Použití mikrovlnného záření na likvidaci biotického napadení a vysoušení dřevostaveb
Ve stavební praxi se často setkáváme s problematikou zvýšené vlhkosti stavebních materiálů nebo systémů, protože většina budov přichází do kontaktu s vodou v různé formě. Dlouhodobé působení vlhkosti na kteroukoliv část stavební konstrukce (střecha, stěny, základy…) má za následek snížení užitných vlastností stavby a zhoršování její kvality. Ohřev mikrovlnným zářením představuje jednu z nejefektivnějších metod vysoušení a fyzikální sterilizace dřevařských výrobků.
1 Úvod
Společným činitelem převážné většiny problémů v dřevostavbách je působení vlhkosti. Voda může vnikat do konstrukčních materiálů a detailů stavby několika způsoby. Jednou z nejčastějších příčin vniknutí vlhkosti do objektu je neexistující nebo poškozená hydroizolace spodní stavby. Vzlínající vlhkost není pouze problémem ve starých budovách a památkách, ale v posledních letech se často objevuje i u mnoho mladších staveb, kde byla špatně odvedená práce při vytváření základů, nevhodným postupem kladená izolace, ale i nedostatečně zohledněn terén v okolí stavby, což umožňuje přímému působení povrchové vody na základy stavby, především v kontaktu dřeva se základem. K zásadním problémům může docházet i uvnitř konstrukce v důsledku poruch nebo skrytých instalačních chyb vodovodního systému či ústředního topení, resp. vzniká riziko tvorby kondenzované vody na povrchu materiálů v interiéru při nesprávném tepelně-technickém návrhu opláštění konstrukcí.
Vlhnutí staveb zapříčiňuje značné škody, neboť znemožňuje normální funkci stavebního díla, zvyšují se tepelné a energetické ztráty budovy, často dochází k popraskání stěn, nebo k vedlejšímu poškození statiky. Je všeobecně známo, že se zvyšující se vlhkostí v rozsahu vázané vody se zhoršují mechanické vlastnosti dřeva, což má své opodstatnění hlavně při jeho použití na nosné účely. Nadměrná vlhkost substrátu zároveň vytváří vhodné podmínky pro vznik a kontaminaci stavebních prvků mikroorganismy. Zatímco plísně představují estetický a hlavně hygienicky škodlivý faktor užívání budov, dřevokazné houby způsobují mnohem závažnější poškození v dřevěných stavbách, protože jsou vybaveny vhodným enzymatickým aparátem, díky kterému rozkládají složky buněčné stěny dřeva a tak získávají živiny potřebné pro svůj růst. Proto je nezbytné zajistit vhodné konstrukční řešení, aby vlhkost použitého dřeva nedosáhla více než 20 %. Avšak v případě již napadeného materiálu, dosáhnout tuto podmínku není jednoduché, protože houby si svou aktivitou zajistí trvale zvýšenou vlhkost tím, že rozkládají dřevo na vodu, oxid uhličitý a jiné složky. Také dokáží odvádět vodu z vlhkých substrátů kapilárním mechanismem a transportovat ji k suchému dřevu pro svůj další růst.
K odstranění dřevokazných hub z poškozeného dřeva je možné použít několik fyzikální sterilizační metody. Nejvhodnějším a nejčastěji používaným způsobem jejich likvidace je sterilizace ohřevem, vzhledem k tomu, že se dá použít přímo na místě poškození vzniklého v dřevních konstrukcích a nezatěžuje životní prostředí. Pro potřeby dosažení potřebných vyšších letálních teplot, které by měly být zajištěny především v příslušné poškozené části dřeva, se ukazuje použití mikrovln jako perspektivní sterilizační metoda, protože jejich záření dokáže v krátkém čase pronikat ošetřovaným materiálem.
2 Princip technologie mikrovlnného ohřevu
Mikrovlnné záření je neionizující elektromagnetické záření o frekvenci 300 MHz až 300 GHz. Standardní mikrovlnné zařízení pro mikrovlnný ohřev pracují na pevné frekvenci 2,45 GHz, jejíž odpovídá vlnová délka 12,2 cm. Jako zdroj energie se používá vysokonapěťová elektronka, tzv. magnetron, který představuje úplný vysokofrekvenční oscilátor s vlastním buzením, do kterého jsou soustředěny všechny prvky výkonného vysokofrekvenčního generátoru, kromě napájecího zdroje, ovládacích a jistících prvků a vyzařovacího systému [1]. Záření ve formě vln je směrováno vlnovodem na ošetřovaný povrch. Magnetrony obvykle pracují s výkonem 750 W a vyšším, přičemž většina zařízení se skládá z několika zdrojů, čímž lze dosáhnout zvýšení celkového výkonu i větší ozařované plochy. Princip působení mikrovln na dřevní materiály spočívá v tom, že v těchto materiálech složených z polárních látek jako je voda, celulóza a hemicelulózy probíhá v přítomnosti elektromagnetického pole polarizační proces, jehož důsledkem se mikrovlnná energie mění na tepelnou. Ta má za následek zahřívání materiálu a vypařování volné a vázané vody z materiálu. Ohřev nastává selektivně tam, kde je do porézní struktury látky vázána vlhkost. Ve srovnání s jinými známými metodami probíhá vysoušení podstatně rychleji. Mikrovlnná technologie nabízí široké možnosti uplatnění ve stavebnictví a přitom nevyžaduje destruktivní zásahy do ošetřovaného materiálu. Kromě dřeva je možné ji aplikovat i na zdivo, beton nebo minerální vlnu.
Při aplikaci MW ohřevu je teplotní pole v ozařovaném objektu nehomogenní, a to jak po průřezu, tak i na ploše. Rozložení elektromagnetického pole závisí také na dalších činitelů, kterými jsou vzdálenost antény od ozařovaného objektu, geometrický tvar a rozměry tělesa, jakož i jeho dielektrické vlastnosti. Kromě toho je nerovnoměrnost ohřevu ovlivňována i výkonem zářiče, ale také složením materiálu, jeho strukturou a vlhkostí, případně přítomností kovových spojovacích prostředků.
a)
b)
Obr. 1 Teplotní křivky v různých hloubkách smrkových hranolů (cm): a) vstupní vlhkost dřeva 95±5 %, b) vstupní vlhkost dřeva 10±1 %
Vliv vlhkosti na teplotní průběhy zobrazují výsledky pokusu [2] v němž byly ozářené hranoly o rozměrech 200×80×80 při dvou různých vlhkostech (95±5 % a 10±1 %). Mikrovlnné záření v obou případech dokázalo v krátkém čase pronikat ošetřovaným materiálům a vedlo ke zvyšování teplot ve vnitřních vrstvách ozařovaného tělesa (Obr. 1). Teplota okrajových vrstev dřeva dosahovala obvykle nižší hodnoty, což lze zdůvodnit průběžným ochlazováním povrchových ohřátých vrstev dřeva vlivem poměrně nízké teploty okolí (22 °C). Rozdíl si však můžeme všimnout na průběhu teplotních křivek jednotlivých případů, kdy při vstupní vlhkosti cca 95 % teplota ve dřevě nepřesáhla hodnotu 100 °C. Můžeme to vysvětlit skutečností, že čím je vyšší vlhkostní obsah dřeva při stejné intenzitě mikrovlnného pole a stejném čase, tím je tepelná energie absorbovaná objemovou jednotkou dřeva nižší a záření je především pohlcováno molekulami vody, což vede k vypařování volné vody ve dřevě. Při nízké vstupní vlhkosti se tento jev vypařování neuplatňuje, takže maximální teploty ve dřevě přesáhly při nejdelším čase ohřevu i hodnotu 110 °C.
Na rapidní nárůst teplot se snižující se vlhkostí dřeva si třeba dávat pozor především v konečných fázích ozařování a sušení, protože vysoké teploty, opakující se v téže části dřevěného trámu a udržovány určitý čas se mohou projevovat zhnědnutím, až zuhelnatěním těchto vrstev (obr. 2). Je proto vhodné aplikovat mnohostranný ohřev materiálu o velkých tloušťkách, což je ve většině případů zabudovaného dřeva ve stavbě nereálné. Nicméně vhodnou regulací ozařovacího procesu (střídáním fází ohřevu a přestávek) se podaří dosáhnout a udržet požadované teplotní rozmezí, neboť v době přestávek dochází k vyrovnání teploty a vlhkosti po průřezu.
Obr. 2 Zhnědnutí vrchních desek modelového trámu po mikrovlnné sterilizaci3 Mikrovlnná sterilizace ohřevem
Vedle vysoušení materiálu se tepelný účinek mikrovlnného záření využívá i ke sterilizaci napadeného dřeva biotickými škůdci. Voda je základní složkou buněk živých organismů, která absorbuje mikrovlnné záření a to vede k přehřátí organismů. Při zvýšené teplotě v biologické tkáně dochází ke koagulaci bílkovin a v krátké době hynou všechna vývojová stádia organismů.
Potřebné teploty pro inhibici růstu až úplnou dezinfekci se liší pro jednotlivé druhy dřevokazných hub a hmyzu. Letální teploty na usmrcení hmyzu se pohybují v rozmezí 50-60 °C, dřevokazné houby se likvidují obvykle vyššími teplotami v oblasti 80 až 100 °C působícími během několika hodin. Pro zabezpečení dezinfekčního účinku je však nutné správně regulovat ozařovací proces. Sterilizační čas musí být dostatečně dlouhý, aby se zajistilo prohřátí celého objemu materiálu a zároveň došlo ke snížení vlhkosti dřeva pod hodnotu 20 %, která je pro rozvoj dřevokazných hub limitující. Nedostatečně dlouhá doba ozařování (w > 20 %) může vést k znovuobnovení rozkladové aktivity dřevokazné houby.
Proces sušení a sterilizace dřeva mikrovlnným ohřevem je založen na absorpci záření molekulami vody a následném zvýšení teploty. Jakékoli změny, které v dřevěném materiálu proběhnou, jsou tepelného charakteru. To dává předpoklad, že pokud dojde v dřevě k nějakým strukturálním změnám, je to v důsledku vzniklé přehřáté vodní páry uvnitř materiálu. Zde je třeba připomenout, že shnilé dřevo atakováno dřevokaznými houbami je mnohem náchylnější na vznik různých poškození během sterilizace, protože houby již narušily jednotlivé stavební komponenty dřeva. Dřevo ve vyšších stádiích hniloby se tak stává při tepelné sterilizaci ještě křehčím a zároveň se snižuje jeho pevnost, což se může projevit vznikem trhlin, deformací ale i kolapsem buněk [3]. Vzhledem k dosaženým výsledkům změn vlastností shnilého dřeva je třeba dodat, že sterilizací nedokážeme obnovit původní vlastnosti zdravého dřeva a proto její použití má význam pouze při sanačních pracích a daný objekt bude nutné dříve či později podrobit opravě nebo rekonstrukci.
Efektivnější se projevuje využití mikrovlnného záření na likvidaci dřevokazného hmyzu, kde postačuje dosáhnout řádově nižší teploty. Také vlhkost hmyzem napadeného zabudovaného dřeva obvykle nepřesahuje hodnotu 20 %, takže při ozařování se živé buňky organismu zahřívají rychleji než okolní dřevo a k jejich usmrcení dochází již během několika desítek minut. Na základě provedených pokusů [4], na usmrcení larev tesaříka krovového postačuje teplota 50 °C působící 34 min nebo teplota 65 °C působící 19 min.
4 Použití mikrovlnného záření v dřevostavbách
V dřevostavbách a dřevěných konstrukcích je použití mikrovlnného záření nejvýhodnější pro vysoušení dřeva. Na každé stavbě je potřebné přizpůsobit postup aktuálním podmínkám, v současné době není možné vytvořit jednoznačný postup, vzhledem k nestejným podmínkám (vlhkost dřeva, použité matriály, skladba konstrukce atd.). Většinou je nutné postup vysoušení opakovat vzhledem k vlhkosti dřeva, druhu konstrukce, podmínkám atd.
Snižování vlhkosti dřeva bylo prováděno v posledních třech letech na více stavbách, kde příčinou byla většinou porucha TZB (rozvody vody, topení, vady bojlerů atd.) zejména na prvcích 60×120 mm s povrchovou vlhkostí cca 30–90 %. Po několika provedených cyklech byla vlhkost snížena na cca 15 %, v některých případech bylo nutno provést opakování po nějaké době v řádu dní, kdy došlo k vyrovnání vlhkosti v celém průřezu prvku. Přístup k jednotlivým prvkům je možný většinou jen z jedné strany, pozor musíme dát na použité parozábrany z PE, které se mohou lehce vznítit a na EPS, použitý v ETICS. Vysoušení v případě konstrukce SIP (Structural insulated panels) kde jádro tvoří EPS je velmi problematické, musíme velmi kontrolovat teplotu, v případě menšího rozsahu je lepší prvky vyměnit. S vyšší vlhkostí je spojen výskyt dřevokazných hub a plísní, vzhledem k tomu, že v konstrukci jsou materiály, které se mohou lehce vznítit, není možné použít dlouhou dobu ozařování (nad 10 min), proto je výhodnější napadené prvky vyměnit.
5 Závěr
Aplikace správně navrženého mikrovlnného ozařování v kombinaci s dalšími opatřeními nám umožní lepší využití dřevěných konstrukcí a jejich delší životnost. Hlavní podmínkou úspěchu při vysušování staveb je odstranění příčin jejich vlhnutí. Ta samá podmínka trvale snížené vlhkosti materiálu platí i pro proces sterilizace, aby se tím zamezilo znovuobnovení degradační činnosti hub. Netřeba zapomínat, že se nejedná o preventivní ošetření, čili sterilizace nedokáže zajistit odolnost ošetřeného materiálu proti opakovanému napadení, takže je vhodné po jejím ukončení aplikovat i chemické ošetření materiálu.
Poděkování
Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, a Evropského sociálního fondu v rámci realizace projektu „Podpora zkvalitnění týmů výzkumu a vývoje a rozvoj intersektorální mobility na ČVUT v Praze“ CZ.1.07/2.3.00/30.0034
Literatura
- [1] Klement, I. – Trebula, P.: Mikrovlnné sušenie reziva – teória a prax. In: Drevo, roč. 56, č. 3, 2001, s. 61–63,
- [2] Makovíny, I., Reinprecht, L., Šmíra., P., Pavlík, Ľ., Terebesyová, M.: Teplotné polia pri mikrovlnnej sterilizácii dreva. Acta facultatis xylologiae Zvolen: vedecký časopis. Drevárskej fakulty. Roč. 53, č. 2, s. 15–24, 2011
- [3] Terebesyová, M.: Využitie mikrovlnnej technológie na sterilizáciu dreva. Horkovzdušná sterilizace dřeva – předpoklady, zkušenosti, provádění : seminář konaný ve dnech 7. a 8. června 2010 v areálu Fojtství 1, Kozlovice, okr. Frýdek-Místek. s. 21–24. – Ostrava : Šmíra-print, 2010
- [4] Makovíny, I., Šmíra, P., Reinprecht, L., Pavlík, Ľ., Součková, A., Terebesyová, M.: Control of house longhorn beetle (Hylotrupes bajulus) larvae by microwave heating. Wood Research, Vol 57, No 2, 2012
- [5] Ptáček, P.: Ochrana dřeva v dřevostavbách, Podlahy a povrchové úpravy ve stavebníctví 2012, Betonconsult, s.r.o.
- [6] Terebesyová, M.: Sterilizácia dreva napdnutého hubami s vybranými typmi žiarenia, Dizertačná práca,TU Zvolen, 2012
In building practice, we often encounter problems of increased moisture in building materials or systems, because the most buildings are exposed to numerous sources of water in different forms. Long-term exposure to moisture in any part of the building structure (roof, walls, foundations...) has the effect of reducing the utility of the building and deterioration of its quality. Microwave heating treatment becomes one of the most effective methods of drying and sterilization of timber products.