Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Mechanické vlastnosti konstrukčního dřeva poškozeného protipožárními nátěry

Jednoduché, přírodní nátěry k ochraně konstrukčního dřeva před ohněm a požáry byly užívány již ve starověku. Jejich stopy nacházíme na povrchu některých historických konstrukcí (Drdácký et al. 2005). Rozvoj chemického průmyslu v 19. a 20. století umožnil vývoj a pozdější intenzivní aplikaci nových retardérů hoření na dřevěné prvky běžných stavebních konstrukcí.

1 ÚVOD

Jednoduché, přírodní nátěry k ochraně konstrukčního dřeva před ohněm a požáry byly užívány již ve starověku. Jejich stopy nacházíme na povrchu některých historických konstrukcí (Drdácký et al. 2005). Rozvoj chemického průmyslu v 19. a 20. století umožnil vývoj a pozdější intenzivní aplikaci nových retardérů hoření na dřevěné prvky běžných stavebních konstrukcí.

Při průzkumech dřevěných konstrukcí, ošetřených retardéry hoření (zejména v druhé polovině 20. století) bylo zjištěno, že některé z chemikálií obsažených v použitých přípravcích vyvolávají chemické reakce, které poškozují základní polymery dřeva - celulózu, hemicelulózy a lignin. Příkladem je aplikace retardérů hoření na bázi síranu amonného a fosforečnanu amonného v objektu bývalého pivovaru v Děčíně. Prostředky s obsahem uvedených látek způsobily poškození povrchu dřeva, běžně označované jako "povrchové rozvláknění" (obr.1).

Rozvlákňování dřeva je v současnosti považováno především za estetický defekt, který vede ke ztrátě informací z povrchu konstrukčních prvků. Rozvlákněním dochází k narušení struktury dřeva, které ovlivňuje jeho mechanické vlastnosti a mohlo by postupně vést k významnému snížení jeho pevnostních parametrů. Vliv protipožárních nátěrů na pevnost dřeva byl popsán v několika článcích (LeVan a Winandy, 1990; Winandy, 1997; Winandy et al, 1998). Pro prostředky, které byly aplikovány v průběhu 20. století na českých a moravských památkách nebyl problém chemické koroze zatím komplexněji řešen.

2 EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM

Při zkoumání dřevěných konstrukcí ošetřených protipožárními prostředky "in situ" bylo zjištěno, že dřevo v rozvlákněné vrstvě vykazuje značnou ztrátu soudržnosti a dalších mechanických vlastností. Z tohoto důvodu byly v laboratorních podmínkách provedeny experimentální zkoušky za účelem zjištění do jaké hloubky dřeva poškození zasahuje a jak výrazně jsou jím ovlivněny mechanické vlastnosti jednotlivých konstrukčních prvků.

Vzorky pro experimenty byly připraveny ze smrkového (Picea abies (L.) Karst.) hambálku vyjmutého z krovové konstrukce sladovny bývalého pivovaru v Děčíně. Mechanické zkoušky (pevnost v tlaku, tahu, ohybu, tvrdost a přerážecí práce) byly provedeny na vzorcích vyrobených z povrchových částí prvku, poškozených rozvlákněním a vztaženy k referenčním vzorkům, vyrobeným z vnitřní (nepoškozené) části. Zkušebních tělíska byla vyrobena dle schématu (obr.3), které odpovídá příčnému řezu trámem (obr.2). Pro zkoušky mechanických vlastností byly vzaty pouze vzorky, které neobsahovaly žádné přirozené vady materiálu (suky, trhliny, hnilobu, požerky dřevokazného hmyzu apod.).


Obr. 1 Rozvlákněný povrch konstrukčního prvku
 
Obr. 2 Příčný řez konstrukčním prvkem

Sledována byla pevnost a modul pružnosti v tlaku podél vláken, zkoušené na hranolcích o velikosti 20×10×30 mm. Vzorky byly vyrobeny z povrchové (45 ks) a z vnitřní části (30 ks) trámu, následující pod povrchovou vrstvou směrem do středu prvku. Pevnost v tahu podél vláken, byla zjištěna na speciálních vzorcích trojúhelníkového průřezu 5×5×7 mm o délce 200 mm. Tahová mikrotělíska umožňují přesnější určení sledované vlastnosti. Připravena byla opět z povrchové části (18 ks) a vnitřní části (19 ks) trámu. Tvrdost dřeva byla měřena metodou dle Janky na povrchu prvku a v hloubce 15 mm pod povrchem. V povrchové vrstvě proběhlo měření v 56 bodech a ve vnitřní v 59 bodech. Ohybová pevnost a ohybový modul pružnosti byly zkoušeny na hranolcích o velikosti 20×10×200 mm. Testované, 20 mm vysoké hranolky byly získány slepením dvou hranolků o příčné průřezu 10×10 mm a to z povrchové části (6 ks) a z vnitřní části (7 ks). Přerážecí práce byla zkoušena na hranolcích o velikosti 7×10×80 mm, vyrobených rovněž z povrchové (20 ks) a vnitřní (20 ks) části trámu. Veškeré mechanické zkoušky proběhly v laboratorních podmínkách při vlhkosti dřeva 12 %.


Obr. 3 Schéma výroby vzorků

3 VÝSLEDKY A DISKUZE

Mez pevnosti a modul pružnosti v tlaku podél vláken byl u vzorků pocházejících z povrchové části dřeva vyšší než u vzorků pocházejících z vnitřní části (Obr.4,5). Tuto skutečnost připisujeme vyšší hustotě dřeva v povrchové části (vrstva 0 - 10 mm), než ve vnitřní části (vrstva 15 - 25 mm) prvku. Rozdíl v hustotě způsobuje pokles průměrné šířky letokruhu podél poloměru kmene a zvýšením procentického zastoupení letního dřeva v jednotlivých letokruzích (Gryc a Holan, 2004).

Struktura dřeva na dané mechanické vlastnosti významnější vliv, než je vlastní poškození povrchu prvku rozvlákněním. Tuto skutečnost potvrzuje shodnost naměřených hodnot mechanických vlastností (Obr.4,5) s hustotou dřeva (Obr.6). Souvislost pevnosti v tlaku podél vláken s hustotou dřeva potvrzuje koeficient determinace R2 = 0,717 (Obr.7).


Obr.4 Pevnost v tlaku podél vláken pro povrchovou i vnitřní část (20×10×30 mm)
 
Obr.5 Modul pružnosti v tlaku podél vláken pro povrchovou i vnitřní část (20×10×30 mm)


Obr.6 Hustota vzorků pro povrchové i vnitřní části (20×10×30 mm)
 
Obr.7 Závislost pevnosti v tlaku podél vláken na hustotě pro všechny vzorky (20×10×30 mm)

U zkoušky dřeva v tahu podél vláken se výrazně projevilo snížení pevnosti v povrchové vrstvě prvku způsobené rozkladem dřevní hmoty. Naměřené pevnosti vzorků vyrobených z povrchové části dosahovaly i přes svou vyšší hustotu, průměrně 56,3 MPa. Pevnosti vzorků vyrobených z vnitřní části se pohybovaly okolo 69,3 MPa (Obr.8), což odpovídá hodnotám uváděným pro nepoškozené smrkové dřevo v literatuře (Bodig a Jane, 1993).

Průměrná hodnota modulu pružnosti se v povrchové rozvlákněné vrstvě zvýšila o 7,5 % oproti hodnotě vzorků z vnitřní vrstvy (Obr.9). Tento výsledek ovlivnila pravděpodobně opět hustota dřeva, především malý počet letokruhů a výrazný podíl jarního, měkčího dřeva ve zkušebních vzorcích vyrobených z vnitřní vrstvy dřeva trámu.

U ohybových vzorků připravených z povrchové části dřeva byla zjištěna průměrná hodnota ohybové meze pevnosti 81,1 MPa a ohybového modulu pružnosti 55611 MPa (Obr.10, 11). U vzorků z vnitřní části pak průměrná hodnota ohybové pevnosti 79,4 MPa a ohybového modulu pružnosti 52803 MPa (Obr.10, 11). Hodnoty obou vlastností jsou tedy v obou částech dřeva srovnatelné. Zjištěné hodnoty v povrchové části dřeva vykazují větší rozptyl. Vzorky z povrchové části vykazují také výrazně vyšší hustotu (Obr.12). Srovnatelné průměrné hodnoty ohybové pevnosti a ohybového modulu pružnosti, v povrchové i vnitřní vrstvě dřeva, by mohly potvrdit vliv rozvláknění, které způsobilo změnu mechanických vlastností dřeva v povrchové vrstvě konstrukčního prvku.


Obr.8 Pevnost v tahu podél vláken pro povrchovou i vnitřní část (5×5×7,5 mm)
 
Obr.9 Modul pružnosti v tahu podél vláken pro povrchovou i vnitřní část (5×5×7,5 mm)


Obr.10 Ohybová pevnost pro povrchovou i vnitřní část (20×10×200 mm)
 
Obr.11 Ohybový modul pružnosti pro povrchovou i vnitřní část (20×10×200 mm)


Obr.12 Hustota ohybových vzorků z povrchové i vnitřní části (20×10×200 mm)
 
Obr.13 Zkouška ohybové pevnosti

Měření tvrdosti metodou dle Janky popisuje změnu vlastností dřeva v relativně tenké vrstvě. Průměrné hodnoty tvrdosti naměřené v povrchové vrstvě dřeva byly 16,65 MPa a ve vnitřní vrstvě dřeva 16,56 MPa. To znamená, že jsou téměř shodné (Obr.14). Z důvodu vyšší hustoty povrchové vrstvy dřeva, tento výsledek (stejně jako v případě ohybových zkoušek) potvrzuje snížení tvrdosti povrchu prvku způsobený jeho rozvlákněním.

Při zkoušce přerážecí práce byla měřena energie potřebná k přeražení zkušebních tělísek o průřezu 10x7 mm (bez vrubu). Úder kladiva byl veden v radiálním směru na kratší stranu průřezu zkušebních hranolků. Zkušební vzorky připravené z povrchové vrstvy měly vyšší hustotu a byla u nich naměřena i vyšší rázová energie, v průměru 4,55 J. Vzorky vyrobené z vnitřní vrstvy dřeva měly nižší hustotu a byla u nich naměřená průměrná rázová energie 3,57 J (obr.15). Rozptyl naměřených hodnot v povrchové vrstvě byl podstatně menší než u vrstvy vnitřní, vzhledem k rozdílu hustot a poměru rázových energií je zjevné, že rozvláknění povrchu dřeva ovlivňuje jeho rázovou pevnost jenom minimálně.


Obr.14 Tvrdost měřená podle Janky pro povrchovou i vnitřní část
 
Obr.15 Přerážecí práce pro povrchovou i vnitřní část (10×7×80 mm)

4 ZÁVĚR

Z laboratorních zkoušek je patrné, že výrazné snížení mechanických vlastností na prvcích poškozených povrchovým rozvlákněním postihuje pouze povrchové části dřeva konstrukčních prvků, a to nejvýše do hloubky několika milimetrů.

Porovnání hodnot zjištěných v povrchových a středových zónách prvku komplikovala vysoká variabilita vlastností a současně vliv dalších faktorů. Změny mechanických vlastností dřeva v poškozené vrstvě se projevily zejména při zkoušce v tahu podél vláken. Vliv rozvláknění byl patrný i ze zkoušek tvrdosti a ohybu. U zkoušky mechanických vlastností dřeva v tlaku podél vláken a přerážecí práce se vliv povrchové rozvlákněné vrstvy na mechanické vlastnosti dřeva, vzhledem k velikosti zkušebních tělísek, projevil méně výrazně.

Z hlediska mechanických vlastností je vliv rozvláknění povrchových vrstev na únosnost a tuhost konstrukčních prvků nevýznamný. Při opakovaném rozvláknění dřeva po obroušení povrchu nebo neúčinné neutralizaci působících chemických látek, však může dojít k zmenšení průřezu konstrukčních prvků a tím ke snížení jejich tuhosti a únosnosti. Rozvláknění rovněž podporuje zvýšení vlhkosti a možnost napadení dřeva dřevokaznými houbami.

Poděkování

Příspěvek byl vytvořen za podpory GAČR 103/07/1091; MSM 6215648902; AV0Z20710524.

Literatura

[1] Bodig, J., Jayne, B.A.: Mechanics of wood and wood composites. 2aed Krieger Publishing company, 1993, 712 pp.
[2] Příslušné České statní normy (ČSN).
[3] Drdácký, M.F., Jirovský, I., Slížková, Z.: On structural health and technological survey of historical timber structures. In: Procedings "Conservation of Historic Wooden Structures" (G.Tampone, ed.), Vol.1, Collegio degli Ingegneri della Toscana, Florence 2005, pp. 278-284.
[4] Gryc, V., Holan, J.: Vliv polohy ve kmeni na šířku letokruhu u smrku (Picea abies /L./ Karst.) s výskytem reakčního dřeva. In: Acta Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis, 2004, č. 4, pp. 59-72.
[5] LeVan, S.L., Winandy, J.E.: Effects of fire retardant treatments on wood strength: a review, Wood and Fiber Science, 22(1), 1990, pp.113-131.
[6] Winandy, J.E.: Effects of fire retardant retention, borate buffers, and redrying temperature after treatment on thermal-induced degradation, Forest Products Journal, 1997, 47(6), pp.79-86.
[7] Winandy, J.E., Lebow, P.K., Nelson, W.: Predicting bending strength of fire- retardant-treated plywood from screw-withdrawal tests, Res. Note FPL-RP-568, Madison, WI: US Dept. of Agriculture, Forest service, Forest Products Laboratory, 1998.

English Synopsis

The article presents the results of a research focused on determination of effect of chemical degradation of wooden construction elements on their mechanical characteristics. The damage of wood was caused by chemical reactions of basic substances of wood mass with compounds contained in anti-fire coatings. This kind of corrosion is called „surface defibering of wood“. The contribution presents experimental methods used for measuring the selected mechanical characteristics (compression strength, tension strength, bending strength, hardness and breaking, and impact strength) on specimens prepared from surface part of defibered wood and from inner part of undamaged wood. The results of the experiments proved loss of cohesion and decrease of mechanical characteristics of construction elements wood only in a thin surface layer.