Новое поколение композитной конструкционной древесины
История бетона уходит вглубь тысячелетий, однако новый век этого материала начался всего 150 лет назад, когда был изобретен железобетон. Возможно, подобный переломный момент сегодня переживает и другой древнейший строительный материал — древесина. Во всяком случае, многие специалисты именно так оценивают появление нового поколения конструкционной древесины — древесных композитов со строго упорядоченной структурой. В англоязычных странах эти высокотехнологичные строительные материалы объединены в группу Engineering Wood Products — конструкционная, или инженерная древесина.
Полный порядок
Одной из важных особенностей конструкционных деревокомпозитов нового поколения является высокая упорядоченность их структурного состава. (Например, при производстве OSB-плит стружка строгается вдоль древесных волокон; в наружных слоях она ориентируется по длине, а во внутреннем слое — по ширине). Строгая регламентация размера, формы, влажности структурных элементов, их взаиморасположения позволяет, во-первых, в определенных пределах моделировать физико-механические свойства композитной древесины — увеличивать ее прочностные характеристики, огнестойкость и другие параметры, а во-вторых, делает эти свойства более стабильными и предсказуемыми.
В качестве армирующих компонентов в композитной конструкционной древесине используются различные структурные элементы: пиломатериалы (ламели), листовой шпон, стружка, щепа, древесное волокно и др. В качестве связующего, как правило, применяются полимерные водостойкие термореактивные клеи — полиуретановые, меланиновые, мочевиномеламиновые, фенолрезорциновые.
Современные деревокомпозитные конструкции обеспечивают большую гибкость при проектировании. Благодаря высокой удельной прочности и минимальным габаритным ограничениям они позволяют перекрывать огромные пролеты, создавать сложные архитектурные формы.
Производство современных деревокомпозитов обычно позволяет использовать низкосортное исходное древесное сырье, отходы лесопильного производства, продукты санитарной вырубки лесов. В процессе переработки появляется возможность устранить естественные пороки древесины или нивелировать их за счет технологии глубокой переработки.
Стабильность и предсказуемость свойств деревокомпозитов облегчают задачу индустриального производства на их основе широкой номенклатуры строительных конструкций.По своим эксплуатационным характеристикам такие конструкции не только не уступают, но по ряду позиций и превосходят конструкции из металла и железобетона (по удельной прочности, предельной огнестойкости). Дерево не создает мостиков холода, оно комфортнее с точки зрения акустики. Все это расширяет перспективы использования конструкционной древесины в массовом строительстве. Древесина во всех ее видах является одним из главных элементов экодизайна.
Клееные деревянные конструкции из пиломатериалов
К конструкционной древесине относятся клееные деревянные конструкции, изготавливаемые из прошедших соответствующую подготовку пиломатериалов (ламелей). Это клееный конструкционный ламельный брус — Glued laminated lumber, Glulam и перекрестно-клееные панели — Cross Laminated Timber, CLT.
Предварительно просушенные пиломатериалы (не более 15% остаточной влажности) с удаленными дефектными участками сращиваются по длине и склеиваются послойно по пласти под давлением. Технология сращивания по длине и склейки позволяет получать материалы больших сечений и практически неограниченной длины (габариты ограничены в основном возможностями транспортировки), изготавливать гнутые конструкции различной кривизны. Клееные конструкции не подвержены короблению, образованию трещин, имеют стабильную геометрию и высокую удельную прочность.
В России клееные деревянные конструкции (двух-, трех- и многослойные) хорошо известны и довольно широко применяются как в малоэтажном частном строительстве, так и при возведении общественных зданий и сооружений. Технология изготовления клееной конструкционной древесины также уже достаточно хорошо освоена российскими предприятиями, хотя потребности строительства пока значительно превышают внутренние производственные мощности.
В западноевропейских странах, Канаде, США, а в последнее время и в Японии набирает популярность строительство с применением перекрестно-клееных панелей — Cross Laminated Timber, CLT. Этот конструкционный деревокомпозитный материал был разработан в Швейцарии в начале 1990-х годов. В производстве используется древесина хвойных пород. Слои пиломатериала склеиваются перпендикулярно друг другу. Число слоев, как правило, нечетное (в основном от 3 до 9). В Европе на сегодняшний день 8 крупных компаний занимаются производством перекрестно-ламинированных панелей, 4 из них имеют заводы на территории Австрии. По два завода, выпускающих CLT, расположено в Германии, Швеции и Англии, один завод — в Норвегии. Недавно появилось два новых крупных производителя перекрестно-клееных панелей в Канаде и планируется открытие нескольких заводов в США. Постоянное расширение производства свидетельствует о растущем спросе на данный продукт.
Перекрестно-клееные панели стали основой новой индустриальной технологии панельно-сборного строительства, которая сейчас активно развивается в ряде стран. Панели поставляются на строительную площадку с завода в качестве готовых строительных модулей с уже установленными окнами, дверями, инсталлированными коммуникациями и т.д. Изоляция и отделка — если таковые требуются — также могут быть выполнены на заводе. Разработаны типовые узлы для внутренних и наружных стен, полов, перекрытий, кровель. Дом из деревянных панелей собирается в 6 раз быстрее, чем из железобетонных, для этого требуется меньше рабочей силы, менее мощные подъемная техника и транспорт.
О мировом опыте применения CLT в многоэтажном строительстве — читайте в статье «Панельное, деревянное». В России, которая владеет пятой частью мировых лесных ресурсов и является самым крупным поставщиком леса на мировой рынок, также есть опыт производства перекрестно-клееных панелей и их применения в частном строительстве, но большим спросом этот материал пока не пользуется. А уж о создании многоэтажек из древесины, даже самой инновационной, вообще говорить не приходится — в российских строительных нормах деревянная архитектура заканчивается на уровне 3-го этажа.
Семейство SCL
Помимо деревоклееных материалов, в которых в качестве армирующих элементов используются пиломатериалы (ламели), в современном строительном мире существует семейство очень перспективных деревокомпозитных конструкционных материалов, объединенных общим наименованием SCL — Structural composite cumber — конструкционная композитная древесина. Наиболее известные продукты данной группы LVL, PSL, LSL, OSL. Их отличает высокая однородность и стабильность свойств, полнота переработки первичного древесного сырья (до 75%) и лояльность к составу этого сырья (в некоторых случаях может использоваться не только хвойная древесина, но и тополь и некоторые другие местные древесные породы).
LVL-брус (Laminated veneer lumber) — брус, склеенный из листов однонаправленного лущеного шпона (с параллельным расположением волокон в смежных слоях). Это пока единственный из группы SCL-материалов, который производится в России — одно предприятие по производству LVL находится в Тверской области, второе в Ханты-Мансийском АО.
LVL изготавливается в виде плит, брусьев, брусков, досок. Ширина ограничена производственным оборудованием (обычно 12–15 м), длина — только возможностями транспортировки. Из LVL изготавливают плоские и пространственные конструкции, в том числе для большепролетных сооружений — балки, фермы, рамы, компоненты потолочных, напольных и стеновых элементов, дверей, опалубки. Важно учитывать, что LVL имеет однонаправленную структуру и нагружать его следует вдоль волокон (то есть в горизонтальных конструкциях LVL устанавливается на ребро). Большие перспективы имеет применение LVL в конструкциях двутавровых балок (I-joist).
PSL-брус (Parallel strand lumber, Parallam) — брус, склеенный из длинных полос шпона (длиной от 1000 мм), уложенных в слоях параллельно (по одной оси). Это самый прочный материал в семейства SCL. Он широко применяется в западном строительстве в большепролетных конструкциях в качестве балок, опор с большой нагрузкой, в конструкциях двутавровых балок. В России Parallam пока не производится.
Еще два деревокомпозита из группы SCL, которые пока не производятся у нас в стране, — это LSL (Laminated strand Lumber) — брус, изготовленный из длинных плоских стружек, уложенных параллельно, и OSL-брус (Оriented strand lumber) — клееный материал, в котором в качестве структурных элементов, также как и в LSL, используются длинные плоские стружки, но в два раза короче. По прочности и жесткости оба материала уступают PSL и LVL, зато в процессе их производства достигается максимальная глубина переработки древесного сырья и можно использовать низкосортную древесину. В североамериканском строительстве LSL и OSL-материалы применяютсядля изготовления стоек и ригелей каркасных домов.
Одним из перспективных и активно используемых в современном строительстве направлений является использование материалов семейства SCL в конструкциях двутавровых балок (I-joist). Двутавры из деревокомпозитных материалов имеют отличные показатели по удельной прочности, масса одного погонного метра балки составляет около 3–4 кг. Они не скрипят, не подвержены деформациям и позволяют прокладывать коммуникации внутри конструкции без ущерба для несущей способности. Самые лучшие показатели по удельной прочности демонстрируют I-балки с поясами из Parallam (PSL), наименее прочные — с LSL. Использование цельного бруса вместо клееного в таких балочных конструкциях не позволяет перекрывать большие пролеты без дополнительных опор. Клееный брус из ламелей (Glulam) не имеет таких ограничений по длине пролетов, но он гораздо тяжелее LSL-бруса со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Обширный выбор между материалами семейства SCL, который предлагают производители в Европе и Северной Америке, расширяет возможности западных архитекторов. Российские производители пока не дают нашим проектировщикам подобной свободы выбора.
Обзор клееной конструкционной древесины был бы не полным без упоминания таких популярных в строительстве материалов, как фанера и OSB (Oriented strand board). Применение этих материалов уже хорошо освоено российскими строителями, что дает нам возможность воздержаться от подробного их описания.
