Оценка новых материалов для домостроения

Основным трендом развития отечественного малоэтажного домостроения в первые два десятилетия XXI века является типологическое разнообразие домов и жилищ на их основе, обусловленное новыми социально-экономическими условиями и применением новых строительных материалов и конструкций, что требует детального анализа и объективных оценок.

В существующей классификации малоэтажных домов они разделены на несколько видов, исходя из материалов стен: кирпичные, каменные, монолитные, деревянные (бревенчатые, брусовые, каркасные, щитовые, панельные).

До 30-х годов прошлого века основным стеновым материалом для строительства деревянных домов являлись окоренные бревна, позднее их сменили пиленые брусья, щитовые, каркасные и т. п. деревянные конструкции, а к концу века получили широкое применение дома из деревянных панелей. Таким образом, можно сказать, что XX век стал периодом глубокой модернизации деревянного домостроения. Задачи этой модернизации диктовались потребностями в жилфонде для объектов индустриализации, а после Великой Отечественной войны – необходимостью восстановления разрушенных городов и сел. Для решения этих задач требовались большие объемы стеновых материалов и столярно-строительных изделий (окон, дверей, полов и др.), производство которых обеспечивалось применением промышленных технологий лесопиления и деревообработки и огромными запасами хвойной древесины в стране.

Качество малоэтажного жилфонда оценивалось по минимальным социальным стандартам (норма общей площади дома на одного человека, норма освещенности и др.); ключевым критерием было сокращение затрат при производстве и строительстве домов, которые лимитировались плановым показателем общей стоимости 1 м2 площади дома. Основными затратами на изготовление домов являлись объем используемой древесины и ее стоимость, а также размер оплаты труда, который определялся плановым фондом оплаты и его снижение не допускалось. Главным ресурсом уменьшения затрат оказалась древесиноемкость домов, ставшая в последней трети прошлого века основным показателем т. н. стандартного домостроения.

Снижение древесиноемкости

Растущие объемы промышленно-гражданского и транспортного строительства в стране и увеличение экспорта лесопродукции (пиломатериалов и бревен) создали ощутимый дефицит хвойной древесины, необходимой для деревянного домостроения. Директивные указания по экономии хвойного сырья в условиях плановой экономики выполнялись методами нормирования расхода и лимитирования объемов сырья для изготовления домов. Так появились программы и задания по производству панельных домов и планы по сокращению расхода хвойной древесины в малоэтажном домостроении.

Основными направлениями снижения древесиноемкости малоэтажных домов стали замена конструкций и элементов из хвойной древесины во всех типах домов подобными изделиями из мягколиственной древесины (березы, осины, ольхи, тополя) и все более массовое применение плитно-листовых материалов в панельном домостроении, в основном – древесно-стружечных и древесноволокнистых плит, производство которых заметно увеличивалось.

Конструкции и элементы домокомплектов, изготовленные из мягколиственной древесины, не могут быть полноценной заменой конструкциям из древесины хвойных пород в силу физико-механических и технологических свойств, что подтверждается многовековым опытом домостроения в нашей стране. Но ГОСТ 11097–72 «Детали и изделия деревянные для малоэтажных жилых и общественных зданий. Технические условия» и ГОСТ 8242–75 «Детали профильные из древесины и древесных материалов для строительства. Технические условия» допускали использование в строительстве некоторых деталей, изготовленных из мягколиственной древесины. Так, в проектах малоэтажных зданий появились детали из березы, ольхи, тополя, липы (брусья стен, детали крыш, доски пола, каркасы панелей внутренних стен и перегородок и др.). Нормативно сокращение расхода хвойной древесины было обеспечено и расчетно древесиноемкость была снижена. Но на деле мало что изменилось.

Тому было несколько причин:

• технологические: для сушки и обработки пилопродукции из древесины мягколиственных пород нельзя было применять режимы сушки и обработки древесины хвойных пород, т. е. требовалась изменить весь технологический процесс;
• экономические, т. к. практический расход мягколиственной лесопродукции (пиловочника) больше, чем расход хвойного сырья и в стоимостном выражении эта разница не компенсировалась более низкой ценой пилопродукции из мягколиственной древесины;
• организационно-структурные, требовавшие организации отдельных цехов (участков) по переработке мягколиственной древесины для получения ограниченного перечня деталей, допускаемых в строительстве малоэтажных домов, что было нереализуемо на действовавших тогда домостроительных предприятиях. В современных условиях, учитывая растущие потребности в продукции деревообработки и сокращение запасов хвойной древесины в европейской части страны, эффективность производств по переработке мягколиственной древесины может быть повышена.

Плитно-листовые материалы, прежде всего – фанера и древесные плиты – с середины прошлого века широко применяются в изготовлении мебели. Освоение производства панельных домов открыло возможности использования этих материалов и в малоэтажном домостроении.

Для оценки технико-экономической целесообразности применения древесно-плитных материалов в домостроении были проведены комплексные исследования1. Оценивались показатели расхода древесины на единицу материала и его качество (по соотношению прочности и плотности), условия эксплуатации и др. Суммарный коэффициент эффективности составил: для фанеры – 0,8 (т. е. 80% эффективности деревянных деталей), для древесно-стружечных плит – не более 0,3 и всего около 0,1 для цементно-стружечных плит.

Низкая эффективность плитных материалов в советский период компенсировалась, по расчетам государственных плановых структур, существенным снижением трудозатрат при производстве и строительстве (монтаже) панельных домов. Эти расчеты не учитывали долговечность и эксплуатационные показатели подобных домов, т. е. не оценивались по основному критерию качества жилого здания – долго служить человеку и быть удобными в пользовании. Ведь главным критерием плановой экономики было т. н. валовое производство, задача которого – построить как можно больше жилфонда по минимальным стандартам качества и с низкими затратами, параметры которых устанавливались директивно для каждого этапа создания домов.

Эти критерии и параметры оказались непригодными и, просто говоря, ненужными в условиях рыночной экономики, основным драйвером которой является спрос. Потребителя не интересуют проблемы древесиноемкости дома: его заботит соотношение цены и качества дома (по этой же причине с жилищного рынка исчезли панельные дома из сборных железобетонных плит, востребованность которых потенциально сохранилась только в сегменте социального жилфонда).

Рынок «реанимировал» даже традиционное, но почти забытое строительство домов из окоренных бревен2. Спрос на подобные, условно говоря, «ретро-дома» характерен не только для отдельных регионов России, но и для ряда областей в странах Северной Америки. В деревянном домостроении получили признание и дома со стенами из оцилиндрованных бревен. В качестве стенового материала устойчивым спросом пользуется профилированный клееный брус. Получается, что древесиноемкость малоэтажных домов оценивалась при плановой экономике со знаком «минус», а в рыночных условиях – со знаком «плюс». Нечто подобное происходит и с окнами для жилых зданий: еще не так давно старые деревянные окна повсеместно меняли на металлопластиковые, а в последнее время все больше потребителей предпочитают современные оконные конструкции из древесины3. Кстати, в Европе металлопластиковые окна устанавливают преимущественно в производственных зданиях и служебных помещениях, а в жилых зданиях – деревянные окна высокого качества.

Вместе с тем научно-технический прогресс и растущие требования потребителей не только заставляют улучшать и совершенствовать известные конструкции и материалы для жилищного строительства, но и предлагают, инициируют создание новых изделий и деталей из древесины, для применения в деревянном домостроении.

Новые материалы и конструкционные элементы из древесины

Стандартные размеры выпускаемой деревообработчиками пилопродукции (длина, ширина и толщина) и природные свойства древесины, из которой они производятся (прежде всего – прочность, плотность, био- и огнестойкость и др.), не всегда соответствовали особенностям требуемых для деревянного домостроения конечных изделий. Поэтому шел постоянный поиск решений по улучшению свойств древесины и приведению размеров деревянных деталей и изделий в соответствие с современными требованиями потребителей, например, строителей деревянных домов.

Для получения требуемых деталей и конструкций применялись и применяются разные способы соединения отдельных частей этих конструкций и материалов, например, соединение досок или бруса «шпунт-гребень», сращивание (гвоздями, деревянными шкантами, накладками, хомутами и т. п.). С середины прошлого века в строительной отрасли (а в мебельном производстве гораздо раньше) получили применение деревянные клееные детали и конструкции. В деревянном домостроении приоритетными стали клееные брусья и балки. Свойства древесины улучшаются с помощью сушки, пропитки разными составами, термообработки и модификации. Решения правительства страны, принятые в последние годы с целью развития отечественного деревянного домостроения, способствуют повышению интереса к новым разработкам деревянных элементов домокомплектов и конструкций. Об этом свидетельствуют и экспозиции отраслевых выставок, и обилие публикаций в СМИ. Например, в 2018 году журнал «ЛесПромИнформ» посвятил этой теме целый ряд статей4,5,6,7,8,9,10, в которых детально освещаются технологии производства современных конструкционных материалов из древесины и большеформатных, в основном стеновых, строительных конструкций.

Клееная древесина – материал для изготовления целого ряда новых элементов домокомплектов и конструкций для промышленно-гражданского, в т. ч. малоэтажного жилищного строительства. Отсутствие единого понятийного аппарата (классификации и терминологии) для этой продукции обуславливает лишь условное ее разделение на деревянные клееные конструкции (ДКК) и древесно-композитные материалы (ДКМ). ДКК изготавливают из цельной (монолитной) древесины (ламелей), а ДКМ – из шпона или древесных частиц (стружки). Из обоих этих видов клееной древесины можно получать продукцию с улучшенными свойствами (прежде всего по прочности), требуемых размеров (в основном по длине) и более рационально использовать исходное древесное сырье.

ДКК изготавливают в виде бруса и балок. Клееные брусья в деревянном домостроении являются основой стеновых конструкций, а балки – элементами перекрытий. ДКК используются в качестве элементов (деталей) большепролетных строительных конструкций.

Структура клееных брусьев и их соединения в стеновых конструкциях постоянно совершенствуются. Так, средние слои (ламели) могут быть изготовлены из низкосортных пиломатериалов и даже лиственной древесины. Для обеспечения монолитности брусчатой стены и улучшения ее теплофизических свойств в соединяемых пластях брусьев делают соединения «шпунт – гребень»; при монтаже стен применяют теплоизоляционные материалы. Сложилась система контроля качества клеевых соединений брусьев.

В нашей стране развивается производство ДКК, которые находят все большее применение. Их прочность и надежность подтверждается долговременными натурными и полигонными испытаниями; примером может служить мониторинг большепролетных строительных конструкций на основе ДКК, в частности, московского Манежа.

Древесно-композитные материалы в настоящее время представлены двумя группами продукции: конструкционной композитной древесиной (structural composite cumber, SCL) и древесно-полимерными композитами (ДПК). Наиболее известными продуктами группы SCL являются LVL (laminated veneer lumber – брус, склеенный из листов однонаправленного лущеного шпона с параллельным расположением волокон в смежных слоях) и PSL (parallel strand lumber, Parallam – брус, склеенный из полос шпона длиной от 1000 мм, уложенных в слоях параллельно, по одной оси), LSL (laminated strand lumber – брус, изготовленный из длинных плоских стружек, уложенных параллельно) и OSL (oriented strand lumber – клееный материал, в котором в качестве структурных элементов, так же, как и в LSL, используются длинные плоские стружки, но в два раза короче) на основе прессования осмоленной древесной стружки большой длины. ДПК изготавливают из измельченной древесины (60–70% общего объема композита), полимеров (полипропилен, поливинилхлорид и др.) – около 30% и химических добавок (модификаторов) – до 5% объема композита. У всех этих материалов, способных заменить цельную древесину при изготовлении строительных элементов и конструкций, а также решающих вопрос комплексного использования древесного сырья, есть ряд эксплуатационных достоинств, но они пока в недостаточной степени обеспечены информационно (по результатам применения, экономическим показателям, характеристикам – их долговечности, экологичности и т. п.). Более-менее распространена информация лишь о брусе LVL. Известно, что он широко применяется в каркасном домостроении в Северной Америке, производится в России (в Ханты-Мансийском автономном округе и в г. Торжке Тверской области), используется в промышленно-гражданском строительстве, но данных о его массовом применении в деревянном домостроении в нашей стране нет.

Возможность применения изделий из конструкционной композитной древесины в качестве несущих элементов конструкций в малоэтажном домостроении может быть оценена только по результатам комплексных испытаний и расчетов и соответствия этих результатов основному критерию качества малоэтажных домов.

ДПК сочетают в себе лучшие характеристики древесины и полимеров, что способствует повышению интереса к этим материалам во всем мире. В нашей стране производство древесных композитов активно развивается примерно с 2010 года. В среднем объем потребления древесно-полимерных композитов растет на 3 тыс. т ежегодно, к 2017 году достигнет 25 тыс. т, а к 2020 году может превысить 30 тыс. т в год. («ЛПИ» № 5(119), 2016 год). ДПК и в малоэтажном домостроении широко не применяют. Подобные детали в ряде стран используют для террасных настилов (декинг), отделки фасадов (сайдинг и планкен-фасадная доска), обустройства придомовых территорий (дорожек, беседок и др.). У ДПК немало плюсов (влагостойкойсть, огнестойкость и др.), но по стоимости композиты дороже деревянных изделий. Локальное применение ДПК возможно в сегменте элитарного малоэтажного жилфонда; массовое использование композитов в доступном малоэтажном жилфонде требует достаточных технико-экономических обоснований.

Термо- и модифицированная древесина – относительно новые для малоэтажного домостроения продукты, в которых природные свойства древесины (плотность, прочность, формоустойчивость и др.) существенно улучшены в результате использования современных технологий деревообработки.

Технологии термообработки древесины (паро- и гидротермическая обработка, обработка масляными веществами и др.) позволяют получать материалы, которые по назначению аналогичны ДПК, – декинг, планкен и т. п. Для получения конструкционных деревянных изделий применяют импрегнирование (пропитку антисептиками под давлением), обжиг и термообработку древесины. Массового применения термодревесина в малоэтажном домостроении не получила прежде всего по экономическим причинам.

Модификация древесины с целью улучшения ее свойств выполняется с использованием технологий пропитки стабилизирующими веществами типа полимеров, а также сушки и прессования. Интерес к использованию материалов из модифицированной древесины в малоэтажном домостроении будет нарастать по мере истощения запасов хвойной древесины в российских лесах, т. к. элементы домов и конструкции из модифицированной мягколиственной древесины могут заменить подобные конструкции из хвойной древесины, которые сейчас в основном используются в малоэтажном жилищном строительстве. Этот шаг потребует не только применения промышленных технологий модификации мягколиственной древесины, но и всесторонних исследований ее качеств во всех конструкциях и элементах малоэтажных домов, в частности – их стеновых конструкций.

Новые стеновые конструкции

Материал, из которого создаются стены дома, определяет не только тип сооружения (деревянный, кирпичный, панельный и др.), но и потребительский спрос на малоэтажные жилые здания. Сегодня на рынке стройматериалов традиционные стеновые материалы (бревна, брус, кирпич) испытывают серьезное конкурентное давление со стороны новых стеновых материалов, приобретающих несомненные преимущества за счет сокращения затрат на их изготовление и на монтаж стеновых конструкций из них.

Панели из перекрестно соединенных досок: СLТ (cross laminated timber panels, X-Lam) и МНМ (панели, изготавливаемые по технологии Massiv-Holz-Mauer) – монолитные конструкции разной длины (обычно равной длине стены), высоты и толщины.

CLT панели изготавливают из склеенных слоев сухих пиломатериалов хвойных или лиственных пород одинаковой толщины. В зависимости от числа слоев различают трех-. пяти- и семислойные панели.

При изготовлении МНМ панелей вместо клея используют алюминиевые гвозди, не представляющие угрозы для дереворежущего инструмента. По показателям качества оба вида панелей почти аналогичны. Утверждается (на основе опыта европейских домостроителей), что дома со стенами из этих панелей соответствуют требованиям европейских стандартов по тепло- и звукоизоляции и ветрозащите, но их огнестойкость очень низкая. По показателям экологичности МНМ панели предпочтительней, т. к. при их производстве не используются синтетические связующие.

В нашей стране производство таких панелей уже организуется на нескольких предприятиях, но технико-экономические выкладки по ним еще не полны. Учитывая явную древесиноемкость (по исходному сырью) этих панелей, стоимость технологического оборудования и другие издержки, эффективность малоэтажного домостроения с использованием таких панелей может обеспечиваться только за счет снижения затрат на строительство домов. Экспериментальное строительство малоэтажных домов с использованием CLT- и МНМ-панелей в нескольких регионах страны позволило бы получить окончательную оценку эффективности этого вида домостроения при условии постоянного и системного его мониторинга, который должен стать обязательным для отечественного малоэтажного домостроения.

Конструктивная схема АТД («Алтайский Теплый Дом») – запатентованная алтайским предпринимателем В. И. Ревякиным полезная модель стены из широких (160 мм) и узких (40 мм) профилированных досок, соединяемых гвоздями и шпонками в каркасно-пустотную конструкцию, которая обеспечивает пространственную жесткость стены и всего здания. Пустоты заполняются утеплителем – пенополистиролом (ППС) для полного соответствия теплосопротивления стены нормативным требованиям.

У описанной выше стеновой конструкции пока нет результатов комплексных испытаний, в т. ч. по соответствию нормативам пожарной безопасности и экологичности (ППС – токсичный материал), но вполне технологична при изготовлении и монтаже домокомплектов.

Структурно-изоляционные панели (СИП; Structural Insulated Panel, SIP) – стеновые конструкции из двух листовых материалов (фанеры, профлиста, древесно-стружечных или цементно-стружечных плит и др.), между которыми находится утеплитель (минеральная вата, ППС, пенополиуретан и т. п.). Наибольшее применение SIP нашли в США, Японии и Канаде. В начале XXI века канадские фирмы, производящие SIP, вышли на российский рынок. В настоящее время в нашей стране действуют несколько предприятий, изготавливающих СИП и строящих малоэтажные дома с применением этих панелей; предприятия объединены в ассоциацию.

У СИП хорошие расчетные эксплуатационные показатели (по теплоизоляции, огнестойкости, биоустойчивости и др.), но комплексных, прежде всего – натурных и полигонных – испытаний этих панелей в нашей стране не проводилось.

В качестве наглядного примера по поводу испытаний СИП: в середине 1990-х годов в Россию была поставлена партия малоэтажных домов из СИП для обеспечения жильем семей офицеров выведенной из европейских стран группы войск. По одному из федеральных каналов был показан сюжет по оценке таких домов их «новоселами»: крепкий офицер кулаком в перчатке с размаху насквозь пробил стену из СИП и сказал: «Такую стену корова рогом прошибет, а мне нужен надежный деревянный дом!» – т. е. СИП были изготовлены из очень тонкого проф­листа и явно не предназначались для строительства жилых зданий.

К настоящим испытаниям этот казус не относится, но акцентирует их необходимость.

Рассмотренные выше новые материалы (а также элементы, изделия, конструкции) потенциально интересны для малоэтажного домостроения, но решение об их массовом применении должно приниматься по системе оценок, комплексно определяющих соответствие каждого материала основным критериям качества малоэтажного дома, т. е. его долговечности, комфортности и экономической доступности (для конкретных сегментов жилфонда).

Система оценок материалов и домов

Малоэтажный дом – конструктивно сложный и энергонасыщенный строительный объект. Его проект должен учитывать действующие нормативы по всем показателям долговечности и комфортности, а также характеристики применяемых материалов. Эти характеристики получают на основе комплекса оценок – расчетных, лабораторных, стендовых и натурных испытаний.

Расчетные оценки осуществляют на основе сравнения имеющихся сведений о новом материале с аналогами и/или определяют задания для лабораторных оценок (при недостатке или отсутствии сведений о новом материале).

Лабораторные оценки проводят для получения достаточно полных сведений о параметрах и свойствах нового материала, например, о его прочности, плотности, теплоизоляции и т. д. Стендовые испытания необходимы для определения сопротивления нового материала разным силовым нагрузкам.

Результаты расчетных, лабораторных оценок и стендовых испытаний необходимы для принятия решения по экспериментальному или опытно-промышленному применению нового материала и для предварительного технико-экономического его обоснования.

Для получения окончательного результата оценок нового материала проводят комплекс натурных и даже полигонных испытаний. Натурные испытания в ряде случаев, например, для оценки сопротивлению динамическим или знакопеременным нагрузкам (тепло – холод и др.) могут проводиться в сжатые сроки, что позволит сократить продолжительность испытаний. Полигонные испытания проводятся в течение многих лет; пример – мониторинг малоэтажных домов целых поселений в Финляндии, осуществляемый с 20-х годов прошлого века.

При создании конструктивно сложных изделий (в частности, в авто- и авиастроении) их сертификационные испытания проводят до начала серийного производства.

В малоэтажном домостроении такие испытания не практикуются, хотя определенный смысл в них имеется. Пока что в нашей стране не проводится сертификация даже массово изготавливаемых и строящихся малоэтажных домов, особенно – из новых конструкций, что влияет на реальные гарантии долговечности и безопасности этих строительных объектов.

Последовательность оценок и испытаний позволяет определить соответствие нового материала его функциональному назначению по всем показателям качества, оценить затраты на его изготовление и применение (т. е. себестоимость его производства и общую эффективность домостроения с использованием этого материала), что дает возможность исключить оценку эффективности на отдельных стадиях домостроения – при изготовлении материала или при строительстве дома.

Впервые концепция и методики оценки и испытаний в малоэтажном домостроении были разработаны во ВНИИдрев в 70-е годы прошлого века под руководством и при участии канд. техн. наук В. М. Воеводина. По его техническим заданиям были разработаны и изготовлены приборы, приспособления и установки для лабораторных оценок и стендовых испытаний новых конструктивных элементов домов, а также разработаны и реализованы программы и методики полигонных испытаний малоэтажных домов.

На полигоне при ВНИИдрев в г. Балабаново был создан полигон из нескольких, в основном – панельных малоэтажных домов, на котором в течение нескольких десятилетий проводились испытания по упомянутым программам и методикам. Результаты испытаний и оценок обсуждались научными сотрудниками института и передавались в проектные организации, которые использовались как при разработке новых проектов домов, так и для корректирования уже освоенных предприятиями проектов. Так, для улучшения теплозащиты домов было предложено экранирование стеновых панелей с наружной обшивкой из древесно-стружечных плит, что позволяет повышать долговечность панелей. По ряду испытаний, в частности, по теплозащите и экологии панельных домов, институт сотрудничал со специализированными организациями, например, с институтом строительной физики (НИИСФ) и др.

Описанная система показала свою эффективность и востребованность, была обеспечена бюджетным финансированием. В условиях перехода к рыночной экономике вопросы научного обеспечения малоэтажного домостроения перестали быть актуальными, а новые материалы стали разрабатывать и применять без системных оценок и испытаний. Импортные материалы вроде бы контролировались и проверялись на соответствие отечественным нормам и требованиям, – они должны были получать технические свидетельства (ТС), разрешающие их применение в условиях России. Но ТС выдавались преимущественно на основании экспертных заключений, без надлежащих оценок и уж тем более – без испытаний. Приведенный выше пример с домами из импортных СИП подтверждает это.

Развитие отечественного малоэтажного домостроения будет влиять на предпочтения потребителей и повышать их требовательность к предлагаемым вариантам домов. Эти повышенные требования можно удовлетворить только объективными доказательствами гарантированного качества домов, что может обеспечить только система комплексных оценок и испытаний новых материалов и зданий, построенных из них. Чем раньше отечественное профессиональное сообщество домостроителей проникнется пониманием необходимости такой системы и займется ее разработкой и применением, тем быстрее российские малоэтажные дома обретут устойчивый спрос, в т. ч. и на мировых рынках.

Виктор Кислый,
директор фирмы «МП «ДОМ», канд. техн. Наук