автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Оценка технического качества древесины сосны, поврежденной пожаром

На правах рукописи

Макаров Андрей Васильевич

Оценка технического качества древесины сосны, повреждепной

пожаром

Специальность 05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

005541487

Воронеж-2013

005541487

Работа выполнена на кафедре древесиноведения Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Платонов Алексей Дмитриевич

Официальные оппоненты: Петровский Владислав Сергеевич,

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор кафедры автоматизации производственных процессов ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Горбачева Галина Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры древесиноведения ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Костромской государственный

технологический университет

Защита диссертации состоится 20 декабря 2013 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 при ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ауд. 146.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Автореферат разослан «19» ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Д. Платонов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Лесные пожары наносят огромный вред состоянию естественных лесных экосистем. В России ежегодно регистрируется от 10 до 35 тыс. лесных пожаров, повреждающих около 0,5-2,5 млн. га общей площади лесов РФ.

Изучение последствий лесных пожаров привлекает внимание исследователей различного профиля: лесоводов, ботаников, зоологов, почвоведов и др. Но одним из немаловажных вопросов является изучение хозяйственного урона при огневом поражении леса, древостоев и древесины.

Воздействие пожара на сырую древесину - это нагрев высокой температурой, что вызывает, прежде всего, термогидролитическую деструкцию древесного комплекса и, как следствие, изменение химического состава, структурные изменения древесины и снижение её физико-механических свойств.

Анализ литературных источников показал, что послепожаровое состояние древостоев и качество древесины исследованы для свежих и сырых типов леса северной Европейской части России.

Горельники Воронежской области, и, в частности, горельник УОЛ ВГЛТА, расположены в сухих борах лесостепной зоны Европейской части РФ, в более теплой климатической зоне, где древесина быстрее поражается грибами и насекомыми и теряет свои товарное качество. В этих горельниках необходимо проводить исследование технического качества древесины на основе мониторинга. Что позволит определить момент начала деструкции древесины древостоев, оставшихся на корню, и дать рекомендации по срокам их рубки для сохранения деловых качеств.

Решение данной задачи является актуальным направлением в вопросе рационального использования древесины, поврежденной огнем.

Исследования выполнены на древесине сосны, как основной породы Центрально-Черноземного региона и в рамках государственной бюджетной темы «Влияние тепла, влаги и условий хранения на физико-механические свойства натуральной и топляковой древесины», № 01.2.00105361.

Цель работы. Установить характер изменения структуры и физико-механических свойств древесины сосны после повреждения различными видами пожара на основе данных мониторинга для установления начала деструкции древесины.

Задачи исследований:

- установить распределение влаги в дереве по сечению и высоте ствола, в зависимости от вида пожара;

- установить закономерности влияния вида лесного пожара на изменение в микроструктуре древесины сосны;

- установить закономерности влияния пожара на некоторые физико-механические свойства древесины сосны;

- установить сроки возможного использования древесины сосны поврежденной пожаром.

- установить закономерности влияния вида лесного пожара на товарность древостоев сосны в сухих борах лесостепной зоны.

Объекты исследований. Объектом исследований являлась древесина древостоев сосны, поврежденная различными видами пожаров в сухих борах лесостепной зоны.

Предмет исследований. Предметом исследований является микроструктура и некоторые физико-механические свойства древесины сосны.

Методы исследований. Теоретические и экспериментальные исследования основывались на методах статистического анализа, сравнения и структурного анализа древесины и численными оценками параметров объекта исследования.

В основу экспериментальных исследований положен мониторинг состояния древесины, выполненный в лабораторных и полевых условиях.

Научная новизна:

- Установлен характер распределения влаги в дереве по сечению и высоте ствола, отличающийся учетом вида пожара;

- Установлен механизм изменения микроструктуры древесины сосны, поврежденной пожаром, отличающийся учетом воздействия высокой температуры на анатомические элементы и смолообразующий аппарат;

Установлены закономерности изменения некоторых физико-механических свойств древесины сосны на основе данных мониторинга, отличающиеся учетом воздействия вида лесного пожара и деструктивных процессов в древесине;

- Установлены сроки возможного использования поврежденной древесины сосны, отличающиеся учетом вида лесного пожара, изменения качественных показателей по высоте ствола и продолжительности нахождения древесины на корню.

- Установлены закономерности изменения товарности древостоев сосны, поврежденных пожаром, отличающиеся учетом вида пожара и климатических условий.

Значение для теории. Установлены: зависимости изменения состояния древостоев сосны в сухих борах лесостепной зоны после различных видов лесных пожаров; влияния высокой температуры на изменение микростроения древесины сосны; зависимости влияния вида пожара на характер распределения влаги по сечению и высоте ствола; влияние вида пожара на некоторые физико-механические свойства древесины сосны в зависимости от продолжительности нахождения её на корню.

Значение для практики заключается в обосновании сроков заготовки древесины сосны поврежденной пожаром в сухих борах лесостепной зоны для сохранения её товарного качества, на основании данных мониторинга.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Установленный характер распределения влаги по сечению и высоте ствола сосны, поврежденной пожаром, позволяющий обосновать вид деструкции древесного комплекса.

2. Установленные закономерности изменения микроструктуры древесины сосны, поврежденной пожаром, позволяющие обосновать механизм её засмоле-ния, с учетом характера воздействия высокой температуры.

3. Установленные закономерности изменения некоторых физико-механических показателей древесины сосны, позволяющие определять её качество с учетом воздействия вида лесного пожара и деструктивных процессов в древесине.

4. Установленные сроки возможного использования поврежденной древесины сосны, позволяющие сохранять техническое качество её в зависимости от продолжительности нахождения древостоя на корню.

5. Установленные закономерности воздействия лесных пожаров на древостой сосны, позволяющие определять их товарность с учетом вида пожара и климатических условий.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивают: большой объемом выполненных экспериментальных исследований, обеспечиваюший хорошее совпадение результатов экспериментальных полевых и лабораторных испытаний с теоретическими исследованиями, полученными при их статистической обработке; позитивными результаты производственной аппробации.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Основные^ результаты диссертационной работы соответствуют п. 1 «Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий)» паспорта специальности 05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались автором на: ежегодных семинарах и научно-практических конференциях «ВГЛТА» (2010-2012); XII Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса. Лес - 2011» (Брянск, 1 июня 2011 г.); Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию кафедры МТД Костром, госуд. технолог, ун-та (9-12 октября 2012 г.); Региональном Координационном совете по современным проблемам древесиноведения при МГУЛ г. Москва (1-3 октября 2011, г. С-Петербург; 9-12 октября 2012, г. Кострома).

Реализация работы. Основные результаты работы внедрены в: Учебно-опытный лесхоз ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» г. Воронеж, Управление Лесного хозяйства Воронежской области г. Воронеж.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано десять научных статей, в том числе три в изданиях, рекомендованных ВАК для кандидатских диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация включает: введение, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка из использованных источников. Общий объем работы - 146 е., включая 69 рисунков, 5 таблиц, библиографического списка из 139 источников и 3 приложений.

Содержание диссертационной работы

Во введении сформулирована актуальность, цель и задачи и исследования, приведено краткое содержание работы и обозначены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор и выполнен анализ работ по проблеме оценки последствий пожаров на лесные экосистемы, качество древесины и товарность древостоев.

Проблеме воздействия пожаров на: товарность древостоев; классификации видов (групп) горельников и изменений происходящих в них вследствие поражения грибами и насекомыми; изменение анатомического строения и физико-механические свойства и качества древесины; изменение химических свойств и прочности древесины при термопревращениях посвящены ряд научных работ: С.М. Вонского, И.С. Мелехова, Ю.Л. Демакова, К.К. Калинина, В.В. Докучаева, В.Н. Старка, A.A. Молчанова, B.C. Петровского, А.П. Курбатова, В. Е. Москалевой, А. А. Яценко-Хмелевского, К. Эссау, Е. С. Чавчавадзе, К.Ф. Дьяконова, Т.К. Курьяновой, Н. Орлова, Б. Н. Уголева, A.A., Н.Ф. Гамалея, A.A. Леонови-ча, Б.С. Чудинова Г.А. Горбачевой, Н. Н. Никитина и др.

Анализ состояния вопроса позволил установить, что исследования по воздействию пожара на древесину выполнены в основном для свежих сырых лесов севера Европейской части России. Влияние пожаров на товарные качества древесины сухих боров лесостепной зоны Европейской части РФ изучены недостаточно. Поэтому представляется целесообразным установить воздействие пожара на качественные показатели древесины этой зоны

На основании анализа литературных источников была определена цель работы и сформулированы задачи исследований.

Во второй главе рассмотрены теоретические предпосылки к исследуемому вопросу.

В литературных источниках воздействие пожара на древесину, её микроструктуру и физико-механические свойства изучено недостаточно.

Сосна является основной породой на территории Учебно-опытного лесхоза (УОЛ) ВГЛТА. Поэтому исследования были выполнены именно на этой порола

Под действием различных внешних воздействий, а также высокой температуры происходит изменение микроструктуры древесины сосны: разрушение менее прочных анатомических элементов ранних трахеид, паренхимных клеток сердцевинных лучей и смоляных ходов, окаймленных пор в стенках трахеид, что приводит к беспрепятственному стеканию смолы и сильному засмолению древесины. Вместе с тем хорошо развитый смолообразующий аппарат, обеспечивает интенсивное образование смолы. Предположительно, воздействие пожара будет оказывать аналогичные изменения в структуре древесины.

На основании литературных источников установлено, что при высокой температуре и, особенно, при наличии влаги происходит гидролитическая деструкция древесного комплекса. Вероятно, при пожаре в древесине будут происходить так же процессы изменения химического состава древесного комплекса

вследствие воздействия повышенной температуры и высокой степени влажности в растущем дереве.

В третьей главе изложена методика проведения мониторинга, экспериментальных исследований, используемое оборудование, приборы и инструмент.

Реализация методики экспериментальных исследований позволила: получить новые сведения об изменении количественных и качественных характеристик физико-механических свойств древесины в результате воздействия высокой температуры при пожаре и последующем их изменении в различных условиях, тем самым расширить существующие представления об объекте исследования.

В четвертой главе изложены результаты экспериментальных исследований технического качества древесины сосны поврежденной пожарами: слабым низовым, сильным низовым и повальным верховым, а также сильным низовым и беглым верховым. На 20 % площади горельника УОЛ ВГЛТА не было установлена степень повреждения древостоев после поражения сильным низовым и беглым верховым пожаром. В связи с чем, проводился постоянный мониторинг состояния древостоев и качества древесины, что позволило установить начало деструкции древесины и дать рекомендации по срокам её заготовки.

Качество древесины будет зависеть от характера распределения влаги по сечению и высоте ствола, в зависимости от воздействия различных видов пожара. Воздействие слабого низового пожара на растущее дерево незначительно, и не изменяет общепринятый характер распределения влаги в стволе.

Характер распределения влажности по сечению и высоте ствола сосны после повреждения пожаром: сильным низовым и беглым верховым (а), сильным низовым и повальным верховым (б) (рис. 1).

Высота Н, м Высота Н, м

а б

1, 2, 3 - влажность на глубине соответственно 1/16, 1/6, 1/2 ширины заболони; 4 — влажность ядра

Рис. 1. Распределение влажности по сечению и высоте ствола дерева сосны через три месяца после повреждения пожаром: сильным низовым и беглым верховым (а), сильным низовым и повальным верховым (б)

Экспериментально установлено, что влажность заболони при всех видах пожара оставалась выше 40-45 % (рис. 1). Следовательно, при наличии свобод-

ной влаги, температура древесины не повышалась свыше 100 °С во время пожара, и в древесине проходили процессы гидролиза без деструкции микрофибрилл (структурной части клеточных стенок).

При воздействии высокой температуры пожаров в древесине сосны хорошо развитый смолообразующий аппарат обеспечивает интенсивное образование смолы за счет увеличения количества патологических смоляных ходов в поздней зоне послепожарового годичного слоя и подключения паренхимных клеток смоляного хода к образованию смолы (рис. 2).

1 - ранняя древесина; 2 - вертикальный смоляной ход, заполненный смолой; 3 - поздняя древесина Рис. 2. Поперечный разрез древесины сосны, пропитанный смолой после повреждения сильным низовым и беглым верховым пожаром (ув. 4х)

2 - разрушенные окаймленные поры; 1 - вертикальный смоляной ход;

3 - сердцевинный луч Рис. 3. Поперечный разрез древесины сосны поврежденной сильным низовым и беглым верховым пожаром (ув. 10х)

Одновременно, в микроструктуре древесины сосны происходит изменение: разрушение ранних трахеид, паренхимных клеток сердцевинных лучей и смоляных ходов, окаймленных пор в стенках ранних трахеид (рис. 3), что приводит к беспрепятственному стеканию смолы и сильному засмолению древесины, особенно в комлевой части (рис. 4).

Плотность является основной характеристикой технического качества древесины. Изменение плотности изучалось по высоте ствола после воздействия пожара разной интенсивности.

При слабом низовом пожаре плотность древесины составила 530 кг/м , что соответствует стандартной плотности неповрежденной древесины сосны обыкновенной центральных районов Европейской части (р!2=525 кг/м ). После сильного низового и повального верхового пожара все древостой были с обугленной корой и кроной. Плотность древесины этих древостоев составила 410 кг/м3, снижение от стандартной на 22 %. Древостой на этом участке были мелкие и средние и при сильном обугливании и резком снижении плотности переходят в категорию неликвидных (дровяных).

Наибольшая площадь древостоев была поражена сильным низовым и беглым верховым пожаром, на этих участках проводился мониторинг в течение 27

1 — ранняя древесина; 2 — поздняя древесина; 3 — вертикальный смоляной ход, заполненный смолой Рис. 4. Поперечный разрез древесина сосны пропитанный смолой после повреждения сильным низовым и беглым верховым пожаром (ув. 4х)

плотности произошло из-за сильного за-смоления древесины. В последующем отмечалось постепенное, незначительное уменьшение плотности древесины по

всей высоте ствола. В целом средняя плотность древесины за рассматриваемый период близка к стандартной.

Одним из основных показателей технических свойств древесины является её твердость. Этот показатель наиболее точно отражает качество древесины, как строительного (конструкционного), так и технологического материала. Динамика изменения средней торцовой твердости после повреждения сильным низовым и беглым верховым пожаром представлены на рис. 6. В целом можно отметить, что в течение первого года после сильного низового и беглого пожара твердость древесины уменьшилась в среднем на 10... 12 %, а через два года это снижение составило уже около 40 % от стандартных значений. Минимальное предельно допустимое значение предела статической твердости равно 20,9 МПа «РТМ. Древесина. Показатели физико-механических свойств» (РТМ). Согласно графику

2

¿500

й 400 о

5 зоо

сент. 2010

осень

весна

2011

2012

тяб. весна 010 2011 □ Норма □ Комель

осень 2012

I Средина □ Вершина

Рис. 5. Динамика изменения плотности древесины сосны после сильного низового и беглого верхового пожара

месяцев с момента пожара и результаты исследования плотности представлены

на рис. 5.

Анализ данных,

к ,'' | представленных на

:: . „, 2Я I рис. 5 показывает,

) I ЦЦЙГ -Л <% т4" ) ДгД* ' что изменение плот-

ности древесины происходит неравномерно, через месяц она увеличилась до 745 кг/м3 в комлевой части, что выше стандартной на 42 %. Резкое повышение

рис. 6 это соответствует твердости древесины через 17,5 месяцев после воздействия пожара.

На основании данных мониторинга были получены уравнения регрессии, позволяющие определять плотность (1) и статическую твердость (2) древесины сосны пораженной пожаром с учетом местоположения в стволе (хг) и срока рубки (Х1). В виду аномально большого изменения плотности древесины сосны в первые три месяца после пожара этот период времени не рассматривался при получении уравнений регрессии.

Графическая интерпретация полученных зависимостей выходных параметров уравнения регрессии (1), от исходных факторов приведена на рис. 7.

Ух = 515,9-14,02*! -46,38х2 -1,197*2 + 0,5242*^ +10,ЗЗ*2 + + 2,66*,2*2 —1,162*1*2 -1,61*|

У2 =25,77-3,405*! +0,796*2 -2,521*!2 -0,468*!*2 -3,023*2 -1,73-

- 0,561*!2*2 + 0,0688*!*^ +0,3514*| + 1,791*!4 + 1,75*13х2 +1,433*?*! + ^

+ 0,0055*!*2 +0,885*2 - 0,7089*,4*2 - 0,827*13*г - 0,06249*^*1 +

+ 0,02151*!*2 -0,9623*| Для использования древесины как строительного (конструкционного), так и технологического материала были проведены испытания для определения пределов прочности древесины сосны, поврежденной пожаром на: сжатие вдоль волокон, статический изгиб, скалывание тангенциальное и радиальное. Результаты испытаний представлены на рис. 8.

На основании РТМ были рассчитаны минимальные предельно допустимые значения на каждый вид проведенных механических испытаний: асж = 35,7

МПа, ошг= 68,9 МПа, 4,8 МПа, сг^= 4,3 МПа. Согласно графиков рис.

8 предельно допустимые значения пределов прочности достигаются на сжатие и изгиб через 17 месяцев, скалывание тангенциальное и радиальное, соответственно через 19 и 17,5 месяцев после пожара при нахождении древесины на корню. Проведенные исследования позволили обосновать сроки рубки древостоев,

Время после пожара т, мес 1 - поврежденная древесина; 2 - неповрежденная древесина Рис. 6. Динамика изменения средней, статической торцовой твердости древесины сосны в течение 27 месяцев после поражения сильным низовым и беглым верховым пожаром

поврежденных пожаром, когда прочность древесины еще соответствует требованиям РТМ.

го 15 л - меся^

а б

Рис. 7. Поверхность отклика уравнения регрессии, описывающая изменение плотности (а) через три месяца и статической твердости (б) древесины сосны по высоте ствола в течение 27 месяцев после пожара

10 15 20

Время после пожара мес

10 15

Время после

20

ара т. мес

ё0бо

и §1

а 40

10 15 20

Время после пожара т. мес

15 20

полира I. мес

Рис. 8. Динамика изменения средних показателей прочности древесины сосны, поврежденной пожаром при различных видах испытаний

Гигроскопичность - это способность древесины изменять свою влажность в зависимости от условий эксплуатации. При этом древесина может изменять

1 -

Продолжительность, сут

древесина, поврежденная сильным низовым

свои размеры и изделие теряет формоустойчивость. Одним из способов снижения гигроскопичности является воздействие на неё высокой температуры.

При пожаре на древесину воздействует высокая температура в присутствии воды в растущем дереве. На рис. 4.33 представлены результаты определения предела гигроскопичности древесины сосны, в зависимости от вида пожара. Опытом установлено, что наибольшее снижение гигроскопичности (предел гигроскопичности) отмечено у древесины поврежденной сильным низовым и беглым верховым пожаром и составило 12 % (кривая 1, рис. 9), а при сильном низовом и повальном верховом снижение составило 9 % (кривая 2 рис. 9).

30 Также была определена

устойчивая влажности древесины сосны поврежденной пожаром при хранении в комнатных условиях в течение 27 месяцев в комнатных условиях. Снижение устойчивой влажности составило при повреждении сильным низовым и беглым верховым 11,8 %, а при сильном низовом и повальном верховом 5,9 %.

Снижение гигроскопических свойств больше в том случае, когда в древостое в заболони влаги больше. При сильном низовом и беглом верховом пожаре средняя влажность составила 95-140 %, а при сильном низовом и повальном верховом 50-80 % (рис.1).

Снижение гигроскопичности и устойчивой влажности древесины сосны повышает формоустойчивость изделий из неё.

В пятой главе определено изменение плотности и твердости древесины сосны поврежденной пожаром при длительном хранении в различных условиях. Испытания были проведены на древесине срубленной через три месяца после пожара и повторно после выдержки этой же древесины в комнатных условиях в течение 27 месяцев и на древесине из древостоев срубленных через 27 месяцев после пожара.

Результаты исследования (рис. 10) показывают, что приобретенные технические качества древесины после воздействия пожара остаются стабильными при длительном хранении и такие же, как на момент рубки. При нахождении древесины на корню свыше определенных ранее сроков 17-18 месяцев после пожара, древесина утрачивает техническое качество.

и беглым верховым пожаром; 2 - древесина, поврежденная сильным низовым и повальным верховым пожаром; 3 - неповрежденная древесина

Рис. 9. Изменение гигроскопичности древесины сосны после повреждения различными видами пожара

Проведенные исследования состояния древостоев горельника на территории УОЛ ВГЛТА позволили на основании определения диаметра ствола на высоте груди, высоты подгара, наличия гнили и её протяженности разработать критерии оценки потери товарности ликвидной древесины, в результате повреждения лесными пожарами в целях применения понижающих коэффициентов к ставкам платы.

Высота li. м Высота к м

а б

1- древесина, простоявшая на корню; 2, 3 - древесина испытана через 3 месяца после пожара и через 27 месяцев после выдержки, соответственно; 4 -неповрежденная древесина

Рис.10. Динамика изменения плотности (а) и статической твердости (б) древесины сосны по высоте ствола при хранении в различных условиях

При формировании стоимости кубометра древесины были учтены полученные показатели технического качества древесины.

Основные выводы и рекомендации

1. Экспериментально установлено изменение влажности заболони по сечению и высоте ствола древесины сосны вследствие температурного воздействия при всех видах пожара. Изменение влажности заболони по высоте ствола среднем составило от 50-80 % и от 95—140 %. Соответственно при сильном низовом и повальном верховом и сильном низовом и беглом верховом. При наличие в заболони свободной влаги температура древесины не повышается выше 100 °С, что указывает на отсутст вие термодеструкции фибриллярного каркаса древесины, а вызывает только гидролиз лигноцеллюлозного компонента.

Влажность ядра при любом виде пожара остается близкой к нормативной (26-28 % ) незначительное снижение связано сильной засухой 2010 года.

Слабый низовой пожар не оказывает влияние на распределение влаги по сечению и высоте ствола.

2. При воздействии высокой температуры пожаров в древесине сосны хорошо развитый смолообразующий аппарат обеспечивает интенсивное образование смолы за счет увеличения количества патологических смоляных ходов в поздней зоне послепожарового годичного слоя и подключения паренхимных клеток смоляного хода к образованию смолы. Одновременно, в микроструктуре

древесины сосны происходит изменение: разрушение ранних трахеид, парен-химных клеток сердцевинных лучей и смоляных ходов, окаймленных пор в стенках ранних трахеид, что приводит к беспрепятственному стеканию смолы и сильному засмолению древесины, особенно в комлевой части.

3. Изменение плотности древесины под воздействием пожаров происходит неравномерно. Резкое увеличение плотности происходит сразу после пожара, особенно в комлевой части за счет засмоления. В последующем плотность изменяется незначительно и за рассматриваемый период 27 месяцев остается близкой к стандартной.

Экспериментально установлено, что древесина сосны до 17-19 месяцев после пожара имеет прочность по всем видам рассматриваемых свойств не менее нижнего, допустимого предела показателей согласно РТМ и может быть использована, как конструкционный и технологический материал.

4. На основании экспериментальных исследований получены уравнения регрессии, позволяющие определять значения плотности и статической твердости древесины сосны пораженной пожаром в зависимости от местоположения в стволе и срока рубки.

5. Предел гигроскопичности у древесины сосны, поврежденной пожаром снижается на 10-12 % в зависимости от вида пожара и остается неизменным при длительном хранении. Устойчивая (эксплуатационная) влажность древесины сосны, поврежденной сильным низовым и беглым верховым пожаром, снижается на 11,8 %, а при сильном низовом и повальном верховом на 5,9 %. Различное снижение гигроскопичности и устойчивой влажности обусловлено глубиной гидролиза. Снижение гигроскопичности и устойчивой влажности древесины сосны повышает формоустойчивость изделий из неё.

6. При длительном хранении в комнатных условиях качество древесины сосны пораженной пожаром не изменяется и соответствует значениям на момент рубки. Древесина из древостоев, стоящих на корню более 17-19 месяцев резко снижает технические свойства.

7. Снижение технического качества древостоев зависят от вида пожара и его продолжительности.

8. На основании оценки технического качества древостоев и древесины го-рельника УОЛ ВГЛТА установлено, что древесина утрачивает деловые свойства в течение 17-19 месяцев, что значительно быстрее по сравнению с древесиной в сырых борах Европейской части России.

9. На основании проведенных исследований были установлены сроки рубки древостоев с учетом начала деструкции древесины.

10. На основании выполненных исследований получен экономический эффект при продаже лесонасаждений на корню УОЛ: до 60 руб. на 1 м3 для деловой мелкой, до 150 руб. на 1 м3 для деловой средней и до 200 руб. на 1 м3 деловой крупной древесины. Установление начала деструкции древесины позволило дополнительно получить экономический эффект в размере 55 руб. на кубометр за счет своевременной рубки.

Публикации по теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Оценка состояния древостоев после лесного пожара 2010 года на территории УОЛ ВГЛТА [Электронный ресурс] / Т.К. Курьянова, А.Д. Платонов, Н.Е. Косиченко, А. В. Макаров и др. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета = Polythematic online scientific journal of Kuban State Agrarian University. - Краснодар: КубГАУ, 2011. - №06(070). С. 377 - 387. — Режим доступа: http://ej .kubagro.ru/2011/06/pdf/27.pdf.

2. Влияние вида пожара на структуру и качество древесины сосны [Электронный ресурс] / Т.К. Курьянова, А.Д. Платонов, Н.Е. Косиченко, A.B. Макаров и др. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета = Polythematic online scientific journal of Kuban State Agrarian University. - Краснодар: КубГАУ, 2011. -№10(074). С. 785 - 798. - Режим доступа: http:// ej.kubagro.ru /2011/10/pdf/69.pdf.

3. Прочность древесины сосны после воздействия пожара [Электронный ресурс] / Т.К. Курьянова, А. В. Макаров, А.Д. Платонов и др. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета = Polythematic online scientific journal of Kuban State Agrarian University. - Краснодар: КубГАУ, 2012. - №07(081). С. 368 - 377. -IDA [article ID]: 0811207026. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru /2012/07/pdf/26.pdf.

В других изданиях:

4. Платонов, А. Д. Распределение влаги по стволу дерева после поражения огнем [Текст] / А. Д. Платонов, А. В. Макаров, Т. К. Курьянова // Лесотехнический журнал. -2011. № 3,- С. 27-31.

5. Макаров, А. В. Технические качества древесины пораженной различными видами пожара [Текст] / А. В. Макаров // Лесотехнический журнал. - 2011. №4,- С. 14-18.

6. Макаров, A.B. Исследование состояния древостоев после повреждения пожаром [Текст] / А. В. Макаров // Актуальные проблемы лесного комплекса -Лес-2011 / Сборник научных трудов по итогам Международной научно-практической конференции. Выпуск № 28 - Брянск: БГИТА, 2011.-199 с.-С. 111114.

7. Макаров, A.B. Изменение влажности заболони и ядра у деревьев после огневого повреждения [Текст] / A.B. Макаров // Актуальные проблемы лесного комплекса. Лес - 2011 / Сборник научных трудов по итогам Международной научно-практической конференции. Выпуск № 28 - Брянск: БГИТА, 2011-199с.-С.108-111.

8. Оценка технических свойств древесины сосны, подвергшейся пожару в 2010 году на территории УОЛ ВГЛТА [Текст] / Т. К. Курьянова, А. Д. Платонов, А. В. Макаров, М. Н. Федоткин // Актуальные проблемы лесного комплекса. Лес - 2011 / Сборник научных трудов по итогам Международной научно-

практической конференции. Выпуск № 28 - Брянск: БГИТА, 2011.-199 С.-С.54-56.

9. Прочность древесины сосны после воздействия пожара (2010 года в УОЛ ВГЛТА, Воронеж) [Текст] / Т.К. Курьянова, A.B. Макаров, А.Д. Платонов и др.// Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса: материалы Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию кафедры МТД Костром, госуд. технолог, ун-т (9-12 октября 2012 г.) / Кострома: Изд-во КГТУ, 2012. -219 с. - С.20-22.

10. Макаров, А. В. Исследование состояния хвойных насаждений после лесного пожара 2010 года [Текст] / A.B. Макаров // Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса: материалы Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию кафедры МТД Костром, госуд. технолог, ун-т (9-12 октября 2012 г.) / Кострома: Изд-во КГТУ, 2012. - 219 с. - С.24-26.

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 212.034.02 или выслать ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8. ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», ученому секретарю.

Подписано к печати 00.00.2013.

Формат 60x90 1/16. Объем 1 пл. Тираж 100 экз. Заказ 512.

Отпечатано в УОП ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» 394087, г. Воронеж, ул. Докучаева, 10.

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное г осударственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия»

На правах рукописи

04201 453967

Макаров Андрей Васильевич

Оценка технического качества древесины сосны, поврежденной

пожаром

Специальность 05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование

деревопереработки

Диссертация на соискание ученой с тепени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, Платонов А. Д.

Воронеж 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ... 10

1.1. Виды лесных пожаров и их воздействие................................................................10

1.2. Послепожаровое состояние горельников................................................................17

1.3. Товарность древостоев и качество древесины после

воздействия пожара................................................................................................................................22

1.4. Цель и задачи исследования..............................................................................................28

Выводы..............................................................................................................................................................30

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ИССЛЕДУЕМОМУ ВОПРОСУ......................................................................................................................................................31

2.1. Микростроение и смолообразующий аппарат древесины

сосны как защита от различных повреждений дерева............................................31

2.2. Исследование изменения химических свойств и прочности древесины при термопревращениях........................................................................................38

2.3. Исследование гигроскопичности и устойчивой влажности

древесины сосны после температурного воздействия ..........................................44

Выводы............................................................................................................................................................51

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ..........................................52

3.1. Методика определения физико-механических показателей

древесины........................................................................................................................................................52

3.1.1. Методика определения влажности по высоте и сечению

ствола дерева................................................................................................................................................................................55

3.1.2. Методика определения плотности древесины..........................................56

3.1.3. Методика определения статической твердости древесины..........58

3.1.4. Методика определения прочности при сжатии вдоль волокон . 59

3.1.5. Методика определения прочности при скалывании вдоль волокон..............................................................................................................................................................60

3.1.6. Методика определения прочности при статическом изгибе .... 61

3.1.7. Методика определения предела гигроскопичности

Л

древесины........................................................................................................................................................63

3.1.8. Методика определения влагопоглощения древесины........................64

3.2. Методика исследования микроскопической структуры

древесины поврежденной пожаром........................................................................................65

3.3. Методика определения средней изменчивости свойств

древесины........................................................................................................................................................66

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ............67

4.1. Результаты исследования распределения влаги в стволе

древесины сосны после повреждения различными видами пожара..........67

4.2. Результаты исследования микростроения древесины сосны после повреждения пожаром ..............................................................................................................................................75

4.3. Результаты исследования плотности древесины сосны поврежденной пожаром....................................................................................................................81

4.4. Результаты исследования статической твердости древесины

сосны, поврежденной пожаром....................................................................................................89

4.5. Результаты определения механических показателей древесины сосны, поврежденной пожаром....................................................................................................................................92

4.6. Результаты исследования гигроскопичности и устойчивой влажности древесины сосны поврежденной пожаром............................................101

4.7. Построение математических моделей изменения плотности и

статической твердости древесины сосны пораженной пожаром..................105

Выводы............................................................................................................................................................113

5. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ................................................................................................................................116

5.1. Изменение свойств древесины сосны, поврежденной пожаром

при длительном хранении в различных условиях......................................................116

5.2. Состояние древостоев в зависимости от вида пожара..............................119

5.3. Технико-экономические показатели результатов исследования ... 125

Выводы..............................................................................................................................................................127

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ..........................................................129

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................................................................132

ПРИЛОЖЕНИЕ А....................................................................................................................................147

ПРИЛОЖЕНИЕ Б....................................................................................................................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ В....................................................................................................................................160

к

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Лесные пожары наносят огромный вред состоянию естественных лесных экосистем. В России ежегодно регистрируется от 10 до 35 тыс. лесных пожаров, повреждающих около 0,5-2,5 млн. га общей площади лесов РФ.

Изучение последствий лесных пожаров привлекает внимание исследователей различного профиля: лесоводов, ботаников, зоологов, почвоведов и др. Но одним из немаловажных вопросов является изучение хозяйственного урона при огневом поражении леса, древостоев и древесины.

Воздействие пожара на сырую древесину - это нагрев высокой температурой, что вызывает, прежде всего, термогидролитическую деструкцию древесного комплекса и, как следствие, изменение химического состава, структурные изменения древесины и снижение её физико-механических свойств.

Анализ литературных источников показал, что послепожаровое состояние древостоев и качество древесины исследованы для свежих и сырых типов леса северной Европейской части России.

Горельники Воронежской области, и, в частности, горельник УОЛ ВГЛТА, расположены в сухих борах лесостепной зоны Европейской части РФ, в более теплой климатической зоне, где древесина быстрее поражается грибами и насекомыми и теряет свои товарное качество. В этих горельниках необходимо проводить исследование технического качества древесины на основе мониторинга. Что позволит определить момент начала деструкции древесины древостоев, оставшихся на корню, и дать рекомендации по срокам их рубки для сохранения деловых качеств.

Решение данной задачи является актуальным направлением в вопросе рационального использования древесины, поврежденной огнем.

Исследования выполнены на древесине сосны, как основной породы Центрально-Черноземного региона и в рамках государственной бюджетной

темы «Влияние тепла, влаги и условий хранения на физико-механические свойства натуральной и топляковой древесины», № 01.2.00105361.

Цель работы. Установить характер изменения структуры и физико-механических свойств древесины сосны после повреждения различными видами пожара на основе данных мониторинга для установления начала деструкции древесины.

Задачи исследований:

- установить распределение влаги в дереве по сечению и высоте ствола, в зависимости от вида пожара;

- установить закономерности влияния вида лесного пожара на изменение в микроструктуре древесины сосны;

- установить закономерности влияния пожара на некоторые физико-механические свойства древесины сосны;

- установить сроки возможного использования древесины сосны поврежденной пожаром.

- установить закономерности влияния вида лесного пожара на товарность древостоев сосны в сухих борах лесостепной зоны.

Объекты исследований. Объектом исследований являлась древесина древостоев сосны, поврежденная различными видами пожаров в сухих борах лесостепной зоны.

Предмет исследований. Предметом исследований является микроструктура и некоторые физико-механические свойства древесины сосны.

Методы исследований. Теоретические и экспериментальные исследования основывались на методах статистического анализа, сравнения и структурного анализа древесины и численными оценками параметров объекта исследования.

В основу экспериментальных исследований положен мониторинг состояния древесины, выполненный в лабораторных и полевых условиях.

Научная новизна:

- Установлен характер распределения влаги в дереве по сечению и высоте ствола, отличающийся учетом вида пожара;

- Установлен механизм изменения микроструктуры древесины сосны, поврежденной пожаром, отличающийся учетом воздействия высокой температуры на анатомические элементы и смолообразующий аппарат;

Установлены закономерности изменения некоторых физико-механических свойств древесины сосны на основе данных мониторинга, отличающиеся учетом воздействия вида лесного пожара и деструктивных процессов в древесине;

- Установлены сроки возможного использования поврежденной древесины сосны, отличающиеся учетом вида лесного пожара, изменения качественных показателей по высоте ствола и продолжительности нахождения древесины на корню.

- Установлены закономерности изменения товарности древостоев сосны, поврежденных пожаром, отличающиеся учетом вида пожара и климатических условий.

Значение для теории. Установлены: зависимости изменения состояния древостоев сосны в сухих борах лесостепной зоны после различных видов лесных пожаров; влияния высокой температуры на изменение микростроения древесины сосны; зависимости влияния вида пожара на характер распределения влаги по сечению и высоте ствола; влияние вида пожара на некоторые физико-механические свойства древесины сосны в зависимости от продолжительности нахождения её на корню.

Значение для практики заключается в обосновании сроков заготовки древесины сосны поврежденной пожаром в сухих борах лесостепной зоны для сохранения её товарного качества, на основании данных мониторинга.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Установленный характер распределения влаги по сечению и высоте ствола сосны, поврежденной пожаром, позволяющий обосновать вид деструкции древесного комплекса.

2. Установленные закономерности изменения микроструктуры древесины сосны, поврежденной пожаром, позволяющие обосновать механизм её за-смоления, с учетом характера воздействия высокой температуры.

3. Установленные закономерности изменения некоторых физико-механических показателей древесины сосны, позволяющие определять её качество с учетом воздействия вида лесного пожара и деструктивных процессов в древесине.

4. Установленные сроки возможного использования поврежденной древесины сосны, позволяющие сохранять техническое качество её в зависимости от продолжительности нахождения древостоя на корню.

5. Установленные закономерности воздействия лесных пожаров на древостой сосны, позволяющие определять их товарность с учетом вида пожара и климатических условий.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивают: большой объемом выполненных экспериментальных исследований, обеспечивающий хорошее совпадение результатов экспериментальных полевых и лабораторных испытаний с теоретическими исследованиями, полученными при их статистической обработке; позитивными результаты производственной аппробации.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 1 «Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий)» паспорта специальности 05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались автором на: ежегодных семинарах и научно-практических конференциях

«ВГЛТА» (2010-2012); XII Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса. Лес - 2011» (Брянск, 1 июня 2011 г.); Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию кафедры МТД Костром, госуд. технолог, ун-та (9-12 октября 2012 г.); Региональном Координационном совете по современным проблемам древесиноведения при МГУЛ г. Москва (1-3 октября 2011, г. С-Петербург; 9-12 октября 2012, г. Кострома).

Реализация работы. Основные результаты работы внедрены в: Учебно-опытный лесхоз ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» г. Воронеж, Управление Лесного хозяйства Воронежской области г. Воронеж.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано десять научных статей, в том числе три в изданиях, рекомендованных ВАК для кандидатских диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация включает: введение, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка из использованных источников. Общий объем работы - 146 е., включая 69 рисунков, 5 таблиц, библиографического списка из 139 источников и 3 приложений.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Виды лесных пожаров

Лесные пожары наносят огромный вред состоянию естественных лесных экосистем, надолго, если не навсегда, замедляя процесс восстановления леса. Они являются основным фактором, определяющим состояние и динамику лесного фонда России. Проблема лесных пожаров - это важная составляющая часть общей проблемы охраны окружающей среды.

Ежегодно на Земле возникает до 450 тыс. лесных пожаров, повреждающих около 0,5 % общей площади лесов и выбрасывающих в атмосферу миллионы тонн продуктов сгорания.

На активно охраняемой территории лесного фонда России ежегодно регистрируется от 10 до 35 тысяч лесных пожаров, охватывающих от 0,5 до 2,5 млн. га.

Лесные пожары имеют достаточно большую историю, хотя достоверных сведений за первую половину текущего тысячелетия сохранилось очень мало. Для районов Центральной и Северной России в русских летописях отмечались лишь наиболее крупные пожары, представлявшие собой стихийные бедствия национального масштаба, когда наряду с лесами горели и населенные пункты. Наиболее крупные пожары в северных лесах зарегистрированы во второй половине прошлого тысячелетия произошли в 1614, 1647, 1668, 1688, 1690, 1710, 1756, 1790, 1800, 1825, 1840, 1860, 1877, 1882, 1886, 1888, 1891 и 1899 гг. и всегда сопровождались сильными засухами. Следовательно, пожары в северных лесах отнюдь не были явлением случайным и повторялись довольно часто. Более того, вспышки лесных пожаров на Севере наблюдались в те же периоды, что и в более южных областях Европейской России.

Когда засуха и пожары приходили на территорию Европейского Севера чаще всего с юга, где они проявлялись более сильно.

В прошлом столетии исключительно засушливыми были тридцатые годы (1932, 1933, 1936—1939), когда лесные пожары в северных лесах проходили почти повсеместно. Довольно крупные пожары наблюдались на севере и в послереволюционный период, когда площадь пожаров в отдельные годы превышала размер годичной лесосеки. То же самое можно сказать и о 1960, 1967, 1972 и 1973 гг., причем все эти годы характеризовались высокой пожарной опасностью не только на Европейском Севере, но и в целом по стране, включая районы Сибири и Дальнего Востока [60].

В новом тысячелетии аномально высокая температура, вызвавшая сильнейшую засуху явились причиной пожаров в 2010 году практически по всей территории РФ.

Лесам России принадлежит важнейшая роль в поглощении углекислого газа и в поддержании относительной стабильности газового состава атмосферы. Леса являются огромным резервуаром углерода, ежегодно они поглощают 500 млн. тонн углерода. Его общий запас в лесах России равен 233 млрд. тонн. Эти данные еще раз подчеркивают исключительно важную роль лесов России в углеродном балансе Земли [52, 109].

Изучение последствий лесных пожаров привлекает внимание исследователей различного профиля: лесоводов, ботаников, зоологов, почвоведов и др. Одним из немаловажных вопросов является изучение хозяйственного урона при огневом поражении леса, древостоев и древесины. Сохранение товарности древостоев и деловых свойств древесины зависят от ряда факторов: вида пожара, его интенсивности, время воздействия на лес, его давности, величины нагара ствола и др. [15, 47, 67, 68, 80].

При оценке воздействия пожаров на лес большое значение имеет так же используемая терминология.

Только общепринятая терминология, определяющая вид пожара и название пороков, возникших от поражения дерева огнем, позволяет точно понять сыть проблемы и наметить пути ее решения.

Для определения вида пожар�