CC BY
32
D01:10.12845/bitp.35.3.2014.10
st. kpt. dr inz. Pawel OGRODNIK1
dr inz. Daniel PIENIAK1
dr inz. Aneta KRZYZAK2
ml. kpt. mgr inz. Agata WALCZAK1
Przyj^ty/Accepted/Принята: 17.01.2014; Zrecenzowany/Reviewed/Рецензирована: 21.08.2014; Qpublikowany/Published/Опубликована: 30.09.2014;
BADANIE WPLYWU PODWYZSZONEJ TEMPERATURY NA WYTRZYMALOSC NA SCISKANIE DREWNA SOSNOWEGO IMPREGNOWANEGO SRODKIEM OGNIOCHRONNYM
ZAWIERAJ4CYM SiO23
Study on the Influence of High Temperatures on The Compressive Strength of Pine Timber Treated With the Flame Retardant Containing SiO2
Исследование влияния повышенной температуры на устойчивость к сжатию древесины сосны, пропитанной огнезащитным веществом, содержащим SiO2 (диоксид кремния)
Abstrakt
Cel: Celem artykulu bylo zaprezentowanie wyniköw badan doswiadczalnych wplywu podwyzszonej temperatury na wytrzymalosc przy sciskaniu drewna sosnowego impregnowanego srodkiem ogniochronnym zawierajqcym nanoczqstki Si02. Obecnie impregnaty tego typu s§ coraz cz^sciej stosowane do zabezpieczenia elementöw drewnianych.
Metody: Pröbki sosnowe do badan wytrzymalosciowych, o wymiarach 40x40x60mm, zostaly podzielone na dwie grupy. Cz^sc pröbek zostala poddana impregnacji srodkiem ognioochronnym, wodnq dyspersjq nanoczqstek Si02 o rozmiarach 10-20 nm. Pröbki zanurzone w zawiesinie umieszczono w komorze prözniowej na czas 20 min, stosujqc podcisnienie rz^du (0,7 atm). Nast^pnie pröbki impregnowane i nieimpregnowane przetrzymywano przez 10 dni w temperaturze pokojowej. Mikroskopem SEM wykonano zdj^cia impregnowanych i nieimpregnowanych pröbek. Przed przystqpieniem do badan wytrzymalosciowych pröbki zostaly poddane obröbce termicznej. Podstawowym urzqdzeniem na stanowisku do wygrzewania pröbek byl sredniotemperaturowy piec komorowy typu PK 1100/5. Regulowanie pracq pieca odbywalo si^ przy uzyciu sterownika programator PSP 1 wraz z komputerem pomiarowym i oprogramowaniem ThermoPro. Pröbki byly wygrzewane w piecu komorowym az do osiqgni^cia temperatury 250oC, przetrzymane w zaplanowanej temperaturze przez 10 lub 20 minut, a nast^pnie schladzane do temperatury otoczenia. Badania wytrzymalosciowe przeprowadzono na uniwersalnej maszynie wytrzymalosciowej Zwick/Roell Z100, badania realizowano ze stalq pr^dkosciq przesuwu trawersy wynoszqcq 2 mm/min.
Wyniki: Przedstawione wyniki badania s§ scisle zwiqzane z bezpieczenstwem konstrukcji drewnianych poddanych oddzialywaniu podwyzszonej temperatury, a takze z mozliwosciq stosowania nowoczesnych preparatöw ogniochronnych zawierajqcych nanoczqstki. W wyniku przeprowadzonych badan mozna stwierdzic, ze szybka dekohezja struktury drewna w warunkach oddzialywania podwyzszonych temperatur nast^puje w zakresie od 220 do 250°C. Proces degradacji struktury drewna najszybciej post^puje w warstwie wierzchniej, przyczynia si^ do tego m.in. wysoka izolacyjnosc cieplna drewna. Wplyw impregnacji srodkiem ogniochronnym na bazie krzemionki na wytrzymalosc doraznq drewna przy sciskaniu jest jednoznaczny. Obserwowano wyzszq wytrzymalosc drewna nieimpregnowanego we wszystkich przedzialach temperatur.
1 Szkola Glowna Sluzby Pozarniczej, 01-629 Warszawa ul. Slowackiego 52/54; pogrodnik@sgsp.edu.pl / The Main School of Fire Service, Warsaw, Poland;
2 Wyzsza Szkola Ekonomii i Innowacji w Lublinie, 20-209 Lublin, ul. Projektowa 4; krzyzakaneta@gmail.com / University of Economics and Innovation in Lublin, Poland;
3 Autorzy wniesli jednakowy wklad w powstanie artykulu / The authors contributed equally to this article.
BADANIA I ROZWOJ BiTP Vol. 35 Issue 3, 2014, pp. 115-122
D01:10.12845/bitp.35.3.2014.10
Wnioski: Impregnacja wodnq dyspersjq czqstek SiO2 w nieznacznym stopniu pogarsza wytrzymalosc na sciskanie drewna. Podsumowujqc, nalezy stwierdzic, ze impregnacja srodkiem ogniochronnym na bazie SiO2 pogarsza wlasciwosci wytrzymalosciowe w warunkach drewna pracujqcego na sciskanie. W badaniach nie wykazano korzystnego wplywu impregnacji na wytrzymalosc drewna przy sciskaniu po ekspozycji w podwyzszonych temperaturach.
SJowa kluczowe: drewno sosnowe, wytrzymalosc, impregnacja ogniochronna Typ artykuJu: oryginalny artykul naukowy
Abstract
Objective: The aim of the article was to present the results of a study on the influence of high temperatures on the compressive strength of pine timber treated with the flame retardant containing SiO2 particles. Nowadays, this type of retardant is used more and more frequently for the purposes of wooden elements protection.
Methods: Samples for strength investigations with dimensions of 40x40x60 mm3 were divided into two groups. Some of the samples were impregnated with the use of the method of aqueous dispersion of SiO2 nanoparticles in 10-20 nm range. Samples were immersed in the liquid and placed in a vacuum chamber for 20 min. at about 0.7 atm. Then, the impregnated and non-impregnated samples were stored for 10 days at room temperature. The impregnated and non-impregnated samples were photographed with the use of SEM microscope. Before the strength tests, the samples were heated. The main instrument of the heating test equipment used to heat the samples was an average-temperature chamber furnace - type PK 1100/5. The temperature in the furnace was controlled by PSP 1 programmer together with a measuring computer and ThermoPro software. The samples were heated up to 250oC and stored in such temperature for 10 or 20 minutes. Afterwards, the samples were cooled down to the room temperature. Strength tests have been conducted with the use of Zwick/Roell Z100 universal testing machine with crosshead speed of 2 mm/min.
Results: The research subject is closely related to the safety of wood constructions under high temperatures as well as the possibility of the usage of modern flame retardants containing nanoparticles. Based on the conducted studies, it may be said that the fast degradation of wood structure occurs in the temperature range from 220 oC to 250oC. Degradation process of wood is faster in the top layer than in lower layers due to e.g. high thermal insulation of wood. Timber treatment with silica-based fire retardants has a significant impact on compressive strength. In each temperature interval the strength of non-treated timber has been higher than in case of treated timber. Conclusion: Treatment with the aqueous dispersion of SiO2 particles influences on the decrease of compressive strength of timber. To sum up, it should be stated that treatment with silica-based flame retardants has negative influence on the strength of wood under compression. The presented studies do not show positive influence of flame retardant treatment on compressive strength of timber after high temperatures exposure.
Keywords: pine timber, strength, flame retardant Type of article: original scientific article
Аннотация
Цель: Целью статьи было представление результатов экспериментальных исследований влияния повышенной температуры на устойчивость к сжатию древесины сосны, пропитанной огнезащитным средством, содержащим наночастицы SiO2. В настоящее время пропитки такого типа всё чаще применяются для защиты деревянных элементов.
Методы: Образцы древесины сосны для испытаний устойчивости, размером 40х40х60 мм, были разделены на две группы. Часть образцов была обработана огнезащитной пропиткой, водной дисперсией наночастиц SiO2 размером 10-20 нм. Погруженные в суспензию образцы поместили в вакуумную камеру на 20 минут при вакуумном давлении 0,7 атм. Далее, пропитанные и непропитанные образцы держали в течение 10 дней при комнатной температуре. Микроскопом SEM были сделаны фотографии пропитанных и непропитанных образцов. До начала испытаний на устойчивость, образцы подвергли термообработке. Основным устройством установки для нагревания образцов была среднетемпературная камерная печь типа PK 1100/5. Регулирование работы печи проходило при помощи драйвера программатора PSP 1 вместе с измерительным компьютером и программным обеспечением ThermoPro. Образцы нагревались в камерной печи до температуры 250°C, находились в установленной температуре 10 или 20 минут, и последовательно охлаждались до температуры окружающей среды. Исследования устойчивости провели с помощью универсальной испытательной машины Zwick/Roell Z100. Исследования были проведены с постоянной скоростью перемещения траверсы, составляющей 2мм/мин. Результаты: Представленные результаты исследования тесно связаны с безопасностью деревянных конструкций, подверженных воздействию повышенной температуры, а также с возможностью использования современных огнезащитных препаратов, содержащих наночастицы. Из проведенных исследований следует, что быстрая декогезия структуры древесины в условиях воздействия повышенных температур наступает при температуре от220°C до 250°C. Процесс деградации структуры древесины проходит быстрее в поверхностном слое, этому способствует, кроме всего прочего, высокая теплоизоляция древесины. Влияние пропитки огнезащитным веществом на основе диоксида кремния на временную устойчивость древесины при сжатии однозначно. Была замечена высокая устойчивость непропитанной древесины при всех диапазонах температур. Выводы: Пропитка водной дисперсией содержащей частицы SiO2 (диоксида кремния) в незначительной степени ухудшает устойчивость к сжатию древесины. Подводя итоги, следует отметить, что пропитка огнезащитным веществом на основе SiO2 ухудшает прочностные свойства древесины, подвергаемой постоянному воздействию сжатия. Исследования не подтвердили положительного влияния пропитки на прочность древесины при сжатии после воздействия повышенных температур.
Ключевые слова: древесина сосны, устойчивость, огнезащитная пропитка Вид статьи: оригинальная научная статья
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
1. Wst^p
Od tysiecy lat drewno wykorzystywane jest nie tyl-ko jako material opalowy, ale rowniez jako material kon-strukcyjny. Drewno budowlane posiada korzystne wlasciwosci fizyczne, mechaniczne oraz niewielki ciezar wla-sciwy. Elementy konstrukcyjne wykonane z drewna lub materialow drewnopochodnych charakteryzuje sie dlu-gim okresem uzytkowania przy niewielkich nakladach na ich konserwacje. Drewno posiada rowniez szereg in-nych zalet, takich jak: latwosc obrobki, estetycznosc oraz dobre wlasciwosci dzwiekochlonne. Nalezy takze do-dac, ze drewno jest materialem odnawialnym, a co za tym idzie, moze byc rowniez uzywane jako material w przy-szlosci, przy zalozeniu zrownowazonej gospodarki po-miedzy zuzyciem a przyrostem drzewostanu. Podstawo-w^ wad^ drewna jest mala odpornosc na podwyzszon^ i wysok^ temperature wystepuj^c^ w czasie pozaru. Spa-lanie drewna powoduje tworzenie sie warstwy zweglonej, ktora wraz z czasem trwania pozaru staje sie coraz grub-sza. Warstwa zweglona wplywa na zmniejszenie pred-kosci procesu spalania, jednak latwo ulega uszkodzeniu lub spekaniu [1,3]. Drewno sklada sie glownie z celulo-zy, hemicelulozy i ligniny. Hemiceluloza zbudowana jest z rozgalezionych polimerow amorficznych i wypelnia ob-szar pomiedzy celuloz^ a ligniny w strukturze drewna. Lignina jest polimerem amorficznym odpowiedzialnym za kohezje struktury drewna. Degradacja wysuszonej celu-lozy nastepuje w temperaturze okolo 300°C, jednakze degradacja hemicelulozy nastepuje juz w zakresie tempera-tury od 150 do 200°C [5,6]. Jednoczesnie dekompozycja ligniny, odpowiedzialnej za spoistosc struktury drewna, nastepuje w zakresie temperatury pomiedzy 220 a 250°C.
Aby zwiekszyc odpornosc drewna na podwyzszon^ temperature stosowane s^ rozne metody jego modyfikacji. Obecnie w wielu krajach prowadzone s^ badania dotycz^-ce modyfikacji termicznej drewna, ktora korzystnie wplywa na poprawe wytrzymalosci, stabilnosc oraz ochro-ne drewna przed czynnikami biotycznymi. Pod wzgle-dem ochrony drewna przed wysok^ temperature najcze-sciej stosowane s^ impregnaty ogniochronne. Ze wzgle-du na sposob stosowania impregnaty mozemy podzielic na dwie grupy [2]:
• Wnikaj^ce w drewno, do ktorych najczesciej zalicza-my srodki solne. Impregnaty ogniochronne tego typu w postaci stezonych roztworow wodnych stosowane s^ do wglebnego nasycania elementu drewniane-go metody prozniow^ lub prozniowo-cisnieniow^. Do grupy tej nalezy srodki posiadaj^ce w swoim skladzie zwi^zki fosforu, boru, magnezu, amonu, azotu i mocz-nika.
• Dzialaj^ce powierzchniowo w postaci farb, lakierow, roztworow wodnych oraz cienkich plyt. Srodki te two-rz^ na powierzchni drewna warstwe ochronn^ [6, 7].
Srodki powlokowe stosowane s^ w miejscach, w kto-rych nie jest wymagane zachowanie naturalnego koloru i slojow drewna. Nalezy podkreslic, ze obecnie budow-nictwo drewniane przezywa swoj renesans. Jest to zwi^-zane z niew^tpliwymi zaletami drewna, jak rowniez z no-woczesnymi metodami zabezpieczen przed dzialaniem
DOI:10.12845/bitp.35.3.2014.10
czynnikow niszcz^cych. Celem badan bylo okresle-nie wplywu podwyzszonej temperatury na wytrzymalosc przy sciskaniu wzdluz wlokien drewna sosnowego impre-gnowanego srodkiem ogniochronnym, wodn^ dyspersj^ nanocz^stek SiO2.
2. Material i metodyka wykonania badan
2.1. Probki do wykonania badan
Probki do badan wytrzymalosciowych, o wymiarach 40x40x60mm, zostaly wykonane z drewna sosnowego wolnego od wad. Wszystkie probki wykonano z mate-rialu glownego, jednego bala sosnowego, sezonowanego przez cztery lata. Nast^pnie wybrana tarcica zostala po-ci^ta na listwy i poddana suszeniu w suszarni komorowej przez 14 dni. Przed przyst^pieniem do obrobki termicznej oraz impregnacji probki byly przechowywane przez szesc miesi^cy w suchym pomieszczeniu, a ich wilgotnosc nie przekraczala 10%. Wybrane losowo probki zostaly pod-dane impregnacji prozniowej w suszarce SPU-200.
Probki zostaly poddane impregnacji wodn^ dysper-sj^ nanocz^stek krzemionki. Do wykonania impregna-tu wykorzystano mieszalnik elektromagnetyczny. St^ze-nie srodka ognioochronnego wynosilo 400 ppm. Do gl§-bokiego pojemnika przelano impregnat w ilosci zapew-niaj^cej calkowite zanurzenie probek. Nast^pnie probki umieszczono w komorze suszarki prozniowej. Impregnacji przeprowadzono metody prozniow^ przez 20 min, sto-suj^c podcisnienie rz^du -70927,5 Pa (0,7 atm). Po prze-prowadzeniu impregnacji probki zostaly wyj^te i wysu-szone w temperaturze otoczenia.
Tabela 1.
Szczegolowe wlasciwosci fizyczne i chemiczne SiO2
Table2 1.
Detailed physical and chemical properties of SiO2
Wlasciwosci impregnatu (Properties) Opis/wartosc (Description / value)
Wyglqd (Appearance) bialy proszek (white powder)
Zapach (Odour) Brak (odourless)
Wielkosc czqstek (Size of particles) 10-20 nm
Poczqtkowa temperatura topnienia (Melting point) 1600oC
Poczqtkowa temperatura wrzenia (Boiling point) 2300oC
G^stosc obj^tosciowa (Density) 0,011 g/ml
Zródlo: Opracowanie wlasne.
Source: Own elaboration.
2.2. Obróbka termiczna próbek
Przed rozpocz^ciem badan wytrzymalosci przeprowadzono obróbk§ termiczn^ próbek. Wykonano badania wst^pne, w których ustalono zakres temperatury eks-perymentu oraz okreslono minimalny czasy ekspozycji próbek na dzialanie podwyzszonej temperatury. Okres-lenie czasu wygrzewania materialu umozliwilo uzyska-nie równomiernej wartosci temperatury w calej obj^to-sci próbki. W celu wyznaczenia wartosci temperatury we-
D01:10.12845/bitp.35.3.2014.10
wn^trz materialu, wywiercono w probce otwor, w ktorym umieszczono termopary. W ten sposob wykonano pomia-ry temperatury w geometrycznym srodku probki. Mini-malny czas nagrzewania probki okreslono jako czas, po ktorym termopara umieszczona wewn^trz probki pozwo-lila na zmierzenie wartosci temperatury przyjytej w pla-nie badan. Jako wyjsciow^ do badan wstypnych przyjyto temperatury otoczenia rown^ 20°C. Temperatury granicz-n^ okreslono na poziomie 250°C, ktora jest bliska tempe-raturze zaplonu powierzchni drewna.
Podstawowym urz^dzeniem na stanowisku do wy-grzewania probek byl sredniotemperaturowy piec komo-rowy typu PK 1100/5 (rys. 1). Regulowanie prac^ pieca odbywalo siy przy uzyciu sterownika Programator PSP 1 wraz z komputerem pomiarowym i oprogramowaniem ThermoPro.
Po umieszczeniu probek w komorze pieca, rozmiesz-czono termoelementy pomiarowe. Umozliwily one po-miar temperatury w piecu i na dwoch zewnytrznych po-wierzchniach losowo wybranych probek. W czasie badan mierzono rowniez temperatury w otoczeniu probek - w srodowisku pieca. Za podstawy w badaniach zostala przyjyta krzywa normowa „temperatura-czas".
Ryc. 1. Schemat stanowiska do wygrzewania probek
Fig. 1. The scheme of the test stand for heating samples Zrodlo: Opracowanie wlasne.
Source: Own elaboration.
Wygrzewanie probek zostalo podzielone na dwie fazy. W fazie pierwszej, trwaj^cej 10 minut, probki byly ogrze-wane do temperatury 250oC. W fazie drugiej - polowa probek byla wygrzewana w ustalonej wartosci temperatu-ry przez 10 minut. Czas ten byl czasem minimalnym, kto-ry byl potrzebny do uzyskania temperatury 250oC w ca-lej objytosci probki. Druga czysc probek, w fazie drugiej, byla wygrzewana w temperaturze 250oC przez 20 minut. Schemat wygrzewania obydwu grup probek zostal przed-stawiony na (ryc. 2).
Po okresie wygrzewania, w obydwu przypadkach, probki byly wyjmowane z pieca i studzone w sposob na-turalny do temperatury otoczenia.
Ryc. 2. Schemat wygrzewania probek Fig. 2. The scheme of heating samples Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
3. Badanie wytrzymalosci na sciskanie
Badanie wytrzymalosci na sciskanie wzdluz wlokien przeprowadzono na uniwersalnej maszynie wytrzymalo-sciowej Zwick/Roell Z100, badania realizowano ze sta-l^ prydkosci^ przesuwu trawersy wynosz^c^ 2 mm/min.
Wytrzymalosc na sciskanie obliczono na podstawie rownania (1):
gdzie:
Pmax - najwyzsza wartosC sily uzyskana w probie [N] A - przekroj probki [mm2]
(1)
Pracy sciskania okreslono z nastypuj^cego rownania
(2):
W = pmax dy [Nmm] (2)
gdzie:
Pmax - najwyzsza wartosc sily uzyskana w probie [N] y - odksztalcenie probki [mm]
4. Wyniki badan
Na rycinach 3 i 4 przedstawiono obrazy z mikrosko-pu skaningowego powierzchni drewna sosny nieimpre-gnowanej i impregnowanej po ekspozycji w podwyzszo-nej temperaturze. Na rycinie 4 widoczne jest czysciowe domkniycie porow drewna przez impregnat. Dzialanie uszczelniaj^ce jest korzystne, poniewaz ogranicza emisjy gazow palnych ze struktury drewna.
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
W tabelach 2 i 3 przedstawiono statystyki opisowe wynikow badan wytrzymalosci na sciskanie i pracy sci-skania. Dla odpowiednich wartosci temperatury i czasu
DOI:10.12845/bitp.35.3.2014.10
ekspozycji przedstawiono wartosc sredni^, odchylenie standardowe i wspolczynnik zmiennosci.
: t
W 4
Д** Г' -r1
J3 4 Г
Ryc. 3. Obraz z mikroskopu SEM plaszczyzny normalnej do
kierunku dzialania sily drewna niepoddanego impregnacji Fig. 3. The SEM micrograph of a plane normal to the direction of force application of non-treated timber Zrôdlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Ryc. 4. Obraz SEM plaszczyzny normalnej do kierunku dzialania sily drewna poddanego impregnacji Fig. 4. The SEM micrograph of a plane normal to the direction of force application of treated timber Zrôdlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Statystyki opisowe wynikôw badan wytrzymalosci na sciskanie Descriptive statistics of the compressive strength results
Tabela 2. Table 2.
Material (Material) Temperatura [°C] (Temperature [°C]) Czas ekspozycji [min] (Exposure time [min]) N Srednia [MPa] (Mean [MPa]) Odchylenie standardowe [MPa] (Standard deviation [MPa]) Wspolczynnik zmiennosci [%] (Coefficient of variation k [%])
Sosna/(Pine) 20 - 15 47,99 8,27 17,24
Sosna/(Pine) 250 10+10 15 59,22 7,96 13,45
Sosna/(Pine) 250 10+20 15 62,41 3,66 5,87
sosna
impregnowana SiO2 (Pine treated with SiO2) 20 - 15 43,22 5,34 12,36
sosna
impregnowana SiO2 Pine treated with SiO2 250 10+10 15 56,24 7,58 13,47
sosna
impregnowana SiO2 Pine treated with SiO2 250 10+20 15 59,29 8,42 14,21
Zrôdlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
D01:10.12845/bitp.35.3.2014.10
Na rycinach 5 i 6 przedstawiono wykresy ramkowe wynikôw badan wytrzymalosci na sciskanie i pracy sci-skania.
79
ÎI-: i»
4«
M
9
il
M iiWJ»'
I i-rfsr,* I I-Ootii W i
.-VrnfTV^Z-.-fn^im
iirftvi
Ryc. 5. Wykres ramkowy wynikow wytrzymalosci na sciskanie Fig. 5. The graph of the average compressive strength results Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Ryc. 6. Wykres ramkowy pracy odksztalcenia do maksymalnej sily Fig. 6. The graph of the average strain work to the maximum force
Zrôdlo: Opracowanie wlasne.
Source: Own elaboration.
Dla celôw porôwnawczych na rycinach 7 i 8 przedstawiono rozklad i interpolacjç wartosci wytrzymalosci na sciskanie i pracy sciskania w ujçciu procentowym. Jako wartosc odniesienia ustalono wyniki uzyskane dla prôbek nieimpregnowanych i niepoddanych obrôbce termicznej.
Statystyki opisowe wynikow pracy sciskania probek drewnianych Descriptive statistics of the compression work of the wooden samples
Tabela 3. Table 3.
Material (Material) Temperatura [°C] (Temperature [°C]) Czas ekspozycji [min| (Exposure time [min]) N Srednia [Nm] ( Mean [Nm]) Odchylenie standardowe [Nm] (Standard deviation [Nm]) Wspolczynnik zmiennosci [%] (Coefficient of variation k [%])
Sosna/(Pine) 20 - 15 98,69 20,01 20,28
Sosna/(Pine) 250 10+10 15 122,84 28,61 23,29
Sosna/(Pine) 250 10+20 15 118,80 16,58 13,95
sosna impregnowana SiO2 (Pine treated with SiO2) 20 - 15 84,02 20,51 24,41
sosna impregnowana SiO2 Pine treated with SiO2 250 10+10 15 113,58 22,57 19,87
sosna impregnowana SiO2 Pine treated with SiO2 250 10+20 15 134,87 66,91 49,62
Zrôdlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
DOI:10.12845/bitp.35.3.2014.10
Ryc. 7. Zmiana wytrzymalosci na sciskanie w ujçciu
procentowym Fig. 7. Percentage changes in the compressive strength Zrôdlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Ryc. 8. Zmiana pracy sciskania w ujçciu procentowym Fig. 8. Percentage changes in the compression work Zrôdlo: Opracowanie wlasne.
Source: Own elaboration.
5. Podsumowanie
Struktura drewna, zwlaszcza litego, jest malo odporna na dzialanie wysokich temperatur. Jest to jedna z podsta-wowych wad drewna. Szybka dekohezja struktury drewna w warunkach oddzialywania podwyzszonych temperatur nastçpuje w zakresie od 220°C do 250°C. Pierwsze oslabienie struktury powodowane jest szybkim i niekon-trolowanym obnizeniem wilgotnosci. Jednym ze skutkôw moze byc spadek wytrzymalosci w wyniku dekohezji oraz postçpuj^ca redukcja przekroju poprzecznego zwi^-zana ze zwiçkszaj^ siç grubosci^ warstwy zwçglonej.
Innym niebezpiecznym skutkiem dzialania podwyzszonych temperatur jest intensywna emisja gazôw, zapo-cz^tkowana reakcjami egzotermicznymi zachodz^cymi w strukturze drewna, gazy powoduj^ m.in. rozpraszanie cz^stek koloidalnych, tworz^c dym.
Ponadto obrôbka termiczna prowadzi do uzyskania ciemnej barwy przez element poddany ekspozycji ter-micznej. Powoduje to zmniejszenie kontrastu elementu w zadymionej strefie i utrudnia orientacjç ratownikom prowadz^cym akcjç ratowniczo-gasnicz^.
Proces degradacji struktury drewna najszybciej po-stçpuje w warstwie wierzchniej, przyczynia siç do tego
m.in. wysoka izolacyjnosc cieplna drewna. Pozytywnym skutkiem tego procesu jest powstanie warstwy zwçglonej, ktôra w kolejnych etapach stanowi dodatkow^ war-stwç izolacyjn^ ograniczaj^c^ doplyw ciepla do rdzenia elementu konstrukcyjnego. Jednym z celôw ogniochron-nej impregnacji drewna jest intensyfikacja tego procesu. Ponadto dziçki zastosowaniu preparatôw ogniochronnych uzyskuje siç m.in. znacz^ce podwyzszenie temperatury zaplonu drewna.
Wplyw impregnacji srodkiem ogniochronnym zawie-raj^cym krzemionkç na wytrzymalosc dorazn^ drewna na sciskanie jest jednoznaczny. Obserwowano wyzsz^ wytrzymalosc drewna nieimpregnowanego we wszystkich przedzialach temperatury. Srodek na bazie cz^stek SiO2 w nieznacznym stopniu pogarsza wytrzymalosc na sciskanie drewna. Ze wzrostem temperatury i czasu ekspozycji wytrzymalosc na sciskanie drewna impregnowane-go i nieimpregnowanego poprawia siç. Wzrost wytrzy-malosci jest prawdopodobnie powodowany przyjçtym w badaniu przebiegiem procesu obrôbki termicznej, za-kres temperatur procesu miescil siç w zakresie podwyzszonych temperatur niepowoduj^cych zaplonu drewna. Wplyw moze miec rôwniez zalozony ksztalt krzywej roz-kladu „temperatura-czas". Technologiczny kontrolowany proces termicznej modyfikacji drewna nastçpuje zazwy-czaj w zakresie temperatur od 160 do 280°C [8], a czas ekspozycji drewna zalezy m.in. od wielkosci elementôw poddawanych modyfikacji termicznej oraz ich wilgotnosci i wynosi od 15 minut do 24 godzin. Kontrolowana modyfikacja struktury drewna wplywa na poprawç jego niektôrych wlasciwosci fizyko-mechanicznych, glôwnie twardosci i odpornosci na scieranie [9], ma wplyw na po-prawç stabilnosci wymiarowej elementôw drewnianych, odpornosc biologiczn^ drewna oraz zmniejszenie pozio-mu pochlanianej przez drewno wilgoci [10, 11]. Poprawa wlasciwosci nastçpuje w wyniku zmian skladu chemicz-nego drewna, glôwnie w wyniku degradacji hemicelulozy [4, 12]. Proces ten wplywa rôwniez na poprawç odporno-sci na agresywne oddzialywania srodowiska, zwiçksze-nie odpornosci na korozjç biologiczn^ drewna oraz, co jest istotne ze wzglçdôw estetycznych, pozwala uzyskac ciemny dekoracyjny kolor [13].
Pol^czenie procesu termicznego oddzialywania i im-pregnacji wplynçlo korzystnie na zdolnosc do odksztal-cenia pod obci^zeniem i czas potrzebny do zniszczenia prôbki, jednakze energia potrzebna do zniszczenia byla wyzsza dla prôbek nieimpregnowanych. Wydluzenie czasu obrôbki termicznej spowodowalo spadek pracy sciskania dla prôbek nieimpregnowanych - moze byc to zwi^-zane ze wzrostem kruchosci drewna.
Impregnacja ogniochronnym roztworem SiO2 pogar-sza wlasnosci wytrzymalosciowe w warunkach drewna pracuj^cego na sciskanie wzdluz wlôkien. Nie wykazano korzystnego wplywu impregnacji na wytrzymalosc przy sciskaniu drewna po ekspozycji w podwyzszonych temperaturach.
Literatura
1. Gunduz G., Aydemir D., Karakas G., The effects of thermal treatment on the mechanical properties of wild Pear (Pyru-selaeagnifolia Pall.) wood and changes in physical properties, "Materials and Design" Vol. 30, 2009, pp. 4391-4395.
2. Korkut S., Akgul M., Dundar T, The efects of heat treatment on some technological properties of Scots pine (Pinussyl-vestris L.) wood, "Bioresource Technology" Vol. 99, 2008, pp. 1861-1868.
3. Bednarek Z., Kaliszuk-Wietecka A., Analysis of the fire-protection impregnation influence on wood strendht, "Journal of Civil Engineering and Management" Vol. 13 Issue 2,
2007, pp. 79-85.
4. Bednarek Z., Ogrodnik P., Pieniak D., Wytrzymalosc na zgi-nanie i niezawodnosc kompozytu drewnianego LVL w warunkach podwyzszonych temperatur, „Zeszyty Naukowe SGSP", Issue 40, 2010.
5. Oszust M., Pieniak D., Ogrodnik P., Dec L., Badanie spadku wytrzymalosci drewna swierkowego modyfikowanego ter-micznie w warunkach temperatur pozarowychm, „Drewno" Vol. 54, 2011, pp. 97-108.
6. Pieniak D., Ogrodnik P., Oszust M., Niewczas A., Bada-nia wytrzymalosci w podwyzszonych temperaturach mate-rialów drewnopochodnych stosowanych w mostownictwie, Rozdzial w monografii wydanej przez Politechnik^ Lubel-skq 2012, 88-116.
7. Nagrodzka M., Malozi^c D., Impregnacja drewna srodka-mi ogniochronnymi. BiTP Vol. 23 Issue 3, 2011, pp. 68-76
8. Fengel D., Wegener G., Wood chemistry, ultrastructure, reactions, Berlin, Walter de Gruyter, 1989.
9. Mazela B., Zakrzewski R., Grzeskowiak W., Cofta G., Bart-kowiak M., Resistance of thermally modified wood to basid-iomycetes, „Wood Technology" Vol. 7, 2004, pp. 253-262.
10. Kartal S.N., Hwang W.J., Imamura Y., Combined effect of boron compounds and heat treatments on wood properties: Chemical and strength properties of wood, "Journal of Materials Processing Technology" Vol. 198, 2008, pp. 234-240.
11. Obataya E, Tanaka F, Norimoto M, Tomita B., Hygroscopic-ity of heat-treated wood 1. Effects of after-treatments on the hygroscopicity of heat-treated wood, "Journal of Wood Science" Vol. 46, 2000, pp. 77-87.
12. Gunduz G., Aydemir D., Karakas G., The effects of thermal treatment on the mechanical properties of wild Pear (Pyrus elaeagnifolia Pall.) wood and changes in physical properties, "Materials and Design" Vol. 30, 2009, pp. 4391-4395.
13. Korkut S., Akgul M., Dundar T., The effects of heat treatment on some technological properties of Scots pine (Pinus sylvestris L.) wood, "Bioresource Technology" Vol. 99,
2008, pp. 1861-1868.
DÜI:10.12845/bitp.35.3.2014.10
st. kpt. dr inz. Pawel Ogrodnik - absolwent Wydzia-lu Inzynierii Budowlanej i Sanitarnej Politechniki Lubel-skiej (kierunek: budownictwo). W 2001 roku rozpocz^l prac§ w Zakladzie Mechaniki Stosowanej Szkoly Glow-nej Sluzby Pozarniczej. W 2006 roku obronil rozpraw^ doktorsk^ na temat „Wplyw temperatur wyst^puj^cych w czasie pozaru na przyczepnosc pomi^dzy stal^ a be-tonem".
dr inz. Daniel Pieniak - absolwent wydzialu mecha-nicznego Politechniki Lubelskiej, w tej samej jednostce w 2010 roku uzyskal stopien naukowy doktora nauk tech-nicznych w dyscyplinie naukowej budowa i eksploatacja maszyn. Od 2006 roku jest pracownikiem Zakladu Mechaniki Stosowanej Szkoly Glownej Sluzby Pozarniczej w Warszawie. Prowadzi badania eksploatacyjne, wytrzymalosci i mechanizmow uszkodzen materialow konstruk-cyjnych i funkcjonalnych oraz komponentow sprz^tu po-zarniczego i ochron osobistych w warunkach narazen ter-micznych i mechanicznych.
ml. kpt. mgr inz. Agata Walczak - absolwentka wydzialu inzynierii bezpieczenstwa pozarowego Szkoly Glownej Sluzby Pozarniczej w Warszawie. Od 2011 roku pra-cuje na stanowisku asystenta w Zakladzie Mechaniki Sto-sowanej w Szkole Glownej Sluzby Pozarniczej w War-szawie.
dr inz. Aneta Krzyzak - ukonczyla studia magister-skie na Wydziale Mechanicznym Politechniki Lubelskiej na kierunku mechanika i budowa maszyn. Od pocz^t-ku swojej pracy zawodowej pracuje w Katedrze Proce-sow Polimerowych. Jest czlonkiem zwyczajnym Komi-sji II Podstaw i Zastosowan Fizyki i Chemii w Techni-ce, Rolnictwie i Medycynie Polskiej Akademii Nauk Od-dzial w Lublinie. Od 21 kwietnia 2009 r., Stowarzyszenia Inzynierow i Mechanikow Polskich od 2004 r., Polskiego Naukowo-Technicznego Towarzystwa Eksploatacyj-nego PNTTE od 2007 r., czlonkiem Zarz^du i Prezydium Polskiego Naukowo-Technicznego Towarzystwa Eksplo-atacyjnego PNTTE od 14.10.2010 r., czlonkiem Zespo-lu Kwalifikacji Ekspertow Polskiego Naukowo-Technicznego Towarzystwa na kadenj 2011 - 2013, czlonkiem oraz sekretarzem naukowym Zespolu Systemu Eksplo-atacji w Sekcji Podstaw Eksploatacji Komitetu Budowy Maszyn Polskiej Akademii Nauk PAN na kadenj 20072010, sekretarzem Komitetu Redakcyjnego Serii Monografii Zespolu Systemow Eksploatacji SPE KBM PAN od 2010 r.
