Введение

Древесина, обработанная в балки и доски.

Пиломатериалы – это древесина, обработанная в стандартные и полезные размеры (сортиментная древесина), включая балки, доски и бруски. Пиломатериалы в основном используются для возведения каркасов зданий, а также для отделочных работ (полы, стеновые панели, оконные рамы). Область применения пиломатериалов не ограничивается строительством домов. В Великобритании, Европе, Австралии и Новой Зеландии пиломатериалы называют timber, в то время как в других регионах мира (преимущественно в США и Канаде) термин timber обозначает необработанное древесное волокно, такое как срубленные бревна или стоящие деревья, которые еще не срублены. Пиломатериалы могут поставляться как необрезными, так и строгаными с одной или нескольких сторон. Необрезные пиломатериалы служат сырьем для производства мебели и других изделий, требующих резки и формовки. Они доступны в различных породах, включая твердые и мягкие породы, такие как белая сосна и красная сосна, благодаря их невысокой стоимости. Отделочные пиломатериалы поставляются в стандартных размерах, в основном для строительной отрасли – преимущественно из хвойных пород, таких как сосна, ель и пихта (совокупно – сосна-ель-пихта), кедр и гемилок, а также некоторые твердые породы для высококачественных напольных покрытий. Пиломатериалы чаще производятся из хвойных пород, чем из твердых, и 80% пиломатериалов приходится на хвойные породы.

Терминология

В Соединенных Штатах и Канаде обработанные доски называют lumber, а timber – стоячие или срубленные деревья. В отличие от этого, в Великобритании, некоторых других странах Содружества и Ирландии термин timber используется в обоих значениях. (В Великобритании слово lumber используется редко применительно к древесине и имеет другие значения.)

Регенерированная древесина

Переработанная древесина получается в результате вторичной или третичной обработки уже распиленной древесины. В частности, речь идет о древесине, предназначенной для промышленного использования или изготовления тары. Такая древесина распиливается дисковой пилой или перепиливается для получения размеров, которые обычно не производятся на первичной пилораме. Перепилка – это расщепление досок из твердых или мягких пород дерева на две или более тонких частей одинаковой длины. Например, расщепление доски размером 10 футов (3 м) 2×4 на две доски 1×4 той же длины считается перепилкой.

Пластиковая древесина

Строительный пиломатериал также может производиться из переработанного пластика и нового пластикового сырья. Его внедрение встретило резкое сопротивление со стороны лесной промышленности. Добавление стекловолокна в пластиковый пиломатериал повышает его прочность, долговечность и огнестойкость. Пластиковый пиломатериал, армированный стекловолокном, может иметь "класс распространения пламени 1, равный 25 или меньше, при испытании в соответствии со стандартом ASTM E 84", что означает, что он горит медленнее, чем почти вся обработанная древесина.

История

Основные представления о древесине, или "пиломатериалах", возникли в Северной Америке в семнадцатом веке. Пиломатериалы – наиболее распространенный и широко используемый способ распиловки бревен. Обычный пиломатериал получают, делая первый пропил по касательной к окружности бревна. Каждый последующий пропил выполняется параллельно предыдущему. Этот метод позволяет получать максимально широкие доски с минимальными отходами древесины. Производство пиломатериалов во всем мире определяется предпочтительным стилем строительства; регионы с "культурой деревянного домостроения" (дома строились из дерева, а не из других материалов, таких как кирпич) – это страны со значительными лесопильными отраслями. Историческими регионами строительства домов с деревянным каркасом являются: Европа, Северная Америка, Япония. Различные регионы мира признаны крупными поставщиками древесины; однако эти регионы (Индонезия, Саравак, Новая Гвинея и т.д.) экспортируют сырые бревна и не имеют значительного внутреннего производства пиломатериалов. Крупнейшими регионами производства пиломатериалов в мире являются: Китай (18%); Соединенные Штаты (17%); Канада (10%); Россия (9%); Германия (5%); Швеция (4%). В ранние периоды развития общества, для получения древесины для строительства, стволы деревьев раскалывали клиньями на как можно большее количество тонких частей. Если требовалось получить еще более тонкие доски, их обтесывали с обеих сторон острым инструментом до нужного размера. Этот простой, но неэффективный способ изготовления досок до сих пор применяется в некоторых местах. В противном случае бревна распиливали двухручной пилой или продольной пилой, используя подкладки для удержания бревна и яму для пильщика, работавшего внизу. В 1420 году был открыт остров Мадейра – архипелаг, состоящий из четырех островов у северо-западного побережья Африки и являющийся автономным регионом Португалии. Король Генрих VI отправил на Мадейру поселенцев, которые начали вырубать огромные лесные массивы для выращивания сельскохозяйственных культур. Срубленные деревья превращали в доски на водяных мельницах, а древесину (кедр и тис) отправляли в Португалию и Испанию. Около 1427 года в Германии была построена первая пилорама. Круглую пилу, используемую на современных лесопильных заводах, изобрел англичанин по имени Миллер в 1777 году. Однако широкое применение она получила лишь в девятнадцатом веке, и ее основные достижения относятся к этому периоду. Первые сменные зубья для этой пилы изобрел американец У. Кендал в 1826 году. Заготовка древесины в американских колониях началась в 1607 году, когда поселенцы Джеймстауна начали вырубать лес для строительства первого поселения в Новом Свете. Первая пилорама в Америке была построена в 1634 году у водопада Пискатакуа, на границе между провинцией Мэн и провинцией Нью-Гэмпшир. Однако в недостоверных источниках утверждается, что уже в 1633 году в Новой Нидерландии работало несколько мельниц.

Переработка древесных бревен

Деревянные брёвна превращают в пиломатериалы распиливанием, ручной рубкой или раскалыванием. Распиливание является наиболее распространенным методом, поскольку позволяет использовать брёвна более низкого качества, с неровной текстурой и крупными сучками, и является более экономичным. Существуют различные виды распиловки:
Плоская распиловка (также известная как тангенциальная, сквозная или нестроганая) – бревно распиливается без изменения его положения, в результате чего волокна древесины проходят поперек ширины досок. Радиальная и касательная распиловки – эти термины исторически путались, но обычно обозначают распиловку, при которой годовые кольца расположены примерно перпендикулярно сторонам (а не кромкам) пиломатериала. Ядро в коробке – сердцевина бревна остаётся внутри пиломатериала, столба или балки, с некоторым запасом на воздействие окружающей среды. Центр ядра – центральная часть бревна. Без ядра (FOHC) – пиломатериал, столб или балка, полученные боковой распиловкой и не содержащие сердцевины. Без сучков (FOK) – отсутствие сучков.

Размерная древесина

Размерная пиломатериал – это пиломатериал, распиленный до стандартизированной ширины и толщины, обычно указываемой в миллиметрах или дюймах. Плотники широко используют размерную пиломатериал при возведении каркасов деревянных зданий. Распространенные размеры включают 2×4 (на изображении) (также «два на четыре» и другие варианты, например, «четыре на два» в Австралии, Новой Зеландии и Великобритании), 2×6 и 4×4. Длина доски обычно указывается отдельно от ширины и толщины. Таким образом, можно найти доски 2×4 длиной четыре, восемь и двенадцать футов. В Канаде и Соединенных Штатах стандартные длины пиломатериалов для каркаса стен включают предварительно нарезанные стойки, которые обычно используются. Для стен высотой [пропущено значение], стойки доступны длиной [пропущено значение], [пропущено значение] и [пропущено значение].

Реконструкторская древесина

Инженерная древесина – это древесина, изготовленная производителем и предназначенная для определенной конструктивной цели. Основные категории инженерной древесины: ламинированная шпоновая древесина (LVL) – LVL выпускается различной толщины и глубины, например, и часто используется в двойном или тройном исполнении. Она функционирует как балка, обеспечивая поддержку на больших пролетах, например, при удалении несущих стен и проемов для гаражных ворот, в местах, где цельная древесина недостаточна, а также в областях, где значительная нагрузка от пола, стены или крыши передается на относительно небольшой пролет, где использование цельной древесины нецелесообразно. Этот тип древесины повреждается при наличии отверстий или выемок в любом месте пролета или на его концах, однако гвозди можно забивать в нее везде, где это необходимо для крепления балки или установки подвесов для I-балок или цельных деревянных балок, опирающихся на LVL-балку. Деревянные I-балки – иногда называемые "TJI", "Trus Joists" или "BCI" (все это торговые марки деревянных I-балок) – используются в качестве напольных балок на верхних этажах, а также при строительстве традиционных фундаментов на первом этаже на столбах, в отличие от плитного фундамента. Они рассчитаны на большие пролеты и удваиваются в местах, где над ними будет проходить стена, а иногда и утраиваются там, где над ними располагаются несущие стены с крышей, испытывающие большую нагрузку. Они состоят из верхней и нижней полки или фланца, изготовленных из цельной древесины, и расположенной между ними стенки из ориентированно-стружечной плиты (OSB) (или, в последнее время, стальной сетки, позволяющей прокладывать коммуникации без резки). Стенку можно удалить в определенных размерах и формах в соответствии со спецификациями производителя или инженера, но для небольших отверстий деревянные I-балки поставляются с "выбиваемыми" участками – предварительно вырезанными перфорированными областями, в которых отверстия можно легко сделать, как правило, без инженерного согласования. Если требуются большие отверстия, их обычно можно сделать только в стенке и только в центральной трети пролета; верхняя и нижняя полки теряют свою несущую способность при резке. Размеры и форма отверстия, а также его расположение должны быть одобрены инженером до его вырезания, а во многих регионах необходимо предоставить в органы строительного надзора лист с расчетами, выполненными инженером, прежде чем отверстие будет одобрено. Некоторые I-балки изготавливаются с W-образной стенкой, как в ферме, чтобы избежать резки и обеспечить проходку воздуховодов. Клееная древесина (finger-jointed lumber) – длина цельной древесины обычно ограничена , но ее можно увеличить с помощью технологии "стыковки пальцами", используя небольшие цельные куски, обычно длиной, и соединяя их вместе с помощью пальцевых соединений и клея для получения длины до 36 футов (11 м) в размере 2×6. Стыковка пальцами также широко распространена в предварительно нарезанных стойках стен. Это также доступная альтернатива не несущей твердой древесине, которая будет окрашиваться (окрашивание сделает стыки пальцами видимыми). При строительстве следует избегать забивания гвоздей непосредственно в клеевой стык, так как это может привести к поломке стойки. Клееная древесина (glulam) – изготавливается из досок 2×4 или 2×6 путем склеивания их поверхностей для создания балок, например, 4×12 или 6×16. Таким образом, балка представляет собой один большой кусок древесины, что устраняет необходимость в вырубке более крупных и старых деревьев для получения балки того же размера. Сборные фермы – фермы используются в строительстве домов в качестве предварительно изготовленной замены стропилам крыши и балкам перекрытия (каркасная конструкция). Это считается более простым монтажом и лучшим решением для поддержки крыши, чем использование распорок и обрешетки из цельной древесины. В южных штатах США и в других регионах все еще преобладает каркасная конструкция крыши из цельной древесины. Основные недостатки ферм – уменьшение пространства на чердаке, время, необходимое для проектирования и заказа, и более высокая стоимость по сравнению с цельной древесиной, необходимой при традиционной каркасной конструкции. Преимущества – значительно сниженные затраты на рабочую силу (монтаж быстрее, чем при традиционной каркасной конструкции), стабильность и общая экономия времени.

Деревянные кучи

В Соединенных Штатах сваи в основном изготавливают из южной желтой сосны и дугласовой ели. Обработанные сваи доступны с содержанием хромата меди и мышьяка, если требуется обработка.

Историческое китайское строительство

В соответствии с предписаниями «Метода строительства» (營造法式), изданного правительством династии Сун в начале XII века, пиломатериалы были стандартизированы до восьми поперечных размеров. Независимо от фактических размеров пиломатериала, соотношение ширины к высоте поддерживалось в пропорции 1:1,5. Единицы измерения – дюймы династии Сун (31,2 мм).

| Класс | Высота | Ширина | Применение |
|---|---|---|---|
| 1-й | 9 | 6 | Большие залы шириной в 11 или 9 пролетов |
| 2-й | 8,25 | 5,5 | Большие залы шириной в 7 или 5 пролетов |
| 3-й | 7,5 | 5 | Большие залы шириной в 5 или 3 пролета, или залы шириной в 7 или 5 пролетов |
| 4-й | 7,2 | 4,8 | Большие залы шириной в 3 пролета, или залы шириной в 5 пролетов |
| 5-й | 6,6 | 4,4 | Большие залы шириной в 3 малых пролета, или залы шириной в 3 больших пролета |
| 6-й | 6 | 4 | Пагоды и небольшие залы |
| 7-й | 5,25 | 3,2 | Пагоды и небольшие большие залы |
| 8-й | 4,5 | 3 | Небольшие пагоды и потолки |

Пиломатериалы, меньшие, чем 8-й класс, назывались «внеклассовыми» (等外). Ширина пиломатериала определялась как одна «древесина» (材), а размеры других конструктивных элементов указывались в кратных единицах «древесины». Таким образом, поскольку ширина фактического пиломатериала варьировалась, размеры других элементов легко рассчитывались без использования конкретных значений для каждого масштаба. Размеры пиломатериалов для аналогичных целей постепенно уменьшались от династии Суй (580–618) до современной эпохи; пиломатериал 1-го класса эпохи Суй был реконструирован как 15×10 (дюймы династии Суй, или 29,4 мм).

Силы природы

Существуют две основные природные силы, ответственные за возникновение дефектов в древесине и пиломатериалах: аномальный рост и разрушение тканей. Разрушение тканей включает в себя трещины или расколы в древесине, называемые "трещинами" или "колесами" (shakes). "Колесная трещина" (ring shake), "ветровая трещина" (wind shake) или "отслоение колец" (ring failure) – это разделение волокон древесины вокруг годичных колец как в стоящем, так и в срубленном дереве. Трещины могут снижать прочность древесины и ухудшать ее внешний вид, что приводит к снижению сорта пиломатериалов, а также способствуют удержанию влаги и развитию гнили. Восточная гемила известна своей склонностью к образованию колесных трещин. "Поверхностная трещина" (check) – это трещина на поверхности древесины, вызванная усадкой внешней стороны пиломатериала в процессе сушки. Поверхностные трещины могут доходить до сердцевины и следовать вдоль волокон. Как и трещины, поверхностные трещины могут удерживать воду, способствуя гниению. "Раскол" (split) – это трещина, проходящая насквозь через пиломатериал. Поверхностные трещины и расколы чаще возникают на концах пиломатериалов из-за более быстрого высыхания в этих местах.

Контроль влажности

Дерево – гигроскопичный материал, что означает, что оно естественным образом поглощает и выделяет воду, чтобы сбалансировать внутреннее содержание влаги с окружающей средой. Содержание влаги в древесине измеряется как отношение веса воды к абсолютно сухому весу древесного волокна, выраженное в процентах. Ключевым фактором в предотвращении гниения является контроль влажности. Как только грибки, вызывающие гниение, поселились, минимальное содержание влаги, необходимое для их распространения, составляет 22–24 процента, поэтому специалисты в области строительства рекомендуют 19 процентов как максимальное безопасное содержание влаги для необработанной древесины в процессе эксплуатации. Сама по себе вода не наносит вреда древесине, однако древесина с постоянно высоким содержанием влаги создает благоприятные условия для роста грибковых организмов. Основная задача при работе с влагой – предотвратить ее проникновение в ограждающие конструкции здания и поддерживать баланс влажности внутри самого здания. Контроль влажности посредством применения общепринятых конструктивных решений – это простой и эффективный способ защиты деревянного каркаса от гниения. В случаях, когда существует высокий риск длительного намокания, проектировщики выбирают долговечные материалы, такие как породы древесины, естественно устойчивые к гниению, или древесину, обработанную защитными составами. Обшивка, черепица, обвязочные доски, а также открытые деревянные конструкции или клееные балки – примеры областей применения обработанной древесины.

Консерванты

Чтобы избежать гниения и повреждения термитами, необработанную древесину отделяют от земли и других источников влаги. Такие разделения требуются многими строительными нормами и считаются необходимыми для поддержания древесных элементов в постоянных конструкциях при безопасном уровне влажности, обеспечивающем защиту от разрушения. Когда невозможно отделить древесину от источников влаги, проектировщики часто используют древесину, обработанную защитными составами. Древесину можно обработать консервантом, который увеличивает срок службы в тяжелых условиях эксплуатации, не изменяя ее основных характеристик. Также ее можно пропитать под давлением огнезащитными химическими веществами, повышающими ее устойчивость к огню. Одним из первых методов обработки древесины для придания ей огнестойкости, замедляющей распространение огня, был разработан в 1936 году корпорацией Protexol, заключавшийся в интенсивной обработке древесины солью. Древесина не разрушается просто от намокания. Разрушение происходит, когда древесину поражает организм, который ее поедает. Консерванты действуют, делая источник пищи несъедобным для этих организмов. Правильно обработанная древесина может прослужить в 5-10 раз дольше, чем необработанная. Защищенная древесина чаще всего используется для шпал, опор линий электропередач, морских свай, настилов, заборов и других наружных работ. Существуют различные методы обработки и типы химических веществ, выбор которых зависит от требуемых характеристик в конкретном применении и необходимого уровня защиты. Существует два основных метода обработки: с применением давления и без него. Безнапорные методы включают нанесение консервантов кистью, распылением или погружением обрабатываемой детали. Более глубокое и полное проникновение достигается путем принудительной подачи консерванта в древесные клетки под давлением. Используются различные комбинации давления и вакуума для обеспечения достаточного уровня проникновения химических веществ в древесину. Консерванты для обработки под давлением состоят из химических веществ, растворенных в растворителе. Хромат меди и мышьяка, ранее наиболее распространенный консервант для древесины в Северной Америке, начал постепенно выводиться из использования в большинстве жилых применений в 2004 году. Ему на замену пришли амин-медь-кват и медно-азольный консерванты. Все консерванты для древесины, используемые в Соединенных Штатах и Канаде, зарегистрированы и регулярно проверяются на безопасность Агентством по охране окружающей среды США и Управлением по борьбе с вредителями и регулированию здоровья Канады соответственно.

Экологическое воздействие древесины

Зеленое строительство минимизирует воздействие или "экологический след" здания. Дерево – важный строительный материал, который возобновляется и восстанавливается в непрерывном цикле. Однако спрос на древесину обвиняют в вырубке лесов.

Остатки древесины

Переход от угля к энергии биомассы – растущая тенденция в Соединенных Штатах. Правительства Великобритании, Узбекистана, Казахстана, Австралии, Фиджи, Мадагаскара, Монголии, России, Дании, Швейцарии и Эсватини поддерживают расширение роли энергии, получаемой из биомассы – органических материалов, доступных для возобновления, включая отходы и/или побочные продукты лесозаготовок, производства пиломатериалов и бумаги. Они рассматривают это, в частности, как способ снизить выбросы парниковых газов за счет сокращения потребления нефти и газа, одновременно поддерживая развитие лесного хозяйства, сельского хозяйства и сельской экономики. Исследования, проведенные правительством США, показали, что совокупные лесные и сельскохозяйственные ресурсы страны способны устойчиво обеспечивать более трети текущего потребления нефти. Биомасса уже является важным источником энергии для североамериканской лесопромышленной отрасли. Компании часто оснащаются когенерационными установками, также известными как системы комбинированного производства тепла и электроэнергии, которые преобразуют часть биомассы, образующейся при производстве древесины и бумаги, в электрическую и тепловую энергию в виде пара. Электроэнергия используется, в частности, для сушки пиломатериалов и обеспечения теплом сушилок, применяемых в производстве бумаги.

Конец срока службы

Исследование EPA показало типичный сценарий утилизации древесных отходов из твердых коммунальных отходов (ТКО), деревянной упаковки и других прочих изделий из древесины в США. Согласно данным за 2018 год, около 67% древесных отходов было захоронено на полигонах, 16% – сожжено с извлечением энергии, а 17% – переработано. Исследование, проведенное в 2020 году Эдинбургским университетом Napier, продемонстрировало пропорциональный состав потока отходов из восстановленной древесины в Великобритании. Исследование показало, что древесина из твердых коммунальных отходов и отходов упаковки составляла 13 и 26% собранных отходов соответственно. Отходы строительства и сноса составляли наибольшую долю отходов – 52%, а остальные 10% поступали из промышленности.

В циркулярной экономике

Фонд Эллен МакАртур определяет круговую экономику как "основанную на принципах исключения отходов и загрязнения, сохранения продуктов и материалов в использовании и восстановления природных систем". Круговую экономику можно рассматривать как модель, направленную на устранение отходов за счет максимального использования ценности и срока службы материалов и продукции. Проще говоря, это совершенно новая модель производства и потребления, обеспечивающая устойчивое развитие во времени. Она связана с повторным использованием материалов, компонентов и продуктов на протяжении более длительного жизненного цикла. Дерево – один из наиболее востребованных материалов, что делает важным разработку модели круговой экономики для этой отрасли. Лесопильная промышленность производит большое количество отходов, особенно в процессе производства. От снятия коры до получения готовой продукции существует несколько этапов обработки, генерирующих значительный объем отходов, включая твердые древесные отходы, вредные газы и сточные воды. Поэтому важно выявлять и внедрять меры по снижению загрязнения окружающей среды, обеспечивая финансовую выгоду для предприятий (например, продажа отходов производителям древесной щепы) и поддерживая здоровые отношения между окружающей средой и промышленностью. Древесные отходы могут быть переработаны в конце срока службы для производства новых продуктов. Из переработанной щепы можно изготавливать древесные панели, что выгодно как для окружающей среды, так и для промышленности. Такая практика снижает использование первичного сырья и устраняет выбросы, которые в противном случае возникли бы при его производстве. Одно из исследований, проведенных в Гонконге, показало, что это выгодно для отраслей, нуждающихся в тепловой энергии. Практики круговой экономики предлагают эффективные решения в отношении отходов, направленные на предотвращение их образования за счет сокращения, повторного использования и переработки. Четких доказательств применения принципов круговой экономики в производстве древесных панелей пока нет. Однако, основываясь на концепции и характеристиках круговой экономики, в отрасли древесных панелей существуют возможности, начиная от этапа добычи сырья и заканчивая концом срока службы продукции. Таким образом, существует неизученная область для дальнейших исследований.