CC BY
28
УДК б91.11б,б99.8б
ЦВЕТКОВ НИКОЛАЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, nac@tsuab.ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, Томск, пл. Соляная, 2
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ КЛЕЕНОГО ПРОФИЛИРОВАННОГО БРУСА C УТЕПЛИТЕЛЕМ
Показаны возможности повышения эксплуатационных свойств деревянного клееного профилированного бруса c утепляющими вставками за счет применения поперечных коннекторов и плазменной обработки ламелей.
Ключевые слова: строительные материалы и изделия; технология производства; профилированный клееный брус с утепляющими вставками; энергосбережение; деревянные дома.
TSVETKOV, NIKOLAY ALEKSANDROVICH, Dr. of tech. sc., prof., nac@tsuab.ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk; 634003, Russia
METHODS OF IMPROVING THE SERVICE PROPERTIES OF A GLUED LAMINATED TIMBER WITH HEATER
The possibilities of improving the service properties of a glued laminated timber with heat insulation inserts by the use of cross connectors and plasma processing of bars are considered in the article.
Keywords, building materials and items; production technology; a glued laminated timber with heat insulation inserts; energy efficiency; wooden houses.
Масштабы малоэтажного строительства в России в настоящее время существенно расширяются. Правительством РФ к 2015 г. намечено его долю в общем объёме возводимого жилья в стране довести до б0 %, что составит примерно 54 млн м2 [1]. При этом доля построенных деревянных домов с учетом того, что на территории Российской Федерации расположено 20 % мировых лесных ресурсов, в том числе примерно 15 % ценных хвойных пород, возрастет с б млн м2 в год в 2008 г. до 24 млн м2 [2].
Общеизвестно, что дома из дерева можно строить в любое время года и они обладают наилучшей сейсмостойкостью. Срок эксплуатации деревянного дома при соблюдении всех требований технологии деревянного домостроения составляет более 100 лет. Кроме того, в настоящее время широко применяется обработка древесины препаратами, защищающими ее от климатических воздействий, образования грибка, гниения, возгораемости, древоточцев и т. д., что позволяет еще больше увеличить срок службы деревянного строения.
Деревянный дом - это экологически чистое жилье, в помещениях которого человек чувствует себя комфортно. Эти ощущения связаны не только с тем, что древесина - пористый материал, который способен аккумулировать излишнюю влагу из воздуха и отдавать ее сухому воздуху помещения, но и с тем, что
© Н.А. Цветков, 2012
древесина, особенно хвойных пород, содержит ароматизирующие целебные вещества (в наибольшей степени - древесина кедра). Древесина легко обрабатывается режущими инструментами, хорошо склеивается различными клеями, скрепляется шурупами и гвоздями, окрашивается, лакируется, полируется. При различных направлениях среза получают красивую разнообразную текстуру древесины (эстетические свойства). Указанные свойства, наряду с другими, можно отнести к эксплуатационным свойствам древесины.
Для производства строительных материалов и изделий в России используют, в основном, древесину хвойных деревьев семейства сосновых. Это семейство представлено 4 родами: пихта, ель, сосна и лиственница. Эти роды включают около 40 видов. Древесина обладает малым объемным весом при сравнительно высокой прочности; древесина сосны, лиственницы, пихты на каждый грамм своего веса выдерживает при растяжении такую же нагрузку, как сталь. Древесина обладает высокой упругостью, хорошо поглощает звуки, возникающие при ударе, стойка против кислот и щелочей, обладает низкой электропроводностью. Древесина лиственницы на 30 % плотнее и прочнее сосны, более стойка к сырости и поражению гнилостными грибками, обладает наименьшей паропроницаемостью.
Древесина является анизотропным материалом. Известно, что при сжатии вдоль волокон прочность древесины в 3-4 раза больше, чем при сжатии поперек волокон. Прочность древесины при растяжении поперек волокон в 30 раз меньше, чем при растяжении вдоль волокон.
Значительным недостатком древесины является изменение формы и размеров в зависимости от температуры и влажности воздуха. Древесина усыхает, коробится, разбухает. Срубы домов, построенные из цельного бревна и бруса, в течение 1-1,5 г. необходимо выдерживать для завершения усадки, которая достигает 6-8 см на каждый этаж. Только после этого возможна окончательная отделка и монтаж инженерных систем. Более того, эксплуатационные свойства строительных изделий из цельной древесины ухудшаются (рис. 1), особенно в стеновых конструкциях. Со временем появляются радиальные и кольцевые трещины, нарушается плотность контактных соединений.
Рис. 1. Коробление и появление неплотностей в стенах между бревнами и венцами из бруса (а, в), появление радиальных и кольцевых трещин (б, в)
Исключить эти недостатки позволяет применение клееного профилированного бруса. Его получают с использованием высокотехнологичного оборудования. Максимальная усадка сруба из этого бруса всего 1-2 см. Строительство «под ключ» на готовых фундаментах составляет 6-7 недель.
Главный недостаток производства профилированного клееного бруса -большое количество отходов древесины. Тепловое сопротивление глади стены - до 1,5 (м2-К)/Вт.
Доказано, что леса - это важнейшее звено экосистемы нашей планеты. Наибольшая вырубка лесов осуществляется для использования древесины в строительстве, поскольку она является уникальным экологически чистым материалом с возобновляемым природой источником.
В этой связи актуальными для человечества являются проблемы, связанные как с совершенствованием экологически безопасных способов заготовки и транспортировки леса, так и с научно обоснованной рачительностью использования древесины в строительстве.
В настоящее время на строительном рынке появился профилированный брус с утеплителем (рис. 2, 3) и клееный профилированный брус с одной или двумя утепляющими вставками (рис. 4).
Рис. 2. Профилированный брус (б)с утеплителем (пенополиуретан) и массивными коннекторами между ламелями (а) фирм ЗАО «777 Д и К°» и ООО «Починки». Фото с официального сайта: http://www.777dc.ru/
Брус фирмы «Сибрэкс» с утепляющей вставкой ПОЛИСТЕН предназначен и пригоден только для каркасного домостроения.
Из профилированного клееного бруса ОАО ТДСК с одной утепляющей вставкой можно строить несущие стены. Использование двух утепляющих вставок для этих целей требует обоснования, а применение в каркасном домостроении вряд ли будет выгодным.
Эксплуатационные свойства клееного профилированного бруса без утепляющих вставок или с ними резко ухудшатся после потери работоспособности клеевых соединений. Следует ожидать появления первых признаков ухудшения в клеевых слоях, расположенных ближе к наружной поверхности стен.
Рис. 3. Брус фирмы «Сибрэкс» с утепляющей Рис. 4. Профилированный брус ОАО ТДСК вставкой ПОЛИСТЕН с одной или двумя утепляющими
вставками из пенополистирола
Преимущества утепленного бруса (см. рис. 2) фирмы ЗАО «777 Д и К°» в сравнении с клееным брусом очевидны:
- работоспособность бруса определяется не клеевыми соединениями (пенополиуретан обладает хорошей адгезией к древесине), а массивными деревянными коннекторами, соединяющими наружную и внутреннюю ламели;
- экономия древесины (частичное сохранение лесов);
- утепленный брус вдвое легче, что позволяет выполнить монтаж дома на более экономичных фундаментах;
- тепловое сопротивление глади стены почти в три раза больше, что обеспечивает существенное снижение энергозатрат на отопление дома.
Сравнительные характеристики для стен, сделанные ЗАО «777 Д и К°» для дома (7,5x10 м, общей площадью 127 м2), построенного из утепленного и клееного бруса, приведены в таблице (5 - толщина бруса).
Наименование параметра сравнения Утепленный брус, 5 = 146 мм Клееный брус, 5 = 204 мм
Объем бруса, м3 28,8 39,4
Стоимость 1 м3 сруба с комплектующими, руб. 22 475 23 337
Стоимость сруба с комплектующими, руб. 647 280 919 478
Стоимость сборки сруба, руб. 161 820 229 870
Стоимость сруба со сборкой, руб. 809 100 1 149 348
Стоимость 1 м2 стены, руб. 4100 5950
Вес 1 м2 стены, кг 42 100
Тепловое сопротивление стены, (м2-К)/Вт 3,847 1,49
Количество теплоты на отопление дома, (кВт-ч)/год 7300 18 700
Строительные изделия в виде утепленного профилированного бруса (см. рис. 2) успешно применяются в каркасном деревянном домостроении. Несмотря на многие преимущества, он имеет существенный недостаток.
Массивные коннекторы, соединяющие ламели, расположены так, что тепловой поток через стену имеет направление поперек волокон, что с теплотехнической стороны верно, поскольку теплопроводность сосны поперек и вдоль волокон [3] составляет соответственно 0,151 и 0,349 Вт/(мК). Однако предел прочности при скалывании вдоль волокон для сосны составляет 7,44 МПа, и предел прочности на разрыв поперек волокон примерно в 30 раз меньше, чем предел прочности на разрыв вдоль волокон (102,0 МПа). Если коннекторы расположить так, чтобы волокна были направлены поперек бруса, то они будут работать на разрыв вдоль волокон. Их прочность возрастет в десятки раз, но тепловой поток через них увеличится более чем в 2 раза.
Указанные недостатки частично устраняются разработанными нами техническими решениями на профилированный деревянный клееный брус повышенной прочности с утепляющими вставками, ссылки на патенты по которым даны в работе [1]. Разработаны и технические условия на изготовление на деревянные клееные несущие строительные изделия с термовкладышем [4].
Существенно повысить эксплуатационные свойства профилированного бруса с утепляющими вставками можно следующим образом [5-7].
Изготовить строительный элемент, состоящий из двух, например, сосновых ламелей и узкого (3 см) слоя утеплителя (левая часть на рис. 5, а, б). Между этими ламелями сверху и снизу расположены приклеенные бруски, которые могут быть выполнены из осины с горизонтально ориентированными волокнами. Этот элемент всегда должен составлять внутреннюю часть стены. К элементу приклеивается наружная часть утеплителя с наружной ламелью. Поперечными связями (коннекторами), выполненными из осины с горизонтально ориентированными волокнами, в нижней части бруса (рис. 5, а) и верхней части бруса (рис. 5, б) скрепляется внутренняя ламель строительного элемента и наружная ламель бруса.
а б
Рис. 5. Утепленный клееный брус с поперечным креплением ламелей
Для коннекторов выбрана осина из-за ее уникальных свойств. Теплопроводность вдоль волокон [3] составляет 0,093 Вт/(мК), а поперек воло-
кон - 0,256 Вт/(мК). Предел прочности древесины осины на разрыв вдоль волокон почти на 20 % выше предела прочности древесины сосны на разрыв вдоль волокон.
Кроме того, применение плазменной технологии поверхностной обработки заготовок ламелей позволит сократить отходы древесины и улучшить ряд эксплуатационных свойств профилированного клееного бруса с поперечным креплением ламелей [7, 8].
Внутренняя ламель может изготовляться из древесины сосны кедровой (обеспечивается повышенный комфорт из-за ее целебных свойств и эстетических качеств поверхности внутренней стены). Наружная ламель может быть изготовлена из древесины лиственницы, обладающей повышенной атмосфе-ростойкостью.
Выводы
Показаны возможности повышения эксплуатационных свойств деревянного клееного профилированного бруса с утепляющими вставками за счет применения поперечных коннекторов из осины при обеспечении перпендикулярного направления волокон в них относительно внутренней и наружной ламелей. Плазменная обработка заготовок для ламелей позволит исключить операцию строгания перед склеиванием ламелей, что приведет к сокращению отходов за счет использования меньшей толщины припусков, значительному уменьшению водопоглощения.
Использование предложенных возможностей повышения эксплуатационных свойств профилированного клееного бруса с поперечным креплением ламелей требует детального исследования его прочностных характеристик и изучения закономерностей паропроницания.
Тем не менее, можно сформулировать общий принцип эффективности производства деревянных изделий, применяемых в строительстве: обеспечение минимальных используемых далее отходов при производстве строительных материалов и изделий из древесины с достижением максимального эффекта реализации ценных свойств каждой породы в строительных конструкциях при их эксплуатации.
Библиографический список
1. Цветков, Д.Н. Теплотехническое обоснование наружных ограждений зданий из клееных деревянных энергоэффективных сортиментов / Д.Н. Цветков // Вестник ТГАСУ. -2012. - № 2. - С. 81-90.
2. Деревянное домостроение / под общ. ред. д.т.н., проф. А. Г. Черных. - СПб. : СПбГЛТА, 2008. - 343 с.
3. Справочниклесохимика / С. В. Чудинов, А. Н. Трофимов, Г. А. Узлов [и др.]. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Лесная промышленность. 1987. - 272 с.
4. Конструкции деревянные клееные несущие с термовкладышем: технические условия 5366-060-00884306-2009 / [разработчики]: Н.А. Цветков, А.Н. Хуторной, С. А. Лукьян-чиков, А. Г. Козырев, И. А. Лесняк. - Введ. 15.01.2009 без ограничения срока действия. -Томск, 2009. - ОС «Томскстройсертификация» ТГАСУ.
5. Пат. 108777. Российская Федерация, МПК Е 04 С 3/292 (2006.01). Комбинированный клееный брус / Н. А. Цветков, А. В. Колесникова, Н. А. Черкашина, Д. Н. Цвет-
ков; ГОУВПО «ТГАСУ». - № 2011119841/03 ; заявл. 17.05.2011 ; опубл. 27.09.2011, Бюл. № 27.
6. Положительное решение о выдаче патента на полезную модель по заявке № 2011138775/03(057865), МПК Е04С/292 (2006.01). Комбинированный клееный брус с поперечным креплением / Н.А. Цветков, А.В. Колесникова, Н.А. Черкащина, Д.Н. Цветков, А.И. Липихин ; заявлено 21.09.2011.
7. Цветков, Н.А. Энергосберегающая технология деревянного утепленного бруса с использованием электроплазменной обработки ламелей / Н.А. Цветков, О.Г. Волокитин, Н.А. Черкащина // Современное производство, техника и технологии: сб. тр. Международной науч.-практ. конф. 16-18 сентября 2011 г. / БГУ. - Улан-Удэ : Изд-во БГУ, 2011. - С. 25-30.
8. Волокитин, О.Г. Перспективы технологии создания защитно-декоративных покрытий на поверхности древесины с использованием плазменной технологии / О. Г. Волокитин, Г.Г. Волокитин, Н.А. Цветков // Вестник ТГАСУ. - 2012. - № 1. - С. 112-116.
