Liquid water absorption in wood cladding boards and log sections with and without surface treatment

Abstract

Water absorption in wood in service is of great importance both because of the resulting dimensional changes of the wood and because of the risk of deterioration by microorganisms at wood moisture content levels above 20 %. Due to the strong position of wood as a constructional material in Norway, wood–water relationships are of major commercial importance. The effects of different surface treatments on water absorption in wood have been extensively studied, but the effects of wood with different properties in combination with different coatings are not as well documented. The main objective of this study was to investigate the effects of surface treatments and wood properties on liquid water absorption in Scots pine (Pinus sylvestris L.) and Norway spruce (Picea abies (L.) Karst). Scots pine log sections and cladding boards of both species have been subjected to study, as well as small decay test specimens in Scots pine and Robinia pseodoaccacia. In the process, different methods for analysis have been evaluated and the mechanisms behind water absorption, particularly in Norway spruce wood, have been studied. A procedure in accordance with a European standard but with substantially prolonged exposure times was used for liquid water exposure of cladding specimens, while a spraying rig was used for cyclic wetting and drying of log sections. An unforeseen fungal attack on several of the Scots pine log sections posed some challenges in the design of the log section experiment and interpretation of the results. On the other hand, it gave the opportunity to study the effect of incipient decay on liquid water uptake compared to effects of coatings and crack orientation. It also facilitated a test of an ultrasonic measurement apparatus for dynamic modulus of elasticity (MOE) on detection of incipient decay in specimens of large dimensions. The weight of the specimens was recorded regularly during the experiments, and modelling of the resulting curves was done in order to describe the moisture absorption and/or desorption in each specimen. The emphasis was on finding models that both gave close fits to the data and generated parameters that were few in number and easy to interpret. The development of water absorption in Scots pine log sections during cyclic wetting and drying was studied using a mechanistic growth model. The model did not fit perfectly to the data, both due to the way the measurements were done and to the nature of water uptake in partly uncoated wood. Two parameters derived from the model were useful in evaluating the effect of surface coatings, incipient decay and crack directions. Liquid water absorption in uncoated Norway spruce cladding specimens was modelled in two distinct phases, one governed by both diffusion and capillary flow and one governed by capillary flow alone. This was shown to describe the absorption in uncoated Norway spruce specimens satisfactorily. The parameters derived from the models (apparent diffusion coefficient and rate of void filling degree) were found useful in evaluating the effects of wood properties. If the relative performance of combinations of surface treatments and wood substrates with different properties are of interest, rather than analytical evaluation of the physical processes involved in water absorption, analyses of single measurements of the amount of absorbed water were shown to give sufficient information. The resulting moisture content was shown to give valuable information regarding the performance of the different wood types. The European standard procedure evaluated in this part of the study can be used to evaluate the combined effect of wood substrates and coatings, provided that the exposure time is prolonged. The permeability to water was higher in waterborne than in solvent-borne coating during wetting of cladding specimens. Regarding Scots pine log specimens, wood tar caused less accumulation of water than film-forming coatings did. Upwards-facing cracks caused faster absorption than downwards-facing cracks, but surface treatment had a larger effect than crack orientation. Incipient decay caused substantially increased water absorption, overriding both surface treatments and crack orientation. Ultrasonic dynamic MOE measurements were found to give valuable information regarding early decay detection, both in log section specimens and in small decay test specimens. Moisture conditions and temperature have to be taken into consideration in experimental planning if this measurement method is to be used. Transversal measurements on Scots pine log sections were not successful, possibly because of the mode of action of the decay fungus in question. Wood properties were shown to affect liquid water absorption both in coated and in uncoated cladding specimens. In coated specimens, the effect of differences between slow-grown and fast-grown Norway spruce was not statistically significant after short-term exposure (72 hours) but was very important after long-term exposure (4 weeks or more). Coated cladding specimens of slow-grown spruce absorbed larger amounts of water than those of fast-grown spruce, but this did not cause correspondingly larger moisture contents. When Scots pine heartwood was included the effect of wood type could be seen already after 72 hours. In uncoated Norway spruce larger effects of wood properties were found on capillary flow than on apparent diffusion, and heartwood proportion had larger effect than density. No effect from annual ring width was found, but origin (growth site) had significant effect when wood properties were accounted for. Thus, the good reputation slow-grown Norway spruce has as a cladding material is probably more due to large heartwood content than to high density or narrow annual rings.

Forståelse av vannopptak i tre i brukssituasjoner er svært viktig, både fordi vannopptak forårsaker dimensjonsforandringer og på grunn av risikoen for mikrobiell nedbrytning ved fuktinnhold i veden på over 20 %. Tre har en sterk posisjon som konstruksjonsmateriale i Norge, og problemstillinger knyttet til vann i ved er dermed kommersielt viktige. Effekter av ulike overflatebehandlinger på vannopptak i kledningsvirke har vært gjenstand for omfattende undersøkelser, men effekter av ulike virkesegenskaper i kombinasjon med ulike overflatebehandlinger er ikke like godt dokumentert. Hovedproblemstillingen i denne studien har vært å undersøke effekter av ulike overflatebehandlinger og virkesegenskaper på vannopptak i furu (Pinus sylvestris L.) og gran (Picea abies (L.) Karst). Materialet har bestått av prøver av kledningsbord i gran og kjerneved av furu, samt seksjoner av laftestokker i furu og små prøver fra en råtesopptest i furu og Robinia pseudoaccacia. En framgangsmåte for testing av opptak av flytende vann i henhold til en europeisk standard ble brukt på kledningsprøvene, men med sterkt forlenget eksponeringstid. Laftestokkseksjonene ble utsatt for syklisk oppfukting og nedtørking ved hjelp av flyttbare stativer og et dysearrangement. Et uforutsett råtesoppangrep på flere av laftestokkseksjonene bød på enkelte utfordringer i utformingen av forsøket og tolkningen av resultatene. På den annen side ga det muligheten til å undersøke effekten av et begynnende råtesoppangrep på vannopptaket, sammenlignet med effektene av overflatebehandling og sprekkretning. Det ga også anledning til å teste et ultralydapparat for måling av dynamisk elastisitetsmodul (Emodul) i detektering av begynnende råte på treprøver med store dimensjoner. Vekten av prøvene ble målt regelmessig i løpet av hvert eksperiment, og det ble laget kurver som beskrev fuktopptaket i hver prøve. Modelltilpasning til disse kurvene ble gjort for å kunne beskrive fuktopptaket ved hjelp av få, lett tolkbare parametre. Fuktutviklingen i laftestokkseksjoner av furu under syklisk oppfukting og nedtørking ble studert ved hjelp av en mekanistisk vekstmodell. Modellen ga ikke perfekte tilpasninger til dataene, både på grunn av måten målingene ble gjort på og på grunn av mekanismene bak vannopptak i delvis ubehandlet tre. To parametre utvunnet fra modellen var nyttige i evalueringen av effektene av overflatebehandling, sprekkretning og et begynnende råtesoppangrep. Opptak av flytende vann i ubehandlete kledningsprøver av gran ble modellert i to separate faser, én styrt av både diffusjon og kapillærstrøm og én styrt kun av kapillærstrøm. Dette ble vist å beskrive opptaket i ubehandlete granprøver på en tilfredsstillende måte. Parametrene som ble utvunnet fra modellene (den tilsynelatende diffusjonskoeffisienten og raten til porefyllingsgraden) ble funnet nyttige i evalueringen av effektene av ulike virkesegenskaper. Analyse av enkeltmålinger ble vist å gi tilstrekkelig informasjon dersom det er den innbyrdes rangeringen av ulike kombinasjoner av overflatebehandling og substrater med ulike virkesegenskaper man ønsker å undersøke, snarere enn å foreta en analytisk evaluering av de fysiske prosessene involvert i vannopptaket. Fuktinnholdet gitt av vannopptaket i den enkelte prøve ble vist å gi verdifull informasjon om oppførselen til ulike virkestyper. Med forlenget eksponeringstid kan den europeiske standardprosedyren som ble vurdert i denne delen av studien med fordel benyttes til å evaluere den kombinerte effekten av overflatebehandling og virkesegenskaper. Vannløst maling hadde høyere permeabilitet for flytende vann enn løsemiddelløst maling under oppfukting av kledningsprøver. Tretjære ga mindre akkumulering av vann enn filmdannende maling under syklisk oppfukting og nedtørking av laftestokkseksjoner. En stor sprekk orientert oppover ga raskere vannopptak enn én stor sprekk orientert nedover, men overflatebehandling hadde større effekt enn sprekkretning. Et begynnende råtesoppangrep ga svært mye større vannopptak, og overstyrte både overflatebehandling og sprekkretning. Måling av dynamisk E-modul med ultralydapparat ble vist å kunne detektere begynnende råtesoppangrep, både på laftestokkseksjoner og på små prøver til råtetesting. Fuktinnhold og temperatur må tas med i betraktningen ved bruk av denne målemetoden. E-modulmåling i tverretning på laftestokkseksjonene fungerte ikke, muligens på grunn av hvordan den aktuelle råtesoppen bryter ned trevirket. Virkesegenskaper ble vist å ha effekt på vannopptak både i overflatebehandlete og ubehandlete kledningsprøver. Effekten av forskjeller mellom hurtigvokst og seinvokst gran var ikke statistisk signifikant i overflatebehandlete prøver etter kort eksponering (72 timer), men var svært viktig etter lengre eksponering (fire uker eller mer). Overflatebehandlete prøver av seinvokst gran tok opp større mengder vann enn prøver av hurtigvokst gran, men fuktinnholdet ble allikevel høyest i hurtigvokst gran. Når prøver av furukjerneved ble tatt med i betraktningen, kunne effekten av virkestype sees allerede etter 72 timer. I ubehandlet gran ble det funnet større effekt av virkesegenskaper i fasen med ren kapillærstrøm enn i fasen med ”tilsynelatende diffusjon”, og kjernevedinnhold var viktigere for vannopptaket enn densitet. Det ble ikke funnet noen effekt av årringbredde, men opphav (voksested) hadde signifikant effekt selv om det var tatt høyde for virkesegenskaper. Dermed kan kjernevedinnhold være viktigere for det gode omdømmet til seinvokst gran som kledningsmateriale enn høy densitet eller smale årringer.