Сравнение прочности дерева и металла
Обновлено: 18.05.2024
Дерево — отличный материал для… всего. Из него делают все, что только можно себе представить. Единственное, чего не хватает — прочности. Многие сорта дерева — очень прочные, но, к сожалению, недостаточно прочные, чтобы их можно было применять более широко. Специалисты из США добились увеличения прочностных характеристик древесины путем специальной ее обработки.
После того, как дерево подвергается обработке по новому методу, его прочность возрастает в десятки раз, оно становится более прочным, чем сталь или титан. При этом древесина по-прежнему остаются дружественным окружающей среде материалом, альтернативой пластикам или металлам.
«Фактически, это новый класс материалов с великолепным потенциалом», — заявил Ли Тенг, специалист из Мэрилендского университета. Работа Тенга и его коллег опубликована 7 февраля в авторитетном научном издании Nature.
Попытки укрепить дерево, изменить тем либо иным образом его характеристики не прекращаются десятилетиями. Некоторые методы удачные, другие — не очень. К числу удачных можно отнести выделение микроволокон целлюлозы, что позволяет создавать достаточно устойчивые к внешним воздействиям материалы.
Но Тенг с коллегами решили подойти к проблеме с другой стороны. Исследователи сфокусировались на модифицировании пористой структуры натуральной древесины. Изначально они стали пробовать кипятить различные сорта древесины, включая дуб, в растворе гидроксида натрия и сульфита натрия в течение семи часов. Этот процесс оставил целлюлозную структуру практически нетронутой, но окружающие целлюлозу компоненты частично ушли. Один из таких компонентов — лигнин, полимер, связывающий целлюллозу.
Затем команда поместила на сутки деревянный блок под пресс, одновременно нагрев его до 100 градусов Цельсия. В результате образовались деревянные планки толщиной в пятую часть от прежних параметров. Кроме того, этот материал оказался в три раза плотнее натуральной древесины и в 11,5 раз прочнее. Предыдущие попытки усилить прочностные характеристики приводили к повышению этого параметра максимум в 3-4 раза.
Сканирование волокон нового материала при помощи электронного микроскопа показало, что сдавливание уничтожает целлюлозные трубочки, которые сжимаются и переплетаются вместе. «Вы получаете нановолокна, размещенные вдоль оси роста дерева, сцепленные между собой», — заявил один из участников исследования.
Для того, чтобы проверить, насколько устойчива «древесина нового типа» к внешним факторам, команда стала выстреливать по паллетам из баллистической пушки, которая обычно используется для проверки прочности военных транспортных средств. Как оказалось, модифицированная древесина выдерживает удар 46-граммового стального снаряда, летящего со скоростью примерно 30 метров в секунду.
Это, конечно, гораздо медленнее, чем скорость пули, вылетевшей из ствола огнестрельного оружия, но все же и это солидное достижение. Такая скорость примерно соответствует скорости автомобиля, движущегося перед столкновением с препятствием. Да, американцы считают, что их метод позволяет создавать материал, пригодный для автомобилестроения.
Эксперты считают, что команда «улучшателей дерева» чрезмерно усложняет процесс, который может быть гораздо более простым. Например, просто воздействие высокой температуры, пара и давления способно значительно улучшить прочностные характеристики материала. А можно просто прокипятить дерево в течение 7 часов в растворе каустической соды. В результате получается достаточно прочный материал. 24-х слойная защита из такого дерева задерживает 9-мм пулю, которой стреляют из пистолета.
Микаэела Идер, исследователь из Института Макса Планка считает, что воздействие давления также упрочняет дерево — хотя в этом случае неясно, насколько сильно имеет место сплетение нановолокон. Тем не менее, авторы оригинальной работы уверены, что только их методика позволяет многократно улучшить прочность дерева. Коллеги согласны с ними, говоря, что у работы большой потенциал, и в будущем можно было бы создать коммерческую технологию для производства прочных строительных материалов из дерева.
Обычную древесину сделали более прочной, чем сталь или титан
Учёные увеличили прочность дерева в 23 раза и сделали из него ножи и гвозди
Исследователи из Мэрилендского университета придумали простой и недорогой метод обработки дерева, благодаря которому материал становится в 23 раза прочнее обычного. При помощи этого метода учёные изготовили деревянный нож и несколько гвоздей, и эти предметы показали себя не хуже, а иногда и лучше своих металлических двойников. Ножом даже получилось разрезать стейк чуть выше средней прожарки. Кроме того, такой нож можно мыть в посудомоечной машине.
В связи с тем, что обычный пластик разлагается до 450 лет, а для получения стальных изделий требуются энергозатратные процессы, исследователи постоянно ищут новые материалы или новые способы обработки уже известных материалов. Тем более, когда эти материалы получаются гораздо экологичнее.
Тенг Ли, соавтор работы и материаловед из Мэрилендского университета, разработал с коллегами новый способ обработки дерева в поисках материала, способного заменить пластик, бетон и сталь.
По его словам, отношение прочности к плотности у целлюлозы (главного компонента дерева) выше, чем у большинства материалов, производимых человеком – керамики, металлов и полимеров. Однако существующие технологии не используют её потенциал полностью. Дерево на 50% состоит из целлюлозы, а всё остальное — это гемицеллюлозы и лигнин (скрепляющее вещество).
Метод учёных основывается на удалении более слабых компонентов из древесины. Исследователи порезали американскую липу на брусочки, вымочили их в водном растворе гидроокиси натрия и сульфита натрия для заполнения пор. Плотность дерева увеличилась, и оно затонуло. Затем его разделили на три партии, и кипятили их два, четыре и шесть часов соответственно, после чего промыли в деионизированной воде для удаления остатков химикатов.
После удаления лигнина дерево стало мягким и гибким. Затем учёные подвергали дерево давлению в 20 МПа в течение шести часов в горячем прессе. Дерево было завёрнуто в бумажные салфетки для удаления излишней влаги. Затем образцы сушили, нагревая их до температуры в 105°С. Наконец, отверждённое дерево 48 часов вымачивали в масле, чтобы защитить его поверхность от воды. При такой обработке нож не тупится, и его можно мыть – как вручную, так и в посудомоечной машине.
После тестов выяснилось, что дерево лучше всего кипятить четыре часа. Рассмотрев итоговый результат под микроскопом, учёные выяснили, что в дереве значительно уменьшилось количество пустот и каналов – это и был один из секретов упрочнения материала.
Проверка усиленного дерева на прочность
Из такого дерева исследователи изготовили пару ножей и несколько гвоздей. У одного ножа волокна были параллельны лезвию, у другого – перпендикулярны. Сканирующий электронный микроскоп показал, что лезвие такого ножа получилось гораздо острее, чем у столового, и было сравнимо с лезвием пластикового.
Гвозди из отверждённого дерева оказались такими же острыми, как железные – при этом они не ржавеют. Команде удалось скрепить таким гвоздём три доски, не повредив сам гвоздь.
Сравнение строительства домов из ЛСТК и дерева
Выбор материалов для частного жилого строительства на данный момент достаточно разнообразен. К самым распространенным вариантам возведения опор каркаса и несущих стен относят: кирпич, керамоблок, газобетонный блок, камень, деревянный брус, стальные оцинкованные металлопрофили. И, если раньше возведение частного дома подразумевало под собой каменную или кирпичную кладку, произведенную по бескаркасной технологии, то сейчас предпочтение отдается более продуманным и легковесным конструкциям, на проектировании которых можно сэкономить, но не в ущерб качеству.
Для сравнения можно взять два совершенно противоположных материала для возведения каркаса - дерево и ЛСТК.
Деревянное домостроение - проверенное временем, классическое решение. Из древесины строят дома уже очень давно, этот материал отлично служит украшением жилища и в настоящее время.
Легкие стальные тонкостенные конструкции - настоящий прорыв в строительной сфере. Металлопрофили толщиной в несколько миллиметров, несмотря на их внешнюю легкость и тонкость, при монтаже образуют прочный каркас, который будет защищать дом в течение долгих лет.
Сравнительные характеристики ЛСТК и деревянного каркаса
Легкие стальные тонкостенные конструкции
Впервые ЛСТК стали использоваться при возведении зданий около полувека назад. Во многих странах опыт применения данного материала насчитывает уже более 30 лет. В России такой способ монтажа каркаса и фундамента стал применяться чуть больше десятилетия назад. Постепенно недоверие к металлокаркасам сменилось заслуженной популярностью, и сейчас стальные оцинкованные профили пользуются устойчивым спросом на рынке стройматериалов.
ЛСТК и термопрофили используют для постройки несущего фундамента, обрешетки кровли, стенового фахверка. Данный материал совместил в себе несколько полезных характеристик, и главная из них - прочность. Основу изделия составляет сталь - сплав, характеризующийся максимальной прочностью на единицу плотности. У дерева такой показатель отличается в два раза - следовательно, несущая конструкция определенной прочности из древесины будет иметь размер в два раза больший, чем аналогичная конструкция из стали. Это значит, что стальные профили выдерживают внушительный вес, но сами при этом дают минимальную нагрузку на несущее основание дома. Поэтому толщина стальной балки 2-4 мм считается подходящей для возведения не только небольших хозяйственных построек, но и полноценных жилых зданий в несколько этажей.
Сталь имеет только два значительных недостатка, затрудняющих ее использование в строительных целях - высокую подверженность коррозии и большую теплопроводность. Но эти свойства стали устранимы благодаря внедрению новых технологий производства. Для защиты стального каркаса от коррозии, влажности и перепада температур, его покрывают слоем цинка толщиной от 18 до 40 мк. Возникновение “мостиков холода” - участков, которые имеют свойство охлаждаться, отдавать тепло и покрываться конденсатом, предотвращает применение термопрофиля. Это оцинкованный профиль, имеющий перфорированную поверхность, благодаря которой стальная конструкция не промерзает, не собирает влагу, не выпускает тепло или холод.
При использовании каркасных профилей с необходимыми качествами все недостатки стали нивелируются, и на первый план выступают достоинства - огнеупорность, хорошая звукоизоляция, долговечность, малый вес деталей, компактные размеры всей конструкции. Нельзя не отметить и доступную цену такой продукции. Металлопрофили обеспечивают наиболее выгодные для потребителей условия строительства - возведение каркаса занимает минимум времени, материал не деформируется и не подвергается усадке (в отличие от дерева) - сразу после монтажа несущих опор и стен можно ставить двери и окна, отделывать помещение внутри. Прочность ЛСТК позволяет ставить опоры реже, чем при использовании прочих материалов, но при этом стальной каркас допускает использование любых цокольных, стеновых, кровельных материалов, независимо от их веса. Конструкции не приходят в негодность и не нуждаются в замене - срок службы оцинкованного металла может доходить до 100 лет.
Деревянный каркас
Возведение дома именно на деревянном каркасе - это привычная картина для частного строительства. Дерево обладает достаточно хорошими характеристиками прочности, и за неимением лучшего материала, долгое время считалось самым эффективным сырьем для строительства дома.
Деревянный брус обладает более однородными термическими показателями - он сохраняет тепло, деревянная обшивка дома считается самым комфортным материалом для проживания. Такой каркас проще, чем стальной, можно подвергнуть какие-либо изменениям - например, нарушить целостность опор при прокладке дополнительных коммуникаций.
Но все же, дерево - это материал, приходящий в негодность с течением времени. Несмотря на обработку различными антисептиками, брус подвержен гниению, он дряхлеет со временем, разрушается насекомыми и грызунами. Древесина легко воспламеняется, она не выносит влаги - если с гидроизоляцией дома что-нибудь случится, такое основание потребует немедленного восстановления.
В качестве замены обычному деревянному каркасу может выступать клееный брус, представляющий собой более эффективно обработанную древесину. Брикеты клееного бруса - это продукт поэтапной обработки древесины, в результате которой пригодные для дальнейшего использования ламели склеиваются между собой. Материал получается более качественный, плотный и однородный. Он прочнее и выносливее, чем цельная древесина - в процессе эксплуатации деревянные столбы покрываются трещинами и становятся небезопасны в качестве несущей опоры здания, а обработанный клеем брус не подвержен таким дефектам. Если цельная древесина имеет усадку около 10% за два-три года, то клееный каркас - не более 0,5-1 % за то же время. Клееный брус практически не подвержен влиянию влажности и последствий, которые она вызывает - гниению, грибку, плесени.
Механические свойства древесины
К механическим свойствам древесины относятся: прочность, твёрдость, жёсткость, ударная вязкость и другие.
Прочность — способность древесины сопротивляться разрушению от механических усилий, характеризующихся пределом прочности. Прочность древесины зависит от направления действия нагрузки, породы дерева, плотности, влажности, наличия пороков.
Существенное влияние на прочность древесины оказывает только связанная влага, содержащаяся в клеточных оболочках. При увеличении количества связанной влаги прочность древесины уменьшается (особенно при влажности 20-25%). Дальнейшее повышение влажности за предел гигроскопичности (30%) не оказывает влияния на показатели прочности древесины. Показатели пределов прочности можно сравнивать только при одинаковой влажности древесины. Кроме влажности на показатели механических свойств древесины оказывает влияние и продолжительность действия нагрузок.
Вертикальные статические нагрузки — это постоянные или медленно возрастающие. Динамические нагрузки, наоборот, действуют кратковременно. Нагрузку, разрушающую структуру древесины, называют разрушительной. Прочность, граничащую с разрушением, называют пределом прочности древесины, её определяют и измеряют образцами древесины. Прочность древесины измеряют в Па/см2 (кгс на 1 см2) поперечного сечения образца в месте разрушения, (Па/см2 (кг с/см2).
Сопротивление древесины определяют как вдоль волокон, так и в радиальном и тангенциальном направлении. Различают основные виды действий сил: растяжение, сжатие, изгиб, скалывание. Прочность зависит от направления действия сил, породы дерева, плотности древесины, влажности и наличия пороков. Механические свойства древесины приведены в таблицах.
Чаще всего древесина работает на сжатие, например, стойки и опоры. Сжатие вдоль волокон действует в радиальном и тангенциальном направлении (рис. 1).
Предел прочности на растяжение. Средняя величина предела прочности при растяжении вдоль волокон для всех пород составляет 1300 кгс/см2. На прочность при растяжении вдоль волокон оказывает большое влияние строение древесины. Даже небольшое отклонение от правильного расположения волокон вызывает снижение прочности.
Прочность древесины при растяжении поперёк волокон очень мала и в среднем составляет 1/20 часть от предела прочности при растяжении вдоль волокон, то есть 65 кгс/см2. Поэтому древесина почти не применяется в деталях, работающих на растяжение поперёк волокон. Прочность древесины на растяжение поперёк волокон имеет значение при разработке режимов резания и режимов сушки древесины.
| Рис. 1. Испытание механических свойств древесины на сжатие: а — вдоль волокон; б — поперек волокон — радиально; в — поперек волокон — тангенциально. |
Предел прочности при сжатии. Различают сжатие вдоль и поперёк волокон. При сжатии вдоль волокон деформация выражается в небольшом укорочении образца. Разрушение при сжатии начинается с продольного изгиба отдельных волокон, которое во влажных образцах из мягких и вязких пород проявляется как смятие торцов и выпучивание боков, а в сухих образцах и в твёрдой древесине вызывает сдвиг одной части образца относительно другой.
Средняя величина предела прочности при сжатии вдоль волокон для всех пород составляет 500 кгс/см2.
Прочность древесины при сжатии поперёк волокон ниже, чем вдоль волокон примерно в 8 раз. При сжатии поперёк волокон не всегда можно точно установить момент разрушения древесины и определить величину разрушающего груза.
Древесину испытывают на сжатие поперёк волокон в радиальном и тангенциальном направлениях. У лиственных пород с широкими сердцевинными лучами (дуб, бук, граб) прочность при радиальном сжатии выше в полтора раза, чем при тангенциальном; у хвойных — наоборот, прочность выше при тангенциальном сжатии.
| Рис. 2. Испытание механических свойств древесины на изгиб. |
Предел прочности при статическом изгибе. При изгибе, особенно при сосредоточенных нагрузках, верхние слои древесины испытывают напряжение сжатия, а нижние — растяжения вдоль волокон. Примерно посередине высоты элемента проходит плоскость, в которой нет ни напряжения сжатия, ни напряжения растяжения. Эту плоскость называют нейтральной; в ней возникают максимальные касательные напряжения. Предел прочности при сжатии меньше, чем при растяжении, поэтому разрушение начинается в сжатой зоне. Видимое разрушение начинается в растянутой зоне и выражается в разрыве крайних волокон. Предел прочности древесины зависит от породы и влажности. В среднем для всех пород прочность при изгибе составляет 1000 кгс/см2, то есть в 2 раза больше предела прочности при сжатии вдоль волокон.
| Рис. 3. Сдвиг древесины: а — вдоль волокон; б — перпендикулярно волокнам. |
| Рис. 4. Сдвиг деталей: а — обыкновенный; б — двойной. |
Прочность древесины при сдвиге. Внешние силы, вызывающие перемещение одной части детали по отношению к другой, называют сдвигом. Различают три случая сдвига: скалывание вдоль волокон, поперёк волокон и перерезание.
Прочность при скалывании вдоль волокон составляет 1/5 часть от прочности при сжатии вдоль волокон. У лиственных пород, имеющих широкие сердцевинные лучи (бук, дуб, граб), прочность на скалывание по тангенциальной плоскости на 10-30% выше, чем по радиальной.
Предел прочности при скалывании поперёк волокон примерно в два раза меньше предела прочности при скалывании вдоль волокон. Прочность древесины при перерезании поперёк волокон в четыре раза выше прочности при скалывании.
| Рис. 5. Направление сил в деревянной конструкции, находящейся под нагрузкой: 1 — сдвиг на скалывание; 2 — сжатие; 3 — растяжение; 4 — изгиб; 5 — сжатие. |
Твёрдость - это свойство древесины сопротивляться внедрению тела определённой формы. Твёрдость торцовой поверхности выше твёрдости боковой поверхности (тангенциальной и радиальной) на 30% у лиственных пород и на 40% у хвойных. По степени твёрдости все древесные породы можно разделить на три группы: 1) мягкие — торцовая твёрдость 40 МПа и менее (сосна, ель, кедр, пихта, можжевельник, тополь, липа, осина, ольха, каштан); 2) твёрдые — торцовая твёрдость 40,1-80 МПа (лиственница, сибирская берёза, бук, дуб, вяз, ильм, карагач, платан, рябина, клён, лещина, орех грецкий, хурма, яблоня, ясень); 3) очень твёрдые — торцовая твёрдость более 80 МПа (акация белая, берёза железная, граб, кизил, самшит, фисташки, тис).
Твёрдость древесины имеет существенное значение при обработке её режущими инструментами: фрезеровании, пилении, лущении, а также в тех случаях, когда она подвергается истиранию при устройстве полов, лестниц перил.
Читайте также: