CC BY
36УДК 624.011.1
А.Д. ЛОМАКИН, канд. техн. наук, зав. сектором лаборатории деревянных конструкций ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко (Москва)
Глубокая пропитка древесины средствами защиты от биоразрушения и возгорания
В зависимости от назначения пропитываемого материала, условий его службы и вида защитного состава в строительстве используют два принципиально отличных друг от друга способа пропитки древесины: глубокая пропитка, при которой пропиточная жидкость проникает на глубину 2—3 см и более (при определенных режимах можно добиться сквозной пропитки сортимента) и способ нанесения на поверхность, обеспечивающий проникновение пропиточной жидкости в поверхностные слои древесины на глубину 1—2 мм.
Глубокой пропитке маслянистыми и водорастворимыми антисептиками (консервированию) в обязательном порядке подвергают деревянные опоры линий электропередачи и связи, переводные и мостовые брусья, шпалы. Глубокую пропитку антипиренами применяют в тех случаях, когда необходимо получить трудносгораемую древесину, а другие способы пропитки при этом оказываются менее эффективными.
Глубокую пропитку элементов деревянных конструкций осуществляют водорастворимыми антисептиками преимущественно в автоклавах под давлением выше атмосферного. Наибольшее распространение в мировой практике получили два способа пропитки: способ полного поглощения и способ ограниченного поглощения.
Способ полного поглощения, или, по терминологии, принятой ГОСТ 20022.6—93, вакуум—давление—вакуум (ВДВ), состоит из трех операций:
— начальный вакуум;
— жидкостное давление выше атмосферного, под действием которого в древесину вводят пропиточный состав;
— конечный вакуум, предназначенный при пропитке маслами для снижения начального поглощения, а при пропитке водорастворимыми составами — для подсушки поверхности защищаемого элемента. Способ ВДВ применяют в основном для пропитки
древесины водорастворимыми антисептиками, антипиренами и огнебиозащитными препаратами. При этом используют следующий режим. После загрузки в автоклав подлежащей пропитке древесины создают вакуум 0,08—0,09 МПа на 15—60 мин и затем, не снимая вакуума, вводят пропиточную жидкость и поднимают давление до 0,7—1 МПа. Продолжительность выдержки древесины под давлением определяется временем, которое требуется для получения заданного поглощения (как правило, 1—2 ч). После пропитки пропиточную жидкость из автоклава откачивают и создают конечный вакуум глубиной 0,07—0,09 МПа на 15—20 мин.
Глубокую пропитку древесины можно получить также, используя способ «прогрев—холодная ванна» (ПРХВ), при котором используют вакуум, образующийся в результате резкого перепада температуры в древесине, сначала нагретой в горячей жидкости (воздухом или паром), а затем быстро охлажденной в холодной. При прогреве воздух, находящийся во внешних слоях древесины, увеличивается в объеме и часть его удаляется. Одновременно из внешних слоев древесины испаряется
влага. При последующем погружении в холодную жидкость оставшиеся в древесине воздух и водяные пары охлаждаются, объем паровоздушной смеси уменьшается и в наружных слоях образуется вакуум. Жидкость, в которую была погружена древесина, под действием атмосферного давления проникает в нее и пропитывает.
Одно из главных достоинств способа ПРХВ — простота оборудования и сравнительно небольшие капиталовложения, необходимые для организации цехов. По характеру и глубине проникновения водорастворимых защитных средств пропитка сосны способом ПРХВ мало отличается от пропитки способом ВДВ. Древесина ели и пихты этим способом пропитывается всего на 1—2 мм.
В условиях строительных площадок простейшим и доступным способом консервирования древесины является вымачивание в горячем или холодном растворе антисептика. Этот способ применяется редко, поскольку для получения необходимой глубины пропитки требуется много времени.
Консервирование способом вымачивания эффективно для древесины легкопропитываемых пород и круглого леса хвойных пород, у которых имеется широкая заболонь (сосна). Получить глубокую пропитку обрезного пиломатериала хвойных пород даже в горячем растворе антисептика или антипирена не удается из-за плохой проницаемости древесины поперек волокон или полного ее отсутствия, например у спелой древесины ели.
Уровень защиты, достигаемый при пропитке сосновых бревен (столбов) способом вымачивания, имеет самую широкую амплитуду и зависит от продолжительности выдержки материала в пропиточной жидкости. При выдержке в ванне сухих сосновых бревен в течение 20—30 сут можно получить такую же защиту, как и при пропитке под давлением. Кратковременная выдержка (24 ч) в зависимости от вида защитного средства и свойств древесины может обеспечить пропитку заболони на глубину до 10 мм. Сырая древесина при той же концентрации раствора и тех же сроках выдержки пропитывается как в ванне, так и после за счет диффузии защитного средства, однако при соответственно меньшем содержании соли в пропитанной зоне. Общее поглощение водного раствора при вымачивании в большой степени зависит и от отношения площадей торцевых и боковых поверхностей. На величину общего поглощения может влиять также угол наклона, который образуют волокна древесины с боковыми гранями пропитываемого элемента и глубина его погружения. Так, например, при увеличении глубины погружения от 0,1 до 1,2 м (высота пакета) поглощение антисептика увеличивается на 10—30%.
Поглощение раствора зависит и от температуры пропиточной жидкости. Чем она выше, тем быстрее и глубже идет проникновение антисептика в глубь древесины. Но нужно учитывать, что не все антисептики выдерживают нагрев.
Известно, что проникновение жидкостей в древесину при прочих равных условиях находится в обратной
74
научно-технический и производственный журнал
июнь 2012
260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
1 1 1
- ^— / 3
/ 4
г.......................
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Время, сут
Рис. 1. Водопоглощение ранней и поздней древесины ели и сосны: ранняя древесина: 1 - ели; 2 - сосны; поздняя древесина: 3 - ели; 4 - сосны
Таблица 1
Порода древесины Средняя плотность при 1«=12%, кг/м3 Количество годичных слоев в 1 см Содержание ранней и поздней древесины,% Средняя плотность при \«=12%, кг/м3
Сосна 548 2,3 Поздняя 33 881
Ранняя 61 422
Ель 429 3,2 Поздняя 17 738
Ранняя 83 367
зависимости от их вязкости. Более вязкие жидкости хуже проникают в древесину, чем менее вязкие. Так, например, маслянистые антисептики (пропиточные масла) из-за более высокой вязкости при прочих равных условиях значительно хуже проникают в древесину, чем водные растворы. Эффективной мерой по снижению вязкости жидкостей является их подогрев. При повышении температуры поглощение и проникновение жидкости улучшается. Динамическая вязкость воды при 10оС в 2,4 раза выше, чем при 50оС — 1,307 и 0,547• 10-3 (И-е/м2) соответственно. Такая же зависимость сохраняется и для водных растворов антисептиков и антипиренов. К сожалению, на практике при проведении работ по антисептированию и антипириро-ванию конструкций в холодное время года очень редко прибегают к такому эффективному технологическому приему, как предварительный подогрев рабочих растворов перед нанесением.
На деревопропиточных заводах, где пропитка древесины осуществляется под давлением в автоклавах, эта операция является обязательной при пропитке маслянистыми антисептиками, которые для снижения вязкости нагревают до 95—100оС.
Важно, чтобы при пропитке древесины положительной была температура не только пропиточной жидкости, но и самой древесины. Если температура древесины будет более низкой, чем температура пропиточной жидкости, то по мере проникновения нагретой жидкости в древесину она будет охлаждаться, а вязкость ее — повышаться. Это приведет к снижению проницаемости
Рис. 2. Распределение маслянистого антисептика (а) и водорастворимого антисептика (б) по ранней и поздней древесине сосны
древесины и к снижению поглощения жидкости. Поэтому одна из важнейших рекомендаций по обработке древесины в холодное время года — использование подогретых растворов антисептиков и антипиренов, а также недопущение пропитки мерзлой древесины.
На проницаемость древесины в значительной степени может влиять концентрация пропиточной жидкости. Чем концентрация жидкости ниже, тем легче и глубже идет процесс проникновения ее в древесину. Поэтому при глубокой пропитке древесины используют антисептики и антипирены с относительно низкой концентрацией.
При разработке режимов глубокой пропитки древесины важно иметь в виду, что заболонь сосны сплавной доставки имеет более высокую проницаемость, чем заболонь сосны сухопутной доставки. Объясняется это удалением из древесины смолистых веществ при длительной выдержке ее в воде.
При пропитке основная масса поглощенных растворов размещается в клеточных полостях. Чем больше объем этих полостей в сухой древесине (чем ниже ее плотность), тем большим должно быть поглощение вследствие заполнения этих полостей. Однако, как показали исследования Е.В. Харук [1], малая плотность древесины в действительности не может служить признаком для определения способности к пропитке, особенно в крупных сортиментах. Проницаемость древесины с различной плотностью зачастую одинакова. Экспериментально было установлено, что с увеличением процентного содержания поздней древесины наблюдается некоторое повышение проникающей способности для сосны, пихты и кедра. Особенно четко это выражено для сосны: с увеличением ширины годичных слоев коэффициент проницаемости резко возрастает [1].
Кроме анизотропии древесина характеризуется еще и неоднородностью, которая определяется отличием ее свойств в разных точках одного и того же направления. Самый существенный фактор, обусловливающий неоднородность древесины хвойных пород, — слоистость годичного кольца, связанная с дифференциацией на раннюю и позднюю древесину. Ранняя и поздняя зоны годичного слоя хвойных пород резко отличаются по стро-
Таблица 2
а
Выдержка воде, сут Зона годичного слоя 0 1 2 3 4 7 9 11 14 21 28 35 42 51 63 73 85 106 120
Поздняя 27,6 37,9 31,1 41,7 34,2 45,1 40,8 52,2 46,4 58,3 48 60 49,9 62 51,3 63,5 57,5 70,2 57,5 70,2 58,4 71,3 58,6 71,5 58,1 70,9 58,4 71,3 58 70,9 58,1 70,9 58 70,9 58,3 71,2
Ранняя 77 40.3 43.4 44 47,4 48,6 52,4 61,5 66,3 89,2 96,1 92,1 99,3 100,1 107,8 103,5 111,5 134,7 145,2 147,3 158,7 166 178,8 175,2 196,5 180,2 201,9 182,8 204,7 185.5 207.6 191,6 214,2 207,2 231 217,2 241,8
Примечание. Над чертой приведено водопоглощение образцов; под чертой - влажность образцов.
Г; научно-технический и производственный журнал
М ® июнь 2012 75
Таблица 3
^^^^^^^ Выдержка ^^^^^ в воде, сут Зона годичного слоя ели 0 1 2 3 7 14 21 28 37 49 59 71 92 105
Поздняя 45,6 57 61,8 74,5 71,2 84,7 82,4 96,8 85,7 100,4 86,1 100,8 86,3 101 87 101,7 86 100,8 87 101,7 87 101,7 - -
Ранняя 78 56,6 61 76,3 82,2 89,6 96,6 119,4 128,6 135,7 146,2 164,4 177,2 179,8 193,7 191 205,9 201,8 225,2 219,7 244,5 236 262,6 242,5 269,1 246,6 273,6
Примечание. Над чертой приведено водопоглощение образцов; под чертой - влажность образцов.
ению и свойствам. Поздняя зона значительно темнее и более плотная, чем ранняя. По имеющимся в литературе данным, средняя плотность поздней древесины сосны равна 770, а ранней — 381 кг/м3.
По отношению к агентам биоразрушения стойкость ранних и поздних зон годичного слоя также различна. В заболони сосны поздняя зона годичного слоя разрушается значительно медленнее, чем ранняя, хотя процесс разрушения начинается с поздней [2].
Качество пропитки хвойной древесины во многом зависит от свойств ранней и поздней древесины, а также от ее способности поглощать и проводить пропиточные жидкости. Ниже даны полученные сотрудниками лаборатории деревянных конструкций результаты экспериментов о водопоглощении ранней и поздней древесины сосны и ели.
Образцы выдерживали в дистиллированной воде и периодически взвешивая с точностью 0,0001 г. Характеристики образцов приведены в табл. 1.
Плотность образцов, учитывая их малые размеры и неправильную форму, определяли методом выталкивающей силы при погружении их в дистиллированную воду.
В табл. 2 и 3 приведена динамика изменения водопо-глощения и влажности ранней и поздней древесины сосны и ели в течение опыта.
На рис. 1 видно, что скорость водопоглощения ранней и поздней древесины различна: ранняя древесина поглощает воду быстрее, чем поздняя. При этом заметна разница величин водопоглощения: у ранней она значительно больше, чем у поздней. Так, через 120 сут во-допоглощение ранней древесины сосны составило 217%, а поздней — всего 58%, т. е. в 3,7 раза меньше. У древесины ели интенсивность водопоглощения в первые 7 сут выше, чем у древесины сосны. При этом также отмечается существенная разница в водопоглощении ранней и поздней древесины. Если в первые трое суток испытаний водопоглощение ранней древесины было в 1,6 раза больше, чем поздней, то к концу испытаний эта разница увеличилась до 2,8 раза.
Исследованиями какой-либо определенной закономерности между величиной водопоглощения и проницаемостью различных пород выявлено не было. Малопроницаемая древесина ели имела большую величину водопоглощения, чем более проницаемая ранняя древесина сосны.
Поскольку древесина сосны и ели, которую в основном используют для строительных конструкций, характеризуется выраженной неоднородностью строения, получить равномерное распределение пропиточной жидкости практически невозможно.
Это было подтверждено проведенными сотрудниками лаборатории опытами по автоклавной пропитке маслянистыми антисептиками клееных деревянных балок, когда антисептик располагается концентрическими слоями на поперечном разрезе и образует полосы на продольном. На рис. 2, а показан фрагмент поперечного сечения клееной деревянной балки, пропитанной каменноугольным маслом под давлением в автоклаве. Лучшая
пропитываемость антисептиком поздней древесины хорошо видна на слоях клееного пакета тангенциально-радиальной распиловки. Такая же картина наблюдается и при пропитке древесины водорастворимыми антисептиками (рис. 2, б).
Таким образом, поскольку лучшее проникновение пропиточных растворов отмечается по поздней зоне годичного слоя, качество пропитки деревянных элементов в определенной степени будет зависеть от процентного содержания в них поздней древесины.
Ключевые слова: консервирование, антипирирование, проницаемость, водопоглощение древесины.
Список литературы
1. Харук Е.В. Проницаемость древесины газами и жидкостями. Новосибирск: Наука, 1976. 190 с.
2. Горшин С.Н., Крапивина И.Г. Закономерности разрушения древесины и проблема прогнозирования ее службы. Архангельск: Научные труды ЦНИИМОД, 1967. Вып. 21. С. 17-53.
К*? МИНИСГЕР
Г\71и ж нлищ+1 о- коммунального коп и Ас
САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ
■V"Я министерство транспорта и дорожного I хозяйства саратовской оелас™
ГАУ 'Агатом »ергосввреденю- Саратова«*! облаем Саратовский гткударсганеный такнтвсимм университет
| * | Выставочный Центр | Ы ■«СОФИТ-ЭКСПО»1 I—и_1 тел.: 2) 2ое-э2б I *ЮЗ ЬЬЬрг/Увхро.ео^й.ги
научно-технический и производственный журнал ф/рЦУГ/^^Ц^^ 76 июнь 2012 М *
