Badanie wpływu podwyższonej temperatury na wytrzymałość wybranych gatunków drewna krajowego i egzotycznego 2

Transkrypt

1 Paweł Ogrodnik 1 Szkoła Główna Służby Pożarniczej Badanie wpływu podwyższonej temperatury na wytrzymałość wybranych gatunków drewna krajowego i egzotycznego 2 Drewno jest jednym z głównych materiałów stosowanych w konstrukcjach inżynierskich. Na poziomie mikrostrukturalnym drewno jest niehomogenicznym kompozytem komórkowym, kompozycją celulozy, hemicelulozy, ligniny i innych mniej znaczących składników. Celuloza stanowi największą część objętości drewna, składa się ona z długich łańcuchów węglowych, które są najistotniejsze dla wytrzymałości drewna. Hemiceluloza składa się z rozgałęzionych polimerów amorficznych, wypełnia ona obszar pomiędzy celulozą i ligniną w strukturze drewna. Lignina jest polimerem amorficznym odpowiedzialnym za kohezję struktury drewna, jest ona czynnikiem aglomerującym strukturę [1]. Drewno budowlane posiada korzystne właściwości fizyczne i technologiczne, wysoką wytrzymałość, niewielki ciężar własny, podlega ono również dobrej obróbce mechanicznej. Drewno jest także odporne na działanie wielu czynników chemicznych i pozostaje w równowadze chemicznej z otoczeniem w przeciwieństwie do tworzyw sztucznych. Elementy konstrukcyjne wykonane z drewna i materiałów drewnopochodnych osiągają długą żywotność przy niewielkich nakładach związanych z konserwacją w trakcie ich użytkowania. Dotyczy to zarówno elementów nośnych i usztywniających umieszczonych pod dachem, jaki i tych, które są narażone na działanie warunków atmosferycznych [2]. Jednym z podstawowych wad drewna jest jego palność, jako materiał budowlany podlega ono termicznej degradacji. W warunkach pożaru konstrukcja drewniana jest poddana oddziaływaniu wymuszeń zarówno w formie sił oraz oddziaływaniom termicznym. Działanie tych obydwu czynników wpływa na rozkład naprężeń w strukturze drewna oraz obniżenie nośności konstrukcji inżynierskich. Wysokie temperatury występujące w procesie pożaru powodują dekohezję struktury. Degradacja wysuszonej celulozy następuje w temperaturze około 300ºC, jednakże degradacja hemicelulozy następuje już w zakresie temperatur od 150 do 200ºC, ponadto dekompozycja ligniny stanowiącej o spoistości struktury drewna następuje w zakresie temperatur pomiędzy 220 a 250ºC, ustalono również, że dehydratacja ligniny następuje w temperaturze 200ºC [3,4]. W ostatnim czasie zarówno w kraju jak i Europie znacząco wzrosło zainteresowanie a co za tymi idzie wykorzystanie drewna gatunków pozaeuropejskich nazwanych również "egzotycznymi". Drewno takiego typu ma bardzo szerokie zastosowanie, nie tylko dzięki trwałości, ale również bogactwu barw i wzorów. Drewno egzotyczne występuje w trzech postaciach: fornirów, drewna klejonego oraz tarcicy. Elementy wykonane z gatunków egzotycznych prezentują się bardzo efektownie same lub w połączeniu z innymi materiałami. Największą zaletą drewna egzotycznego jest jego trwałość. Gatunki pochodzące z Afryki, Ameryki Południowej i Azji nie tylko z biegiem lat nie zmieniają swojej barwy, ale również nie tracą wilgotności. Dużą zaletą drewna egzotycznego jest również jego twardość i odporność na uszkodzenia oraz ścieranie. Gatunki drzew egzotycznych dostępne są w szerokiej palecie kolorystycznej, od barw białych po żółcie, czerwienie, zielenie, po odcienie szarości oraz czerni. Egzotyczne gatunki drewna są dobrymi izolatorami akustycznymi, są ciepłe oraz bardzo dobrze regulują wilgotność powietrza, dzięki czemu nie wywołują alergii. Mnogość gatunków drewna egzotycznego oraz specyficzne właściwości techniczne, warunkowane m.in. wzrostem w warunkach klimatu tropikalnego, sprawiają, że jest ono niedostatecznie dobrze poznane. Przedstawione w artykule wyniki badań są częścią wyników uzyskanych w ramach pracy statutowej S/E-422/20/14/15 pt. Badanie wpływu podwyższonych temperatur na wytrzymałość drewna egzotycznego stosowanego w konstrukcjach inżynierskich". 1 st. kpt. dr inż. P. Ogrodnik, Kierownik Zakładu, Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego, Katedra Techniki Pożarniczej 2 Artykuł recenzowany. 1191

2 Charakterystyka drewna gatunków pozaeuropejskich Mnogość gatunków drewna egzotycznego i brak regulacji międzynarodowych w zakresie ich nazewnictwa, sprawiają, że pierwszym problemem, z jakim zwykle przychodzi się zmierzyć producentowi czy inwestorowi, to identyfikacja drewna. Powszechną praktyką w światowym obrocie drewnem jest ofertowanie tego samego gatunku pod różnymi nazwami lub odwrotnie przypisywanie tego samego nazewnictwa różnym gatunkom czy nawet rodzajom, stąd posługiwanie się jedynie określeniem handlowym pociąga za sobą niebezpieczeństwo pomyłek [5,6]. Dla ich uniknięcia zasadne wydaje się dookreślenie gatunku nazwą botaniczną oraz kodem wg PN-EN 13556:2005[7]. Ze względu na swoje walory drewno egzotyczne doskonale nadaje się do wnętrz szczególnie w postaci podłogi oraz parapetów, z uwagi na dużą zawartość olejków eterycznych, nadaje się także do stosowania w łazienkach. Drewno egzotyczne stosowane jest także na zewnątrz przy tworzeniu tarasów, elewacji zewnętrznej, a nawet basenów. W ostatnim okresie drewno egzotyczne coraz częściej jest wykorzystywane do budowy małych mostów oraz kładek dla pieszych. Przykładem takiego obiektu jest okrągła kładka dla pieszych, która została oddana do użytku w 2012 roku w Rzeszowie. Kładka ma średnicę ponad 39 m i jest zawieszona na wysokości 5,5 m nad poziomem terenu. Na pomoście kładki ułożone jest egzotyczne drewno Azobe (Lophira Alata). Drewno to jest gatunkiem należącym do najtwardszych i najbardziej odpornych na świecie. W tabeli 1 przedstawiono porównanie właściwości wybranych gatunków drewna egzotycznego porównując je z obecnie stosowanymi gatunkami drewna krajowego. Tab. 1. Porównanie właściwości mechanicznych wybranych gatunków obecnie wykorzystywanego drewna egzotycznego i krajowego. Gatunek Drewna Gęstość w stanie powietrzno suchym (12-15%) Wytrzymałość na rozciąganie wzdłuż włókien Wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien Wytrzymałość na zginanie statyczne Moduł sprężystości wzdłuż włókien - [kg/m 3 ] [GPa] Eukaliptus (Eucalyptus grandis) Merbau (Intsia bijuga) Sapeli (Entandrophragma cylindricum Sprague) Sosna (Pinus) Dąb (Quercus robur L.) ,6-13,5-18, ,7-16,0-17, , ,9-12,0-20, Świerk (Picea abies Karst.) ,3-11,0-21,4 Jak wynika z przedstawionej tabeli właściwości wybranych gatunków drewna pozaeuropejskiego nie odbiegają znacząco od własności obecnie stosowanych gatunków krajowych. W niektórych przypadkach własności mechaniczne często wręcz przewyższają gatunki krajowe. W przypadku wykorzystywania drewna pozaeuropejskiego w budownictwie równie ważnym czynnikiem poza właściwościami mechanicznymi jest odporność drewna na biodegradację (gnicie, próchnicę, grzyby, insekty). Najczęściej stosuje się klasyfikację składającą się z pięciu klas naturalnej odporności drewna na podstawie normy PN-EN 350-2:2000 [8]. Do klasy pierwszej możemy zaliczyć takie gatunki drewna egzotycznego jak Azobe, Badi, Iroko, Ipe. Ich naturalna odporność na biodegradację przekracza nawet 25 lat. Nieco mniejszą odpor- 1192

3 ność lat posiadają takie gatunki jak Bangkirai, Merbau, Cedr. Należy zauważyć, że naturalną odporność drewna można znacznie poprawić stosując odpowiednie zabiegi konserwujące oraz impregnaty do drewna, które wydłużają jego żywotność. Materiał i metoda badań Próbki do badań zostały wykonane zgodnie PN-D-04102:1979 [9]. Do ich wykonania wybrano dwa gatunki drewna - drewno sosnowe (Pinus) oraz drewno gatunku egzotycznego merbau (Intsia bijuga). Materiał do wykonania próbek był sezonowany przez okres czterech lat. Wszystkie próbki wykonano z materiału głównego. Wybrana tarcica została pocięta na listwy i poddana suszeniu w suszarni komorowej przez 14 dni. Przed wykonaniem obróbki termicznej oraz impregnacji próbki były przechowywane przez sześć miesięcy w suchym pomieszczeniu a ich wilgotność nie przekraczała 10%. Wymiary próbek z drewna sosnowego (Pinus) i merbau (Intsia bijuga) były identyczne. Próbki do badania wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien zostały wykonane w formie prostopadłościanów o wymiarach 20x20x30 mm (Rys.1). Rys. 1. Próbki drewniane do badań wytrzymałościowych. Źródło: Opracowanie własne. Przed przystąpieniem do obróbki termicznej próbki zostały poddane impregnacji próżniowej. Urządzenie posiada zakres temperatury pracy od temperatury normalnej do 200 C oraz dopuszczalną próżnię wynoszącą 0,099MPa. Do wykonania roztworu wykorzystano mieszalnik elektromagnetyczny, a stężenie roztworu wynosiło 400 ppm. Następnie roztwór przelano do głębokiego pojemnika w ilości zapewniającej całkowite zanurzenie próbek. W roztworze zanurzano próbki na czas wynoszący 20 min, po czym zostały one przeniesione do komory suszarki próżniowej. Impregnację przeprowadzono metodą próżniową przez 15 min przy podciśnieniu wynoszącym - 0,7 atm. Po wyciagnięciu próbki wysuszono w temperaturze otoczenia. Szczegółowe właściwości środka wykorzystanego do przeprowadzenia impregnacji zostały przedstawione w tabeli 2. W sumie impregnacji poddano 120 szt. próbek po 60 szt. dla obydwu wybranych gatunków drewna. 1193

4 Tab. 2. Szczegółowe właściwości fizyczne i chemiczne impregnatu na bazie krzemionki Właściwości impregnatu Początkowa Temperatura wrzenia Początkowa temperatura topnienia Wielkość cząstek Gęstość w temperaturze 25 C Zapach Forma Kolor Charakterystyka/wartość 2300 o C 1600 o C nm 2,2-2,6 g/ml Brak Proszek Biały Obróbka termiczna próbek Przed wykonaniem badań wytrzymałości przeprowadzono badania wstępne, w których ustalono zakresy temperatur eksperymentu oraz określono czasy ekspozycji próbek do momentu wyrównania temperatury w całej objętości próbki. W badaniach wstępnych w próbkach wykonywano otwór, w którym umieszczano termoparę, celem dokonania pomiaru temperatur w geometrycznym środku próbki. Czas nagrzewania określono jako czas, po którym termoparą umieszczoną wewnątrz próbki zmierzono temperaturę przyjętą w planie badań. Jako wyjściową w badaniach przyjęto temperaturę normalną równą 20 C. Temperaturę graniczną określono na poziomie 250 C, jest to temperatura bliska temperaturze zapłonu powierzchni drewna. Dodatkowo badania przeprowadzone dla temperatury 100 C, w której następuje odparowanie wody z porów próbki. Za podstawę w badaniach została przyjęta krzywa normowa temperatura-czas. Wygrzewanie próbek wykonano w średniotemperaturowym piecu komorowym typu PK 1100/5. Regulowanie pracą pieca odbywało się przy użyciu sterownika wraz z komputerem pomiarowym i oprogramowaniem ThermoPro. Rejestracja mierzonej wartości temperatury odbywała się za pomocą komputera klasy PC wyposażonego w kartą pomiarową. Po umieszczeniu próbek w piecu, na zewnętrznej powierzchni wybranej próbki zamocowano termoelementy pomiarowe. Schemat wygrzewania próbek został przedstawiony na (Rys.2). Rys. 2. Schemat wygrzewania próbek. A - temperatura wygrzewania 100 C, B - temperatura wygrzewania 250 C, Źródło: Opracowanie własne. Wygrzewanie próbek podzielono na dwa etapy. W pierwszym z nich trwającym odpowiednio 5 lub 12 minut następował szybki wzrost temperatury aż do osiągnięcia założonej temperatury. Drugi etap polegał 1194

5 na utrzymaniu osiągniętej temperatury przez 15 minut. Czas ten został określony podczas badań wstępnych i jest on minimalny, aby osiągnąć jednakową temperaturę w całej objętości próbki. Po tym czasie próbki były wyjmowane z pieca i studzone w sposób naturalny. Badania wytrzymałościowe Badania wytrzymałościowe przeprowadzono na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej FPZ 100/1 (VEB Thuringer Industriewerk Rauenstein, Germany), która umożliwia obciążenie pionową siłą statyczną oraz utrzymania jej w układzie pionowym na stałym założonym poziomie. Maksymalna wytwarzana siła statyczna wynosi 100kN. Urządzenie posiada cztery zakresy prędkości przesuwu trawersy. W czasie badań użyty został zakres prędkości przesuwu trawersy oznaczony jako I/III, który pozwala na przesuw z prędkością 0,021 0,84 mm/min. Wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien obliczono na podstawie równania (1): R cw P max (1) a b gdzie: P max siła niszcząca próbkę [N] a wymiar przekroju próbki w kierunku promieniowym [mm] b wymiar przekroju próbki w kierunku stycznym [mm] Wyniki badań Sumarycznie w badaniach wytrzymałościowych wykorzystano 240 próbek po 120 sztuki z każdego wybranego gatunku drewna. Dla każdej założonej w badaniach temperatury wykonano badania wytrzymałościowe 20 próbek. Parametry statystyczne uzyskanych wyników badań wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien drewna sosnowego przedstawiono w tabeli 3. Wyniki badania wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien drewna merbau (Intsia Bijuga) zawiera tabela 4. Tab. 3. Wytrzymałość na zginanie impregnowanego i nieimpregnowanego drewna sosnowego Temperatura Badania [ºC] N Impregnacja SiO 2 Średnia Maksimum Minimum Odch. Std Nie 54,7 63,5 46,4 9, Tak 52,1 60,3 41,8 10, Nie 37,7 46,7 31,7 7, Tak 30,4 41,4 25,9 9, Nie 26,5 33,3 22,6 7, Tak 23,5 30,4 18,4 11,7 Tab. 4. Wytrzymałość na zginanie impregnowanego i nieimpregnowanego drewna merbau Temperatura Badania [ºC] N Impregnacja SiO 2 Średnia Maksimum Minimum Odch. Std Nie 72,5 84,2 61,7 11, Tak 64,9 74,8 58,9 8, Nie 51,9 62,4 49,2 9, Tak 42,6 49,3 37,1 8, Nie 33,9 37,7 29,3 6, Tak 24,8 30,2 18,5 12,4 1195

6 Wytrzymałość na ściskanie Wytrzymałość na ściskanie Logistyka nauka Na rysunkach 3, 4 oraz 5 zostało przedstawione porównanie średniej wytrzymałości obydwu wybranych w badaniu gatunków drewna nieimpregnowanego oraz impregnowanego SiO 2 w temperaturach 20 o C, 100 o C oraz 250 o C. 80,0 Porównanie wytrzymałości na ściskanie drewna nieimpregnowanego i impregnowanego SiO 2-20ºC 72,5 SOSNA 64,9 MERBAU 60,0 54,7 52,1 40,0 20,0 0,0 Nieimpregnowane Impregnowane środkiem SiO 2 Rys. 3. Porównanie wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien wybranych gatunków drewna nieimpregnowanego oraz impregnowanego SiO 2-20 o C. 80,0 Porównanie wytrzymałości na ściskanie drewna nieimpregnowanego i impregnowanego SiO 2-100ºC SOSNA MERBAU 60,0 51,9 40,0 37,7 42,6 30,4 20,0 0,0 Nieimpregnowane Impregnowane środkiem SiO 2 Rys. 4. Porównanie wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien wybranych gatunków drewna nieimpregnowanego oraz impregnowanego SiO o C. 1196

7 Wytrzymałość na ściskanie Logistyka nauka 80,0 Porównanie wytrzymałości na ściskanie drewna nieimpregnowanego i impregnowanego SiO 2-250ºC SOSNA MERBAU 60,0 40,0 33,9 26,5 23,5 24,8 20,0 0,0 Nieimpregnowane Impregnowane środkiem SiO 2 Rys. 5. Porównanie wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien wybranych gatunków drewna nieimpregnowanego oraz impregnowanego SiO o C. Podsumowanie Drewno lite, jest mało odporne na działanie wysokich temperatur. Szybki wzrost dekohezji struktury drewna litego w warunkach działania podwyższonej temperatury następuje już w zakresie od 220 do 250ºC. Jednym ze skutków obniżenia wilgotności może być spadek jego wytrzymałości. Proces degradacji struktury drewna najszybciej postępuje w warstwie zewnętrznej, przyczynia się do tego wysoka izolacyjność cieplna drewna. Pożądanym skutkiem zachodzącego procesu jest powstanie warstwy zwęglonej, która w kolejnych fazach pożaru stanowi dodatkową warstwę izolacyjną stanowiącą ograniczenie dopływu ciepła do rdzenia elementu konstrukcyjnego. W wyniku przeprowadzonych badań można wysunąć następujące wnioski: Impregnacji środkiem ogniochronnym zawierającym krzemionkę obniża wytrzymałość doraźną na ściskanie wzdłuż włókien wybranych gatunków drewna we wszystkich przedziałach temperatur dla których przeprowadzono badania, We wszystkich przypadkach wykazano większą wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien drewna merbau (Intsia bijuga) w porównaniu z drewnem gatunku krajowego - sosna (Pinus), W przypadku wybranych gatunków drewna poddanego impregnacji krzemionką następuje spadek wytrzymałości po ekspozycji w temperaturach 100 o C oraz 250 o C. Dla drewna sosnowego zaobserwowano spadek wytrzymałości odpowiednio o 41,7% i 54,9%, natomiast dla drewna egzotycznego spadek ten wynosił 34,4% oraz 61,8% w odniesieniu do wytrzymałości uzyskanej w temperaturze 20ºC. Również w przypadku drewna niepoddanego impregnacji następuje spadek wytrzymałości po wygrzaniu w temperaturach 100 o C oraz 250 o C. W przypadku drewna sosnowego (Pinus) spadek ten wynosi 31,1% i odpowiednio 51,6%, dla drewna merbau (Intsia Bijuga) spadki te są równe 28,8% oraz 53,7% w odniesieniu do wytrzymałości próbek nieimpregnowanych uzyskanych w temperaturze 20ºC. Przeprowadzone badania wykazały negatywny wpływ impregnacji próżniowej środkiem ogniochronnym zawierającym krzemionkę na wytrzymałość przy ściskaniu wzdłuż włókien wybranych gatunków drewna. 1197

8 Streszczenie Celem artykułu jest przedstawienie wyników badań doświadczalnych wpływu podwyższonej temperatury na wytrzymałość przy ściskaniu wzdłuż włókien drewna sosnowego (Pinus) oraz drewna gatunku pozaeuropejskiego merbau (Intsia Bijuga) stosowanego w budownictwie i konstrukcjach inżynierskich. Część próbek do badań zostało poddanych impregnacji metodą próżniową nowoczesnym środkiem ogniochronnym zawierającym nanocząstki SiO 2 o rozmiarach 10-20nm. Badania zostały wykonane w ramach pracy Badawczej Statutowej S/E-422/20/14/15 realizowanej w Szkole Głównej Służby Pożarniczej. We wszystkich przebadanych przypadkach stwierdzono negatywny wpływ środka ogniochronnego oraz podwyższonej temperatury na wytrzymałość badanych próbek drewnianych. The analysis of the impact of increased temperature on the resistance of selected domestic and exotic wood species Abstract The aim of the article is to present the results of experimental studies of the impact of increased temperature on the resistance during compression along the fibres of pine wood (Pinus) as well as non- European wood species merbau (Intsia Bijuga), applied to engineering construction and structures. The part of samples for studies were subjected to impregnation by vacuum method by the innovative flameretardant containing SiO 2 of the dimensions 10-20nm. The research was conducted within the framework of Statutory Research Work S/E-422/20/14/15 implemented in The Main School of Fire Service. In all the analyzed cases, the negative impact of flame-retardant and increased temperature on the resistance of the studied wood samples, was stated. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. Younsi R., Kocaefe D., Poncsak S., Kocaefe Y.: Computational and experimental analysis of high temperature thermal treatment of wood based on ThermoWood technology, International Communications in Heat and Mass Transfer 37 (2010) [2]. Neuhaus H., Budownictwo drewniane, podręcznik inżyniera. Polskie Wydawnictwo Techniczne. Rzeszów [3]. Bednarek Z., Kaliszuk-Wietecka A.: Analysis of the fire-protection impregnation influence on wood strendht, Journal of Civil Engineering and Management 2007, vol XIII, No 2 p [4]. Bednarek Z., Ogrodnik P., Pieniak D.: Wytrzymałość na zginanie i niezawodność kompozytu drewnianego LVL w warunkach podwyższonych temperatur, Zeszyty Naukowe SGSP nr 40/2010 [5]. Sudoł E., Sulik P., Problematyka wykorzystania drewna egzotycznego w zewnętrznych przegrodach budowlanych. Budownictwo i Architektura 12(3) (2013) [6]. Kozakiewicz P., Kościeliak C.: Zakrzewska-Rudziska W., Badania właściwości i innowacyjne zastosowania drewna egzotycznego w Polsce, Przemysł drzewny 59 (2008) [7]. PN-EN 13556:2005 Drewno okrągłe i tarcica-terminologia stosowana w handlu drewnem w Europie [8]. PN-EN 350-2:2000 Trwałość drewna i materiałów drewnopochodnych-naturalna trwałość drewna litego-wytyczne dotyczące naturalnej trwałości i podatności na nasycanie wybranych gatunków drewna mających znaczenie w Europie [9]. PN-D-04102:1979 Drewno-Oznaczanie wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien 1198