярно к ним. В первом случае его называют скалыванием вдоль волокон.

Скалывающие усилия могут возникнуть и тогда, когда внешние силы направлены перпендикулярно к волокнам, но стремятся переместить одну часть их относительно другой в плоскостях, параллельных волокнам. В этом случае происходит скалывание поперек волокон.

Когда внешние силы действуют перпендикулярно волокнам и стремятся их срезать, сдвиг называют срезом. Скалывающие и срезывающие усилия возникают в различных соединениях деревянных элементов — врубках, нагелях, шипах.

Предел прочности при скалывании вдоль волокон при влажности древесины определяют с точностью до 1 кГ/см2.

Полученный предел прочности древесины необходимо привести к нормальной влажности 15%.

Сопротивление скалыванию больше в тангентальном направлении, чем в радиальном. Это объясняется тем, что при тангентальном направлении усилий сердцевинные лучи сопротивляются скалыванию, а при радиальном — сердцевинные лучи способствуют скалыванию.

Сопротивление скалыванию древесины вдоль волокон для различных пород дерева находится в пределах 65—145 кГ/см2, а перерезыванию поперек волокон в 3—4 раза больше этих показателей. [1, с.89]

4. Достоинства и недостатки древесины

4.1. Достоинства древесины как материала

Малая плотность при относительно высокой прочности. Малая теплопроводность. Коэффициенты теплопроводности (ккал/м * ч * град) Теплопроводность древесины возрастает с увеличением плотности и влажности. Хорошая обрабатываемость режущими инструментами. Возможность склеивания. Легкая гвоздимость. Усилие, необходимое для выдергивания гвоздя, забитого в торец, на 10 - 15% меньше усилия, прилагаемого к гвоздю, забитому поперек волокон. Способность хорошо окрашиваться, лакироваться, полироваться, красивая текстура (рисунок, образующийся на поверхности древесины следствие перерезания анатомических элементов). Способность благодаря упругости хорошо поглощать звуки, возникающие при ударе и вибрации. Звукоизоляционные свойства древесины имеют большое значение при использовании в качестве звукоизоляционного строительного материала, а также для улучшения акустики общественных зданий. Звукоизлучающие свойства (резонанс). Древесина широко применяется для изготовления инструментов. Стойкость к действию растворов кислот и щелочей; в связи с этим древесину хвойных пород применяют для изготовления емкостей, труб. Способность к изгибу, что имеет существенное значение при гнутье древесины. Более высокой способностью к изгибу отличается древесина лиственных пород. Сравнительно большая износостойкость. Свойства "предупреждать" (потрескиванием) при критических нагрузках о своем скором разрушении.

4.2. Недостатки древесины как материала

Анизотропность, т.е. изменение механических характеристик в зависимости от породы, места произрастания, зоны в поперечном сечении ствола (заболонь, ядро, сердцевина), направления волокон, наличия пороков и их расположения, влажности и других факторов; это затрудняет отбор материала для ответственных изделий и сооружений. Изменение размеров и формы в результате усушки, разбухания, коробления, особенно под воздействием изменения температуры и влажности воздуха. Из-за неравномерного удаления влаги возникают напряжения, которые приводят к растрескиванию материала. Растрескивание - отрицательное свойство древесины, но в некоторых случаях оно приносит пользу, обеспечивая плотность соединения (в емкостях, деревянных трубах, судах и т.п.). При закреплении разбухающих деталей из древесины возникает давление разбухания в пределах 8 - 32 кгс/см2. Низкое сопротивление раскалыванию. Однако это свойство имеет положительные значения при заготовке колотых сортиментов. Загнивание, повреждение насекомыми, возгорание в неблагоприятных условиях службы. [3, с.46]

5. Промышленное использование древесины