Možnosti aplikace ochranných nanomateriálů a zesilujících uhlíkových vrstev na povrch dřevěných prvků
Ochrana a zesilování dřevěných konstrukcí je v současnosti stále více aktuální. Dřevo, které je na ně použito, je konstrukční materiál, jehož mechanické vlastnosti formuje příroda, a protože je též organickým materiálem, podléhá různým procesům degradace. Jedním z možných způsobů zajištění ochrany dřeva proti degradaci je nanesení planárních částic oxidu titaničitého TiO2 na jeho povrch, jak je popsáno v dalším textu. V případě potřeby zvýšení únosnosti dřevěných prvků je potom jednou z možností jejich zesílení aplikací vrstvy vysoké pevnosti obsahující uhlíková vlákna. Tomuto postupu je věnována druhá část článku s podrobným popisem, jak toto zesílení provádět a navrhovat.
1. Úvod
Ochrana existujících stavebních konstrukcí proti degradaci a zvyšování jejich únosnosti zesilováním již představují a v budoucnosti budou ještě více představovat velký podíl činnosti stavebních firem, jelikož potřeby nové výstavby se postupně snižují. Je to důsledkem populační stabilizace ve většině rozvinutých zemí, ekonomických výhod a environmentálních požadavků, které postupně prosazují jejich údržbu, ochranu a případné zesílení, na rozdíl od jejich nahrazování novými. Tento článek je zaměřen na zmíněnou problematiku v případě dřevěných konstrukcí.
2. Možnosti aplikace ochranných nanomateriálů na dřevo
Jednou z možností ochrany dřevěných konstrukcí proti degradaci dřeva je aplikace nanomateriálů na jejich povrch. Za základní způsoby degradace dřeva považujeme za prvé destrukci polymerních struktur (tj. chemické reakce) a za druhé degradaci bez poškození polymerních struktur. Do první skupiny řadíme hydrolytické, dehydratační, oxidační, termooxidační, fotooxidační a biochemické reakce, které jsou vyvolány degradačními činiteli v podobě agresivních kyselin a zásad, imisí, termických účinků, UV záření a dřevokazných hub (bílá a hnědá hniloba). Druhá skupina představuje znehodnocení dřeva v podobě mechanických trhlin, makroskopických otvorů a změn barevnosti povrchu dřeva, které jsou vyvolány na základě změn teploty a vlhkosti, dřevokazným hmyzem a dřevozbarvujícími houbami.
Obr. 1 HRSEM planárních částic TiO2
V tomto článku se dále budeme věnovat zejména otázkám povětrnostního stárnutí dřeva včetně možnosti aplikace nanotechnologií při řešení této problematiky. Jedním z možných způsobů řešení této problematiky je použití planárních částic oxidu titaničitého TiO2, protože je možné jej připravit ve dvou formách amorfní (nefotoaktivní) a krystalické (fotoaktivní). Přitom je možné studovat interakci dvou fází morfologicky identického materiálu, což je velmi důležité, protože morfologie je jedním z hlavních faktorů s velkým dopadem na fotokatalytické vlastnosti. Lze také studovat úlohu rozpouštědla (voda, vodní sklo, akryl). Rovinnou morfologii prokázala elektronová mikroskopie, viz obr. 1. Z obrázku je patrné, že povrch částice je zvlněný a ne zcela spojitý. Otvory pokrývají 20 % povrchu a shluky 10 %. Otvory a shluky v tomto množství však nemají negativní vliv na UV absorpci planárních částic, jak bylo prokázáno UV-VIS spektroskopií.
Obr. 2 UV-VIS planárních částic TiO2
Experimentální data z UV-VIS spektroskopie jasně ukazují, že planární částice TiO2 absorbovaly široký rozsah UV záření (UVA, UVB), viz obr. 2. TiO2 byl žíhán při 200 °C, 250 °C a 300 °C kvůli odstranění zbytkového peroxidu po lyofilizaci. Řešeno též bylo, zda teplota žíhání má dopad na absorpci UV záření. TiO2 žíhané při 200 °C a 300 °C má maximum na stejné vlnové délce (310 nm), maximum TiO2 žíhané při 250 °C je mírně posunuto (320 nm). Tvar a maximální absorbanční křivky jsou ve všech případech podobné. Na základě experimentálních dat předpokládáme, že v teplotním rozmezí mezi 200 °C a 300 °C je absorbance stejná.
Účinky povětrnostního stárnutí byly ověřovány v externí expozici, viz obr. 3.
Obr. 3 Zkouška povětrnostního stárnutí dřeva s různou povrchovou ochranou
Úloha rozpouštědla (voda, vodní sklo, akryl) byla analyzována pomocí elektronové mikroskopie se zvětšením obrazu 250×, viz obr. 4. Na obr. 4a je obraz povrchu borového dřeva s ochrannou vrstvou z draselného vodního skla s 3% obsahem planárních částic oxidu titaničitého TiO2. Na obr. 4b, 4c a 4d jsou postupně zobrazeny elementární mapy rozložení kyslíku, křemíku a titanu na povrchu dřeva.
Obr. 4 Snímky povrchu dřeva získané pomocí elektronové mikroskopie
Pokud se jedná o rozpouštědla tak dosavadní výsledky ukázaly, že voda není ideální. Dochází totiž k nižší integritě ochranného povlaku TiO2 se dřevem, což je způsobeno nižší účinností Van der Waalsových sil po odpaření vody. V případě, kdy je jako rozpouštědlo použit roztok vodního skla, vzniká anorganická porézní struktura a planární částice TiO2 jsou obklopeny silikátovými řetězci, viz obr. 4.
3. Možnosti zesilování dřevěných prvků
Obr. 5 Zesílení prvků dřevěné konstrukce nalepením lamel s VVP
Zesílení dřevěných prvků lze, mimo jiné postupy, provést nalepením vláken vysoké pevnosti, dále jen VVP, viz obr. 5. Můžeme tak výrazně zvýšit jejich únosnost a tuhost v ohybu.
Vstupními parametry takového zesílení jsou: množství VVP, jejich tuhost, rozmístění po průřezu atd.
V případě potřeby zajištění vysoké odolnosti prvků při požáru, často musíme umístit zesilující vrstvu nad krajní dřevěnou krycí lamelu, což však nepříznivě ovlivňuje efektivnost zesílení. Spojení mezi zesilující vrstvou a přilehlou oblastí dřeva musí být vždy zaručeno. Lepený spoj potom můžeme v analytickém modelu uvažovat jako nepoddajný. Z toho vyplývá, že lepená spára bude zajišťovat stejné poměrné přetvoření dřeva a zesilující vrstvy.
Pevnost zesilující vrstvy v tahu nemusí být extrémně vysoká, avšak alespoň tak velká, aby při dosažení meze pevnosti dřeva v tahu nenásledovalo tahové selhání zesilující vrstvy.
Pevnost zesilujícího materiálu v tahu by měla být z tohoto důvodu větší než největší očekávané napětí ve dřevu při povrchu lepené spáry násobené poměrem modulů pružnosti v tahu zesilujícího materiálu a dřeva.
Pro zvýšení tuhosti prvku v ohybu je významná především tloušťka vrstvy zesilujícího materiálu. Při zesílení průřezu prvku v oblasti tahových napětí může nastat jeho selhání v tlačené oblasti, kde se dřevo začne chovat plasticky. Na základě tohoto chování se posouvá neutrální osa ve směru zesílení a průřez se deformuje stále více už při malých přírůstcích zatížení.
Obr. 6 Pracovní diagram zatížení/deformace ohýbaného prvku
Pokud budeme uvažovat zesílený průřez s krajní dřevěnou lamelou, která z důvodů výše zmíněných kryje zesilující vrstvu, lze u ohýbaného prvku předpokládat jeho chování podle křivky na obr. 6.
V pracovním diagramu zatížení/deformace (obr. 6) můžeme v chování zesíleného prvku uvažovat tři hlavní předpokládané situace. První z nich ukazuje při zatížení f1 na selhání krycí lamely překročením meze pevnosti dřeva v tahu. Potom bude zesilující vrstva přebírat zvyšující se tahové napětí a ve dřevu se při zatížení f2 dosáhne meze pevnosti v tlaku. Dále se bude po výšce průřezu v tlačené části rozšiřovat plastická zóna a neutrální osa se bude posouvat ve směru zesílení. Při extrémně zesíleném průřezu se únosnost nosníku zastaví na zatížení f3, kdy bude plastifikována celá tlačená oblast dřevěného průřezu. Na obr. 6 můžeme v oblasti mezi zatíženími f2 a f3 vidět zakřivení diagramu zatížení/deformace, které ukazuje na charakteristické plastické chování prvku.
Zesilováním se rostoucí napětí přerozdělí do tlakové a do tahové oblasti průřezu. Přitom dřevo v horní tlačené části průřezu umožňuje plastické deformace, které vznikají při zatížení vyvolávajícím větší napětí, než je mez pevnosti dřeva v tlaku. Takové deformace mohou být řádově desetinásobné k pružným a v žádném konstrukčním prvku je nelze využít na jejich plnou hodnotu. Nepatrné plastické deformace vznikají i ve spodní tažené části průřezu. Zde však dojde při nepatrném zvětšení zatížení k porušení dřeva a k šíření trhliny směrem k neutrální ose, a tím i k snižování ohybové tuhosti prvků.
Míra zesílení průřezu významně ovlivní také rozdělení smykových napětí po výšce průřezu. Pevnost dřeva ve smyku je ve srovnání s pevnostmi dřeva v tahu a tlaku rovnoběžně s vlákny přibližně jedna desetina. Při velkém vyztužení můžeme tedy očekávat také šíření smykových trhlin ve dřevu. To bude umocněno také příčnými tahy v průřezu, kterým bude odolávat ještě menší pevnost dřeva v tahu kolmo k vláknům nebo u lepeného lamelového dřeva pevnost lepidla v tahu. Oddělení vrstev dřeva, případně lamel v lepené spáře, smykovou trhlinou výrazně ovlivní nosné a deformační chování prvků. Při jejich posuzování musíme tedy brát na zřetel i toto možné porušení.
4. Návrh zesíleného dřevěného průřezu
Pokud se omezíme pouze na pružné chování průřezu, předpokládáme porušení v tažené oblasti dřeva, respektive na nejspodnějším místě průřezu prvku. Při VVP zesílení navrženém na maximální sílu v zesilující vrstvě budou tímto nejspodnějším místem dřevěná vlákna. Napětí v tahu omezíme pevností ft a napětí v tlaku pevností fc s tím, že budeme předpokládat poměr pevností dřeva v tlaku a v tahu fc / ft větší nebo roven 1,0.
Na obr. 7 je zobrazen zesílený průřez a jsou zde uvedena všechna zavedená označení, včetně vykreslení ideálního průběhu pružného napětí po výšce průřezu. Index ZV je v tomto obrázku použit pro zesilující vrstvu, index D1 pro základní dřevěný nebo lepený lamelový průřez a index D2 pro krycí krajní dřevěnou lamelu.
Do následujících vztahů vstupují ještě další dvě, na obr. 7 nevyznačené charakteristiky. Obecně zavedeme modul pružnosti dřeva ED , který je stejný pro tlačená i tažená vlákna, a EZV modul pružnosti VVP zesilující vrstvy.
Obr. 7 Zesílený dřevěný průřez – ideálně pružné chování
4.1 Zesílený průřez s krajní dřevěnou lamelou
Při zavedení následujících součinitelů a vztahů:
a
a
a
můžeme polohu neutrální osy zapsat pomocí vztahu:
Obr. 8 Posunutí polohy neutrální osy αNO – ideálně pružné chování
Na následujícím obr. 8 je pro různé uspořádání průřezu zobrazena poloha, respektive součinitel polohy αNO, neutrální osy na zesíleném průřezu při pružném chování. Jsou zde vykresleny třikrát tři křivky pro poměry modulů pružnosti n = EZV / ED = (5;15;25) a pro tloušťky krajní dřevěné lamely hD2 = (0;0,025.h;0,05.h). Můžeme vypozorovat a potvrdit si počáteční předpoklady, tj. při větší tloušťce krycí lamely se poloha neutrální osy posouvá směrem k zesilující vrstvě, stejně jako při větší míře zesílení, potažmo větší tloušťce hZV zesilovací vrstvy a jejím větším modulu pružnosti EZV.
Jestliže v tlačené oblasti průřezu nastane již při malém přitížení plastická deformace nebo poměr pevností dřeva v tlaku a tahu fc / ft je příliš velký, nelze v pružné oblasti dosáhnout výraznějšího ohybového zesílení. Zvětšení maximálního momentu únosnosti může být stanoveno následujícím způsobem.
Moment únosnosti Mel,D2 průřezu s krajní krycí dřevěnou lamelou při pružném chování lze stanovit pomocí zjednodušených vztahů:
Obr. 9 Součinitel zesílení kel,D2 průřezu s krajní krycí dřevěnou lamelou a kel průřezu bez krajní lamely při pružném chování
Součinitel kel,D2 vyjadřuje poměr zvýšení elastického momentu únosnosti Mel.D2 vyztuženého průřezu s krycí dřevěnou lamelou tloušťky hD2 vztaženého k momentu únosnosti M0 nevyztuženého průřezu se stejnými průřezovými rozměry, tj. celkovou výškou h a šířkou b.
Součinitel kel lze stanovit z grafů na obr. 9.
Při dimenzování VVP zesilující vrstvy je třeba vzít v úvahu maximální přípustná napětí dřeva v tahu (σD2,b = ft).
4.2 Zesílený průřez bez krajní dřevěné lamely
Polohu neutrální osy zesíleného průřezu bez krajní krycí dřevěné lamely můžeme stanovit obdobným způsobem jako u průřezu s krajní lamelou. Pro výšku krajní dřevěné lamely hD2 = 0, potažmo součinitel αD2 = 0.
Moment Mel na mezi pevnosti dřevěných vláken v tahu pro průřez bez krajní krycí dřevěné lamely při pružném chování lze stanovit z zjednodušeného vztahu:
Součinitel kel vyjadřuje při pružném působení zvýšení momentu únosnosti v porovnání k nevyztuženému průřezu. Součinitel kel lze stanovit z grafů na obr. 9.
Při dimenzování VVP zesilující vrstvy je třeba vzít v úvahu maximální přípustná napětí dřeva v tahu (σD2,b = ft).
5. Závěr
Myšlenka chránit venkovní dřevěné konstrukce před znehodnocením fotokatalytickým materiálem není nová. Co je však potřeba stále prohlubovat jsou poznatky o interakci mezi různými formami fotokatalytických materiálů a dřevem, které jsou prezentovány v tomto článku včetně úlohy rozpouštědla (voda, vodní sklo).
Prezentované poznatky o zesilování dřevěných prvků budou využity v rámci technické normalizace v oboru dřevěných konstrukcí.
Poděkování
Tento článek byl zpracován za podpory projektu GAČR 18-26297S „Interakce mezi povrchem dřevní hmoty a planárními částicemi TiO2“.
Literatura
- F. Chen, X. Yang, and Q. Wu, Antifungal capability of TiO2 coated film on moist wood, Build. Environ. 44(5) (2009), pp. 1088–1093.
- M. Yamagishi, S. Kuriki, P.K. Song, and Y. Shigesato, Thin film TiO2 photocatalyst deposited by reactive magnetron sputtering, Thin Sol. Films 442 (2003), pp. 227–231.
- G. Jiang and J. Zeng, Proporation of nano-TiO2/polystirene hybride microspheres and their antibacterial properties, J. Appl. Polym. Sci. 116(2) (2010), pp. 779–784.
- Y. Ohko, S. Saitoh, T. Tatsuma, and A. Fujishima, Photoelectrochemical anti-corrosion and selfcleaning effects of a TiO2 coating for type 304 stainless steel, J. Electrochem. Soc. 148 (2001), pp. B24–B28.
- M. Okuya, K. Nakade, and S. Kaneko, Porous TiO2 thin films synthesized by a spray pyrolysis deposition (SPD) technique and their application to dye-sensitized solar cells, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 70 (2002), pp. 425–435.
- ČSN ISO 13822 (730038) Zásady navrhování konstrukcí – Hodnocení existujících konstrukcí.
The paper is focused on the current issues of protection and strengthening of wooden structures. The wood used for them is a construction material whose mechanical properties are shaped by the nature and because it is also an organic material, it is subjected to various degradation processes. Types of wood protection includes all measures which would protect wood from influences of fungi, insect, weather (temperature, humidity, wind, fire etc.) and can be divided into chemical protection and radiation protection. Chemical protection can be further divided into protection against weather, biological pests and against fire. In our paper the solution of this weakness by photocatalytic materials (namely TiO2) is presented. Those materials are efficient UV absorbers and they are able to destroy biological aggressors as well. Nowadays, there is not enough information about the interactions between wooden surface and non-photoactive or photoactive form of TiO2. TiO2 exists in many morphological forms. The planar particles were chosen for purpose of the experimental investigation. This material was applied on wooden surface for creating a transparent layer. The results are presented in the first part of the paper. If it is necessary to increase the load-bearing capacity of wooden elements, one of the possibilities is to strengthen them by applying a high-strength layer containing carbon fibers. The second part of the paper is devoted to this procedure with a detailed description of how to implement and design this reinforcement.