официальный сайт

Научно-технического совета  и секции «Деревянные конструкции»

Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН) и

Российского научно-технического общества строителей (РосНТО Строителей)

 

Главная Конструкции Производство Контроль качества Защита конструкций Исследования Экспл. надежность Документы Экономика и право Работа НТС и секции Люди и их дела Контакты

 

 

Раздел 6. Эксплуатационная надежность.

 

Оценка влажностного состояния клееных деревянных конструкций при их мониторинге

 Ломакин А.Д., канд.техн.наук  ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко

 

В процессе эксплуатации клееные деревянные конструкции часто находятся в нестабильном влажностном состоянии, что связано с изменением температурно-влажностных параметров окружающей среды.

Имея объективные данные о изменении влажности клееных конструкций, можно с определенной степенью вероятности судить о том, насколько опасны для них данные условия эксплуатации с точки зрения возможности нарушения целостности клеевых соединений или насколько эффективны меры по защите конструкций от переменных влажностных воздействий.

Для оценки влажностного состояния клееных деревянных конструкций массивного сечения могут быть использованы две принципиально разные методики, одна из которых основана на определении влажности древесины прямым (весовым) методом, а другая – косвенным (кондуктометрическим) с использованием влагомеров с двух- или трехэлектродными датчиками.

Достаточно объективные данные о распределении влажности по сечению элемента конструкции можно получить с помощью методики, которая предусматривает послойный отбор проб древесины перовым сверлом [ 1 ]. Эта методика предполагает определение влажности весовым методом по ГОСТ 16588-91, который является одним из наиболее точных и надежных [ 2 ].

Несмотря на относительную простоту, эта методика имеет некоторые недостатки, ограничивающие область ее применения. К их числу следует отнести неизбежное повреждение элементов конструкций, поскольку пробы отбирают сверлом достаточно большого диаметра (20-25 мм), что обусловлено необходимостью получения навески достаточной массы (не менее 2-3 г). Недостатком методики является также то, что при мониторинге, который предполагает получение данных о влажности с определенной периодичностью в течение довольно длительного периода (2-3 года и более), очередной отбор проб производят в одном и том же элементе конструкции, но на некотором расстоянии от места, где производился предыдущий отбор проб.

Это, во-первых, вносит в измерения некоторую погрешность, связанную с неоднородностью строения древесины, а, во-вторых, ведет к еще большему ослаблению сечения исследуемого элемента конструкции и потере его внешнего вида.

Известно, что даже при идеально точном измерении массы воды в образце результаты будут иметь погрешность, обусловленную нестабильностью плотности образцов. По данным [3], плотность древесины может колебаться не только по длине ствола, но и в радиальном направлении, уменьшаясь, как правило, от периферии к сердцевине. Кроме того, при отборе проб сверло может попасть на более плотную присучковую зону, которая в многослойном пакете визуально не обнаруживается.

Влажность  W является функцией от двух переменных – массы воды Mв  и массы абсолютно сухой древесины , где  - плотность древесины в абсолютно сухом состоянии. Поскольку влажность древесины находится выражением:

,

то при постоянстве массы воды  в  образцах различной плотности их влажность будет различной и зависеть от отклонения плотности образца ρо    относительно среднего значения .

Данные о изменении влажности древесины конструкций в процессе эксплуатации можно получить также, используя методику, предусматривающую выпиливание из элемента секций с последующей разделкой их в лаборатории выкалываемым на образцы-пробы для определения влажности весовым методом. Эта методика, в отличие от вышеописанной,  позволяет получать необходимые данные  о распределении  влажности по всему полю поперечного сечения, причем с высокой точностью, однако она связана с необходимостью нарушения целостности элемента. Такая методика может быть использована при обследованиях конструкций, в которых допускается изъятие и замена слабонагруженного или второстепенного элемента  без ущерба для несущей способности всей конструкции. При мониторинге она может быть применена только в случае использования достаточного количества специально изготовленных модельных образцов, которые по мере необходимости доставляют в лабораторию для последующей разделки на образцы-пробы и определения влажности весовым методом [ 4 ].

Обе методики весьма трудоемки и продолжительны по времени, вследствие чего результаты измерений удается получить с большим запозданием. Тем не менее, методика, основанная на определении влажности весовым методом, является иногда единственной и наиболее надежной при мониторинге влажностного состояния конструкций, эксплуатируемых в условиях,  где косвенные методы оказываются неприемлемыми (например, конструкций, контактирующих с грунтом и водой), а также конструкций, древесина которых изменила свои физико-механические свойства в результате атмосферных, химических и биологических воздействий.

Анализ известных методик оценки влажности эксплуатируемых конструкций показывает, что для мониторинга наиболее пригоден кондуктометрический метод, основанный на зависимости между электропроводностью древесины и ее влажностью.

Дискретность измерения, т.е. определение влажности только в месте контакта древесины с датчиком, которую в некоторых случаях относят к недостаткам кондуктометрического метода (например, при необходимости определения интегральной влажности пиломатериалов после сушки), в рассматриваемом нами случае, является преимуществом по сравнению с другими косвенными методами, в частности, с диэлькометрическими.

В ЦНИИСК им.Кучеренко ФГУП НИЦ «СТРОИТЕЛЬСТВО» разработана методика, позволяющая следить за изменением влажности древесины конструкций в процессе эксплуатации. В качестве регистрирующего прибора использован отечественный влагомер ВПК-12 по ТУ 13-0273675-39-92 с цифровой индикацией и точностью отсчета 0,1 % (приборная погрешность в интервале 6-12 % составляет + 0,4 %, а в интервале 12-30 % - + 0,6 %).

Суть методики заключается в периодическом измерении влажности древесины на различной глубине по сечению исследуемого элемента конструкции с использованием вместо штатного датчика специальных датчиков с электродами различной длины, которые устанавливаются в заранее просверленные отверстия (каналы).

Использование этой методики предполагает обязательное выполнение следующих условий:

- надежная изоляция нерабочей части электродов;

- герметизация каналов, позволяющая полностью исключить проникание в зазоры между стенками каналов и электродами капельно-жидкой и парообразной влаги;

- обеспечение плотного контакта рабочей части электродов с древесиной

Электроды представляют собой стальные стержни диаметром 1,7 мм, у которых рабочая часть выполнена в виде иглы. Длина электродов выбирается в зависимости от того, на какой глубине по сечению предполагается проводить измерения. Учитывая, что ширина сечения клееных элементов конструкций не превышает, как правило, 160 мм, длина электродов принимается от 60 до 100 мм (электроды максимальной длины используют для измерения влажности в центре сечения элемента).

Электроды по всей длине, за исключением рабочей части длиной 10мм, снабжены изоляцией (рис. 1, а). Измерения производятся с использованием датчиков из трех электродов, устанавливаемых  вдоль волокон древесины на расстоянии 10 мм друг от друга (рис.1, б).

Для того, чтобы получить характер распределения влажности по сечению элемента, используют 4-5 датчиков, которые устанавливают на различной глубине до середины сечения в каналы  диаметром 3 мм (рис. 1,б).   Все датчики соединены с переключателем,  снабженным разъемом для подключения к влагомеру.  Принципиальная электрическая схема подключения датчиков к влагомеру и примерная схема размещения  их по длине элемента показаны на рис.2.

Для обеспечения фиксированного расстояния между электродами сверление каналов в древесине производят с использованием кондуктора, который крепят к элементу саморезами.

Герметизацию каналов производят не после, а до установки электродов. В качестве герметизирущего материала используют полиэтиленовый воск, который вводят в каналы в твердом виде в форме стержней с последующим уплотнением так, чтобы они заполнили каналы на ¾ длины. Чтобы облегчить прохождение каналов электродами, рабочие части их предварительно нагревают. По мере внедрения электродов в каналы излишки воска выдавливаются на поверхность и их удаляют.

После этого электроды забивают в древесину на длину рабочей части (10мм) и снимают показания  прибора (рис.3).  

Предлагаемый способ герметизации каналов позволяет обеспечить надежную изоляцию зазоров при установке датчиков в любом направлении поперечного сечения, в том числе, при введении электродов снизу. Попытки использовать для этих целей другие материалы (клеи, лаки, герметики и мастики) в процессе разработки методики положи- тельного результата не дали. Низковязкие составы частично впитывались в древесину и вытекали из каналов, а пластичные – ввести в каналы столь малого диаметра (3 мм) оказалось технически невозможно.

Поскольку на показания прибора могут оказывать влияние пороки строения (сучки, наклон волокон, свилеватость, биологические повреждения и др.), для установки датчиков выбирают участки, в которых они отсутствуют. Хотя, следует заметить, что это удается не всегда, т.к. определить наличие пороков внутри слоя клееного элемента, на поверхность которого выходит только его кромка, визуально невозможно. Избегать следует также усушечных трещин и нарушений целостности клеевых соединений, которые также в определенной степени могут исказить картину влажностного поля исследуемого элемента.

При мониторинге  иногда по тем или иным причинам не всегда  есть возможность установить датчики влажности непосредственно в элементы конструкций. В таких случаях для оценки их влажностного состояния  предлагается использовать специально изготовленные модельные образцы, имитирующие реальные элементы конструкций. При этом должны быть соблюдены основные требования, касающиеся ширины сечения элементов, толщины слоев, породы древесины, марки клея и вида защитной обработки, т.е.тех составляющих, которые тем или иным образом могут влиять на влажностное состояние конструкций, за которыми ведется наблюдение. Поскольку длина образцов ограничена, чтобы исключить влияние торцевого эффекта, торцы должны быть хорошо влагоизолированы, например, эпоксидной шпатлевкой ЭП-0010.

Перед помещением образцов для экспонирования снимают начальные показания влажности (рис.4).

Образцы устанавливают в нескольких зонах, отличающихся температурно-влажностными условиями эксплуатации, и, в первую очередь, там, где можно ожидать появления в клееных элементах усушечных трещин и расслоений.

Метод закладки образцов имеет определенные преимущества. Во-первых, установка датчиков производится не в полигонных условиях, а в лаборатории, что гарантирует высокое качество работ. При этом  при изготовлении образцов имеется возможность подобрать древесину определенной породы и плотности без пороков строения, которые могут влиять на показания прибора. Во-вторых, закладка образцов может производится практически в любом доступном месте, что позволяет получать данные о влажностном состоянии древесины конструкций в различных зонах помещения. В-третьих, при необходимости образцы  могут быть изъяты в любой момент, а сами замеры проведены в помещении, что намного удобнее, чем в зоне их размещения.

Впервые этот метод был применен при мониторинге несущих конструкций покрытия Крытого конькобежного центра в Крылатском.

Образцы были установлены на верхние пояса клееных деревянных ферм в различных зонах помещения (рис.5).

Метод модельных образцов может быть с успехом использован при мониторинге открытых сооружений, которые в зимний период эксплуатируются при отрицательных температурах, что является препятствием к измерению влажности непосредственно в конструкциях (кондуктометрические влагомеры рассчитаны на работу при температуре выше 0°С). Образцы же позволяют получать необходимые данные и в зимний период, поскольку для снятия показаний они могут быть перенесены в отапливаемое помещение. Для определения времени, необходимого  для приобретения образцами комнатной температуры, в центре образцов устанавливают термопары (см. рис.4). Чтобы исключить возможное изменение влажности образцов в этот  период, их помещают в полиэтиленовые  пакеты.

Необходимость в получении данных о распределении влажности по сечению  элементов конструкций возникает не только при их мониторинге, но и при проведении разовых обследований зданий и сооружений с неблагоприятным температурно-влажностным режимом.

Применяемая при этом методика измерений имеет некоторые особенности. Для измерений используется всего один датчик с электродами, длина которых позволяет получать данные в центре сечения. Каждый электрод снабжен делениями, нанесенными на изоляцию, по которым определяют глубину их установки. При этом каналы не герметизируют.

Порядок выполнения операций по измерению влажности поясним на примере с элементом толщиной 140 мм

1. Задаются количеством точек измерения и размещением их по глубине сечения, считая от поверхности – 5; 20; 35; 50 и 70 мм.

2. Участок поверхности, где будут проводится измерения, очищают от защитных покрытий и различного рода загрязнений.

3. На элементе конструкции закрепляют шаблон с отверстиями для сверления каналов и установки электродов.  

4. В отверстия шаблона вставляют электроды датчика, внедряют их на длину рабочей части и снимают первые показания  прибора. При  этом влагомер показывает интегральное значение влажности наружного слоя толщиной 10 мм.

5. Электроды извлекают из древесины и  сверлят каналы на глубину 15 мм. Затем в каналы вставляют электроды, концы которых внедряют в древесину на 10 мм, и снова  делают отсчет по шкале прибора. При этом прибор показывает интегральное значение  влажности слоя древесины толщиной 10мм, находящегося на глубине 20 мм от поверхности.

     В такой же последовательности выполняют операции по измерению влажности на глубине 35; 50 и 70 мм, производя дальнейшее сверление каналов соответственно на глубину 30; 45 и 65 мм.    

  Эту методику использовали для оценки эффективности различных защитных покрытий на клееных деревянных элементах, эксплуатируемых на открытом воздухе. В качестве примера на рис.6 представлены результаты  измерений послойной влажности древесины в двух клееных элементах, которые в течение трех лет подвергались атмосферным воздействиям. Один элемент был покрыт двумя слоями уретано-алкидного лака EXTRA LAK  фирмы VIVACOLOR c общим расходом 76 г/м², а второй – без защитной обработки. Помимо замеров с помощью ВПК-12 для сравнения был произведен послойный отбор проб для определения влажности древесины весовым методом. Измерения провели 17 января 2007 г. после длительного периода , характеризующегося положительной температурой и повышенной относительной влажностью воздуха. Полученные данные свидетельствуют, что сходимость результатов измерений, полученных различными методами, достаточно высока, поэтому предложенная методика вполне приемлема для использования в практических целях, в частности, для оценки влажностного состояния  конструкций при их мониторинге и плановых обследованиях .                                                       

  Предложенный метод оценки влажностного состояния клееных деревянных конструкций в процессе эксплуатации позволяет:

·       измерять влажность древесины в любое время и в любой точке по сечению исследуемого элемента конструкции

·       получать данные измерений сразу после установки датчиков

·       устанавливать датчики при любом размещении каналов по сечению элемента

·      проводить измерения влажности древесины конструкций наэксплуатируемых объектах с минимальными затратами труда и времени

  

 

По материалам журнала "Деревообрабатывающая промышленность" № 1 за 2008 г.

 

Цитировать изложенный на сайте материал допускается только с разрешения авторов и при наличии ссылки на первоисточник.
Отправить сообщение для: lmk3@rambler.ru c вопросами и замечаниями об этом веб-узле.
Дата изменения: 13.01.2009.