Инженерная древесина , также называемая массовой древесиной , композитной древесиной , искусственной древесиной или изготовленной доской , включает в себя ряд производных древесных продуктов , которые производятся путем связывания или фиксации прядей, частиц, волокон или шпона или досок из древесины вместе с клеями или другими методами фиксации [1] для формирования композитного материала . Панели различаются по размеру, но могут достигать 64 на 8 футов (19,5 на 2,4 м) и в случае поперечно-ламинированной древесины (CLT) могут иметь любую толщину от нескольких дюймов до 16 дюймов (410 мм) или более. [2] Эти продукты проектируются в соответствии с точными проектными спецификациями, которые тестируются на соответствие национальным или международным стандартам и обеспечивают однородность и предсказуемость их структурных характеристик. Инженерные древесные продукты используются в различных областях: от строительства домов до коммерческих зданий и промышленных изделий. [3] Продукты могут использоваться для балок и перекрытий, которые заменяют сталь во многих строительных проектах. [4] Термин « массовая древесина» описывает группу строительных материалов, которые могут заменить бетонные конструкции. [5]
Обычно инженерные изделия из древесины изготавливаются из тех же лиственных и хвойных пород , которые используются для производства пиломатериалов . Отходы лесопиления и другие древесные отходы могут использоваться для инженерных изделий из древесины, состоящих из древесных частиц или волокон, но целые бревна обычно используются для шпона, такого как фанера , древесноволокнистые плиты средней плотности (МДФ) или древесностружечные плиты . Некоторые инженерные изделия из древесины, такие как ориентированно-стружечные плиты (OSB), могут использовать деревья из семейства тополевых , распространенного, но неструктурного вида.
В качестве альтернативы можно также изготавливать аналогичный модифицированный бамбук из бамбука и аналогичные модифицированные целлюлозные продукты из других лигнинсодержащих материалов, таких как ржаная солома, пшеничная солома, рисовая солома, стебли конопли , стебли кенафа или отходы сахарного тростника , в этом случае они содержат не фактическую древесину, а растительные волокна .
Мебель в разобранном виде обычно изготавливается из искусственной древесины из-за ее низкой себестоимости и небольшого веса.
Существует широкий спектр инженерных деревянных изделий как для структурных, так и для неструктурных применений. Этот список не является исчерпывающим и призван помочь классифицировать и различать различные типы инженерных деревянных изделий.
Древесные панели изготавливаются из волокон, стружек, частиц, шпона, щепы, опилок, плит, древесного порошка, стружек или других производных древесины с помощью процесса связывания с клеями. [6] [7] Деревянные структурные панели представляют собой набор плоских панельных изделий, широко используемых в строительстве зданий для обшивки, настила, шкафов и столярных изделий, а также мебели. Примерами являются фанера и ориентированно-стружечная плита (OSB). Неструктурные древесные панели представляют собой плоские панельные изделия, используемые в неструктурных строительных применениях и мебели. Неструктурные панели обычно покрываются краской, деревянным шпоном или смоляной бумагой в их окончательном виде. Примерами являются древесноволокнистые плиты и древесностружечные плиты . [8]
Фанера , деревянная структурная панель, иногда называется оригинальным инженерным деревянным продуктом. [9] Фанера изготавливается из листов поперечно-ламинированного шпона и склеивается под воздействием тепла и давления прочными, влагостойкими клеями. Благодаря чередованию направления волокон шпона от слоя к слою, или «перекрестной ориентации», прочность и жесткость панели в обоих направлениях максимизируются. Другие структурные деревянные панели включают ориентированно-стружечные плиты и структурные композитные панели. [10]
Ориентированно-стружечная плита (OSB) — это деревянная структурная панель, изготовленная из прямоугольных стружек древесины, которые ориентированы продольно, а затем уложены слоями, уложены в маты и скреплены вместе влагостойкими термоотверждаемыми клеями. Отдельные слои могут быть ориентированы крест-накрест, чтобы обеспечить прочность и жесткость панели. Подобно фанере, большинство панелей OSB поставляются с большей прочностью в одном направлении. Древесные волокна в самом внешнем слое с каждой стороны доски обычно выровнены в самом прочном направлении доски. Стрелки на изделии часто указывают на самое прочное направление доски (в большинстве случаев высоту или самый длинный размер). Изготовленная в огромных непрерывных матах, OSB представляет собой цельный панельный продукт постоянного качества без нахлестов, зазоров или пустот. [11] OSB поставляется в различных размерах, прочности и уровнях водостойкости.
OSB и фанера часто используются как взаимозаменяемые материалы в строительстве.
Древесноволокнистые плиты средней плотности (МДФ) и древесноволокнистые плиты высокой плотности ( ДВП или HDF) изготавливаются путем разделения отходов древесины твердых или хвойных пород на древесные волокна, их соединения с воском и связующим веществом из смолы и формирования панелей путем применения высокой температуры и давления. [12] МДФ используется в неконструкционных применениях.
Древесностружечная плита изготавливается из древесной щепы, лесопильной стружки или даже опилок и синтетической смолы или другого подходящего связующего вещества, которое прессуется и экструдируется. [13] Исследования, опубликованные в 2017 году, показали, что прочную древесно-стружечную плиту можно производить из сельскохозяйственных отходов, таких как рисовая шелуха или шелуха цесарки. [14] Древесностружечная плита дешевле, плотнее и однороднее обычной древесины и фанеры и заменяет их, когда стоимость важнее прочности и внешнего вида. Основным недостатком древесно-стружечных плит является то, что они очень склонны к расширению и обесцвечиванию из-за влаги, особенно когда они не покрыты краской или другим герметиком. Древесностружечная плита используется в неструктурных приложениях.
Структурные композитные пиломатериалы (SCL) — это класс материалов, изготовленных из слоев шпона, прядей или хлопьев, скрепленных клеями. В отличие от деревянных структурных панелей, структурные композитные пиломатериалы обычно имеют все волокна зерна, ориентированные в одном направлении. Семейство инженерных древесных изделий SCL обычно используется в тех же структурных применениях, что и обычные пиломатериалы и древесина, включая стропила, перемычки, балки, балки, ободковые доски, стойки и колонны. [15] Изделия SCL имеют более высокую размерную стабильность и повышенную прочность по сравнению с обычными пиломатериалами.
Клееный шпон (LVL) производится путем склеивания тонких листов шпона в большую заготовку, похожую на фанеру. Волокна всех листов шпона в заготовке LVL параллельны продольному направлению (в отличие от фанеры). Полученный продукт отличается улучшенными механическими свойствами и размерной стабильностью, что обеспечивает более широкий диапазон ширины, глубины и длины продукта, чем обычные пиломатериалы.
Параллельно-стружечная древесина (PSL) состоит из длинных стружек шпона, уложенных параллельно и скрепленных вместе клеем для формирования готовой структурной секции. Отношение длины к толщине стружек в PSL составляет около 300. Прочный, однородный материал, он обладает высокой несущей способностью и устойчив к стрессам от выдержки, поэтому он хорошо подходит для использования в качестве балок и колонн для строительства столбов и балок, а также для балок, перемычек и перемычек для легкого каркасного строительства. [15]
Пиломатериалы из клееной стружки (LSL) и ориентированной стружки (OSL) производятся из стружечной древесной стружки, которая имеет высокое отношение длины к толщине. В сочетании с клеем, стружки ориентируются и формируются в большой мат или заготовку и прессуются. LSL и OSL обеспечивают хорошую прочность крепления и механические характеристики соединения и обычно используются в различных областях, таких как балки, перемычки, стойки, бортовые доски и компоненты столярных изделий . LSL изготавливается из относительно коротких стружек — обычно около 1 фута (0,30 м) в длину — по сравнению с стружкам длиной от 2 до 8 футов (0,61–2,44 м), используемыми в PSL. [16] Соотношение длины к толщине стружек составляет около 150 для LSL и 75 для OSL. [15]
Двутавровые балки представляют собой структурные элементы в форме «Ɪ», предназначенные для использования в конструкции пола и крыши. Двутавровая балка состоит из верхней и нижней полок различной ширины, объединенных с перегородками различной глубины. Полоски выдерживают обычные изгибающие напряжения, а перегородка обеспечивает сдвиговые характеристики. [17] Двутавровые балки предназначены для переноса тяжелых грузов на большие расстояния, при этом используется меньше пиломатериалов, чем размерная цельная деревянная балка необходимого размера для выполнения той же задачи. По состоянию на 2005 год примерно половина всех деревянных полов с легким каркасом были сконструированы с использованием двутавровых балок. [ требуется ссылка ]
Массивная древесина, также известная как инженерная древесина, представляет собой класс крупных структурных деревянных компонентов для строительства зданий. Массивные деревянные компоненты изготавливаются из пиломатериалов или шпона, скрепленных клеями или механическими крепежами. Некоторые типы массовой древесины, такие как гвоздеклееная древесина и клееная древесина, существуют уже более ста лет. [18] Массивная древесина пользуется все большей популярностью с 2012 года из-за растущей обеспокоенности по поводу устойчивости строительных материалов и интереса к предварительному изготовлению, строительству вне площадки и модульности, для чего массовая древесина хорошо подходит. Различные типы массовой древесины имеют преимущество в виде более коротких сроков строительства, поскольку компоненты производятся вне площадки и предварительно обрабатываются до точных размеров для простого крепления на месте. [19] Было показано, что массовая древесина имеет структурные свойства, конкурентоспособные со сталью и бетоном, что открывает возможность строить большие, высокие здания из древесины. Обширные испытания продемонстрировали естественные свойства огнестойкости массовой древесины — в первую очередь из-за создания слоя угля вокруг колонны или балки, который не позволяет огню достичь внутренних слоев древесины. [2] Признавая доказанные структурные и противопожарные характеристики массивной древесины, Международный строительный кодекс , типовой кодекс, который является основой многих североамериканских строительных кодексов , принял новые положения в цикле кодексов 2021 года, которые разрешают использовать массивную древесину в высотном строительстве до 18 этажей. [20] [21]
Перекрестно-клееная древесина (CLT) — это универсальная многослойная панель из пиломатериалов. Каждый слой досок размещается перпендикулярно соседним слоям для повышения жесткости и прочности. [22] Это относительно новый и набирающий популярность в строительной отрасли вид, поскольку его можно использовать для длинных пролетов и всех сборок, например, полов, стен или крыш. [22] [23]
Клееный брус (glulam) состоит из нескольких слоев размерной древесины, склеенных между собой влагостойкими клеями, создавая большой, прочный, структурный элемент, который может использоваться в качестве вертикальных колонн или горизонтальных балок. Glulam также может быть изготовлен в изогнутых формах, что обеспечивает большую гибкость дизайна. [23]
Клееная древесина с дюбельным креплением (DLT), иногда называемая Brettstapel , представляет собой древесину с соединением «дерево на дереве». Самым большим преимуществом этого метода является отсутствие необходимости в клее или металле [23] , что исключает использование ЛОС (например, формальдегида ), связанных с клеями для древесины, используемыми в большинстве других видов инженерной древесины.
Подобно CLT , DLT использует схему перекрестного ламинирования с хвойными породами древесины , но вместо древесного клея для фиксации пиломатериалов на месте, отверстия сверлятся вертикально или под углом 45°, и между пиломатериалами устанавливаются штифты диаметром 15–20 мм, изготовленные из сухой твердой древесины или уплотненной древесины (например, термосжатой ). [24]
По мере того, как штифт из твердой древесины впитывает влагу из мягкой древесины, достигая равновесного содержания влаги, он расширяется в окружающую древесину, создавая соединение и «запирая» их вместе посредством трения. Штифты можно высушить (например, в печи ) перед установкой, чтобы максимизировать их расширение. [25]
Ламинированная древесина с гвоздями (NLT) — это массовый древесный продукт, состоящий из параллельных досок, скрепленных гвоздями. [26] Его можно использовать для создания полов, крыш, стен и шахт лифтов внутри здания. [23] Это один из старейших типов массовой древесины, использовавшийся при строительстве складов во время промышленной революции . Как и в DLT, химические клеи не используются, а древесные волокна ориентированы в одном направлении.
Инженерная древесина — это тип напольного покрытия, похожего на напольное покрытие из твердой древесины, изготовленное из слоев древесины или древесного композита, ламинированных вместе. Доски пола обычно фрезеруются с профилем «шип-паз» на краях для однородного соединения между досками.
Ламель — это лицевой слой древесины, который виден при установке. Обычно это распиленный кусок древесины. Древесину можно распилить тремя различными способами: плоская распиловка, радиальная распиловка и рифтовая распиловка.
В последние годы в области инженерной древесины появились новые технологии. [ когда? ] Натуральная древесина преобразуется в лабораториях с помощью различных химических и физических обработок для достижения заданных механических, оптических, термических и теплопроводных свойств путем воздействия на структуру древесины.
Уплотненную древесину можно изготовить, используя механический горячий пресс для сжатия древесных волокон, иногда в сочетании с химической модификацией древесины. Было показано, что эти процессы увеличивают плотность в три раза. [27] Ожидается, что это увеличение плотности увеличит прочность и жесткость древесины в пропорциональной степени. [28] Исследования, опубликованные в 2018 году [29], объединили химические процессы с традиционными методами механического горячего прессования. Эти химические процессы разрушают лигнин и гемицеллюлозу , которые естественным образом содержатся в древесине. После растворения оставшиеся целлюлозные нити механически прессуются в горячем состоянии. По сравнению с трехкратным увеличением прочности, наблюдаемым только при горячем прессовании, было показано, что химически обработанная древесина дает 11-кратное улучшение. Эта дополнительная прочность возникает из-за водородных связей, образованных между выровненными целлюлозными нановолокнами.
Уплотненная древесина обладала механическими прочностными свойствами наравне со сталью, используемой в строительстве, что открыло двери для применения уплотненной древесины в ситуациях, когда обычная прочная древесина не справится. С точки зрения экологии, древесина требует значительно меньше углекислого газа для производства, чем сталь. [30]
Уплотненная древесина синтетической смолой - это пропитанная смолой уплотненная древесина, также известная как compreg . Обычно фенольная смола используется в качестве пропиточной смолы для пропитки и ламинирования слоев фанеры . Иногда слои не пропитываются перед ламинированием. Также можно пропитывать древесную стружку для производства формованных прессованных деревянных компонентов.
Удаление лигнина из древесины имеет несколько других применений, помимо предоставления структурных преимуществ. Делигнификация изменяет механические, термические, оптические, жидкостные и ионные свойства и функции натуральной древесины и является эффективным подходом к регулированию ее термических свойств, поскольку она удаляет теплопроводящий лигниновый компонент, одновременно создавая большое количество нанопор в стенках клеток , которые помогают уменьшить изменение температуры. Делигнифицированная древесина отражает большую часть падающего света и выглядит белой по цвету. [31] [32] Белая древесина (также известная как нанодревесина ) имеет высокую отражательную дымку, а также высокую излучательную способность в инфракрасных длинах волн. Эти две характеристики создают пассивный эффект радиационного охлаждения со средней охлаждающей способностью53 Вт⋅м −2 в течение 24-часового периода, [32] что означает, что эта древесина не «поглощает» тепло и, следовательно, только излучает заключенное в ней тепло. [33] Более того, белая древесина не только обладает более низкой теплопроводностью , чем натуральная древесина, но и имеет лучшие тепловые характеристики, чем большинство имеющихся в продаже изоляционных материалов . [31] Изменение мезопористой структуры древесины отвечает за изменения в эксплуатационных характеристиках древесины. [31] [34]
Белая древесина также может быть подвергнута процессу сжатия, аналогичному процессу, упомянутому для уплотненной древесины, что повышает ее механические характеристики по сравнению с натуральной древесиной (в 8,7 раз выше прочность на разрыв и в 10 раз выше прочность). [32] Термические и структурные преимущества нанодревесины делают ее привлекательным материалом для энергоэффективного строительства зданий. [34] Однако изменения, внесенные в структурные свойства древесины, такие как увеличение структурной пористости и частично изолированные нанофибриллы целлюлозы , наносят ущерб механической прочности материала. Для решения этой проблемы было предложено несколько стратегий, одна из которых заключается в дальнейшем уплотнении структуры, а другая — в использовании сшивания . Другие предложения включают гибридизацию натуральной древесины с другими органическими частицами и полимерами для улучшения ее теплоизоляционных характеристик. [31]
Используя методы химической модификации, аналогичные химически уплотненной древесине, древесину можно сделать чрезвычайно формуемой, используя комбинацию делигнификации и обработки водным шоком. Это новая технология, которая пока не используется в промышленных процессах. Однако первоначальные испытания показывают многообещающие преимущества в улучшенных механических свойствах, при этом формованная древесина демонстрирует прочность, сопоставимую с прочностью некоторых металлических сплавов. [35]
Прозрачные древесные композиты — это новые материалы, в настоящее время [ когда? ] производимые только в лабораторных масштабах, которые сочетают в себе прозрачность и жесткость с помощью химического процесса, в котором поглощающие свет соединения, такие как лигнин , заменяются прозрачным полимером. [36]
Новое строительство пользуется большим спросом из-за растущего населения во всем мире. Однако основными материалами, используемыми в новом строительстве, в настоящее время являются сталь и бетон . Производство этих материалов создает сравнительно высокие выбросы углекислого газа (CO2 ) в атмосферу. Инженерная древесина имеет потенциал для сокращения выбросов углерода, если она заменит сталь и/или бетон при строительстве зданий. [37] [38]
В 2014 году производство стали и цемента составило около 1320 мегатонн (Мт) CO 2 и 1740 Мт CO 2 соответственно, что составило около 9% мировых выбросов CO 2 в том году. [39] В исследовании, в котором не учитывался потенциал связывания углерода инженерной древесиной, было обнаружено, что примерно 50 Мт CO 2 e (эквивалент диоксида углерода [a] ) можно было бы устранить к 2050 году при полном внедрении гибридной строительной системы с использованием инженерной древесины и стали. [41] Если учесть дополнительные эффекты, которые может иметь связывание углерода в течение срока службы материала, сокращение выбросов инженерной древесины становится еще более существенным, поскольку ламинированная древесина, которая не сжигается в конце своего жизненного цикла, поглощает около 582 кг CO 2 /м 3 , в то время как железобетон выделяет 458 кг CO 2 /м 3 , а сталь — 12,087 кг CO 2 /м 3 . [42]
Не существует прочного консенсуса относительно измерения потенциала секвестрации углерода древесиной. В оценке жизненного цикла секвестрированный углерод иногда называют биогенным углеродом. ISO 21930, стандарт, который регулирует оценку жизненного цикла, требует, чтобы биогенный углерод из древесного продукта мог быть включен в качестве отрицательного входа (т. е. секвестрации углерода) только в том случае, если древесный продукт происходит из устойчиво управляемого леса. Это обычно означает, что древесина должна быть сертифицирована FSC или SFI, чтобы считаться секвестрирующей углерод. [43]
Изделия из конструкционной древесины используются различными способами, часто в областях, аналогичных изделиям из цельной древесины :
Преимущества по типу продукта:
Изделия из конструкционной древесины могут быть предпочтительнее цельной древесины в некоторых случаях из-за определенных сравнительных преимуществ:
Недостатки по типу продукта:
По сравнению с цельной древесиной преобладают следующие недостатки:
Фанера и OSB обычно имеют плотность 560–640 кг/м 3 (35–40 фунтов/куб. фут). Например, обшивка из фанеры толщиной 9,5 мм ( 3 ⁄ 8 дюйма) или обшивка из OSB обычно имеет поверхностную плотность 4,9–5,9 кг/м 2 (1–1,2 фунта/кв. фут). [50] Многие другие виды инженерной древесины имеют плотность, намного превышающую плотность OSB.
Типы клеев, используемых в конструкционной древесине, включают: [51] [52]
Более емкий термин — структурные композиты . Например, фиброцементный сайдинг изготавливается из цемента и древесного волокна, а цементная плита — это цементная панель низкой плотности, часто с добавлением смолы, облицованная сеткой из стекловолокна .
Хотя формальдегид является важным компонентом клеточного метаболизма у млекопитающих , исследования связывают длительное вдыхание газообразного формальдегида с раком. Было обнаружено, что композиты из древесных материалов выделяют потенциально опасные количества газообразного формальдегида двумя способами: непрореагировавший свободный формальдегид и химическое разложение смоляных клеев. Когда в процесс добавляется избыточное количество формальдегида, излишки не будут иметь никаких добавок для связывания и могут со временем просочиться из древесного продукта. Дешевые карбамидоформальдегидные (UF) клеи в значительной степени ответственны за деградированные выбросы смолы. Влага разрушает слабые молекулы UF, что приводит к потенциально опасным выбросам формальдегида. McLube предлагает разделительные составы и герметики для плит, разработанные для тех производителей, которые используют UF с пониженным содержанием формальдегида и меламиноформальдегидные клеи. Многие производители OSB и фанеры используют фенолформальдегид (PF), поскольку фенол является гораздо более эффективной добавкой. Фенол образует водостойкую связь с формальдегидом, которая не будет деградировать во влажной среде. Смолы PF не представляют существенной опасности для здоровья из-за выделения формальдегида. Хотя PF является отличным клеем, индустрия инженерной древесины начала переходить на полиуретановые связующие, такие как pMDI, чтобы достичь еще большей водостойкости, прочности и эффективности процесса. pMDI также широко используются в производстве жестких полиуретановых пен и изоляторов для холодильного оборудования. pMDI превосходят другие смоляные клеи, но они, как известно, трудно поддаются высвобождению и вызывают накопление на поверхностях инструментов. [53]
Некоторые изделия из конструкционной древесины, такие как DLT, NLT и некоторые марки CLT, могут быть собраны без использования клея с использованием механических креплений или столярных изделий. Они могут варьироваться от профилированных замковых соединенных досок, [54] [55] фирменных металлических креплений, гвоздей или деревянных шкантов. [56]
На протяжении многих лет массивная древесина использовалась в зданиях, кодексы были добавлены и приняты Международным строительным кодексом (IBC) для создания стандартов для их надлежащего использования и обращения. Например, в 2015 году CLT был включен в IBC. [37] IBC 2021 года является последним выпуском строительных кодексов и добавил три новых кодекса, касающихся строительства с использованием древесных материалов. Новые три типа конструкций следующие: IV-A, IV-B и IV-C, и они позволяют использовать массивную древесину в зданиях высотой до 18, 12 и 9 этажей соответственно. [57]
К изделиям из конструкционной древесины применяются следующие стандарты технических характеристик:
Для создания экологических деклараций продукции для конструкционных изделий из древесины можно использовать следующие правила категорий продукции :
Plyscrapers — это небоскребы, которые частично или полностью сделаны из дерева. По всему миру было построено много разных plyscrapers, включая здание Ascent MKE и здание Stadthaus . [58]
Здание Ascent MKE было построено в 2022 году в Милуоки , штат Висконсин, и является самым высоким высотным зданием, использующим различные компоненты из массива древесины в сочетании с некоторым количеством стали и бетона. Этот plyscraper имеет высоту 87 метров и 25 этажей. [59]
Здание Stadthaus — жилое здание, построенное в 2009 году в Хакни , Лондон . Оно имеет 9 этажей, достигающих 30 метров в высоту. В качестве несущих стен и «плит» пола используются CLT-панели. [60]
Black & White Building — это офисное здание, завершенное в 2023 году в Шордиче , Лондон. Оно имеет 6 этажей, достигающих 17,8 метров в высоту. Оно использует панели CLT, клееные навесные стены и колонны и балки LVL. [61]
По состоянию на 2022 год более 84 зданий из массива древесины высотой не менее восьми этажей строились или были завершены по всему миру, а многочисленные другие проекты находились на стадии планирования. Экологические преимущества и отличительный внешний вид стимулируют растущий интерес к массовому деревянному строительству. [62]
Мост Мистиссини, построенный в Квебеке , Канада, в 2014 году, представляет собой 160-метровый мост, в котором использованы как клееные балки, так и панели CLT. Мост был спроектирован для пересечения перевала Уупаачикус. [63]
Пешеходный мост через реку Плейсер, построенный на Аляске , США, в 2013 году. Его длина составляет 85 метров (280 футов), и он расположен в Национальном лесу Чугач . Этот мост имеет клееный брус, поскольку он использовался для создания ферм. [63]
Glenwood CLT Parking Garage в Спрингфилде, штат Орегон , будет представлять собой гараж площадью 19 100 квадратных метров (206 000 квадратных футов), в котором будет использован CLT. Он будет иметь 4 этажа и вмещать 360 парковочных мест. Однако по состоянию на декабрь 2022 года строительство гаража уже началось [обновлять], а год завершения пока неизвестен. [64]
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка ) CS1 maint: другие ( ссылка ){{cite journal}}: Проверить |url=значение ( помощь )