Деревянные клеёные конструкции

Ламинированные предметы, соединённые при помощи клея были обнаружены в гробницах ранних Египетских фараонов. Сегодня склеивание древесины – неотъемлемая часть производства строительных элементов. Эти конструкции благодаря малой объёмной массе, большой прочности и стойкости при эксплуатации в различных условиях, в том числе и в агрессивных средах, возможности использования любых размеров и форм с каждым годом используются всё шире.

В строительстве используют клеёные конструкции двух принципиально различных видов: несущие и ограждающие. Несущие конструкции являются многослойными. Иногда, многослойные конструкции армируют путём вклеивания металлической или пластмассовой арматуры. Существуют комбинированные конструкции, состоящие из слоёв массивной древесины, склеенных с фанерой. Чаще всего это конструкции двутаврового, или коробчатого сечения, верхний и нижний пояса которых – из древесины, а вертикальная стенка – из плоской или волнистой фанеры.

Рис. 1

Ограждающие конструкции чаще всего состоят из деревянного каркаса и приклеенных к нему с одной или с двух сторон обшивок из фанеры или других плитных материалов. Внутреннюю полость таких конструкций при необходимости заполняют утеплителем.

Нас больше интересуют несущие плоскостные конструкции – брусья, балки, арки, рамы и фермы, и пространственные – оболочки, купола и т.п. Брусья и балки – наиболее простой тип конструкций; процесс изготовления их может быть максимально механизирован. Сечение бруса максимальной прочности показано на рис. 1. Клеёные балки имеют различные очертания и формы поперечного сечения (рис. 2). Высота сечения должна быть не менее 1/15 длины пролёта.

Рис. 2

Балки сплошного сечения состоят из слоёв массивной древесины, склеенной по пласти. Балки двутаврового и коробчатого сечений изготавливают с плоскими и волнистыми стенками, применяя для плоских стенок многослойную клеёную древесину или фанеру, а для волнистых – только фанеру. Полки и рёбра жёсткости выполняют из массивной древесины. В отдельных случаях для небольших пролётов (до 10 м) в двутавровых балках и стенку, и полки делают из фанеры. Рекомендуется путём предварительного выгиба придавать балкам строительный подъём, примерно равный 1/200 длины пролёта.

Для изготовления деревянных клеёных конструкций рекомендуется использовать пиломатериалы хвойных пород (ель, сосна). Возможно также сочетание в одном клеёном пакете слоёв из древесины разных пород. Так, в многослойных несущих конструкциях средние, слабонапряжённые слои можно изготавливать из малопрочных или малоценных пород, а в наружных напряжённых слоях конструкции использовать высокопрочную и стойкую к загниванию древесину. Особенно важно это там, где конструкция должна отвечать не только функциональным, но и эстетическим требованиям. Например, в тех элементах конструкции, что по замыслу архитектора одновременно являются и элементами интерьера, наружные слои могут быть изготовлены из дуба, бука и других ценных пород, а внутренние – из ели или берёзы.

Глобал Эдж на выставке оборудования в СКК г. Твери.

На заднем плане - несущие изогнутые деревянные клееные конструкции

Большой интерес представляет лиственница, запасы которой в лесах России составляют около 2/5 от всей древесины. Она отличается стойкостью против гниения, сравнительно небольшой сучковатостью, а по прочности на 30% превосходит сосну. К её недостаткам в данном аспекте можно отнести большое различие между радиальной и тангентальной усушкой, что усложняет процесс сушки, вызывает растрескивание, и т.п.

Начнём с клея.

Как мы уже отмечали, история использования клея с целью удержать вместе деревянные части, насчитывает несколько тысяч лет. Всё это время клей изготавливали из разных органов рыб, животных или овощного крахмала без значительных изменений. Только в нашем веке развитие фанерной промышленности обусловило резкое изменение типов и свойств клея. Развитие авиации, Вторая Мировая война и появление космонавтики последовательно «разогнали» процесс, и теперь мы видим как новые виды и типы клеев появляются чуть ли не ежедневно.

По-настоящему универсального клея всё-таки ещё не придумано. Хотя для достижения приемлемых результатов при выполнении большинства видов работ пригоден практически любой клей «по дереву» из имеющихся на рынке, при условии, что соблюдены такие параметры, как требуемая влажность древесины и комнатная температура, тенденция указывает на растущий интерес к созданию специализированных клеев. На выбор клея влияют и такие факторы, как породы дерева, тип соединения, рабочие свойства изделия, прочность соединения и, конечно, цена.

Существует один очень интересный клей. Он легко наносится. Он обладает прекрасными смачивающими свойствами. Он образует соединение высокой прочности. При температуре схватывания требуется рекордно короткое время для его полного затвердевания. Он является экологически чистым, его можно без вреда для здоровья нюхать и даже пить. Его единственный недостаток – это его термопластичность. Область его применения ограничена температурами ниже нуля градусов по Цельсию. Это вода. К сожалению, этот клей никогда не будет пользоваться популярностью у деревообработчиков из-за своих температурных свойств…

Если говорить серьёзно, то сегодняшний выбор клеев очень разнообразен. Общим заблуждением является мысль типа: «надо купить самый хороший (качественный/дорогой/известный и т.д.) клей и всё будет хорошо». Ошибка. С определёнными оговорками, со всеми имеющимися в продаже клеями можно добиться отличных результатов, если соблюдать требования и ограничения изготовителя. В правильно изготовленном соединении слабым звеном является дерево, а не клей.

С доисторических времён и по сей день, используются натуральные клеи, изготавливаемые из шкур, копыт и рогов скота, из рыбы, а также казеиновые. Однако, большинство современных клеев – синтетические. Самый распространённый – клей на основе поливинилацетатной эмульсии – ПВА, или, в просторечии, «белый» клей. Сравнительно недавно появились «жёлтые» клеи, на основе модифицированной ПВА – они обладают большей прочностью, улучшенной термостойкостью и повышенной «схватываемостью». Также они меньше забивают шлифовальные ленты.

Мочевиноформальдегидные клеи водостойки, но не термостойки, равно как и резорцинолформальдегидные клеи. На рынке присутствуют ещё несколько разновидностей клеев, таких как эпоксидные, контакт-цементные, мастики и акриловые.

Логично будет задуматься о том, почему вообще клей склеивает. Иногда думают, что адгезия возникает за счёт взаимного сцепления крошечных щупалец затвердевшего клея и внутренних поверхностей клеток древесины. Однако, научные изыскания показывают, что такая механическая адгезия является относительно слабой по сравнению с молекулярными силами, действующими между клеем и поверхностью древесины, т.е. со специфической адгезией. Клеёное соединение может быть описано в виде пяти переходных фаз (см. рисунок 1), наиболее слабая из которых определяет качество соединения. Фазы 1 и 5 это деревянные детали, или адгеренты. Фазы 2 и 4 это области взаимопроникновения дерева и клея, те места, где клей должен «смочить» дерево для обеспечения молекулярной «близости» для специфической адгезии. Фаза 3 – сам клей, удерживаемый процессом, который профессионалы называют когезией.

Тогда, с фундаментальной точки зрения, процесс склеивания состоит из обработки поверхностей склеиваемых деталей, нанесения на них клея таким образом, чтобы он смочил поверхность древесины и внутренние поверхности открытых клеток, и приложения давления, необходимого для того, чтобы получить равномерный тонкий слой клея и удержать детали в неподвижности до его затвердения. Типичный клей получают размешиванием в жидком виде, но при застывании он образует прочный твёрдый слой либо за счёт высыхания растворителя, в ходе которого молекулы клея сближаются, что позволяет им удерживать друг друга, либо за счёт химической реакции, в ходе которой создаётся прочная структура более сложных молекул.

Разные породы дерева имеют разные свойства, с точки зрения склеивания. Менее плотные породы, такие как каштан или тополь, склеивать легко. Более плотные, такие как вишня, дуб, орех при нормальных условиях склеиваются хорошо. А вот плотные сорта древесины, такие как бук, клён или берёза требуют повышенного внимания к соблюдению условий склеивания для того, чтобы получить приемлемые результаты.

В идеале, влажность склеиваемой древесины должна быть немного меньше, чем желаемая влажность готового изделия для того, чтобы дерево адсорбировало влагу, которая может выделиться из клея при его затвердевании. Так, например, влажность 5-7% вполне приемлема. Однако, при работе с мочевиноформальдегидными клеями содержание влаги в древесине не должно быть менее 7%. А вот при наклеивании тонкого шпона его влажность не должна превышать 5%.

Качество склеиваемой поверхности

Особенно важным при склеивании является качество обработки склеиваемых поверхностей. Очевидно, что чем ровнее они будут, тем более плотный контакт удастся создать. 5-10 ножевых отметок на сантиметр представляют оптимальное качество поверхности. Меньшее количество может дать неровную поверхность, или заусенцы, большее количество может привести к «глазированию» поверхности. Пилы с подстрожкой могут дать приемлемое для склеивания качество, но фрезерование предпочтительней. Конечно, ножи не должны быть тупыми, так как в этом случае они будут сминать, разогревать и, в итоге, глазировать поверхность древесины, делая её непригодной для склеивания.

При склеивании любых материалов, а особенно древесины, нельзя недооценивать качество чистоты поверхности. Масло, смазка, грязь, пыль и даже запылённый воздух могут загрязнить поверхность дерева и препятствовать качественной адгезии. По общепринятым стандартам, склеивание должно производиться, как минимум, в тот же день, что и механическая обработка поверхности. Это особенно важно для пород, богатых смолистыми или масляными экстрактивными веществами. Если, по какой-то причине, это условие нельзя соблюсти, то в некоторых случаях рекомендуется протирка поверхности ацетоном.

Рис

А: панель после склейки

В: края шва разбухли

С: после обработки

D: после окончательного высыхания

Если доска была отфрезерована несколько месяцев или лет назад, то не следует ожидать от неё подходящей химической чистоты поверхности. Осторожное лёгкое шлифование абразивной лентой №240 или тоньше, с последующим обдувом, возвратит химическую реактивность поверхности без потери геометрических параметров. Иногда думают, что грубая шлифовка может быть полезной для лучшего сцепления, но это мнение ошибочно, так как такое «огрубление» поверхности оставляет за собой торчащие волокна и свободные частицы древесины.

Хранение клей и правила нанесения

Теперь поговорим о клее и его хранении. Время закрытого хранения клея – это период времени, в течении которого клей остаётся пригодным для использования после его изготовления производителем. Остерегайтесь контейнеров с клеем, которые запылились на магазинной полке. Нелишне будет подписать на каждом контейнере дату его приобретения. Вообще говоря, если клей хорошо наносится после того, как вы его размешали в точности по инструкции, то он пригоден. Добавлять воду, чтобы сделать его «пожиже», крайне не рекомендуется.

Время между началом нанесения клея и соединением поверхностей называется временем открытой сборки. В свою очередь, время закрытой сборки означает интервал между соединением склеиваемых частей и моментом приложения полного давления пресса. Допускаемое время закрытой сборки, как правило, в два-три раза превышает допускаемое время открытой сборки. Для большинства современных клеев не существует минимума времени открытой сборки: рекомендуется, особенно при нанесении клея только на одну поверхность, максимально быстрое нанесение клея и соединение деталей для того, чтобы обеспечить полный перенос клея и смачивание второй поверхности. Иначе, клей может начать схватываться до того, как будет приложено давление, что приведёт к так наз. «сухому шву».

Чем пористее древесина, чем меньше её влажность, чем выше температура окружающей среды, тем меньше должно быть время сборки. Кстати, температура в помещении, где проводится склеивание, не должна опускаться ниже 200 С. А вот для некоторых клеев, например, для резорцинола, может быть рекомендовано минимальное время склейки, равно как и нанесение его на обе поверхности, особенно при работе с плотными и низкопористыми породами древесины. Это необходимо для смачивания древесины на необходимую глубину и некоторого загустевания клея, с целью предотвращения его излишнего выдавливания.

Правильность нанесения точного количества клея трудно проконтролировать. Если клея мало – шов будет слабым, или вовсе «сухим». Если много – в принципе, не страшно (при достаточном усилии прижима), но у вас возникнут проблемы и затраты на уборку большого количества выступившего клея и на финишную обработку. Можно пойти следующим путём: если производитель на упаковке указывает, что рекомендуемый расход клея – 230 грамм на квадратный метр, вырезать кусок фанеры размером 0,1 кв. м (около 315 х 315 мм) и нанести на него 23 грамма клея. Кстати, вы увидите, что слой получится довольно тонким.

Усилие прижима может сильно варьироваться в зависимости от качества клея, конфигурации шва и плотности древесины. Для большинства отечественных пород, оно лежит в пределах от 7 до 18 кг/см2. Так, например, для того, чтобы грамотно склеить два куска древесины яблони или берёзы, площадью 0,1 кв. метр каждый, необходимо приложить усилие около 14 тонн (!). Нельзя забывать и о роли прокладок, служащих для равномерного распределения давления. Их обычно изготавливают из твёрдого дерева или металла. Длина прокладки должна быть не меньше длины склеиваемой детали.

Наконец, склеенные швы нуждаются в некоторой выдержке перед дальнейшей обработкой. Это необходимо для того, чтобы влага, выделившаяся из клея, равномерно распределилась вглубь древесины. Если этого не сделать, и сразу подвергнуть деталь (например, клеёную панель) машинной обработке, то края шва, разбухшие от влаги, особенно при избытке клея, сожмутся при дальнейшем высыхании, и шов получится «впалым» (см. рис).