Глава I. Физико-механические свойства материалов для устройства полов

§ 1. Физические свойства

Физические свойства характеризуют физическое состояние материала (плотность, цвет, блеск, текстуру) и его способность реагировать на воздействия внешней среды, не влияющие на химический состав материала (влажность, гигроскопичность, теплопроводность).

Цветом называют свойство тел вызывать определенное зрительное ощущение, зависящее от спектрального состава и интенсивности отражаемого или испускаемого ими видимого излучения. Цвет определяют по значениям трех его характеристик: цветового тона, насыщенности и светлоты. Цветовой тон зависит от волн отраженного света, которые вызывают различные цветовые ощущения. Светлота цвета зависит от коэффициента отражения света, а насыщенность - от степени смешения чистого спектрального цвета с белым. Эти характеристики определяют по специальному атласу цветов.

Цвет древесины зависит от породы, возраста, освещенности и климатических условий при ее созревании. Цвет пород, произрастающих в теплом и особенно тропическом климате, ярче, интенсивнее и темнее пород, произрастающих в умеренном климате, имеющих светлую окраску. При росте на освещенном пространстве древесина хвойных пород имеет сероватый, а лиственных пород - красноватый или коричневатый оттенок. При старении древесина окрашивается в более темный цвет.

Цвет - отличительный признак для каждой породы древесины. Он создается находящимися в ней смолами, красящими и дубильными веществами. Поэтому по нему можно определить породу и качество древесины. Здоровая древесина имеет ровный цвет; пятна и полосы указывают на начало ее загнивания.

Блеск - свойство поверхности материала направленно отражать свет. Блеск наблюдается у древесины некоторых лиственных пород (березы, липы), особенно на радиальном разрезе. Шелковистый блеск имеет древесина бархатного дерева.

Текстурой древесины называют естественный рисунок разреза древесины. При изучении свойств и строения древесины пользуются тремя главными разрезами ствола. Разрез, перпендикулярный оси ствола, называется поперечным или торцовым I (рис. 1). Разрез, проходящий вдоль оси ствола по радиусу от его сердцевины, называется радиальным II (или иногда продольным). Разрез, перпендикулярный торцовому, но проходящий на некотором расстоянии от сердцевины ствола, называется тангентальным III (тангенциальным).

Рис. 1. Основные части ствола и его главные разрезы (I...III): 1 - кора, 2 - заболонь, 3 - ядро, 4 - сердцевина; Разрезы: I - торцовый, II - радиальный, III - тангентальный

Текстура определяет декоративную ценность древесины. Текстура зависит от ширины годичных слоев древесины, окраски ранней и поздней древесины, расположения волокон и сердцевинных лучей на ее поверхности. Натуральная окраска древесины, блеск от пересечения сердцевинных лучей своеобразны для каждой породы древесины: у лиственных пород текстура богаче по сравнению с породами хвойными. Особенно красив рисунок лиственных пород (дуба, бука, клена) на радиальном разрезе древесины. У хвойных пород наиболее красивая текстура на тангентальном разрезе.

Запах древесины - признак, характерный для каждой породы. По запаху можно определить породу и доброкачественность древесины. Так, при грибковом заражении дерева уже в начальной стадии болезни древесина приобретает затхлый запах.

У здоровой древесины запах определяется содержанием дубильных веществ, смол и эфирных масел. Древесина хвойных пород из-за содержания смолы пахнет сильнее, чем древесина лиственных пород.

Влажность - отношение массы влаги, находящейся в данном объеме материала к массе абсолютно сухого материала, и выраженное в процентах:

где m₁ - масса образца с содержащейся в нем влагой, г; m₂ - постоянная масса сухого образца, г.

Древесину по влажности (%) разделяют на следующие группы: абсолютно сухую с постоянной массой - около 0; комнатно-сухую - 8...12; воздушно-сухую - 15...20; свежесрубленную - 50...100; мокрую - более 100. У лиственных пород влажность по диаметру ствола изменяется равномерно, у хвойных пород в середине ствола она в несколько раз выше, чем у наружных слоев.

Гигроскопичность - способность материалов (веществ) поглощать влагу из воздуха. Гигроскопичностью древесины является способность ее изменять влажность в зависимости от колебания температурно-влажностного режима окружающего воздуха. Древесина имеет свободную (капиллярную) влагу, расположенную в полостях клеток, и связанную (гигроскопическую) влагу, находящуюся в оболочках (стенках) клеток. В связи с этим введены понятия о пределах гигроскопичности, равновесной и нормализованной влажности древесины.

Пределом гигроскопичности (точкой насыщения волокон) является достигнутая при сорбции максимальная влажность клеточных стенок древесины, выдержанной в насыщенном влагой воздухе. Влажность, соответствующая пределу гигроскопичности, при температуре 20°С для древесины составляет в среднем 30%.

Равновесная влажность - среднее значение между устойчивыми влажностями древесины при сорбции (поглощении) и десорбции (отдаче), соответствующее определенному сочетанию температуры и влажности окружающего воздуха. Эта влажность равномерно распределяется по сечению древесины для данной влажности и температуры воздуха и является постоянной для данного материала.

Равновесную влажность для каждого материала (в зависимости от окружающей среды) определяют по специальным таблицам - диаграммам (рис. 2). На приведенной диаграмме наклонные линии показывают влажность древесины сосны, горизонтальные - влажность воздуха, а вертикальные - температуру воздуха. Например, при температуре 20°С и влажности воздуха 35% равновесная влажность древесины W=7%. При повышении температуры до 30°С и уменьшении влажности воздуха до 12% равновесная влажность W=3%.

Рис. 2. Диаграмма для определения равновесной влажности древесины сосны в зависимости от температуры и влажности воздуха

Нормализованной влажностью является равновесная влажность древесины, приобретаемая при температуре 18...22°С и относительной влажности воздуха 60...70%. При влажности древесины ниже равновесной происходит уменьшение линейных размеров и объема древесины, которое при удалении из нее связанной влаги называют усушкой. Усушку У_{w (%)} определяют по формуле:

где а_maх и a_w - размеры (объемы) материала соответственно при пределе гигроскопичности и при данной влажности, мм (мм³).

Полная усушка наблюдается при удалении всей связанной влаги из древесины с начальной влажностью, равной или выше предела насыщения клеточных стенок. Для всех пород деревьев в тангентальном направлении при полной усушке размер древесины уменьшается на 6...10%, в радиальном направлении - 3...5%, вдоль волокон - 0,1...0,3%. Полная объемная усушка древесины составляет 12...15%. Из-за разности значений радиальной и тангентальной усушки древесины при ее высыхании наблюдается поперечное коробление изделия из древесины, при неравномерной усушке наблюдается также растрескивание материала.

Наоборот, увеличение размеров древесины происходит при ее разбухании. Разбухание древесины - увеличение ее размеров при поглощении связанной влаги; полное разбухание древесины - увеличение ее размера при увлажнении от абсолютно сухого до предела насыщения клеточных стенок; коэффициент разбухания древесины - среднее значение увеличения ее размеров при повышении связанной влаги на 1% влажности. Разбухание древесины обратно пропорционально ее усушке.

Водопоглощение - способность материалов впитывать и удерживать в порах воду. Оно определяется отношением количества воды, поглощаемой сухим материалом при выдерживании в ней, к массе или объему сухого материала соответственно. Различают водопоглощение по массе W_в и объему W₀ и вычисляют в % по формулам:

где m_сух - масса сухого образца, г; m_v - масса насыщенного водой образца, г; V - объем сухого образца, см³.

У линолеума и синтетических плиток определяют поверхностное водопоглощение - поглощение влаги материалом через лицевую поверхность. Водопоглощение каждого слоя линолеума различно. Верхний лицевой слой линолеума предназначен для защиты от проникновения воды в нижние слои (войлочную, текстильную или пористую подоснову). Поэтому материал лицевого слоя линолеума имеет минимальное водопоглощение, в то время как основные слои могут насыщаться водой иногда до 100%.

У древесины кроме водопоглощения определяют также влагопоглощение - способность увеличивать количество связанной влаги поглощением паров воды из воздуха. Оно зависит от температуры и влажности воздуха в помещении и определяется по специальным таблицам.

Плотность - физическая величина, характеризующая количество массы в единице объема. Средней плотностью ρ_m называют отношение массы m материала ко всему занимаемому им объему V. Истинная плотность ρ - отношение массы m₀ материала к его объему V₀ без учета пор и пустот, т. е. плотность образца, высушенного до постоянной массы. Соответственно среднюю и истинную плотность определяют по формулам:

Плотность разных пород древесины колеблется в значительных пределах, так как количество полостей и сосудов в древесине зависит от породы деревьев, положения образца в стволе дерева. С повышением влажности плотность древесины резко увеличивается. Плотность линолеума (за исключением нижних слоев) практически не изменяется. Плотность материалов можно определить с помощью плотномеров (объемомеров), мерных колб, пикнометров.

Плотность материалов косвенно характеризует количество пустот и пор в материале. Она также влияет на прочность материалов. Для изготовления паркета наилучшими являются породы деревьев с большой плотностью (кг/м³): дуб - 690; лиственница - 660; сосна - 440...500; ель - 445.

Теплопроводность - способность материала передавать теплоту от одной своей поверхности к другой. Теплопроводность древесины значительно меньше теплопроводности линолеума и других строительных материалов. Особенно мала теплопроводность древесины поперек волокон.

Теплопроводность древесины характеризуется коэффициентом теплопроводности, который равен количеству теплоты, проходящему в течение 1 ч через образец площадью 1 м² толщиной 1 м при разности температур на противоположных поверхностях образца 1°С.

Удельная теплоемкость С - это количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг материала на 1°С. Удельная теплоемкость линолеума и других синтетических материалов колеблется в значительных пределах и зависит от вида материала. Удельная теплоемкость древесины практически не зависит от породы дерева. Она увеличивается с увеличением влажности древесины (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость удельной теплоемкости древесины С от температуры t и влажности W воздуха

От теплоемкости, средней плотности и скорости изменения температуры у поверхности материала зависит коэффициент усвоения теплоты. Этот коэффициент учитывают при выборе материала для покрытий полов. У покрытий полов из древесины дуба этот коэффициент равен 5. Если значение этого коэффициента больше (у линолеума), покрытия считают холодными, а при меньшем коэффициенте усвоения теплоты - теплыми.

Звукопоглощение - способность материала ослаблять интенсивность звуковой волны при прохождении ее через материал.

Звукопроницаемость - способность материала пропускать звуковую волну. Звукопроницаемость древесины очень высока из-за ее малой плотности, особенно вдоль волокон. Поэтому при использовании изделий из древесины применяют звукоизоляционные материалы, укладываемые под полы из паркета и других деревянных материалов. У линолеума звукопроницаемость в 4...5 раз меньше, чем у древесины, а у линолеума на теплозвукоизолирующей подоснове - в десятки раз. Это позволяет при устройстве покрытий полов из линолеума на теплозвукоизолирующей подоснове не применять звукоизолирующие материалы.

Огнестойкость - свойство материалов сопротивляться воздействию высокой температуры. Сгораемые материалы воспламеняются под действием огня или высокой температуры и продолжают гореть после удаления источника теплоты. Древесина - сгораемый материал, поэтому ее пропитывают огнезащитными составами или устраивают защитные покрытия из несгораемых материалов. Линолеум является трудносгораемым материалом.