Материаловедение в столярных, паркетных и стекольных работах


Г. Т. ШИРОКИЙ, А. И. СИДОРОВА





                МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ




В СТОЛЯРНЫХ, ПАРКЕТНЫХ И СТЕКОЛЬНЫХ РАБОТАХ

Учебное пособие














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 674
ББК 37.13
    Ш64



Рецензенты:
методическая комиссия общепрофессиональных и специальных предметов Минского государственного профессионально-технического колледжа строителей им. В. Г. Каменского, преподаватель спецдисциплин Печень Виктор Михайлович;
кандидат технических наук, доцент кафедры технологии стекла и керамики Белорусского государственного технологического университета Дятлова Евгения Михайловна




    Широкий, Г. Т.
Ш64 Материаловедение в столярных, паркетных и стекольных работах : учебное пособие / Г. Т. Широкий, А. И. Сидорова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 308 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0992-6

    Рассмотрены основы структурообразования и формирования качественных характеристик основных видов строительных материалов, применяемых в столярно-мебельном производстве, паркетных и стекольных работах, как на стадии их изготовления, так и практического использования. Особое внимание уделено древесине, ее строению, формированию технических характеристик и вопросам переработки в готовые изделия в соответствии с требованиями отечественных и европейских стандартов. Приведены сведения по ряду сопутствующих материалов - стекла, металлов и полимеров, лакокрасочных и клеящих материалов, тепло- и гидроизоляционных, абразивных и смазочных. Даны рекомендации по их применению.
    Для учащихся и преподавателей учреждений профессионально-технического образования, работников строительной сферы и дизайнеров внутреннего интерьера. Может быть использовано студентами и учащимися смежных профессий и менеджерами строительных компаний.

                                                            УДК 674
                                                            ББК37.13




ISBN 978-5-9729-0992-6

     © Широкий Г. Т., Сидорова А. И., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

    ВВЕДЕНИЕ


    Учебное пособие состоит из десяти глав, каждая из которых посвящена отдельной группе материалов, причем характер приводимых сведений преимущественно материаловедческий, в рамках развивающегося в настоящее время научного строительного материаловедения и целенаправленного создания материалов с заданными структурой, свойствами и использованием оптимальных современных технологических приемов. Материаловедение, в том числе строительное, считается прикладной наукой о связях состава, строения и свойств материалов. Поэтому все сведения о материалах изложены и скомпонованы в технологической последовательности (сырье, технология, свойства, применение), что несомненно способствует лучшему усвоению учебной дисциплины.
    Особое внимание в учебном пособии уделено материалам и изделиям из древесины и стекла, используемым в столярных, паркетных и стекольных работах и сопутствующим этим процессам вспомогательным материалам и изделиям. Для успешной работы в качестве столяра, плотника и паркетчика в первую очередь необходимо знать строение дерева и древесины, породы, их характеристики и наиболее эффективные области применения, свойства и пороки древесины, различать породы и виды лесоматериалов по их внешнему виду и макроскопическим признакам, технологические приемы получения изделий и обработки древесины, обеспечивать ее долговечность в различных условиях эксплуатации и характеристики сопутствующих этим работам других материалов. От материала зависят структура технологического процесса, состав технологического оборудования, длительность производственного цикла, уровень механизации и автоматизации, условия труда и трудоемкость изделий.
    Основы древесиноведения изложены в учебном пособии в двух разделах. В первом рассмотрены состав, особенности строения древесины, физические и механические свойства и пороки, во втором - характеристика основных пород древесины и изделий из нее, способы сушки и физические явления, протекающие во время сушки и формирование защитно-декоративных функций.
    При производстве столярных, паркетных и стекольных работ применяют лакокрасочные материалы, полимерные и металлические материалы и изделия, клеи, фурнитуру, гидроизоляционные, абразивные и смазочные материалы и др. Все эти материалы и изделия тоже нашли отражение в последующих главах учебного пособия. Рассматриваются также новейшие материалы, которые наряду с традиционными, находят применение при производстве столярных, паркетных и стекольных работ.
    В целях устранения технических барьеров в международном сотрудничестве изложение учебного материала строилось по возможности в соответствии с отечественными и Европейскими нормами и стандартами. По тексту дается информация о зарубежном опыте в области материаловедения. Рассматриваются также экологические аспекты производства и применения различных видов строительных материалов и изделий. Для лучшего усвоения учебного материала в конце каждой темы приведены вопросы и задания для самоконтроля.

3

    ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ И ОЦЕНКА ИХ КАЧЕСТВА

    1.1. Общие сведения


    Все материалы и изделия, в том числе строительные, имеют названия, определенную структуру, отличаются способами производства, показателями качества или свойствами, их численными значениями, условиями и особенностями применения и т. д. Под свойствами материалов понимают их способность реагировать определенным образом на отдельные или совокупные внешние и внутренние воздействия - механические, химические, биологические и др. Они характеризуют собой общность или различие одних материалов по отношению к другим и проявляются в процессе переработки, применения, эксплуатации, испытания или сравнения. Например, действие на материал отрицательных температур характеризует его морозостойкость, огня - огнестойкость, сопротивляться воздействию нагрузок - прочность .упругость и др.
    Различают физические, механические, химические, технологические, эксплуатационные, специальные и другие свойства (рис. 1.1). Все свойства взаимосвязаны между собой. Например, от структурно-физических свойств зависят механические, технологические, акустические, от механических - эксплуатаци-

онные, от технологических - механические, эстетические и др.

Рис. 1.1. Свойства строительных материалов

    По совокупности свойств строительных материалов судят о их качестве, а уровень качества определяется (оценивается) количественной характеристикой, т. е. численными значениями этих свойств в соответствии с назначением материала. Численные значения свойств строительных материалов получают

4

при лабораторных или натурных испытаниях и выражают физическими величинами в соответствии с действующими нормативными документами и согласно Международной системе единиц SI (в русской транскрипции СИ - эс-и).
    Свойства материалов формируются в процессе изготовления и в значительной степени определяются их составом и строением. Знание состава сырья и материалов позволяет прогнозировать свойства получаемых изделий при изготовлении и получать их с заданными качественными характеристиками на длительный период эксплуатации. Различают химический, минеральный (минералогический), фазовый и вещественный составы строительных материалов.
    На все строительные материалы и изделия, выпускаемые различными производителями, имеются нормативно-правовые документы (ТНПА - технические нормативно-правовые акты), которые регламентируют их технические характеристики, технологические процессы, правила эксплуатации, перевозки, хранения, утилизации, а также требования к терминологии, символике, упаковке и маркировке. В настоящее время нормативно-правовая система в стране представлена государственными стандартами Российской Федерации (ГОСТ Р), строительными нормами, межгосударственными стандартами и стандартами бывшего СССР (ГОСТ), международными (ISO), европейскими (EN) и нормативно-правовыми документами организаций (ОСТ, СТО, СТП) и техническими условиями (ТУ).
    Большинство стандартов на материалы и изделия - это технические требования и методы испытания. Такие документы призваны способствовать повышению качества выпускаемой продукции, ее безопасности, содействовать социально-экономическому развитию и интеграции Российской Федерации в мировую экономику и международные системы стандартизации.


    1.2. Структурно-физические свойства


    Структурно-физические свойства строительных материалов определяются параметрами их физического состояния и структуры. Они характеризуют вещество и структуру материала как физического тела, а также способность реагировать на внешние воздействия, не вызывающие изменения их химического состава и структуры.
    Плотность - величина, определяемая отношением массы материала (вещества) к занимаемому им объему, т. е. масса единицы объема материала:

m р " V •

где m - масса, кг (г); V- объем, м³ (см³).
    Размерность плотности - кг/м³ или г/см³, т/м³, кг/л.
    Плотностью близкой к теоретической (максимальной) обладают металлы, жидкости, стекло, некоторые полимеры и пластмассы. Однако большинство строительных материалов в большей или меньшей степени имеют пористое строение, т. е. помимо твердого вещества в нем находятся ячейки (поры), за

5

полненные воздухом или водой. Плотность таких материалов ниже плотности твердого вещества.
    Поэтому различают истинную, среднюю и насыпную (для сыпучих или зернистых материалов) плотность. Для лучшего усвоения и более глубокого физического понимания, плотность строительных материалов часто сравнивают с плотностью воды, равной 1,0 г/см³ при 4 °C.
    Истинная плотность или плотность вещества (абсолютная плотность) -масса (m) единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии ( Va). Это значит, что при измерении объема в него не входят поры, пустоты, трещины и другие полости, присущие материалу в естественном состоянии:

т Ри ⁼ ~Г-VA
     Следовательно, истинная плотность - это характеристика не материала, а вещества, из которого состоит материал. Для определения истинной плотности материал предварительно измельчают в тонкий порошок до тонкости 0,25 мм, чтобы при определении объема исключить поры. Масса порошка определяется взвешиванием, а объем в абсолютно плотном состоянии - в пикнометре или приборе Ле Шателье по объему вытесненной жидкости.
     Истинная плотность материала - характеристика постоянная (физическая константа), которая не может быть изменена без изменения его химического состава или молекулярной структуры. Для большинства строительных материалов значение истинной плотности более 1 г/см³.
     Например, для природных и искусственных каменных материалов -2,2...3,3 г/см³; для органических (дерево, битум, пластмассы) - 0,8...1,6г/см³; черных металлов - более 7,0 г/см³. Для жидкостей и материалов, полученных из расплавленных масс (металл, стекло и др.), истинная плотность практически соответствует их плотности в естественном состоянии, так как объем внутренних пор у них незначителен.
     Для строительных материалов истинная плотность имеет вспомогательное значение. Ее используют, например, при вычислении показателей плотности и пористости материалов.
     Средняя плотность (плотность материала, кажущаяся плотность) - масса единицы объема материала в естественном состоянии, т. е. объем материала измеряется вместе с имеющимися в нем порами и пустотами. Рассчитывается средняя плотность путем деления массы образца m на его объем Ve:


m

рс
C  Ve

    При определении средней плотности объем материала устанавливают по внешним размерам образца или по объему вытесненной им жидкости, если испытываемый образец имеет неправильную форму.
    Средняя плотность материалов не является величиной постоянной и в за

висимости от их вида и структуры может изменяться в достаточно широких пределах - от 10 кг/м³ (для отдельных видов пенопластов, мипоры и др.)

6

до 7850 кг/м³ (сталь) и более. Численное значение средней плотности для одного и того же вида материала может быть тоже различным в зависимости от количества пор и пустот в нем, т. е. изменяя структуру и пористость, можно получать материалы требуемой плотности. Например, с изменением пористости плотность ячеистых бетонов может изменяться в пределах от 350 до 1200 кг/м³, керамического кирпича - от 1200 до 1900 кг/м³.
    У подавляющего большинства строительных материалов (пористых) величина средней плотности всегда меньше истинной, так как на одну и ту же единицу массы приходится больший объем. Разница между ними тем больше, чем больше пористость. Численные значения средней и истинной плотности вещества совпадают, когда материал не имеет пор, т. е. для абсолютно плотных материалов. Например, металл, стекло и др.
    На среднюю плотность влияет также содержание воды в материале, т. е. влажность материала. С увеличением влажности средняя плотность материала увеличивается. Например, средняя плотность сухой древесины (сосны) составляет 450 кг/м³, а влажной может достигать 1000 кг/м³ и более.
    Средняя плотность является необходимой характеристикой при расчете прочности сооружений с учетом собственной массы, для определения стоимости и способа перевозок материалов, для расчета складов и подъемнотранспортного оборудования, при переводе количества материала из массовых единиц в объемные и при расчете пористости.
    Для сыпучих или зернистых материалов (заполнителей для бетона) характеристикой плотности являются насыпная плотность. Насыпная плотность -отношение массы рыхло насыпанных зернистых и порошкообразных материалов ко всему занимаемому ими объему, включая поры в зернах и объем пустот между зернами, так называемую межзерновую пустотность. Определяется в стандартных мерных сосудах, выбор объема (вместимости) которых зависит от вида и величины зерен сыпучего материала.
    Насыпная плотность сыпучих материалов - величина не постоянная и зависит не только от пористости самих зерен и межзерновой пустотности, но и от степени их уплотнения и влажности. В уплотненном состоянии насыпная плотность таких материалов всегда больше, чем в рыхлонасыпном, с повышением влажности плотность их (за исключением песка) тоже повышается.
    Отношение средней плотности материала к истинной рс / ри называют показателем плотности или относительной плотностью. Выражается в долях единицы или в процентах от объема материала, т. е. показывает степень заполнения объема материала плотным веществом. Чем меньше разность между численными значениями средней и истинной плотности, тем выше значение показателя плотности материала. Для абсолютно плотных материалов показатель плотности равен 1,0 или 100 %.
    Пористость и пустотность. Величина обратная показателю плотности есть показатель пористости (далее пористость). Следовательно, пористостью называют совокупность пор и трещин в единице объема материала, заполненных или не заполненных жидкой или газообразной фазой. Пористость дополня

7

ет показатель плотности до единицы или 100 % и указывает на степень заполнения объема материала порами. Общую пористость рассчитывают по величине их истинной и средней плотности.
    Если принять общий объем материала за единицу или за 100 %, то разность между единицей и показателем плотности будет выражать собой числен


ное значение пористости:


П = 1 -     -100, %
I   Ри)

    Понятие «пустотность» по физическому смыслу сродни понятию «пористость». Однако на практике принято считать, что поры - это мелкие ячейки в материале размером, как правило, до 2 мм, а более 2 мм, а также воздушные

полости и промежутки между зернами сыпучего материала принято называть пустотами. Поэтому пористость не следует отождествлять с понятием «пустотность».
    Пористость строительных материалов колеблется в довольно широких пределах - от 0 % до 90 % и более. Например, для стекла и металла пористость составляет практически 0 %, пенопластов - 92...9S %, пенобетона - 60...80 %, минеральной ваты -до95%и древесины - 50.75 %.
    Большое влияние на свойства материала оказывает не только общая величина пористости, но и геометрическая и структурная характеристики пор. Поры в материалах могут быть крупные и мелкие; открытые, закрытые и сообщающиеся; в виде ячеек и капилляров и др. Поэтому различают общую, открытую и закрытую пористость. Поры могут быть заполнены воздухом, во влажном состоянии - водой, при отрицательных температурах - льдом. С теплозащитной точки зрения лучше мелкие, замкнутые поры и равномерно распределенные по всему объему материала.


    1.3. Гидрофизические свойства


    Гидрофизические свойства характеризуют поведение материалов и условия их хранения и эксплуатации при воздействии влаги и водяных паров, содержащихся в воздухе. Влага, проникающая в строительные материалы и изделия, в отдельных случаях может оказывать благоприятное воздействие на процессы, происходящие в их структуре, например, при твердении бетонов и строительных растворов. Однако в большинстве случаев вода оказывается одной из основных причин разрушения и ухудшения их теплозащитных и других свойств.
    Водопоглощение характеризуется количеством воды, которую поглощает сухой материал при полном погружении и выдерживании в воде заданный промежуток времени, отнесенным к массе сухого материала (водопоглощение по массе WM) или к объему материала в сухом состоянии (водопоглощение по объему Woe). Водопоглощение по объему и по массе выражают относительным числом или в процентах и вычисляют по формулам:


8

Wоб = mH m -100 % И WM = mH mc -100 %,
Pe ■V                      mc
где mc - масса сухого образца, г; т„ - масса образца, насыщенного водой, г; рв - плотность воды, г/см³; V- объем образца в сухом состоянии, см³.
     Водопоглощение по массе показывает степень увеличения массы материала (за счет поглощенной воды), а водопоглощение по объему - степень заполнения объема материала водой. Водопоглощение по массе и по объему характеризует собой предельное состояние, когда материал больше не в состоянии поглощать влагу.
     Водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах. Например, водопоглощение по массе ситаллов и шлакоситаллов составляет 0%,а пористых теплоизоляционных материалов может превышать 100 %.
     Водопоглощение по объему является косвенной характеристикой открытой пористости, и поэтому иногда называют кажущейся пористостью. Однако пористость материалов по абсолютному значению всегда выше водопоглоще-ния по объему, т. к. вода в обычных условиях не заполняет все поры. Водой заполняются только открытые (и то не все) поры, а стенки крупных пор только смачиваются водой. Поэтому водопоглощение по объему всегда меньше пористости а, следовательно, и меньше 100 %.
     Степень заполнения объема пор водой характеризуется коэффициентом насыщения, т. е. отношением водопоглощения по объему к пористости материала:
К ₌ W
К нас п ■

     Если учесть, что водопоглощение по объему всегда меньше пористости, то всегда Кнас <1,0.
     По величине коэффициента насыщения можно косвенно оценить морозостойкость материала. Чем меньше значение коэффициента насыщения, тем выше его морозостойкость. Материалы считаются морозостойкими при Кнас<0,6.
     Влажность. В реальных условиях эксплуатации строительных конструкций материал может содержать некоторое количество влаги, полученной при кратковременном увлажнении или гигроскопичности. В этом случае состояние материала характеризуют влажностью. Следовательно, влажность (влагосо-держание) - содержание влаги в материале в данных условиях, отнесенное к массе материала в сухом состоянии. Влажность материала W выражают в процентах и вычисляют по формуле:

W ₌ me тс .100%, тс
где те - масса влажного образца, г; тс - масса сухого образца, г.
     Теоретически влажность строительных материалов может изменяться от нуля, когда материал находится в абсолютно сухом состоянии, до величины,

9

соответствующей полному водопоглощению материала по массе. Однако в естественных условиях эксплуатации материалы в сооружениях находятся преимущественно в воздушно-сухом состоянии, т. е. при установлении равновесия между влажностью материала и окружающего его воздуха.
    Гигроскопичность - способность капиллярно-пористого материала поглощать (сорбировать) и конденсировать (адсорбировать) водяные пары из воздуха до установления равновесия и удерживать их вследствие капиллярной конденсации, т. е. изменять свою влажность при изменении влажности воздуха. Гигроскопичность зависит от температуры воздуха; его относительной влажности; вида, количества и размера пор, а также от природы вещества.
    Материалы с одинаковой пористостью, но имеющие более мелкие поры (а соответственно и большую поверхность), оказываются более гигроскопичными, чем крупнопористые материалы. Для сыпучих материалов гигроскопичность зависит от их дисперсности.
    Гигроскопичность и влажность отрицательно сказываются на качестве строительных материалов, т. е. вызывают вредные последствия. С увеличением влажности материала повышается плотность, теплопроводность, уменьшается прочность и т. д. Цемент, например, при хранении, поглощая влагу, комкуется, теряет активность (прочность). Древесина от влажности разбухает, коробится, трескается и гниет.
    Влагоотдачей называют свойство материала отдавать влагу окружающей среде при соответствующих условиях (нагрев, движение и изменение влажности воздуха и др.). В естественных условиях эксплуатации зданий и сооружений влагоотдача происходит очень медленно, в течение продолжительного времени. Вода испаряется до тех пор, пока не установится равновесие между влажностью материала конструкции и влажностью окружающего воздуха, т. е. пока материал не достигнет воздушно-сухого состояния.
    Влагоотдача имеет большое значение для стеновых материалов и изделий (в данном случае - это желанная влагоотдача, нежеланная - высыхание твердеющего бетона). В обычных условиях, благодаря влагоотдаче стены и другие конструкции зданий и сооружений высыхают. По мере высыхания у многих материалов восстанавливаются их свойства - прочность, эластичность, теплопроводность и др.
    Водопроницаемость - способность материала пропускать воду под давлением. Для одних материалов в зависимости от назначения характеристикой водопроницаемости служит количество воды, прошедшее в единицу времени через 1 м² поверхности материала при заданном давлении, для других (гидроизоляционных) - время контакта с водой, по истечении которого появляются первые признаки просачивания воды через испытываемый образец под определенным давлением и др. Водопроницаемость (водонепроницаемость) зависит от плотности и строения материала. Чем больше в материале пор и чем эти поры крупнее, тем больше водопроницаемость материала. К водонепроницаемым материалам относятся особо плотные - сталь, стекло, битум и др. Материалы с замкнутыми мелкими порами тоже практически водонепроницаемы.

10