Строительные материалы на основе органического сырья

К органическому сырью относят древесину, а также полимерные материалы, битумы и дегти. Чаще полимерные, битумные и дегтевые материалы называют органическими вяжущими, так как они создают матрицу в композиционном материале, т.е. связывают все компоненты в единый материал. Кроме полимеров другие материалы применялись с давних пор и очень широко.

  1) Древесные строительные материалы

Использование древесины человеком было еще до изобретения каменных инструментов, с их изобретением древесина нашла самое широкое применение. С изготовлением металлических инструментов из древесины научились получать доски, листовые материалы и сруб, позволивший возводить стены, объемные конструкции и шатровые крыши.

Заготовка древесины состоит из нескольких операций: валки леса, раскряжевки, распиловки и сушки бревен.

Сырьем для строительных материалов является ствол дерева, составляющий 70-90% его массы. Древесное сырье – это освобожденный от коры и сучьев ствол, называемый бревном, который может быть распилен вдоль и поперек на изделия. Так получают пиломатериалы: бревна разной длины и диаметра, подтоварник, брус, пластины, четвертины, кряж и доски. Бревна идут на сваи, опоры линий электропередач, рудничные стойки, шпалы, срубы домов и др.

Древесина хорошо обрабатываемый, пластичный материал, имеющий очень существенный недостаток: при высыхании коробится. Коробление изделий происходит по причине неравномерной усадки древесины. В силу особенностей ее структуры, волокнистого строения и расположения волокон вдоль ствола, она при высыхании имеет минимальную усадку всего 0,1%, в радиальном направлении усадка составляет от 3 до 6% и максимальную усадку до 12% древесина имеет в тангенциальном направлении, т.е. по хорде. Рисунок волокон при разрезе ствола по этим направлениям разный и цвет древесины разных пород дерева разный – от белого, светло-желтого до темно коричневого. Поэтому древесина служит кроме конструкционного назначения и в качестве отделочного, декоративного материала. При изучении микроструктуры древесины под большим увеличением видно, что она состоит из веретенообразных волокон, состоящих из клеток – микрофибрилл, поэтому у древесины очень развита удельная поверхность. Микрофибриллы построены из молекул целлюлозы – природного полимера, образующегося в растущем дереве. Живой организм дерева по расположенному за корой слою – лубу поставляет поглощаемую солнечную энергию с углекислотой и влагой - глюкозу (С₆Н₁₂О₆)_nиз листьев в специальные клетки в другом слое, расположенном рядом, называемом камбием. В камбии живые клетки отщепляют из глюкозы молекулу воды и образуют целлюлозу. Целлюлоза (С₆Н₁₀О₅)_n из камбия идет на построение годового кольца ствола древесины, образуя заболонь и клетки коры. Макромолекулы целлюлозы эластичны и сильно вытянуты, поэтому древесина обладает пластичными свойствами.

Истинная плотность древесины одинакова для всех пород дерева и равна 1,54г/см³, средняя плотность зависит от породы, места произрастания, влажности и составляет от 0,35 до 1,1г/см³. Влияние влажности на свойства древесины необходимо учитывать, так как от влажности зависят физико-механические свойства.

Свежесрубленная древесина может удерживать влаги до 200% по массе. С такой влажностью и даже меньше брать ее в обработку нельзя, поэтому древесину сушат или год под навесом на улице или в специальных сушилах за короткий срок до комнатно-сухой влажности 8-12%. Во влажном воздухе она способна опять сорбировать влагу, повышая ее содержание до 15-18% и называется воздушно-сухой. Если влажность воздуха высокая, древесина может сорбировать влагу до точки насыщения – 30-40% и эта влажность называется гигроскопической. Она располагается в стенках клеток, а их очень много, удельная поверхность древесины высокая. Вода, заполняющая межклеточное пространство, когда древесина в воде, называется капиллярной влагой. Эта влага с микроэлементами поступает по заболони из почвы от корней дерева по межклеточным капиллярам или поступает в структуру древесины после ее спиливания при погружении в воду. Древесина даже набухает, увеличиваясь в объеме. Пребывая долгое время в какой-либо среде, древесина или подсыхает, если влажность среды низкая, или увлажняется, если влажность среды выше влажности самой древесины, она приобретает равновесную влажность.
Так как механические свойства зависят от влажности древесины, после испытания ее на прочность на стандартных образцах, показатели прочности пересчитывают на стандартную влажность, равную 12%, так как можно сравнивать эти показатели разных пород дерева и даже одной породы только с одинаковой влажностью. В справочной литературе даны показатели прочности

при стандартной влажности Колебания влажности древесины влекут за собой изменение размеров и формы изделий, удаление влаги гигроскопической, т.е. из клеток древесины приводит к максимальной и неравномерной усадке. Наибольшие изменения - объемные, наименьшие – вдоль ствола. Работая с древесиной, эти особенности надо учитывать.

Механические свойства определяют на стандартных образцах без дефектов, поэтому образцы небольшого сечения: 2*2*3см – для испытания при сжатии, 2*2*30см – при испытании на изгиб. С учетом влажности пересчитывают прочность по формуле: R₁₂=R_w[1+α(W-12)].

 Прочность при сжатии у разных пород дерева вдоль и поперек волокон неодинакова, составляет 20-60МПа. Прочность при изгибе у пластичного материала больше и составляет 80-120МПа, при растяжении – еще больше. Прочность при скалывании, особенно вдоль волокон - небольшая. Поверхностная твердость древесины также небольшая, есть более твердые породы, есть мягкие. Модуль упругости древесины также зависит от породы и в воздушно – сухом состоянии составляет 10-15*10³МПа. Чем выше плотность древесины, тем выше ее прочность.

 Древесина часто страдает от множества пороков. Поэтому сорт древесины устанавливают не по прочности, а по отсутствию дефектов и чистоте материала. Портят древесину сучки, трещины от высыхания, морозобойные, трещины между годичными кольцами, боковые, торцовые, кромочные. Во время роста дерева из-за различных помех могут быть дефекты в направлении растущих волокон – сбежистость, закомелистость, кривизна, свилеватость, крень, ройка. Мешают рисунку (текстуре) древесины остатки на ней пасынков,прорости, засмолки, сухобокость. Но особенно опасна гниль, грибковые заболевания и следы от насекомых-древоточцев – червоточины. От этих пороков древесину защищают, пропитывая антисептиками – ядами для микроорганизмов и насекомых. От возгорания древесину обрабатывают антипиренами – бурой, сернокислым или хлористым аммонием, и др., новым составом – инвекс, задерживающим воспламенение до 45 минут. Большинство антипиренов обладает одновременно и антисептическим действием.

Пиломатериалы подвергают дальнейшей обработке и получают строганые ифрезерованные изделия : шпунтовые доски, плинтусы, поручни, наличники для обшивки дверных и оконных коробок. Делают столярные изделия – доски для настила пола( шпунтовые), оконные и дверные блоки, полотна для заполнения, перегородки, щитовые двери и др.

Кроме этого, древесина идет на изготовление паркетных клепок и шпона, который необходим для изготовления фанеры и декоративной отделки композиционных древесных материалов из отходов деревообработки: древесно-стружечных, древесно-волокнистых плит и пластиков.

Шпон получают, срезая тонкий слой (1,0-1,5мм) с кряжа – бревна, высотой до 2м по окружности его, укрепленного и вращающегося вокруг своей оси. В зависимости от породы дерева шпон отличается цветом и рисунком и потому идет на отделку мебели, паркета, декоративных оформлений. Блеск древесины зависит от плотности и степени обработки: полирования и покрытия лаками. Прозрачная отделка поверхности позволяет сохранить и еще более проявить красоту текстуры среза древесины. Подготовка поверхности состоит из следующих операций: удаление ворса, обессмоливание, отбеливание, крашение, грунтование, порозаполнение, шпатлевание. В производственных условиях нанесение отделочного слоя производится на конвейерных, автоматических линиях, в составе которых имеются станки для нанесения отделочных покрытий, сушки и стабилизации покрытий. Облагораживание отделочного покрытия производят шлифованием, полированием. Шлифуют поверхность шкурками, затем наносят политуры вручную или на полировальных станках. Это позволяет получить равномерный зеркальный блеск поверхности и сгладить неровности лакового покрытия. Отделочное покрытие состоит из нескольких слоев краски. После нанесения каждого слоя поверхность сушат и шлифуют. Окраску производят кистями, обливом, пневматическим распылением. Непрозрачную отделку применяют для древесины некоторых хвойных пород, невыразительных лиственных пород или для изделий из отходов древесины: древесно-стружечных, древесно-волокнистых плит и др. Непрозрачные отделочные покрытия хорошо защищают поверхности от физико-механических воздействий.

 Для имитации текстуры ценных пород древесины верхний слой масляной краски сразу после нанесения частично снимают по рисунку и наносят другой оттенок, получая ровную поверхность. Непозрачную отделку разнообразят с помощью пленочных и листовых материалов на основе поливинилхлоридной пленки или бумаги, пропитанной фенолформальдегидной, карбамидной, меламиновой и др. смолой, и напрессованной на поверхность. Непрозрачной отделке подлежат такие материалы как бумажно-слоистый пластик (ДБСП), декоративная фанера (ДФ) и древесина, не отличающаяся выразительным рисунком. Имитационную отделку под ценные породы дерева (красное дерево, орех, лимонное дерево, дуб, ясень и др.) наносят на фанеру, древесно-волокнистые плиты, древесно-стружечные плиты, шпон. Для глубокого окрашивания используют смесь красителей и протравы.

При имитационной отделке путем нанесения рисунка непосредственно на поверхность древесных материалов применяют фотошаблоны, аэрографию – нанесение краски распылением по окрашенному фону. Печатание – наиболее совершенный метод, позволяет получать одноцветные или многоцветные рисунки высокого качества.

Очень ценится отделка древесины резьбой. При углубленной резьбе фоном является плоская поверхность изделия, рисунок расположен в углублении. Плоскорельефная резьба отличается невысоким рельефом, рельефная резьба почти не имеет плоской поверхности, ее выполняют путем подрезки орнамента, который оставляют в углублении. Формы рисунка выявляются рельефом разной высоты. Скульптурная или объемная резьба отличается рельефным изображением, которое частично или полностью отделяется от фона, превращаясь в скульптуру.

К трудоемким видам отделки относится мозаика (орнаментальное или сюжетное изображение, выполненное из различных частиц пород древесины или другого материала). Наиболее известны: отделка инкрустацией, когда на одной плоскости делают углубление и врезают пластинки по рисунку из материалов, отличающихся по структуре и цвету. Это может быть металл, слоновая кость, перламутр и др.

Инкрустацию древесиной по древесине еще называют интарсией. Лицевую поверхность после крепления пластинок шлифуют и полируют.

Мозаичный набор из кусочков шпона различных пород древесины называют маркетри. Элементы мозаики закрепляют бумагой, смазанной клеем, и вместе с подобранным фоном (тоже шпон) наклеивают на поверхность изделия.

Блочной мозаикой называют приклеивание пластины тонкого среза из готового блока, заранее склеенного из древесных брусков разного цвета и формы. Образуются тонкие пластины одинакового рисунка, которые в свою очередь создают орнамент или рисунок на отделываемой поверхности.

Эстетические свойства древесины связаны с цветом, блеском и текстурой породы дерева. Более яркая окраска характерна для древесных пород южных районов страны. Цвет свежего разреза или раскола большинства пород постепенно тускнеет под воздействием воздуха и солнечного света. Блеск различных пород связан с плотностью древесины, текстура – определяется характером макроструктуры, различием в цвете отдельных участков. Блеск и текстуру оценивают визуально, цвет определяют, пользуясь атласом или опорной шкалой цветов. При оценке эстетических свойств древесины обращают внимание на возможные пороки и дефекты лицевой поверхности природного и искусственного происхождения: сучки, трещины, гниль, покоробленность, выщербины, шероховатость. Шероховатость определяется среднеарифметическими высотами неровностей – от вершины гребня до дна впадины и визуальной оценкой ворсистости и мшистости. Установлено 12 классов шероховатости поверхности: от 1,6мм до 4мкм. Для более точных измерений пользуются даже микроскопом. Для примера, шероховатость пиломатериалов должна быть не более 1, 2мм – это второй класс отделки.

    2)    Материалы на основе органических вяжущих

К органическим вяжущим материалам относят битумы, дегти и полимеры. Это смеси высокомолекулярных углеводородов с примесью небольшого количества минеральных веществ, изменяющие свои физико-механические свойства в зависимости от температуры. На основе этих вяжущих изготавливают бетоны и растворы, гидроизоляционные и теплоизоляционные материалы.

Битумы и полимеры могут быть природными и искусственными. Дегти – только искусственными. Природные битумы встречаются в виде густых темных жидкостей, пропитывающих горные породы и под воздействием окислительных процессов на воздухе, затвердевающих в них. Из природных битумов изготавливают лучшие битумные лаки, антикоррозионные мастики и эмульсии. Природные битумы с содержанием минеральных примесей более 20% называют природными асфальтами, их используют после дробления для приготовления асфальтобетонных смесей.

Производство искусственных (синтетических) битумов основано на технологии переработки нефти. После высокотемпературного отбора из нефти жидких, масляных и смолистых веществ остается битум, в котором содержатся: 45-65%-масел, 15-30% -смол и 10-30%-асфальтенов – углеродного компонента, есть небольшое количество парафинов. Свойства битумов определяются соотношением этих составляющих и могут быть модифицированы (улучшены) добавлением смол, масел или полимеров. С увеличением содержания парафинов повышается хрупкость битумов на холоде, поэтому их содержание не должно быть более 5%. Нефтеперерабатывающие заводы выпускают битумы твердыми брикетами в бумажной упаковке. Чтобы с ними работать, надо их перевести в рабочее или жидкое состояние. При температуре 140-170⁰С увеличивается растворимость смол в маслах и при этой же температуре переводят твердые битумы в жидкое или рабочее состояние. Под воздействием кислорода воздуха и ультрафиолетовых лучей уменьшается количество масел и смолистых веществ, от чего битум становится хрупким, рвутся молекулярные связи и битум «стареет». Чтобы этого не происходило его наполняют тонкодисперсными порошками из карбонатных горных пород, которые выполняют роль стабилизатора, увеличивая срок службы битумов. Битумы стойки в растворах щелочей и кислот, но растворяются в органических растворителях. Поэтому вторым способом приведения битума в рабочее состояние является его растворение в сырой нефти или ее компонентах – керосине, лигроине, маслах. Третий способ приведения битума в рабочее состояние – эмульгирование – приготовление эмульсии из расплавленного битума с поверхностно-активными веществами и эмульгатором – тонкодисперсным порошком, наполняющим объем и препятствующим слипанию битумных капель при остывании. Так приготавливают мастики и пасты, которые можно использовать в работе, разбавляя их до нужной консистенции холодной водой.

По области применения битумы разделяют на дорожные, строительные и кровельные. Строительные битумы (20%) идут на изготовление изоляционных, антикоррозионных мастик, растворов и паст. Кровельные (20%) – идут для изготовления рулонных и штучных гидроизоляционных материалов, дорожные битумы (60%) – для изготовления асфальтовых растворов и бетонов, используемых для покрытия дорог, взлетно-посадочных полос и др. покрытий. Для асфальтобетонов сначала готовят асфальтовое вяжущее (связку) или асфальтовый раствор. Это однородная смесь, состоящая из битума и наполнителя – минерального порошка карбонатной породы, выполняющего роль матрицы в асфальтобетоне. Минеральный наполнитель (тонкомолотый известняк, доломит, шлаки) не только уменьшает расход битума, но и повышает температуру размягчения смеси, является стабилизатором свойств битума, защищая его от ультрафиолетовых лучей. В состав асфальтобетона входит еще мелкий и крупный заполнитель – это кварцевый песок и щебень прочных горных пород.

Асфальтобетоны разделяют по назначению на гидротехнические, дорожные, аэродромные, для покрытия пола в цехах, плоской кровли и стяжек. Прочность асфальтобетона зависит от температуры, при 20⁰С составляет 2-2,5МПа.

Уплотняют уложенную асфальтобетонную смесь трамбованием, укатыванием, вибрацией, разглаживанием, литьем в зависимости от состава и температуры.

Деготь получают перегонкой твердых видов топлива без доступа воздуха. Он может быть каменноугольным, древесным, сланцевым, торфяным и др. Состав его подобен составу битума, но в отличие от битума содержит больше масел, фенолы и воду, поэтому дегти являются сильными антисептиками. При перегонке сырого дегтя получают много полезных веществ, используемых в медицине, химической промышленности, поэтому в строительстве используют отогнанный при высокой температуре деготь. Чтобы дегти имели выше атмосферостойкость в них вводят тонкомолотые порошки любых пород (дегти имеют хорошую адгезию к любым породам). Сочетая положительные свойства битумов и дегтей делают смешанное вяжущее– сплав. Вяжущие с дегтем используют для пропиток, гидроизоляционных рулонных материалов, антисептических составов.

Полимеры – многочисленная группа веществ, построенных из молекул, содержащих сотни, тысячи однотипных атомных групп. Возникновение природных полимеров является основой жизни на Земле. Это органические материалы: белки, целлюлоза, каучуки, битумы.

Получение искусственных (синтетических) полимеров привело к возникновению нефтехимической отрасли. Атомы углерода (С)-четырехвалентны и образуют сильные ковалентные связи между собой, формируя насыщенные и ненасыщенные углеводороды. Их получают из продуктов нефтепереработки и коксования каменных углей, а также из нефтяных попутных газов.

По составу их разделяют наорганические, неорганические и элементоорганические. Самая распространенная группа – органические полимеры, образующие длинные цепи. Изменяя длину цепи, разнообразят структуру и свойства полимеров. Заменяя часть атомов водорода на кислород, получают наиболее эластичные полимеры, заменяя на фосфор или хлор – получают огнестойкие полимеры, на серу – газонепроницаемые, на фтор – химически стойкие полимеры.

Основу неорганических полимеров составляют окислы Si,Al,Ca,Mg и др. Их отличает более высокая плотность, температуростойкость, огнестойкость. Цепи их короче, не эластичны, хрупки. К ним относят природные породы – асбест, слюда, графит и др.

Элементоорганические или их называют кремнийорганические полимеры получены искусственно чередованием в молекулярной цепи органических и неорганических элементов. Чем больше в цепи атомов кремния, тем материал ближе по свойствам к силикатам, чем меньше атомов кремния, тем эластичнее полимер. Это жидкости, вязкие замазки, каучуки. Они более теплостойки и водостойки, поэтому их используют в качестве гидрофобных добавок и пропиток.

По способу получения полимеры делят на полимеризационные и поликонденсационные. Полученные реакцией полимеризации полимеры имеют линейную структуру, эластичны с низкой температуростойкостью. Это полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, полистирол, полиакрилат и др. При повышении температуры они размягчаются, поэтому называются термопластичными.

Полимеры, полученные реакцией поликонденсации, имеют разветвленную и даже сетчатую структуру, они более термостойки, при повышении температуры, они могут обуглиться, сгореть, но не станут мягче. Такие полимеры нызываюттермореактивными. К ним относятся феноло-альдегидные, эпоксидные, полиэфирные, полиамидные, полиуретановые и др. полимеры. Именно эти полимеры применяются в качестве связующего для производства слоистых пластиков, формовочных масс, пресспорошков. Из них получают пенопласты, мипору и самые прочные пластмассы – стеклопластики, текстолиты, СВАМ (сверхвысокопрочный анизотропный материал).

Полимеры используют в качестве связующего или пропиток при создании композиционных материалов. Так получают пластмассы, полимербетоны, бетонополимеры и др.

В состав пластмассы входят наполнители, стабилизаторы, пластификаторы, красители и др. технологические добавки. Термореактивные полимеры используют в качестве связующего для получения конструкционных пластмасс.

В качестве наполнителя используют порошковые, волокнистые и пластинчатые или листовые материалы. Наполнители занимают большую часть объема – до 90-95% и не только удешевляют, но снижают усадку или растяжимость материала, увеличивают прочность и модуль упругости, твердость материала. Прессованием стекловолокна с полимером получают такие изделия как оконные, дверные блоки, фурнитуру, санитарно-технические изделия. В полимербетонах связующее составляет всего 5-10%, минеральные наполнители - 90-95%, поэтому стоимость его невелика. Но получают химически стойкие, прочные, водонепроницаемые материалы, из которых изготавливают ответственные конструкции.

Плотность пластмасс может быть от 0,1 до 2г/см³, прочность конструкционных пластмасс – 900-1300кг/см², температуростойкость до 300 и 500⁰С.

После смешивания всех компонентов вязкий полимер образует пластичную массу, которую формуют способами: литьем, экструзией, прессованием, каландрованием, термоформованием, вакуумированием. На отформованных изделиях наносят рисунок тиснением, аппликацией, печатанием, металлизацией. Изготавливают 5 категорий фактур: глянцевую, матовую, имитируют природный камень, древесину, металл.

Кроме этого разработаны водонепроницаемые прочные рулонные материалы, из которых делают воздухоопорные и пневмоконструкции для устройства передвижных мобильных госпиталей, спортивных сооружений и др.

Теплоизоляционные пластмассы делают из жидких составов поризуя их способами: физико-механическим, воздушно-механическим и химическим. В состав вводят вещества, выделяющие газы или воздух, которые формируют поры, наполненные ими.

Классифицируют пластмассы по назначению:- для покрытия пола;

-отделочные и конструкционно-отделочные материалы и изделия;

-профильно-погонажные изделия, окна из ПВХ-профилей;

-мастики и клеи;

-теплоизоляционные и акустические материалы;

-гидроизоляционные, кровельные и антикоррозионные материалы;

-лакокрасочные, шпаклевочные, штукатурные материалы;

-трубы, фасонные изделия к ним и сантехническое оборудование;

-элементы и конструкции зданий и сооружений;

Совмещаясь с другими компонентами, полимер обеспечивает однородность и взаимопроникновение, распределение напряжения и синхронность в работе

всех компонентов в композиционном составе.