Дерево (консервация)

Консервация дерева

ДЕРЕВО. КОНСЕРВАЦИЯ ДЕРЕВА, специальная обработка древесины, имеющая целью повысить стойкость древесины против гниения и других разрушающих биологических факторов и тем сделать службу древесины более долговечной. Из вредителей древесины особенно деятельны различные грибы (см. Гниение древесины). Кроме того, дереву вредят также животные организмы, гл. обр. термиты и жучки. Существует не менее 170 видов термитов и жучков, являющихся вредителями древесины. Термиты, или белые муравьи, подгрызают телеграфные столбы и, что особенно опасно, не трогая поверхности железнодорожных шпал, изборождают их внутри, так что шпалы теряют свою прочность, оставаясь по внешности без изменения; в тропических странах термиты нередко поедают ценные деревянные вещи, например, фотографические аппараты. Некоторые породы древесины имеют специфических вредителей из числа насекомых или грибков: так, вредителями ели являются: Tomicus typographus, - жук короед, или типограф, поедающий лубяной слой, и Formica ligniperda - муравей, делающий в древесине кольцеобразные ходы; вредителем дуба - Xyleborus monographus — жучок, пробуравливающий своими ходами дубовую древесину; существуют также водяные вредители, которые могут заводиться в лесном материале, прошедшем хотя бы часть своего пути морским сплавом. Сюда относятся: Terredo navalis - морской шашень, просверливающий всю внутренность дерева сетью непересекающихся между собой каналов; Chelura terebrans и Limmoria lignorum - жучки, повреждающие дерево с поверхности; Pholas crispata - бурильная раковина, и т. д.

К консервации дерева приходится прибегать в двух случаях. Иногда преследуется задача сохранения деревянного изделия высокой ценности, например, предмета искусства; здесь затраты на консервацию не играют роли при условии достижения полного технического результата. В других случаях, напротив, стоимость процесса консервации дерева имеет первостепенное значение, и даже совершенный технический эффект не окупает процесса, если он дорог. Таковы обычные случаи применения консервации, когда дерево соприкасается с землей, подвергается действию атмосферной влаги и т. д. (железнодорожные шпалы, телеграфные столбы, рудничные крепления, погреба, жилые строения). Экономический ущерб, наносимый в этих случаях гниением древесины, весьма велик. Так, в России, несмотря на ее слабо развитую железнодорожную сеть и обилие лесов, перемена шпал обходилась ежегодно до войны 1914—18 гг. в 12—15 млн. р., и приблизительно во столько же оценивались убытки, причиняемые грибками-вредителями строений. О значении консервации дерева в экономике мирового хозяйства можно судить по статистическим данным США, где в 1915 г. подверглось консервации 4300000 м3 древесины; 80% этого количества состояло из железнодорожных шпал, причем 70% шпал пропитывалось креозотом, на что требовалось его около 310 млн. литров, а 24% шпал пропитывалось хлористым цинком, которого шло 11 млн. кг. Общая стоимость расходуемых пропиточных веществ исчислялась в 9—10 млн. долларов.

Способов консервации дерева известно более 300, но патентные заявки не прекращаются. Это доказывает, что еще не существует надежного и вместе экономически и технически доступного способа консервации древесины. Большинство веществ, которые задерживают разрушительную деятельность известной группы биологических вредителей, оказывается безвредным для других вредителей; так, например, фенолы наиболее действительны против плесеней, фторион - против высокоорганизованных грибков, деготь - против термитов. Многие вещества, вполне достигающие цели при одних условиях почвы, быстро разрушаются при других, например, вследствие своей легкой растворимости в воде. Несмотря на множество вполне рациональных приемов консервации, действительный выбор в каждом отдельном случае бывает весьма ограничен. Так, кианизация, вследствие ядовитости применяемой при этом сулемы, недопустима не только в отношении жилищного леса, но и для железнодорожных шпал, т. к. употребление старых кианизованных шпал в качестве топлива может быть (и бывает) причиной ртутного отравления.

Способы консервации дерева различаются между собой по физическому процессу обработки, по составу применяемых веществ, по областям применения консервированной древесины и по стоимости. Схема классификации может исходить из того общего положения, что гниение древесины есть процесс биологический и что, следовательно, консервация дерева является, в сущности, борьбой с вредителями древесины. Сама по себе целлюлоза представляет одно из наиболее стойких органических соединений и, при отсутствии влаги, может сохраняться, не разрушаясь, неопределенно долго. Главным фактором разрушения древесины являются белковые вещества и другие остающиеся в древесине составные части сока, которые служат питательной средой для гнилости, микроорганизмов, насекомых и других живых организмов; возникающая в этой питательной среде жизнь оказывает затем разрушительное действие и на основные части древесины. Поэтому задача консервации состоит в борьбе с вышеуказанной флорой и фауной древесины. Она может вестись различными способами: либо удалением указанных питательных веществ из древесины, либо переводом их в состояние, неблагоприятствующее развитию жизни (сушка), либо изоляцией древесины от воздуха, что препятствует, кроме того, внедрению туда новых спор и зародышей, либо, наконец, пропиткой древесины антисептическими веществами, препятствующими развитию вредителей. Табл. 1 (составленная отчасти по Гейнцерлингу) заключает в себе систематический перечень основных типов консервации по роду применяемых физических процессов.

Классификация процессов консервации дерева

Способы консервации дерева различаются также по веществам, вводимым (поверхностно или внутрь) в ткани дерева; по б. ч. эти вещества обладают, или считались обладающими, либо бактерицидными свойствами, либо способностью отгонять животных-вредителей и обобщаются, не совсем точно, под одним названием антисептиков.

Общие технические условия на пропиточные составы (табл. 2).

Общие технические условия на пропиточные составы

Наряду со специальными техническими условиями для каждого из антисептиков можно указать общие технические условия, вытекающие из основной функции антисептиков, а именно: 1) антисептические вещества должны обладать достаточно сильно ядовитыми свойствами в отношении вредителей дерева; 2) ядовитые свойства в отношении людей и вообще высших животных организмов должны отсутствовать или быть возможно слабыми; 3) не должно быть сильного неприятного запаха и едких свойств; 4) вещество должно возможно глубоко и достаточно быстро проникать в древесину, равномерно распределяясь в ее тканях; 5) оно должно прочно удерживаться в древесине, не выделяться из нее под действием атмосферных агентов, не испаряться и не разлагаться с течением времени; 6) не д. б. огнеопасно; 7) не должно понижать механических свойств древесины; 8) не должно оказывать химического воздействия на соприкасающиеся с ним металлические части, а также на стенки пропиточных приспособлений; 9) д. б. дешево и производиться внутренней промышленностью.

Испытание и оценка консервации дерева. При чрезвычайной сложности вопроса о выборе рационального способа консервации необходимо опираться на количественные характеристики каждого из них. Для этого могут служить, кроме статистических данных, не вполне доступных анализу, лабораторные опыты. Испытания ведутся: 1) в искусственных гноильниках, 2) на искусственной питательной среде, 3) в плоскодонных колбах с питательной средой и кусочком обработанного дерева.

1) Гноильники, или гноильные погреба, - небольшие каменные здания, приспособленные к поддержанию в них постоянной сырости, равномерной температуры около +15° и полной темноты. Гноильник состоит из двух отделений: в одном отделении на мокром коксе укладывают в стеклянных ящиках куски древесины, обработанные испытуемым способом консервации и обложенные зараженной древесиной, которая от времени до времени меняется; во втором - дощатую обшивку стен предварительно заражают и на ней укрепляют кусочки древесины с разным содержанием испытуемого антисептического вещества; применяется также испытание подобных же кусков в жестяных ящиках с зараженной землей. 2) Испытание на искусственной питательной среде есть обычное в бактериологии получение чистой культуры грибка-вредителя на агар-агаре; цель испытания - установить ботанический вид грибка. 3) Испытание в колбах ведется на питательной среде, на которую помещают обработанную древесину, зараженную чистой культурой типичных вредителей (Меrulius, Coniophora, Polyphorus vaporarius). Целью испытания является определение предельно малого содержания антисептического вещества, способного задержать развитие определенного грибка. Колбы содержатся в темных шкафах при средней температуре 20—25°, в течение 3 мес., а наблюдение над развитием грибка производится в них систематически. По окончании полного срока испытания образцы вынимают из колб, очищают от питательной среды и мицелия, высушивают и взвешивают. Необработанные или недостаточно обработанные образцы оказываются потерявшими 50—60% своего веса, тогда как обработанные - не более 2—3%. Антисептическая сила испытуемого вещества выражается дробью z/p, где р - количество антисептического вещества в г на 100 см3 питательной среды, необходимое для задержки развития грибка Penicillium, a z - количество того же антисептического вещества в кг на 1 м3 древесины, вводимое при процессе консервации. Относительно силы важнейших антисептических веществ см. Базилит, табл. 1 и 2. В литературе приводится убывающий ряд ядовитости ионов: Hg, Ag, Cd, Сy, Сu, Zn, Fe, Со, Сr, причем Mg, щелочные и щелочноземельные металлы, а также большинство кислотных ионов не оказывают действия. Однако степень ядовитости иона зависит от рода вредителя.

Консервация дерева путем нагрева. Различные приемы просушки, помимо своего прямого назначения - удалить содержащуюся в тканях дерева влагу и тем задержать развитие микроорганизмов, - оказывают на древесину и другие воздействия, связанные с нагревом и карбонизацией древесины: белковые вещества свертываются и переходят в нерастворимое состояние, а фенолы, которые появляются при нагреве лигнина, действуют антисептически. Просушка древесины повышенной температурой, в виде пропарки, прогрева перегретым паром, различных окуриваний, вулканизации и каления дерева в парах антисептического вещества и, наконец, обжига, применяется особенно часто в сочетании с различными пропитками, которым она способствует, раскрывая поры дерева и устанавливая в них, при его охлаждении, пониженное давление. Однако длительное действие высокой температуры во многих случаях понижает механическую прочность древесины (например, пропарка - на 15—25%, даже до 35—40%). Наиболее практичен способ нагрева, применяемый гл. обр. в Норвегии и известный под названием фурнос (Furnos). Он направлен на защиту опасной зоны деревянного столба и потому действителен там, где гниению подвергается преимущественно эта зона. Удобство этого способа - по возможности повторять процесс над уже установленными столбами, для чего основание столба обнажается. Особым обжигательным аппаратом, состоящим из резервуара с керосином, ручного насоса и шланга с горелкой на конце, производится обугливание столба на глубину 3 мм и на протяжении 50 см вниз и вверх от уровня земли. После этого дерево, еще не остывшее, спрыскивают сильно бьющей струей креозота, для чего имеется еще такой же аппарат, с медным наконечником на шланге и ручным насосом, нагнетающим воздух до 5—        7 atm. По данным фирмы, производящей данную аппаратуру, пропитка врытого столба требует 0,6 л керосина и 2 кг креозота, причем 2 рабочих могут пропитать 40—60 столбов в день. Глубина проникания креозота в дерево 10—13 мм.

Консервация дерева путем пропитки - см. табл. 3.

Консервация дерева путем пропитки

Кроме того, предлагались в качестве антисептических средств хромистые и аммониевые соединения, бура, фтористые соли, эмульсии смоляных мыл, крезолы и крезолаты, нафталин, нафтолы, 2-нафталин-сульфоновокислые соли, триоксиметилен, динитрокрезолы и динитрофенолы, гуминовые кислоты, сахарин и т. д. Однако, широкое промышленное значение получила только пропитка каменноугольным креозотом, хлористым цинком, сулемой и (еще не проверенная окончательно) обработка дерева динитрофенолами и крезолами с разными другими примесями, особенно с вторичными солями (см. Базилит). Остальные антисептические средства и различные приемы, в роде обмазки, окраски, закрытия пор и т. д., в целях консервации железнодорожных шпал и телеграфных столбов, не применяются.

Пропиточные приспособления. Пропитка небольших кусков древесины не представляет затруднений. Но когда консервации подлежит строевой лес, и притом в весьма больших количествах, то введение в древесину антисептических средств ставит промышленности вопрос об устройстве тех или иных специальных пропиточных приспособлений. Наиболее достигает цели пропитка в особых автоклавах, где сначала производится разрежение, например, до 0,01 atm, а затем вводится жидкость под атмосферным или повышенным до 8—9 atm давлением. Вид такого автоклава показан на фиг. 1.

Автоклав для пропитки дерева

Однако затруднение иметь достаточно мощные установки этого рода, и притом близко к местам потребления, заставило искать менее громоздкие приспособления. Таковы наконечники, надеваемые на строевой лес, кольца, цилиндры с решетчатым дном, и т. д. Для пропитки комлей столбов нередко применяются открытые баки без давления, размерами 3,3х1,7х3 м (на 30—35 столбов) или 4,5х2,5x3 м (на 50—60 столбов); при этих баках имеются закрытые баки для холодного и горячего креозота: первый емкостью 52 м3, а второй 11—48 м3 (фиг. 2).

Закрытые баки для холодного и горячего креозота

В других приспособлениях техника подражает змеиному зубу: накалывающее шило имеет внутри канал, а сбоку - отверстие, через которое при обратном ходе этого шила в дерево выступает под давлением антисептическая паста. Этот аппарат («Кобра» К. Шмиттуца и Негера, прибор К. Шангу) имеет то преимущество, что он применим на месте установки столбов или другого строевого леса; кроме того, накалыванию по способу «Кобра» могут подвергаться уже установленные столбы, даже когда они уже частично подверглись гниению.

Вид прибора «Кобра» для бревен

Вид прибора «Кобра» для бревен представлен на фиг. 3, а молотка для накалывания установленных столбов - на фиг. 4.

Молотка для накалывания установленных столбов

Электропропитка. Давление, вызываемое электросмосом, уже давно применяется для электрического силосования травянистых растений; вполне естественны попытки применить тот же прием для консервации дерева. Они делались во Франции Нодоном (1899 г.), Бомартеном и Базеном (1865 г.), в Италии - Джулиани, но в предложенном виде могли быть усвоены только для лесных материалов, не подвергающихся после обработки действию атмосферных агентов. В 1907—13 гг. подобные же опыты делались у нас Ляцким, но тоже с малым успехом. Процесс пропитки состоял здесь в погружении пропитываемых шпал в деревянные чаны с раствором хлористого цинка при 27,5°. С помощью цинковых электродов через электролит пропускался ток в 110 V в течение 2—2,5 часов. Внутренняя сторона чанов была покрыта асфальтовым лаком, а сами чаны - изолированы. О рациональности этого приема электропропитки нет установившегося мнения, несмотря на довольно широкий опыт в эксплуатации. Однако, несомненно, что действие тока в описанных условиях, при весьма малой проводимости дерева, не может быть значительным. Правильнее было бы не давать току идти мимо дерева по электролиту; так именно и сделано в опытах, предпринятых с 1926 года Отделом материаловедения Всесоюзного электротехнического института. Аналогично поставленные опыты Бехгольда и Геймана с графитовыми электродами и погруженными в воду прокладками из ваты (фиг. 5) выяснили то важное обстоятельство, что электросмотическим переносом воды через дерево оно обезволивается.

Опыты Бехгольда и Геймана с графитовыми электродами и погруженными в воду прокладками из ваты

Так, за 14 дней, при токе в 30—40 mА и напряжении 120 V, содержание золы понизилось с 0,27 до 0,09%, причем было потреблено 0,5 kWh энергии. В табл. 4 сопоставлены результаты этого процесса.

Результаты электросмотической пропитки дерева

Скорость переноса воды меняется по мере выщелачивания дерева. Так, например, в случае сосновой древесины за 23 дня она увеличилась с 2 до 8 см3/ч, тогда как сила тока соответственно упала с 47 до 15 mА. В других случаях сначала наблюдалось уменьшение скорости переноса воды, а затем возрастание. Для характеристики процесса можно указать, например, что за 1329 часов через сосновую древесину было перенесено 10,2 л воды, со средней скоростью около 7 см3/ч, и на этот перенос пошло 1,85 kWh энергии. Т. о., электросмотический процесс может применяться как в японском способе выщелачивания древесины, так и при ее пропитке антисептическим средством. Предлагается также просушка дерева переменным током, пропускаемым вдоль волокон.

Калькуляция. При калькуляции, прежде всего, требуется знать массу пропитываемого дерева. При полной пропитке зависимость срока службы (L) в пропитанной древесины от количества (х) введенного в нее антисептического средства выражается, по Новотному, Петричу, Маленковичу и др., гиперболическим соотношением. Однако, при теоретическом выводе этого соотношения из закона химического взаимодействия масс Гульдберга и Ваге, Ф. Молль получил соотношение параболическое, вида

Derevo konserv 10

где а - средний срок службы непропитанного дерева (обычно - 5 лет), а с - характерная константа данного антисептического средства; L выражается в годах, а х - в кг. Практически, различие гиперболического и параболического соотношений невелико, причем параболический закон был подтвержден опытно на пропитках антраценовым маслом по способу Рюпинга. Для экономической оценки той или другой пропитки нужно вычислить величину (w), представляющую среднюю годовую стоимость службы деревянной конструкции, например, столба: w = A/L; здесь А есть полная стоимость вполне установленной древесины в объеме 1 м3, слагающаяся из величины (b), т. е. стоимости непропитанного дерева, перевозки до места установки, процесса пропитки, установки и проведения проводов (если речь идет о столбах электрических линий) плюс величина kх, где k - цена одной единицы данного антисептического средства. Т. о.,

Derevo konserv 11

В германских условиях 1921 г. b = 600—750 марок, смотря по дальности перевозки дерева; k = 80. За единицу антисептического средства принимается смесь из 1 кг сулемы и 1 кг фтористого натрия, эквивалентная 4 кг смеси фтористого натрия и соли или 60 кг антраценового масла. Следовательно, в германских условиях

Derevo konserv 12

Характерное число а, т. е. отношение стоимости единицы антисептического средства к полной стоимости непропитанного дерева с его установкой, а = k/b, составляет в современной практике почти 1:10; (w) зависит от (а) линейно и растет вместе с этим числом. Очевидно, консервация дерева имеет экономический смысл, пока годовая стоимость службы консервированной древесины ниже, чем неконсервированной, т. е.

Derevo konserv 13

и становится невыгодной при

Derevo konserv 14

Иначе говоря, пропитка выгодна при

Derevo konserv 15

и невыгодна при

Derevo konserv 16

При вышеуказанных германских экономических данных пропитка делается невыгодной при среднем сроке службы пропитанного дерева в 18 лет, если стоимость дерева вместе со стоимостью пропитки составляет 2700 марок, а одной пропитки - 1820 марок, т. е. если стоимость пропитки во много раз превосходит стоимость дерева (880 марок). При добавлении к стоимости дерева 5% на амортизацию капитала предел выгодности пропитки наступает при стоимости пропитки в 1225 марок. Из этих соображений явствует, что выгодность консервации дерева сохраняется еще при очень значительном увеличении стоимости пропитки. Фиг. 6 показывает зависимость выгодности пропитки от изменяющегося количества вводимого антисептического средства.

Зависимость выгодности пропитки от изменяющегося количества вводимого антисептического средства

Одна кривая соответствует а = 0,1, а другая а = 1, причем для последнего случая учтены также и проценты. С 1900 года на практике (а) колеблется между 1/6 и 1/15. Как показывает характер кривых, уменьшение количества антисептические средства, сравнительно с применяемым в настоящее время, сильно изменяет экономичность консервации, тогда как увеличение оказывает малое действие. Таким образом, с применяемыми антисептическими средствами при а = 0,1 почти достигается предел экономичности. Вычисление капитала (В), вложенного в консервированный лес, со включением процентов f на затраченный капитал, может быть производимо по формуле Карловича:

Формула Карловича

где А есть полная стоимость 1 м3 заготовленной и консервированной древесины, а L - срок службы ее.

Из способов неполной пропитки дерева особое значение получил процесс фурнос, особенно уместный в Норвегии в виду умеренно влажного климата и гниения столбов в поверхностных слоях почвы. П. Фунье предлагает для ориентировочных калькуляций выгодности этого способа соотношение

Derevo konserv 19

которое показывает, на сколько лет (t) надо продлить средний срок службы (g) консервированного столба, для того чтобы расходы по единичному процессу консервации, повторяемому через (n) лет, и стоимость (К) вполне монтированного столба дали экономическое равновесие. Т. к. величины i, g и К в данных условиях вполне определены, то соотношение связывает n и t. Для норвежских условий расходы на консервацию одного столба способом фурнос определяются в 3 кроны (сюда не включаются расходы по удалению гравия и обратной его засыпке, т. к. они должны производиться для проветривания оснований и неконсервированных столбов). Стоимость монтированного столба (К) равна 150 кронам. Для сосновых столбов, применяемых в Норвегии, и в условиях норвежского климата, g = 10 годам. Фиг. 7 дает зависимость между n и t.

Derevo konserv 20

Так, например, если столбы обрабатываются ежегодно, каждые 3 года или каждые 5 лет (n = 1, 3 или 5), то срок службы должен быть продлен на 2,5                или 0,72 или 0,42 года, для того чтобы применение консервации было выгодно.

Графическое сопоставление средней годовой стоимости телеграфных столбов, непропитанных и пропитанных разными способами, показано (по Б. С. Комарову) на фиг. 8: индекс показывает средний срок службы в годах, причем сплошные линии А относятся к непропитанным столбам; пунктирные линии - к сосновым столбам; Z - пропитка хлористым цинком; S - кианизация сулемой; С - по способу «Кобра» и К - креозотом.

Графическое сопоставление средней годовой стоимости телеграфных столбов, непропитанных и пропитанных разными способами

Как видно из графика, наиболее выгодной при низких заготовительных ценах столбов (до 10—12 руб.) оказывается пропитка креозотом, тогда как пропитка хлористым цинком наименее выгодна и при среднем сроке службы до 7 лет, оказывается, даже не окупает пропитки.

Сопостовление (по Б. С. Комарову) годовой стоимости непропитанных столбов со стоимостью пропитанных столбов при железнодорожном транспорте из других районов

На фиг. 9 графически сопоставлена (по Б. С. Комарову) годовая стоимость непропитанных столбов со стоимостью пропитанных столбов при железнодорожном транспорте из других районов: сплошные линии А относятся к столбам, пропитанным креозотом, причем А5 - к еловым столбам, А6 и А8 - к сосновым, A10 - к дубовым, А12 - к лиственничным (индекс - средний срок службы); линии В относятся к сосновому столбу, пропитанному креозотом, причем здесь индекс указывает стоимость в рублях, франко-склад хранения на месте назначения. Эти графики позволяют решить вопрос о целесообразности транспортирования сосновых столбов, пропитанных креозотом. Для этого через точку стоимости непропитанного столба, заготовляемого для данной местности (например, 10 руб.), проводится параллель оси, которая пересечет линию А10 в точке b10, что соответствует годовой стоимости этих столбов 1 р. 74 к. Точки пересечения b8, b7, b5 горизонтали через b с линиями В показывают, что такой же стоимостью будут обладать столбы: а) пропитанные креозотом с заготовительной стоимостью 8 руб., включая транспорт с завода до места установки на расстояние 130 км (b5); б) такие же столбы заготовительной стоимости 7 руб., перевезенные на 700 км (b7); в) такие же столбы заготовительной стоимости в 5 руб., перевезенные на 2760 км (b8).

Подсчет сравнительной выгодности консервации должен опираться на знание степени стойкости применяемой древесины в отношении гнилостных факторов. Европейские древесные породы м. б. по убывающей степени стойкости распределены в ряд: кедр, кипарис, дуб, ясень, лиственница, сосна, пихта, бук, ива, ольха, тополь, осина, береза. Но необходимо иметь в виду, что срок службы древесины зависит в значительной степени и от почвенных условий; например, трубы из соснового дерева в твердом грунте выдерживают 20 лет, а в песке 4—7 лет.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 6 - 1929 г.