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 , 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

[3][5][9]

– [3]

– [4]

– [9]

Процессы разрушения деревянных конструкций замедляются при использовании методов высокотемпературной сушки (стабилизации) древесины

[1]

Метод термомодификации

——

Результаты исследований

[1][2]

Термодревесина (термомодифицированная древесина)

—[6][7][8][11]

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.

2. Методы и принципы исследования

В рамках исследования применялся комбинированный метод, включающий термомодификацию с последующей пропиткой

водным раствором карбамидомДля установления оптимальных параметров обработки был применен многофакторный эксперимент. —

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.

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

[10][12]

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

—

При выборе технологического режима необходимо учитывать рекомендации, представленные в таблице 2.

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.

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/м3Missing Mark : sup, увеличение плотности связано с проникновением карбамида в структуру древесины.

Сравнительный анализ изменения ключевых свойств древесины в результате после комплексной обработки представлен в Таблице 5.

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.

The additional file for this article can be found as follows: