Материаловедение и технология конструкционных материалов для строительства* Конспект лекций (стр. 27 )

Для защиты древесины от возгорания предусматривают: соответствующие конструктивные меры (устройство разделок из несгораемых материалов, защитных покрытий – штукатурных и др.); окрашивание поверхности древесины огнезащитными красочными составами (композициями из связующего вещества – обычно жидкого стекла, наполнителя – кварцевого песка, мела, магнезита и щелочестойкого пигмента (охры, мумии и т. п.); пропитку огнезащитными веществами – антипиренами (бура, сульфат аммония, фосфорно-кислый натрий и аммоний), которые при пожаре либо образуют оплавленную пленку на поверхности древесины, затрудняющую доступ кислорода, либо выделяют негорючие газы, снижающие концентрацию кислорода в газовой среде возле конструкции.

10.3. Лесоматериалы и изделия из древесины

Лесоматериалы получают механической обработкой древесины. Они подразделяются на круглые лесоматериалы, пиломатериалы, фрезерованные и строганые материалы, вторичные продукты: опилки, стружки, щепа, древесная мука.

Круглые лесоматериалы – стволы поваленного дерева, очищенные от сучьев. В зависимости от диаметра ствола в верхнем отрубе различают: бревна (диаметр более 12 см), подтоварник (диаметр 8 – 11 см) и жерди (диаметр 3 – 7 см). Бревна делят на строительные (из сосны, лиственницы, кедра, реже ели и дуба), предназначенные для несущих конструкций, и пиловочные, используемые для получения пиломатериалов.

Пиломатериалы получают продольной распиловкой пиловочных бревен. Они подразделяются на доски (толщиной 100 мм и менее), бруски (имеющие толщину менее 100 мм, но ширину меньше трехкратной толщины), брусья (имеющие ширину и толщину более 100 мм).

Строганые и шпунтованные доски и бруски имеют на одной кромке шпунт, а на другой – гребень для плотного соединения элементов. Фрезерованные изделия – плинтус, поручни, наличники и т. п. 

Изделия из древесины. К ним относятся паркет, мебельные щиты, столярные изделия – оконные и дверные блоки, двери и т. п., фанера, древесно-стружечные и древесно-волокнистые плиты, древесно-слоистые пластики, а также сборные дома, клееные деревянные конструкции и изделия из модифицированной древесины (обработанной синтетическими смолами, прессованной, пластифицированной аммиаком и др.).

11. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ

Конструкционные материалы на основе органических вяжущих веществ, как и предыдущие их группы на основе неорганических вяжущих, являются безобжиговыми композитами. К ним относятся асфальтовые бетоны и растворы, дегтебетоны, полимербетоны и другие композиции на основе битумных и дегтевых вяжущих, а также полимерных вяжущих. Связующее вещество (матрица) в этих материалах, как и в композитах на основе неорганических вяжущих, формируется путем взаимодействия между жидкой дисперсионной средой, в качестве которой выступает органическое вяжущее, и твердой  дисперсной фазой – порошкообразным компонентом.

Органические вяжущие вещества представляют собой природные или искусственные твердые, вязкопластичные или жидкие (при обычной температуре) вещества, состоящие из химических соединений с атомами углерода, обладающие способностью отвердевать и сцепляться (иметь достаточную адгезию) с минеральными или органическими наполнителями и заполнителями, растворяться в органических растворителях. К органическим вяжущим относят битумные и дегтевые вяжущие (битумы, дегти и композиции на их основе – битумно-резиновые, битумно-полимерные и др.), часто называемые «черными» вяжущими, и полимерные вяжущие (олигомеры, полимеры и сополимеры). Эти вяжущие придают материалам водоотталкивающие свойства (гидрофобность) и водостойкость, эластичность, малую пористость. Поэтому органические вяжущие широко используются в изоляционных и кровельных материалах. Определенное количество их применяется в конструкционных материалах типа бетонов, растворов и изделий из них.

11.1. Битумные и дегтевые вяжущие

Битумы (от санскритского «гвитумен», т. е. смола) – органические вещества черного или темно-бурого цвета, состоящие из смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных, т. е. соединений углеводородов с серой, азотом или кислородом. При обычных температурах битумы могут находиться в твердом, вязком или жидком состоянии. Плотность битумов немного более 1 г/см3.

Различают природные и искусственные (нефтяные) битумы. Природные битумы встречаются в местах нефтяных месторождений, образуя линзы, а иногда и асфальтовые озера. Однако чаще они пронизывают осадочные (битуминозные) горные породы. Нефтяные битумы получают путем переработки нефти. При ее нагревании выделяют легкие фракции (бензин, лигроин, керосин), а затем масла (машинные и др.). В конечном итоге остается густой смолистый остаток – гудрон. Он является исходным сырьем для получения вязкого и твердого битума, но может использоваться и в качестве битумного вяжущего, особенно в случае использования высокосмолистых нефтей. В зависимости от способа получения нефтяные битумы бывают: окисленные, получаемые окислением гудрона (продувкой воздуха); остаточные, получаемые из гудрона путем дальнейшего глубокого отбора из него масел; крекинговые, получаемые окислением остатков, образующихся при крекинге нефти; битумы деасфальтизации, получаемые осаждением  асфальтеносмолистой части гудрона пропаном; кислотные битумы, получаемые переработкой кислых гудронов.

Химический  состав битумов. Элементарный состав (% по массе): углерод – 70-80, водород - 10-15, сера - 2-9, кислород – 1-5 и азот - 0-2. Эти элементы образуют предельные углеводороды различных рядов (ароматического, парафинового, нафтенового) от С9Н20 до С30Н62 с различной молекулярной массой  (от 300 до 5000).

Большое значение имеет групповой состав битумов. Он включает:  а) масла  (35-60 %) с молекулярной массой 300 – 600, плотностью менее  1 г/см3;  они выделяются растворением в легком бензине; б) смолы – вязкопластические вещества (20-40 %) с молекулярной массой 600 – 1000, плотностью около 1 г/см3; растворяются в бензоле, хлороформе; в) асфальтены – твердая часть битума (10-40 %) с молекулярной массой  1000 – 5000, плотностью более 1 г/см3; растворяются только в горячем бензоле и четыреххлористом углероде. В битумах встречаются парафины – твердые метановые углеводороды (до 6-8 %), снижающие пластичность битума и увеличивающие его хрупкость. 

По внутреннему строению битум представляет собой коллоидную систему, дисперсионной средой в которой является раствор смол в маслах, а дисперсной фазой – частицы асфальтенов (10-20 мкм),  окруженные оболочками убывающей плотности от смол – к маслам. При изменении группового состава битума, в том числе под влиянием внешних факторов (температуры и др.), изменяются его свойства. При понижении содержания асфальтенов и смол (при повышении температуры – за счет частичного растворения смол в маслах) структура битума становится типа «золь», с малой плотностью и вязкостью. При повышении содержания асфальтенов и смол (при понижении температуры – за счет обратного перехода) структура битума становится типа «гель», с большей плотностью и вязкостью.

Физические свойства битумов: плотность в зависимости от группового состава – 0,8-1,3 г/см3; теплопроводность характерна для аморфных веществ и составляет 0,5-0,6 Вт/(м. К).

По структурно-механическим свойствам битумы являются типичными реологическими телами. Жидкие битумы при обычной температуре, а вязкие и твердые битумы при повышенных температурах ведут себя как ньютоновские и структурированные жидкости. Вязкие и твердые битумы при обычной температуре являются упруговязкими и упруговязко-пластичными телами, а при отрицательных температурах становятся упругохрупкими.

К физико-механическим (техническим) свойствам битумов относятся: глубина проникания иглы в битум, или твердость, и растяжимость, или пластичность (для твердых и вязких битумов), условная вязкость (для жидких битумов), а также температура размягчения.

Глубина проникания иглы (пенетрация) определяется (в десятых долях миллиметра – градусах) на приборе-пенетрометре при действии на иглу груза 100 г в течение 5 с при температуре 25 °С или при грузе 100 г в течение 60 с – при 0 °С.

Растяжимость (дуктильность) определяется на приборе-дуктилометре по длине нити в момент разрыва образца (в сантиметрах) при температура испытания 25 и 0 °С.

Условная вязкость жидких битумов характеризуется временем истечения 50 см3 битума через отверстие вискозиметра определенного диаметра при стандартных температурах.

Температура размягчения отражает переход битума из вязкопластического состояния в жидкое. Она определяется на приборе «кольцо и шар» («КиШ»). За температуру размягчения принимается температура, при которой металлический шарик, продавливая битум  при нагревании, касается нижней  полки прибора.

Важным свойством битума является адгезия – прилипание к поверхности минеральных и органических материалов. Оценивают адгезию по визуальному методу по пятибалльной шкале. Если после кипячения в дистиллированной воде пленка  полностью сохраняется, то  адгезия оценивается пятью баллами (прилипание отличное), если пленка полностью смещается с минеральных зерен и всплывает на поверхность воды, то прилипание оценивается одним баллом (прилипание плохое).

В зависимости от показателей основных свойств битумы делят на марки. Твердые и вязкие нефтяные битумы (БН) вырабатывают четырех марок: БН 60/90, БН 90/130, БН 130/200, БН 200/300 (цифры дроби –  допустимые для данной марки пределы пенетрации при 25 °С).

Для обозначения марок битумов специального назначения вводится дополнительная буква (Д – дорожный, К – кровельный и т. д.).

Битумы нефтяные дорожные (БНД) имеют марки: БНД 40/60,  БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300 (цифры дроби –  допустимые для данной марки пределы пенетрации при 25 °С).

Для изготовления кровельных и гидроизоляционных материалов применяют битумы кровельные (БНК)  марок: БНК 45/180 (пропиточные), БНК 90/40 и БНК 90/30 (покровные). Здесь числитель дроби указывает среднее значение температуры размягчения, знаменатель – среднее значение пенетрации при температуре 25 °С.