Содержание к диссертации
Введение
Глава 1.Современное состояние проблемы 11
1.1 Анализ возможностей существующих методов датирования
1.2 Обзор литературных данных о свойствах старой древесины 14
Глава 2. Обоснование выбора направления исследований и их методика 23
2.1 Методика определения содержания химических компонентов древесины 27
2.2 Методика определения краевых углов смачивания 28
2.3Методика определения времени впитывания воды древесиной 30
2:4 Методика определения адгезионной прочности древесины; 30
2.5:Мётодика определения углов трения 34
2.6 Методика исследования древесины разного возраста в поляризованном свете 35
2.7 Методика определения микротвёрдости подопытного материала; 36
2.8 Методика исследования инфракрасных спектров 37
2.9 Методика исследования спектров отражения древесины и люминесценции экстрактов из неё 37
2.10 Мето дика определения пористости длительно выдержанной древесины 38
2.11 Методика исследования изменений цветовых характеристик древесины при её старении 42
2.12 Методика хроматографирования спиртовых экстрактов из древесины разного возраста 44
2.13 Методика определения термической устойчивости древесины 44
2.14 Методика определения региона изготовления изделий 46
2.15 Методика определения плотности древесины разного возраста 47
2.16 Оценка качества древесины для музыкальных инструментов 47
2.17 Методика исследований структуры древесины разного возраста 48
2.18 Методика определения напряжений в деревянных конструкциях неразрушающими методами 48
2.19 Материал для исследований 50
Глава 3. Результаты исследования химического состава; физико-механических свойств и строения древесины разного возраста 59
3.1 Исследование содержания химических компонентов в древесине 59
3.2 Исследование краевых углов смачивания 64
3.3 Определение времени впитывания воды древесиной 66
3.4 Определение адгезионной прочности древесины 71
3:5 Определение электрического напряжения приЕ адгезионных испытаниях 74
3.6 Определение угла скатывания меди с поверхности древесины (угла трения) 75
3.7 Исследование древесины разного возраста в поляризованном свете 78
3.8 Определение микротвёрдости древесины 81
3.9 Исследование инфракрасных спектров древесины разного возраста 82
3.10 Исследование спектров отражения натуральной древесины и спектров люминесценции экстрактов из неё 87
3.11 Определение пористости длительно выдержанной древесины 94
3.12 Исследование цветовых характеристик древесины при её старении 98
3.13 Хроматография древесины разного возраста 108
3.14 Определение плотности древесины разного возраста 110
3.15 Построение датировочных шкал 116
3.16 Новые датировки подопытной древесины 128
Глава 4 Результаты всех исследований после передатировки образцов 137
Ель 148
Липа 156
Дуб 162
Глава 5 Оценка качества древесины для музыкальных инструментов 166
Теоретическое определение связи декремента колебаний с другими акустическими характеристиками древесины 178
Глава 6 Исследование различий в анатомическом строении древесины разного возраста 188
Глава 7 Неразрушающая оценка напряжений в деревянных конструкциях нетрадиционными методами 200
Глава 8 Обсуждение результатов 206
Литература 253
Приложение 267
- Обзор литературных данных о свойствах старой древесины
- Методика определения краевых углов смачивания
- Методика определения термической устойчивости древесины
- Определение адгезионной прочности древесины
Введение к работе
До сих пор изучению свойств старой древесины (под этим термином понимается материал, прослуживший в изделиях и конструкциях или выдержанный на складах не менее 50 лет) посвящалось очень мало работ, но все они не являются результатом систематических исследований столь необычного материала. Этим, во многом,. объясняется тот факт, что они не привели сегодня к решению практических:задач в области искусствоведения, реставрации, архитектуры и строительства,. производства, высококачественных музыкальных инструментов, улучшения качеств коньяков и винопродукции, прогнозирования свойств материала, а также многих других.
Решение перечисленных задач зависит в первую очередь от достаточно точной оценки возраста. В противном случае, как это уже и было в работе [66], невозможность связать свойства древесины с точной датой не позволяет сделать выводов о перспективах использования материала для решения практических задач.
Именно поэтому задача создания объективных неразрушающих методов датирования древесины выходила на первый план, ибо она позволила бы решать вопросы подлинности художественных произведений, их авторства, поиска фальшивок, оценки рейтинга искусствоведов, вопросы криминалистики и таможни, связанные с необоснованным вывозом за границу и хищениями художественных ценностей, и многое другое. Эта задача сводилась к анализу существующих методов датирования и к изучению изменений, происходящих в древесине за длительные сроки эксплуатации.
Предварительно анализировались результаты, полученные в разные годы отечественными и зарубежными учёными. Среди них К. Окамото (1955), В.Е. Москалёва (1962), Е.Фукада (1965), Т.И. Исаева, Н.К. Брюханова (1969), В.В Фефилов, Ю.И.Бурковская (1971), Т.Э. Кескюлла (1986), Д. Фенгел, Г., Вегенер (1988), Ю.А Варфоломеев (1990), М.К.Никитин, А.Х. Ошкаев (1992),
Л.Г. Шаповалова (1996), М.В. Кистерная, В.Л Козлов, В.И. Крутов (1996,2000), В.Я. Терентьев (1998), Б.П. Гусев (1999) и др.
Кроме того, решалась задача, связанная с отбором древесины для музыкальных инструментов. Начало её решению было положено автором в кандидатской диссертации [66], где вопрос ставился так: является ли увеличение декремента с ростом частоты колебаний следствием увеличения сдвиговых деформаций? На этот вопрос был дан положительный ответ.
Теперь предстояло ответить на вопрос, возможно ли, используя взаимосвязи свойств древесины, отказаться от измерения декремента и других акустических характеристик, чтобы на производстве и в лесу без сложных анализов и аппаратуры отбирать древесину с заданными параметрами.
Актуальность диссертационной работы определяется тем, что до настоящего времени не было методов датирования, позволяющих использовать малые образцы или неразрушающие виды испытаний, из-за чего огромное количество музейных экспонатов из древесины не могло быть датировано. Кроме того, предложенная новая концепция реставрации памятников в случае реализации продлит срок их безаварийной службы и сэкономит значительные средства.
Цели и задачи исследования
разработка новых методов датирования древесины, основанных на изменении её свойств с возрастом;
упрощение процесса определения внутренних напряжений в деревянных конструкциях;
упрощение отбора и заготовки древесины для производства музыкальных инструментов.
В соответствии с указанными целями решались следующие задачи:
Главная задача исследования -' разработка новых методов определения возраста древесины, т.к. анализ возможностей существующих методов датирования показал, что для решения поставленных задач на малых образцах они неприемлемы. Для решения необходимо было найти метод или методы.
7 чувствительные к возрастным различиям в свойствах древесины. Этим и объясняется довольно широкий арсенал использованных в работе средств;
Поскольку многие образцы для исследований брались из художественных произведений и были очень малы, задачи первого этапа работы сводились к тому, чтобы:
использовать неразрушающие методы испытаний, позволяющие сохранить уникальный материал, и провести исследования в сравнительном плане, широко используя испытания, при которых одинаковые факторы воздействуют на древесину разного возраста;
проводить исследования по известным древесиноведческим критериям, а когда габариты имеющегося материала не позволяют этого сделать - широко использовать нетрадиционные показатели, чтобы определить, возможно ли на их основе создание датировочных шкал?;
поскольку на ранней стадии исследований обнаружились очень большие различия в цвете древесины, в дальнейшем предполагалось использовать цвет для приближённой визуальной оценки возраста материала, если, разумеется, это оказалось бы возможным;
с учетом того, что в работе [66] образцы исследованной древесины были датированы ориентировочно, предполагалось после построения уточнённой шкалы провести их передатировку, переосмыслить данные 1970-х годов и, возможно, получить качественно новые результаты; кроме того, ставилась задача теоретического исследования взаимосвязей между акустическими характеристиками древесины, чтобы на лесосеке и в производственных условиях без сложных анализов и специальной аппаратуры можно было определять любое из требуемых её свойств;
на втором этапе исследований предполагалось продолжить начатое в работе [66] изучение строения старой древесины для установления возрастных изменений в её анатомической структуре; кроме того, ставилась задача использовать неразрушающие, в том числе и
8 бесконтактные методы для оценки напряжений в деревянных памятниках.
Научная новизна. Предложена новая объективная методика, позволяющая датировать музейные экспонаты. Ранее их датирование было только субъективным.
Впервые показано, что можно использовать нетрадиционные и простые методы оценки напряжений в деревянных конструкциях.
Решена задача, позволяющая резко упростить оценку акустических характеристик древесины и отбор заготовок для музыкальных инструментов.
Практическая ценность диссертационной работьь заключается в том, что: 1.разработана объективная методика определения возраста древесины (под этим понимается год её рубки или время эксплуатации, прошедшее после рубки), позволяющая; получать результат либо на малых образцах, либо без разрушения. Она помогает избежать серьёзных ошибок при атрибуции художественных произведений, и уже привела к серьёзной переоценке многих ценностей;
2.показано, что для? отбора высококачественной резонансовою древесины на лесосеке или в производстве достаточно определить лишь плотность материала. 3.выдвинута новая концепция реставрации памятников, позволяющая увеличить срок их безаварийной службы.
На защиту выносятся:
Результаты исследования изменений в свойствах древесины при её длительной эксплуатации;
Новая методика датирования древесины;
Результаты исследования различий в акустических свойствах современной и длительно выдержанной древесины;
Результаты теоретического исследования взаимосвязей акустических свойств древесины;
Результаты исследования различий в микростроении древесины разного возраста;
Гипотетическая модель изменений в химическом составе древесины при её длительной эксплуатации;
Новая концепция реставрации деревянных сооружений, основанная на обнаруженной связи между их сохранностью, свойствами древесины и более точной её датировке.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены и обсуждались на: Щ Ш и IV Международных симпозиумах «Строение, свойства и качество древесины» в 1996, 2000 и 2004 годах, Международной научно-практической конференции «Сбережение, консервация, реставрация и экспертиза музейных памятников» в г. Киеве в 2001 году, на конференции «Архитектурно-этнографические музеи: пути сохранения и перспективы развития» в г. Перми, в 2002 году, на международном семинаре ЮНЕСКО «Использование современных научных достижений в подготовке и спасении культурных памятников в случае, природных катастроф» в Москве в 2003 году, а также на IV Международной научной конференции «Рябининские чтения -2003» вт. Петрозаводске.
Реализация результатов работы по датированию осуществлялась в музеях и реставрационных организациях страны. Среди них: Государственная Третьяковская галерея. Государственный исторический музей, музей архитектуры им. А.В. Щусева, музей им. А.Рублёва, музей истории и реконструкции Москвы, музеи-усадьбы: Останкино, Коломенское, Архангельское, музей-заповедник Сергиев Посад, Пермский художественный музей, музей-заповедник «Кижи», Петрозаводский художественный музей, художественный и краеведческий музеи Ярославля, музей Н.А. Некрасова в Карабихе. Кроме того, в реставрационных организациях датировались изделия из музеев Московского Кремля, Смоленска, Пскова, Новгорода, Одессы, Костромы, Калязина, Вологды, Уральска, Хабаровска, детали кровель из церквей Финляндии.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав.
10 результатов и выводов, списка литературы из 163 наименований (из них 27 зарубежных источников) и приложений на 89 стр. Общий объём работы - 356 страниц, 247 иллюстраций, 65 таблиц.
В первой главе оценивается состояние проблемы, проводится анализ существующих методов датирования, показывается невозможность их использования для решения поставленных задач, обосновывается необходимость разработки принципиально новых методов, рассматриваются литературные данные о свойствах старой древесины.
Во второй главе обосновывается выбор направлений исследований; и приводятся их методики.
В = третьей главе рассматриваются результаты исследований всех изучавшихся характеристик древесины, отмечается отсутствие связи полученных результатов с возрастом, показывается, что многие исходные датировки неверны и строятся новые датировочные шкалы. Несовпадение исходных и новых датировок отмечается почти в 80% случаев.
В четвёртой главе показано, что наиболее характерной связью всех изученных характеристик древесины с возрастом является гармоническая.
Пятая глава посвящена древесине музыкальных инструментов. В ней проводится передатировка образцов, использовавшихся в работе 1970-х годов, и показывается, что акустические характеристики, как и многие другие, меняются циклично во времени. Уточняются ранее полученные данные, и показывается, что различия в акустических свойствах современного и старого материала весьма значительны.
В шестой главе рассматриваются изменения в микростроении, происходящие за время длительной эксплуатации древесины. Эти изменения иллюстрируются микрофотографиями.
Седьмая глава посвящена оценке возможности определения напряжений в конструкциях нетрадиционными методами.
В восьмой главе проводится анализ и обсуждение полученных результатов.
Обзор литературных данных о свойствах старой древесины
Сразу приходится отметить крайне слабую изученность такого материала и весьма ограниченное число публикаций. Это: в особенности относится; к древесине интерьеров.
Общим дляетаких исследований?является хорошее совпадение результатов: химических анализов материала. Во всех показано, что разрушение древесины в процессе старения начинается со снижения; содержания легкогидролизуемых гемицеллюлоз. Это касается и археологических находок [49,118], и памятников архитектуры [40,62,155], и; материала интерьеров [67], Отметим, что в работе [62] исследовалась древесина хиноки (японский: кипарис) со сроком эксплуатации до 1300 лет. Наиболее устойчивым компонентом древесины, как следует из работ [40,41,118], является лигнин.
В работе [67] обнаружено незначительное (около 2 %) снижение содержания; лигнина в; древесине ели; до 500 лет выдержки. При этом оказалось, что даже такое малое изменение легко устанавливается по запаху: примерно до 150-200 лет древесина издаёт кислый; запах, чаще всего - уксусной; кислоты, а; затем \ появляется сильный; запах, ванилина.. Кстати сказать,, по нему древесина елш безошибочно идентифицируется.
В- этой работе не было обнаружено существенного снижения содержания; целлюлозы за 500 лет эксплуатации древесины в интерьере, но установлено увеличение плотности, жёсткости, коэффициентов разбухания и снижение прочности! прш статическом; изгибе, причём; все исследованные: характеристики имели очень высокую тесноту связи с содержанием; гемицеллюлоз. Эти данные нашли отражение и в работе [66].
Физико-механические свойства; лиственницы, прошедшей 800-летний срок службы в архитектурных сооружениях, изучались в Институте леса и древесины им; В.Н: Сукачёва GO АН GGGP [29]:
Было обнаружено увеличение плотности, модуля упругости, предела прочности при статическом изгибе и? др. по сравнению с современной древесиной той же породы.
В работе [126]г также исследуется; лиственница- из срубов; ЖИЛЫХ; ДОМОВ; возрастом 120 и 300 лет. Здесь, обнаружено; "некоторое снижение; деформативности древесины при длительной эксплуатации". При этом, отмечая; снижение кратковременной? прочности! И; жёсткости древесины, авторы, тем не ; менее,, считают, что величина; расчётных сопротивлений; достаточна для; обеспечения требуемой прочности деревянных конструкций;
В; противовес предыдущему исследованию, в работе [21] Б.П. Гусевым показано, что предел прочности при сжатии вдоль волокон древесины сруба Преображенской церкви в Кижах выше, чем для современной древесины сосны Карелии. Выше оказалась и плотность древесины.
В работе [58] авторы пишут: «Естественный срок жизни деревянных построек может быть определён в сотни и даже тысячи лет. Не тронутые биоразрушителями элементы деревянных конструкций приобретают через 100-200 лет более высокие механические характеристики, чем исходная древесина».
С работой [58] перекликается и работа [42], где было установлено увеличение прочности древесины на изгиб; сжатие и скалывание вдоль волокон.. Как указывают авторы, "подтверждено мнение, что качество древесины по определённым параметрам со временем повышается и,-следовательно; период её конструктивного использования: практически неограничен в отсутствие биоразрушителей".
Последнее утверждение чрезвычайно важно. Когда некомпетентные специалисты от реставрации предложили разобрать национальную святыню -Преображенскую церковь о. Кижи - из-за якобы аварийного состояния, а на её месте поставить макет или копию, нашлись услужливые доброхоты, заявившие,, что древесина служит 300 лет. Такое мнение в то время много раз звучало со страниц газет. А вот что пишет человек, причастный к внедрению в церковь металлического каркаса: «...существует предположение о возведении храма в середине или конце XYII века, т.е. его возраст может превышать 300 лет - срок, считающийся крайне критическим для деревянных сооружений». Разумеется, это заявление не содержит ни одной ссылки на мнение специалистов, которые так считают, поэтому вполне удобно заявить, что «сооружение пережило свой биологический возраст и шагнуло за грань критического срока» [101].
Между тем, только в перечисленных публикациях этого обзора можно увидеть, что исследователи имеют дело с древесиной возрастом от 60 до 180 миллионов лет [49,118]!
В работе [49] указывается, что содержание лигнина в древесине 60 миллионов лет составляет 75% , и гемицеллюлозы в ней полностью отсутствуют, а в [118] - что в гидролизате древесины возрастом 140 миллионов лет основными сахарами были глюкоза и манноза, а в древесине 180 миллионов лет они содержали глюкозу, маннозу и ксилозу. Здесь же отмечается, что в некоторых образцах возрастом 8500 лет содержалось больше полиоз, чем в более молодых, 900-летних образцах. Кроме того, при увеличении возраста от 300 до 100 000 лет отмечается непрерывный процесс усадки.
Ниже на рис.1 приведена фотография древесины лиственницы возрастом в 25000 лет. Её автору подарили коллеги из Воронежской Государственной Лесотехнической Академии. Образец находится в великолепной сохранности, лишь изменилась его окраска, что для старой древесины - норма.
Приведённые данные показывают, что в основе длительной сохранности древесины лежат определённые условия эксплуатации, и, если природа умеет консервировать материал на тысячелетия, следовательно, этому может научиться и человек.
Свойства древесины конструктивных элементов деревянных зданий возрастом 75-100 лет изучались в работе [108]. Исследовались кратковременная и длительная прочность, модули упругости, деформативность древесины сосны в различных напряженных состояниях.
Авторы отмечают, что после длительной эксплуатации древесина сохранила высокую прочность и жёсткость, хотя в сравнении со стандартными данными прочность оказывается ниже обычной, причём различие в прочности минимально при сжатии и изгибе (до 10%), «а наибольшее - при хрупких видах работ: растяжении (до 20%) и скалывании (до 30%)». Учитывая, что с возрастом древесина становится хрупкой (это отмечалось во многих работах), полученные данные кажутся вполне достоверными. Действие нагрузки в течение 27 лет снизило длительное сопротивление древесины, до значений 0,56-0,66, что не ниже, чем у обычной древесины сосны. В работе [39] при исследовании несущих балок деревянных сооружений, напротив, обнаружено увеличение ряда прочностных показателей. Японский физик Е. Фукада исследовал связь возраста древесины с модулем упругости и пьезоэл ектрич ескими её свойствами [163]. По данным Е. Фу кады у древесины до 1200 лет выдержки обе характеристики увеличиваются до 300 -летнего возраста, а затем снова уменьшаются. На той же древесине были проведены рентгеноструктурные анализы, и по их результатам автор делает вывод, что за время длительной службы целлюлоза меняют степень ориентации. Результаты другой работы, в которой исследовалась древесина до 2200 лет, наоборот, доказывают, что степень ориентации целлюлозы древесины столь длительной выдержки сохраняется [137].
В некоторых исследованиях отмечено увеличение при старении количества экстрактивных веществ, на что автор обратил внимание сотрудников института виноделия с предложением использовать его для ускоренного созревания коньячных спиртов, подвергая древесину искусственному старению [69,134]. Так, в [99,153] показано, что между качеством дистиллята и продолжительностью выдержки дубовой древесины имеется прямая связь. Образцы с высокой дегустационной оценкой отличались повышенным содержанием экстракта (0,67 г/л) и лигнина (0,26 г/л). Отметим ещё одну работу, связанную с археологической древесиной, т.к. она показывает направление изменений в структуре материала при длительных сроках службы. Это работа В.Е. Москалёвой [50].
Методика определения краевых углов смачивания
Предпосылкой проведения таких исследований послужило следующее соображение: поскольку при старении рвутся полимерные цепи, а на разорванных концах остаются активные радикалы, последние должны влиять на поверхностное натяжение, мерой которого и служит угол смачивания. Предположительно он должен был зависеть от возраста древесины.
Одновременно выясняли, как влияют смолистые вещества на поверхностное натяжение старой древесины. Для этого образцы (пластинки 2 -3 мм толщиной) выдерживали в спирте несколько дней, затем изымали их и протирали поверхность новой порцией спирта. После этого проводили определение углов смачивания. В качестве рабочей жидкости можно было использовать различные масла, глицерин, клеевые композиции. Все они были отвергнуты из-за уникальности древесины, а за основу была взята дистиллированная вода. Исследования проводились на кафедре гидротермической обработки древесины МГУЛ. Процесс измерения выглядел так. Образец укладывался на специальную стойку, затем из дозировочной пипетки на ее поверхность наносилась капля. Изображение капли фиксировалось оптической системой горизонтального микроскопа, снабженного специальной фотонасадкой и фотоаппаратом. В момент, когда капля обретала свою форму, оператор фотографировал картину, и после проявления пленки замерялись углы между поверхностью древесины и касательной, проведенной через точку контакта капли с материалом. Углы измеряли прямо на пленке (или проекции с нее) без изготовления отпечатков.
Форма капель на двух образцах разного возраста В связи с тем, что проводить датирование всегда приходилось не в стационарных условиях, а на выездах, определение краевого угла смачивания было отвергнуто как достаточно громоздкое. Здесь на первый план выходило требование мобильности методики и её простоты. В связи с этим доцентом Белорусского технологического института, к. т. н. Ю. В. Вихровым было предложено использовать время впитывания капли воды поверхностью древесины. Этот метод был успешно применён Ю.В. Вихровым в работе [14]. Кроме того, работы B.C. Мурзина и М.Л. Пинджояна, где было установлено влияние породы и продолжительности хранения древесины на смачиваемость, давали основание к проведению подобных исследований [56,64].
Апробация метода показала, что он оказывается чувствительным к возрастным изменениям и поэтому может быть использован? для решения поставленной задачи (впоследствии на этот метод датирования древесины был получен патент [70]).
В соответствии с принятой методикой работа осуществлялась следующим образом. На тыльной стороне изделия с помощью маленького рубанка на 2-3 участках поверхности снимались защитные слои и загрязнения. На эти участки в шахматном порядке (чтобы не сливались) наносились капли дистиллированной воды, и при этом отмечалось время нанесения. Когда вода впитывалась, и на поверхности древесины исчезали блики, снова фиксировали время. Определив разницу между конечным и начальным результатами, получали продолжительность процесса, которая и служила основной характеристикой при датировании.
В случае, если испытания проводились на образцах, их поверхность предварительно циклевалась, поскольку она при хранении окисляется.
Кроме дистиллированной воды апробировались омагниченная, талая вода, вода, в которой находился карельский шунгит (камень, имеющий слабую радиоактивность), и некоторые другие жидкости. Идея проведения данных испытаний на древесине разного возраста принадлежит профессору кафедры химии и биотехнологии лесного комплекса МГУЛ Ю.М. Евдокимову. Базируется она на связи поверхностного натяжения с адгезионной прочностью [53,54]. Кроме того, методика достаточно проста, мобильна и не требует специального аппаратурного обеспечения.
Предварительные исследования были проведены на кафедре химической технологии древесины МГУЛ. Методика измерения адгезионной прочности, заложенная в ГОСТ [17] и описанная в работах [22,128], заключалась в следующем: к образцу древесины приклеивалась липкая лента, и отслаивался ее конец. Затем образец зажимался горизонтально лентой вниз, и к отслоенному её концу прикреплялся груз, под действием которого лента начинала отрываться от подложки. В момент подвешивания груза включался секундомер, и определялось время отрыва. По времени и длине ленты определялась скорость отрыва, затем снова наклеивалась лента, подвешивался груз другой величины и процесс повторялся.
Испытания проводилась 3 раза, после чего строили график зависимости адгезионной прочности от скорости; сравнение адгезионных прочностей разных образцов проводили при скорости 0,3 см/сек.
Приведенная методика очень не удобна при работе с крупными изделиями, поэтому она была усовершенствована таким образом, чтобы давать показания адгезионной прочности сразу при одной скорости отрыва (0,1 см/сек), минуя операции многократного наклеивания ленты и нагружения, а также построения графика в координатах: адгезионная прочность - скорость отрыва.
Поставленные к методике требования были реализованы в адгезиометре (рис.5), сконструированном и изготовленным автором по идее не летавшего космонавта Е.Д. Пронина. Конструктивно адгезиометр представляет собой небольшую металлическую платформу, на которой} валом вверх укреплен малооборотный двигатель марки СД-60 мощностью 12 ватт. На вал надет барабан, диаметр которого (при известной скорости вращения вала) рассчитан таким образом, чтобьь скорость перемещенияточекнаего внешней боковой поверхности равнялась 0,1 см/сек.. К этой поверхности прикреплен тросик, а на его свободном конце - маленький захват ("крокодил"), который цепляется за отслоенный край липкой ленты.
Тросик проходит через два шкива,, жестко укрепленных на поворачивающемся диске. Повороту диска препятствует пружина. . Когда: включается двигатель, барабан, вращаясь, начинает тянуть тросик с захватом; и; лентой, отслаивая; её от поверхности, при этом; на шкивах диска появляется поворачивающий; момент, преодолевающий сопротивление пружины. На ободе диска укреплен поводок,, двигающий стрелку углов поворота.. Каждому углу соответствует определенное усилие отрыва, которое предварительно тарируется с помощью динамометра:
Методика определения термической устойчивости древесины
Исследования проводились в химико-технологическом отделе объединения "Росреставрация" в 1976 году. Они не ставили своей целью идентификацию каждого пика хроматограммы, потому что для этого не было возможностей, хотя такая задача вполне решаема. Полученные результаты оказались скромнее и показали лишь качественную картину: различие в содержании хроматограмм. Для анализов использовался микроколоночный жидкостной хроматограф "Миллихром" с длиной колонки 60 мм и диаметром 2 мм. Сорбентом служила окись кремния. Разделение компонентов на колонке происходило за счёт разницы в их сорбции. Поскольку индикация осуществлялась на спектрофотометре, вначале экспериментально была определена длина волны, при которой поглощение было максимальным и разделение компонентов на диаграмме производилось наилучшим образом. Это происходило при Х= 290 ммк. Аппаратура была настроена таким образом, что пик, соответствующий растворителю — спирту, гасился и на диаграмме не записывался.
Поскольку горению подвержены все деревянные постройки, это часто приводит к невосполнимым потерям памятников, исторических построек, художественных ценностей. Загоранию предшествует термическое разложение древесины - показатель, который у древесины разного возраста никогда не исследовался. Это и явилось побудительной причиной проведения подобных исследований, тем более что их результаты в дальнейшем могли;быть использованы для оценки загораемости саун, производственных помещений с деревянными конструкциями И .Т.П.".
Исследования проводились во ВНИИ5 пожарной охраны (ВНИИПО) на термоаналитическом комплексе "Du Pont - 9900" с термовесами ТГА-951. Навеска древесины подвергалась воздействию высоких температур в токе воздуха. Скорость нагревания составляла 20/сек, расход газа - 50 мл/сек; Диапазон нагревания в токе воздуха - 25 -500 С. Держателем образца служил платиновый тигель, а термопарой - хромель алюмель. Скорость съёма информации во время эксперимента составляла 30 точек в минуту. Обработка термоаналитических кривых проводилась с использованием специальных прикладных программ: "File Modification Utility" для первичной обработки файлов данных и "General Utility" для обработки ТА-кривых.
Для полной атрибуции художественных изделий всегда очень желательно знать регион, где они были созданы. Для изделий, состоящих из нескольких пород, решение такой задачи оказалось возможным и заключалось в следующем: вначале определялась каждая порода, затем устанавливали ее вид, например, липа мелколистная (Tilia cordata), после чего из атласа [95] зарисовывали на кальку ареал распространения каждого вида данной породы. Кальки ареалов всех входящих в изделие пород накладывались друг на друга, и определялась территория, внутри которой они произрастали совместно. (Если совмещать ареалы только пород без определения их вида, то эта территориям может оказаться очень велика). Регион изготовления изделий в данном случае определяется, например, так: Северная Европа, Кавказ и т.п.
Для анализа бралась только древесина, составляющая каркас изделия, а не облицовочные материалы, которые могли оказаться привозными. Определение древесных пород, их видов и ареалов распространения проводилось с. н. с. ЦНРШБ, к. б, н. Е.В. Гончаровой и сотрудником института судебных экспертиз P.M. Алиевой.
Необходимо отметить, что определение породы само по себе очень информативно и всегда заносится в паспортные данные художественного произведения. Например, если древнерусская живопись (иконы) нанесена на ольховую доску, сразу возникает предположение, что этот экспонат родом из северных областей страны, ибо такая живопись по традиции писалась на древесине липы, а ольху использовали в широтах, куда более теплолюбивая липа не доходила.
Работники музеев не знают пород древесины, поэтому дело иногда доходит до курьезов: по признанию сотрудников Государственной Третьяковской Галереи, вынужденных записывать хоть какие-нибудь паспортные данные, в каталогах могут появиться записи такого рода: "древесина розового цвета". 2.15 Методика определения плотности древесины разного возраста
Проведение исследований вызывалось тем, что в первую очередь необходимо было установить напряжения в так называемых четвериковых балках, на которые приходится основная масса памятника - два четверика. Брать из балок образцы для испытаний было невозможно, поэтому расчетчикам приходилось идти окольным путем, вычисляя нагрузку, приходящуюся на них.
Суть проводимой работы заключалась в том, чтобы неразрушающими методами, уже апробированными в исследованиях по датировке древесины, попытаться оценить напряжения в элементах конструкций. Для этого образцы старой древесины размерами 300 20 5 мм нагружались по стадиям через 0,05 Н/м от 0 до 0,2 Н/м" (диапазон напряжений был задан расчетчиками).
Нагружение производилось по двухточечной схеме. На верхние нажимные опоры ставился груз, создавая: заданную величину напряжений. Затем двумя тягами деформация образцов фиксировалась и нагрузка снималась. Чтобы напряжения- распределились равномерно, древесина выдерживалась в напряженном состоянии 16-18 часов в закрытом боксе, где поддерживалась определенная ее влажность (от 9 до 20%), затем образец вынимался из бокса и за 10 - 12 минут определялось время впитывания влаги (в одной серии) и адгезионная прочность (в другой серии). Одновременно с адгезией определялся электрический заряд, возникавший на липкой ленте при её отрыве с поверхности древесины. После испытаний производили нагружение большей нагрузкой, образцы снова помещали в бокс, и весь процесс повторялся.
Такая же последовательность операций выдерживалась и при исследовании влияния влажности на напряжённое состояние древесины. Предварительно для каждого образца была изготовлена индивидуальная опорная конструкция, вместе с которой его и помещали в бокс. Емкость бокса позволяла установить 17 таких конструкций.
Была проведена оценка напряжений бесконтактным методом с помощью спектров отражения. В этом случае образцы не кондиционировались до заданной влажности, просто, помещая их в полиэтиленовый мешок вместе с опорной конструкцией, сохраняли влажность древесины постоянной в течение опыта. Для снятия спектров образцы изымались из полиэтилена, а весь процесс измерения занимал не более 5 минут. 2.19 Материал для исследований В настоящее время в собранной автором коллекции имеются образцы старой древесины около 30 пород. Некоторые из них представлены ограниченным количеством образцов неопределенной датировки (например, XVIII век), другие охватывают незначительный возрастной диапазон, на многих было невозможно по разным причинам провести достаточное количество испытаний. В связи с этим в данной работе будут рассмотрены результаты исследований лишь четырёх древесных пород: ели, сосны, липы и дуба, которые позволяют представить, какие изменения происходят в древесине по мере её старения.
Определение адгезионной прочности древесины
Работа проводилась на древесине ели. На рис. 45 представлены ИК -спектры. Кривые красного цвета - спектры старой древесины, рядом с каждым из них приведен спектр современной ели для удобства сравнения и оценки возрастных изменений. По оси абсцисс отложены волновые числа, по оси ординат - оптическая плотность полос поглощения.
Полосы поглощения ИК-спектров основных компонентов и самой древесины очень сложны. На одном и том же волновом числе энергию поглощают различные функциональные группы. Обычно наблюдается сильная полоса поглощения в области 3000 — 3600 см 1, которую приписывают валентным колебаниям гидроксильных групп, включенных в водородные связи [32]. В полосе 1730 см " поглощают (3 - карбонильные и карбоксильные группы [148]. В работе описан метод количественного определения содержания ацильных групп в препаратах березовой древесины по ИК - спектрам. Отмечено, что при удалении гемицеллюлоз интенсивность полосы поглощения 1730 см-1 уменьшается или эта полоса полностью исчезает. Именно поэтому (с возрастом содержание гемицеллюлоз меняется) данная полоса была выбрана в качестве аналитической при оценке степени старения древесины. В работах [33,146] показано, что основной вклад в поглощение при 1595 см вносит лигнин (69 %) и значительно меньший (31%) - холоцеллюлоза и что данную полосу можно использовать для количественного определения лигнина по предварительно построенной калибровочной кривой. Полоса поглощения 1505 см"1 состоит из двух полос: 1515 и 1495 см-1 [157], Поглощение при 1495 см " относят за счёт колебаний бензольного кольца, тогда как поглощение при 1515 см " соотносят с наличием сопряженных связей в лигнине. Интенсивность полосы поглощения 1465 см-1 увеличивается с возрастанием метиленовых групп [148]. В этой работе указывается на зависимость интенсивности полосы поглощения 1425 см-1 от кристаллической структуры целлюлозы. Полосы поглощения 1375 и 1240 см 1 связаны в основном с углеводами, а полосу 1325 см-1 соотносят с деформационными колебаниями метиленовых: групп [148]. Полоса поглощения? 895 см-1 характерна для углеводов [149]. Надежных сведений в области 700 - 400 см -1 в литературе практически нет, поэтому данная область не рассматривалась. Для оценки возраста древесины полосы поглощениям 1730, 1505 и 895 смs"1 выбраны в качестве аналитических. Здесь по изменению оптической плотности в максимумах этих полос можно попытаться выявить механизм старения.
Из приведенных данных можно сделать следующие выводы: деструкция древесины представляет собой сложный многосторонний процесс, происходящий с изменением составных частей лигнина, гемицеллюлоз и других компонентов, а наиболее существенным в этом процессе является изменение концентрации ацетильных групп, входящих в состав гемицеллюлоз (полоса поглощения 1730 см"1); при искусственном старении древесины, основанном на высокотемпературной обработке, отмечается несколько иное изменение интенсивности полос поглощения по сравнению С ЄСТЄСТВЄННЬІМІ т.е. этот метод старения не полностью адекватен тому, что проходит в природных условиях [47]. 3.10 Исследование спектров отражения натуральной древесины и спектров люминесценции экстрактов из неё Ниже па рис. 49 показаны формы спектров отражения цельной древесины. Все спектры имеют одинаковый куполообразный характер. По оси абсцисс откладывается длина волны, по оси ординат - величина фототока.
Определение пористости длительно выдержанной древесины На рис. 61 приведены интегральные кривые зависимости удельного объёма пор от размеров их радиусов. В связи с тем, что эти кривые имеют для всех пород абсолютно идентичный характер, ниже приводятся лишь данные для одной породы - ели.
У древесины сосны некоторые образцы имеют два-три пика, которые, вероятно, с возрастом трансформируются в один, т.к. образцов с одним пиком оказалось довольно много. У древесины ели лишь два образца имеют по два типоразмера пор: это ель 1925 года и искусственно состаренная. Древесина липы имеет устойчивые два пика, относящиеся без сомнения к полостям и сосудам.
Из; приведённых данных видно, что пористая структура названных пород различна, и что в ней по-разному представлены анатомические элементы. Из них видно также, что закономерного изменения пористости с возрастом не выявляется. Кроме того, у состаренной древесины ели обнаруживается не адекватный естественному процессу старения результат (это выявлено и при исследовании ИК - спектров древесины) [75,76].
