LEMNUL SI MATERIALE PE BAZA DE LEMN UTILIZATE IN CONSTRUCTII

Lemnul . Generalitati

Compozitia chimica

Lemnul este un material de natura organica, cu compozitie chimica complexa, dependenta de specie (esenta), de varsta arborelui si de locul din cilindrul lemnos din care a provenit.

Lemnul absolut uscat, indiferent de esenta din care provine, contine in medie 49,4 % C, 6,3 % H₂, 44,2 % O₂, N₂ etc., legate in combinatii complexe, in majoritate macromoleculare.

Tabelul XI-1. Compozitia chimica a lemnului

Substantele ce alcatuiesc lemnul pot fi impartite in compusi care formeaza membrana celulei lemnoase (celuloza, hemiceluloza, lignina) si care prezinta 90 - 95 % din masa lemnoasa si compusi ce pot fi extrasi cu solventi specifici, fara a afecta practic compozitia lemnului.

Substantele organice reprezinta aproximativ 97 - 99 % din masa lemnoasa (uscata), restul fiind format din compusi anorganici (saruri ale metalelor alcaline), care la ardere formeaza cenusa.

În compozitia lemnului intra o mare cantitate de apa, ce se prezinta ca apa legata chimic, apa adsorbita (legata fizic) si apa libera. Cantitatea de apa adsorbita variaza cu umiditatea atmosferica, lemnul fiind un material higroscopic.

Compozitia chimica a lemnului determina proprietatile lui fizico-chimice.

XI.1.2. Structura fizica

Lemnul se caracterizeaza prin microstructura si macrostructura.

Prin microstructura se intelege structura microscopica a lemnului, formata din celule lemnoase, care alcatuiesc tesuturile vii (parenchim) sau moarte (de sustinere, de conducere si mixte). Microstructura depinde de esenta lemnoasa.

Structura macroscopica se observa in sectiunile practicate in cilindrul lemnos, in care se vad inelele anuale, fibrele lemnoase si zone deosebite    prin structura, rol si proprietati.

Se numesc defecte, neomogenitatile de structura cauzate de specificul de crestere al arborelui, de diferitele boli suferite de aceasta, precum si de atacul microorganismelor, insectelor etc.

Defectele influenteaza negativ proprietatile mecanice ale lemnului. Influenta lor se apreciaza in functie de tipul de defect, de distributia in materialul lemnos, de zona afectata etc.

Figura. XI.1. Sectiuni in cilindrul lemnos

Structura eterogena, fibroasa, face din lemn un material cu proprietati fizico-mecanice specifice, anizotrope, ce sunt influentate de defectele de structura.

Defectele, reprezinta un criteriu eliminatoriu in alegerea lemnului utilizat ca material de constructie.

Proprietatile fizice ale lemnului

Higroscopicitatea este proprietatea lemnului de a absorbi apa din mediul ambiant. Din cauza higroscopicitatii apa continuta in lemn variaza in functie de temperatura, de umiditatea mediului inconjurator, de felul arborelui.

Umiditatea lemnului influenteaza proprietatile fizice, mecanice si durabilitatea lemnului (rezistenta la putrezire).

Umiditatea lemnului este apreciata cu pierderea in masa suferita de lemn prin incalzire la 105°C, ce se poate raporta procentual la masa lemnului brut    (umiditate relativa) sau la masa lemnului uscat (umiditate absoluta);

Umiditatea nu este distribuita uniform in masa materialului, fiind mai ridicata in tesaturile tinere, si mai redusa in tesaturile lignificate (duramen).

Umiditatea de echilibru, atinsa de lemn in momentul in care tensiunea vaporilor de apa din acest material egaleaza pe cea a vaporilor din atmosfera, este considerata umiditate standard sau normala. Pentru conditiile atmosferice ale tarii noastre, este considerata standard, umiditatea relativa de 15 %.

Proprietatile chimice, fizice si mecanice sunt afectate de umiditatea de higroscopicitate (de absorbtie).

Variatiile de volum sunt determinate de modificarea continutului in apa de higroscopicitate.

Scaderea umiditatii duce la micsorarea dimensiunilor membranelor celulare si implicit la reducerea dimensiunilor si volumului materialului lemnos (contragere).

Contragerile cele mai mari le dau esentele cu membrane celulare groase (lemnul de densitate mare); lemnul cu structura afanata, cu pereti celulari subtiri, are variatii de volum mai mici la modificarea continutului in apa de higroscopicitate.

La reumezirea lemnului, variatia de umiditate, in limitele apei de higroscopicitate, produce umflarea membranelor celulelor lemnoase si cresterea volumului materialului lemnos.

Jocul de volum duce la craparea materialului lemnos si deci la degradarea lui.

Din cauza structurii neomogene a lemnului, contragerea si umflarea are loc diferentiat in functie de directie.

Variatia neomogena de volum duce la curbarea materialelor debitate din cilindrul lemnos, diferentiat, in functie de pozitia inelelor anuale fata de fetele cherestelei.

De asemenea, prin variatiile de volum, in materialele lemnoase se pot produce crapaturi sau pot apare in timp rosturi intre produsele din lemn puse in lucrare.

Din aceasta cauza lemnul trebuie pus in lucrare cu umiditatea corespunzatoare conditiilor de exploatare, iar bustenii si materialele obtinute din acestea trebuiesc protejati impotriva pierderilor de umiditate (sub punctul de saturatie) pentru a se impiedica fisurarea lor.

Densitatea lemnului

Densitatea absoluta a substantei lemnoase este practic aceeasi - circa 1500 kg/m³ pentru toate esentele lemnoase.

Densitatea aparenta a lemnului variaza in functie de esenta (care determina structura) si de umiditatea la care se face determinarea. Din aceasta cauza densitatile se determina la umiditate standard.

Densitatea lemnului la diferite umiditati

Conductivitatea termica a lemnului depinde de densitatea aparenta (esenta), de umiditate, de temperatura si de directia pe care se propaga caldura.

Coeficientul de conductivitate termica in lungul fibrei lemnoase este in medie de 1,8 - 2 ori mai mare decat in directia perpendiculara pe fibra.

Proprietati mecanice ale lemnului sunt determinate de esenta, de defecte, de umiditate, de directia pe care este solicitat si de conditiile de crestere a efortului la care este supus materialul.

Avand in vedere multitudinea de factori ce influenteaza comportarea lemnului sub actiunea diferitelor incarcari, rezistentele mecanice se determina la umiditate standard (15 %), pe epruvete lipsite de efecte si in conditii de actionare a fortei perpendicular si paralel cu fibra lemnoasa.

Rezistentele admisibile ale lemnului ce se iau in consideratie in dimensionarea constructiilor sunt mai mici, avand in vedere ca in materialele de constructie pot exista si defecte, iar umiditatea reala poate fi diferita de cea standard.

Rezistentele mecanice ale lemnului pentru diferite umiditati

 Actiuni agresive asupra lemnului si mijloace de protectie

Stabilitatea chimica este determinata de esenta lemnoasa, de conditiile de exploatare si de natura mediului agresiv.

Solutiile acide devin agresive la pH = 2. Sub actiunea indelungata a solutiilor acide sau bazice, lemnul se poate distruge, cu atat mai repede cu cat aciditatea (concentratia in sau bazicitatea (concentratia in OH^-) este mai mare.

Distrugerea lemnului sub actiunea chimica este accelerata de atacul biologic.

Durabilitatea lemnului este rezistenta lui la putrezire.

Din cauza naturii lui organice lemnul este supus actiunii distructive al unor bacterii si ciuperci de diferite tipuri.

Rezistenta la atacul biologic este determinata de esenta, de structura, de temperatura si umiditate.

Dupa durabilitate lemnul se poate clasifica in:

- foarte putin durabil (fag, plop, mesteacan), care putrezeste in maximum 3 ani;

- putin durabil (brad, molid), care putrezeste intre 3 la 7 ani;

- durabil (salcam, pin), care putrezeste intre 7 la 10 ani;

- foarte durabil (stejar, nuc), care incepe sa putrezeasca dupa 10 ani.

Protectia lemnului impotriva putrezirii se realizeaza prin asigurarea unor conditii optime de transport, depozitare si exploatare a materialelor lemnoase sau prin tratare cu substante fungicide.

Conditiile optime sunt asigurate daca materialul lemnos este mentinut fie complet uscat, fie la umiditate mai mare de punctul de saturatie si fara a veni in contact direct cu solul.

Daca nu se pot asigura conditii optime, materialele lemnoase trebuiesc fungicizate fie in totalitate fie numai in partile vulnerabile la putrezire.

Ca fungicide se utilizeaza substante cu toxicitate mare fata de agentii biologici ce provoaca putrezirea, dar netoxice pentru om si alte organisme. Se utilizeaza substante anorganice solubile in apa (NaF, ZnCl₂, Na₂SiF₆), substante organice solubile (dinitrofenol C₆H₃(NO₂)₂OH, oxifenolat de sodiu C₁₂HgO Na.3H₂O, creozot) sau uleioase (gudroane).

Prin tratare cu fungicide durabilitatea lemnului se mareste, diferentiat in functie de natura substantei de tratare. Cresterea durabilitatii pentru traversele de cale ferata prin fungicizare este data in tabelul XI-6.

Durabilitatea lemnului functie de metoda de tratament

Comportarea lemnului la incalzire si protectia contra focului

Lemnul este material combustibil si inflamabil. Încalzit progresiv, lemnul pierde initial apa (pana la 105° C).

Începand cu 110° C din lemn incep sa se distile alaturi de vapori de apa si gaze combustibile (H₂, CO, CH₄) care la 200° C pot produce, in prezenta unei flacari, aprinderea lemnului (punct de aprindere).

La aproximativ 300° C este situat punctul de inflamabilitate, la care gazele distilate din lemn se autoaprind.

Pe masura ce gazele ard lemnul se carbonizeaza. Carbunele fomat incepe sa arda dupa epuizarea gazelor, ducand la transformarea in final a lemnului in CO₂ si cenusa.

Cu ajutorul unor mijloace de protectie constructive sau prin tratare cu substante ignifuge pot fi reduse (dar nu inlaturate) combustibilitatea si inflamabilitatea lemnului.

Metodele constructive de protectie impotriva focului constau in acoperirea elementelor de constructie cu tencuieli (simple sau pe placa de rabit), izolarea elementelor mari (stalpi) cu zidarie izolatoare etc.

Ignifugarea se realizeaza prin tratarea superficiala sau prin impregnarea materialelor lemnoase cu solutii de substante anorganice (Na₂SiO₃, Na₂B₄O₇.10H₂O, NH₄Cl, ZnCl₂, Na₂HPO₄, (NH₄)₃ PO₄, (NH₄)₂SO₄), cu vopsea pe baza de polimeri clorvinilici etc.

Substantele ignifuge actioneaza prin formarea unor pelicule necombustibile si neinflamabile (Na₂SiO₃, Na₂B₄O₇.10H₂O) pe suprafata lemnului, sau de gaze necombustibile si acizi tari, care carbonizeaza superficial lemnul: (NH₄)₂SO₄ NH₃ + H₂SO₄.

Substantele ignifuge se utilizeaza simple sau in amestecuri. Metoda de protectie se alege in functie de pericolul de incendiu.

Tipuri de esente utilizate pentru obtinerea materialelor de constructie din lemn

Pentru obtinerea materialelor si elementelor de constructie din lemn pot fi utilizati numai arborii, care prin compozitie si structura asigura rezistentele mecanice si durabilitatea ceruta de conditiile de exploatare.

Esentele principale utilizate pentru fabricarea materialelor de constructie sunt cele de rasinoase si foioase.

Esentele de rasinoase sunt de larga utilizare, ce se explica prin raspandirea si modul de crestere (trunchiuri drepte) al arborilor rasinosi.

Dintre arborii rasinosi se utilizeaza mai ales molidul si bradul, mai raspanditi in tara noastra.

Molidul are rezistente mecanice bune, densitate mica, se prelucreaza usor, iar cantitatea mare de rasina ii asigura o durabilitate mai mare.

Bradul este un lemn mai alb, cu rasina mai putina ceea ce il face mai putin durabil decat molidul.

Esentele de foioase au proprietati variate, ce determina utilizarea lor diferentiata in functie de caracteristicile tehnice.

Esentele tari se utilizeaza pentru obtinerea materialelor si elementelor de constructie. Dintre acestea mai importante sunt stejarul (lemn dens, cu rezistente mecanice mari, cu contragere mare la uscare, dar cu umiditate mare) si fagul cu rezistente mecanice bune, dar mai putin durabil decat stejarul.

Esentele moi (plopul, salcia) se utilizeaza ca materii prime pentru obtinerea de materiale eficiente, moderne ce nu mai pastreaza structura initiala a lemnului si care in unele cazuri au proprietati superioare tari.

Din prelucrarea esentelor mentionate rezulta deseurile lemnoase care se pot utiliza in fabricarea de materiale eficiente pe baza de lemn. Arborii foiosi dau deseuri mai numeroase (25 - 40 %) decat cei rasinosi (23 - 35 %).

Materiale lemnoase utilizate in constructii

În domeniul constructiilor se utilizeaza doua categorii mari de materiale lemnoase:

materiale care pastreaza structura si proprietatile lemnului brut;

- materiale eficiente, moderne, obtinute din esente moi sau din deseuri cu ajutorul unor lianti din polimeri organici si prin procedee tehnologice adecvate si care nu mai pastreaza structura si au proprietati diferite de cele ale lemnului brut.

Materiale de constructie din lemn care pastreaza structura si proprietatile lemnului brut.

Produsele brute

Produsele brute se obtin din arbori prin curatirea ramurilor, decojirea si taierea lor la lungimi convenabile. Aceste materiale pastreaza conicitatea naturala a lemnului.

Produse brute din lemn

Produsele semifabricate

Produsele semifabricate au forme geometrice bine determinate si se obtin prin prelucrarea bustenilor.

Cheresteaua se obtine prin debitare (taiere)

Traversele de cale ferata se fabrica numai din lemn de foioase prin taiere sau cioplire, in asa fel incat inelele anuale sa fie tangente la fata lor .

Produse semifabricate din lemn

Furnirul se obtine prin derulare sau decupare (fig. XI.6.) din lemn de foioase selectionat.

Metode de obtinere a furnirului

Produsele finite

Placajele se obtin din numar impar de furnir cu fibrele dispuse sub unghi de 90° (sau mai mic) unele fata de altele, lipite cu adezivi sintetici prin presare la cald . Au rezistente mecanice bune si contragerile mai mici decat ale lemnului brut.

Modul de obtinere a unui placaj

Se fabrica placaje de uz general si special (bachelitizate, melaminate, stelate etc.).

Panelele se realizeaza din sipci, cu inelele anuale distribuite cat mai diferit (pentru a se anula contragerile mari tangentiale), lipite cu adeziv si acoperite pe ambele fete cu furnir, asezate astfel incat fibrele lemnoase sa fie perpendiculare pe cele ale sipcilor din miez (fig. XI.8).

Modul de realizare a unui panel

Placile celulare sunt alcatuite dintr-un cadru rigid de lemn avand in interior un fagure (celule) din fasii de furnir (sau spirale de furnir) acoperit pe ambele fete cu folii din furnir.

Modul de realizare a placilor celulare

Materiale eficiente fabricate pe baza de lemn

Sunt materiale ce rezulta prin valorificarea superioara a lemnului (esente moi, deseuri, ce nu au alte utilizari industriale) cu ajutorul unor lianti organici pe baza de produsi organici macromoleculari si prin procese tehnologice speciale.

Aceste materiale se caracterizeaza prin compozitie chimica si structura diferita de cea a lemnului brut.

Modificarea compozitiei chimice se realizeaza prin utilizarea unor materiale din polimeri (rasini fenolformaldehidice, melaminice etc.) ce functioneaza ca lianti sau ca impregnanti.

Modificarea structurii se realizeaza prin presare la cald, ce conduce la obtinerea de materiale omogene, cu proprietati izotrope, cu comportare buna la apa, (contrageri mici si omogene, inlaturarea hidrofiliei etc.) etc.

Materiile ce se obtin pot inlocui atat lemnul masiv sau alte clase de materiale (metale feroase si neferoase).

Placile fibrolemnoase (PFL) se obtin din amestec de pasta de fibre lemnoase (defibrare mecanica sau chimica) si rasini sintetice (liant) prin presare la cald. În functie de presiunea exercitata se obtin clase diferite de PFL

cu proprietati si utilizari diferite.

Tipuri de placi fibrolemnoase

Placile din aschii lemnoase (PAL) se fabrica din aschii de esente moi, aglomerate cu materiale din polimeri si presate la cald. În functie de conditiile de fabricare se obtin tipuri diferite de PAL ce se utilizeaza ca inlocuitor al lemnului brut in majoritatea utilizarilor acestora.

Tipuri de PAL

Se fabrica PAL stratificate, ce pot fi furniruite, melaminate etc. si PAL amogene (PALEX), sub forma de placi pline sau cu goluri, livrate ca atare sau furniruite.

Lignolitul este un material fabricat din faina de lemn aglomerata cu lianti pe baza de polimeri si cu materiale de umplutura, ce se utilizeaza sub forma de placi la pardoseli lipite pe suporturi cu adezivi pe baza de cauciuc.

Lignostonul (lemn impregnat presat) se obtine prin densificarea prin presare, pana la reducerea volumului cu 25 - 55 % a lemnului moale impregnat. Proprietatile fizico-mecanice foarte bune fac utilizabil acest material ca inlocuitor al metalelor pentru piese solicitate la eforturi mari.

Proprietatile fizico-mecanice ale lignostonului