Стойкость древесины перекрестноклееной к атмосферным воздействиям

Введение

Древесина перекрестноклееная (ДПК/CLT) – новый материал, который в настоящее время широко применяется для деревянного домостроения в Европе и Северной Америке. ДПК/CLT позволяет строить многоэтажные здания из несущих деревянных панелей и дополняет существующие технологии каркасных и брусчатых деревянных домов. Областью применения конструкций из ДПК/CLT являются здания и сооружения, для которых традиционно используются бетонные, каменные и стальные конструкции.

ДПК/CLT – материал из цельной древесины, который был впервые применен в середине 1990-х годов в Австрии и Германии. Конструкции из ДПК/CLT стали завоевывать популярность и применяться в жилых и нежилых зданиях в других странах Европы, Канаде и Соединенных Штатах Америки.

Обзор опыта применения ДПК/CLT во многих странах показал эффективность применения и большой потенциал использования данного вида строительных конструкций при возведении зданий и сооружений различного назначения.

В России действует несколько предприятий по производству ДПК/CLT, крупнейшими из которых являются запущенные в 2021 году заводы Ладожский ДСК производственной мощностью до 120 000 м³ в год и «Сокол CLT» мощностью 50 000 м³ в год. До этого момента из-за отсутствия производственной базы исследования в области ДПК/CLT в России практически не проводились. В 2020 году в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко при поддержке Segezha Group начали проводить комплексные исследования ДПК/CLT, одной из задач которых являлось определение стойкости данного материала к температурно-влажностным воздействиям.

Важную роль в обеспечении эксплуатационной надежности деревянных конструкций зданий играет влажность. Это связано с тем, что долговечность древесины может быть снижена из-за постоянного присутствия влаги, в то время как большие колебания относительной влажности воздуха также могут влиять на стабильность размеров и механические характеристики данного материала. Несмотря на то что влияние влажности для деревянных конструкций является установленным фактом, остается вопрос влагостойкости плит ДПК/CLT, включая то, как быстро они намокают и сохнут, и как воздействие влаги влияет на их долговечность.

На заводе-изготовителе конструкции из ДПК/CLT, как правило, не подвергаются влагозащитной обработке из-за особенностей технологии производства. Увлажнение конструкций на этапе монтажа неизбежно. Отсутствие комплексных исследований влияния переменных температурно-влажностных воздействий, в том числе атмосферных, сделало актуальной данную задачу для необходимости установления минимальных требований к защите конструкции из ДПК/CLT.

Конструктивные особенности ДПК/CLT

ДПК/CLT состоит из продольных и поперечных слоев. Ламели прилегающих слоев склеиваются ортогонально. Древесина имеет разную степень набухания и усадки в тангенциальном и радиальном направлениях. Общеизвестно, что отношение набухания и усадки в тангенциальном направлении примерно в два раза больше, чем в радиальном направлении. И поскольку ламели смежных слоев в ДПК/CLT склеены ортогонально, разрушения ламелей, такие как продольные трещины и расслоения, могут проявляться, когда ДПК/CLT подвергается переменным температурно-влажностным воздействиям.

Расположение слоев ДПК/CLT вызывает неравномерное набухание и усадку между соседними слоями по толщине плиты, что впоследствии вызывает деформацию панели, ее коробление, расслоение и растрескивание.

Обзор зарубежных исследований стойкости CLT к температурно-влажностным воздействиям

В Японии проводилось обследование построенных зданий через 2–3 года после завершения строительства [1]. Результаты показали, что деформация ДПК/CLT при намокании примерно в два раза больше, чем у клееного бруса. ДПК/CLT имеет большую усадку и набухание, чем клееный брус. Кроме того, было установлено, что при температурно-влажностном воздействии у панелей ДПК/CLT было обнаружено множество трещин, в том числе по пласти и по кромке в клеевых швах. В результате исследований влияния лакокрасочного покрытия на атмосферостойкость ДПК/CLT установлено, что деформации и насыщение влагой для образцов, защищенных лессирующими составами и незащищенных, практически одинаковы, в то время как для образца с нанесенным пленкообразующим составом деформации и водонасыщение в разы меньше.

В лаборатории экологичных строительных материалов Университета штата Орегон под руководством Эвана Шмидта была проведена работа по определению гигротермических характеристик панелей ДПК/CLT [2]. В климатической камере имитировались различные температурно-влажностные воздействия. Испытаниям подвергались образцы двух типов пятислойной ДПК/CLT, изготовленные из древесины смешанных пород. В этих образцах использовался клей на основе меламиновой смолы, устойчивый к воде и атмосферным воздействиям. Результаты показали, что в образце в условиях воздействия, имитирующих смачивание кровли или панели перекрытия, внутренние слои имеют очень низкий коэффициент увлажнения. И наоборот, в вертикальном образце без обработки торцевой поверхности коэффициент увлажнения внутренних слоев панели выше. Внутреннее напряжение привело к явной трещине в одном образце и сдвигу клеевого шва в другом образце. Таким образом установлено, что перекрестное расположение слоев, стабилизирующее размеры ДПК/CLT, приводит к большим граничным напряжениям по поверхности. Со временем эти усушечные трещины могут распространяться дальше внутрь: по мере того как напряжения развиваются, ослабляются и циклически повторяются, возникает так называемый эффект «застежки-молнии», в результате чего трещины распространяются, чтобы уравновесить напряжения.

Арме Гурзов из Швейцарии [3] определял модуль упругости и модуль сдвига в образцах панелей европейской ели после года выдержки в переменных температурно-влажностных условиях. В ходе испытания установлено, что из-за образования трещин во всех слоях после возвращения к первоначальной влажности древесины исходные значения модуля упругости и модуля сдвига уже не восстанавливаются.

Исследования по данной тематике проводили Линг Ванг в Канаде [4], Стивен Кордзил в США [5][6], Йохан Оберг и Эрик Вейг [7], Ларс Олссон в Швеции [8]. Это указывает на актуальность проблем влияния атмосферных воздействий на ДПК/CLT.

Проведение экспериментальных исследований

В ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко в 2021 году проведены работы по определению влияния переменных температурно-влажностных и эксплуатационных воздействий на прочностные и упругие характеристики стеновых панелей и плит перекрытия из ДПК/CLT.

Для возможности проведения исследования разработаны методы испытаний по определению влияния атмосферных воздействий на прочностные и упругие характеристики плит ДПК/CLT, определено влияние защитных лакокрасочных покрытий (ЛКП) на прочностные и упругие характеристики плит ДПК/CLT в атмосферных условиях.

Оценка влияния эксплуатационных воздействий на прочностные и упругие характеристики производилась с помощью сравнения величин прочностных и упругих характеристик стеновых панелей и плит перекрытия из ДПК/CLT до и после увлажнения.

Образцы стеновых панелей и плит перекрытия были изготовлены из ДПК/CLT панелей производства ООО «Сокол СиЭлТи» в соответствии с требованиями ГОСТ Р 56706–2015 «Плиты клееные из пиломатериалов с перекрестным расположением слоев. Технические условия». Для изготовления образцов использовали древесину сосны плотностью (450 ± 10) кг/м³ и влажностью 10,0–12,0 %. Размеры образцов принимали исходя из требований ГОСТ Р 59784–2022 «Плиты из перекрестноклееной древесины. Методы определения прочностных и упругих характеристик».

Для определения влияния атмосферных воздействий на физико-механические характеристики ДПК/CLT использовались две группы образцов: первая – для определения изменения условного модуля упругости и предела прочности на скалывание, вторая – дляопределения изменения модуля сдвига в плоскости плиты и предела прочности на скалывание.

Образцы в количестве 35 штук были разделены на 7 серий, 3 из которых контрольные и 4 подвергались атмосферным воздействиям (табл. 1).

Одна из серий образцов обработана защитным ЛКП. Для этого использовалась бесцветная грунтовка-антисептик на водной основе BELINKA IMPREGNANT с дальнейшим нанесением атмосферостойкого лака BELINKA EXTERIER.

Методика испытаний основана на требованиях ГОСТ 6992–68 «Единая система защиты от коррозии и старения (ЕСЗКС). Покрытия лакокрасочные. Метод испытаний на стойкость в атмосферных условиях». Испытания проходили на атмосферной площадке лаборатории несущих деревянных конструкций ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко АО «НИЦ «Строительство» по адресу: г. Москва, 2-я Институтская ул., дом 6, территория АО «НИЦ «Строительство» (рис. 1). Атмосферная площадка располагается на открытом воздухе на земле и оборудована испытательными стендами, изготовленными из материала, не оказывающего воздействия на испытуемые образцы, и установлены так, чтобы тень от одного стенда не падала на другой.

При проведении испытаний использовались данные метеорологических наблюдений близлежащей гидрометеорологической станции (метеостанция ВДНХ) и данные логгера температуры и влажности воздуха Testo 175H1 (табл. 2), установленного непосредственно на атмосферной площадке.

Образцы устанавливали на стендах горизонтально (аналогично способу хранения материала на строительных площадках) на высоте не менее 1 м над землей.

Осмотр образцов проводился два раза в месяц. При осмотре состояние покрытия определяли на обеих сторонах образца.

Образцы экспонировались на полигоне 56 дней с августа по октябрь 2021 года. Количество выпавших осадков за этот период составило 145,4 мм, что соответствует 68 % от нормы осадков за три месяца для Москвы за данный период (рис. 2).

Испытания по определению физико-механических характеристик панелей ДПК/CLT проводились в стенде, нагрузка прикладывалась с помощью гидравлического домкрата мощностью 50 т (рис. 3).

Условный модуль упругости плиты определялся по результатам испытаний образцов по балочной схеме на трехточечный изгиб. Измерение деформаций выполнялось между опорами. Максимальная прикладываемая нагрузка на образец составляла 40 % от разрушающей нагрузки F_max, которая была определена путем предварительных испытаний. В процессе испытаний образца с помощью датчиков деформаций с ценой деления 0,01 мм, установленных на боковых поверхностях, фиксировались вертикальные перемещения при нагрузке F₁ = 0,15F_max и F₂ = 0,4F_max.

Предел прочности на сдвиг по поперечному сечению плиты определялся по результатам испытаний образцов по балочной схеме на четырехточечный изгиб. Нагрузка к образцу прикладывалась ступенями равными 0,05F_max или 0,1F_max при постоянной скорости нагружения, при этом максимальная нагрузка F_max достигалась в интервале 140–380 с. Испытание образца выполнялось до его разрушения, в протоколе фиксировался характер разрушения и значение разрушающей нагрузки F_max. Для измерения деформаций прогиба по середине пролета устанавливались прогибомеры с точностью 0,01 мм.

Разрушение образцов ДПК/CLT с продольным расположением досок в наружных слоях при изгибе происходило от скалывания на опоре между ортогонально расположенными 2-м и 3-м слоями по направлению действия силы, при этом разрушение образцов, подвергшихся атмосферным воздействиям, происходило по краю, который был обращен к южной стороне при экспонировании.

При определении модуля сдвига в плоскости плиты G_xy использовались образцы в виде прямоугольных призм из трехслойных и пятислойных плит ДПК/CLT, выпиленных под углом α = 45° к направлению волокон наружных слоев.

Испытания производились путем приложения сжимающей нагрузки по всей поверхности торца образца в направлении вдоль его длинной кромки, вызывающей деформации в материале, уровень которых соответствует линейно-упругой работе. Нагрузка, прикладываемая к образцу, составляла 0,4F_max, где F_max – среднее значение разрушающей нагрузки образца, которое определялось путем предварительных испытаний.

В процессе испытаний образцов с помощью четырех датчиков деформаций (перемещений), установленных на двух боковых поверхностях образца на базе l₁ =  300 мм, фиксировались вертикальные u_в и горизонтальные u_г перемещения при нагрузке F₁ = 0,1F_max и F₂ = 0,4F_max. Для измерения деформаций u использовались индикаторы часового типа (рис. 4).

При определении несущей способности плиты при сдвиге f_ск,90 (скалывание по пласти) использовались образцы в виде прямоугольных призм из трехслойных и пятислойных плит ДПК/CLT, выпиленных под углом 45° к направлению волокон наружных слоев. Нагрузка к образцу прикладывалась с постоянной скоростью, при этом максимальная F_max нагрузка достигалась через (300 ± 120) с.

Разрушение образцов плит ДПК/CLT происходило от сдвига в плоскости плиты и сопровождалось скалыванием по пласти древесины в среднем слое для трехслойных плит (рис. 5) и скалыванием древесины в направлении волокон в крайних слоях.

Разрушение пятислойных образцов плит ДПК/CLT происходило от сдвига в плоскости плиты и сопровождалось скалыванием по пласти древесины во 2-м и 4-м слоях (рис. 5) и скалыванием древесины в направлении волокон во 2-м и 4-м слоях.

Анализ результатов экспериментальных исследований стойкости ДПК/CLT к атмосферным воздействиям

После проведения механических испытаний определяли процент снижения условного модуля упругости и предела прочности на сдвиг по поперечному сечению по формулам:

(1)

(2)

где ∆_E и ∆_R – снижение величины условного модуля упругости и предела прочности на сдвиг по поперечному сечению соответственно, %;

и  – условный модуль упругости и предел прочности на сдвиг по поперечному сечению соответственно, определенные для образцов после экспонирования на атмосферной площадке;

и  – условный модуль упругости и предел прочности на сдвиг по поперечному сечению соответственно, определенные для контрольных образцов.

Для второй группы образцов после экспонирования на атмосферной площадке определяют процент снижения модуля сдвига в плоскости плиты и несущей способности плиты по формулам:

(3)

(4)

где ∆_G и ∆_F – снижение величины модуля сдвига в плоскости плиты и несущей способности плиты соответственно, %;

и  – модуль сдвига в плоскости плиты и несущая способность соответственно, определенные для образцов после экспонирования на атмосферной площадке;

и  – модуль сдвига в плоскости плиты и несущая способность соответственно, определенные для контрольных образцов.

Результаты испытаний приведены в табл. 3 и 4 для образцов первой и второй групп соответственно.

Из табл. 4 видно, что наиболее подвержены атмосферному воздействию трехслойные стеновые панели (серия 5). Имея начальный модуль сдвига в плоскости плиты на 7 % больше по сравнению с пятислойной панелью (15-я серия), после атмосферного воздействия модуль сдвига снизился на 35 % и стал на 22 % меньше, чем у пятислойной панели, подвергшейся аналогичным воздействиям. Снижение несущей способности на сдвиг в плоскости плиты для трехслойных панелей в 2 раза больше, чем для пятислойных – 18,7 % против 9 %.

По результатам проведенного анализа систематизированных экспериментальных данных по определению прочностных и упругих характеристик плит ДПК/CLT до и после атмосферных воздействий можно сделать вывод, что данные воздействия негативно влияют на прочностные и упругие характеристики плит ДПК/CLT. Снижение прочностных характеристик составляет 5–15 % для образцов плит перекрытия и 9–19 % для различных типов образцов стеновых панелей. Снижение упругих характеристик наблюдается у различных типов образцов стеновых панелей и составляет 10–35 %.

Установлено, что трехслойные панели наиболее подвержены данным воздействиям по сравнению с пятислойными.

Анализ результатов экспериментальных данных показывает, что ЛКП предотвращают влияние атмосферных воздействий на ДПК/CLT.

Выводы по результатам исследования

На основании анализа результатов экспериментальных исследований стойкости ДПК/CLT к атмосферным воздействиям, а также на основании анализа результатов экспериментальных исследований стойкости CLT к переменным температурно-влажностных воздействиям предлагается внести дополнения в СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции». Для конструкций из ДПК/CLT, не обработанных защитными ЛКП, при определении расчетного сопротивления предлагается применять понижающий коэффициент условий работы m_k = 0,9.

При проектировании зданий из ДПК/CLT рекомендуется использовать панели с количеством слоев 5 и более, а при изготовлении использовать ламели с соотношением сторон b/h ≤ 3 или применять компенсационные прорези.

Также для защиты панелей ДПК/CLT от чрезмерного увлажнения во время строительства зданий рекомендуется применять следующие защитные мероприятия.

1. Производить защиту кромок ДПК/CLT панелей с помощью лакокрасочных покрытий или герметизирующих материалов (самоклеящихся лент, герметиков) на заводе-изготовителе.
2. Защищать поверхность плит перекрытия из ДПК/CLT лакокрасочными покрытиями на заводе-изготовителе.
3. Выполнять максимальную заводскую готовность конструкций для сведения к минимуму воздействие погодных факторов на время монтажа.
4. Доставку панелей из ДПК/CLT на объект осуществлять с учетом графика строительства.
5. Использовать навесы на время строительства.

Как и в случае с другими конструкциями из древесины, панели из ДПК/CLT должны защищаться от воздействия атмосферных осадков и других факторов увлажнения в процессе строительства и эксплуатации. Искусственная сушка конструкций из ДПК/CLT в здании возможна с использованием естественных и механических средств, но это требует привлечения квалифицированных специалистов и приведет к увеличению срока строительства.