Impregnace dřeva a vliv chemické degradace povrchových vrstev na mechanické vlastnosti dřeva, toto bylo cílem výzkumu zjištění vlivu chemické degradace povrchových vrstev dřevěných konstrukčních prvků na jejich mechanické vlastnosti a hloubky, do které toto poškození zasahuje. Degradaci povrchových vrstev dřeva konstrukčních prvků způsobily chemické reakce některých sloučenin obsažených v protipožárních nátěrech v minulosti opakovaně aplikovaných na dřevěné konstrukce historických objektů. K takovým chemikáliím patří např. síran amonný a fosforečnan amonný.
Impregnace dřeva a různé druhy nátěrů pro ochranu dřeva proti ohni jsou užívány již od starověku. Jejich stopy nacházíme na povrchu některých historických konstrukcí různého stáří. Výzkum chemických sloučenin a rozvoj chemického průmyslu v průběhu 20. století umožnil vývoj a pozdější masivní aplikaci nových retardérů hoření na dřevěné prvky stavebních konstrukcí. Byly používány tekuté prostředky nanášené na konstrukční prvky obvykle postřikem nebo nátěrem. Aplikace prostředků na dřevěných konstrukcích staveb probíhala opakovaně, a to většinou po uplynutí doby jejich garantované životnosti.
Průzkumem v minulosti ošetřených dřevěných konstrukcí bylo zjištěno, že některé chemikálie (obsažené v použitých přípravcích) vyvolávají chemické reakce, které poškozují polymery dřeva – celulózu, hemicelulózy a lignin. Příkladem může být aplikace retardérů hoření na bázi síranu amonného a fosforečnanů amonných, kterými byly v minulosti v České republice opakovaně ošetřovány krovy různých stavebních objektů, např. objekt administrativní budovy v ulici U Půjčovny v Praze (Obr. 1). Působení prostředků s obsahem těchto látek způsobilo poškození povrchu dřeva běžně označované jako „povrchové rozvláknění“ nebo chemická koroze.
Z makroskopického pohledu se rozvláknění projevuje „chlupacením“ povrchu dřeva (Obr. 2), které vede k výraznému poklesu jeho soudržnosti a mechanických vlastností. Rozvlákňování dřeva je v současné době považováno převážně za estetický defekt. Způsobuje ztrátu informací z povrchu dřeva, zejména stop po opracování nástroji. Protože však dochází také k narušování struktury dřeva, mohlo by rozvlákňování postupně vést k významnému snížení pevnostních parametrů dřevěných prvků a ohrozit tak bezpečnost a spolehlivost dřevěných stavebních konstrukcí.
V současné době se poškození konstrukčního dřeva rozvlákněním „sanuje“ tak, že se nejprve mechanicky odstraní rozvlákněné vrstvy (až na kompaktní dřevo) a poté se aplikuje postřik neutralizačním roztokem. Jak se ukázalo, tento způsob konzervace dřevěných konstrukcí problém koroze dřeva neřeší. Již několik málo let po jejich neutralizaci dochází k opětovnému rozvláknění dřeva. Tato technologie odstraňování protipožárních nátěrů je z těchto důvodů, především pro historické a památkově chráněné konstrukce, považována za nevhodnou.
Vliv zpožďovačů hoření na bázi síranů a zejména fosforečnanů amonných na pevnost dřeva byl v minulosti zkoumán a podrobněji popsán. Problém chemické koroze dosud ale nebyl řešen pro historické dřevo a pro prostředky, které byly užívány na českých a moravských památkách. Vlivu chemické koroze dřeva na další mechanické a biologické degradační činitele nebyla rovněž věnována adekvátní pozornost.
Úkolem proto bylo zjistit, do jaké hloubky od povrchu dřeva chemická koroze zasahuje a nakolik jsou jejím působením ovlivněny pevnostní mechanické vlastnosti konstrukčních prvků. Měření mechanických vlastností v jednotlivých vrstvách dřeva poškozených prvků bylo provedeno pomocí standardních a experimentálních zkoušek v laboratorních podmínkách.
Při srovnání výsledků měření pevnosti a modulu pružnosti v tlaku podél vláken na vzorcích o velikosti 20×20×30 mm vyrobených z povrchové a vnitřní části trámu byly zjištěny následující skutečnosti:
Mechanická pevnost i modul pružnosti v tlaku podél vláken byly pro vrchní i spodní plochu trámu vyšší u vzorků pocházejících z povrchové vrstvy dřeva než u vzorků pocházejících z následující vnitřní vrstvy dřeva. Tento výsledek připisujeme vyšší hustotě povrchové vrstvy dřeva (vrstva 0 – 20 mm), která obsahovala úzké letokruhy na rozdíl od vnitřní části (vrstva 25 – 45 mm), kde byly letokruhy širší. Změna hustoty dřeva je ovlivněna poklesem průměrné šířky letokruhu podél poloměru kmene a zvýšením procentického zastoupení letního dřeva v jednotlivých letokruzích, což potvrzují již dříve zmíněné práce. Zvýšení hustoty dřeva, směrem po poloměru kmene, ovlivňuje také tloušťka buněčné stěny.
U zkušebních vzorků připravených z povrchové a vnitřní vrstvy vrchní strany trámu byl rozdíl v hustotě dřeva vlivem pravidelnější šířky letokruhů méně výrazný. Tomu odpovídají malé rozdíly mezi naměřenými hodnotami pevnosti a modulu pružnosti v tlaku podél vláken. U vzorků připravených z povrchové a vnitřní vrstvy spodní strany trámu byl rozdíl v hustotě dřeva vlivem velmi rozdílné šířky letokruhů výrazný. Tomu odpovídají i značné rozdíly mezi naměřenými hodnotami pevnosti a modulu pružnosti v tlaku podél vláken.
Struktura dřeva měla v tomto případě na dané mechanické vlastnosti významnější vliv, než samotné rozvláknění povrchu prvku. Tuto skutečnost potvrzuje shodnost naměřených hodnot mechanických vlastností s hustotou dřeva. Pevnost v tlaku podél vláken významně souvisí s hustotou dřeva, což potvrzuje koeficient determinace R2 = 0,7795 stanovený pro celkový počet tlakových vzorků velikosti 20×20×30 mm.
Z důvodu výrazného vlivu přirozené struktury dřeva na jeho mechanické vlastnosti jsme stejné zkušební postupy aplikovali na menších nestandardních tělíscích o rozměrech 5×20×30 mm, vyrobených opět z povrchové a vnitřní vrstvy dřeva. Cílem bylo popsat přesněji vliv povrchového rozvláknění na tlak podél vláken.
Další sledovanou mechanickou vlastností byla pevnost v tahu podél vláken. Tahová tělíska použitá při zkoušce byla vyrobena z povrchové (hloubka 0 – 5 mm od povrchu prvku) a vnitřní (hloubka 25 – 30 mm od povrchu prvku) vrstvy dřeva a to pro horní, boční a spodní plochu trámu. Vzorky měly trojúhelníkový průřez 5×5×7,5 mm s činnou délku 150 mm. Hloubka odběru vzorků odpovídala předcházející zkoušce pro tlak podél vláken.
Z hlediska hustoty dřeva obsahovaly více letokruhů vzorky připravené z vrchní a spodní plochy trámu (cca 3 – 5 ks, orientovaných rovnoběžně spíše s odvěsnou trojúhelníkového průřezu vzorku), než vzorky vyrobené z boční plochy trámu (cca 2 – 3 ks, orientované rovnoběžně s přeponou trojúhelníkového průřezu vzorku). Rovněž rozdíl v hustotě dřeva (počtu a šířce letokruhů) mezi vzorky z povrchové a vnitřní vrstvy dřeva nebyl příliš výrazný. Vzorky z vnitřní vrstvy měly obvykle o jeden letokruh méně.
Na rozdíl od tlakové zkoušky se v případě tahu projevilo výrazné snížení pevnosti způsobené rozkladem dřevní hmoty chemickou korozí na povrchu zkoumaného konstrukčního prvku. Naměřené pevnosti vzorků vyrobených z povrchové vrstvy dosahovaly i přes svou vyšší hustotu průměrně pouze 20 MPa. Naopak pevnosti vzorků vyrobených z vnitřní vrstvy se pohybovaly okolo 50 MPa, což odpovídá hodnotám uváděným pro nepoškozené smrkové dřevo v literatuře. Pevnost v tahu u vzorků vyrobených z povrchové rozvlákněné vrstvy je tedy výrazně nižší (až o 50 %) než u vzorků vyrobených z nepoškozeného dřeva z vrstvy v hloubce 25 mm. Výraznější rozdíly ve změnách pevnosti v tahu podél vláken byly zjištěny u vzorků z vrchní a spodní plochy trámu (vzorky s vyšší hustotou i počtem letokruhů orientovaných rovnoběžně s odvěsnou trojúhelníkového průřezu) než u vzorků z boční plochy trámu (vzorky s menší hustotou i počtem letokruhů orientovaných rovnoběžně s přeponou trojúhelníkového průřezu).
Hodnota modulu pružnosti se u vzorků z vrchní a spodní plochy trámu v povrchové rozvlákněné vrstvě zvýšila (o 15 až 18 %) oproti hodnotě vzorků z vnitřní vrstvy. U vzorků pořízených z povrchové a vnitřní vrstvy dřeva na boční ploše trámu je rozdíl v hodnotách modulu pružnosti spíše opačný. Tento výsledek ovlivnila opět hustota dřeva, především malý počet letokruhů a výrazný podíl jarního, měkčího dřeva ve zkušebních vzorcích.
Měření tvrdosti podle Janky (ČSN 490136) a měření hloubky průniku hrotu Pilodynu proběhlo pro vrchní i spodní plochu trámu. Na obou plochách bylo provedeno měření po jednotlivých vrstvách. Tloušťka jedné vrstvy byla 5 mm a v každé vrstvě bylo provedeno 40 měření. Po skončení měření v jedné vrstvě bylo ze zkušebního vzorku odfrézováno 5 mm materiálu a byla změřena vrstva následující. Měřicí body v jednotlivých vrstvách byly voleny tak, aby nebyly ovlivněny měřením provedeným ve vrstvách předchozích.
Měření tvrdosti metodou dle Janky popisuje změnu vlastností v relativně tenké vrstvě dřeva (cca 2 – 3 mm). Sleduje tedy podrobněji změnu dané vlastnosti, ale je více zatíženo vlivy přirozené struktury dřeva. Měření pilodynem zahrnuje hlubší vrstvu dřeva podél poloměru prvku (u zdravého smrkového dřeva 12 – 15 mm, Kotlínová a kol. 2008). Tato skutečnost lépe pohlcuje hustotní rozdíly, které výrazně ovlivňují měření tvrdosti metodou dle Janky. Výsledky zjištěné těmito různými metodami komplexněji zachycují vliv chemické degradace na tvrdost dřeva.
Výsledky měření oběma metodami při měření na vrchní ploše trámu si vzájemně odpovídaly a prokázaly vliv chemické koroze pouze pro první až druhou povrchovou vrstvu – tedy do hloubky zhruba 7 mm od povrchu prvku. Následující zkoušené vrstvy již nevykazovaly změny tvrdosti způsobené chemickou korozí. Postupně se začala projevovat změna naměřených hodnot způsobená vlivem hustoty dřeva (zvyšující se šířky letokruhů a podílu jarního dřeva). Použité metody měření tvrdosti na spodní ploše trámu se méně shodují. Více se zde projevil vliv rozdílné hustoty (šířky a počtu letokruhů) v jednotlivých vrstvách dřeva na změřené hodnoty tvrdosti.
Výraznější vzájemná separace vlivu hustoty a chemické koroze u jednotlivých zkoušek mechanických vlastností dřeva je v případě experimentů prováděných na prvcích vyjmutých z konstrukcí staveb jen velmi obtížně proveditelná.
Na základě provedených zkoušek mechanických vlastností dřeva lze konstatovat, že ke snížení měřených vlastností u prvků poškozených chemickou korozí dochází pouze v tenké povrchové vrstvě (dle našich zkoušek maximálně do hloubky 5 až 7 mm).
Výrazněji se snížení mechanických vlastností dřeva v poškozené povrchové vrstvě projevilo především při zkoušce v tahu podél vláken, kde pevnost poklesla až o 50 % proti hodnotám zjištěným u nepoškozeného dřeva. Zhoršení mechanických vlastností v rozvlákněném povrchu dřeva bylo detekováno také pomocí tvrdostních zkoušek, při zatlačování kuličky a vstřelování trnu zarážecího indentoru Pilodyn. Zkoušky tvrdosti prokázaly vliv chemické koroze pouze v povrchových vrstvách dřeva.
U zkoušek mechanických vlastností dřeva v tlaku podél vláken na standardních vzorcích se vliv povrchové rozvlákněné vrstvy prokazatelně neprojevil. U nestandardních tělísek (5 mm tloušťka) byl vliv chemické koroze již patrný. Významnější vliv na pevnost v tlaku podél vláken, který se překrýval s vlivem chemické koroze, měly změny hustoty dřeva způsobené poklesem průměrné šířky letokruhu po poloměru kmene a zvýšením procentuálního zastoupení letního dřeva v jednotlivých letokruzích.
Z hlediska mechanických vlastností běžných průřezů konstrukčního dřeva (obvykle 100×120 mm a větší) je vliv chemické koroze povrchových vrstev na únosnost a tuhost prvků nevýrazný. Vícenásobné (opakované) rozvláknění dřeva vyvolané mechanickým obroušením povrchu a neúčinná neutralizace může po čase způsobit zmenšení průřezu konstrukčních prvků, a tím mírné snížení jejich mechanických vlastností. Rozvláknění (zasolení) povrchových vrstev dřeva podporuje zvýšení vlhkosti a tím možnost vzniku napadení dřevokaznými houbami a hmyzem.
Nejnovější komentáře