Портал о строительстве и ремонтных работах

Архивы за 11.09.2015

Пороки древесины. Пороками называют нарушения правильно­го строения древесины и естественные повреждения в условиях ее произрастания, хранения и эксплуатации. Пороки нарушают од­нородность и целостность пилопродукции, снижают прочность древесины, повышают ее коробление и растрескивание, затруд­няют механическую обработку древесины, увеличивают количе­ство отходов, ухудшают внешний вид изделий.

Сучки бывают открытые и заросшие (в зависимости от того, выходят они на боковую поверхность круглого сортимента или нет); круглые, овальные, продолговатые (в зависимости от фор­мы сечения на поверхности сортимента) (рис. 3.10); пластевые, кромочные, ребровые, торцовые, сшивные (в зависимости от по­ложения в сортименте); разбросанные, групповые, разветвлен­ные (в зависимости от взаимного расположения); сросшиеся, ча­стично сросшиеся, несросшиеся, выпадающие (в зависимости от степени срастания с древесиной); здоровые (светлые и темные), здоровые с трещинами, загнившие, гнилые, табачные (в зависи­мости от состояния древесины сучка: табачные сучки свидетель­ствуют о наличии в древесине ядровой гнили, так как в круглых лесоматериалах гниль может быть скрытой и не выходить на тор­цы); односторонние и сквозные (в зависимости от того, пересе­кают они насквозь плоский сортимент или нет).

Трещины (рис. 3.11) бывают метиковые (радиальные трещины, направленные от центра к периферии ствола) простые и метико­вые сложные (в зависимости от того, остаются следы трещины на торцах сортимента в одной плоскости или нет); морозные (ради­альные трещины, направленные от периферии к центру ствола), сопровождающиеся образованием на стволе характерных нарос­тов; трещины усушки (радиальные трещины, возникающие в про­цессе сушки), отличающиеся от метиковых и морозных меньшей протяженностью и глубиной; отлупные (дугообразные или коль­цевые трещины между годовыми слоями).

Рис. ЗЛО. Виды сучков: / — круглый кромочный; 2 — овальный пластевой; 3 — продолговатый; 4 — продолговатый ребровый; 5 — групповые; 6 — сшивной; 7 — разветвленные

Рис. 3.11. Виды трещин: а — простая метиковая; б — сложная метиковая; в — морозная; г — трещины усушки; д — отлупная

Сбежистость — сужение ствола, превышающее 1 см на 1 м длины.

Закомелистостъ — резкое увеличение диаметра комлевой час­ти ствола; бывает округлой и ребристой (рис. 3.12).

Нарост — резкое местное утолщение ствола.

Кривизна ствола бывает простая и сложная.

Крень — кажущееся утолщение поздней древесины хвойных пород в сжатой зоне ствола, искривленного или наклонно сто­ящего дерева. Сходство между кренью и поздней древесиной чис­то внешнее, так как креневая древесина обладает совершенно другим анатомическим строением. Бывает местная крень, захва­тывающая один или несколько годовых слоев, и сплошная крень, захватывающая половину и более площади поперечного сечения ствола (рис. 3.13).

Наклон волокон — непараллельносгь волокон продольной оси сортимента (рис. 3.14, а).

Свилеватость — извилистое или беспорядочное расположение волокон древесины (рис. 3.14, б). Бывает волнистая и путаная сви­леватость.

Двойная сердцевина — наличие в сортименте двух сердцевин (рис. 3.14, в).

Рис. 3.12. Закомелистость: а — округлая; 6 — ребристая

Смоляной кармашек — полость внутри годового слоя, запол­ненная смолой.

Прорость — заросшая омертвелость участка ствола (рис. 3.15). Бывает прорость открытая и закрытая.

Химические окраски возникают в срубленной древесине в ре­зультате химических и биохимических процессов, связанных в большинстве случаев с окислением дубильных веществ. Химиче­ские окраски равномерны по цвету и расположены обычно в по­верхностных слоях древесины толщиной 1…5 мм). При высыха­нии древесины они часто в большей или меньшей степени выцвета­ют. К химическим относятся следующие окраски; продубина — красновато-коричневая или бурая окраска подкоровых слоев сплав­ной древесины пород, кора которых богата дубильными веще­ствами (ель, дуб, ива и др.); дубильные потеки — бурые пятна в виде потеков на поверхности сортиментов пород, древе­сина которых богата дубильными веществами; желтизна — свет­ло-желтая окраска заболони сплавной древесины хвойных пород, возникающая при сушке. Химические окраски не влияют на фи­зико-механические свойства древесины, но интенсивные окрас­ки портят внешний вид изделий.

Грибные ядровые пятна и полосы — участки ненормальной ок­раски ядра (настоящего, ложного и спелой древесины) без пони­жения твердости древесины, возникающие в растущем дереве под

а б в Рис. 3.14. Пороки строения древесины: а — наклон волокон; б — свилеватость; в — двойная сердцевина

воздействием дереворазрушающих грибов (первая стадия пораже­ния). Они существенно не влияют на механические свойства дре­весины, однако портят внешний вид и усиливают водопроницае­мость древесины.

Ядровая гниль — участки ненормальной окраски ядра (настоя­щего, ложного и спелой древесины) с пониженной твердостью древесины, возникающие в растущем дереве под воздействием дереворазрушающих грибов (вторая стадия поражения). Ядровая гниль существенно ухудшает качество древесины вплоть до ее пол­ной технической непригодности.

Плесень — грибница и плодоношения плесневых грибов, появ­ляющиеся чаще всего на сырой заболони при хранении лесомате­риалов. Плесень наблюдается в виде поверхностного налета голу­бого, зеленого, черного, розового или другого цвета. Плесень не влияет на механические свойства древесины, но ухудшает ее вне­шний вид.

Заболонные грибные окраски — ненормальная окраска заболони без понижения ее твердости. Этот порок возникает в срубленной древесине под воздействием деревоокрашивающих грибов, не вызывающих образования гнили. Поэтому механические свойства древесины не ухудшаются, но ухудшается ее внешний вид и по­вышается водопроницаемость.

Побурение — бурая окраска заболони разных оттенков, различ­ной интенсивности и равномерности. Побурение возникает в сруб­ленной древесине в результате развития биохимических процес­сов и вызывает некоторое снижение прочности древесины.

Заболонная гниль — ненормальные по окраске участки заболо­ни без понижения или с понижением твердости древесины. Забо­лонная гниль возникает в сухостойной, валежной и срубленной древесине под воздействием дереворазрушающих грибов и рас­пространяется в глубь древесины от торцов и боковых поверхнос­тей.

Рис. 3.16. Обзол:
а — тупой; б — острый

Наружная трухлявая гниль — участки ненормальной окраски, структуры и твердости древесины, возникающие в лесоматериа­лах при их длительном хранении под воздействием сильных дере­воразрушающих грибов. Наружная трухлявая гниль характеризует­ся бурым цветом различных оттенков и трещиноватой призмати­ческой структурой. Пораженная древесина легко распадается на части и растирается в порошок. Пораженная древесина является опасным источником грибной инфекции для различных деревян­ных сооружений.

Червоточина — ходы и отверстия, проделанные в древесине насекомыми. Если червоточина выходит на две противоположные стороны сортимента, то ее называют сквозной.

Дефекты древесины. Механические повреждения искусствен­ного происхождения называются дефектами. К дефектам древеси­ны относятся инородные включения (камней, песка, проволоки, гвоздей, металлических осколков и т. д.); механические повреж­дения инструментами и механизмами при ее заготовке, подсоч­ке, транспортировании, сортировке и обработке (обдир коры, заруб и запил, кара, отщеп, скол и вырыв, багорные наколы); обугленность; скос пропила — неперпендикулярность торца про­дольной оси сортимента; обзол — участок боковой поверхности ствола, сохранившийся на обрезном пиломатериале (рис. 3.16); закорина — участок коры, сохранившийся на поверхности шпо­на; дефекты обработки резанием — это риски (следы зубьев пил, ножей и пр.), волнистость (неплоский пропил), ворсистость и мшистость (задир отдельных волокон), рябь шпона (разный уро­вень волокон древесины), задиры и выщербины, бахрома (пучки неполностью отделенных волокон на ребрах сортиментов), ожог (при трении о режущий инструмент); покоробленность — искрив­ление пилопродукции при выпиловке, сушке или хранении.

Строение древесины можно увидеть невооруженным глазом (макростроение) и под микроскопом (микростроение) на трех разрезах ствола: поперечном, продольном радиальном и продоль­ном тангентальном (рис. 3.1).

Сердцевина на поперечном разрезе (рис. 3.2) имеет вид темно­го пятнышка диаметром 1… 5 мм. В жизнедеятельности дерева она участвует только в молодом возрасте и служит для запасения пи­тательных веществ. Во взрослом дереве сердцевина является мерт­вым образованием, состоящим из мягкой и непрочной ткани. От нее часто начинается загнивание и образование трещин.

Кора состоит из наружного пробкового слоя (корки) и внут­реннего слоя — луба, по клеткам которого идет нисходящий ток питательных веществ, выработанных листьями. В лубе часто при­сутствует лубяное волокно, из которого делают мочало.

На границе между древесиной и лубом находится слой живых клеток, называемый камбием. Путем деления клеток камбия про­исходит утолщение ствола и ветвей. При делении одна из образо­вавшихся клеток остается камбиальной, а другая идет на образо­вание древесины или луба (в зависимости от того, в какую сторо­ну она обращена). Деление клеток в сторону древесины происхо­дит гораздо чаше. Активность камбия замирает на холодное время года и возобновляется весной.

На внешней стороне луба под коркой находится пробковый камбий, благодаря деятельности которого образуется наружный

слой коры. У некоторых пород (на­пример, у пробкового дуба) сна­ружи нарастает толстый слой пробки, состоящей из мертвых клеток. Пробка дуба используется для теплоизоляционных и облицо­вочных материалов.

Древесина. Древесина пород умеренного климатического пояса на поперечном разрезе представ-

Рис. 3.1. Основные разрезы ствола

/ — серцевинные лучи; 2 — сердцеви-
на; 3 — ядро; 4 — заболонь; 5 — годо-
вые слои; 6 — луб; 7 —■ кора

ляет собой ряд чередующихся концентрических колец светлой и темной окраски, называемых ранней и поздней древесиной (по времени их образования). Каж­дый слой, состоящий из ранней и поздней древесины, образует­ся за один вегетационный период и называется годовым слоем. В на­чале вегетационного периода, ранней весной и в начале лета, дерево испытывает потребность в большом количестве влаги и питательных веществ, которые необходимы для распускания лис­тьев и завязывания плодов. В этот период от слоя камбия в сторону древесины откладываются клетки, приспособленные для передви­жения влаги: у хвойных пород — это широкополостные тонко­стенные трахеиды (рис. 3.3), у лиственных пород — крупные сосу­ды (рис. 3.4, 3.5). Во второй половине вегетационного периода, в конце лета и осенью, дерево нуждается в упрочнении своего ствола, так как оно нагружено побегами, листвой, плодами. Поэтому позд­няя древесина формируется у лиственных пород — из массивных и прочных механических клеток (либриформа); у хвойных пород — из толстостенных трахеид. Как правило, число годовых слоев на срезе у корневой шейки соответствует возрасту дерева.

У некоторых лиственных пород (дуб, ясень), получивших на­звание кольцесосудистых (см. рис. 3.4), ранняя древесина прони­зана собранными в кольца сосудами, благодаря чему граница между годовыми слоями хорошо видна. У других лиственных пород — рассеянно-сосудистых (береза, бук), у которых сосуды равномер­но распределены по всей ширине годового слоя, различий между ранней и поздней древесиной почти нет и граница между слоями размыта (см. рис. 3.5).

Чем больше поздней древесины содержится в породе, тем она тяжелее и прочнее. Породы подразделяются на мягкие и твердые. Все кольцесосудистые породы являются твердыми, а рассеянно­сосудистые и хвойные породы могут быть и твердыми, и мягки­ми.

У одних пород древесина окрашена одинаково по всему сече­нию, а у других пород она имеет в середине темноокрашенное ядро, состоящее из омертвевших клеток, пропитанных смолами и

дубильными веществами (см. рис. 3.2). Древесина ядра — более плотная и менее влажная, чем древесина наружной (светлой) ча­сти, называемой заболонью. Заболонь является молодой древеси­ной, по проводящим клеткам которой происходит восходящее сокодвижение. Заболонь слабее ядра и имеет низкую стойкость к гниению, но хорошо гнется и позволяет получать гнутые изделия.

К породам, имеющим ядро, относятся: из хвойных — листвен­ница, сосна, кедр сибирский, тисс, можжевельник; из листвен-

ных — все кольцесосудистые (дуб, каштан настоящий, ясень, бар­хатное дерево, вяз, ильм, берест, белая акация и др.) и некото­рые рассеянно-сосудистые (орех грецкий, платан, яблоня, тополь, ива, рябина и др.). У некоторых пород цвет центральной части не отличается от цвета заболони, однако древесина в центре ствола, подобно ядру, имеет повышенную плотность и твердость и содер­жит значительно меньше влаги, чем заболонь. Эта часть ствола называется спелой древесиной. К спелодревесным породам отно­сятся ель, пихта, бук, липа, клен полевой и др.

Радиальный/** разрез

разрез

Рис. 3.5. Микроструктура древесины рассеянно-сосудистых пород (береза): 1 — сосуды; 2 — либриформ; 3 — сердцевинные лучи

На поперечном разрезе дуба, бука или платана отчетливо вид­ны блестящие тонкие полоски, идущие от сердцевины к коре и называемые сердцевинными лучами (см. рис. 3.2). Сердцевинные лучи есть в древесине любой породы, но невооруженным глазом они часто не видны из-за малой ширины (например, у березы, осины и всех хвойных пород). На площади тангентального разреза, рав­ной 1 см2, их число иногда достигает нескольких тысяч. Ширина сердцевинных лучей у разных пород колеблется от 0,005 до 0,600 мм; высота — от 0,2 до 50,0 мм и более. Все лучи обязательно доходят до коры, но одни (первичные) начинаются от сердцевины, а дру­гие (вторичные) — на некотором расстоянии от нее. В растущем

дереве сердцевинные лучи служат для проведения питательных веществ в горизонтальном направлении и запасения их.

По сердцевинным лучам древесина легко раскалывается. В то же время сердцевинные лучи повышают сопротивление древеси­ны сжатию поперек волокон в радиальном направлении. Сердце­винные лучи ускоряют сушку древесины и обусловливают разли­чие между радиальной и тангентальной усушкой. Трещины усуш­ки проходят по сердцевинным лучам.

Благодаря сердцевинным лучам отдельные породы имеют ха­рактерный блеск и красивую текстуру поверхности.

Древесина состоит из волокон (рис. 3.6), вытянутых вдоль ство­ла. Каждое волокно во время жизни представляет собой расти­тельную клетку, состоящую из оболочки и протопласта (прото­плазмы и ядра).

ж е Рис. 3.6. Анатомические элементы древесины лиственных пород:

а — членик сосуда: ПП — простая пора; ОП — окаймленная пора; 6 — сосудис-
тая трахеида; в — тяж древесной паренхимы; г — клетка веретеновидной парен-
химы; д — волокнистая трахеида; е — волокно либриформа; ж — клетки сердце-
винных лучей

Оболочка молодых клеток представляет собой прозрачную тон­кую (едва достигающую 0,001 мм) пленку, эластичную, растяжи­мую и легко проницаемую для воды и водных растворов. В момент образования оболочка состоит из пектиновых веществ, которые спустя непродолжительное время превращаются в целлюлозу. Цел­люлоза имеет формулу (С6Н|о05)„, где п — показатель полимери­зации, который составляет не менее 3- 104. Макромолекула цел­люлозы имеет нитевидную форму. Срубленная древесина состоит полностью из оболочек клеток с отмершими протопластами. В ра­стущем дереве из отмерших клеток состоит ядро, спелая древеси­на и часть заболони.

В процессе развития клетки (в зависимости от выполняемых ею функций) ее оболочка существенно изменяется по размеру, стро­ению и составу. Наиболее частым изменением состава клеточных оболочек является их одревеснение и опробковение.

Одревеснение клеточной оболочки заключается в появлении в ней нового органического вещества — лигнина, который отлича­ется от целлюлозы большим содержанием углерода и меньшим содержанием кислорода. Лигнин придает клеточной оболочке проч­ность, жесткость и твердость. Одревеснение оболочки происходит при жизни клетки в результате деятельности протопласта. Рост одревесневших клеток сильно замедляется или совсем прекраща­ется. Снижается их способность к набуханию.

Опробковение характерно для клеточных оболочек коры, вы­полняющих защитную функцию. При этом средний слой оболоч­ки пропитывается особым органическим веществом — суберином, состоящим из жирных веществ и феллоновой кислоты. Суберин способствует омертвению клеток и делает оболочку практически непроницаемой для воды и газов.

Оболочка клетки является продуктом жизнедеятельности про­топлазмы. Утолщение оболочек происходит в результате отложе­ния изнутри новых слоев целлюлозы, однако при этом в оболочке остаются поры, служащие для сообщения между клетками.

Сформировавшиеся клетки имеют очень тонкую первичную оболочку 2 (рис. 3.7) и вторичную оболочку 3, которая, в свою очередь, подразделяется на три слоя: тонкий внешний слой, не­посредственно прилегающий к первичной оболочке; толстый сред­ний слой; тонкий внутренний слой, выстилающий полость клет­ки. Между первичными оболочками двух соседних клеток нахо­дится межклеточное вещество /, которое скрепляет клетки между собой. Межклеточный слой не содержит целлюлозы, он состоит из протопектина и лигнина. Этот слой образуется как раздели­тельная стенка при делении клетки.

Средний слой вторичной оболочки отличается особой мощно­стью и, в свою очередь, имеет слоистое сложение, в котором насчитывается до 8… 10 слоев. Кроме слоистости в оболочке на-

Рис. 3.7. Оболочка клетки древесины:

/ — межклеточное вещество; 2 — первичная оболочка; 3 — вторичная оболочка;

4 — внутренняя полость

блюдается волосатость, объясняемая волокнистой структурой. Ос­новным структурным элементом оболочки является мицелла, представляющая собой пучок нитевидных молекул целлюлозы (40…60 длинных молекул в пучке).

Мицеллы группируются в мицеллярные ряды, в которых ми­целлы не являются совсем обособленными, так как часть цепных молекул переходит из одной мицеллы в другую, связывая их друг с другом (рис. 3.8). Следовательно, одна нитевидная молекула цел­люлозы может принимать участие в образовании нескольких пос­ледовательно расположенных мицелл.

Мицеллярные ряды содержат примерно по 100 мицелл и со­единяются в волоконца различного диаметра (200…300 А), так называемые фибриллы. От отдельных фибрилл отходит часть ми­целлярных рядов и присоединяется к соседним фибриллам, обра­зуя таким образом структуру сетки (см. рис. 3.8).

Мицеллярные ряды и фибриллы направлены вдоль оси воло­кон под углом к ней (по спирали); при этом угол наклона мицелл и фибрилл в разных слоях оболочки может быть различным.

Поры. Поры в стенках оболочек представляют собой совокуп­ность двух отверстий, расположенных соосно в стенках двух смеж­ных клеток. Поры бывают простые, окаймленные и полуокайм — ленные (рис. 3.9). Простая пора представляет собой отверстие, за­тянутое очень тонкой неодревесневшей мембраной (часть первич­ной оболочки). Окаймленная пора со стороны каждой из двух смеж­ных клеток окантована выпуклой кольцеобразной «юбкой». Разде­ляющая окаймленную пору мембрана у хвойных пород имеет в центре утолщение — торус, который закрывает отверстие в «юбке» при отклонении мембраны из среднего положения. Окаймление и

Рис. 3.8. Мицеллярные ряды

отверстия поры могут иметь округлую или эллиптическую (даже щелевидную) фор­му. Иногда встречаются полуокаймленные поры, имеющие окаймление только с одной стороны.

Ткани. Все виды клеток можно под­разделить на две основные группы:

• паренхимные клетки, имеющие при­мерно одинаковые размеры по всем на­правлениям (от 0,01 до 0,1 мм), тонкие оболочки и большую внут­реннюю полость;

• прозенхимные клетки, имеющие вытянутую форму, напоми­нающую волокно, в большей или меньшей степени утолщенные оболочки и малую внутреннюю полость (диаметр прозенхимных клеток — 0,01 …0,05 мм, длина — 0,5… 3,0 мм (иногда до 8 мм)). Паренхимные клетки служат для хранения запаса питательных веществ; прозенхимные клетки — для сокодвижения и придания древесине прочности. Совокупности клеток одинакового строе­ния, имеющих одни и те же функции, образуют ткани. В древеси­не различают опорные (механические), проводящие (сосудистые), запасающие и другие ткани.

Опорные (механические) ткани лиственных пород, называемые либриформом, состоят из длинных (от 0,7 до 1,6 мм) толстостен­ных клеток с заостренными концами и толстыми одревесневши-

ми оболочками (см. рис. 3.6). Чем больше в породе волокон либри — форма, тем она тяжелее, тверже и прочнее.

Масса древесины хвойных пород на 90…95 % состоит из оди­наковых волокнообразных клеток, называемых трахеидами. Роль механических клеток, придающих древесине прочность, выпол­няют трахеиды поздней древесины, имеющие очень толстую обо­лочку и малую внутреннюю полость.

Проводящие (сосудистые) ткани состоят из вытянутых тонко­стенных клеток с широкими полостями. Роль водопроводящих элементов в хвойных породах играют трахеиды ранней древесины. Эти трахеиды тонкостенные, имеют большую внутреннюю по­лость. Они сообщаются друг с другом посредством пор, сконцен­трированных на концах трахеид.

В лиственных породах водопроводящую функцию выполняют сосуды, которые образуются из клеток, расположенных одна над другой, и представляют собой длинные вертикальные каналы, поперечные перегородки в которых или исчезли совсем, или име­ют ряд сквозных отверстий. Диаметр сосудов у одних пород дости­гает 0,5 мм, у других пород они невидимы невооруженным глазом. Длина сосудов в среднем составляет около 100 мм, а у дуба — 2… 3 м.

Запасающие ткани располагаются большей частью в сердцеви­не и сердцевинных лучах и состоят из паренхимных клеток (см. рис. 3.6). Эти ткани рыхлые и легко загнивают.

У некоторых хвойных пород паренхимные клетки могут быть рассеяны и среди трахеид (пихта, можжевельник), а у некоторых пород они образуют смоляные ходы, представляющие собой длин­ные межклеточные каналы, заполненные смолой (сосна, кедр сибирский, лиственница, ель). Смоляные ходы бывают вертикаль­ные и горизонтальные, проходящие по сердцевинным лучам и сообщающиеся с вертикальными ходами.

В лиственных породах сердцевинных лучей по объему всегда больше, чем в хвойных. Древесина лиственных пород имеет па­ренхимные клетки и вне сердцевинных лучей, в совокупности образующие так называемую древесную, или вертикальную, па­ренхиму.

3.1. Общие сведения

Древесина — древнейший строительный материал — не утра­тила своего значения и в настоящее время несмотря на ряд суще­ственных недостатков, к которым относятся способность к заг­ниванию, горючесть, анизотропность, а также усушка и разбуха­ние, приводящие к короблению и растрескиванию изделий. Вместе с тем строительная древесина выгодно отличается от других матери­алов высокой прочностью при малой плотности (500…700 кг/м3), легкостью механической обработки. По прочности при сжатии вдоль волокон древесина не уступает бетону, а по прочности при изги­бе значительно превосходит его. При этом древесина легче бетона примерно в 4 раза. По удельной прочности (отношению прочнос­ти к плотности) древесина занимает второе место, уступая толь­ко некоторым стеклопластикам. Пористо-капиллярное строение древесины обусловливает ее низкую теплопроводность, позволя­ющую использовать древесину в качестве стенового материала. Толщина стены из деревянного бруса при одинаковой теплоза­щите помещения в 2,5 — 3 раза меньше толщины кирпичной сте­ны.

По своему химическому составу и взаимодействию с окружаю­щей средой древесина не только безопасна для здоровья челове­ка, но и создает благоприятные условия для его обитания, поэто­му мебель из натуральной древесины и отделка ею помещений ценятся высоко. Как получение (произрастание), так и уничтоже­ние древесины являются естественными процессами и происхо­дят без загрязнения окружающей среды. Использование древеси­ны в качестве строительного материала имеет место на завершаю­щей стадии ее природного цикла — стадии уничтожения, кото­рую невозможно исключить, но можно замедлить. Недолговеч­ность древесины является «платой» за ее экологическую чистоту.

Из многочисленных пород деревьев, произрастающих на тер­ритории России, промышленное значение имеют около полутора
десятков наиболее распространенных из них: из лиственных — дуб, ясень, каштан, вяз, ильм, карагач, бархатное дерево, ди — морфант, лох; из хвойных — сосна, лиственница, кедр, ель, пих­та, тис.

Надлежащее качество строительных материалов и изделий обес­печивается путем выполнения технических требований к их свой­ствам, устанавливаемых Государственными стандартами Россий­ской Федерации (ГОСТ), отраслевыми стандартами (ОСТ) и тех­ническими условиями предприятий (ТУ). Это позволяет устано­

вить единую систему маркировки материалов, условий их изго­товления, хранения и транспортирования. Наличие системы госу­дарственной стандартизации предполагает возможность контроля государственными органами качества продукции предприятий.

Для того чтобы исключить расхождения в оценке свойств мате­риалов, государственной стандартизации подлежат также методы испытаний, которыми руководствуются испытательные лабора­тории.

От долговечности материалов зависит срок службы зданий и сооружений. Долговечность материалов устанавливают на основа­нии опыта эксплуатации конструкций в тех или иных условиях или прогнозируют исходя из результатов лабораторных испыта­ний, моделирующих воздействия внешней среды. Процессы, при­водящие к постепенному разрушению конструкций, зависят от вида материала и условий его эксплуатации. К таким процессам относятся выветривание каменных материалов, коррозия бетона или стали, старение битумов и полимеров, загнивание древесины и др. Все факторы разрушения можно подразделить на физиче­ские (растворяющее и адсорбционное действие воды и органи­ческих жидкостей, температурные воздействия, совместное дей­ствие воды и мороза); химические (воздействие кислорода возду­ха, растворов солей, кислот, щелочей, природных и промышлен­ных газов) и биологические (действие грибов, животных и расти­тельных организмов).

Повышения долговечности сооружений добиваются обычно двумя путями:

1) рациональным устройством конструкции и правильным применением материалов;

2) совершенствованием материалов, в первую очередь, повы­шением различных видов их стойкости: химической, атмосфер­ной, температурной, водостойкости, морозостойкости и др.

Реологические свойства материалов (упругость, пластичность и вязкость) описывают характером зависимости напряжения от деформации. Под деформацией понимается изменение формы и (или) объема тела без нарушения его сплошности. Течение — про­цесс непрерывного роста деформации во времени без увеличения нагрузки. Деформации бывают обратимыми (исчезающими после снятия нагрузки) и необратимыми (остаточными или пластиче­скими).

Обратимыми являются упругие и эластические деформации. Их природа различна. Упругие деформации обусловлены изменением расстояния между атомами, а эластические — изменением кон­формации макромолекул полимеров (см. подразд. 14.4). Остаточ­ные деформации в кристаллических телах возникают в результате скольжения дислокаций за счет последовательного перескока ато­мов со своего места на соседнее. Это приводит к необратимому смещению одних частей кристалла по отношению к другим час­тям.

Любую деформацию, независимо от того, происходит она при растяжении, сжатии, изгибе или кручении, можно разложить на две составляющие: изменение объема и изменение формы. При всестороннем равномерном сжатии или растяжении все материа­лы ведут себя одинаково — как упругие тела. Следовательно, по характеру деформации объема тела неразличимы. Изменение же формы в зависимости от нагрузки определяется тремя фундамен­тальными свойствами, присущими всем без исключения матери­алам: упругостью, пластичностью и вязкостью.

Каждое из этих свойств в отдельности описывают законом по­ведения некоторого идеального тела, эквивалентом которого мо­жет служить механическая модель.

Деформация формоизменения — это деформация сдвига у, кото­рая равна отношению смещения двух точек элемента вдоль оси х к расстоянию между ними по оси у: у = X/ Y= tg (3 (рис. 2.9, а).

Закон упругости Гука. Закон упругости Гука — это закон пря­мой пропорциональности между напряжением и деформацией, характерный для идеально упругого тела, моделью которого явля­ется спиральная пружина (рис. 2.9, б, в): % = Gy; G= tga, где G — модуль упругости при сдвиге, равный тангенсу угла наклона гра­фика зависимости т = /(у). Модуль упругости зависит только от свойств данного материала и является одной из его характерис­тик.

Закон пластичности Сен-Венана —Кулона. Деформация идеаль­но пластичного тела отсутствует (у = 0) при напряжениях сдвига меньше предела текучести (т < тт). При достижении предела теку­чести (т = тт) возникает течение материала с той или иной скоро­стью у ft, где / — время. Скорость деформации у/ / реальных тел при т = const зависит от их вязкости. Моделью идеально пластич-

Рис. 2.9. Деформация сдвига (а), модель идеально упругого тела Гука (6) и зависимость напряжения в теле Гука от деформации сдвига (в)

Рис. 2.10. Модель идеально пластич­ного тела (а) и зависимость дефор­мации этого тела от напряжения (б)	У
Тт ^777777777/ У а
т
Ту

 

б

ного тела является элемент трения (рис. 2.10, а). Пока сила, сдви­гающая предмет, не превысит силу трения тт, движения не про­исходит (рис. 2.10, б). Предел текучести является характеристикой пластичности материала.

Закон вязкости Ньютона. Представим жидкость, находящуюся в зазоре толщиной Yмежду двумя пластинами равной площади А (рис. 2.11, а). Пусть верхняя пластина под действием силы Fдви­жется в направлении оси х со скоростью и. В результате трения пластина увлекает за собой жидкость, которая течет ламинарно (послойно), причем слои жидкости движутся с разной скоростью и(у), зависящей от координаты у. Между слоями действуют силы трения, которые тем больше, чем сильнее различаются скорости слоев. Это различие скоростей характеризуют отношением и/ Y.

Согласно закону Ньютона в случае идеальной (ньютоновской) жидкости напряжение трения между слоями (или равное ему на­пряжение сдвига т — F/А) прямо пропорционально и/ Y т = ги/ Y. Поскольку и — X/t, то: и/ Y — Х/t/ Y= у/Г. Таким образом, напря­жение сдвига прямо пропорционально скорости сдвиговой дефор­мации: т = цу/t.

Коэффициент пропорциональности г называется динамиче­ским коэффициентом, вязкости. Он зависит только от свойств жид­кости и ее температуры. Из закона Ньютона следует, что едини­цей измерения т| в системе СИ является паскаль-секунда (Па • с). В системе СГС за единицу вязкости принят пуаз (П) (1 Па • с = = 10 П). Вязкость воды при 20,5 °С равна 1 сП (1 сП = 0,01 П). Для воздуха р = 0,02 сП.

Деформация ньютоновской жидкости при т = const прямо про­порциональна времени и не ограничена во времени: у = (x/p)t.

Величина, обратная вязкости (1/р), в случае жидкостей назы­вается текучестью, а в случае высококонцентрированных коагу­ляционных структур — подвижностью.

Моделью идеально вязкого тела является устройство, состо­ящее из цилиндра с вязкой жидкостью и поршня с отверстия­ми в днище (рис. 2.1 1, б). При перемещении поршня жидкость перетекает через отверстия из одной части цилиндра в другую. Чем меньше вязкость жидкости, тем быстрее она перетекает и тем быстрее движется поршень при данном усилии. График за-

г д

висимости скорости деформации от приложенного напряжения (рис. 2.11, в) представляет собой прямую линию, котангенс угла наклона которой равен коэффициенту вязкости: т| = ctga; при этом т| = const.

Реологические свойства реальных структур. Постоянство ц ха­рактерно только для идеальных (ньютоновских) жидкостей. Для реальных веществ т| зависит от напряжения или скорости сдвига (рис. 2.11, г, д). Среди строительных материалов большинство ко­агуляционных структур характеризуются кривой 6. Специфическим свойством таких структур является тиксотропия — способность структуры после разрушения в результате перемешивания само­произвольно восстанавливаться. Например, цементное тесто при перемешивании уменьшает свою вязкость (разжижается), а остав­ленное в покое тесто возвращается в исходное состояние. Способ­ность коагуляционных структур к самовосстановлению позволяет перемешивать, укладывать и уплотнять строительные смеси без потери конечной прочности материалов.

Моделирование реологических свойств реальных тел можно про­изводить с помощью различных сочетаний рассмотренных иде­альных моделей. При последовательном соединении элементов (G— V—N) общее напряжение модели равно напряжению в каждом из них: т = тс = tv = xN, а деформация и скорость деформации модели складываются из соответствующих значений для элемен­тов: Y = Yc + lv + In’, у/t = (у/ t)G+ (у/1) v + (у/1) N. При параллельном соединении элементов (С|| К||Д/) Т = Тс + Тк+ Т№ У = Ус = Ук= Удг,

у/1 = (у/t)G = (у /t)v= (y/t)N.

Прочность — это способность материала сопротивляться разру­шению под действием внешних сил или других факторов, вызы­вающих внутренние напряжения в материале.

Если растягивать стержень силой F, то его длина увеличится. Следовательно, увеличатся расстояния между атомами и возрас­тут силы их взаимного притяжения. Эти внутренние силы уравно­вешивают внешнюю силу F. Условие равновесия составляют с по­мощью метода сечений. Разрежем мысленно стержень на две час­ти и рассмотрим одну из них (рис. 2.3). Чтобы равновесие этой части не изменилось, действие отброшенной части нужно заме­нить большим числом внутренних сил/, приложенных к каждому атому. Если в поперечном сечении п атомов, то условие равнове­сия примет вид: fn = F.

Принято относить внутренние силы не к каждому атому, а к единице площади поперечного сечения и называть эту величину напряжением: <5=fn/A = F/А, где А — площадь поперечного сече­ния стержня.

Единицей измерения напряжения в системе СИ является пас­каль (Па): 1 Па = 1 Н/м2. Эта единица слишком мелкая для стро­ительных материалов, поэтому обычно используют мегапаскаль (МПа): 1 МПа= 106 Па. Иногда используется единица технической системы — кгс/см2 (кгс — килограмм силы). 1 МПа = 9,81 кгс/см2.

Рис. 2.3. Иллюстрация метода сечений (условие равновесия отсеченной части)

Поскольку п/А = const, то о = const/, а значит, напряжения зависят только от вида данных атомов, т. е. от свойств вещества.

Увеличивая далее силу F, можно развести атомы на такие рас­стояния, на которых они потеряют связь между собой. Произой­дет разрыв образца. К моменту разрушения напряжение достигнет своего максимального значения, принимаемого за предел проч­ности образца R.

При экспериментальном определении предела прочности при растяжении /?р образец измеряют в поперечном сечении, затем растягивают в разрывной машине до разрыва и регистрируют мак­симальную нагрузку при испытании Fm. AX. Предел прочности опре­деляют по формуле

ЛР = (2.2)

где А0 — первоначальная площадь поперечного сечения, измерен­ная до испытания.

В действительности площадь поперечного сечения не постоян­на — она уменьшается с увеличением длины стержня, и истин­ный предел прочности при растяжении всегда немного больше предела прочности, рассчитанного по формуле (2.2).

Значения прочности материалов, получаемые эксперименталь­но, оказываются примерно на два порядка ниже теоретических значений, вычисленных из предположения, что предел прочнос­ти, так же как напряжение, пропорционален силе взаимодействия атомов/ На самом деле это верно только для идеальных кристал­лов; для реальных тел прочность определяется наличием дефек­тов (см. подразд. 1.2).

Так, теоретическая прочность стекла на растяжение составляет около 104 МПа. Микротрещины и неоднородности, неизбежные при изготовлении стекла, снижают его прочность примерно в 100 раз. В результате появления на поверхности стекла дополни­тельных дефектов (микротрещин, царапин) при резке, упаковке, транспортировании и монтаже фактическая прочность при растя­жении уменьшается еще в 2 — 3 раза и составляет 30…60 МПа.

Согласно статистической теории прочности, пионерами кото­рой являются шведский ученый В. Вейбул и российские ученые Т. А. Конторова и Я. И. Френкель, прочность образца лимитирова­на наиболее опасным дефектом, содержащимся в его объеме. С уве­личением объема образца повышается вероятность существова­ния в нем крупного дефекта, поэтому средняя прочность об­разцов одного и того же материала возрастает с уменьшением их размеров. Например, прочность при изгибе образцов окон­ного стекла шириной 100 мм составила 60 МПа, а шириной 200 мм — 45 МПа.

Влияние размеров образцов на прочность называется масштаб­ным фактором. Чтобы исключить влияние масштабного фактора на прочность, установлены стандартные размеры образцов для каждого материала. В некоторых случаях пользуются масштабными коэффициентами, равными отношению прочности образцов про­извольных размеров к прочности стандартных образцов.

Распределение дефектов в образцах является случайным, по­этому прочность одного образца не может служить характеристи­кой материала. Требуется испытать значительное число одинако­вых образцов, чтобы достоверно охарактеризовать прочность ма­териала.

Испытание на сжатие. Его выполняют на образцах, как прави­ло, кубической или цилиндрической формы с помощью гидрав­лического пресса (рис. 2.4). Образец 4 зажимают между плитами пресса 3, вращая маховик 2. Включают электродвигатель масляно­го насоса 7 и по отклонению стрелки манометра 1 наблюдают за повышением давления масла р в цилиндре 6 пресса. При этом на поршень 5 и соответственно на образец 4 действует сжимающая сила F= рАп, где Ап — площадь поршня. Нагружение образца про­должают до начала его разрушения, которое определяется по об­ратному движению стрелки манометра после максимального от­клонения. Измерительные системы современных гидравлических прессов, как правило, показывают непосредственно значение силы F, действующей на образец.

Предел прочности при осевом сжатии равен отношению мак­симальной нагрузки Fmax = рттАп к первоначальной площади по­перечного сечения образца: Л<.ж = F^JA^.

Испытание на растяжение. Его выполняют на разрывных маши­нах с гидравлической или механической системой нагружения. В ме­ханической системе выигрыш в силе получают с помощью рыча­гов или винтового устройства с редуктором. В этом случае машины оборудуют чаще всего маятниковым силоизмерителем (рис. 2.5). Растягивающая сила F, приложенная к образцу 5 через нижний захват 6, создается за счет перемещения вниз винта 7, который

Рис. 2.4. Схема гидравлического пресса:

1 — манометр; 2 — маховик подъема плиты; 3 — опорные плиты; 4 — образец; 5 —
поршень; 6 — цилиндр; 7 — масляный насос

Рис. 2.5. Схема маятникового силоизмерителя разрывной машины:

1 — маятник; 2 — индикатор силы; 3 — рычаг; 4— верхний захват; 5 — образец;
6 — нижний захват; 7 — винт; 8 — червяк; 9 — шестерня перемещения винта

удерживается от вращения и движется поступательно по внутрен­ней резьбе шестерни 9, приводимой во вращение от электродви­гателя червяком 8. Перемещение вниз верхнего захвата 4 вызывает поворот рычага 3 и отклонение маятника /, связанного со стрел­кой индикатора силы 2, на угол а. Исходя из равенства моментов Мх = М2- Fa и Л/3 = М4= G7?sin а при равновесии можно составить два уравнения, из совместного решения которых следует, что сила Fпрямо пропорциональна тангенсу угла a: F — Alga, где К = = GbR/(ar) — постоянная машины, определяемая соотношением плеч рычага 3 и маятника / и весом G груза маятника.

Предел прочности при осевом растяжении рассчитывают по формуле (2.2).

Соотношение /?р//?сЖ зависит от природы материала и его стро­ения: у древесины, стеклопластиков и других материалов с на­правленным волокнистым армированием Rp > Д. ж; у стали Ар = Д. ж; у каменных материалов, бетона, керамики Rp < Л<.ж.

Испытание на изгиб. Его выполняют по схеме балки, свободно лежащей на двух опорах и нагруженной либо одной (посередине пролета), либо двумя (через 1/3 пролета) сосредоточенными си­лами (рис. 2.6).

Предел прочности при изгибе Аи равен отношению максималь­ного изгибающего момента Мтах к моменту сопротивления попе­речного сечения W: RH = Мтт/ W. Изгибающий момент зависит от схемы нагружения балки. В схеме, представленной на рис. 2.6, а, Мпах = Fmaxl/4; в схеме, представленной на рис. 2.6, б, Мтлх = Етах//6. Момент сопротивления зависит от формы поперечного сечения образца. Для круглого сечения W = тш?3/32; для прямоугольного сечения W = bh2/6, где d — диаметр образца; b — ширина сече­ния; h — высота сечения (размер в направлении разрушающей силы).

Удельная прочность (коэффициент конструктивного качества Ак. к) — отношение предела прочности материала к его плотнос­ти: Ккк = R/уд. При растяжении наиболее высокие значения Rp/yQ,

а б

а — балка, нагруженная одной (посередине пролета) силой; б — балка, нагру-
женная двумя (через 1/3 пролета) сосредоточенными силами

Рис. 2.7. Схемы копра Педжа (а) и маятникового копра (б): І — образец; 2 — боек; 3 — подбабок; 4 — падающий груз (баба); 5 — маятник; 6 — стрелка; 7 — шкала; 8 — опоры

МПа/(кг/м3), имеют стеклопластики — 0,22, древесина — 0,20; у стали Rn/jn = 0,05…0,13. При сжатии у обычного бетона &.ж/уо = = 0,01 …0,02; у кирпича — 0,005…0,015.

Ударная вязкость (прочность при ударе) — способность матери­алов сопротивляться разрушению при ударе. Материалы, легко разрушающиеся при ударе, называются хрупкими. Ударную вяз­кость характеризуют работой, затраченной на разрушение образ­цов при стандартном испытании, отнесенной к единице объема (Дж/м3) или площади поперечного сечения образца (Дж/м2).

Природные каменные материалы испытывают в образцах-ци­линдрах на копре Педжа (рис. 2.7, а), подвергая их ударам падаю­щего груза (бабы) 4. Образец 1 прижимают к наковальне подбаб — ком 3, имеющим подпружиненный боек 2, по которому произво­дятся удары: первый — с высоты 1 см, второй — с высоты 2 см, третий — с высоты 3 см и так далее до разрушения образца.

Ударную вязкость определяют по формуле

а = Р( 1+2 + … +n)/V,

где Р — вес бабы; п — число ударов; V — объем образца.

По числу ударов породы подразделяются на слабые (п < 8), средние (п = 8… 16) и ударопрочные (п > 16).

Сталь, древесину и пластмассы испытывают на маятниковом копре (рис. 2.7, б, в). Маятник 5 поднимают на определенный угол а и фиксируют в этом положении. Образец в виде балочки уста-

навливают на две опоры 8, пролет между которыми можно регу­лировать. Стальные образцы имеют надрез со стороны, противо­положной удару. При падении маятник разрушает образец, затра­чивая часть своей потенциальной энергии, равной Phx, и по инер­ции отклоняется на угол (3, на что расходуется работа Ph2. Величи­на (Phx — Ph2) есть работа, затраченная на разрушение образца. Ударная вязкость определяется по формуле

а = P(hx — hi)/S = /Y(cosa — cos[3)/5,

где P — вес маятника; У — площадь поперечного сечения образ­ца: / — длина маятника.

Значение углов а и (3 определяется показанием стрелки 6, от­клоняемой маятником, по шкале 7.

Твердость — способность материалов сопротивляться царапаю­щему действию или внедрению других тел. Эта способность зави­сит от твердости других тел и оценивается по отношению к ним.

Для минералов принята качественная оценка твердости с по­мощью шкалы Мооса (табл. 2.3), по которой 10 минералов, при­нятых за эталоны, расположены в порядке возрастания твердости так, что каждый последующий минерал оставляет царапину на предыдущем. Твердость остальных минералов «привязывают» к дан­ной шкале, присваивая им тот или иной номер, который, одна­ко, не является количественной характеристикой. Так, алмаз (№ 10) тверже апатита (№ 5) почти в 20 раз, а не в 2 раза, как можно было бы подумать, судя по их номерам на шкале.

Таблица 2.3 Номер минерала по шкале Мооса Минерал Ориентировочная твердость, МПа Предмет, оставляющий царапину на данном минерале 1 Тальк 20 Мягкий карандаш 2 Г ипс 360 Ноготь 3 Кальцит 1 090 Медная монета 4 Флюорит 1 890 Железный гвоздь 5 Апатит 5 360 Острие ножа 6 Ортоклаз 7 950 Стекло 7 Кварц 11 200 Острие напильника 8 Топаз 14 270 Наждачный круг 9 Корунд 20 600 Алмаз К) Алмаз 100600 Не царапается ничем

При количественной оценке твердости в испытуемый матери­ал под определенной нагрузкой вдавливают так называемый ин — дентор (шарик, конус, пирамидку и т. д.). По нагрузке и размерам полученного отпечатка рассчитывают показатель твердости. В за­висимости от формы индентора различают показатель твердости по Бринеллю (шарик), по Виккерсу (квадратная пирамидка), по Кнуппу (пирамидка с ромбовидным основанием), по Роквеллу (алмазный конус).

Твердость по Шору устанавливают в зависимости от высоты отскока стального шарика при падении на поверхность твердого тела.

Результаты испытаний на твердость одного и того же материа­ла различными методами не совпадают, но согласуются между собой.

Твердость по Бринеллю определяется с помощью пресса Бри — нелля (рис. 2.8). В шлифованную или полированную поверхность образца вдавливают шарик из твердой закаленной стали. В зависи­мости от толщины образца применяют шарик диаметром D, рав­ным 10; 5 или 2,5 мм. При испытании стали нагрузку на шарик в зависимости от ожидаемой твердости берут равной 30Z)2; 10О2 или 2,5D2. Время действия нагрузки составляет 10 с — для черных ме­таллов; 30 или 60 с — для цветных металлов. Число твердости по

Бринеллю (НВ) — это отношение нагрузки F к площади сфери­ческой поверхности Асф отпечатка диаметром d:

НВ= F/ Асф.

Площадь сферической поверхности

_п D(D-jD2-d2)

2

Образец кладут на опору образца 2. Вращая маховик 1, прижи­мают образец к шарику 3 до совмещения меток 4. Кнопкой 10 включают электродвигатель 13, в результате чего кулачки 9 и 12 начинают перемещаться по часовой стрелке. Одновременно опора 7 опускается вниз, освобождая рычаг 6. Нагрузка на шарик пере­дается от груза 8 через систему рычагов 5 и 6 с общим соотноше­нием плеч 1:40. Кулачок 12, дойдя до концевого переключателя 11, изменяет направление вращения электродвигателя 13. При этом кулачки 9 и 12 поворачиваются против часовой стрелки, а опора 7 поднимается вверх, блокируя рычаг 6. Кулачок 9 выключает электродвигатель. Время действия нагрузки регулируют, изменяя угол а между плечами кулачков 9 и 12.

С увеличением твердости материалов повышается их износоус­тойчивость и истираемость, но затрудняется механическая обра­ботка.

Истираемость материала характеризуется потерей массы об­разца с единицы площади истирания, полученной при стандарт­ном испытании на круге истирания с абразивом в виде кварцево­го песка или наждака.

Износостойкость — способность материала сопротивляться из­нашиванию при трении и ударном воздействии в реальных усло­виях.

Теплофизические свойства материалов необходимы при про­ектировании ограждающих конструкций зданий и сооружений и определяют выбор материалов для них. Проблему термонапряжен­ного состояния конструкций также невозможно решить без зна­ния этих свойств.

Теплоемкость. Если сообщить телу количество теплоты Q, то тем­пература его повысится на At градусов. Отношение С = Q/At назы­вается теплоемкостью системы. Характеристикой материала явля­ется удельная теплоемкость с, представляющая собой количество теплоты (Дж), которое нужно сообщить телу массой 1 кг, чтобы его температура поднялась на 1 К: с — С/т, где т — масса тела.

Приближенный результат для многофазных систем можно по­лучить по правилу аддитивности, если для каждой из п фаз извест­ны удельная теплоемкость с, и масса т,:

Теплопроводность. Теплопроводность — это способность тела передавать теплоту внутри себя от горячих частей к холодным.

Если нагревать на огне один конец металлического стержня, то очень скоро можно почувствовать, что и другой его конец ста­новится горячим. Это происходит потому, что атомы на горячем конце, увеличив частоту и амплитуду своих колебаний, воздей­ствуют на соседние, менее нагретые атомы, заставляя их коле­баться сильнее. Те, в свою очередь, передают энергию колебаний дальше — так теплота распространяется от горячего конца стерж­ня к холодному. Теплота во всех твердых телах передается колеба­ниями решетки (атомных ядер). В металлах в переносе теплоты участвуют также электроны проводимости, причем их вклад в теп­лопроводность на два порядка выше, чем решетки. Поэтому теп­лопроводность металлов очень высокая.

В основе классической теории теплопроводности лежит закон Фурье, который для плоскопараллельной однородной стенки (рис. 2.2) с температурой, изменяющейся только по толщине стенки 8 и не зависящей от времени т, имеет вид

Q = XU] h)Sx, (2.1)

8

где Q — количество теплоты, прошедшее через стенку толщиной 8, площадью S за время т при разности температур на поверхностях стены 0 = (/, -12); А — коэффициент пропорциональности, называ­емый коэффициентом внутренней теплопроводности, Вт/(м-°С).

Из уравнения (2.1) следует, что коэффициент А = Q8/(OSx) — это количество теплоты, проходящей через однородную стенку толщиной 1 м, площадью 1 м2 за время 1 с при разности темпера­тур на поверхностях стены 1 К.

Закон Фурье не учитывает зависимость А от температуры. Для плохо проводящих материалов при температуре t = -100…800°С эта зависимость может быть описана уравнением X, = А0(1 + Р0, где А„ Х0 —

нию Xt = Ao(l + 0,0032/), где XQ = 0,0238 Вт/(м — °С). Другие факто­ры, влияющие на X, относятся к особенностям материала, поэто­му X является характеристикой его теплоизоляционных свойств. Чем ниже X, тем лучше теплоизоляционные свойства материала. Эти свойства зависят главным образом от его пористости и влаж­ности.

При заполнении объема материала порами (воздухом) его теп­лопроводность резко снижается, так как X неподвижного воздуха очень мал. Конвекция (перемещение) воздуха в порах повышает теплопроводность. Для уменьшения конвекции размеры пор дол­жны быть как можно меньше. Лучшими теплоизоляционными материалами являются материалы с высокой (близкой к 100%) пористостью и очень малыми изолированными друг от друга по­рами. Теплопроводность таких материалов приближается к тепло­проводности воздуха.

Плотность связана с истинной пористостью линейной зависи­мостью у0 = р(1 — П„/100), поэтому служит косвенной характери­стикой теплопроводности. Чем меньше у0, тем меньше X и тем лучше теплоизоляционные свойства, но ниже прочность матери­ала.

Влага, попавшая в поры, сильно повышает теплопроводность материалов. Коэффициент X сухого воздуха (без конвективного теплообмена) составляет 0,024, а для воды X = 0,8 Вт/(м — °С), что

Таблица 2.2 Материал Теплофизические характеристики Коэффициент теплопроводности X, Вт/(м • °С) Удельная теплоемкость с, кДж/(кг • °С) КЛТР, 10-ус Гранит 2,9 0,84 1,0…1,5 Бетон (тяжелый) 1,4 1,05 1,0… 1,4 Кирпич (кладка) 0,8 0,80 — Сосна(поперек волокон) 0,17 2,7 0,4…0,7 Пенополистирол 0,045 1,7 6…9 Воздух (непод­вижный) 0,024 — — Вода 0,58 4,18 — Лед 2,3 2,1 — Сталь 58 0,46 1,1…1,2 Медь 401 — —

в 25 раз больше. При замене воздуха в порах материала водой теп­лопроводность растет почти линейно с увеличением объемной влажности WQ:

Xw = X + 51V0,

где X — теплопроводность сухого материала; 8 — угловой коэффи­циент, определяемый экспериментально (обычно 8 находится в пределах 0,002…0,004).

В случае замерзания воды в порах теплопроводность увеличится почти в 4 раза, так как X льда составляет 2,32 Вт/(м • °С). Следова­тельно, необходимо защищать теплоизоляционные материалы от увлажнения.

Отношение толщины слоя материала 8 к коэффициенту тепло­проводности X называется сопротивлением теплопередаче: R-b/X.

Тепловое расширение материалов. Тепловое расширение мате­риалов характеризуется коэффициентом линейного температурно­го расширения (КЛТР), который показывает, на какую долю уве­личивается длина изделия при нагревании на 1 °С. Значения КЛТР и других теплофизических характеристик для некоторых материа­лов приведены в табл. 2.2.

Влажность W (%) — это содержание влаги в материале в дан­ных условиях: W — [{mw-т)/т] 100, где т„ — масса материала во влажном состоянии; т — масса высушенного материала.

С увеличением влажности возрастает объем (набухание), сни­жается прочность и увеличивается теплопроводность материалов.

Гигроскопичность — это способность материала адсорбиро­вать парообразную влагу из воздуха. Вследствие гигроскопично­сти высушенные материалы, находясь на воздухе, приобретают некоторую влажность, которая называется равновесной, так как она изменяется с влажностью воздуха, стремясь к равновесию с ней. Наиболее гигроскопичным материалом является древе­сина; ее влажность в воздушно-сухом состоянии может состав­лять 9… 15 %.

Водостойкость — это способность материала противостоять растворяющему, адсорбционному и химическому воздействию воды. Водостойкость характеризуют коэффициентом размягчения кр, равным отношению прочности материала, насыщенного во­дой, к прочности сухого материала: кр = Лнас/Rcyx.

Коэффициент размягчения изменяется от 0 (глина) до 1 (сталь). Материалы с кр < 0,8 являются неводостойкими, их не применя­ют в конструкциях, работающих в воде.

Водонепроницаемость характеризуют наибольшим перепадом давления воды, который выдерживает материал в условиях стан­дартного испытания (см. подразд. 9.5).

Понятие морозостойкость неоднозначно для абсолютно плот­ных и пористых материалов. Для материалов на основе битумов и полимеров, а также для металлов под морозостойкостью понима­ют способность сохранять пластические свойства на морозе и ха­рактеризуют морозостойкость наинизшей температурой, при ко­торой материал еще не становится хрупким и его можно дефор­мировать, не опасаясь образования трещин.

Морозостойкость бетона, кирпича и других пористых материа­лов — это способность насыщенных водой образцов сохранять свою прочность при многократном замораживании и оттаивании воды в порах. Морозное разрушение материала происходит в результате
расширения воды при переходе в лед (при одинаковой массе объем льда больше объема воды примерно на 9 %).

Морозостойкость характеризуется маркой (F15, F25, ,

F1000) — числом циклов замораживания и оттаивания, которое выдерживает материал в условиях стандартного испытания. Мар­ку по морозостойкости задают в проекте сооружения в зависимо­сти от возможного насыщения водой и прогнозируемого числа переходов температуры через 0 °С.

Прямой метод оценки морозостойкости включает в себя:

1) подготовку двух серий образцов (основных и контрольных);

2) предварительное насыщение образцов водой;

3) выполнение заданного маркой числа циклов заморажива­ния (в морозильной камере при t < -17 °С) и оттаивания (в воде при t > 17 °С) основных образцов;

4) испытание образцов обеих серий на прочность при сжатии.

Отношение прочности основных образцов к прочности кон­трольных называется коэффициентом морозостойкости (XMp3 = = Лосн/ЛКОнтр)- Считается, что материал выдержал заданное число циклов, если коэффициент морозостойкости оказался не ниже некоторого нормированного значения (для кирпича — 0,75; для гидротехнического бетона — 0,95).

Морозостойкость тем выше, чем меньшую долю составляет от­крытая пористость; больше в порах остается защемленного возду­ха, который легко сжимается при расширении замерзающей воды и не дает подняться давлению; выше прочность материала при растяжении.

Плотность у„ (кг/м3) — это масса единицы объема материала в естественном состоянии:

Ъ — т / ^ест>

где т — масса высушенного образца; Vecr — объем образца в естественном состоянии.

Материал	Структурные характеристики
Абсолютная плотность р, кг/м3	Плотность у0, кг/м3	Истинная пористость П(|, %
Кварц	2 650	—	—
Г ранит	2 700… 2 800	2 600… 2 700	0,5… 1,0
Бетон (тяжелый)	2 600… 2 700	2 200… 2 500	8…12
Кирпич керамический	2 500… 2 600	1 400… 1 800	25…45
Древесина	1 500… 1 550	400… 800	45…70
Пенополистирол	1 100… 1 200	15…80	92…99
Сталь	7 800	—	—

Объем образца в естественном состоянии равен сумме объема пор Кпор и абсолютного объема Кабс (объема плотной части мате­риала):

V = V +

г ест г пор ~ г абс*

Абсолютная плотность р — это масса единицы объема матери­ала в абсолютно плотном состоянии:

Р = т/ Кбс-

Насыпная плотность ун — это масса единицы объема, занимае­мого дисперсным материалом в рыхло или плотно насыпанном состоянии:

ун = (m-m{)/V,

где т — масса мерного сосуда с рыхлым материалом; т, — масса пустого сосуда; V — объем сосуда.

Для получения сопоставимых значений ун в рыхлом состоянии мерный сосуд заполняют гипсом с помощью стандартной наклон­ной плоскости, а портландцементом — с помощью стандартной воронки.

Истинная пористость П0 (%) — это степень заполнения объе­ма материала порами:

П0 = (Кпор/ Кест)100 = [(Ксст — Fa6c) / Кест]100 = [(р — Уо)/р]ЮО.

Пористость материалов колеблется в широких пределах (табл.

2.1).

Водопоглощение — это способность материала впитывать и удер­живать в себе воду. Водопоглощение определяют:

по массе —

вм = {ттс — пі)/ m] 100;

по объему —

Во — [(^нас — Wl) / Рп Кесх] 100,

где тнж — масса материала в насыщенном водой состоянии; рв — плотность воды, равная 1 кг/м3.

Капиллярная пористость Пк (%) — это степень заполнения объе­ма капиллярными (открытыми) порами:

Пк = (Ккап/ КСС|)100,

где VKan — объем капиллярных пор.

Эти поры заполняются водой, поэтому VKan приблизительно равен объему воды в порах: VKan = (тнж-т)/р; капиллярная пори­стость равна водопоглощению по объему: Пк = В0. Поэтому вели­чину В0 называют кажущейся пористостью.

Замкнутая пористость П3 (%) — это степень заполнения объема замкнутыми (закрытыми) порами, в которые вода не проникает. Замкнутую пористость можно приближенно определить по разно­сти между истинной и капиллярной пористостями: П3 = П0 — В0.

Все перечисленные ранее характеристики вычисляются по эк­спериментально полученным значениям четырех величин: массы образца в высушенном (т) и водонасыщенном (тнас) состоянии; объема высушенного образца в естественном состоянии (1/,ст) и абсолютного объема (Кабс).

Определение массы производится взвешиванием образцов на аналитических или технических весах.

Высушивание образцов производят в лабораторном сушильном шкафу при температуре (100… 110)°С. Периодически взвешивая образцы, следят за изменением их массы в процессе сушки. Когда масса перестает изменяться, сушку заканчивают и образцы поме­щают в эксикатор (стеклянный сосуд с герметично притертой крышкой) для охлаждения.

Насыщение образцов водой производят, погружая образцы в воду на подкладки, или при постепенном повышении уровня воды в сосуде. Окончание процесса заполнения водой открытых пор определяют по постоянству массы образца при периодическом взвешивании. Перед каждым взвешиванием образец обтирают мяг­кой тканью.

Определение объема образца в естественном состоянии выпол­няется различными методами в зависимости от формы образцов.

Образцы правильной формы (кубы, цилиндры) обме­ряют штангенциркулем и вычисляют объем: Ккуб = abh, где а, b, h — соответственно длина, ширина и высота куба; КЦШ1 = nr2h, где г, h — соответственно радиус и высота цилиндра.

Рис. 2.1. Схемы гидростатического взвешивания (а — образца неправиль­ной формы; б — сыпучего материала) и колба Ле-Шателье (в):

I — подставка; 2 — образец; 3 — сосуд с водой; 4 — штатив; 5 — ведерко; 6 —
уравновешивающий груз; 7 — риски

Образцы неправильной формы подвергают обычному и гидростатическому взвешиваниям в водонасыщенном состоянии и вычисляют объем как разность результатов этих взвешиваний, поделенную на плотность воды.

При гидростатическом взвешивании образец неправильной фор­мы подвешивают к весам с помощью тонкой проволоки, погружа­ют в воду (рис. 2.1, а) и определяют его вес в воде (7ГС = mrcg, который меньше, чем вес в воздухе (70 = mag, на значение вытал­кивающей (архимедовой) силы, равной весу вытесненной воды; GB — Кврвg, где т1С, т0 — масса насыщенного водой образца соот­ветственно при гидростатическом и обычном взвешивании; VB — объем вытесненной воды, равный объему образца (VB= Кест); рв — плотность воды, равная 1 000 кг/м3; g — ускорение свободного падения. Следовательно, Vt„= {т0-тТС)/рв.

Образцы сыпучих материалов (гравия, щебня) испы­тывают также путем гидростатического взвешивания, однако схе­му испытания несколько видоизменяют (рис. 2.1, б). На чашу ве­сов устанавливают сосуд с водой, в который погружают пустое ведерко, подвешенное на тонкой проволоке к штативу. Весы уравновешивают грузом на другой чаше. В ведерко всыпают пор­цию насыщенного водой гравия (щебня). При этом равновесие весов нарушается из-за того, что на гравий действует выталкива­ющая сила. Значение массы Ат, необходимой для восстановления равновесия, поделенное на плотность воды, равно объему зерен гравия: Кест = А/я/р„.

Определить абсолютный объем можно только, превратив об­разец в тонкий порошок. При измельчении открываются закры­тые поры, в которые вода не проникла бы при испытании образ­ца целиком. Чем тоньше измельчен образец, тем точнее будет оп­ределен абсолютный объем.

Объем порошка проще всего отмерить с помощью стеклянной колбы Ле-Шателье, на горле которой между двумя рисками име­ется расширение (рис. 2.1, в). В этот объемомер заливают жидкость до нижней черты, после чего всыпают измельченный в порошок материал, пока жидкость не поднимется до верхней черты. Объем всыпанного материала равен объему между рисками (обычно 20 или 10 см3).