Краткая характеристика основных разрушителей древесины

Древесина, являясь органическим материалом, находясь в естественных условиях, подвергается, как отмечено выше, деструкции, что обусловлено жизненным круговоротом. Такому же разрушению будут подвергаться изделия и сооружения из древесины, которые эксплуатируются в условиях неблагоприятных для ее стойкости.

Разрушение древесины вызывают:

• грибы на древесине, жизнедеятельность их в древесине приводит загниванию и деструкции;
• некоторые виды насекомых (жуков, термитов), которые прогрызают в древесине ходы, снижающие прочность изделий и сооружений;
• определённые виды моллюсков (морские древоточцы), воздействующие на древесину подобно насекомым;
• огонь, наносящие большой ущерб деревянным постройкам, вплоть до их полного уничтожения;
• атмосферные воздействия, связанные с многократным увлажнением древесины, которые в условиях последующей подсушки вызывают циклические изменения ее размеров, приводящие к деструкции ее поверхностных слоев; аналогичные явления имеют место при периодическом замораживании и оттаивании воды в увлажненной древесине; такие воздействия провоцируют ее поражение грибами;
• механические воздействия систематического характера, приводящие к истиранию древесины (полы), ее смятию (шпалы, переводные брусья), расщеплению (причалы, железнодорожные и автомобильные платформы) и т. п.;
• воздействие воды, кислот, щелочей, снижающее прочностные показатели, а при длительном воздействии в определенных условиях приводящее к деструкции.

Для продления сроков службы деревянных изделий и сооружений необходима защита древесины от влияния перечисленных выше воздействий.

В основном древесину разрушают грибы и насекомые. Их можно объединить одним термином - биологические разрушители (биоразрушители). Количество биологических разрушителей древесины очень велико. Характер их воздействия на древесину разнообразен. Он зависит от вида грибов или насекомых, состояния древесины, условий хранения древесины и условий эксплуатации изделий и сооружений из нее.

Разрушающее действие огня

Серьезным недостатком древесины является ее сравнительно легкая воспламеняемость и горючесть.

Стойкость против огня у разных пород различна. Из анализа табл. 1 следует, что большинство пород, имеющих промышленное значение, не являются стойкими к огневому воздействию. Однако путем защитной обработки стойкость древесины к возгоранию может быть значительно повышена.

Таблица 1

Классификация основных древесных пород по огнестойкости (данные МЛТИ)

Горение древесины - это физико-химический процесс, при котором превращение вещества сопровождается интенсивным выделением энергии и тепло - массообменом с окружающей средой. Особенность процесса горения - его самоускорение, которое сопровождается прогрессирующим выделением тепла, а на определенной стадии - появлением пламени.

Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения, оно может быть вызвано зажиганием в результате физического (трение) или теплового импульса: открытым пламенем, искрой, нагретой поверхностью. Самовоспламенение имеет место при более слабом тепловом импульсе, а также при химических и микробиологических процессах. Для возникновения этих импульсов необходимо, чтобы в древесине проходили химические реакции или биохимические процессы с выделением тепловой энергии. Это наблюдается, например, при воздействии на целлюлозные материалы концентрированной серной или азотной кислоты, при разложении размолотой древесины термофильными микроорганизмами.

В результате теплового воздействия древесина начинает нагреваться. При температуре до 100...105 °С происходит только удаление влаги из древесины путем испарения или кипения.

При температуре f_p = 105...150 °С процесс сушки заканчивается и начинается выделение газообразных продуктов разложения древесины. Она приобретает желтый и желтовато-коричневый цвет. Повышение температуры в этой стадии происходит только за счет внешних источников тепловой энергии.

В диапазоне температуры 150...275 °С усиливается выделение газов и начинают выделяться пары смолы. Отдельные вспышки образующихся газов при наличии постороннего пламени начинаются при 225...235 °С. При 260 °С газы уже горят постоянным пламенем. Древесина становится коричневой. Ее разложение в основном продолжается только за счет внешнего источника тепла.

Разложение древесины с выделением тепла (экзотермическая реакция) начинается при температуре t_B = 275...290 °С, называемой температурой воспламенения. Образуется много горючих паров и газов. После удаления источника тепла древесина продолжает гореть с выделением большого количества тепла и образованием пламени. Она сама становится очагом горения. Температура в зоне горения быстро повышается до 500...550 °С. Температура газов, образовавшихся в результате горения древесины, достигает 850... 1200 °С в зависимости от ее влажности.

Самовоспламенение древесных материалов при отсутствии внешнего теплового импульса наблюдается при t_c = 350...400 °С. В интервале изменения температуры от f„ до t_c имеет место тление. При наличии древесной пыли в воздухе воспламенение происходит при более низкой температуре.

Процесс горения, таким образом, протекает в две стадии:

• начальная стадия, при которой химические реакции не сопровождаются выделением тепла и пламени;
• основная стадия, для которой характерно пламенное горение и тление.

На начальной стадии имеет место возгорание или самовозгорание. Возгорание древесины происходит от воздействия внешнего физического или теплового импульса при температуре выше температуры t_B. Для самовозгорания необходимо, чтобы количество выделяющейся тепловой энергии превышало количество тепла рассеивающегося в окружающей среде. Период аккумулирования тепла (самонагревание) до достижения температуры самовозгорания t_c может быть очень продолжительным и длится неделями и месяцами. Характер изменения температуры древесины при возгорании и самовозгорании показан на рисунке.

Стойкость древесины против возгорания после определенной защитной обработки не уступает большинству негорючих материалов. Так, например, металлические перекрытия теряют половину грузоподъемности и проваливаются уже при 500 °С, тогда как деревянные перекрытия лишь медленно обугливаются, так как слой угля на поверхности затрудняет доступ кислорода в зону горения, а теплопроводность слоя в 5...6 раз ниже, чем у древесины Другой пример: деревянные колонны квадратного сечения 285x285 мм² под нагрузкой равной 54 т разрушались в огне через 50 минут, а стальные клепаные колонны одинаковой грузоподъемности уже через 12 минут.

Рис. 1. Кривые изменения температуры древесины при возгорании и самовоспламенении (по Ф.И. Коперину): 1 - кривая, характеризующая процесс возгорания, 2 - кривая, характеризующая процесс самовозгорания, 3 - кривая, характеризующая процесс самонагревания без перехода к самовозгоранию

Разрушение древесины под действием атмосферных воздействий и механического износа

Под влиянием атмосферных воздействий разрушается сначала поверхностный слой материала. Частое увлажнение атмосферными осадками с последующим высыханием под действием солнечной радиации и контакта с воздухом приводит к размягчению волокон древесины. В результате чего появляется их отслоение, наблюдается ворсистость поверхности. Нарушается связь между волокнами и у увлажненной древесины в результате циклического замораживания и оттаивания. Со временем на поверхности появляются постепенно углубляющиеся трещины.

Такой материал начинает удерживать влагу и пыль и тем самым улучшает условия развития в его поверхностных слоях грибов. Если при этом имеются механические воздействия (истирание, деформирование, расщепление), скорость процесса разрушения возрастает. Так разрушаются настилы мостовых, перронов, мостов и тротуаров, полы железнодорожных платформ и кузовов грузовых автомобилей, обшивка причалов, судов, полы животноводческих построек, хотя увлажнение материала имеет в последнем случае другое происхождение.

Несколько иначе протекает процесс разрушения шпал в зоне прокладок и костылей. Под действием веса проходящих железнодорожных составов происходит циклическое деформирование шпалы по ее толщине. При наличии сырого основания (насыпи) шпала начинает «накачивать» воду подобно работе поршневого насоса. Повышенная влажность способствует ускоренному механическому разрушению древесины в зоне контакта с металлом. Вода, попадая в зону разрушения, создает условия для загнивания, что дополнительно способствует более быстрому механическому разрушению.

Деревянные конструкции преждевременно разрушаются, если сооружаются из сырой древесины. В процессе эксплуатации, при снижении влажности древесины до эксплуатационной, образуются трещины, особенно на поверхности крупномерных сортиментов. В полости трещин попадает вода, пыль, грязь, что провоцирует поражение древесины грибами. В ряде случаев создаются нерациональные конструкции, которые не способны защитить древесину от действия атмосферной или конденсационной влаги и грунтовых вод.

Таким образом, наблюдается совместное разрушающее действие атмосферных, биологических и механических факторов. Эти факторы действуют одновременно или в парных сочетаниях. Во всех случаях, чем сильнее выражены взаимосвязи атмосферного, биологического и механического воздействий, тем скорее идет процесс разрушения.

Разрушающее действие на древесину воды, кислот, щелочей

В обычных условиях вода не разрушает древесину. Находясь в воде, древесина некоторых пород может сохраняться тысячелетиями. Примером того может служить мореный дуб, который не только сохраняется, но и приобретает такие свойства, которые делают его ценнейшим поделочным материалом. Сваи из древесины лиственницы, служащие фундаментом зданий в Венеции служат уже несколько столетий.

Однако при повышенной температуре и давлении разрушающее действие воды на древесину может быть весьма заметным. Прочность древесины при пропарке и высокотемпературной сушке существенно снижается. В среде перегретого водяного пара уже при температуре 180...190 °С разлагаются пентозаны и в значительном количестве целлюлоза, а при температуре около 275 °С древесина почти полностью переводится в растворимые в воде соединения.

Древесина обладает определенной стойкостью против воздействия растворов солей, слабых кислот и щелочей и ряда органических веществ. Поэтому из нее нередко для химических заводов делают сосуды, чаны и другую аппаратуру, эксплуатация которых отличается достаточно большой длительностью. Древесина незаменима в конструкциях оросительной системы градирен ТЭЦ и металлургических заводов. Особенной стойкостью против кислот отличается древесина черной ольхи.

Газы обычно действуют на древесину менее агрессивно, чем на металлы. Газы с неполярными молекулами (водород, азот, кислород) в гораздо меньшей степени адсорбируются волокнами древесины, по сравнению с полярными (хлороводород, аммиак, двуокись серы, двуокись углерода). Последние вызывают разбухание древесины. Газы с полярными молекулами прочно удерживаются древесным волокном и обычно удаляются только в вакууме при повышенной температуре. Адсорбция и диффузия газов в древесине зависят также от породы, возраста деревьев, направления воздействия газов на древесные волокна и местоположения в стволе (заболонь, ядро).

Растворы солей обычно разрушающе действуют на древесину только при высоких температурах и давлении. Наибольшее набухание вызывают соли цинка, кальция, магния, а в меньшей степени — соли натрия и калия. Соли алюминия и меди на древесину практически не действуют и ее прочностные свойства не снижают.

Действие кислот на древесину при обычной температуре незначительно, если их рН > 2,5, однако оно становится существенным при повышении концентрации или температуры. Например, действие 10 % соляной, серной или азотной кислоты снижает сопротивление изгибу древесины хвойных пород почти на 10 %, а большинства лиственных пород - до 25 %. При длительном воздействии более крепких растворов кислот древесина теряет прочность. Уксусная кислота при концентрации более 16 % существенно снижает прочность древесины, но для некоторых пород при длительном воздействии этой кислоты прочность опять увеличивается.