Projekt modifikace buku pomůže nastartovat zelenou revoluci ve stavebnictví

Projekt Modifikace buku je financovaný z Operačního programu Podnikání a inovace Ministerstva průmyslu a obchodu ČR a jeho účastníky byly divize WOOD společnosti MATRIX a Lesnická a dřevařská fakulta Mendelovy univerzity v Brně. Jeho cílem je najít nejvhodnější způsob modifikace bukového dřeva, který by z něj udělal trvanlivý environmentálně šetrný materiál v době, kdy celá střední Evropa čelí bezprecedentní kalamitě monokultur smrkových porostů. Zájem lesníků a dřevozpracujícího průmyslu se tedy obrací k dřevinám obvyklým pro původní smíšený les, které pomohou bojovat proti klimatické změně a nastartovat zelenou revoluci ve stavebnictví.

Tím byla navázána dlouholetá spolupráce s Ústavem nauky o dřevě a dřevařských technologií LDF, jehož mladý a dynamicky se rozvíjející kolektiv se snaží ukázat, že dřevo je skutečným materiálem budoucnosti. Tým pod vedením prof. Dr. Pavla Krále se vydal ambiciózní cestou s cílem navrhnout metodu pro efektivní modifikaci a ekonomické zpracování bukového řeziva pro výrobu lepeného lamelového dřeva (BSH).

Dřevo buku lesního má velmi dobré mechanické vlastnosti a vysokou estetickou hodnotu, což je vyváženo malou rozměrovou stálostí při změně vlhkosti okolního prostředí, nízkou trvanlivostí a zbytkovým růstovým napětím, komplikující zpracování. Úkolem tedy bylo navrhnout modifikační proces snižující hygroskopicitu, to je schopnost přijímat vlhkost bukové suroviny, stabilizovat zbytková napětí a zvýšit trvanlivost.

Vhodným řešením je proces tepelné – termické modifikace dřeva a vystavit ho několik hodin trvajícímu působení zvýšených teplot v rozmezích 160 až 230 °C v prostředí se sníženým obsahem kyslíku. Pro nalezení optimální modifikační teploty byly v souvislosti s výzkumem navrženy celkem tři režimy s tepelnou úpravou na úrovni 160, 180 a 200 °C. Bukové lamely o průřezu 95 krát 45 a délce 800 milimetrů byly nejdříve vysušeny na vlhkost blízkou 0–2 procent a poté tepelně upraveny v laboratorní komoře od firmy KATRES. Během procesu byla monitorována teplota přímo v komoře, na povrchu a pomocí závrtných sond i uvnitř dřeva.

Vedlejší efekt procesu tepelné modifikace je rovnoměrná změna barvy do teplých tónů hnědé, která ještě více umocňuje estetickou hodnotu materiálu. Během procesu vznikají ve dřevě i nové chemické látky na bázi aromatických uhlovodíků, jež mu dodávají příjemnou vůni a účinně působí proti napadení dřevokaznými houbami a hmyzem. Vzhledem ke snaze vytvořit materiál vhodný pro lepené lamelové nosníky bylo nutné zjistit, jak je modifikovaný materiál slepitelný.

Snížení hygroskopicity dřeva má dva negativní efekty na tvorbu lepených spojů. Sníženou rovnovážnou vlhkost dřeva (RVD) a změny povrchových vlastností dřeva a tím zhoršení lepených spojů. Proto se hledalo nejvhodnější lepidlo umožňující vytvářet konstrukční lepené spoje podle ČSN EN 301 (2013) a 15425 (2008). Zkouškou zatížení smykového tělíska v tlaku byla stanovena pevnost lepených spojů vytvořených v průmyslu běžně používaných lepidel, jako jsou fenol-rezorcin formaldehydové (PRF), melamin-močovino-formaldehydové (MUF), dvou druhů polyuretanových (1K-PUR) a lepidla na bázi emulzního-polymerního-isokyanátu (EPI).

Z výsledků zkoušek pevnosti lepených spojů jsou pro lepení termicky modifikovaného buku vhodná lepidla PRF a 1K-PUR (Henkel PURBOND S309). V případě 1K-PUR lepidla, které pro vytvoření spoje v požadované kvalitě potřebuje dostatečnou vlhkost, byly lepené povrchy před nanesením lepidla a lisováním navlhčeny vodní mlhou.

Použití PRF lepidla má však několik negativ. Kromě delší doby pro vytvrzení lepeného spoje si žádá komplexní výrobní technologii pro nanášení pryskyřice a tvrdidla buď ve směsi, nebo odděleně. Navíc uvolňuje velké množství VOC látek, které mohou ve vyšších koncentracích představovat riziko pro lidské zdraví. Proto bylo pro další experimenty použito 1K-PUR (Henkel PURBOND S309).

Hlavním důvodem, který brání uplatnění termicky modifikovaného dřeva pro výrobu nosných prvků dřevostaveb, je snížení jeho mechanických vlastností vlivem tepelné degradace. Snížené mechanické vlastnosti lepeného lamelové dřeva je možné zlepšit využitím vlákenné výztuže, která je vlepena na spodní stranu prvku namáhanou tahem. Pro svoje dobré mechanické vlastnosti a environmentálně pozitivní vlastnosti byl jako výztuž zvolen čedičový prut průměru osm milimetrů.

Následovalo zpracování lamel modifikovaných teplotou 180 °C postupem obvyklým pro výrobu lepeného lamelového dřeva. Lamely byly podélně nastaveny zubovým spojem a opatřeny půlkulatou drážkou pro vlepení prutu a slepeny do pětivrstvého prvku o rozměrech 200 krát 80 krát 2400 milimetrů.

Vyrobené prvky budou mechanicky testovány zkouškou tříbodým ohybem podle ČSN EN 408+A1 (2013) na univerzálním zkušebním stroji a výsledné pevnostní charakteristiky porovnány s klasickým smrkovým BSH-nosníkem. Koncept vyztuženého BSH prvku zhotoveného z termicky modifikovaného bukového dřeva byl registrován Úřadem průmyslového vlastnictví ČR Užitným vzorem č. 33 249.