Древесина является ценным, возобновляемым и наиболее доступным строительным материалом. Ее стоимость сравнительно ниже, чем у других строительных материалов. В связи с этим древесина широко применяется в строительстве зданий и сооружений.
В ходе эксплуатации зданий и сооружений древесина подвергается биоразрушению, что значительно сокращает срок эксплуатации зданий и сооружений и вызывает большие материальные потери, а также может являться причиной обрушения как относительно новых, так и исторических конструкций [1]. Так, например, известно, что из общего количества заготавливаемой в России деловой древесины 20 % расходуется только для того, чтобы восполнить ее потери от биоразрушения [2].
Не менее важной, чем материальные потери, является проблема частичной или полной утраты объектов культурного наследия в процессе биоразрушения древесины памятников архитектуры [3]. Памятники деревянной архитектуры хранят в себе историю, традиции и быт людей предыдущих поколений, являются отражением и документальным подтверждением прошлого, информацию о котором необходимо сохранять и передавать следующим поколениям. Сохранение объектов культурного наследия является важной задачей, которая позволяет сохранить связь прошлого, настоящего и будущего.
Для защиты древесины зданий и сооружений от биоразрушения применяются конструктивные, антисептические и механические мероприятия [4–6]. К конструктивным относятся мероприятия, направленные на предотвращение благоприятных для развития процесса биоразрушения древесины условий. Например, все деревянные конструкции зданий и сооружений должны быть спроектированы так, чтобы они не могли получать влагу от фундаментов; вентиляция зданий и сооружений должна обеспечить отвод влаги от полов, потолков и др. К антисептическим относятся мероприятия, направленные на химическое уничтожение дереворазрушающих грибов на поверхности и в толще древесины зданий и сооружений путем их пропитки и промазки антисептиками. К механическим относятся мероприятия, направленные на удаление участков древесины, пораженных дереворазрушающими грибами, и их замену.
Комплексное использование описанных мероприятий позволяет обеспечить достаточно надежную защиту древесины зданий и сооружений от биоразрушения. Но весь этот комплекс мероприятий применим только для зданий и сооружений, не относящихся к памятникам деревянной архитектуры. Так, конструктивные мероприятия невозможны ввиду того, что памятники деревянной архитектуры уже имеют определенную конструкцию и внесение в них изменений приведет к утрате статуса объектов культурного наследия. Антисептические мероприятия негативно влияют на физико-механические свойства конструкций памятников деревянной архитектуры, а также имеют ряд других недостатков. Так, например, в работе [7] в ходе исследования состояния древесины Преображенской церкви (1714 г., остров Кижи, Республика Карелия) было выявлено, что глубокая химическая консервация привела к нарушению целостности древесины, не обеспечила надежную защиту от дереворазрушающих грибов и создала неблагоприятную экологическую обстановку. Механические мероприятия сильно ограничены ввиду того, что при замене более 42 % оригинальных конструкций и элементов памятников деревянной архитектуры они утрачивают статус объекта культурного наследия (Федеральный закон «Об объектах культурного наследия (памятниках истории и культуры) народов Российской Федерации» от 25.06.2002 № 73-ФЗ).
Ввиду неприменимости или неэффективности существующих мероприятий по защите конструкций памятников деревянной архитектуры от биоразрушения особую актуальность приобретают исследования, направленные на изучение процесса биоразрушения древесины и разработку путей ее защиты.
Ведущую роль в биоразрушении древесины играют дереворазрушающие грибы [7–9]. Биоразрушение древесины под действием дереворазрушающих грибов происходит постепенно и представляет собой процесс разложения составных частей древесины, приводящий к ее разрушению. В процессе развития дереворазрушающих грибов в древесине происходит углеводный гидролиз, описываемый следующей формулой [10]:
С6Н10О5 + 6О2 → 6СО2 + 5Н2О.
В результате древесина под действием дереворазрушающих грибов разлагается на углекислый газ и воду. Следовательно, процесс разложения древесины сопровождается выделением углекислого газа, причем количество выделяемого углекислого газа зависит от интенсивности процесса разложения и объема пораженной древесины. В связи с чем можно предположить, что изменение содержания углекислого газа у поверхности древесины является маркером процесса разложения древесины. Это и является гипотезой данного исследования. Изучение закономерностей изменения содержания углекислого газа у поверхности древесины позволит выявлять процесс разложения на начальных стадиях и купировать его существующими мероприятиями по защиты древесины.
Цель исследования – изучение закономерностей выделения углекислого газа при разложении древесины памятников архитектуры.
Материалы и методы исследования
Для непрерывного измерения и фиксации содержания углекислого газа у поверхности древесины были разработаны и изготовлены специальные устройства, состоящие из: 1 – цифровых датчиков измерения содержания углекислого газа в воздухе MH-Z19B (диапазон измерения от 0 до 5000 ppm, точность измерений ±50 ppm), 2 – контроллеров с интегрированным модулем Wi-Fi (ESP32 DevKit V1 30pin), 3 – блоков питания (или аккумуляторных батарей) и ряда вспомогательных элементов (рис. 1). Принцип работы устройств следующий: датчики 1 непрерывно измеряют данные о содержании углекислого газа у поверхности древесины и передают их на контроллеры 2, которые сохраняют эти данные и по локальной сети Wi-Fi через определенный интервал времени передают их на компьютер.
Принято различать три стадии разложения древесины: начальную, развитую и конечную [3, 11]. В соответствии с этим для изучения процесса выделения углекислого газа при разложении древесины памятников архитектуры были подготовлены образцы элементов конструкций зданий и сооружений из хвойных пород деревьев с разными стадиями разложения древесины (рис. 2): 1) разложение древесины отсутствует (образцы № 1 и 5), 2) разложение древесины находится в начальной стадии (образцы № 2 и 6); 3) разложение древесины находится в развитой стадии (образцы № 3 и 4). Образцы в конечной стадии разложения древесины не рассматривались, так как на данной стадии структура древесины практически полностью разрушена.
Рис. 1. Устройство для непрерывного измерения содержания углекислого газа у поверхности древесины
Рис. 2. Образцы элементов конструкций зданий и сооружений с разными стадиями разложения древесины
В ходе исследования на каждый образец элементов конструкций зданий и сооружений были установлены изготовленные устройства, которые в течение 60 дней непрерывно измеряли и сохраняли значения содержания углекислого газа в воздухе у поверхности древесины и по локальной сети Wi-Fi через каждые 15 минут передавали измеренные данные на компьютер. Для дальнейшей сравнительной оценки измеряемых данных изготовленные устройства также были установлены на открытом воздухе и измеряли содержание углекислого газа в наружном воздухе. Температура и влажность воздуха в помещениях в ходе исследования также непрерывно измерялась посредством цифровых датчиков температуры и влажности GY-SHT31-D (диапазон измерения температуры от -40 до 120 °С, точность измерений температуры 0,015 °С, диапазон измерения влажности от 0 до 100 % относительной влажности, точность измерений влажности 0,01 % относительной влажности). Температура воздуха в течение исследования изменялась в интервале от 21,31 до 28,23 °С. Влажность воздуха изменялась в интервале от 37,61 до 53,15 %.
Результаты исследования и их обсуждение
В ходе исследования были получены данные о содержании углекислого газа у поверхности древесины для трех групп образцов с разными стадиями разложения, а также данные о содержании углекислого газа в наружном воздухе (вне помещений). Полученные данные были обработаны общепринятыми методами математической статистики. Результаты представлены на графике (рис. 3).
Анализ результатов, представленных на графиках, показывает, что содержание углекислого газа у поверхности древесины образцов № 1 и 5 (образцы, у которых разложение древесины отсутствует) на протяжении всего исследования остается постоянным от 409 до 439 ppm, соизмеримым с содержанием углекислого газа в наружном воздухе (вне помещений) – от 401 до 416 ppm. Содержание углекислого газа у поверхности древесины образцов № 2 и 6 (образцы, у которых разложение древесины находится в начальной стадии) на протяжении всего исследования плавно растет от 514 до 777 ppm для образца № 2 и от 592 до 985 ppm для образца № 6. К окончанию исследования рост составил около 51 % для образца № 2 и 66 % для образца № 6. Содержание углекислого газа у поверхности древесины образцов № 3 и 4 (образцы, у которых разложение древесины находится в развитой стадии) на протяжении всего исследования значительно растет от 1897 до 3763 ppm для образца № 3 и от 1927 до 3709 ppm для образца № 4. К окончанию исследования рост составил около 98 % для образца № 3 и 92 % для образца № 4. Содержание углекислого газа у поверхности древесины образцов № 2, 3, 4 и 6 на протяжении всего исследования значительно превышает значения содержания углекислого газа в наружном воздухе (вне помещений).
Рис. 3. Содержание углекислого газа у поверхности древесины образцов
Представленные на графике (рис. 3) экспериментальные кривые можно аппроксимировать зависимостями, характеризующими взаимосвязь между содержанием углекислого газа у поверхности древесины (СО2) и длительностью процесса разложения (t):
– для образцов, находящихся в начальной стадии разложения:
СО2 = 5,34 · t + 534,16, достоверность аппроксимации составляет R2 = 0,972;
– для образцов, находящихся в развитой стадии разложения:
СО2 = –0,59 · t2 + 66,87 · t + 1762,20, достоверность аппроксимации составляет R2 = 0,984.
Быстроту изменения содержания углекислого газа у поверхности древесины можно определить следующим образом:
.
Тогда быстрота (скорость) изменения содержания углекислого газа у поверхности древесины равна:
– для образцов, находящихся в начальной стадии разложения:
ppm/сутки;
– для образцов, находящихся в развитой стадии разложения:
ppm/сутки.
Плавность быстроты изменения содержания углекислого газа у поверхности древесины можно определить следующим образом:
.
Тогда плавность быстроты изменения содержания углекислого газа у поверхности древесины равна:
– для образцов, находящихся в начальной стадии разложения:
ppm/сутки2;
– для образцов, находящихся в развитой стадии разложения:
ppm/сутки2.
Выводы
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:
1. Содержание углекислого газа у поверхности древесины не подверженных разложению образцов изменяется незначительно, причем по величине примерно равно содержанию углекислого газа в наружном воздухе (вне помещений).
2. Содержание углекислого газа у поверхности древесины образцов, находящихся в начальной и развитой стадиях разложения, непрерывно увеличивается, причем по величине значительно превышает содержание углекислого газа в наружном воздухе (вне помещений).
3. Содержание углекислого газа у поверхности древесины образцов, находящихся в начальной стадии разложения, увеличивается плавно с постоянной скоростью, равной 5,34 ppm/сутки. Изменение содержания углекислого газа можно описать уравнением СО2 = 5,34 · t + 534,16.
4. Содержание углекислого газа у поверхности древесины образцов, находящихся в развитой стадии разложения, увеличивается резко. Причем быстрота изменения содержания углекислого газа у поверхности древесины замедляется и плавность замедления составляет 1,18 ppm/сутки2. Изменение содержания углекислого газа можно описать уравнением СО2 = -0,59 · t2 + 66,87 · t + 1762,20.
5. Результаты исследования подтверждают справедливость выдвинутой гипотезы о том, что изменение содержания углекислого газа у поверхности древесины является маркером процесса разложения древесины. Полученные закономерности позволяют выявить процесс разложения древесины на начальных стадиях и купировать его существующими мероприятиями по защите древесины.
Исследования, описанные в данной работе, были проведены в рамках реализации Программы поддержки НИОКР студентов и аспирантов ПетрГУ, финансируемой Правительством Республики Карелия.