Раздел 2 конструкционные и конструкционно-отделочные строительные материалы

2.1. Общие сведения

О конструкционных и конструкционно-отделочных материалах

История строительства и архитектуры с глубокой древности и до современности изобилует убедительными примерами того, как изобретение и совершенствование новых конструктивных систем и новых методов строительства в области технологии производства и применения новых и традиционных материалов оказывались важными, а порой главными двигателями развития новых архитектурных форм, новых стилевых и композиционных решений. В свою очередь, архитектурно-строительная практика всегда ставила перед наукой и техникой определенные задачи, решение которых способствовало их прогрессу.

Уже на заре архитектуры формируются и совершенствуются специфические строительные приемы и средства труда, инструменты и механизмы, позволяющие обрабатывать и перемещать огромные массы природного материала, создавать и приспосабливать для своих нужд искусственную среду, удовлетворяющую главным жизненным потребностям человека [1, 2].

В настоящее время среди конструкционных материалов ведущее место принадлежит бетону и железобетону. Это связано с тем, что конструкции из бетона и железобетона обладают достаточной долговечностью, прочностью, огнестойкостью, коррозионной стойкостью и другими положительными свойствами. Применение металла и различных сплавов во многих несущих конструкциях экономически эффективно по сравнению с железобетоном. Это объясняется быстротой монтажа, возможностью сооружения сборно-разборных конструкций и др. Деревянные несущие конструкции, хотя уступают по огнестойкости и некоторым другим показателям железобетону, являются более дешевым местным материалом, легко обрабатываются и снижают вес зданий и сооружений. Номенклатура современных материалов и изделий для несущих и ограждающих конструкций чрезвычайно многообразна. Наряду с такими традиционными материалами, как природный камень, древесина, керамический и силикатный кирпич, находят все большее применение крупноразмерные изделия (камни, блоки, панели, объемные элементы и др.) из легкого бетона, алюминиевых сплавов, стекла и стеклопластиков, а также пенопластов и других эффективных материалов.

Среди конструкционно-отделочных материалов большое распространение в архитектурно-строительной практике получили уже упомянутые керамические материалы, изделия из стекла и пластмассы.

2.2. Древесина, ее свойства и область применения в строительной практике

Древесина является самым распространенным природным строительным материалом. Было время, когда древесина была главным и почти единственным строительным материалом. Древесина – это единственный в природе материал, запасы которого постоянно и довольно быстро восстанавливаются. Мировое потребление древесины почти вдвое превышает годовое производство чугуна и стали вместе взятых.

Россия по величине лесных массивов занимает первой место в мире. Велики ее запасы в Карелии, на Кавказе и Дальнем Востоке.

Древесные породы подразделяются на две группы: хвойную (сосна, лиственница, ель, пихта, кедр, тис, можжевельник и др.) и лиственную (твердые – дуб, бук, береза, граб; мягкие – ольха, осина, тополь). Широкое применение в архитектурно-строительной практике древесина получила благодаря целому комплексу положительных свойств: высокой прочности при небольшой средней плотности, малой теплопроводности, высокой морозостойкости и сопротивляемости действию химических реагентов, легкости в обработке. Вместе с тем древесина обладает и отрицательными свойствами, ограничивающими область ее применения. К числу недостатков древесины можно отнести неоднородность (анизотропность) строения, наличие пороков, гигроскопичность и связанные с ней деформации и коробления, способность к загниванию и возгоранию.

Применение срезанной древесины стало возможным с изобретением ручного каменного рубила, а затем и каменного топора (начало неолита). Первые конструкции из дерева были примитивны. Совершенствование техники рубки позволило сооружать стропильные кровли – односкатные и двухскатные. Упоминание о деревянных стропилах встречаются в «Илиаде», созданной в конце VIII в. до н.э.,

Расцвет бревенчатой архитектуры, рожденной простым каменным топором, начался много позже. Металлический топор и изобретение врубки как нового надежного способа сопряжения бревен явились главным двигателем прогресса деревянного строительства. Сруб позволил расти деревянным строениям ввысь. Плотничное искусство достигло большого совершенства в богатых лесом северных странах. Секреты деревянного зодчества передавались от отца к сыну, совершенствуясь на протяжении столетий. Железным плотничным топором научились тесать «на четыре канта» брусья, получать «плаху» (плоскую доску).

Построенная в петровские времена 22-главая Преображенская церковь (рис. 2.1) справедливо считается одним из непревзойденных шедевров русского деревянного зодчества. План церкви по одной из версий нарисовал сам Петр I. Как и многие другие деревянные постройки Преображенская церковь возведена без каких-либо чертежей, без единого гвоздя, с применением одного топора. Несмотря на разное время строительства и разных мастеров отличается целостностью [1, 9, 26].

Рис. 2.1. Преображенская церковь, Кижи, Россия

Подлинной революцией в обработке древесины как строительного материала было применение пилы, изобретенной еще в каменном веке, но получившей широкое применение гораздо позже*.

Пиленый брус и доска становятся главными строительными материалами, а резко сократившиеся отходы при обработке бревна позволили применять дерево и там, где оно было дефицитно. Появляются деревянный нагель (из твердых пород дерева) и железный кованый гвоздь**.

Соперником строительства в потреблении пиломатериалов было судостроение, откуда позже пришли в строительные конструкции болтовые соединения.

Гвоздевые и болтовые соединения позволили резко увеличить пролетность деревянных конструкций, которые долгое время не могли перешагнуть десятиметровую длину.

_____________

* Археологические раскопки в Трое обнаружили каменные пилки. Древнейшие металлические пилы делались из меди, а позже – из бронзы. Последние, предназначенные для пиления деревьев были обнаружены среди археологических находок бронзового века у разных народов. Стальные пилы известны в Древнем Риме. В Новгороде найдена стальная пила-ножовка с разведенными зубьями (изготовлена в XI в.).

** Бронзовые гвозди были известны еще в Древнем Египте.

Следующим этапом процесса механизации обработки древесины как конструкционного материала было изобретение в 1799 г. французским инженером Алебером дисковой пилы, позволившей намного увеличить скорость пиления*.

Примерно в то же время (1806 г.) английским инженером Блюнелем была изобретена фанерострогательная машина, которая затем была усовершенствована Фаферайром в Англии и Гольцапфелем в России. В России же еще в конце XVIII в. появились первые строгательные машины, заменившие издавна применявшиеся в плотничном деле рубанки.

Развитие строгательных станков и появление казеинового клея, более водостойкого, чем роговой и мездровый, создало возможность изготовления нового строительного материала – арболита (клееной высокопрочной фанеры)**.

Всевозрастающие масштабы деревообработки вызвали новую проблему, связанную с утилизацией большого количества отходов: при лесопилении и изготовлении строительных деталей из древесины образовывались опилки – около 10…15 % от общей массы пиломатериалов; а при работе строгательных машин – до 20 % стружки. В 1882 г. немцем Корнфельдом был изобретен ксилолит, в котором опилки, применяемые в качестве засыпки, были использованы как заполнитель искусственного каменного материала, изготовляемого на основе магнезиального вяжущего.

Инженеры и строители никогда не забывали и всегда пытались совершенствовать известные с древних времен способы повышения биостойкости и огнестойкости деревянных конструкций. В первой четверти XIX в. начали применять соляные пропитки – вымачивание древесины в морской воде взамен пресной. Затем стали применять пропитки различными химическими составами. В 1838 г. французский инженер Бетель применил давление до 8 атм с целью увеличения глубины пропитки древесины продуктами перегонки каменного угля. В 1847 году немецкий химик Фукс изобрел растворимое силикатное стекло. Это изобретение позволило широко внедрить в строительную практику огнезащитные силикатные краски и обмазки – сначала на натриевом связующем, а затем на более атмосферостойком – калиевом.

В дальнейшем успехи химической технологии и промышленности позволили внедрить новые эффективные огнезащитные средства – антипирены.

Внедрение клееных деревянных конструкций совершило коренной переворот в использовании древесины в строительстве и архитектуре: появились новые формы и новые конструкции, возросла «пролетность» сооружений.

Н

____________

* Скорость продвижения пилы при ручном пилении бревен составляла около 0,5 м/мин, водяные и паровые лесопилки увеличили ее до 1…3 м/мин, внедрение дисковых пил позволило ускорить подачу бревна до 30…50 м/мин. Современные станки работают на высоких скоростях до 100 м/мин и подаче – до 180 м/мин.

** Сейчас арболитом называют разновидность легкого бетона, изготовленного из смеси дробленых опилок, вяжущего (портландцемента) и воды.

аряду с прогрессивными клееными материалами и конструкциями широко внедряются в архитектурно-строительную практику древесно-стружечные и древесноволокнистые изделия на основе древесного волокна и полимерного связующего, древесно-слоистые и бумажнослоистые пластики, деревополимерные и деревометаллические детали и конструкции. Такие материалы по сравнению с натуральной древесиной обладают лучшими эксплуатационно-техническими свойствами, что значительно расширяет область применения древесных строительных материалов в архитектурно-строительной практике.

Из древесины были возведены многие уникальные постройки. Храм Тодайдзи (рис. 2.2), расположенный в японском городе Нара, считается самым большим деревянным строением в мире. Этот храм знаменит еще и тем, что внутри него установлена самая большая бронзовая скульптура Будды высотой 25 м. На ее постройку ушло более 437 т бронзы.

Рис. 2.2. Храм Тодайдзи, Нара, Япония

В Японии находится и самое древнее деревянное строение в мире. Это древнейший буддийский храмовый комплекс Хорюдзи (рис. 2.3), занимающий площадь 90 тыс. м². Он был возведен в VII в.

Рис. 2.3. Храмовый комплекс Хорюдзи, Япония

Мост У-Байн (рис. 2.4) является самым большим в мире деревянным мостом. Его длина составляет более 2 км. Конструкция этого моста состоит целиком из дерева. Деревянные опоры вбиты прямо в дно водоема, а расстояние между ними не превышает двух метров. Он перекинут через озеро между городами Мандалаем и Анарапурой в Мьянме (Бирма до 1989 г.).

Рис. 2.4. Мост У-Байн, Мьянма

Сегодня на основе древесины изготовляют различные изделия, используемые в архитектурно-строительной практике. Деревянные конструкции возводят преимущественно их хвойных пород, так как хвойная древесина содержит меньше пороков и в меньшей степени подвержена загниванию. Для изготовления мелких ответственных деталей и элементов конструкций (шпонок, нагелей и т.д.) применяют лесоматериалы из твердых лиственных пород. Мягкие лиственные породы используют в слабо напряженных зонах клееных элементов деревянных конструкций и в конструкциях временных зданий и сооружений.

Круглые лесоматериалы изготавливают из ствола дерева путем распиловки на отрезки разной длины. В строительстве используют главным образом бревна как в круглом виде, так и в качестве сырья для выработки пиломатериалов.

Круглые лесоматериалы по толщине (диаметру) разделяют на мелкие (диаметром 6…13 см), средние (14…24 см) и крупные (26 и более см). Более тонкие части ствола или тонкий лес (от 3 до 7 см) строители называют жердями.

Пиломатериалы по геометрической форме и размерам поперечного сечения делят на пластины, четвертины, брусья, доски, горбыль. По характеру обработки пиломатериалы делят на обрезные и необрезные.

Строганные и фрезерованные детали (погонажные детали) – элементы небольшого поперечного сечения, обработанные на станках: доски и бруски для покрытия полов, плинтусы, наличники, поручни. Доски и бруски для полов на одной кромке имеют паз, на другой – гребень для плотного соединения элементов и обеспечения жесткости пола. Плинтуса служат для заделки углов между полом и стенами; поручни и наличники для обшивки дверных и оконных коробок.

Столярные изделия представлены оконными и дверными блоками, перегородками и панелями для жилых и гражданских зданий.

Столярные плиты состоят из внутреннего щита, изготовленного из узких реек (основа), и наклеенного на щит с обеих сторон шпона в один или два слоя (лицевой и оборотные слои). Столярные плиты применяют при изготовлении дверей, перегородок, полов, а также щитовой мебели.

Паркет разделяют на штучный, паркетные доски, паркетные щиты. Штучный паркет, изготавливаемый из бука, дуба, ясеня, состоит из отдельных планок (дощечек), имеющих на кромках и торцах шпунт и гребень для соединения между собой.

Паркетные доски состоят из двух слоев. Нижний слой (основание) состоит из фрезерованных брусков или досок, верхний слой (лицевое покрытие) – из одинаковых паркетных планок. Оба слоя прочно склеены между собой водостойким клеем. По сравнению с штучным паркетом они имеют ряд преимуществ: меньший расход древесины ценных пород, снижение трудоемкости и ускорение процесса настилки паркетного пола.

Паркетные щиты состоят из древесного основания, которое собрано из досок или брусьев и на которое наклеены паркетные планки, расположенные в шахматном порядке. Щиты соединяются между собой с помощью вкладных торцовых шпонок или в паз-гребень. Их выпускают размером 400×400 и 800×800 мм.

Фанера представляет собой листовой материал, склеенный из трех и более слоев лущеного шпона. Шпон, тонкая непрерывная стружка, получают лущением или строганием распаренных бревен. Листы шпона склеивают между собой, располагая их в перпендикулярном направлении. Такая конструкция фанеры обеспечивает ей равную прочность во всех направлениях, малую растрескиваемость и коробление.

В строительстве применяют фанеру трех видов: клееную, марок ФСФ, ФК и ФБА; декоративную (ДФ) и бакелизированную (склеенную фенолформальдегидными клеями).

По виду обработки поверхности фанера может быть нешлифованной или шлифованной с одной или двух сторон.

Древесностружечные плиты (ДСП) изготавливают путем горячего прессования специально приготовленных древесных стружек с термореактивными полимерами. Стружку получают из отходов деревообработки, фанерного и мебельного производства. Для придания плитам биостойкости в полимерно-стружечную массу добавляют антисептики. С целью уменьшения набухания плит во влажном воздухе в исходную массу вводят гидрофобизующие вещества.

Древесностружечные плиты выпускают различной средней плотности: очень высокой (ρ_m = 1,0…0,81 г/см³); высокой (ρ_m = 0,8…0,66 г/см³); средней (ρ_m = 0,65…0,51 г/см³); малой (ρ_m = 0,5…0,35 г/см³); очень малой (ρ_m < 0,35 г/см³). Плиты средней и высокой плотности применяют как конструкционный и отделочный материал. Плиты малой плотности служат в качестве тепло – и звукоизоляции.

Древесноволокнистые плиты (ДВП) изготовляют путем горячего прессования волокнистой массы, состоящей из древесных волокон, воды, наполнителей, полимера и добавок (антисептиков, антипиренов, гидрофобизующих веществ). Волокна получают из отходов деревообрабатывающих производств.

Выпускают плиты пяти видов:

- сверхтвердые, средней плотности более 950 кг/м³ и пределом прочности при изгибе R_изг > 50 МПа;

- твердые (ρ_m > 850 кг/м³, R_изг > 40 МПа);

- полутвердые (ρ_m > 400 кг/м³, R_изг > 15 МПа);

- изоляционно-отделочные (ρ_m = 250…350 кг/м³, R_изг > 2 МПа);

- изоляционные (ρ_m < 250 кг/м³, R_изг > 1,2 МПа).

Твердые плиты применяют для устройства перегородок, подшивки потолков, настилки полов, для изготовления дверных полотен и встроенной мебели. Изоляционно-отделочные плиты применяют для облицовки стен и потолков. Изоляционные древесноволокнистые плиты находят широкое применение в виде тепло- и звукоизоляционного материала.

Древесно-слоистые пластики – листы или плиты, изготовленные из лущеного шпона, пропитанного и склеенного резольным фенолформальдегидным полимером. Пластик отличается от фанеры большей средней плотностью (1,25…1,33 г/см³) и обладает высокими механическими свойствами (R_раст = 140…200 МПа, R_изг = 150…280 МПа). Эти пластики стойки к действию масел, растворителей, моющих средств; хорошо сопротивляются истиранию.

Клеевые деревянные конструкции – крупноразмерные элементы (балки, арки, фермы, оболочки, своды, купола), изготовляемые путем склеивания небольших деревянных заготовок друг с другом, а иногда и с другими материалами. Клеевые деревянные конструкции, изготовляемые на высокопрочных и водостойких полимерных клеях, отличаются меньшей массой, большей прочностью, водостойкостью, стойкостью к агрессивным воздействиям, чем обычные конструкции из древесины.