Статьи

Глубокая пропитка древесины – способ повышения ее эксплуатационной надежности

Древесина современный и перспективный материал. В мире принято считать, что потребление продукции из древесины на душу населения говорит об уровне цивилизованности страны. Поэтому показателю Россия почти в три раза уступает развитым странам центральной Европы и Северной Америки. В этих странах потребление продукции из древесины составляет 0,2 м3 на одного человека в год, а в богатой лесом России 0,07 м3. В развитых странах действуют национальные программы содействия расширению использования древесины. Евросоюз согласно программе "Деревянная Европа" в частности планирует довести долю деревянного домостроения до 80 % от вновь вводимого малоэтажного жилья.

Низкий интерес в России к древесине обусловлен субъективными факторами, а именно недоверием людей к ней. Здесь можно выделить несколько аспектов. Во-первых - долговечность. Многие считают, что древесина это материал не долговечный и его можно использовать только для временных конструкций. Действительно, как показывают научные данные, даже при нормальных условиях эксплуатации свойства древесины во времени изменяются, но циклически. Первые 100 лет свойства понижаются, следующие 100 лет увеличиваются, после этого снова снижаются и т. д. [ 1 ]. Эта цикличность даже используется для датирования исторической древесины. Опыт показывает, что нормальный срок эксплуатации конструкций из древесины 200...300 лет и более.

Но основным аспектом недоверия к древесине является ее высокая горючесть и низкая стойкость к биологическим разрушителям (дереворазрушающим грибам, насекомым и др.) Наиболее эффективным способом устранения этих недостатков - проведение защитной обработки древесины путем пропитки антипиренами и антисептиками. Надежность защитной обработки древесины зависит от свойств применяемых препаратов. Но в большей степени она зависит от качества пропитки, которое оценивается величиной поглощения пропиточного средства и глубиной его проникновения в древесину. В результате пропитки в поверхностных слоях древесных сортиментов создается "защитная оболочка". Чем больше "толщина" этой оболочки (глубина проникновения защитного препарата) и больше ее плотность (величина поглощения) тем больше надежность защиты древесины и, соответственно, ее долговечность и безопасность.

Вследствие низкой проницаемости для жидкостей, особенно хвойной древесины [2], обеспечение высокого качества пропитки является серьезной проблемой. Наиболее известны два способа обработки древесины защитными препаратами это поверхностная и глубокая (автоклавная) пропитка. Поверхностная пропитка осуществляется путем нанесения кистью или распылением. Глубокая пропитка производится в автоклаве, в котором вначале создается вакуум, затем жидкостное давление порядка 10 атмосфер, после этого снова вакуум для удаления излишков препарата из древесины. При поверхностной обработке препарат проникает в древесину на глубину в пределах 1…1,5 мм. Следует отметить, что распределение препарата по толщине пропитанной зоны крайне неравномерно. Основная его масса находится на поверхности. Это обусловлено диффузионным механизмом переноса растворов в древесине. Поэтому даже незначительные механические повреждения в процессе эксплуатации поверхностных слоев сортиментов, пропитанных таким способом, приводит к вскрытию незащищенной древесины.
Глубокая пропитка обеспечивает глубину проникновения защитного препарата от 5 мм и более и даже в отдельных случаях сквозную. При этом препарат равномерно распределен по толщине пропитанной зоны.
Следует рассмотреть отдельно влияние способа пропитки антипиренами и антисептиками на эксплуатационные свойства древесины.

Пропитка антипиренами

Горение древесины это непрерывный многостадийный процесс. В начальной стадии происходит аккумулирование тепловой энергии от источника зажигания поверхностными слоями древесины и одновременное их высыхание. На второй стадии, при достижении древесиной температуры ≈ 265 оС, начинается термическое разложение древесины, сопровождающееся выделением летучих продуктов их воспламенение (пламенное горение). На завершающей стадии происходит формирование угля и его беспламенное горение. Часть выделяющейся при горении теплоты потребляется для прогрева новых, более удаленных от поверхности слоев древесины. В результате чего происходит заглубление волны горения. 80 % теплоты при горении древесины выделяется на стадии пламенного горения и 20 % при беспламенном.
Пропитка антипиренами изменяет физико-химию процесса горения древесины. Различные антипирены по разному влияют на этот процесс. Но если говорить в целом, то все они катализируют процесс терморазложения компонентов древесины до углерода и воды. При этом в сильно снижается выход горючих продуктов терморазложения, происходит их разбавление парами воды и, в результате в 3 и более раз снижается экзотермический эффект. Образующийся углерод (уголь) может гореть только в режиме поверхностного окисления и поэтому пламенное горение не возникает [3]. Таким образом, при воздействии огня на пропитанную антипиреном древесину на ее поверхности, без появления пламени, происходит образования угольного слоя. Этот слой является своего рода теплоизоляцией. Коэффициент теплопроводности угля составляет 0,02…0,03 Вт/(м оС), что в 6 раз меньше теплопроводности древесины. Он препятствует проникновению тепла во внутренние слои древесины ( рисунок 1), что предотвращает их терморазложение. Древесина сохраняет свои механические свойства и соответственно несущую способность. Это дает возможность эвакуировать людей из зданий и сооружений, а также спасти материальные ценности. Соответственно чем больше глубина пропитки, тем выше безопасность деревянных конструкций.

В большинстве случаев источник возникновения пожара ограничен по своему потенциалу и по времени. И если существенно увеличить время возгорания древесины, то пожар просто не разовьется. Древесина, пропитанная автоклавным способом, становится трудносгораемым материалом. Такую древесину следует использовать для изготовления стропил и обрешетки крыш, несущих конструкций (особенно путей эвакуации), противопожарных дверей, при строительстве помещений с повышенной пожарной опасностью (сауны, котельные и пр.). Имеется интересный опыт использования этой древесины для защиты несущих металлических конструкций, что существенно повышает класс их огнестойкости.

Распределение температуры по толщине
пиломатериала при воздействии огня

Пропитка антисептиками (консервирование)

Имеется многолетний научный опыт полигонных испытаний, который показывает, что существует прямая зависимость между величиной поглощения антисептика, глубиной его проникновения и сроком службы древесины [ 4 ].
Все условия эксплуатации древесины, исходя из скорости ее загнивания, в соответствии с ГОСТ 20022.2 разделены на 18 классов. Наиболее жесткие условия эксплуатации это 18 класс. Для каждого класса ГОСТ 20022.0 рекомендует способ пропитки древесины антисептиками. Начиная с 4 класса желательна, а с 9 уже обязательна автоклавная пропитка. Даже в самых неблагоприятных условиях эксплуатации автоклавная пропитка обеспечивает срок эксплуатации 50 и более лет.

Антисептики, которые используются для автоклавной пропитки, образуют с древесиной нерастворимые соединения ( т.е. фиксируются в ней) и при эксплуатации не вымываются из нее. Пропитанную автоклавным способом древесину следует использовать для изготовления элементов контактирующих с грунтом, нижних элементов зданий, столбов, заборов, малых архитектурных форм, кровельных материалов (деревянная черепица), тротуаров, конструктивных элементов теплиц, оранжерей, подвалов и др. В мировой практике есть обширный опыт изготовления фундаментов под жилые здания из консервированной автоклавным способом древесины.

Следует отметить, что в развитых странах автоклавная технология пропитки имеет широкое распространение. В ряде случаев она является обязательной. Их национальные законодательства основываются на том, что древесина является стратегически важным материалом и поэтому ее использование без проведения защитных обработок не допустимо, т.к. это снижает срок службы и снижает безопасность.