CC BY
31УДК 691.11
Д.В. ОРЕШКИН, д-р техн. наук (dmitrii_oreshkin@mail.ru)
Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
Теоретическое обоснование использования древесины мягколиственных пород в строительстве
Рассмотрены проблемы сырьевой базы для производства строительных материалов. Проанализированы традиционные теплоизо-ляционные материалы. Целью работы явилось обоснование возможности расширения сырьевой базы строительных материалов за счет малоиспользуемой в настоящее время древесины мягколиственных пород. Рассмотрены недостатки строения мягколиственной древесины, затрудняющие ее использование в строительстве. Установлено, что высокая пористость и низкая прочность исключают ее применение в качестве конструкционного материала без специальной обработки. Обосновано, что при производстве теплоизоляционных материалов из мягколиственной древесины высокая пористость является положительным фактором, снижающим коэффициент теплопроводности и обеспечивающим высокие паро- и воздухопроницаемость. Теплоизоляционные материалы из древесины мягколиственных пород в полной мере отвечают требованиям по экологии и комфортности проживания.
Ключевые слова: строительные материалы, древесина, теплопроводность, сырьевая база, комфорт.
D.V. ORESHKIN, Doctor of Sciences (Engineering) (dmitrii_oreshkin@mail.ru)
Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation)
Theoretical Justification for the Use of Soft-Leaved Wood in Construction
The article considers problems of the raw material base for producing building materials. The traditional heat-insulating materials are analyzed. The aim of this work is to justify the possibility of expanding the raw material base of building materials through the use of soft-leaved wood which is little used now. Shortcomings of the soft-leaved wood structure that hinder its use in construction are considered. It is established that the high porosity and low strength preclude its use as a structural material without special treatment. It is justified that the high porosity is a positive factor for producing heat-insulating materials from soft-leaved wood; this factor reduces the heat conductivity coefficient and ensures high steam and air permeability. Heat-insulating materials made of soft-leaved wood fully meet the requirements for ecology and comfort of living. Keywords: building materials, wood, heat conductivity, raw material base, comfort.
Интенсивный рост строительного производства в последнее столетие привел к уменьшению запасов минеральных ресурсов — традиционного сырья для получения большинства строительных материалов. Ежегодно в разных странах мира производится более 10 млрд т строительных материалов. После распада СССР в РФ существенно уменьшились объемы геолого-разведочных работ, нет прироста запасов нерудного сырья [1]. Значительную часть природного сырья можно заменить другими его видами. Наиболее перспективным направлением развития промышленности строительных материалов является использование древесины. Это важно с экономической и экологической точки зрения, поскольку древесина является возобновляемым сырьем [2, 3, 4].
Одной из основных проблем современной строительной науки является проблема энергосбережения, решение которой невозможно без использования эффективных теплоизоляционных материалов, обеспечивающих оптимальные температурные параметры жилья [2]. Для исключения воздействия вредных веществ на окружающую среду и человека необходимо также учитывать экологическую и технологическую безопасность материалов, из которых выполнена теплоизоляция.
Основным видом применяемых в России утеплителей являются минераловатные изделия. Их доля на рынке составляет более 60%. Коэффициент теплопроводности минераловатных изделий в зависимости от их средней плотности составляет от 0,035 до 0,045 Вт/(м.оС) [5].
Объем производства пенополистирола составляет около 20% от объема производства теплоизоляционных материалов. Пенополистирол характеризуется низкой теплопроводностью — 0,03—0,04 Вт/(м.оС) при средней плотности 15—40 кг/м3 [6]. Но пенополистирол относится к горючим материалам и производится из ядовитого мономера. Его использование ограничено требованиями пожарной безопасности.
В качестве теплоизоляционных материалов могут применяться древесно-волокнистые (ДВП) и древесностружечные плиты (ДСП). ДВП изготавливают из древесного сырья, которое последовательно измельчают в волокнистую массу, формуют и подвергают тепловой обработке. ДСП получают горячим прессованием массы, содержащей около 90% древесной стружки и 8—10% фенолоформальдегидной или карбамидоформальдегид-ной смол. Для улучшения свойств ДСП добавляют гид-рофобизаторы, антисептики и антипирены. Древесные плиты обладают повышенной гигроскопичностью и во-допоглощением, легко воспламеняются и могут тлеть гораздо дольше, чем природная древесина.
Известен теплоизоляционный материал, изготавливаемый на основе отходов лесозаготовок, деревообработки, — арболит [6—9]. Для производства арболита применяются измельченные отходы лесопиления и деревообработки, костры, соломы, тростника и др. В качестве вяжущего вещества используют цемент и синтетические смолы. Имеется сырьевая база для выпуска арболита из неиспользуемых твердых отходов разных производств на лесозаготовках (более 3 млн м3 в год) [7—8]. Из арболита выпускают крупные стеновые блоки и навесные стеновые панели, перегородочные плиты, теплоизоляционные плиты совмещенных покрытий жилых домов. К недостаткам арболита относится повышенная гигроскопичность [8]. При отрицательной температуре наружного воздуха точка росы находится внутри стены, снижаются ее теплозащитные свойства и такие стены зимой промерзают, загнивают деревянные конструкции.
Для решения этой проблемы используют паро- и гидроизоляцию. В последнее время лучшим решением считается дышащая конструкция стены. При этом конденсат беспрепятственно в виде водяного пара проходит наружу. Однако в таком случае увеличиваются теплопотери [3, 4].
Известно, что для обеспечения и повышения комфортных условий проживания людей необходимо пра-
научно-технический и производственный журнал
Results of scientific research
вильно выбирать строительные материалы. Национальная программа «Доступное и комфортное жилье — гражданам России» нацелена на выполнение таких требований.
Этим требованиям в полной мере отвечает древесина, имеющая низкие среднюю плотность и теплопроводность, достаточные показатели по паропроницае-мости и воздухообмену. Это обеспечивает человеку максимально благоприятные условия проживания и невысокую стоимость жилья. Красивая текстура древесины подчеркивает эстетическую выразительность интерьеров, создает уют. Достоинством древесины также является доступность и возобновляемость ресурсов. Однако следует подчеркнуть, что требования по паро-проницаемости и воздухообмену для стен оправданны только при отсутствии принудительной вентиляции и кондиционирования. Для элитного жилья паропрони-цаемость и воздухообмен будут приводить к существенной потере тепла или охлажденного воздуха через стены во время отопительного сезона или работы кондиционеров.
В Российской Федерации имеются большие возможности для развития малоэтажного домостроения. На сегодняшний день в частном секторе наиболее распространенными являются деревянные дома из бревен, бруса, щитов, а также современные быстровозводимые каркасные дома. В настоящее время в России доля деревянного домостроения не превышает 20%, но строительство деревянных домов имеет хорошие перспективы.
Россия располагает крупнейшей в мире лесосырье-вой базой объемом более 83 млрд м3 древесины. Однако по использованию древесных материалов в строительстве Россия существенно отстает от других стран. Например, в России на 1 м2 построенного жилья приходится 0,05 м3 древесных материалов, что почти в 10 раз ниже, чем в промышленно развитых странах. Древесина хвойных и твердолиственных пород, имеющая хорошие прочностные показатели, широко применяется в строительстве, но ее запасы постоянно уменьшаются. А древесина мягколиственных пород практически не используется [6, 7].
Целью статьи является обоснование возможности расширения сырьевой базы строительных материалов за счет малоиспользуемой в настоящее время древесины мягколиственных пород. Для этого необходимо установить область применения строительных изделий из мяг-колиственных пород с учетом их экологической безопасности.
Известно, что конструкционные материалы должны обладать хорошими прочностными показателями, иметь достаточные водо- и морозостойкость. Теплоизоляционные — должны обеспечивать низкую теплопроводность, отделочные — высокие эксплуатационные и декоративные свойства. Обычно подбирают материал таким образом, чтобы результирующий показатель Yр имел максимальное значение:
Yp -
тах.
Другие показатели свойств материала Yi должны быть в пределах:
У. < У. < У
1 i шт ^ г ^ шах-
Себестоимость продукции ^ должна быть минимальной: л я
S = пг т.-^шт,
>-11-1 г 1 '
где п1 — стоимость каждого из видов сырья и материалов; т! — стоимость переработки сырья и материалов каждой операции.
В дальнейшем производство строительных материалов из древесины будет становиться все более перспективным. В условиях постоянно дорожающих энергоре-
сурсов стоимость строительных материалов из минерального сырья постоянно возрастает, а стоимость заготовленной древесины увеличивается незначительно.
Свойства строительных материалов из минерального сырья во многом достигаются регулированием параметров процесса производства (Х) — вида и дозировки компонентов, условий приготовления и др., т. е.:
У = ДХ).
Свойства строительных материалов из древесины в большей степени будут определяться строением, химическим составом используемого сырья и компонентов и др.
Самыми важными показателями для строительных материалов являются прочностные характеристики. Особенностью древесины является анизотропия — различие свойств в различных направлениях. Известно, что прочность древесины при одинаковой влажности увеличивается при росте средней плотности.
В жилищном строительстве в настоящее время древесина используется при производстве несущих конструктивных элементов зданий и сооружений, изделий для внутренней отделки. Эксплуатационные свойства древесины лиственных пород ниже, чем у древесины хвойных пород. Поэтому древесина лиственных пород мало используется в настоящее время в строительстве.
В лесах Европейской части РФ из древесины мягко-лиственных пород распространены: осина, ольха, тополь и липа [6, 7]. Все эти породы имеют меньшую прочность по сравнению с прочностью древесины твердолиственных или хвойных пород. Они склонны к растрескиванию и загниванию. Без специальной обработки их нельзя применять в строительстве. Текстура осины и тополя однородная, невыразительная. Это исключает их использование в качестве отделочного материала. Липа применяется для отделки парилок в банях. Древесина ольхи имеет более развитую текстуру по сравнению с древесиной осины, тополя и поэтому может применяться для отделки.
Теоретической основой для расширения области использования древесины мягколиственных пород в строительстве является следующее:
— максимальное использование строения древесины этих пород;
— установление областей применения, где недостатки строения становились бы преимуществами.
Древесина является природным полимером. Это и определяет ее структурные особенности, которые непосредственно отражаются на ее свойствах. Древесина мягколиственных пород ольхи, осины, тополя имеет меньшую среднюю плотность и прочностные показатели по сравнению с хвойной древесиной из-за большей пористости. Поэтому пористое строение осины, ольхи и тополя является их недостатком как конструкционного материала. Однако повышенная пористость обеспечит повышение качества пропитки древесины модификаторами, антисептиками или антипиренами. Высокая пористость способствует увеличению количества поглощенных веществ. В результате этого у пропитанной древесины с пористым строением технические характеристики будут выше, чем у других пород.
Повышенная пористость указанной древесины будет являться преимуществом при ее использовании в качестве конструкционно-теплоизоляционного материала. В таблице приведены значения средней плотности и коэффициента теплопроводности лиственных пород.
На рисунке показаны зависимости, характеризующие влияние средней плотности древесины на ее прочность и теплопроводность. У древесных пород с высокими прочностными показателями выше и средняя плотность, что, как известно, снижает теплоизоляционные свойства. Коэффициент теплопроводности, напри-
^^СЛМГ^&ИЫ::; научно-технический и производственный журнал
ЩДГ-^Ш^Г ^ июль 2015 31
Показатели Порода
Дуб Береза Ольха Осина Липа Тополь
Средняя плотность, кг/м3 690 630 520 495 495 455
Пористость, % 53,4 59,3 66,2 68 68,5 70,6
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м°С) 0,23 0,21 0,19 0,181 0,18 0,168
Предел прочности, МПа: - при статическом изгибе - при растяжении вдоль волокон - при сжатии вдоль волокон 108,5 176 57,5 109 168 55 80,5 101 44 78 125 42 88 121 45,5 СDOCO
160
130 2 \4
S
ст но 100 --' 3 ■
О СП 70 ---- <
40 YL .
0,23
0,19
0,17
450
500 550 650 Средняя плотность, кг/м3
700
Влияние средней плотности древесины на: 1 - прочность при сжатии вдоль волокон; 2 - прочность при растяжении вдоль волокон; 3 - прочность при статическом изгибе; 4 - коэффициент теплопроводности
мер, у тополя на 36% ниже, чем у дуба, за счет более низкой средней плотности.
Другой немаловажной характеристикой строительных материалов для обеспечения комфортных условий проживания является воздухопроницаемость. Для древесины средней плотностью 690 кг/м3 воздухопроницаемость составляет 0,00013 см3/(см2х), а для древесины плотностью 500 кг/м3 воздухопроницаемость составляет
0.0026.см3/(см2-с) [6—8], т. е. при снижении средней плотности в 1,4 раза воздухопроницаемость возрастает в 20 раз.
Пористость структуры будет являться положительным фактом при использовании древесины мягколи-ственных пород в качестве материала с теплоизоляционными функциями. Это обеспечит хорошую теплоизоляцию, паро- и воздухопроницаемость, что немаловажно для обеспечения комфортных условий проживания людей. Паропроницаемость необходима для исключения конденсата в утеплителе. Одним из вариантов такой конструкции является ячеистая стеновая панель [6].
Важным преимуществом изделий из древесины является их экологическая безопасность. Теплоизоляционные материалы из древесины мягколиственных пород в полной мере отвечают требованиям по экологии и комфортности проживания. Экологическим требованиям также отвечает гофрокартонная плита. Она представляет собой теплоизоляционное изделие, изготавливаемое из отходов упаковочной тары [7].
Таким образом, использование мягколиственных пород древесины в качестве возобновляемой сырьевой базы производства строительных материалов и изделий является актуальной технической, экологической и экономической задачей. Существующие материалы и изделия с теплоизоляционными функциями не всегда отвечают требованиям пожарной и экологической безопасности при монтаже и эксплуатации. Более того, установлено, что основным фактором, сдерживающим применение древесины мягколиственных пород, является высокая пористость структуры и невысокая прочность по сравнению с другими породами. Без термической стабилизации, модифицирования эта древесина не может применяться в качестве строительного конструкционного материала. Определено, что оптимальной областью применения древесины мягколиственных пород можно считать производство материалов и изделий с функцией теплоизоляции.
Список литературы
1. Лесовик В.С. Архитектурная геоника // Жилищное строительство. 2013. № 1. С. 9—12.
2. Орешкин Д.В. Проблемы строительного материаловедения и производства строительных материалов // Строительные материалы. 2010. № 11. С. 6—8.
3. Орешкин Д.В. Облегченные и сверхлегкие цементные растворы для строительства // Строительные материалы. 2010. № 6. С. 34—37.
4. Орешкин Д.В., Беляев К.В., Семенов В.С. Теплофизические свойства, пористость и паропро-ницаемость облегченных цементных растворов // Строительные материалы. 2010. № 8. С. 51—55.
5. Некрасов Н.К. Теплоизоляционные материалы: их характеристики // Технологии строительства. 2003. № 2 (24). С. 32-35.
6. Лукаш А.А., Плотников В.В., Ботаговский М.В. Ячеистые стеновые панели из древесных материалов // Строительные материалы. 2009. № 2. С.72-73.
7. Лукаш А.А., Лукутцова Н.П. Гофрокартонная плита - эффективный теплоизоляционный материал // Строительные материалы. 2014. № 10. С.24-29.
8. Бобров Ю.Л., Овчаренко Е.Г., Шойхет Б.М., Петухова Е.Ю. Теплоизоляционные материалы и конструкции. М.: ИНФРА-М, 2003. 268 с.
9. Stark, N.M., Rowlands, E.R. Effects of wood fiber charcateristics on mechanical properties of wood/ polyproplyene composites. Wood and Fiber Science. 2003. №35(2), p. 167-174.
References
1. Lesovik V.S. Architecturnaya geonika. Zhilichnoe stroitel'stvo [Housing construction]. 2013. No. 1, pp. 9-12. (In Russian).
2. Oreshkin D.V. Problems of Building Materiology and Production of Building Materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 11, pp. 6-8. (In Russian).
3. Oreshkin D.V. Light-Weight and Superlight Cement Mortars for Construction. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 6, pp. 34-37. (In Russian).
4. Oreshkin D.V., Belyaev K.V., Semenov V.S. Thermophysical Properties, Porosity and Vapour Permeability of Light-Weight Cement Mortars. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 8, pp. 51-54. (In Russian).
5. Nekrasov N.K. Thermal-insulating materials: their properties. Tehnologii stroitel'stva. 2003. No. 2 (24), pp. 3235. (In Russian).
6. Lukash A.A., Plotnikov V.V., Botagovsky M.V. Cellular Wall Panels Made of Timber Materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 2, pp. 7273. (In Russian).
7. Lukash A.A., Lukuttsova N.P. Corrugated Cardboard Plate - Efficient Heat Insulating Material. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 10, pp. 24-29. (In Russian).
8. Bobrov Ju.L., Ovcharenko E.G., Shojhet B.M., Petuho-va E.Ju. Teploizoljacionnye materialy i konstrukcii [Heat-insulating materials and structures]. Moscow. INFRA-M. 2003. 268 p.
9. Stark N.M., Rowlands E.R. Effects of wood fiber charcateristics on mechanical properties of wood/polyproplyene composites. Wood and Fiber Science. 2003. No. 35 (2), pp. 167-174.
научно-технический и производственный журнал
