DETERMINATION OF CHANGES IN WATER ABSORPTION AND COMPRESSION STRENGTH PARALLEL TO THE GRAIN OF WOOD EXPOSED TO VARIOUS DETERIORATION TYPES

Öz

Wood is a three-dimensional, polymeric, and biodegradable material composed primarily of cellulose, hemicellulose, and lignin as its main structural constituents. Consequently, when exposed to outdoor conditions, wood deteriorates due to abiotic and biotic factors. Among biotic agents, fungi and insects play a significant role in wood degradation by breaking down wood components into simpler constituents. As a result, the physical, mechanical, and chemical properties of wood are altered, reducing its service life. In this study, water absorption behavior and compression strength parallel to the grain of wood exposed to various biotic factors in natural environments (blue stain, spalting, white-rot and brown-rot fungi, and insect attacks) were investigated. For this purpose, wood samples subjected to the specified deterioration types were cut into dimensions of 2 × 2 × 3 cm and divided into two groups. After determining oven-dry weights, specimens in the first group were immersed in water for a total of 264 hours. During this period, samples were removed from water at predetermined intervals, and water absorption rates and volumetric swelling coefficients were calculated. For the second group, compression strength parallel to the grain was determined. The results revealed that brown-rot fungi rapidly degraded hemicellulose and cellulose, transforming wood into a brittle, cracked structure, resulting in extreme water absorption of up to 360% and the highest volumetric swelling (20.7%). In contrast, insect damage produced the lowest swelling values due to the “volumetric buffer” effect of galleries, while structural voids reduced compression strength to critical levels (12 N/mm²). Blue-stain fungi largely preserved structural integrity and strength, whereas white-rot fungi gradually weakened physical properties by more balanced degradation of lignin and carbohydrates. Overall, brown rot and insect attack were identified as the biotic factors that most severely compromise both dimensional stability and compression strength parallel to grain.

Anahtar Kelimeler

• Wood degradation
• white rot
• brown rot
• blue stain
• spalted wood
• compression strength
• water absorption
• swelling

ÇEŞİTLİ BOZUNMALARA MARUZ KALAN ODUNUN SU ALMA ORANI VE LİFLERE PARALEL BASINÇ DİRENCİNDEKİ DEĞİŞİMİN BELİRLENMESİ

Öz

Odun, temel yapı taşı selüloz, hemiselüloz ve ligninden oluşan üç boyutlu polimerik ve biyobozunur bir malzemedir. Bu sebeple açık hava koşullarında kullanıldığında, abiyotik ve biyotik faktörlerin etkisi nedeniyle bozunur. Biyotik faktörlerden mantarlar ve böcekler, ahşap degradasyonunda önemli rol oynamakta olup, odun bileşenlerini başlangıç maddelerine indirgemektedirler. Bunun sonucu olarak, odunun fiziksel, mekanik ve kimyasal özellikleri değişmekte ve hizmet ömrü kısalmaktadır. Bu çalışmada, doğada çeşitli biyotik faktörlerin (mavi renklenme, ardaklanma, beyaz ve esmer çürüklük mantar ile böcek saldırıları) etkisine maruz kalmış odunların su alma özellikleri ve liflere paralel basınç direnci incelenmiştir. Bu amaçla doğada belirtilen bozunmalara uğramış odunlar 2 x 2 x 3 cm boyutlarında kesilmiş ve 2 gruba ayrılmıştır. İlk gruptaki örnekler tam kuru ağırlıkları alındıktan sonra su içerisinde toplam 264 saat boyunca bekletilmiş ve bu sürede örnekler belirli periyotlarda sudan çıkartılarak su alma oranı ile hacimsel genişleme katsayıları hesaplanmıştır. 2. Gruptaki örneklerin ise liflere paralel basınç direnci belirlenmiştir. Çalışma sonucunda, esmer çürüklük mantarının, hemiselüloz ve selülozu hızla degrade ederek odunu gevrek ve çatlaklı bir yapıya dönüştürdüğü, %360 gibi ekstrem su alma oranları ve %20,7 ile en yüksek hacimsel genişlemeye yol açtığı saptanmıştır. Buna karşılık böcek tahribatı, açılan galerilerin bir “hacimsel tampon” görevi görmesi nedeniyle en düşük genişleme değerini verirken, yapısal boşluklar sebebiyle basınç direncini kritik seviyelere (12 N/mm2) düşürmüştür. Mavi renk mantarının yapısal bütünlüğü ve direnci büyük oranda koruduğu, beyaz çürüklüğün ise lignini ve karbonhidratları daha dengeli parçalayarak fiziksel özellikleri kademeli olarak zayıflattığı belirlenmiştir. Sonuç olarak, esmer çürüklük ve böcek saldırısının odunun hem boyutsal kararlılığını hem de liflere paralel basınç direncini en ağır şekilde tahrip eden biyotik faktörler olduğu tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Odunun bozunması
• beyaz çürüklük
• esmer çürüklük
• mavi renklenme
• basınç direnci
• su alma
• genişleme

Kaynakça

1. Atılgan A. (2023). Ekolojik döngüde organik koruyucu yağların ahşap malzemede fiziksel performansı düzeyine etkileri. in “Tarım, orman ve su bilimlerinde güncel yaklaşımlar,” V. Çavuş and G. Şen, Eds., Duvar Yayınları, İzmir, Türkiye (2023), pp. 7-29
2. Berkel A., Bozkurt Y. & Göker Y. (1978). Kayında ardaklanma, meşede kahverengi şeritlilik ile her iki ağaç cinsinde çatlamanın önlenmesi üzerine bir deneme. Journal of the Faculty of Forestry Istanbul University, 28(1), 16-16. https://doi.org/10.17099/jffiu.78773
3. Bozkurt A. Y. & Erdin N. (2011). Ağaç teknolojisi. İstanbul Üniversitesi yayın No:5029, Orman Fakültesi Yayın No:445. İstanbul, Türkiye.
4. Bozkurt A. Y. Erdin N. & Ünlügil H. (1995). Odun patolojisi. İstanbul Üniversitesi Yayınları, ISBN: 9789754044034, İstanbul, Türkiye.
5. Bozkurt Y. & Erdin N. (1997). Ağaç teknolojisi. İstanbul Üniversitesi Orman Fakültesi Yayın No. 3998, Orman Fakültesi yayın No. 445, İstanbul, Türkiye.
6. Brischke C. & Meyer-Veltrup L. (2015). Moisture content and decay of differently sized wooden components during 5 years of outdoor exposure. European Journal of Wood and Wood Products, 73(6), 719-728. https://doi.org/10.1007/s00107-015-0960-7
7. Brischke C. & Alfredsen G. (2020). Wood-water relationships and their role for wood susceptibility to fungal decay. Applied Microbiology and Biotechnology, 104(9), 3781–3795. https://doi.org/10.1007/s00253-020-10479-1
8. Can A. (2014). Endüstriyel ölçekli ısıl işlem ve borlu bileşiklerle emprenyenin odunun bazı fiziksel, mekanik ve biyolojik özelliklerine etkisi. [Unpublished master dissertation]. Karadeniz Teknik Üniversitesi.

9. Çetin F. & Gündüz G. (2016). Türkiye’deki bazı ağaç türü odunlarının fiziksel özellikleri üzerine yapılan araştırmaların değerlendirilmesi. Bartın Orman Fakültesi Dergisi, 18(2), 175–193. https://doi.org/10.24011/barofd.267294
10. Dmitrenkov A., Tomina E., Nikulin S. and Zhuzhukin K. (2024). The use of nanoscale silicon oxide to improve the properties of natural wood. BIO Web of Conferences, (145). https://doi.org/10.1051/bioconf/202414502009
11. Dündar T. Ahşabın fiziksel özellikleri. In “Ahşap: Doğal ve yenilenebilir mühendislik malzemesi,” T. Akbulut, Ed., İÜC Üniversite Yayınevi, İstanbul, Türkiye (2024), pp. 35-54.
12. Erdin N. (2009). Ahşap konservasyonu. İstanbul Üniversitesi Orman Fakültesi Yayınları No.492, İstanbul, Türkiye.
13. Eriksson, K.-E. L., Blanchette, R. A., and Ander, P. (1990). Microbial and Enzymatic Degradation of Wood and Wood Components, Springer Series in Wood Science, Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg. DOI: 10.1007/978-3-642-46687-8
14. Haftkhani A. R., Abdoli F., Rashidijouybari I., Shalbafan A. & Chirkova J. (2022). Prediction of water absorption and swelling of thermally modified fir wood by artificial neural network models. European Journal of Wood and Wood Products, (80), 1135–1150. https://doi.org/10.1007/s00107-022-01839-x
15. Kaya A. I. (2023). Combined effects of linseed oil and heat treatment on the properties of cypress and maple wood. BioResources, 18(2), 2936-2952. https://doi.org/10.15376/biores.18.2.2940-2963
16. Kononov G. N., Verevkin A. N., Serdyukova Y. V. & Zaitsev V. D. (2020). Mycolysis of wood and biological processes of mycological destruction. Forestry Bulletin, 24(5), 89–96. https://doi.org/10.18698/2542-1468-2020-5-89-96
17. Kutz, M. (2005). Handbook of Environmental Degradation of Materials, William Andrew Publishing, New York.
18. Maeda K., Ohta M. & Momohara I. (2015). Relationship between the mass profile and the strength property profile of decayed wood. Wood Science and Technology, (49), 331–344. https://doi.org/10.1007/s00226-014-0696-2
19. Malakani M., Khademıeslam H., Hosseınıhashemı S.K. & Zeınaly F. (2013). Influence of fungal decay on chemo-mechanical properties of beech wood. Cellulose Chemistry and Technology, 47(9-10), 753–761. https://cellulosechemtechnol.ro/pdf/CCT1-2(2014)/p.97-103.pdf
20. Matsumoto K., Ishiguri F., Iizuka K., Yokota S., Habu N. & Yoshizawa N. (2010). Evaluation of compression strength of decayed wood in Magnolia obovata. Arboriculture and Urban Forestry, 36(5), 187–192. https://doi.org/10.48044/jauf.2010.011
21. Oh S. C. (2021). Residual strength estimation of decayed wood by insect damage through in situ screw withdrawal strength and compression parallel to the grain related to density. Journal of the Korean Wood Science and Technology, 49(6), 541–549. https://doi.org/10.5658/wood.2021.49.6.541
22. Peng L.M., Fu F., Song B.Q. & Liu M.H. (2017). Changes of microscopic structures and sound absorption properties of decayed wood. Wood Research, 62(5), 721–730. http://www.woodresearch.sk/cms/wp-content/uploads/2021/09/Changes-of-microscopic-structures-and-sound-absorption-properties-of-decayed-wood.pdf
23. Reinprecht L. (2016). Wood deterioration, protection and maintenance. Wiley-Blackwell Online Library. https://doi.org/10.1002/9781119106500.fmatteropen_in_new
24. Schmidt, O. (2006). Wood and Tree Fungi, Springer Berlin Heidelberg.
25. Schwarze, F. W. M. R., Engels, J., and Mattheck, C. (2000). Fungal Strategies of Wood Decay in Trees, Through a Review of Wood Pathology and Decay Biology, Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg. DOI: 10.1007/978-3-642-57302-6
26. Thybring E.E. (2017). Water relations in untreated and modified wood under brown-rot and white-rot decay. International Biodeterioration and Biodegradation, (118), 134–142. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2017.01.034
27. Topaloğlu E. (2013). Doğu kayınının odun özellikleri üzerine bazı yetişme ortamı koşullarının etkisi [Unpublished doctoral dissertation]. Karadeniz Teknik Üniversitesi.
28. Verbist M., Branco J.M. & Nunes L. (2020). Characterization of the mechanical performance in compression perpendicular to the grain of insect-deteriorated timber. Buildings, 10(1), 14. https://doi.org/10.3390/buildings10010014
29. Wang X., Xu Q., Wang X., Guo J., Cao W. & Xiao C. (2020). Strength degradation of wood members based on the correlation of natural and accelerated decay experiments. Journal of Renewable Materials, 8(5), 565–577. https://doi.org/10.32604/jrm.2020.09020
30. Witomski P., Olek W., and Bonarski J.T. (2015). Changes in strength of Scots pine wood decayed by brown rot (Coniophora puteana) and white rot (Trametes versicolor). Construction and Building Materials, (101), 134–140. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.10.109
31. Yıldız Ü.C. (2005). Odun zararlıları ders notu. Karadeniz Teknik Üniversitesi.
32. Zabel R. A. & Morrell J. J. (1992). Wood microbiology: Decay and its prevention (2nd ed.). Academic Press. 10.1016/C2018-0-05117-8.