Стойкость древесины в контакте с землёй

Естественная биологическая стойкость древесины в контакте с землёй

Авторы G.A.Smith, R.J.Orsler

Издано как Лабораторный отчёт Исследовательского центра в строительстве (Building Research Establishment) Великобритании в 1996 году.

Влажная древесина подвержена грибковому гниению – в случае намокания от контакта с землёй, от осадков или от конденсации влаги. Разные породы древесины (разные виды деревьев) обладают различной сопротивляемостью к атакам грибков. В Великобритании стойкость к грибковому гниению обычно называется естественной стойкостью, хотя также признаётся, что древесина может обладать естественной стойкостью и к воздействию других организмов, например, насекомых или морских моллюсков-точильщиков. Кроме того, древесина обладает естественной стойкостью и по отношению к неблагоприятным физико-химическим процессам (например, выветривание или воздействие агрессивных химических веществ). Для того, чтобы исключить эффекты от подобных процессов, обычно говорят о естественной биологической стойкости, что представляется более точным термином. Тем не менее, в данном отчёте под естественной биологической стойкостью подразумевается только сопротивляемость по отношению к древесным грибкам при контакте древесины с землёй.

Исследования проводились не в лаборатории, а в полевых условиях, где на природных полигонах испытываемые образцы разных пород деревьев подвергались длительному контакту с землёй в виде наполовину закопанных брусков. Исходно данный метод испытаний был описан в работе Purslow D.F. Results of field tests on the natural durability of timber (1932-1975), Building Research Establishment Current Paper CP 6/76, Garston, BRE, 1976. Набор брусков из определённой породы древесины (все – только ядровая древесина или только заболонь), обычно числом 10, каждый размером 61 х 5 х 5 см, закапывались вертикально в землю на глубину 38 см в ряд с расстоянием около 40 см между брусками. С интервалом 6 или 12 месяцев по каждому бруску наносился удар деревянной колотушкой и фиксировалось время, проведённое бруском в земле до того, как он сломался от удара. Данное время принималось за срок стойкости бруска данной породы. Полигоны BRE расположены в двух местах: Princes Risborough в южном Бакингэмшире со средним суглинком поверх известняков, кислотность 7,2 pH, высота 105 м над уровнем моря, в сельской местности; и Thetford Forest в Норфолке, песчаная почва поверх известняков, кислотность 6,8 pH, высота 30 м над уровнем моря, на полянах в хвойном лесу.

Европейский Союз принял стандарт по определению естественной биологической стойкости EN 350-1, который, в свою очередь, ссылается на метод тестирования, утверждённый стандартом EN 252, принятым в 1989. Наиболее существенным отличием от принятой нами методики является использование брусков меньшего размера – 50 х 5 х 2,5 см, а также визуальная оценка состояния бруска после удара колотушки, сопровождаемая извлечением его из земли. Использованная в данном исследовании методика была принята раньше, чем упомянутые стандарты Евросоюза. Стойкость определялась как среднее время жизни как минимум двух наборов брусьев (обычно один с одного полигона и другой – с другого), т.е. все двадцать брусьев должны были сломаться, прежде чем рассчитывалась средняя стойкость. В тех же случаях, когда среди брусьев некоторые вовсе не ломались, обычно удавалось применить метод приблизительного расчёта, описанный ниже. По своей стойкости древесина распределялась по пяти классам: 1-й класс – очень стойкая (больше 20 лет), 2-й – стойкая (12-20 лет), 3-й – умеренно стойкая (8-12 лет), 4-й – нестойкая (4-8 лет), 5-й – скоропортящаяся (менее 4 лет). Стандарт Евросоюза предлагает новый принцип классификации, а именно, использование 2-х контрольных пород, сосны европейской (Pinus sylvestris) и бука (Fagus sylvatica), и определение естественной биологической стойкости как отношение среднего времени жизни образцов тестируемой породы к среднему времени жизни образцов наиболее стойкой в данных условиях теста контрольной породы (т.е. сосны или бука). Тем не менее, определяемые таким образом классы стойкости примерно соответствуют британским (название 4-го класса заменяется на «слабостойкое», а 5-го – на «нестойкое»). При этом породы 1-го класса стойкости превосходят по сроку жизни контроль (сосна или бук) более, чем в 4 раза, 2-го класса – в 3-4 раза, 3-го – в 2-3 раза, 2-го – в 1-2 раза, а 1-го – уступают им. Так как для тестов по евростандарту используются вдвое более тонки бруски, то в равных условиях можно ожидать и вдвое меньшей продолжительности их службы до разрушения, при сохранении сравнительной стойкости пород по отношению друг к другу.

Среднее арифметическое от всех результатов испытаний (брусков на прочность) не всегда является оптимальным показателем, так как в нём не отражается разброс показателей или случаи раннего разрушения. Данные не всегда располагаются вокруг среднего значения более-менее симметрично (в соответствии с нормальным распределением). Медиана вычисляется как величина (в данном случае срок жизни), для которой 50% результатов испытаний располагаются выше (больше её), и 50% — ниже (меньше её). В случае, если один или несколько результатов сильно удалены от основной группы, это гораздо меньше влияет на медиану, чем на среднее арифметическое. Кроме того, уже медиану возможно вычислить, если разрушилась хотя бы половина использованных в тесте образцов. Однако и медиана, как и среднее, не даёт представления о разбросе результатов теста. Представить себе такой разброс можно из сравнения медианы с нижним квартилем. Нижний квартиль – это величина, для которого 25% результатов испытаний расположены ниже, а 75% – выше. Если в испытании принимало большое количество образцов (60-100), то становится возможным посчитать также такой показатель, как «нижние 10%» (нижний процентиль). В обычной серии из 20 образцов в него попадают всего два результата, что не может считаться статистически достоверным.

Сравнение различных оценок можно провести на примере лиственницы. Среднее арифметическое время жизни 20 образцов составляет 10,2 года (суммарное время жизни 20 образцов, делённое на 20), медиана – 7,1 года (среднее между временем жизни 10-го и 11-го образца). Нижний квартиль составит среднее между временем жизни 5-го и 6-го образца и равен 6,6 года. Такое превышение среднего над медианой и близость медианы к нижнему квартилю говорит о большом разбросе образцов по времени жизни (и, следовательно, о возможности какой-то сортировки лиственницы на «более» и «менее» стойкую) — 1-й образец сломался через 3,6 года, 17-й через 15,4 года, а 3 самых стойких из 20 образцов продержались 21,7 лет!

В случае особо стойких пород только некоторые образцы (или даже ни одного) ломались в ходе испытаний. Если более половины образцов были сломаны за время испытаний, то медиана может быть вычислена, если менее – то она может быть рассчитана линейным приближением. Следует иметь в виду, что в таких случаях медиана носит оценочный характер. Кроме того, все такие породы оказываются в классе «очень стойких» — 1-й класс стойкости.

Хотя по стандартам Евросоюза для классификации по классам стойкости берётся среднее арифметическое время жизни образца, в данной работе для этого используются медианные значения, как менее подверженные случайным факторам при небольшом числе испытаний. Кроме того, для особо чувствительных случаев применения древесины следует уделять повышенное внимание такому показателю, как нижний квартиль. Случаи, когда в зависимости от метода (среднее, или медиана, или нижний квартиль) породы могут быть отнесены к разным классам, сведены в отдельные таблицы, они немногочисленны.
Некоторые результаты

Стойкость древесины в контакте с землей
Порода  Среднее   Медиана   Нижний квартиль
 Лиственница европейская 12 10,9 8,1
 Сосна европейская 9,4 9 5,1
 Ель обыкновенная 7,4 6,5 4,5
Западный красный кедр 19,6 18,5 14,9
 Ольха 3,9 3,8 3
 Ако 2,1 2,2 1,9
 Ясень 4,4 4 3,5
 Бук 4,3 3,6 3
 Берёза европейская 3,5 3,6 3
 Цедрелла 18,5 21 14,2
 Вяз 5,2 4,5 3,6
 Фрамире 16,7 18,1 9,6
 Ироко 29,2 32,3 18,1
 Кемпас 21,3 21,8 14
 Керуинг 12,3 11,1 9,1
 Липа 3,3 3 2,1
 Макоре (3 из 20 сломалось) 37
 Дуб черешчатый 26,8 26,2 15,6
 Абаши 6,3 6,4 4,5
 Денья (7 из 20 сломалось) 65 53,8
 Билинга 30,6 29,1 25,2
 Падук 36,3 32,3 23
 Тик (Бирма) (3 из 20 сломалось) 50
 Сипо 20,7 19,9 16,3
 Орех европейский 12,2 15,8 7,1
 Секвойя 15 16 7,1