Долговечность и консервация древесины

Древесина, независимо от породы, имеет в основном высокую долговечность (интервал времени, в течение которого она сохраняет свои физические и механические свойства), если находится в сухом, проветриваемом помещении с незначительным перепадом температуры и влажности воздуха. На долговечность древесины оказывают большое влияние условия, в которых она находится (табл. 8), а также следующие внешние факторы:

– биологические факторы (паразитирующие грибки, насекомые и микроорганизмы);

– физические факторы (перепады температуры, влажность воздуха, удары);

– химические факторы (концентрированные растворы кислот или спиртов).

Высокую долговечность имеет древесина, изготовленная из ядра дерева со сжатым строением и большой плотностью, древесина хвойных и лиственных деревьев, содержащих дубильные вещества, смолы, эфирные масла, а также древесина, полученная из горных и северных местностей, преимущественно из зимней рубки.

По естественной долговечности древесина делится на три основные группы.

1. Очень долговечная древесина: лиственница, вяз, дуб, тис, кипарис, кедр, белая акация, каштан, орех, эбен, эвкалипт.

2. Среднедолговечная древесина: пихта, сосна, ель, бук, ясень.

3. Недолговечная древесина: береза, явор, липа, ольха, осина, тополь, верба.

Долговечность древесины можно повысить путем сушки, насыщения противогнилостными веществами, насыщения сухой древесины пропитывающими растворами и нанесения покрытия (защитных пленок). Консерванты древесины можно разделить на:

– химические вещества, защищающие древесину от биологических вредителей (столярный дистиллированный ксиламит, парусный ксиламит, интокс S, антокс, импрекс В и W, солтекс R-12 и др.);

– химические огнезащитные и водостойкие вещества (пиролак W-1 и W-10, игносол DX и др.).

Химические вещества, защищающие и консервирующие древесину, токсичны, а также легкогорючи. Это требует особой осторожности при их использовании и хранении.

Таблица 8.

Долговечность древесины, годы

Порода дерева	На свободном воздухе	В неизменно сухих условиях	В неизменно влажных условиях
Сосна
Ель
Пихта
Лиственница
Дуб
Вяз
Ясень
Бук
Клен
Береза
Ольха
Осина
Верба

Почвогрунты

Особое место в ряду материалов интересующих гидрологов занимают почвогрунты. Количественный и качественный состав почвогрунтов влияет, например, на распределение влаги, которое учитывается в мелиорации, при проектировании и строительстве гидротехнических и других сооружений.

Следует различать понятия почва и грунты. Почвой называется самый поверхностный слой земли, возникший в результате изменения горных пород под воздействием живых и мертвых организмов (растительных, животных и микроорганизмов), солнечного тепла и атмосферных осадков. Горные породы, расположенные ниже зоны жизнедеятельности большинства микроорганизмов и растений и не подвергаемые выветриванию, называются грунтами. Между почвой и грунтом нет четкой границы.

Выделяют следующие генетические горизонты в строении почвенного профиля:

А₀ – самая верхняя часть почвенного профиля, представляющая собой опад растений на различных стадиях разложения;

А – гумусовый, мощность которого составляет от нескольких сантиметров до 1,5 м и более;

А₁ – минеральный гумусово-аккумулятивный, содержащий наибольшее количество органического вещества;

А₂ – элювиальный, формирующийся под влиянием кислотного или щелочного разрушения минеральной части;

В – расположенный под элювиальным горизонтам, имеет иллювиальный характер. Этот хорошо отструктуренный горизонт характеризуется накоплением глины, оксидов железа, алюминия и других коллоидных веществ за счет вымывания их из вышележащих горизонтов;

G – глеевый, характерен для почвы с постоянным увлажнением;

С – материнская (почвообразующая) горная порода, из которой сформировалась данная почва, не затронутая специфическими процессами почвообразования;

D – подстилающая горная порода, залегающая ниже материнской (почвообразующей) и отличающаяся от нее своими свойствами.

Какими бы различными ни были горные породы, конечные продукты их разрушения представляют собой различные глины и пески с большим или меньшим содержанием известняка.

Почвогрунты имеют четырехкомпонентный состав: твердая, жидкая, газообразная компоненты и живые организмы.

Твердая компонента

Твердая компонента почвогрунта слагается различными минералами, органическим веществом, органоминеральными соединениями и водой в твердом состоянии.

При изучении минералов наибольшее внимание уделяется их физическим, физико-химическим и механическим свойствам, которые зависят от кристаллической структуры минералов. Исходя из строения и преобладающего типа (ионный, ковалентный, водородный, остаточный (молекулярный)) межатомных связей среди минеральных образований, входящих в состав твердой компоненты грунта, можно выделить пять групп соединений:

1) минералы класса первичных силикатов;

2) простые соли (галоиды, сульфаты, карбонаты);

3) глинистые минералы;

4) органическое вещество и органоминеральные комплексы;

5) лед.

Основным структурным элементом большинства силикатов является кремнекислородный тетраэдр (SiO₄)^4–, в центре которого находится ион Si⁴⁺, а в вершинах – ионы O^2–. Одним из наиболее распространенных минералов среди силикатов является кварц (SiO₂). Структура SiO₂ относится к числу рыхлых (ажурных) структур. Несмотря на это кремнекислородный каркас кварца, благодаря прочным ионно-ковалентным связям, имеет сравнительно высокую механическую прочность, небольшую сжимаемость, несовершенную спайность, низкую растворимость, слабо выветривается. Одним из проявлений влияния особенностей строения силикатов на их свойства служит спайность, т. е. способность минералов раскалываться или расщепляться в строго определенных направлениях. Неоднородность сил связи между атомами в различных направлениях, выражающаяся в спайности, обуславливает анизотропию многих физических и химических свойств силикатов (например, прочность, упругость, электрические свойства).

К группе простых солей относятся галоиды (галит (NaCl), сильвин (KCl)), сульфаты (гипс (CaSO₄×2H₂O), ангидрит (CaSO₄)), карбонаты (кальцит (СаСО₃), доломит (Са, Mg(CO₃)₂), сидерит (FeCO₃)), широко распространенные среди осадочных и несколько меньше среди метаморфических и магматических пород. Их объединяет слабаяустойчивость в воде, обусловленная особенностями строения и преобладанием ионного типа связи в структуре. Поэтому присутствие простых солей в грунтах сильно влияет на их механические свойства (особенно при выщелачивании солей), водопроницаемость, солевой состав порового раствора и т. д.; с развитием простых солей связаны процессы карстообразования в земной коре.

Глинистые минералы – это относительно стабильные минеральные образования группы водных силикатов слоистого и слоисто-ленточного строения, образующиеся преимущественно в процессе химического выветривания горных пород и отличающиеся от других минералов класса силикатов высокой дисперсностью и гидрофильностью, способностью к сорбции и ионному обмену. Высокая дисперсность глинистых минералов является их естественным физическим состоянием. В природных условиях глинистые минералы имеют размер частиц не более 1–10 мкм, и поэтому встречаются в наиболее тонкой (глинистой) фракции осадочных пород, к которой обычно относят частицы размером < 1–2 мкм. Глинистые минералы являются наиболее активной составной частью дисперсных горных пород, в значительной степени обусловливающей их свойства. Поэтому даже небольшое содержание глинистых минералов в горной породе существенно влияет на многие важнейшие ее свойства, такие, как гидрофильность, прочность, водопроницаемость, пластичность, набухание и т. д. Химический состав глин характеризуют обычно содержанием оксидов (в процентах по массе). Главными и обязательными оксидами, составляющими различные глины, являются кремнезем SiO₂ (от 40 до 70%) и глинозем Аl₂О₃ (от 15 до 35%). Постоянными компонентами глин являются также К₂О и Na₂О (вместе 1–15%), химически связанная H₂O (около 5–15%). Резкое возрастание кремнезема обычно обусловливается присутствием песчаной примеси в глинах. С увеличением содержания Аl₂О₃ повышаются пластичность и огнеупорность глин, а с повышением содержания кремнезема пластичность глин снижается, увеличивается пористость. Одной из важнейших особенностей глинистых минералов является широкое развитие у них изоморфизма. В результате изоморфизма идет замещение в структуре одних катионов другими. При этом тип кристаллической структуры минерала остается прежним, а изменяется только его химический состав и физико-механические свойства. Особенно легко замещаются катионы Na⁺, К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, NH₄⁺, и анионы SO₄^2-, Сl^-, PO₄^3-, NO₃^1-. Следует отметить, что тенденцией к ионному обмену обладают практически все минералы, если они переведены в тонкодисперсное состояние, так как на обломанных краях кристалликов заряды некоторых элементов становятся незамещенными. Возникают и неуравновешенные свободные заряды, например при замене А1³⁺ на Si⁴+ или Mg²⁺ на А1³⁺, что также способствует ионному обмену. Замена катиона на другой приводит к изменению свойств глин – пластичности, водопроницаемости, густоплавкости и др.

В составе почвогрунтов довольно часто встречается органическое вещество, представляющее собой остаточные продукты разрушения существовавших некогда организмов. В осадочных породах оно может находиться в форме концентрированных скоплений (торфяники, пласты углей, сланцев) или в рассеянном виде. 90% органического вещества, находящегося в осадочной оболочке Земли, связано с глинистыми породами. Для органического вещества и особенно для наиболее разложившейся (гелифицированной) его части – гумуса – характерны высокая гидрофильность, высокая влагоемкость, высокая пластичность, низкая водопроницаемость, сильная сжимаемость и т. п. Присутствие в породах даже незначительного количества гелифицированного органического вещества может коренным образом изменить их свойства. Например, небольшая примесь гумуса в тонкодисперсных песках придает им плывунные свойства; добавление нескольких процентов гумуса в песок снижает его водопроницаемость в сотни раз. Важной особенностью большинства компонентов органического вещества является их высокая физико-химическая активность по отношению к минеральной составляющей грунтов. Обладая в основном кислотными свойствами, органическое вещество является чрезвычайно активным агентом выветривания, разлагая силикаты и другие минералы.

При отрицательных температурах поровая влага грунтов кристаллизуется и переходит в лед – одна из составных частей твердой компоненты мерзлых грунтов. Кристаллизация льда с переходом молекул воды к более рыхлой (по сравнению с водой) гексагональной упаковке сопровождается понижением плотности образующейся фазы. Поэтому плотность льда в среднем на 9% ниже плотности воды и составляет 0,91 г/см³ (при 0°С). В отличие от всех породообразующих минералов лед относится к числу молекулярных кристаллов, характеризующихся значительно меньшей межмолекулярной связью, чем внутримолекулярной. Поэтому для кристаллов льда характерны ярко выраженные пластические деформации. Лед обладает высокой диэлектрической проницаемостью, которая на 20–30% выше, чем у воды. Благодаря наличию на поверхности кристаллов льда переходного слоя лед–вода (при температурах от 0° С до нескольких десятков градусов) лед проявляет наряду с объемной значительную поверхностную электропроводимость. Роль льда в мерзлых грунтах исключительно велика. Наличие льда в таких грунтах определяет их строение и многие специфические свойства. Являясь цементом минеральных составляющих мерзлых грунтов и придавая структуре грунта повышенную прочность, лед в то же время относится к наиболее термодинамически неустойчивой части твердой компоненты, быстро реагирующей на изменения внешних условий. Поэтому мерзлые грунты должны рассматриваться как наиболее динамичные системы, состояние и свойства которых во многом определяются образованиями льда.

Твердая компонента всех почвогрунтов, за небольшим исключением, состоит из отдельных кристаллов, обломков кристаллов или обломков пород, получивших название структурных элементов. Фракции почв и грунтов классифицируют по диаметру структурных элементов (частиц), мм: гравий 20–2; песок 2–0,25; пыль 0,25–0,1; глина < 0,01 (коллоидная фракция глин 0,001). К глинам относят почвы и грунты, содержащие глинистых частиц более 30%, к суглинкам – 10–30, к супесям – 3–10, к пескам – до 3%. По генетическим типам почвы можно классифицировать на тундровые, подзолистые и дерново-подзолистые, болотные, лесостепные, черноземы, каштановые и бурые сероземы, красноземы и засоленные почвы, а по петрографическим типам – на хрящеватые, песчаные, супесчаные, суглинистые и глинистые.

Жидкая компонента

Атмосферные осадки, конденсат водяных паров, поверхностные и грунтовые воды, соприкасаясь с твердой фазой почвогрунта, образуют почвенный электролит – жидкую компоненту. Вода может быть связана с капиллярно-пористым скелетом почвы и грунта с помощью химической, физико-химической или физико-механической связи. По характеру этой связи воду в почвогрунтах можно подразделить на две категории: связанную и свободную (табл. 9).

Таблица 9.

Классификация жидкой компоненты в грунтах

Категория воды	Вид воды	Разновидность воды
Связанная	прочносвязанная	адсорбированная	вода островной адсорбции
вода полислойной адсорбции
слабосвязанная	капиллярная	капиллярно-разобщенная
подвешенная
собственно-капллярная
осмотическая
Свободная	иммобилизованная
гравитационная	просачивающаяся
грунтовых потоков

Химическая связь характеризуется присутствием компонентов в строго определенном молекулярном соотношении. Физико-химическая связь возникает в виде адсорбционной связи (адсорбция – поглощение твердой фазой газов и паров из окружающего воздуха). Физико-механическая связь – это удержание влаги почвой в неопределенных соотношениях. К этому виду связи относятся структурные связи – капиллярная и связь смачивания, прилипание воды при непосредственном соприкосновении с поверхностью капиллярно-пористого тела.

Вода, поступившая в почву, задерживается в ней в силу влагоемкости, а в дальнейшем расходуется за счет испарения физического – самой почвой и транспирационного – в процессе жизнедеятельности растений. Воду потребляют и испаряют также другие представители живого мира, населяющие почвогрунты. Испарение воды из почвы зависит от климата, погоды, от свойств почвы (капиллярной проводимости и адсорбционной способности), ее смачиваемости, а так же существенное влияние оказывают характер ее поверхности, цвет, воздухопроницаемость, теплопроводность, теплоемкость, наличие растворимых солей и даже рельеф местности.

Количество и характер распространения воды необходимо учитывать при использовании подземных металлических конструкций, так как влажность оказывает большое влияние на коррозионную активность почвы и грунта. В воздухопроницаемых почвах и грунтах скорость коррозии стали, особенно начальная, максимальна при содержании влаги 30–50 % их влагоемкости. Это происходит вследствие быстрой диффузии кислорода в ненасыщенных водой пористых почвах и грунтах. Экспериментально установлено, что при увеличении влажности песка от 0 до 20 % скорость диффузии кислорода уменьшается в 10⁴ раз. В почвах, содержащих большее количество воды, скорость диффузии кислорода снижается. В глинисто-песчаных грунтах наивысшая скорость коррозии стали наблюдается при влажности 25–35 %, а при влажности 10 и 50 % коррозия сравнительно невелика. Для различных типов глин критическая влажность составляет 12–35 %, а для песков – 14–21 %. При этом скорость коррозии до критической влажности изменяется для глин в 10 раз, а для песка – в 3 раза.

Газовая компонента

Газовая компонента, содержащаяся в порах и трещинах грунтов, во многом определяет их свойства. Особенно большое значение она имеет для грунтов, залегающих в зоне аэрации. Почвенно-грунтовый воздух отличается от атмосферного качественным и количественным содержанием газов (табл. 10)

Таблица 10.

Примерное содержание газов в воздухе, % по объему

Воздух	CO2	O2	N2
Атмосферный	0,03
Почвенно-грунтовый	0,1–15	10–20	78–80

Скорость проникновения воздуха или газа в почвенную толщу называется воздухопроницаемостью.

Главными факторами газообмена между почвой и атмосферой является диффузия газов, изменение температуры почвы в течение суток, изменение барометрического давления, вытеснение воздуха из почвы при выпадении осадков, а также ветер. Днем почва нагревается, воздух в ней расширяется, и часть его вытесняется в атмосферу, ночью же при охлаждении воздух в почве сжимается, и часть воздуха захватывается из атмосферы почвой.

Живая компонента

Организмы, живущие в почвах и горных породах, составляют живую компоненту грунтов, которая состоит из макро- и микроорганизмов. Влияние макроорганизмов на горные компоненты несравнимо меньше, чем микроорганизмов. В состав микроорганизмов входят бактерии, грибы, водоросли, дрожжи, вирусы, простейшие животные, состоящие из мелких физиологически устойчивых амеб, жгутиконосцев, инфузорий и называемые «протозойной фауной». Микроорганизмы, обитающие в почвогрунтах, могут вызвать разрушение минералов, но они способны и к минералообразованию. Механическая прочность грунтов может уменьшиться за счет выделения микроорганизмами поверхностно-активных веществ. Микроорганизмы могут изменять пористость грунтов, повышая ее при разрушении минералов до 15 %. Способность микроорганизмов заполнять поры пород своей клеточной массой и продуктами жизнедеятельности, в результате повышается связанность пород и уменьшается их водопроницаемость, находит уже практическое применение при эксплуатации нефтяных скважин.