Композиты

ДРЕВЕСНО-ЦЕМЕНТНЫЕ

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине « Технология производства строительных материалов» для студентов дневного и заочного отделения специальностей 2903(ПГС) и 2915(ЭиУН).

г .Наб. Челны

2003г

ДРЕВЕСНО-ЦЕМЕНТНЫЕ КОМПОЗИТЫ: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине « Технология производства строительных материалов» для студентов дневного и заочного отделения специальностей 2903(ПГС) и 2915(ЭиУН)./Составители: Соцкая И.М., Шакирова Х.М.. Набережные Челны: КамПИ,2003,11с.

Целью лабораторной работы является ознакомление студентов со свойствами и получением лёгких бетонов с древесным заполнителем на основе минеральных вяжущих – древесно-цементных композитов.

Табл. 6. Библиогр. 2 наим.

Рецензент: к.т.н. доцент В. А. Чернов

Печатается по решению редакционно-издательского совета камского государственного политехнического института от…………….2003 года

Камский государственный

политехнический институт, 2003

Древесина находит очень широкое применение в строительстве благодаря ее довольно высокой прочности, относительно высокому коэффициенту конструктивного качества, малой теплопроводности и легкой обрабатываемости.

Наряду с большими применительными свойствами древесина имеет и весьма существенные недостатки: высокую гигроскопичность, значительную усушку или набухание, горючесть и загниваемость. Прочностные свойства древесины значительно понижаются благодаря наличию в ней пороков: сучков, трещин, косослоя, свилеватости, разнослойности и т.д.

Обычные методы применения древесины /распиловка, острожка и др./ сопровождаются образованием большого количества отходов, которые используются в различных производствах.

Предварительная переработка древесины на заводах в различные изделия и материалы с применением органических полимерных материалов позволяет значительно улучшить качество древесины, т.е. частично устранить присущие ей недостатки и полностью устранить отходы при ее переработке.

Наиболее из отрицательных свойств древесины являются ее гигроскопичность и влагоемкость. Изменение влажности древесины влечет за собой также изменение других физико-механических свойств, поэтому все результаты приводятся к условной 15% влажности. Испытанию древесины в лабораториях всегда предшествует определение влажности образцов.

Строители должны хорошо знать как положительные, так и отрицательные свойства древесины, чтобы уметь, применяя ее в качестве строительного материала, смягчить и ослабить влияние отрицательных качеств в максимальной степени использовать положительные.

1.СТРУКТУРА ДРЕВЕСИНЫ

Строение древесины изучают при увеличении различной силы или в некоторых случаях невооруженным глазом. Строение достаточно хорошо видимое невооруженным глазом или при слабом увеличении /через лупу/, называется макроструктурой, а видимое лишь при сильном увеличении /в микроскоп/ -микроструктурой.

1.1. Макроструктура древесины

Для изучения этого свойства древесины используют разрезы ствола дерева по трем направлениям: тангентальный разрез, проходящий плоскостью по хорде поперечного сечения на некотором расстоянии от оси ствола, торцовый или поперечный разрез, проходящий плоскостью, перпендикулярной оси ствола, и радиальный, проходящий плоскостью через ось ствола.

Особенности строения ствола дерева хорошо различаются при детальном рассмотрении торцового /поперечного/ разреза. Кора, защищающая дерево от механических повреждений, состоит из двух слоев - наружного /коры/ и внутреннего /луба/. Лубяной слой в растущем дереве служит для доставки питательных веществ, необходимых для его развития, из кроны дерева вниз, в нем и откладываются запасы этих веществ. Находящийся под лубом тонкий слой камбия состоит из живых клеток. Слой камбия откладывает в сторону луба лубяные клетки, а к центру дерева - клетки древесины, причем количество откладываемых клеток древесины больше, чем число клеток луба, и размеры клеток древесины значительно крупнее лубяных, вследствие чего древесина растет значительно быстрее, чем лубяной слой коры.

Толстый слой древесины, находящийся за камбием, состоит из ряда тонких концентрических слоев; наружная часть их называется заболонью, а внутренняя - ядром. Ядро состоит из полностью отмерших клеток, заболонь - из более молодых, растущих клеток, поэтому влажность заболони свежесрубленного дерева хвойных пород значительно выше влажности ядра. Эти два слоя древесины хорошо различаются на торцовом разрезе некоторых древесных пород, так как окраска ядра /например, у дуба, сосны и кедра/ темнее заболони. У других пород дерева /например, у ели, бука и пихты/ центральная часть древесины, имеющая все свойства ядра, неразличима по цвету с заболонью. Такую древесину называют спелой. Существуют породы дерева, не имеющие ядра, например, береза, клён, ольха.

Таким образом, все древесные породы подразделяют на ядровые, имеющие ядро и заболонь, заболонные, имеющие только заболонную древесину, и спелодревесные, имеющие заболонь и спелую древесину.

В центральной части ствола на всем его протяжении расположена сердцевина, состоящая из клеток с тонкими стенками, слабо связанными между собой. Сердцевина и вырастающие в первый год существования дерева побеги образуют сердцевинную трубку диаметром 1-10 мм, в зависимости от породы и возраста дерева. Эта часть ствола является самой слабой, так как она легко крошится и легче других загнивает.

На торцовом разрезе ствола при небольшом увеличении видно много концентрически расположенных колец. Каждый такой слой, образующийся в течение вегетационного периода, соответствует одному году жизни дерева, почему и носит название годового слоя или годичного кольца.

В зависимости от условий роста, годовые слои бывают различной толщины даже у деревьев одной и той же породы. Весной образуются тонкостенные клетки ранней древесины годового слоя, летом - прочные толстостенные клетки поздней древесины.

Различие в тканях ранней и поздней древесины сосны имеется по всем трем разрезам. На свойствах древесины не так существенно отражается ширина годовых слоев, как процентное содержание в ней наиболее ценной и прочной поздней древесины, которое колеблется в значительных пределах.

В древесине лиственных пород влага движется по сосудам /трубочкам/, расположенным вдоль ствола и на поперечном разрезе ствола, имеющем вид округленных отверстий. В древесине лиственных пород - таких, как дуб, ясень, вяз – расположены крупные и мелкие сосуды; крупные находятся в ранней части годового слоя, а мелкие собраны в группы или распределены по площади поздней части. Такие породы называются кольцесосудистыми.

В древесине березы, осины, клена, липы и других лиственных пород крупных сосудов нет и резкого различия между ранней и поздней частью годового слоя не наблюдается. Эти породы называются рассеянно-сосудистыми.

В отличие от лиственных пород, хвойные породы не имеют сосудов. Они состоят в основном из замкнутых удлиненных клеток, носящих название трахеид, причем у большинства хвойных пород между трахеидами, преимущественно в поздней части годового слоя, находятся смоляные ходы-межклеточные пространства, заполненные смолой. Эти ходы, видны на торцевом разрезе лишь при некотором увеличении, но на продольном/радиальном/ разрезе они обозначены значительно лучше - в виде темных линий.

Древесина хвойных пород по внешнему виду отличается от древесины лиственных ясно выраженными годовыми слоями равномерно однообразного строения. Переход ранней древесины к поздней бывает как резким, так и постепенным. Породы этого класса делят на три группы: неядровые со смоляными ходами, ядровые без смоляных ходов, ядровые со смоляными ходами.

У неядровых пород заболонь по цвету не отличается от спелой древесины. Древесина в них легкая, окрашенная в светлые тона, часто белого цвета с розоватым или желтоватым оттенком. К этой группе относятся ель, пихта и др.

У пород этой группы /например, ели/ имеются отличительные признаки, обнаруживаемые в разрезах. На торцовом разрезе годовые слои хорошо различаются, сердцевидные лучи незаметны, смоляные ходы различимы в виде мелких белых точек, главным образом, в поздней древесине. На радиальном разрезе годовые слои выделяются не особенно резко, общий фон среза белого цвета со слабым буроватым оттенком, смоляные ходы имеют вид коротких матово-белых черточек. Тангентальный разрез: годовые слои хорошо видны, смоляные ходы в поздней части слоя имеют вид беловатых черточек различной длины. У ядровых пород со смоляными ходами/сосны, кедра, лиственницы/ заболонь по цвету отличается от ядра, окрашенного в более темный цвет. Смоляные ходы хорошо видны в поздней древесине, в особенности, на границе ее с ранней древесиной, причем в широких годовых слоях смоляные ходы более заметны, чем в узких.

У пород ядровой группы, /например, сосны/ на торцовом разрезе годовые слои хорошо различимы, сердцевидные лучи незаметны, смоляные ходы в поздней части годового слоя выделяются светлыми точками, и их больше, чем у других хвойных пород.

На радиальном разрезе годовые слои различаются вследствие более темной поздней древесины; сердцевидные лучи незаметны.

На тангентальном разрезе годовые слои хорошо различаются, сердцевидные лучи незаметны, смоляные ходы такие же, что и на радиальном разрезе, но очень заметны.

У ядровых пород без смоляных ходов годовые слои неровные, волнистые. К этой группе относят тисс и можжевельник.

На торцовом разрезе дерева, кроме годичных колец, можно видеть невооруженным глазом узкие полосы, направленные по радиусам называемые сердцевинными лучами. На радиальном разрезе дуба они особенно хорошо заметны, имея вид довольно широких лент. Многие древесные породы легко различаются именно по форме и расположению сердцевинных лучей и образуемому их сечением узору.

1.2. Микроструктура древесины.

При сильном увеличении под микроскопом можно видеть, что древесина состоит из очень большого числа живых и отмерших клеток, имеющих различную форму и величину. Каждая живая клетка имеет оболочку и находящиеся внутри неё протоплазму, клеточный сок и ядро. Клетки по функциям в живом дереве различают проводящие, механические и запасающие. Проводящие клетки служат для передачи питательных веществ от корней к ветвям и листьям /это сосуды, трахеиды/.

Прочность древесины бывает тем выше, чем большую часть ствола занимает летняя /поздняя/ древесина, состоящая из механических клеток с более толстыми стенками, чем клетки весенней /ранней/ древесины.

Запасающие клетки находятся, главным образом в сердцевинных лучах. Служат они для хранения питательных веществ и передачи их живым клеткам в горизонтальном положении.

2. ИСПЫТАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ

Древесина, находящаяся длительное время в постоянных темпратуро - влажностных условиях, приходит в состояние равновесной влажности, которая может быть ориентировочно определение по диаграмме /рис./.

Для этого при помощи психрометра и психрометрических таблиц определяется влажность воздуха и его температура.

По степени влажности различают древесину свежесрубленную, имеющую влажность 35% и выше, воздушно-сухую с влажностью 15-20%, комнатно - сухую с влажностью 8-13%, а также мокрую, влажность которой больше,чем у свежесрубленной древесины, и может быть больше 100%.

Влажность, которую приобретает древесина, находясь долгое время на воздухе с постоянными относительной влажностью и температурой, называют равновесной. Древесина достигает ее в тот момент, когда упругость паров воды окружающего воздуха становится одинаковой с упругостью паров воды на поверхности древесины. Для определения влажности древесины, находящейся в помещении с различной температурой и влажностью окружающего воздуха, служит диаграмма, составленная Н.Н.Чулицким. На этой, диаграмме по ординате отложена влажность воздуха, по абсциссе - температура воздуха, наклонные линии характеризуют соответствующую влажность, древесины. Диаграмма дает возможность установить влажность с точностью до 0,75.

Более точно влажность древесины может быть определена прямым путем. Проба древесины помещается в предварительно взвешенную бюксу и взвешивается с точностью до 0,001 г. Бюкса с образцом при открытой крышке ставится в сушильный шкаф и высушивается до постоянной массы при температуре 100 5⁰С. При высушивании образцы вместе с бюксой и крышкой взвешиваются первый раз через 6 часов для образцов из мягких пород и через 10 часов для образцов из твердых пород. Повторные взвешивания производятся через 2 часа до установления постоянной массы /разность между двумя смежными взвешиваниями не более 0,002г/.

Взвешивание образцов производится после охлаждения их в бюксе с закрытой крышкой. Влажность определяется по формуле /%/:

,

где: m – масса бюксы, г;

m₁ - масса влажного образца с бюксой, г;

m₂ - масса сухого образца с бюксой, г;

Влажность определяется как среднее арифметическое значение влажности трех образцов.

2.2. Определение усушки древесины .

Влажность 25-35% называется точкой насыщения волокон. При увеличении влажности более 25-30% вода размещается в порах древесины, при высушивании ниже точки насыщения волокон, вода испаряется из клеток и наблюдается уменьшение размеров древесины.

Вследствие неоднородности строения древесины, усушка и набухание в различных сечениях различны: в радиальном направлении 3 – 6%, в тангентальном направлении 7-12%, вдоль волокон 0,1-0,3%.

Определение усушки производится на образцах размером 20х20х30 мм. Усушка характеризуется коэффициентом объемной усушки.

Измерение образцов производится штангенциркулем с точностью до 0,01 мм. Места измерений отмечаются карандашом. Образцы высушиваются до постоянной массы, вторично измеряются в тех же местах и производится подсчет объемной усушки по формуле:

где: V₁ - объем образца до высушивания, см;

V₂ - объем образца после высушивания, см.
Определение усушки производится на трех образцах и подсчитывается как среднее арифметическое этих результатов.

2.3. Определение плотности древесины

Плотность древесины определяется на трех образцах размерами 20х20х30 мм при их естественной влажности и затем по эмпирической формуле пересчитывается на условную стандартную влажность 12%:

,

где _m(12) – плотность древесины при 12% влаж-

ности, г/см³;

_m(w) – плотность образцов при естественной

влажности, г/см³;

W – влажность образцов, %;

K₀ – коэффициент объемной усушки, %.

,

где y₀ – объемная усушка, %;

W – влажность образца, %;

Значение K₀ можно принять ориентировочно:

0,6 – для березы, бука, лиственницы;

0,5 – для всех остальных пород.

Для определения плотности образец взвешивается, определяются его размеры при помощи штангенциркуля с точностью до 0,01 мм и подсчитывается его объем.

Плотность подсчитывается по формуле /г/см³/:

,

где m_w – масса влажного образца, г;

V_w - объем влажного образца, см³.

2.4. Определение предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Образцы размером 20 20 30 мм испытываются на сжатие при их естественной влажности.

Сжатие образца производится вдоль волокон со скоростью нагружения /25000 5000/ Н/мин до полного прекращения сопротивления образца. Испытываются три образца.

Предел прочности при сжатии каждого образца определяется по формуле / / : ,

где P_max – максимальное разрушающее усилие, кгс/Н;

a, b – размеры поперечного сечения образца, см

/м/.

Поле испытания образцов на сжатие определяется их влажность обычным методом и среднее значение предела прочности приводится к стандартной 12% влажности по формуле:

где R₁₂ – предел прочности при 12% влажности,

кгс/см²/МПа/;

R_w – предел прочности, полученный при испы -

тании образцов с естественной влажнот -

стью, кгс/см² /МПа/;

- поправочный коэффициент, равный 0,05 – для сосны, кедра, лиственницы, бука, ясеня, березы; 0,04 – для ели, дуба и др. лиственных пород.

Рис. Диаграмма Н.Н.Чулицкого для определения равновесной влажности древесины.

Библиографический список

1. А.Н.Попов. Лабораторные испытания строительных материалов и изделий: Учебное пособие. М.: Высшая школа. 1984. 168 с.

2. Г.И.Горчаков. Строительные материалы. Учебник для студентов. М.: Высшая школа. 1981.412с.

3. В.Г.Микульский, В.Н. Куприянов, Г.П. Сахаров и др. Строительные материалы: Учебник (Под общей ред. В.Г. Микульского). М.: Изд-во АСВ, 2000.- 536 с.