CC BY
86Материалы и конструкции
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
УДК 691.11
А.А. ТИТУНИН, д-р техн. наук, К.В. ЗАЙЦЕВА, канд. техн. наук (kseniya_zaiceva@mail.ru)
Костромской государственный технологический университет (156005, Кострома, ул. Дзержинского, 17)
Древесиноведческие и технологические проблемы производства клееных материалов для деревянного домостроения
Особенностью современного этапа жилищного строительства является устойчивый спрос на малоэтажные дома из древесины, в том числе из клееного бруса. Несмотря на накопленный опыт строительства таких домов, существует ряд древе-синоведческих и технологических проблем, определяющих качество строительных материалов и самих домов. Поскольку свойства древесины варьируются в зависимости от древесной породы, района произрастания, влажности и других факторов, их необходимо учитывать на всех этапах производства деталей для строительства. Преимущественно качественные показатели готовых деталей для домостроения определяются особенностями макростроения древесины, в частности шириной годичных слоев, размерами и количеством сучков. Отмечается, что взаимосвязь прочностных свойств и сучковатости древесины подтверждена исследованиями отечественных и зарубежных авторов. В статье представлены результаты многолетних исследований модуля упругости пиломатериалов хвойных пород, произрастающих в различных регионах России. Установлено, что визуальная сортировка пиломатериалов, используемых для производства клееного бруса, не всегда оправданна. Предпочтительной является машинная сортировка по прочности, позволяющая исключить выбраковку пиломатериалов из-за больших, размеров и количества сучков.
Ключевые слова: деревянное домостроение, клееный брус, производство деталей, сортировка.
A.A. TITUNIN, Doctor of Sciences (Engineering), K.V. ZAITSEVA, Candidate of Science (Engineering) (kseniya_zaiceva@mail.ru) Kostroma State Technological University (17, Dzerzhinskogo Street, 156005, Kostroma, Russian Federation)
Wood Scientific and Technological Problems Productions of Glued Materials for Wooden Housing Construction
Steady demand for low houses from wood, including from a glued bar, is feature of the present stage of housing construction. A row the wood scientific and technological problems exists and they define quality of construction materials and houses. As properties of wood vary depending on wood breed, the area of growth, humidity and other factors, they need to be considered at all production phases of details for construction. Features of a macrostructure of wood, in particular width of year layers, the sizes and quantity of knots define quality indicators of ready details for housing construction. It is noted that the interrelation of strength properties and existence of knots in wood is confirmed with researches of domestic and foreign authors. Results of long-term researches of the module of elasticity of timber of the coniferous breeds growing in various regions of Russia are presented in article. It is established that visual sorting of the timber used for production of a glued bar isn't always justified. Machine sorting according to durability is preferable because allows to exclude rejection of timber because of the big sizes and quantity of knots.
Keywords: wooden housing construction, glued bar, production of details, sorting.
Жилищное строительство в настоящее время является крупнейшей отраслью в России. Начиная с 2011 г. в этом секторе экономики наблюдается устойчивый рост объемов строительства жилья, в том числе из древесины. В 2014 г., по данным Росстата, построено 81 млн м2 жилья, из которых деревянные дома заводского изготовления составили 211,7 тыс. м2 [1]. Особенностью современного этапа жилищного строительства является рост объемов ввода в эксплуатацию малоэтажных домов. За последние 20 лет доля малоэтажных домов увеличилась более чем в семь раз. По прогнозам Правительства РФ, относительный объем малоэтажных домов должен в 2015 г. составить не менее 60% [2]. При этом каждый третий дом будет строиться из древесины [3].
Среди основных факторов, определяющих преимущества деревянных домов, следует отметить комплекс уникальных свойств древесины [4] как строительного материала, а также высокие эксплуатационные параметры дома [2].
Как известно, существуют следующие наиболее распространенные варианты конструктивных схем деревянных
44| -
домов: каркасные, массивные и панельные. Каждая из схем имеет свои особенности и предполагает применение материалов из древесины различной степени обработки. При этом все большим спросом пользуются элементы ограждающих и несущих конструкций, полученные в результате склеивания. Это обусловлено, во-первых, значительным сокращением запасов древесины большого диаметра в промышленно освоенных районах [5]. Во-вторых, клееная древесина обладает более стабильными эксплуатационными показателями [2]. При этом, несмотря на многолетний отечественный и зарубежный опыт производства клееной древесины, не всегда удается обеспечить стабильность показателей качества как самих строительных материалов из древесины, так и готовой продукции - деревянных домов. На практике производители деревянного клееного бруса сталкиваются с необходимостью решения ряда проблем (древесиноведческих и технологических), которые в различной степени влияют на показатели качества продукции и их стабильность в процессе строительства дома и его эксплуатации.
^^^^^^^^^^^^^ И1'2016
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Materials and structures
Таблица 1
Средние показатели основных физико-механических свойств древесины
Коэффициент разбухания, % на % влажности Предел прочности, МПа
Порода Плотность, о ог о о ог При статическом изгибе 1 § ь О 1 § I О При скалывании вдоль волокон по плоскости Модуль упругости
кг/м3 ьн 5 S 3 CL Танген циальнс н м е о § 1 со s é С d ей и ел '—l- л и ^ <в 3 о. о! ей Радиальной Тангенциальной при изгибе, ГПа
Сосна 505 0,18 0,31 0,51 84,5 46,3 102 7,44 7,23 12,2
Ель 445 0,17 0,31 0,5 78,6 45 101 6,83 6,72 9,6
Лиственница 665 0,2 0,38 0,6 108 61,5 124 9,78 9,11 14,3
Во-первых, дерево, если оно сухое, - это отличный строительный материал. Поэтому для получения качественной клееной продукции применяют двухстадийную сушку (атмосферную - до влажности 20-25% и камерную - до влажности не более 12%). При этом в процессе высыхания древесины происходит изменение ее структуры. Под действием внутренних напряжений материал, в зависимости от толщины, в большей или меньшей мере деформируется, образуя трещины; происходит усадка элементов конструкции, что приводит к значительным дефектам готовых изделий. Эти негативные последствия удается снизить при сушке более тонких заготовок, производство которых, в свою очередь, сопровождается образованием большего количества отходов и ростом себестоимости пиломатериалов. Поэтому на практике чаще всего в производстве клееного бруса применяют заготовки толщиной от 32 до 40 мм [2, 4].
Во-вторых, массивная древесина, будучи материалом растительного происхождения, характеризуется наличием сучков, которые при эксплуатационных нагрузках являются концентраторами напряжений и нередко существенно снижают показатели строительной конструкции по прочности и долговечности. Поэтому при производстве клееной древесины, в том числе и клееного бруса, широко используют сращенные из отдельных отрезков ламели. При этом прочность бруса оказывается благодаря клеевым прослойкам выше, чем у цельнодеревянного такого же сечения. Разумеется, при этом сами клеевые швы становятся источником внутренних напряжений, снижая тем самым эффект, достигнутый тонкослойностью.
В-третьих, из теории и практики древесиноведения известно [6, 7], что внутренние напряжения в клееной древесине зависят не только от размеров склеиваемых ламелей (масштабный фактор), но и от направления и ширины годичных слоев, а также процента поздней древесины. Сочетание этих факторов (геометрических и анатомических) приводит к синергетическому эффекту, т. е. значительно большему снижению внутренних напряжений, чем этого можно было ожидать только от малых размеров ламелей и тонкослой-ности годичных слоев [8]. Это теоретическое предположение не противоречит фундаментальным положениям теории клееных материалов. В основе явления синергизма лежит принцип самоорганизации структуры на границе взаимодействующих компонентов, в данном случае анатомических элементов древесины и клеевого адгезива. Толщина и направление годичных слоев оказывают довольно значимое влияние на прочностные свойства клееной древесины. С целью увеличения формоустойчивости готового изделия и компенсации остаточных напряжений при изготовлении клееного бруса направление древесных волокон в ламелях
112016 ^^^^^^^^^^^^^
задается в противоположные друг от друга стороны. За счет этого клееный брус оказывается более прочным по сравнению с обычным, а при изменении влажности он не изменяет своей формы, то есть его «не ведет».
Следует заметить, что чем толще годичные кольца, тем древесина более рыхлая, следовательно, брус из нее получается с низкими показателями по прочности, атмосферо-стойкости и т. п. Поэтому для получения прочных, устойчивых к короблению и грибковым заболеваниям материалов следует применять древесину с шириной годичных слоев не более 3,5 мм. При большей ширине годичных слоев, как показывают исследования [2, 4, 7, 9], улучшается адгезионная прочность, однако при этом из-за снижения плотности древесины увеличивается впитываемость клея в древесину, что приводит к повышению расхода клея и, как следствие, к удорожанию готового изделия.
Для производства конкурентоспособных строительных материалов традиционно используют сосну [4, 10]. Древесина сосны средней плотности, достаточно высокой прочности хорошо обрабатывается механическим инструментом, но могут возникнуть проблемы при отделке поверхностей из-за смолистости древесины. Однако наличие смолы в сосне делает ее более устойчивой к поражению гнилью при неблагоприятных условиях эксплуатации, что является одним из основных требований, предъявляемых к строительным материалам.
Особенностью современного состояния сырьевых баз лесозаготовительных предприятий является снижение уровня ресурсного потенциала вблизи существующей транспортной сети, а также отсутствие свободных средств на строительство новых дорог в районах, где сосредоточены огромные неиспользуемые запасы древесины. Поэтому в связи с уменьшением доступных для разработки запасов сосны на практике значительную часть клееных конструкций изготавливают из ели. Ель лучше подвергается механической обработке, чем сосна, более равномерно высыхает, сучки в ней меньшего, чем в сосне, размера и более рассредоточены по площади склеивания. Но, как видно из представленных в табл. 1. данных, по прочности, плотности и стойкости против гниения древесина ели несколько уступает сосне [11].
Определенный интерес для производства представляет также лиственница. Древесина лиственницы отличается высокой стойкостью к гниению, сравнительно небольшой сучковатостью, по прочности превосходит сосну и ель. К недостаткам лиственницы применительно к клееной древесине можно отнести:
- большое различие между радиальной и тангенциальной усушкой, что усложняет процесс сушки, вызывает растрескивание, коробление;
- 45
Материалы и конструкции
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
Таблица 2
Взаимосвязь сортности пиломатериалов и модуля упругости при изгибе
Номер образца Сорт С Сорт А
Приращение прогиба, мм Модуль упругости, ГПа Приращение прогиба, мм Модуль упругости, ГПа
1 3,89 11,901 5,02 9,222
2 4,98 9,296 4,44 10,427
3 4,96 9,334 3,45 13,419
4 5,52 8,387 4,64 9,978
5 6,93 6,681 4,65 9,956
6 5,65 8,194 4,45 10,404
7 6 7,716 3,95 11,721
8 6,62 6,993 4,05 11,431
9 5,05 9,168 4,65 9,956
10 4,92 9,41 4,34 10,667
11 4,24 10,919 4,35 10,643
12 4,59 10,086 4,65 9,956
13 7,98 5,802 5,05 9,168
14 7,02 6,595 4,05 11,431
15 6,13 7,552 4,35 10,643
16 6,4 7,234 4,65 9,956
17 6,08 7,615 4 11,574
18 6,98 6,633 3,95 11,721
19 5,72 8,094 4,25 10,893
20 5,8 7,982 4,55 10,175
- трудность механической обработки;
- недостаточную адгезионную прочность клеевых соединений и др.
Как уже отмечалось, к качеству пиломатериалов в производстве клееного бруса предъявляются достаточно высокие требования по наличию сучков, которые влияют на прочностные и деформативные свойства древесины и определяют таким образом качество готовой продукции. Определенная взаимосвязь прочностных свойств и сучковатости древесины подтверждена исследованиями отечественных и зарубежных авторов. Достаточно подробно вопросы влияния неоднородностей строения древесины на модуль упругости и другие показатели прочности древесины рассмотрены в работах А.М. Боровикова и Г.Н. Хабаровой [12], W. Cucera [13] и др. Согласно требованиям нормативно-технической документации на большинстве отечественных предприятий применяется визуальная сортировка пиломатериалов на три сорта - А, В и С, в ходе которой в зависимости от размеров, состояния, взаимного расположения сучков и других параметров косвенным методом прогнозируется несущая способность древесины. В то же время имеется опыт
Параметры
машинной сортировки пиломатериалов по прочности, основанной на непосредственном определении модуля упругости при изгибе вдоль волокон по пласти [10]. Этот способ является более затратным и не всегда реализуем в условиях предприятий с объемами производства от 4 до 7 тыс. м3 клееных изделий в год. Однако для практики именно он позволяет учесть большинство факторов, оказывающих влияние на прочностные свойства древесины, зависящие от особенностей ее макростроения, сезона и район заготовки. В качестве подтверждения этого вывода можно рассматривать результаты исследований модуля упругости пиломатериалов при изгибе по пласти, выполненных в течение 2012-2014 гг. на профильных предприятиях Костромской области. Исследования проводились применительно к требованиям стандарта ГОСТ 21554.1-81 «Пиломатериалы и заготовки. Методы определения модуля упругости при статическом изгибе». В качестве примера в табл. 2 приведены результаты одной из серий сравнительных испытаний образцов двух партий обрезных пиломатериалов хвойных пород - ель (Picia abies) и сосна обыкновенная (Pinus sylvestris). Параметры выборки представлены в табл. 3. Из представленных данных видно, что пиломатериалы, содержащие сучки большого диаметра (сорт С), в среднем обладают меньшим модулем упругости, чем пиломатериалы сорта А. Поэтому их можно рекомендовать к использованию только в элементах строительных конструкций с малыми напряжениями, например в ограждающих или самонесущих. Вместе с тем из таблицы видно, что среди пиломатериалов сорта С встречаются образцы (1, 11, и 12), не уступающие по показателям прочности пиломатериалам сорта А. Визуальный осмотр этих образцов показал, что они были отнесены к сорту С не только из-за количества и размеров сучков, но и из-за наличия других пороков, что исключило использование данных образцов для несущих конструкций.
Также обращает на себя внимание различие значения коэффициента вариации у пиломатериалов сорта А и С. Для заготовок сорта А характерна большая стабильность значений модуля упругости, чем для пиломатериалов сорта С. Это в конечном итоге объясняет требования технических условий на заготовки для производства клееного бруса, а также необходимость в процессе обработки вырезки участков с недопустимыми сучками и другими пороками, значительно ослабляющими конструктивные элементы.
В ходе экспертной оценки пиломатериалов установлено, что сырье из Архангельской области имеет более высокие (на 19,7-44,3%) показатели по модулю упругости при изгибе, чем сырье из других областей. Самые низкие значения модуля упругости при изгибе получены при испытаниях пиломатериалов из Ивановской и Нижегородской областей. Основываясь на известных представлениях о макростроении древесины [6, 11], такие результаты можно объяснить
Таблица 3
выборки
Наименование Среднее арифметическое Среднее квадратическое отклонение Дисперсия выборки Коэффициент вариации, % Минимальное значение Максимальное значение
Условное обозначение Y S S2 V Ymin Ymax
Сорт С Приращение прогиба, мм 5,773 1,039 1,08 18 3,89 7,98
Модуль упругости, ГПа 8,28 1,556 2,42 18,79 5,802 11,901
Сорт А Приращение прогиба, мм 4,374 0,389 0,151 8,89 3,45 5,05
Модуль упругости, ГПа 10,67 1,001 1,002 9,38 9,168 13,419
46
112016
Научно-технический и производственный журнал
Materials and structures
большей плотностью и мелкослойностью древесины, произрастающей в северных районах Европейской части России.
Исходя из вышеизложенного можно сделать следующее заключение: значения модуля упругости при статическом изгибе, определенные экспериментально, находятся в интервале от 10,65 до 14,81 ГПа и соответствуют среднестатистическим данным, полученным ЦНИИМОД для древесины ели (9,6 ГПа) и сосны обыкновенной (12,2 ГПа), произрастающих в Архангельской области и Центральном районе Европейской части России [11]. Пиломатериалы, полученные из древесины, произрастающей в Архангельской, Вологодской, Ивановской, Кировской, Костромской и Нижегородской областях Российской Федерации, удовлетворяют также требованиям стандарта JAS 235, согласно которому среднее значение показателя «модуль упругости при изгибе по пласти» должно быть не ниже 10,5 ГПа, а минимальное значение - 9 ГПа. Выводы.
Возрастающий спрос на древесные строительные материалы в условиях дефицита крупномерных лесоматериалов определяет рост объемов производства клееного бруса и других материалов, получаемых в результате склеивания. Стабильность качественных показателей клееного бруса во многом зависит от древесиноведческих параметров заготовок и соблюдения технологических режимов изготовления готовой продукции. При соответствующей визуальной сортировке пиломатериалов и надлежащем контроле за технологическими параметрами обеспечивается получение клееного бруса в соответствии с требованиями отечественных и зарубежных нормативных документов. Вместе с тем предпочтительной является машинная сортировка пиломатериалов по прочности.
Список литературы
1. Развитие деревянного домостроения // ЛесПромИн-форм. 2015. № 2 (108). С. 136-139.
2. Казейкин В.С., Баронин С.А., Черных А.Г., Андросов А.Н. Проблемные аспекты развития малоэтажного жилищного строительства России: Монография / Под общей редакцией академика МАИН В.С. Казейкина и проф. С.А. Баронина. М.: ИНФРА-М, 2011. 278 с.
3. Новый импульс деревянного домостроения // Лесная индустрия. 2015. № 4 (84). http://www.lesindustry.ru/issues/ li_n84/ (дата обращения 11.10.2015).
4. Титунин А.А. Зайцева К.В. Проектирование и производство строительных материалов из древесины. Комплексный подход: Монография / Отв. ред. А.М. Ибрагимов. Кострома: Изд-во КГТУ, 2009. 185 с.
5. Титунин А.А. Ресурсосбережение в деревообрабатывающей промышленности. Организационно-технические аспекты: Монография. Кострома: Изд-во КГТУ, 2007. 141 с.
6. Ашкенази Е.К., Ганов Э.В. Анизотропия конструкционных материалов: Справочник. М.: Машиностроение, 1980. 375 с.
7. Хрулёв В.М. Прочность клеевых соединений. М.: Строй-издат, 1973. 84 с.
8. Хрулёв В.М., Титунин А.А., Ибатулин Р.Р. Реализация эффектов аддитивности и синергизма в конструкциях из композиционных материалов для деревянного домостроения // Конструкции из композиционных материалов: Межотраслевой науч.-тех. журнал РАН. Москва. 2004. Вып. 2. С. 10-12.
9. Титунин А.А. Экспериментальные исследования прочности деревянных клееных балок // Строительный эксперт. М.: НТОбумдревпром. 2003. № 18. С. 10.
10. Волынский В.Н., Пластинин С.Н. Первичная обработка пиломатериалов на лесопильных предприятиях: Учебное пособие. 2-е изд., испр. СПб.: Лань, 2012. 264 с.
11. Боровиков А.М., Уголев Б.Н. Справочник по древесине. М.: Лесная промышленность, 1989. 296 с.
12. Боровиков А.М., Хабарова Г.П. О визуальной сортировке брусьев по прочности // Лесной журнал, 1982. № 1.
13. Cucera W. Hoizfehler und ihr Einfluss auf die technische Eigenschaften der Fichte und Kiefer // Hoiztechnologie. 1970. № 4. s. 210-216.
References
1. Development of wooden housing construction // LesPromInform. 2015. No. 2 (108), pp. 136-139. (In Russian).
2. Kazejkin V.S., Baronin S.A., Chernyh A.G., Androsov A.N. Problemnye aspekty razvitija malojetazhnogo zhilishhnogo stroitel'stva Rossii [Problem aspects of development of low housing construction of Russia]: monografija / pod obshhej redakciej Akademika MAIN V.S. Kazejkina i prof. S.A. Baronina. Moscow: INFRA-M. 2011. 278 p.
3. New impulse of wooden housing construction. Lesnaja industrija. 2015. No. 4 (84). http://www.lesindustry.ru/issues/ li_n84/ (data of access 11.10.2015). (In Russian).
4. Titunin A.A. Zajceva K.V. Proektirovanie i proizvodstvo stroitel'nyh materialov iz drevesiny. Kompleksnyj podhod [Design and production of construction materials from wood. Integrated approach]: monografija / otv. red. A.M. Ibragimov. Kostroma: Izd-vo KGTU. 2009. 185 p.
5. Titunin A.A. Resursosberezhenie v derevoobrabatyvajushhej promyshlennosti. Organizacionno-tehnicheskie aspekty [Resource-saving in the woodworking industry. Organizational and technical aspects]: monografija. Kostroma: Izd-vo KGTU. 2007. 141 p.
6. Ashkenazi E.K., Ganov Je.V. Anizotropija konstrukcionnyh materialov [Anisotropy of constructional materials]: spravochnik. Moscow: Mashinostroenie. 1980. 375 p.
7. Hruljov V.M. Prochnost' kleevyh soedinenij [Durability of glue connections]. Moscow: Strojizdat. 1973. 84 p.
8. Hruljov V.M., Titunin A.A., Ibatulin R.R. Realization of effects of additivity and sinergizm in designs from composite materials for wooden housing construction. Konstrukcii iz kompozicionnyh materialov: mezhotraslevoj nauch.-teh. zhurnalRAN. Moscow. 2004. No. 2. pp. 10-12. (In Russian).
9. Titunin A.A. Pilot studies of durability of wooden glued beams. Stroitel'nyj jekspert. M.: NTObumdrevprom. 2003. No. 18, p. 10. (In Russian).
10. Volynskij V.N., Plastinin S.N. Pervichnaja obrabotka pilomaterialov na lesopil'nyh predprijatijah [Preprocessing of timber at the sawing enterprises]: Uchebnoe posobie. 2-e izd., ispr. Saint-Petersburg: Lan'. 2012. 264 p.
11. Borovikov A.M., Ugolev B.N. Spravochnik po drevesine [Reference book on wood]. Moscow: Lesnaja promyshlen-nost'. 1989. 296 p.
12. Borovikov A.M., Habarova G.P. About visual sorting of bars according to durability. Lesnoj zhurnal. 1982. No. 1. (In Russian).
13. Cucera W. Hoizfehler und ihr Einfluss auf die technische Eigenschaften der Fichte und Kiefer. Hoiztechnologie. 1970. No. 4, pp. 210-216.
11'2016
47
