Wstępne badanie wpływu podwyższonych temperatur na wytrzymałość drewna egzotycznego stosowanego w budownictwie

Transkrypt

1 OGRODNIK Paweł 1 SZULEJ Jacek 2 Wstępne badanie wpływu podwyższonych temperatur na wytrzymałość drewna egzotycznego stosowanego w budownictwie WSTĘP Drewno, obok gliny i kamienia jest najstarszym materiałem, jakiego człowiek używa od wieków. Na przestrzeni lat było ono wykorzystywane do budowy oraz jako materiał opałowy. Drewno jest jedynym materiałem w pełni odtwarzalnym przez przyrodę[8]. Mimo że współczesne budownictwo opiera się przede wszystkim na betonie, cegle i tworzywach sztucznych, drewno jako materiał budowlany wciąż ma duże znaczenie. Jako materiał konstrukcyjny posiada wiele korzystnych właściwości m.in. łatwość obróbki, ogólnodostępność, mały ciężar objętościowy, dużą wytrzymałość względną i właściwą, mały współczynnik przewodnictwa cieplnego. Główną wadą drewna jest jego anizotropowa budowa, istotne są także ograniczone wymiary i wady naturalne struktury. Na poziomie mikrostrukturalnym drewno jest niehomogenicznym kompozytem komórkowym, kompozycją celulozy, hemicelulozy, ligniny i innych mniej znaczących składników. Jako materiał od wielu lat cieszy się nieprzemijającą popularnością jako element aranżacji wnętrz[6,8]. Ostatnie lata przyniosły wyraźny wzrost zainteresowania drewnem gatunków pozaeuropejskich, jako tworzywem inżynierskim. Czynnikami decydującymi o rosnącej popularności drewna egzotycznego jest nieprzeciętna barwa, atrakcyjny rysunek i struktura, przy jednocześnie bardzo dobrych właściwościach mechanicznych[1,9]. Zgodnie z najnowszymi trendami, pewne rodzaje drewna egzotycznego można wprowadzać do łazienek, tworząc w ten sposób nietypowe aranżacje. Jest ono również wykorzystywane w budownictwie w szczególności w przegrodach zewnętrznych, obiektach małej architektury oraz kładkach dla pieszych narażonych na wpływ zmiennych oddziaływań klimatycznych. Jego wykorzystanie powinna zatem poprzedzać badawcza weryfikacja szeregu właściwości, decydujących w znaczniej mierze o niezawodność i trwałość wyrobu. Analizie powinna podlegać m.in. gęstość, stabilność wymiarów, wytrzymałość oraz trwałość naturalna. Niejednokrotnie konieczne jest także sprawdzenie innych, specjalnych właściwości takich jak podatność na impregnacji lub wykończenie powłokami malarskimi. Jedną z podstawowych wad konstrukcji drewnianych jest mała odporność na podwyższone i wysokie temperatury występujące w czasie pożarów[2,3]. W celu ochrony drewna przed oddziaływaniem wysokiej temperatury najczęściej stosowane są impregnaty ogniochronne, które ogólnie dzielone są na dwie grupy. Do pierwszej z nich zaliczamy impregnaty wnikające w strukturę drewna są to najczęściej środki solne. Drugą grupę stanowią środki działające powierzchniowo w postaci farb, lakierów oraz roztworów wodnych[4,5,6]. Artykułu prezentuje wyniki badań doświadczalnych wpływu podwyższonej temperatury na wytrzymałość przy zginaniu drewna sosnowego (Pinus) oraz drewna egzotycznego merbau (Intsia Bijuga) stosowanego w budownictwie i konstrukcjach inżynierskich naturalnego oraz impregnowanego nowoczesnym środkiem ogniochronnym zawierającym nanocząstki SiO 2 o rozmiarach 10-20nm. Badania zostały wykonane w ramach pracy badawczej Statutowej S/E- 422/20/14 realizowanej w Szkole Głównej Służby Pożarniczej. 1 Szkoła Główna Służby Pożarniczej, ul. Słowackiego 52/54, Warszawa, Zakład Mechaniki Stosowanej, Tel: pogrodnik@sgsp.edu.pl 2 Politechnika Lubelska, ul. Nadbystrzycka 38 D, Lublin, Katedra Mechaniki Budowli, Tel: j.szulej@pollub.pl 8053

2 1 MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ 1.1 Materiał Próbki do badań zostały wykonane zgodnie PN-77/D-04103[9]. Do ich wykonania wybrano dwa gatunki drewna - drewno sosnowe (Pinus) oraz drewno egzotycznego merbau (Intsia).Wszystkie próbki wykonano z materiału głównego, sezonowanego przez okres czterech lata. Następnie wybrana tarcica została pocięta na listwy i poddana suszeniu w suszarni komorowej przez 14 dni. Przed przystąpieniem do obróbki termicznej oraz impregnacji próbki były przechowywane przez sześć miesięcy w suchym pomieszczeniu a ich wilgotność nie przekraczała 10%. Wymiary próbek z drewna sosnowego i merbau były identyczne. Próbki do badań wytrzymałości na zginanie statyczne zostały wykonane w formie prostopadłościanów o wymiarach 20x20x300 mm. Próbki do badań wytrzymałości na zginanie statyczne zostały wykonane w formie prostopadłościanów o wymiarach 20x20x300 mm (Rys.1). Rys. 1. Próbki do wykonania badań Przed przystąpieniem do obróbki termicznej. Próbki zostały poddane impregnacji próżniowej w suszarce próżniowej SPU-200. Urządzenie posiada zakres temperatury pracy od 20 o C do 200 o C oraz dopuszczalną próżnię wynoszącą 0,099MPa. Próbki zostały poddane impregnacji wodnym roztworem zawierającym nanocząstki krzemionki o rozmiarach 10-20nm. Do wykonania roztworu wykorzystano mieszalnik elektromagnetyczny. Stężenie przygotowanego do impregnacji roztworu wynosiło 400 ppm. Próbki zostały zanurzone w roztworze na czas wynoszący 20 min. Następnie umieszczono je w komorze suszarki próżniowej. Impregnację przeprowadzono metodą próżniową przez 15 min stosując podciśnienie rzędu (0,7 atm). Po przeprowadzeniu impregnacji próbki zostały wyjęte i wysuszone w temperaturze otoczenia. Szczegółowe właściwości fizyczne i chemiczne środka wykorzystanego do przeprowadzenia impregnacji zostały przedstawione w Tab.1. W sumie impregnacji poddano 44 szt. próbek po 22 szt. dla obydwu wybranych gatunków drewna. Tab.1. Szczegółowe właściwości fizyczne i chemiczne impregnatu SiO 2 Właściwości impregnatu Początkowa Temperatura wrzenia Gęstość objętościowa Wielkość cząstek Początkowa temperatura topnienia Wygląd Zapach Opis/wartość 2300 o C 0,011 g/ml nm 1600 o C Biały proszek Brak 8054

3 1.2 Termiczna obróbka próbek Przed wykonaniem badań wytrzymałościowych wybrane próbki poddano obróbce termicznej. W celu ustalenia temperatury wygrzewania oraz minimalnego czasu potrzebnego do wyrównania temperatury w całej objętości próbek przeprowadzono badania wstępne. W tym celu w geometrycznym środku próbki nawiercono otwór w którym umieszczono termoparę. Jako wyjściową do badań wstępnych przyjęto temperaturę otoczenia równą 20 C. Temperaturę graniczną określono na poziomie 250 C, która jest bliska temperaturze zapłonu powierzchni drewna. Stanowisko do wygrzewania próbek zostało wyposażone w średniotemperaturowy piec komorowy typu PK 1100/5 (Rys. 2). Rys. 2. Piec komorowy typu PK1100/5 wraz z umieszczoną próbką Regulowanie pracą pieca odbywało się przy użyciu sterownika Programator PSP 1 wraz z komputerem pomiarowym i oprogramowaniem ThermoPro. Rejestracja mierzonej wartości temperatury odbywała się za pomocą komputera klasy PC z kartą pomiarową PCL818HG Advantech. Po umieszczeniu próbek w komorze pieca, na zewnętrznej powierzchni wybranej próbek zamocowano termoelementy pomiarowe. W czasie badań mierzono temperaturę również w otoczeniu próbek w środowisku pieca. Schemat wygrzewania próbek został przedstawiony na (Rys.3). Rys. 3. Schemat wygrzewania próbek 8055

4 Wygrzewanie próbek podzielono na dwa etapy. W pierwszym z nich trwających 10 minut następował szybki wzrost temperatury aż do osiągnięcia 250 o C. Drugi etap polegał na utrzymaniu osiągniętej temperatury przez 20 minut. Czas ten został określony podczas badań wstępnych i jest on minimalny aby osiągnąć temperaturę 250 o C. Po tym czasie próbki były wyjmowane z pieca i studzone w sposób naturalny do temperatury otoczenia. W sumie wygrzewaniu poddano po 11 szt. próbek impregnowanych i nieimpregnowanych wykonanych z drewna sosnowego i merbau. 2 BADANIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE Badanie wytrzymałości na zginanie przeprowadzono na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej FPZ 100/1 (VEB Thuringer Industriewerk Rauenstein, Germany), która umożliwia obciążenie siłą statyczną oraz utrzymania jej w układzie pionowym na stałym założonym poziomie. Maksymalna wytwarzana przez maszynę siła statyczna wynosi 100kN. Maszyna posiada cztery zakresy prędkości przesuwu trawersy. Aby odwzorować rzeczywiste warunki obciążenia, w czasie badań użyty został najniższy zakres prędkości przesuwu trawersy 0,021 0,84 mm/min, umożliwiający realizację długotrwałego obciążenia statycznego. Do obliczenia wytrzymałości na zginanie wykorzystano równanie (1): 3PMax l R (1) gdzie: P Max siła niszcząca próbkę [N], l rozstaw podpór maszyny probierczej [mm], b szerokość próbki [mm], h wysokość próbki [mm]. 3 WYNIKI BADAŃ bw 2b h Na Rys.4 przedstawiono obrazy z mikroskopu skaningowego drewna sosny wykorzystanego w badaniach. Na Rys.4A przedstawiono powierzchnię drewna nieimpregnowanego natomiast na Rys.4B impregnowanego po ekspozycji w podwyższonej temperaturze. Sumarycznie w badaniach wytrzymałościowych wykorzystano 88 próbek po 44 sztuki z każdego wybranego gatunku drewna. Dla każdej założonej w badaniach temperatury wykonano badania wytrzymałościowe 11 próbek. 2 Rys. 4. Obraz SEM powierzchni drewna A) nieimpregnowanego B) impregnowanego po ekspozycji w podwyższonej temperaturze [5]. 8056

5 Wytrzymałość na zginanie [MPa] Parametry statystyczne uzyskanych wyników badań wytrzymałości na zginanie drewna sosnowego przedstawiono w tabeli 2. Wyniki badania wytrzymałości na zginanie drewna merbau (Intsia Bijuga) zawiera tabela 3. Tab. 2. Wytrzymałość na zginanie impregnowanego i nieimpregnowanego drewna sosnowego Temperatura Średnia Maksimum Minimum Odch. Std. Badania N Impregnacja [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [ºC] SiO 2 101,8 115,6 89,3 7, Brak 119,9 129,9 110,9 6, SiO 2 28,8 34,5 22,5 3, Brak 39,2 48,8 33,6 4,2 Tab. 3. Wytrzymałość na zginanie impregnowanego i nieimpregnowanego drewna merbau Temperatura Średnia Maksimum Minimum Odch. Std. Badania N Impregnacja [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [ºC] SiO 2 113,0 130,4 100,2 9, Brak 129,8 147,6 117,5 9, SiO 2 32,2 39,2 22,7 5, Brak 46,4 59,1 38,3 6,4 Na Rys.5 oraz Rys.6 przedstawiono porównanie średniej wytrzymałości obydwu wybranych w badaniu gatunków drewna nieimpregnowanego oraz impregnowanego SiO 2 w temperaturach 20 o C oraz 250 o C 140,0 130,0 120,0 110,0 100,0 Porównanie wytrzymałości drewna nieimpregnowanego i impregnowanego SiO 2-20ºC 101,8 113,0 119,9 129,8 SOSNA MERBAU 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Impregnowane SiO 2 Nieimpregnowane Rys. 5. Porównanie wytrzymałości wybranych gatunków drewna nieimpregnowanego oraz impregnowanego SiO 2-20 o C 8057

6 Wytrzymałość na zginanie [MPa] 60,0 Porównanie wytrzymałości drewna nieimpregnowanego i impregnowanego SiO 2-250ºC SOSNA 50,0 46,4 MERBAU 40,0 39,2 30,0 28,8 32,2 20,0 10,0 0,0 Impregnowane SiO 2 Nieimpregnowane Rys. 6. Porównanie wytrzymałości wybranych gatunków drewna nieimpregnowanego oraz impregnowanego SiO o C WNIOSKI Obecnie coraz częściej w budownictwie oraz infrastrukturze transportu drewno jest wykorzystywane do budowy mostów i kładek dla pieszych a także obiektów małej architektury. W kraju najbardziej znanym i oryginalnym przykładem obiektu infrastruktury transportu wykonanym z drewna jest kładka dla pieszych w Sromowcach Niżnych, która jest usytuowana nad Dunajcem. Przykładem obiektu w którym wykorzystano drewno egzotyczne jest również otwarta w 2012 roku kładka dla pieszych w Rzeszowie. W związku z tym ważna wydaje się ocena zachowania się drewna konstrukcyjnego w sytuacji zagrożenia jaką jest pożar. Konieczne wydają się oceny właściwości palnych, niezawodności i wytrzymałości. Na podstawie przeprowadzonych badań i analizy uzyskanych wyników możne wysunąć następujące wnioski: Wykazano wyższą wytrzymałość drewna nieimpregnowanego w obydwu badanych temperaturach. Impregnacja roztworem cząstek SiO 2 w znacznym stopniu pogarsza wytrzymałość na zginanie zarówno drewna sosnowego oraz egzotycznego merbau, Wpływ podwyższonych temperatur na wytrzymałość wybranych do badań gatunków drewna jest jednoznaczny. Spadek wytrzymałości po wstępnej obróbce w temperaturze 250 o C próbek nieimpregnowanych wykonanych z drewna sosnowego wynosi około 67% natomiast w przypadku drewna merbau 64% w odniesieniu do wytrzymałości uzyskanej w temperaturze 20ºC. W przypadku drewna poddanego impregnacji krzemionką również następuje spadek wytrzymałości po ekspozycji w temperaturze 250 o C. Dla drewna sosnowego zaobserwowano spadek wytrzymałości o 72%, natomiast dla drewna egzotycznego spadek ten wynosił około 71% w odniesieniu do wytrzymałości drewna impregnowanego uzyskanej w temperaturze 20ºC. Badania prezentowane w publikacji były prowadzone w zakresie temperatur do 250ºC, to znaczy do momentu gdy następuje samozapłon drewna. Powodowane to było względami technicznymi i bezpieczeństwa badań. Niemożliwe było prowadzenie badań wytrzymałościowych po wystąpieniu spalania płomieniowego i dużego zadymienia, pomimo stosowania specjalnie do tego celu zbudowanej instalacji oddymiającej. Impregnacja ogniochronnym roztworem SiO 2 pogarsza 8058

7 własności wytrzymałościowe drewna pracującego na zginanie. Nie wykazano korzystnego wpływu impregnacji na własności wytrzymałościowe drewna po ekspozycji w podwyższonych temperaturach. Streszczenie Drewno, obok gliny i kamienia jest najstarszym materiałem, jakiego człowiek używa od wieków. Na przestrzeni lat było ono wykorzystywane do budowy oraz jako materiał opałowy. Drewno jest jedynym materiałem w pełni odtwarzalnym przez przyrodę. Ostatnie lata przyniosły wyraźny wzrost zainteresowania drewnem gatunków pozaeuropejskich, jako tworzywem inżynierskim. Zgodnie z najnowszymi trendami, pewne rodzaje drewna egzotycznego można wprowadzać do łazienek, tworząc w ten sposób nietypowe aranżacje. Jest ono również wykorzystywane w budownictwie w szczególności w przegrodach zewnętrznych, obiektach małej architektury oraz kładkach dla pieszych. Artykułu prezentuje wyniki badań doświadczalnych wpływu podwyższonej temperatury na wytrzymałość przy zginaniu drewna sosnowego (Pinus) oraz drewna egzotycznego merbau (Intsia Bijuga) stosowanego w budownictwie i konstrukcjach inżynierskich naturalnego oraz impregnowanego nowoczesnym środkiem ogniochronnym zawierającym nanocząstki SiO 2 o rozmiarach 10-20nm. Badania zostały wykonane w ramach pracy Badawczej Statutowej S/E-422/20/14 realizowanej w Szkole Głównej Służby Pożarniczej. Initial study of the influence of increased temperatures on the strength of exotic wood used in construction. Abstract Next to clay and stone a wood is one of the oldest materials used by human since ages. Over the years it has been used for building and as a fuel. The wood is the only material fully reproducible by the nature. In recent years a significant increase of interest with non-european types of wood as an engineering material has been observed. According to the newest trends, some types of exotic wood can be also used in bathrooms, creating unique arrangements. It is also used in construction, especially as outdoor partitions, small architecture objects and gangways. This paper presents experimental studies results of the increased temperature impact on the flexural strength of the pine wood (Pinus) and merbau exotic wood (Intsia Bijuga) applied in construction and engineering structures, natural and treated with the modern flame retardant including SiO 2 nanoparticles of nm. The studies were conducted as a part of the Statute Reseach Work S/E-422/20/14 at the Main School of Fire Services. BIBLIOGRAFIA 1. Sudoł E., Sulik P., Problematyka wykorzystania drewna egzotycznego w zewnętrznych przegrodach budowlanych. Budownictwo i Architektura 12(3) (2013) Kozakiewicz P., Kościeliak C., Zakrzewska-Rudziska W., Badania właściwości i innowacyjne zastosowania drewna egzotycznego w Polsce, Przemysł drzewny 59 (2008) Oszust M., Pieniak D.,Ogrodnik P., Dec L., Badanie spadku wytrzymałości drewna świerkowego modyfikowanego termicznie w warunkach temperatur pożarowych. Drewno 2011 vol. 54 str Pieniak D., Ogrodnik P., Oszust M., Niewczas A., Badania wytrzymałości w podwyższonych temperaturach materiałów drewnopochodnych stosowanych w mostownictwie. Rozdział w monografii wydanej przez Politechnikę Lubelską 2012 r. str Ogrodnik P., Tatka B., Badanie wpływu modyfikacji termicznej na zachowanie elementów rozciąganych w podwyższonych temperaturach. Zeszyty Naukowe SGSP Nr 50 (2) 2014 Str Korkut S., Akgul M., Dundar T., The effcts of heat treatment on some technological properties of Scots pine (Pinus sylvestris L.) wood, Bioresource Technology 99 (2008) Neuhaus H., Budownictwo drewniane, podręcznik inżyniera. Polskie Wydawnictwo Techniczne. Rzeszów Njankouo J, Dotreppe J, Franssen J., Fire resistance of timbers from tropical countries and comparison of experimental charring rates with various models. Construction and Building Materials 2005; 19: PN-77/D Drewno. Oznaczanie wytrzymałości na zginanie statyczne 8059