Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

(Технические науки)

Доцент А.С. Кривоногова, д.т.н., профессор А.Р. Бирман

Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет

им. С.М. Кирова, Россия

Использование эффективности метода гидростатического давления пропиточной жидкости при повышении

качественных характеристик лесоматериалов

Наиболее эффективным способом повышения стойкости древесины является её защитная обработка пропиткой.

Ограничим рамки освещаемого вопроса в границах области применения. Рассматриваем использование возможностей процессов защитной пропитки древесины жидкостями для повышения качественных характеристик, повышения стойкости от агрессивных воздействий длинномерных сортиментов, используемых как опоры вертикальных несущих конструктивных элементов, применяемых в монтаже различных промышленных, сельскохозяйственных, энергетических, транспортных зданий и сооружений, инженерных конструкций коммуникационной функциональности, где монтируемые узлы соединения конструкций, как правило, погружены на часть своей высоты нижней частью в конструкцию заделки с агрессивными разрушающими воздействиями. В контексте области применения рассматриваем и анализируем известные способы пропитки с целью выявления наиболее рационального и эффективного применения, также экономически выгодного, в соответствии с тяжёлым экономическим современным положением.

В качестве пропиточных материалов используют жидкие масла и растворы различных веществ в воде или органических растворителях. Процесс пропитки в большинстве случаев является чисто физическим, так как пропиточные жидкости не вступают в химическую реакцию с древесиной. Проникновение пропиточного раствора в древесину происходит в результате действия сил различной физической природы: капиллярных, центробежных, диффузионных, электростатических сил, сил давления и пр.

Проанализировав технологические процессы способов пропитки, получаем некоторые результаты, которые выявляют достоинства и недостатки тех или иных процессов пропитки по преобладающему воздействию физических сил в границах нашей области применения для длинномерных сортиментов как элементов вертикальных конструктивных элементов.

Пропитка происходит в условиях преобладающего воздействия каждого вида сил, поэтому способы пропитки подразделяют по преобладающему виду воздействия этих сил.

Анализируя известные способы пропитки древесины можно отметить, что способы капиллярной и диффузионной пропитки малопроизводительны из-за длительности процесса, достигающей нескольких месяцев. А так же во многих случаях малоэффективны из-за незначительной глубины проникновения (несколько миллиметров) пропиточных жидкостей в древесину.

Недостатками пропитки за счёт электростатических сил являются значительная энергоёмкость процесса и техническая сложность его осуществления.

Поэтому на практике, в основном, осуществляют пропитку под давлением, используя автоклавный метод и метод, основанный на проникновении пропиточной жидкости в древесину под давлением центробежных сил [1].

Недостатками способов автоклавной пропитки являются: большая продолжительность процесса и неравномерность распределения пропитывающего состава; наибольшее содержание пропитывающего состава в поверхностной области древесины; эффект «защемления воздуха» в центральных областях древесины, что обусловлено одновременным поступлением пропитывающей жидкости под давлением с наружной поверхности к центру пропитываемого материала. Кроме этого, автоклавы для пропитки длинномерных сортиментов сложны в изготовлении, обслуживании и материалоёмки [2].

Способ пропитки в центробежном поле обычно осуществляется встречно-центробежным способом [3]. При этом способе на вращающейся платформе центрифуги помещается ёмкость с пропитывающей жидкостью, в ёмкость загружают древесину, ориентируя её продольными волокнами радиально относительно плоскости вращения.

Недостатками способа пропитки в центробежном поле являются:

- техническая сложность осуществления способа (изготовление центрифуги, большие габариты и масса рабочей платформы);

- трудоёмкость и неудобство загрузки-разгрузки пропитываемых материалов, особенно длинномерных;

- необходимость контроля и периодического дозированного пополнения

уровня пропитывающей жидкости;

- высокая стоимость оборудования;

- высокая энергоёмкость процесса пропитки, обусловленная необходимостью обеспечения вращения и периодических остановок (для загрузки-разгрузки) платформы с массой в десятки тонн;

- малая производительность, обусловленная ограниченными габаритами платформ центрифуг [4].

В данном исследовании предлагается способ пропитки древесины под давлением, исключающий вышеперечисленные недостатки известных способов пропитки длинномерных сортиментов. Способ в наибольшей степени рекомендуется для сортиментов, используемых в виде вертикальных опор, нижняя часть которых подвергается интенсивному разрушающему воздействию среды размещения (опоры линий электропередач, сваи, заглублённые в грунт или бетон и т.д.). Отметим, что защитная пропитка всего объёма сортиментов указанного назначения нецелесообразна. Тогда как их рабочая зона, заглублённая в агрессивную среду, должна иметь максимальное насыщение защитным раствором, причём по всему объёму площади поперечного сечения. И с целью повышения производительности, пропитку желательно производить групповым способом, что позволяет рассматриваемый предлагаемый технологический процесс пропитки.

Предлагаемый способ включает известные операции размещения сортиментов в пропиточной жидкости с последующей их выгрузкой. Способ отличается тем, что вначале бревна пачкой (или поштучно), ориентируя комлевой частью вниз, загружают в клеть, конструкция которой обеспечивает свободный доступ жидкости к древесине. Затем клеть поднимают над сборочной площадкой, например, краном, фиксируют массу груза, например, динамометром, установленном на грузозахватном приспособлении крана, и опускают на дно ёмкости с пропитывающей жидкостью. Объёма жидкости должно быть достаточно для погружения клети, с обеспечением нахождения верхних торцов сортиментов над поверхностью жидкости.

Пачку выдерживают до достижения пропиточной жидкостью заданной высоты, измеряемой от нижнего торца сортиментов. Пропитка, которая осуществляется за счёт движения жидкости через бревна снизу вверх под воздействием разности гидростатического давления на дне ёмкости и у верхнего торца вертикально расположенных сортиментов.

Отметим, что чем длиннее сортименты, а значит и высота жидкости в пропиточной ванне, тем больше величина гидростатического давления на дне ёмкости, и тем интенсивнее идёт процесс пропитки. Так, например, при пропитке сортиментов длиной 10 м (телеграфные столбы) разность давления на дне ванны и атмосферного давления (на верхнем уровне пропиточной жидкости) составляет 0,1 МПа. Вес клети должен быть таким, что бы удельный вес суммарного груза (клети с брёвнами) был больше удельного веса пропитывающей жидкости [3].

Размещение брёвен в клети комлевыми торцами вниз обеспечивает ускорение процесса пропитки, так как пористость древесины увеличивается для большинства пород от комля к вершине. А значит, увеличивается и коэффициент фильтрации.

Устройство работает следующим образом. Бревна загружают в клеть, установленную на сборочной площадке. Затем клеть канатом, соединённым с грузозахватным приспособлением крана поднимают над уровнем земли и динамометром фиксируют суммарный вес клети и брёвен. Затем клеть с брёвнами опускают на дно ёмкости, заполненной пропиточной жидкостью (например, антисептиком) и осуществляют процесс пропитки.

Завершив пропитку, клеть с брёвнами вынимают из ёмкости краном, дают стечь пропиточной жидкости с поверхности брёвен и вторично фиксируют вес клети с брёвнами динамометром, определяя достаточную степень пропитки. Затем подают клеть к месту разгрузки пропитанных брёвен, производят разгрузку и процесс повторяется.

Пропиточная ёмкость может быть выполнена как в виде заглублённого бассейна, так и в виде ёмкости, основание которой размещено на уровне земли.

Степень пропитки можно определять (как вариант) не весовым методом (динамометром), и по снижению уровня жидкости в период пропитки. Продолжительность пропитки для различных сортиментов устанавливают эмпирически, используя, например, подкрашенные пропиточные жидкости. Пропитку прекращают при насыщении антисептиком рабочей части опор.

Аналитическое определение времени пропитки сортиментов на определённую их длину, измеренную от нижних торцов, возможно, осуществлять, построив математическую модель процесса. При этом считаем, что проницаемое пространство водопроводящих путей древесины является капиллярно-пористой средой.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает: снижение энергоёмкости процесса пропитки за счёт исключения затрат на создание давления в пропитывающей жидкости; достижение равномерности пропитки по поперечному сечению древесины путём обеспечения выхода воздуха из древесины в направлении обратном направлению подачи давления; упрощение загрузки-выгрузки лесоматериалов, особенно длинномерных; упрощение процесса пополнения и контроля объёма пропиточной жидкости в ёмкости; переход от индивидуального к групповому способу обработки упрощает технологический процесс и обеспечивает повышение производительности [3].

Рассмотрены способы пропитки, дан их критический анализ. Предложен новый способ пропитки, осуществляемый путём погружения в пропиточную антисептическую жидкость вертикально ориентированной пачки круглых лесоматериалов. Пропитанные материалы предназначены для использования в качестве вертикальных опор, нижняя часть которых подвергается интенсивному разрушающему воздействию среды размещения (опоры линий электропередач, сваи, заглублённые в грунт, бетон и т.д.).

Способ снижает энергоёмкость процесса пропитки по отношению к известным способам пропитки, а так же расход пропитывающей жидкости.

Литература

1. Патякин В.И., Тишин Ю.Г., Базаров С.М. Техническая гидродинамика древесины. – М.: Лесн. пром-сть, 1990. -304 с.

2. Бирман А.Р., Белоногова Н.А., Кривоногова А.С. Способ торцовой пропитки длинномерных сортиментов на определённую их длину // Современные проблемы переработки древесины: материалы международной научно-практической конференции / Под ред. В.В. Сергеевичева, А.Н. Чубинского. – СПб.: СПбГЛТУ, 2014. – 77-81 с.

3. Борирование древесины пропиткой с целью повышения её нейтронозащитных свойств / А.Р. Бирман, В.А. Соколова, А.С. Кривоногова // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии: Вып: 208. – СПб.: СПбГЛТУ, 2014. – 130-138 с.

4. Торцовая пропитка длинномерных сортиментов / А.Р. Бирман, В.А. Соколова, А.С. Кривоногова // Научное обозрение. № 7/2014. – М.-Саратов, 2014. – 281-286 с.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:

· Кривоногова Александра Станиславовна, доцент, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова,

194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., д. 5;

SPIN-код 8399-6121; E-mail: kas.spb.lta @ mail.ru; +7-921-5555501.

· Бирман Алексей Романович, доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова,

194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., д. 5;

SPIN-код 3247-9904; E-mail: birman1947@mail.ru; +7-951-6415631.