Долговечность древесины при реставрации деревянных конструкций в зданиях
Долговечность древесины при реставрации деревянных конструкций в зданиях
Аннотация
В статье представлены результаты исследований по применению стабилизированной термодревесины мягких лиственных пород (береза) и хвойных пород (на примере сосны) с улучшенной технологией пропитки для повышения долговечности деревянных конструкций при реставрации зданий. Долговечность достигается за счет комплексного подхода, основным элементом которого является улучшенная технология пропитки, а также учет изменения физико-механических свойств древесины до и после обработки. В результате исследований установлено, что улучшенная технология пропитки оказывает положительное влияние на долговечность древесины, это проявляется в значительном снижении влагопоглощения, повышении устойчивости к биопоражениям по сравнению с необработанной древесиной и повышении устойчивости к воздействию агрессивных химических веществ. Основное внимание уделено комплексному подходу, включающему модификацию структуры древесины за счет высокотемпературной сушки и последующей пропитки карбамидом. Установлено, что предложенная технология обеспечивает снижение влагопоглощения, повышение биостойкости и устойчивости к химическим воздействиям. Плотность древесины мягких лиственных пород после обработки увеличивается до 850 кг/м³ (против 630–650 кг/м³ до пропитки). Разложение карбамида (NH₂)₂CO с образованием аммиака и CO₂ способствует созданию защитного слоя, изменяющего pH среды и препятствующего развитию микроорганизмов.
1. Введение
Строительные материалы в процессе эксплуатации подвергаются воздействию различных агрессивных сред, а отсутствие надлежащего своевременного ремонта приводит к их постепенному разрушению. Долговечность является ключевым фактором при выборе строительных материалов, особенно при реставрации деревянных конструкций в зданиях.
Объектом исследования в данной работе являются образцы древесины лиственных пород (береза) и хвойных пород (на примере сосны), отобранные для моделирования процесса реставрации. Предмет исследования — влияние комплексной обработки, включающей высокотемпературную сушку (термомодификацию) и последующую пропитку водным раствором карбамида на физико-механические свойства и долговечность материала. Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки эффективных и экологичных методов продления срока службы исторических деревянных конструкций, подверженных биоповреждениям и деформациям. Научная новизна работы заключается в установлении оптимальных параметров комбинированной технологии (термомодификации с улучшенной технологией пропитки водным раствором карбамида), обеспечивающей глубокое проникновение состава и стабилизацию структуры древесины. Целью исследования является оценка эффективности предложенной комбинированной технологии для повышения долговечности древесины, используемой в реставрации. Основные задачи для достижения цели:
– анализ влияния высокотемпературной сушки на плотность и гигроскопичность древесины;
– разработка режимов пропитки 30% водным раствором карбамидом для выбранных пород;
– сравнение физико-механических свойств образцов до и после обработки;
– оценка биостойкости и химической устойчивости модифицированных образцов древесины в сравнении с контрольными.
Для продления срока службы деревянных конструкций используются различные методы, направленные на защиту от разрушения, включая пропитку консервирующими составами и другими средствами. Одним из распространенных подходов является пропитка древесины различными консервирующими составами
, , :– синтетическими полимерами, такими как фенолоформальдегидные и эпоксидные
;– гидрофобизаторы на основе этилсиликата калия и бутадиен-стирольного латекса
;– кремнийорганические гидрофобизаторы
.Процессы разрушения деревянных конструкций замедляются при использовании методов высокотемпературной сушки (стабилизации) древесины
, представляющей собой альтернативный подход к повышению долговечности.Метод термомодификации — высокотемпературная сушка (стабилизация) древесины — является эффективным решением для повышения долговечности. Он применяется как в новом строительстве, так и, что особенно важно, для защиты деревянных конструкций при реставрации памятников архитектуры. Данный метод позволяет значительно повысить долговечность деревянных элементов, предотвращая гниение, поражение насекомыми и деформацию под воздействием влаги.
Результаты исследований
, свидетельствуют о положительном влиянии высокотемпературной сушки на структуру и свойства древесины, что позволяет получать материалы и изделия из цельной древесины (бревна, бруса), обладающие высокой формостабильностью, эксплуатационной стойкостью и долговечностью.Термодревесина (термомодифицированная древесина) — это стабилизированный древесный материал с заданными физико-механическими характеристиками, получаемый путем термической обработки древесины по особым высокотемпературным технологиям и применяемый при реставрации деревянных конструкций в зданиях памятников архитектуры
, , , .Клеточная структура древесины меняется в процессе производства стабилизированной термодревесины под воздействием высокой температуры, что придает материалу особые физико-механические характеристики, обеспечивающие его устойчивость и прочность, которая представлена в таблице 1.
Таблица 1 - Клеточная структура древесины (основные свойства и функции)
Древесные волокна | Содержание, % | Основные свойства и функции |
Целлюлоза (древесные волокна) | 40–58 | Основной структурный компонент, придающий прочность на растяжение. Обеспечивает эластичность древесины. Волокнистая структура. Относительно стабильны древесные волокна, может частично разрушаться при высоких температурах. Снижение прочности при очень высоких температурах. |
Лигнин | 20–50 | Обеспечивает жесткость и прочность на сжатие. Скрепляет волокна целлюлозы, обеспечивая одревеснение. Увеличивается устойчивость к биологическому разрушению. |
Гемицеллюлозы | 15–38 | Связывают волокна целлюлозы и лигнина. Наиболее подвержены деструкции. Разрушение волокон ведет к улучшению стабильности размеров и снижению влагопоглощения. |
Экстрактивные вещества | 0,8–6,9 | Частично испаряются или разлагаются. Придают древесине специфический запах, цвет и устойчивость к биологическому разрушению. Включают в себя смолы, дубильные вещества, эфирные масла, жиры и другие соединения. Могут оказывать влияние на пропитку и склеивание древесины. |
2. Методы и принципы исследования
В рамках исследования применялся комбинированный метод, включающий термомодификацию с последующей пропиткой водным раствором карбамидом. Для установления оптимальных параметров обработки был применен многофакторный эксперимент. План эксперимента — варьирование ключевых технологических факторов (т.е.переменные) при фиксации остальных параметров (т.е.постоянные). Выходными параметрами (т.е.откликами) процесса, определяющими долговечность, были выбраны: изменение плотности, прочности при сжатии вдоль волокон, влагопоглощения, биостойкости и глубины проникновения пропиточного состава. Переменные факторы и уровни варьирования:
1) температура термомодификации: 160°C, 200°C, 240°C;
2) давление при пропитке: 1.0 МПа, 1.25 МПа, 1.5 МПа;
3) время пропитки: 3 ч, 4 ч, 5 ч.
Постоянные факторы: порода древесины (серии экспериментов для мягких лиственных пород и хвойных пород), влажность образцов перед пропиткой (12%), концентрация водного раствора карбамида составляла 30%, температура раствора при пропитке составляла 30±2°C, конечная влажность после термомодификации составляла 30%.
Полученные экспериментальные данные были подвергнуты статистической обработке. Для каждого режима проводилась статистическая обработка (n=5): расчет среднего значения, стандартного отклонения и коэффициента вариации. Для оценки значимости различий использовался t-критерий Стьюдента (p<0,05). Взаимосвязь откликов и факторов описывалась уравнениями регрессии второго порядка, что позволило выявить оптимальные режимы обработки.
2.1. Экспериментальная часть
Улучшенная технология пропитки. Технология изготовления стабилизированной термодревесины мягких лиственных пород и хвойных пород для улучшения технических характеристик древесины позволяет обеспечить глубокое проникновение защитного раствора в структуру древесины и обеспечивает ее стабилизацию и защиту
, . Разработанная технология включает следующие этапы:1. Термомодификация: нагрев в камере при 135–240°C до влажности 30% (деструкция гемицеллюлоз, снижение гигроскопичности), температура (±2°C), время экспозиции (2–4 ч в зависимости от породы).
2. Пропитка карбамидом: раствор 30% водный (NH₂)₂CO (pH 7–8), давление 1,5 МПа, время 3,5–4 ч, температура раствора 15–45°C. Уровни варьирования факторов: давление: 1,0–1,5 Мпа, время: 3–5 ч., концентрация: 20–40%.
3. Контроль параметров: влажность образцов перед пропиткой: 12%, температура сушки: 60°C.
4. Испытания древесины выполнялись согласно стандартизованным методам по ГОСТ.
Для оценки глубины пропитки использован метод визуального контроля по изменению цвета на поперечном распиле образца после нанесения индикатора, индикатор — спиртовой раствор фенолфталеина, меняющий цвет в щелочной среде, создаваемой карбамидом. Содержание карбамида в образцах после пропитки и сушки определяли по методу Кьельдаля, модифицированному для анализа общего азота с последующим пересчетом на карбамид. Статистическая обработка данных, а именно, расчет среднего арифметического значения, стандартного отклонения, коэффициента вариации, проводилась для серий из 5 однородных образцов по каждому режиму.
При выборе технологического режима необходимо учитывать рекомендации, представленные в таблице 2.
Таблица 2 - Рекомендации при выборе технологического режима
Фактор, влияющий на пропитку | Влияние на процесс пропитки | Рекомендации при выборе режима |
Плотность образцов пород | Чем выше плотность, тем сложнее происходит процесс пропитки древесины. | Для более плотных пород может потребоваться более высокое давление или более длительное время пропитки. |
Расположение в стволе: заболонь, центральная часть, ядро, верхняя/нижняя часть ствола | Центральная часть и ядро пропитываются сложнее, чем заболонь. Процесс пропитки верхней части ствола происходит быстрее и проще, чем нижней, более плотной части. Ядро древесины пропитывается сложнее. | При пропитке цельных бревен или бруса следует учитывать разную пропитываемость различных частей ствола. |
Дефекты древесины: смолянистость, подсочка хвои, ложное ядро, древесина с волнистой и путанной свилеватостью | Ухудшают качество пропитки. | При подсортировке необходимо отбраковывать древесину с указанными дефектами, так как они препятствуют равномерному распределению пропиточного состава. |
3. Основные результаты
В результате проведенных исследований установлено, что улучшенная технология пропитки оказывает положительное влияние на долговечность древесины, используемой при реставрации деревянных конструкций в зданиях. Это проявляется в снижении влагопоглощения, повышении устойчивости к биопоражениям и химическим воздействиям.
Ключевые физико-механические свойства контрольных и обработанных образцов представлены в Таблице 3. Физико-механические свойства и показатели долговечности образцов древесины после комплексной обработки и Таблице 4. Физико-механические свойства контрольных образцов древесины до обработки.
Таблица 3 - Физико-механические свойства контрольных образцов древесины до обработки
Параметр | Древесина из мягких лиственных пород | Древесина из хвойных пород |
Плотность (при 12% влажности), кг/м3 | 630–650 | 500–550 |
Твердость по Бринеллю | 3,0 | 2,5 |
Устойчивость к гниению | высокая | умеренная |
Класс пропитываемости | легко пропитываемые | умеренно пропитываемая |
Таблица 4 - Физико-механические свойства и показатели долговечности образцов древесины после комплексной обработки
Параметр | Древесина из мягких лиственных пород | Древесина из хвойных пород |
Плотность, кг/м3 | 600–850 | 400–500 |
Содержание карбамида после пропитки, % | 9–10 | 8–9 |
Деформация при сжатии, мм | 1,30–1,38 | 1,85–1,96 |
Величина восстановления после снятия нагрузки, мм | 0,7–0,95 | 0,5–0,65 |
Влагопоглощение, % | 7,2 | – |
Глубина пропитки, мм | 10-15 | 5-8 |
Устойчивость к гниению (после обработки) | Повышенная | Повышенная |
Отмечено снижение прочности при сжатии после пропитки, снижение является статистически значимым, но, как показывают расчеты, не приводит к критическому уменьшению несущей способности элементов, что тем не менее необходимо учитывать в проектных решениях.
Обработка карбамидом повышает устойчивость к биопоражениям и химическому воздействию, обеспечивая долговечность. Плотность древесины из мягких лиственных пород после пропитки увеличилась до 850 кг/м3, увеличение плотности связано с проникновением карбамида в структуру древесины.
Сравнительный анализ изменения ключевых свойств древесины в результате после комплексной обработки представлен в Таблице 5.
Таблица 5 - Сравнительный анализ изменения ключевых свойств древесины в результате после комплексной обработки
Параметр | Древесина из мягких лиственных пород (контрольный) | Древесина из мягких лиственных пород (после обработки) | Изменение, % | Древесина из хвойных пород (контрольный) | Древесина из хвойных пород (после обработки) | Изменение, % |
Плотность, кг/м³ | 630–650 | 600–850 | +4...+30 | 500–550 | 400–500 | ~0 / незнач. |
Предел прочности при сжатии вдоль волокон, МПа (при W=12% / W=30%) | 60/25 | 45/- | -25/- | 46/20 | 40/- | -13%/- |
Влагопоглощение, % | 12,0 | 7,2 | -40 | н.д. | – | – |
Глубина пропитки, мм | – | 10-15 | +10…15 | – | 5–8 | +5…8 |
Содержание карбамида, % | 0 | 9-10 | +9–10 п.п. | 0 | 8–9 | +8–9 п.п. |
Устойчивость к гниению | Высокая | Повышенная | – | Умеренная | Повышенная | – |
Примечание: п.п. – процентные пункты; изменение плотности рассчитано относительно нижней границы диапазона контрольных образцов; прочность для контрольных образцов хвойных пород в рамках данного исследования не определялась
Статистическая обработка показала, что снижение прочности при сжатии вдоль волокон у обработанных образцов мягких лиственных пород при влажности 12% составило в среднем 8–12% (при p<0,05) по сравнению с контрольными образцами. Для хвойных пород снижение составило 10–15%. Данное снижение является статистически значимым, но, как показали расчеты, не приводит к критическому уменьшению несущей способности элементов реставрируемых конструкций, что необходимо учитывать в проектных решениях.
Биостойкость повышена за счет снижения влагопоглощения на 40% (с 12% до 7,2%), увеличения сопротивления грибкам. Химическая устойчивость обеспечивается за счет разложения карбамида с образованием аммиака и углекислого газа, что описывается следующей химической реакцией:
Измерения pH водной вытяжки из обработанных образцов показали устойчивое значение в диапазоне 9,0–9,8, что подтверждает создание щелочной среды. Глубина проникновения раствора карбамида, определенная индикаторным методом, составила для мягких лиственных пород 10–15 мм, а для хвойных пород – 5–8 мм при оптимальном режиме (т.е. давление 1,5 МПа, время 4 ч). Содержание карбамида в пропитанной древесине после сушки составляет 8–10% от массы сухой древесины для мягких пород и 8–9% для хвойных пород.
4. Заключение
Проведенное исследование подтверждает, что стабилизированная термодревесина, полученная с применением улучшенной технологии пропитки, является перспективным материалом при реставрации деревянных конструкций в зданиях, сочетая экологическую безопасность с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Экспериментальные данные показали, что после обработки плотность древесины увеличивается на 25–35%, достигая 850 кг/м³ для мягких лиственных пород, при этом сохраняется естественная текстура материала.
Применение стабилизированной термодревесины, обработанной по улучшенной технологии, обусловлено ее повышенной устойчивостью к гниению, сниженным влагопоглощением (на 40% по сравнению с необработанными образцами) и увеличенным сроком службы, что, в сочетании с относительно доступной ценой, делает ее привлекательным выбором для реставрации (Таблица 5). Особенно рекомендуется применение стабилизированной термодревесины для замены сильно изношенных нижних венцов деревянных срубов в памятниках архитектуры. Лабораторные испытания продемонстрировали, что обработанные образцы сохраняют стабильность размеров при циклическом увлажнении-высыхании, что критически важно для исторических сооружений. Предложенная технология позволяет обеспечить надежную защиту от гниения и разрушения в наиболее уязвимой части здания.
Улучшенная технология пропитки, основанная на использовании карбамида (30% концентрация), обеспечивает не только укрепление структуры древесины и эффективную защиту от вредных воздействий, но и создает щелочную среду (pH 9–10), препятствующую развитию микроорганизмов что, как показали исследования, значительно увеличивает долговечность, предотвращает гниение и разложение. При этом химическая безопасность метода подтверждена анализами на отсутствие выделения токсичных веществ в процессе эксплуатации.
Перспективы дальнейшего совершенствования технологии включают разработку оптимальных режимов обработки для различных пород древесины, а также исследования долговечности материала в различных климатических условиях. Особое внимание следует уделить адаптации метода для работы с ценными историческими породами древесины, часто встречающимися в памятниках архитектуры.