19. Производство клееных деревянных конструкций

Согласно СНиП II-25-80* для несущих клееных конструкций древесина должна быть высушена до 9–12%. Чтобы уменьшить внутренние напряжения, сушке проводят в три этапа – атмосферную, камерную и кондиционирование пиломатериалов в условиях цеха. Начальная атмосферная сушка позволяет получать древесину с влажностью 25–30%. Обычно начальную сушку совмещают со складированием, так как для бесперебойной работы предприятий по выпуску клееных деревянных конструкций необходимо создать запас в объеме не менее шестимесячной потребности. За счет атмосферной сушки сокращаются сроки камерной сушки с использованием высокопроизводительных сушильных камер, работающих в авто-матическом режиме.

Производительность цеха определяет объем сушильного отделения. Вместимость одной камеры составляет 30 м³. При годовой производительности предприятия 1500–2500 м³ клееных деревянных конструкций сушильное отделение состоит из нескольких камер.

Сушильные штабели формируют из досок одинаковой толщины на прокладках, количество и размеры которых выбирают по нормам в зависимости от толщины и длины досок. Перегрузка штабеля по высоте не допускается, так как нарушается циркуляция сушильного агента, что влечет к увеличению сроков сушки и неравномерному просыханию материала. Выполнение всех необходимых требований уменьшает поперечное коробление пиломатериалов при их сушке.

Кондиционирование пиломатериалов происходит после их выгрузки из камеры в цех при температуре 18 – 20⁰, влажности воздуха 50 – 70% в течение трех суток. В цехе для этого предусматривается специальная площадка. Кондиционирование создает в пиломатериалах равновесную влажность как по объему штабеля, так и по его сечению. После кондиционирования пиломатериалы автоматически сортируют по влажности.

После сушки все пиломатериалы проходят обязательное фрезерование по пласти на рейсмусовых или четырехсторонних строгальных станках. Фрезерование позволяет получать базовые поверхности с допустимой толщиной склеиваемых слоев до 33 мм, а также лучше выявлять недопустимые природные пороки и дефекты обработки (поперечное коробление, трещины и др.). К недопустимым природным порокам относятся сучки, косослой, гниль (рис. 19.1).

На предприятиях клееных деревянных конструкций применятся машинная, так называемая силовая сортировка пиломатериалов, основанная на прямолинейной зависимости прогибов и напряжений изгиба. Доски проходят через машину, где на пролете 95 см. задается определенный прогиб. Через компьютер установлено три вида напряжений, соответствующих 1, 2 и 3-му сортам древесины. Все слабые места окрашивают краской. Машинная сортировка пиломатериалов позволяет полностью механизировать изготовление клееных деревянных конструкций, получать качественную и количественную оценку прочности пиломатериалов.

Отсортированные по влажности и качеству материалы укладывают на подстойные места в соответствии с их влажностью и качеством, откуда они поступают на торцовку. На торцовочных станках вырезают недопустимые пороки и дефекты. После торцовки пиломатериалы поступают на линии склеивания досок по длине в плети (рис. 19.1, д).

Рис. 19.1. Схема производства заготовок:

а) – калибровка; б) – вырезка пороков; в) – зарезка зубчатых шипов; г ) – нанесение клея; д) – запрессовка и прогрев; е) – четырехстороннее

фрезерование; ж) – раскрой на заготовки

Высокую прочность и технологичность обеспечивает зубчатое соединение (вертикальное и горизонтальное, диагональное и угловое). Кроме шипорезных станков нарезку зубчатых шипов производят на фрезерных станках или специальными фрезами. Типы зубчатых соединений принимают согласно ГОСТ 198414 – 79^* «Древесина клееная массивная. Общие требования к зубчатым соединениям». Торцовое давление при склеивании зубчатых соединений принимается в зависимости от их типов – от 1,5 до 10 МПа.

После впрессовки шипов одного торца в проушины другого торцовое давление снимают, так как прочность соединения обеспечивают силы трения в поверхностях склеиваемых шипов. После соединения по длине плети проходят счетчик длины, на торцовочных станках обрезаются до размеров в соответствии с пролетом конструкции и укладываются в пакет. После каждой уложенной плети стол пакетоукладчика опускают на толщину одной доски. Обычно пакеты формируют высотой до 1 м, после чего их на специальных тележках перемещают на выдержку в условиях цеха в течение 10–12 ч для окончательного отверждения клея. Максимальная длина плетей достигает 30 – 40 м.

Наиболее технологичным сечением конструкции является такое, когда его ширина равна ширине одной доски, т.е. состоящее из досок, склеенных только по пласти. В настоящее время предприятия КДК оснащены оборудованием и для получения составного сечения. Линия соединения досок по ширине состоит из термокамеры, клеенаносящего устройства и гидравлического пресса.

Одним из основных требований к склеиваемым поверхностям является их чистота. Для несущих конструкций поверхности по шероховатости должны отвечать 7-му классу. Это достигается фрезерованием со снятием провесов, образовавшихся в соединениях на зубчатый шип. Время с момента фрезерования до нанесения клея не должно превышать 8 ч. Поверхности очищают от пыли и плотно пригоняют одна к другой. Для этого плеть после фрезерования пластей проходит под клеенаносящим устройством и укладывается в приемник-накопитель, работающий в автоматическом режиме.

Клеенаносящие устройства могут быть двух видов:

- двухсторонние, состоящие из обрезиненных клеенаносящих и стальных дозирующих вальцов, расположенных над и под плетью;

- односторонние струйные или наливные струйные.

Струйные устройства являются более перспективными, так как в этом случае смолы и отвердитель под определенным давлением подаются отдельно и смешиваются только в трубе, расположенной над движущейся плетью. Это предотвращает перекрытие труб загустевшим клеем, увеличивает жизнеспособность клея. Труба имеет овальные отверстия, расположенные на расстоянии 5 – 10 мм друг от друга.

Минимальная толщина клеевого шва обеспечивает наиболее высокую прочность соединения. Клей наносят слоем толщиной 0,1– 0,3 мм, расход клея – 350 –500 г/м². Вид клея выбирают в соответствии со СНиП II-25-80* в зависимости от условий эксплуатации. Клеи должны быть прочными, водостойкими, долговечными, технологичными.

Прочность клеевого соединения должна быть выше прочности цельных образцов на скалывание вдоль волокон. Для определения прочности и водостойкости клеевых соединений изготовляют образцы (рис. 19.2,б). Водостойкость клеев определяют по остаточной прочности образцов на скалывание вдоль волокон после серии испытаний. Часть образцов вымачивают в воде при 20ºС в течение 48 ч, другую часть кипятят в воде 3 ч. После выдержки образцы извлекают из сосуда, вытирают фильтровальной бумагой, одну половину испытывают в мокром виде, другую высушивают до начальной влажности и испытывают. По остаточной прочности образцов различают малую, среднюю и повышенную водостойкость образцов (табл. 19.1).

Таблица 19.1. Относительная прочность клеевых соединений

Водостойкость	Прочность образцов, %
	после выдержки в воде при t=20ºС; τ=48 ч.		после выдержки в воде при t=100ºС; τ=3 ч.
	мокрых	Wнач.	мокрых	Wнач
Малая Средняя Повышенная	До 60 Более 60 Более 60	До 70 Более 70 Более 90	- До 60 Более 60	- До 90 Более 90

К основным технологическим показателям клеев относятся вязкость и жизнеспособность. Вязкость клеев устанавливают на вискозиметре В3-У по времени истечения 150 г клеевого состава из стакана с калиброванным отверстием диаметром 5 мм и измеряют в секундах, условная вязкость клеев должна находиться в пределах 60 – 400ºС.

Жизнеспособность клея – это время, в течение которого сохраняется его рабочая вязкость. Вязкость зависит от количества клея, вытекаемого из отверстия, и температуры. Для большинства клеев, применяемых в производстве КДК, жизнеспособность равна 2 ч при t=20ºС.

Для склеивания древесины холодным способом используют резорциновый клей ФР-12, но из-за дефицита кристаллического резорцина этот клей дорогой и применяется только для ответственных конструкций. Шире применяют модификации таких клеев,как алкилрезорциновых марок ФР-100, ДФК-1АМ. Основой клеев ДФК являются дифенолы, получаемые термической переработкой горючих сланцев. Стоимость этих клеев в 1,5 раза ниже стоимости клея ФР-12. Они могут применяться для конструкций, эксплуатируемых при повышенной влажности — более 70%.

Широко применяют фенолформальдегидный клей ФРФ-50, так как его жизнеспособность до 5 ч. Но этот клей содержит до 2% токсичного свободного фенола.

Карбамидные клеи обладают высокой адгезионной способностью, большой скоростью отверждения, но менее устойчивы к переменным температурно-влажностным воздействиям. Поэтому их применяют для конструкций, эксплуатируемых при влажности менее 70%. Свойства карбамидных клеев улучшают их модификацией меламином или резорцином.

Рис. 19.2. Запрессовка при склеивании клеедеревянного элемента:

а) – схема ваймового пресса; б) – образец для испытания прочности клея;

1 – опора; 2 – стальные тяжи; 3 – прижимные винты

Технологический процесс изготовления КДК включает сборку пакета конструкций из подлежащих склеиванию заготовок, транспортирование их к запрессовочным устройствам, запрессовку и выдержку под давлением для создания прочных монолитных соединений.

Время полной сборки для всех указанных клеев ограничивается 30 – 40 мин. Оно начинается с момента нанесения клея на первую пласть заготовки и оканчивается полным обжатием всего пакета. Время открытой выдержки покрытой клеем пласти не должно превышать 5 – 10 мин, а закрытой – от соединения двух обмазанных клеем досок до их полной запрессовки – не более 30 мин, так как тонкий слой клея быстро теряет свои адгезионные свойства.

На запрессовку сформированный пакет подают мостовым краном и специальными траверсами. Для плотного соединения склеиваемых поверхностей, создания тонкого клеевого слоя и получения прочного монолитного сечения конструкций создают равномерное давление по всей склеиваемой поверхности. Вязкие клеи требуют большего удельного давления запрессовки. Оптимальным давлением для склеивания несущих конструкций является 0,5–1 МПа. Применяют механические, пневматические и гидравлические прессы .

Прямолинейные конструкции обычно запрессовывают при горизонтальном положении клеевых швов пневматическими и гидравлическими прессами. Давление на склеиваемые элементы равномерно передается от многоцилиндровых прессов через прижимные башмаки или траверсы. Расстояние между башмаками не должно превышать 40–50 см. Прессы запрессовывают одну или две прямолинейные конструкции длиной 30 – 45 м.

Гнутоклееные конструкции запрессовывают при вертикальном положении клеевых швов, используют силовой пол, в который закреплены кронштейны с винтовыми обжимающими устройствами по криволинейному очертанию конструкции. Равномерное обжатие конструкции обеспечивает расстановка кронштейнов на расстоянии 25–30 см. Запрессовку начинают с середины к краям конструкции, используют электрогайковерты, отрегулированные на одинаковое давление.

Время выдержки в прессе зависит от марки клея и конфигурации конструкции. Повышенная температура (до 60º) сокращает время запрессовки и повышает прочность шва в 5– 6 раз (табл. 19.2).

Перемещение склеенных элементов после распрессовки требует осо-бой осторожности, так как еще не завершена полная полимеризация клея. Окончательное отверждение клея заканчивается в цехе в течение 3 сут.

Таблица 19.2. Режимы склеивания конструкций

Вид конструкций	Выдержка, ч ,запрессовки при температуре, ºС
	18– 20	21– 25	50 – 60
Прямоугольные Криволинейные	12 – 14 20 – 24	8 – 10 16 – 20	3– 4 6– 8

Клееные элементы конструкций подвергают окончательной механической обработке – фрезерованию боковых поверхностей, торцовке конструкций и сверлению отверстий под болты и соединительные детали. Конструкции фрезеруют на поворотном двухстороннем строгальном столе, который позволяет обрабатывать пакет толщиной 12–300 мм. Припуски на фрезерование боковых поверхностей конструкций должны составлять 12 м при длине 15 мм, свыше 12 м –20 мм. Чистота поверхности под прозрачные покрытия должна быть не ниже 5-го класса шероховатости.

Для КДК, эксплуатируемых при влажности ниже 75%, применяют только защитные влагостойкие покрытия. Для общественных зданий желательно применять прозрачные лаки, сохраняющие текстуру древесины. Торцы конструкций и элементов, соприкасающихся с грунтом, каменной кладкой, металлическими деталями, обязательно обрабатывают влагозащитными составами – мастиками, шпатлевками на основе синтетических смол. Защитные покрытия на клееные конструкции наносят кистью или краскораспылителями.

При изготовлении КДК на всех стадиях технологического процесса производят пооперационный контроль прочностных характеристик древесины и фанеры, влажности и внутренних напряжений при сушке пиломатериалов, прочности зубчатых соединений на растяжение и изгиб, качества подготовки поверхности под склеивание, технологических свойств клеев и качества поверхностной защиты древесины. Контроль осуществляют согласно ГОСТ 20850–75 «Конструкции деревянные клееные несущие. Общие требования».

Окончательную проверку качества КДК проводят испытанием до разрушения одной конструкции от каждой партии. Конструкцию отбирают с наихудшим внешним видом до нанесения защитных покрытий. Испытание проводят на специальных стендах. В качестве нагрузочных устройств используют систему рычагов или гидравлические домкраты. Нагрузку прикладывают ступенями, с выдержкой на каждой ступени загружения в течение 5 мин для визуального осмотра, выявления трещин, смятия древесины, нарушения клеевого шва или других признаков разрушения. При испытаниях замеряют деформации и доводят конструкцию до разрушения. Результаты испытаний заносят в журнал, на эскизах указывают разрушительные признаки (смятие, трещины и др.). Отношение разрушающей нагрузки Р_раз к расчетной Р_констр должно быть больше 1 ( ). Принятую ОТК партию конструкций маркируют.

Требуемый срок службы деревянных конструкций определяет способы защиты древесины химическими средствами. Их выбирают в зависимости от условий эксплуатации конструкций, вида защиты и требуемой глубины пропитки.

Влажность древесины оказывает влияние на выбор способа защиты. Более влажную древесину лучше пропитывать легкорастворимыми и легкодиффузирующими составами.

Порода и строение древесины обладают различной способностью впитывать защитные средства. Так, например, заболонь сосны и березы относится к легкопропитываемым материалам, а ель, лиственница, ядро березы – к труднопропитываемым материалам. Для улучшения пропитки поверхность древесины накалывают на требуемую глубину пропитки от 6 до 20 мм. Накалывание производят по всей поверхности изделий, кроме торцов, с шагом вдоль волокон 10 – 20 мм, поперек – 2 –3 мм.

Самый простой способ защиты древесины – это поверхностная обработка химическими составами с помощью краскораспылителя или кистью в один или три слоя, толщиной 0,3 – 1 мм.

Для защиты деревянных памятников архитектуры разработана поверхностная обработка панельным способом (автор—Сенежская лаборатория консервирования древесины). Пропиточная панель состоит из двух слоев: наружного из полиэтиленовой пленки или целлофана и внутреннего из фильтрованной бумаги, целлюлозы или хлопчатобумажной ткани. Панелью плотно прикрывают поверхность объекта защиты и по ней непрерывно пропускают пропиточный раствор до тех пор, пока глубина защитного слоя не достигнет 3 –5 мм.

К механизированной защите с применением конвейеров относится вымачивание материала в ваннах с противовсплывным устройством. Уровень раствора должен превышать уровень материала на 100 мм, пиломатериалы и заготовки укладывают на прокладки. Предварительный прогрев материала увеличивает глубину пропитки, так как в нагретой древесине возникает избыточное давление, которое вытесняет с поверхностных слоев материала паровоздушную смесь. При охлаждении в древесине (из-за конденсации пара) возникает разрежение, и раствор в результате разности давлений всасывается в материал. Сначала материал прогревают в ваннах водорастворимыми антисептиками при температуре 90—95 ⁰С от 30 мин до 10 ч, затем помещают в ванну с раствором при температуре 20⁰С. Глубину пропитки таким образом можно увеличить до 10 мм.

Сроки пропитки можно сократить, применив способ «вакуум – атмосферное давление – вакуум». В герметичных ваннах с материалом создается вакуум 0,075–0,09 МПа в течение 10–15 мин, затем, не прерывая вакуумирования, подают пропиточную жидкость, после чего снимают вакуум и древесину выдерживают в растворе 5 – 30 мин. После пропитки в емкости создают осушающий вакуум в течение 10–15 мин. Перепад давления создает возможность пропитки материала на глубину до 10 мм.

Для глубокой пропитки используют также автоклавы (вакуум – давление – вакуум) в основном при пропитке антипиренами. Древесину помещают в автоклав, создают первоначальный вакуум 0,070–0,085 МПа на 15 – 60 мин. Затем вводят пропиточный состав и создают давление 0,8–1,4 МПа до требуемой пропитки. После пропитки создают первоначальный вакуум в течение 40 мин для подсушивания материала.

По величине поглощения защитного вещества и окрашиванию древесины определяют качество пропитки. Поглощение вещества определяют по формуле

(18.9)

где Q – поглощение пропиточного раствора, кг; C – концентрация раствора, %; V – объем пропитываемого материала, м³.