Технология и комплексная механизация производства клеёного бруса из нанокомпозита древесины

В течение этого длительно времени развития, роль и место древесины в жизни человека постоянно пересматривались и изменялись в зависимости от технических и технологических возможностей. Простота, доступность, быстрота возведения жилища, теплоизоляция и экологические свойства древесины с одной стороны и умение бороться с главными врагами древесины огнём и разрушением (гниением) с другой, всегда являлись главными факторами выбора этого материала для строительства.

Разработка новой технологии нанообработки, в результате которой создан новый экологически чистый строительный материал – нанокомпозит древесины, благодаря уникальным свойствам нанодревесины позволяет расширить область её применения и вновь занять одно из ведущих мест в жизнедеятельности человека [1–5].

Создание и проектная реализация комплексно-механизированной технологии глубокой переработки натуральной древесины на основе нанотехнологии стала возможной исключительно благодаря:

бурному развитию машиностроительного сектора в области раскроя, обработки и склеивания древесины из отдельных геометрически правильных заготовок – ламелей с удалёнными (вырезанными) пороками [6–10];

разработке новых клеев для склеивания различных пород древесины по подготовленной поверхности (пласти), для различных условий эксплуатации [11];

разработке новой технологии, которая позволяет органично вписаться в существующую технологическую цепочку из современного высокотехнологичного и производительного оборудования и совместить выполнение в одном устройстве за один технологический цикл операции сушки, пропитки и нанообработки [1–5].

Кратко исторические факты. [7]

Клееный брус являет собой результат закономерного развития техники и технологии переработки массива древесины и, за счёт удаления природных пороков (дефектов), производства превосходного, качественного и эстетически привлекательного строительного материала с прекрасными физическими характеристиками. Громаднейшие перспективы, которые ему, безусловно, обеспечены, основаны на интересной истории развития с периодами застоя и стремительных взлетов. В эпоху зарождения и становления крупной мировой промышленности древесина была незаслуженно вытеснена более модными материалами: сталью, железобетоном, алюминием и пластмассой.

Свойства клееного бруса создаются, в первую очередь, исключительными характеристиками самой древесины. Это экологически чистый легкий материал, обладающий хорошей теплоизоляцией и высокой прочностью. Он гасит шум и вибрацию, стоек к воздействию агрессивных веществ, солей, жидкостей, и легко обрабатывается.

Древесина – один из самых дешевых строительных материалов: при равных затратах энергии на производство, можно изготовить объем деревянных заготовок в 2,4 раза больший, чем кирпича, в 3 раза, чем цемента, в 17 раз, чем стали и в 100 раз больший, чем алюминия. Деревянные балки легко демонтируются, и в них можно очень просто устанавливать дополнительные элементы. Деревянные клееные конструкции отличает большая величина пролетов без промежуточных опор, легкость и низкая трудоемкость подгонки и монтажа, потребность в минимальном фундаменте, а также прекрасное сочетание цены и себестоимости, ускоренные сроки возведения сооружений (мосты, виадуки, навесы, и др.), деревянных домов и целых поселков.

Виды дощато-клеёного бруса – ДКБ*. [6–10]

Примечание: * дощато-клеёный брус (ДКБ) может именоваться так же – клеёные деревянные конструкции (КДК), а так же большепролётные клеёные конструкции (БКДК) для балок.

Клееную продукцию можно разделить на:

• клееный брус (включая щит);
• двух- и трехслойные балки;
• конструкционный стеновой брус:
  
• Клееный брус (BSH) производится путем склеивания по пласти досок (ламелей) в пакеты. В Германии он производится преимущественно из ели, высушенной до 8–12%. Продукцию отличает высокая несущая способность при незначительном весе и отсутствие необходимости в защите древесины. Она особенно хорошо подходит для агрессивной химической среды, например, для сооружения складов минеральных удобрений;
  
• Двух- и трехслойные балки представляют собой 2–3 отдельные ламели, высушенные до 15% влажности, которые склеиваются друг с другом. Причем на пластях балки располагают сердцевинную сторону – это значительно уменьшает вероятность растрескивания древесины. Балки выделяет большая прочность, впрочем, рассчитанная на небольшой вес, высокая стабильность формы и размера строительных деталей, высококачественная поверхность, пригодная для отделки;
  
• Конструкционный брус (KVH) изготавливается обычно из елового материала влажностью 15+/-3%. Он, как правило, не требует дополнительной химической защиты. Поставляется проструганным и со снятой фаской.

Условия производства в ЕС. [6–10]

Сортировку древесины хвойных пород по твердости в Европе регламентирует DIN 4047, соединение на минишип элементов несущих конструкций – DIN 68 140–1, производство, конструкции и форму клееных заготовок – DIN 1052.

Так в Германии предприятия, производящие клееные деревянные конструкции, получают одно из четырех свидетельств:

• Свидетельство «А» – для производства клееных несущих деревянных деталей всех видов. Как правило, это компании, изготавливающие строительные детали из клееного бруса с максимальной диной;
• Свидетельство «В» – для производства клееных несущих деревянных деталей (например, стоек и балок с шириной пролета до 12 м). Обычно они делают прямые конструкции из клееного бруса;
• Свидетельство «С» – для производства только клееных деталей специального вида в соответствии с общими допусками строительного надзора или для изготовления деталей, соединенных на минишип;
• Свидетельство «D» – для производства только клееных стеновых или потолочных панелей для домостроения.

Клеёные деревянные конструкции и изделия. [6–10]

ДКБ в Европе производится из древесины хвойных пород – в основном из ели, которая отличается одновременно жесткостью и эластичностью, небольшой усушкой и хорошей стойкостью. Также применяется сосна, традиционно используемая в надземном, подземном и гидротехническом строительстве, в производстве свай, столбов, шпал и т.д. И лиственница, древесина которой издавна пользуется спросом для изготовления мостов, гидротехнических сооружений, производства бочек для хранения химикатов и химических растворов и т.п.

Склеивание деревянных элементов придает конструкции необычайную жесткость, равномерную прочность и стабильность формы. Клееный брус благодаря его однородности имеет значительно более высокую формоустойчивость и прочность по сравнению с цельной древесиной. Многослойность склеенных друг с другом досок (ламелей) позволяет получать строительные детали практически любой формы. Сегодня производители отдают предпочтение поперечному раскрою с прямоугольным профилем, но можно изготавливать и конструкции с вертикально расположенными слоями досок, хотя это потребует больших издержек. При формировании гнутых деталей из клееного бруса необходимо учитывать, что радиус изгиба для балок должен быть не менее 6 м, поскольку меньшие радиусы потребуют значительных дополнительных расходов.

Древесина и огонь. [6–7]

Последние годы в Германии проводились широкие исследования по теме огнестойкости древесины. Исследования процесса горения перекрытий из древесины продемонстрировали, что отсутствие полостей и щелей, а также массивное сечение позволяют достичь высокой огнестойкости конструкции. Многие часто забывают, что древесина и уголь имеют теплоизолирующие свойства и, сгорая, древесина очень медленно теряет свою стойкость. Например, при температуре 300°С стойкость балок достигает 80 мин., затем они начинают тлеть. При этом поверхность древесины обугливается, и этот слой предохраняет дальнейшее глубинное повреждение дерева. Процесс горения деревянных конструкций протекает с максимальной скоростью 0,6 мм/мин. Перед разрушением балки начинают гнуться и потрескивать. Это дает шанс и время для тушения пожара. Кроме того, существуют средства защиты древесины, которые задерживают ее возгорание до 30 мин.

Повышение огнестойкости сухой натуральной древесины является одной из самых актуальных задач для древесины и для ДКБ.

В отличие от древесины, армирующие стальные прутья в железобетоне от пожара размягчаются, и конструкция в целом теряет свою несущую способность. При температуре 300°С сталь имеет только 20% своей первоначальной прочности, при этом детали и все сооружение разрушаются – сразу, внезапно и целиком. Металлические балки при указанной температуре обрушиваются уже через 16 мин, а бетон при достижении критических значений рассыпается мгновенно. Поэтому в горящие железобетонные дома пожарные Германии стараются просто не заходить.

«Сталь применяется и при монтаже деревянных конструкций», – может возразить скептик. Верно, но находясь в древесине, она охлаждается и теряет свою прочность значительно медленнее – например, гвозди, забитые в дерево.

Есть и еще один аспект при пожаре. Как правило, древесина не требует дополнительной отделки. Железобетонные стены и потолки сегодня модно закрывать пластиковыми панелями. Все это горит значительно сильнее древесины, выделяя при этом вредные вещества и газы, приводящие к потере сознания и отравлению людей. Даже после того, как пожар потушен, пострадавшее помещение нуждается в особой чистке. Европейские стандарты требуют после пожара, где сгорали элементы из пластика, снимать штукатурку, напольное покрытие и т.д.

Новая технология производства ДКБ из нанокомпозита древесины. [1–5]

Инновационный проект: «Организация глубокой переработки древесины хвойных пород в высококачественную клеёную продукцию на основе нанотехнологий» позволил приступить к строительству в Сибири завода «СИБТЕК» («Сибирские технологии»). Проектом предусмотрено применение самого современного оборудования для глубокой переработки древесины начиная от лесозаготовки и заканчивая готовой продукцией – ДКБ (КДК), основополагающими проекта стали комплексно механизированная технология производства компании “Weinig Group” [6–10] и, разработанная Ворониным Б.Ю., технология сушки, пропитки и нанообработки древесины [1–5]. Анализ и лабораторно-промышленные испытания производства нанокомпозита древесины позволяют сделать Вывод:

Имеющийся опыт и существующая на настоящий момент времени технология и оборудование для производства ДКБ (КДК) из натуральной древесины позволяют использовать их для производства аналогичной продукции (изделий) из нанокомпозита древесины. Основное условие – дополнение технологической цепочки производства новым оборудованием, позволяющим в промышленных масштабах реализовать применение для обработки натуральной древесины нанотехнологических приёмов обработки [1–5].

Подробно технология, материалы и оборудование для получения нанокомпозита древесины изложены в статьях цикла в электронном журнале NanoNewsNet [1–3].