Les/Wood, Vol. 67, No. 1, June 2018 5 Vol. 67, No. 1, 5-14 DOI: h8ps://doi.org/10.26614/les-wood.2018.v67n01a01 SPREMEMBE FIZIKALNIH LASTNOSTI HRASTOVEGA LESA IZ ZGODOVINSKIH KONSTRUKCIJ V ŽIVLJENJSKI DOBI CHANGES IN PHYSICAL PROPERTIES OF OAK WOOD FROM HISTORICAL CONSTRUCTIONS DURING SERVICE LIFE Aleš Straže1*, Matjaž Dremelj1, Ervin Žveplan1, Katarina Čufar1 Izvleček / Abstract Izvleček: Raziskali smo fizikalne lastnos1 hrastovega lesa (Quercus sp.), pri katerem je od poseka minilo od 4 do 512 let in smo ga razdelili v stoletne starostne skupine 100-600. Mlajši les smo pridobili ob poseku dreves, starejši les pa iz zgodovinskih konstrukcij v Sloveniji. Izbrani les smo najprej dendrokronološko da1rali, izdelali normirane vzorce za analize ter določili gostoto, barvo, dimenzijsko stabilnost in sorpcijske lastnos1. Vizualno in v CIELab barvnem prostoru smo ugotovili, da je barva jedrovine s starostjo postala temnejša. Pri starem hrastovem lesu smo ugotovili tudi manjšo higroskopnost in izboljšano dimenzijsko stabilnost, zlas1 v tangencialni smeri, ter manjšo prečno krčitveno anizotropijo. Gostota hrastovega lesa se s staranjem ni spremenila, odvisna pa je bila od širine branik (naraščala je z večanjem deleža kasnega lesa). Rezulta1 nakazujejo, da na dimenzijsko stabilnost in higroskopnost poleg procesov staranja ver- jetno vpliva tudi mesto vgradnje in klimatska nihanja tekom uporabe lesa. Ključne besede: les, hrast (Quercus sp.), staranje, barva, higroskopnost, dimenzijska stabilnost, sorpcija Abstract: We examined the physical proper1es of oak wood (Quercus sp.) felled four to 512 years ago, grouped in age groups of 100-600 years. The wood originated from recently felled trees and from historical construc1ons in Slovenia. The selected wood was dendrochronologically dated. We made standardized samples and determined wood density, colour, dimensional stability and sorp1on proper1es. Visual and CIELab analyses showed that the colour of the heart- wood became darker with age. Historical oak wood was characterised by lower hygroscopicity and higher dimensional stability, especially in the tangen1al direc1on, as well as reduced transverse shrinkage anisotropy compared to recently felled wood. The density of oak wood did not change with age, it was dependent on tree-ring widths and the propor1on of latewood, and increased along with the propor1on of latewood. Besides ageing, the loca1on of wood during its service life and exposure to climate fluctua1ons also seemed to influence the dimensional stability and hygroscopicity of historical oak. Keywords: wood, oak (Quercus sp.), ageing, colour, hygroscopicity, dimensional stability, sorp1on in je le delno pojasnjen. Večinoma ga razumemo kot počasno degradacijo materiala, ki je posledica blagih kemijskih sprememb in nihanj notranjih napetos7 zaradi higroskopne narave lesa in viskoelas7čnos7 materiala (Kranitz, 2014; Matsuo et al., 2011). Proces naravnega staranja lesa večinoma velja za počasen in blag oksida7ven proces zaradi kisika v zraku ali raztopljenega v vodi, in hidrolize zaradi vse- bnos7 kislin in vezane vode v lesu (Matsuo et al., 2011). Posledice staranja lesa se odražajo v njegovih lastnos7h, kot npr. spremembi barve, spremenjeni higroskopnos7 in dimenzijski stabilnos7 ter tudi spremembi nekaterih mehanskih lastnos7h, kot je npr. zmanjšanje udarne žilavos7 (Hudson McAulay, 2016; Kranitz, 2014). Na spremembo barve v lesu 1 UVOD 1 INTRODUCTION Les je naravni polimerni kompozit, ki je v času nastajanja v drevesu in v uporabi izpostavljen bio- degradaciji, površinskim strukturnim spremembam in tudi staranju. V nekaterih pogojih uporabe lesa, zlas7 ko gre za rabo lesa v notranjih prostorih, imata prva dva dejavnika lahko zanemarljiv učinek, glav- nina sprememb v materialu pa je posledica narav- nega staranja. Potek naravnega staranja lesa v našem geografskem območju še ni povsem raziskan 1 Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za le- sarstvo, Jamnikarjeva 101, 1000 Ljubljana, SLO * e-pošta: ales.straze@bf.uni-lj.si UDK 630*814.7:630*812 Izvirni znanstveni članek / Original scien7fic ar7cle Les/Wood, Vol. 67, No. 1, June 2018 Straže, A., Dremelj, M., Žveplan, E., & Čufar, K.: Changes in physical proper7es of oak wood from historical construc7ons during service life 6 imajo pomemben vpliv ekstrak7vne snovi v celični steni, ker njihovi deleži s staranjem pri večini lesnih vrst naraščajo (Fengel & Wegener, 1989). Ugotovitve različnih študij se nekoliko razlikujejo - pri stari hra- stovini so nekateri avtorji ugotovili povečan delež ekstrak7vov (Kranitz, 2014), nekateri pa neznačilne razlike med recentno in staro hrastovino (Gawron et al., 2012). Ob staranju lesa so pri večini lesnih vrst zaznali upadanje svetlos7 barve, hkra7 pa so zabe- ležili tudi povečanje njene kroma7čnos7. To so ugo- tovili tudi pri 210 let stari hrastovini (Kranitz, 2014). Poleg spremembe deleža ekstrak7vov se pri naravnem staranju lesa najpogosteje omenja tudi razgradnja hemiceluloz, ki so najmanj stabilne kom- ponente lesa (Fengel & Wegener, 1989). Z IR-spek- troskopskimi kemometričnimi kot tudi z analitskimi kemijskimi raziskavami so ugotovili zmanjšanje de- leža pros7h hidroksilnih skupin predvsem pri hemi- celulozah, kar posledično privede do zmanjšanja hidrofilnos7 in s tem do manjše ravnovesne vlažno- s7 lesa in večje dimenzijske stabilnos7 (Nilsson & Rowell, 2012). Prav tako so zaznali spremembe v stopnji kristaliničnos7 celuloze, ki se s staranjem hrastovega lesa povečuje (Gawron et al., 2012; Ko- hara & Okamoto, 1955). To pojasnjujejo z ustvarja- njem novih intermolekulskih vezi med celuloznimi verigami v amorfnih področjih. Povečanje stopnje kristaliničnos7 celuloze ima za posledico manjše na- brekanje lesa, manjšo higroskopnost ter višjo go- stoto, trdoto in trdnost lesa. V zgodovinskih stavbah so pohištvo, leseni izdelki in konstrukcije izpostavljeni spremenljivim klimatskim pogojem, ki imajo za posledico tudi di- menzijske spremembe lesa. Zaradi prečne krčitvene anizotropije lesa ter hkratnem pojavu vlažnostnih gradientov, ki jih povzroča nihanje klime, se ne- nehno spreminjajo notranje napetos7 (Kranitz, 2014) posledično pa tudi spremembe geometrije, kar lahko privede do ireverzibilnih strukturnih de- formacij lesa (Gorišek, 2009). Počasnejše spremem - be fizikalnih lastnos7 lesa tekom življenjske dobe izdelkov lahko pričakujemo pri predme7h večjih dimenzij in pri gostejših lesnih vrstah z manjšo difu- zivnostjo za vodno paro. Cilji te raziskave so bili, da na vzorcih dobro ohranjenega hrastovega lesa, posekanega v različnih obdobjih zadnjih 600 let, preverimo njegove fizikal - ne in sorpcijske lastnos7, ki so povezane s procesom staranja materiala. V ta namen smo podrobneje raz - iskali barvo, higroskopnost na širšem vlažnostnem območju, dimenzijsko stabilnost in gostoto lesa. 2 MATERIAL IN METODE 2 MATERIALS AND METHODS 2.1 VZORČENJE LESA 2.1 SAMPLING OF WOOD Iz arhiva vzorcev lesa Oddelka za lesarstvo smo izbrali 32 prečnih odrezkov v zadnjih le7h posekanih dreves ter hrastovih tramov iz ostrešij, nadstropnih konstrukcij, sten brunaric in drugih delov različnih ob- jektov po Sloveniji, ki so bili predhodno raziskani v ra- zličnih dendrokronoloških študijah (Preglednica 1). 2.1.1 Dendrokronološka analiza in priprava preizkušancev 2.1.1 Dendrochronological analysis and sample preparation Odrezke lesa za dendrokronološko raziskavo smo zbrusili na tračnem brusilnem stroju z brusnimi papirji granulacij št. 80, 120, 180, 240, 280, 320 in 400 in jih skenirali pri ločljivos7 1200 dpi ter od pe- riferije pro7 strženu določili smer merjenja širin bra- nik. Za merjenje širin branik ter širin ranega in kasnega lesa smo uporabili računalniški program CooRecorder 8.1.1, da7ranje pa smo izvedli s pro- gramom TSAPWin. Zaporedje širin branik posamez- nega odrezka smo da7rali z izboljšano standardno regionalno slovensko referenčno kronologijo hrasta (Čufar et al., 2008). S tem smo za vsako braniko na odrezku določili leto nastanka. Za vsak odrezek smo na osnovi datuma zadnje branike pod skorjo ugotovili tudi leto poseka dre- vesa. Če skorja ni bila ohranjena, smo leto poseka drevesa ocenili, v pomoč nam je bil podatek o ohra- njenos7 beljave (Čufar et al., 2013). Leto poseka lesa smo šteli kot začetek staranja lesa. Na obodu odrez- kov smo določili mesto kvadratov dimenzij 40 mm × 40 mm in nato izžagali preizkušance za nadaljnje raz - iskave (slika 1). 2.1.2 Določanje barve in gostote lesa 2.1.2 Determination of colour and density of wood Barvo lesa smo določali na izžaganih kockah lesa iz prečnih odrezkov (slika 2), nominalnih dimen- zij 40 mm × 40 mm × 40 mm, po standardizirani CIE- Straže, A., Dremelj, M., Žveplan, E., & Čufar, K.: Spremembe fizikalnih lastnos7 hrastovega lesa iz zgodovinskih konstrukcij v življenjski dobi Les/Wood, Vol. 67, No. 1, June 2018 7 Lab metodologiji. Na vsaki kocki smo na radialni po- vršini s kolorimetrom X-Rite (OptotronikTM) opravili po dve meritvi, ter določili L* koordinato svetlos7 barve, ter barvni koordina7 a* in b*. Določili smo še zasičenost oz. barvno kroma7čnost C* (En. 1). Ce- lotno razliko barve lesa (ΔE*), kot posledice staranja, glede na referenčno vrednost pri recentnem lesu smo določili po enačbi 2. (1) (2) Kockam lesa, ki so bile uravnovešene v labora- torijskih pogojih pri 20 °C in 50 % rela7vni zračni vlažnos7, smo določili še maso (Δm = ± 0,001 g) ter dimenzije (Δx = ± 0,01 mm) za izračun volumna. Na podlagi teh meritev smo izračunali gostoto lesa, uravnovešenega pri navedenih pogojih (Gorišek, 2009). C a b * * * ( ) ( )   2 2    E L a b * * * * ( ) ( ) ( )   2 2 2 2.1.3 Določanje higroskopnosti in dimenzijske stabilnosti lesa 2.1.3 Determination of hygroscopicity and dimensional stability of wood Higroskopnost in dimenzijsko stabilnost lesa smo določali v sušilnem kanalu TLS-01 (Kambič d.o.o.), kjer smo tanke orien7rane preizkušance (40 mm × 40 mm × 5 mm), izžagane iz kock, pri 20 °C izposta - vili različni zračni vlažnos7 (od 0 % do 90 % zračne vlažnos7; Δφ = 10 %) v adsorpcijskem in desorpcij- skem procesu (slika 2). Po uravnovešenju (Δt = 24 h; Δm ≤ 0,1 %) smo preizkušance stehtali in jim določili ravnovesno vlažnost (ur) ter izmerili prečne dimen- zije (R, T). Na dobljenih sorpcijskih izotermah smo z razmerjem ravnovesne vlažnos7 lesa v adsorpciji (urAD) in desorpciji (urDES) določili še velikost histe- rezne zanke. Za določanje dimenzijske stabilnos7 smo v pro- cesu adsorpcije (T = 20 °C) izbrali dimenzije in maso preizkušancev pri spodnji (φ = 20 %) in zgornji meji (φ = 80 %) linearnega higroskopskega območja lesa. Slika 1. Odrezek z oznakami meritev po da1ranju in določitev mesta odvzema preizkušanca za raziskave (bel kvadrat). Leto poseka drevesa in začetek naravnega staranja lesa smo določili na osnovi datacije zadnje branike pod skorjo (1531). Da1rali smo vse branike. Preizkušanec (bel kvadrat) je vseboval branike, nastale med le1 1505 in 1520. Figure 1. Oak wood with measurement marks a!er da1ng and loca1on of the test sample (white square). The year of tree felling, i.e., the beginning of natural aging of wood was defined based on the date of the last formed tree-ring under the bark (1531). We dated all tree-rings. The sample within the white square contained tree-rings formed between 1505 and 1520. Les/Wood, Vol. 67, No. 1, June 2018 Straže, A., Dremelj, M., Žveplan, E., & Čufar, K.: Changes in physical proper7es of oak wood from historical construc7ons during service life 8 Preglednica 1. Hrastovi preizkušanci različne staros1 in podatki: število branik na odrezku, leto zadnje branike (dendrokronološka datacija zadnje branike blizu skorje), starost - leta po poseku (čas v le1h od poseka do izvedbe eksperimenta). Vzorci v starostni skupini 100 so pridobljeni iz posekanih dreves, vzorci iz starostnih skupin 300-600 pa izvirajo iz zgodovinskih konstrukcij z oznakami: ABH* – Banova hiša (Čufar et al., 2013), STI* - zvonik cerkve samostana S1čna (Vovk, 2003), PIS* – grad Pišece (Čufar et al., 2014). Table 1. Oak samples of various ages with the following data: number of rings on the sec1on, end date – year of the outermost tree-ring forma1on (dendrochronological da1ng of the last ring below the bark), age – years a!er tree felling (1me between tree felling and execu1on of experiment), and age group. Samples in the age group 100 originate from recently felled trees, samples from the age groups of 300-600 originate from historical structures ABH * – Ban’s house (Čufar et al., 2013), STI* – bell tower of the church of the S1čna Cistercian monastery (Vovk, 2003), PIS* – the castle of Pišece (Čufar et al., 2014). Šifra / Code Število branik / Number of rings Leto zadnje branike / End Date Starost - leta po poseku / Years after tree felling Starostna skupina / Age group ROZ01B 123 2013 4 100 ROZ02B 116 2013 4 ROZ05B 97 2013 4 ROZ20B 156 2013 4 ROZ10B 97 2012 5 SRE13A 138 2002 15 TIV02A 156 1995 22 MOST-A 102 1994 23 SOČ09B 78 1994 23 TIV01CA 261 1994 23 VRH02A 100 1994 23 VEL07B 162 1993 24 ABH08A 80 1735 282 300 ABH33A 55 1703 314 400 STI51A 118 1666 351 STI16A 170 1661 356 STI27A 127 1648 369 STI01A 89 1645 372 STI50A 84 1643 374 STI15A 71 1640 377 ABH05A 79 1630 387 STI21A 91 1613 404 500 ABH24A 103 1611 406 STI22A 62 1609 408 ABH17A 48 1587 430 STI24A 65 1578 439 ABH06A 110 1567 450 ABH01A 42 1532 485 PIS07A 33 1514 503 600 PIS14A 46 1512 505 PIS04A 22 1509 508 PIS15A 33 1505 512 Straže, A., Dremelj, M., Žveplan, E., & Čufar, K.: Spremembe fizikalnih lastnos7 hrastovega lesa iz zgodovinskih konstrukcij v življenjski dobi Les/Wood, Vol. 67, No. 1, June 2018 9 Slika 2. Kocke za določanje barve in gostote hrastovine (zgoraj) ter preizkušanci za določanje higroskopnos1 in dimenzijske stabilnos1 (spodaj). Figure 2. Cubes for determining the colour and density of oak (top) and specimens for determining hygroscopicity and dimensional stability (bo2om). ficient nabrekanja (h) v radialni in tangencialni smeri ter kazalnike anizotropije krčenja kot so: razlika med tangencialnim in radialnim diferencialnim nabrekom (qT - qR), razmerje diferencialnih nabrekov v tangen- cialni in radialni smeri (qT/qR) in razlika med koefi- cientoma nabrekanja v radialni in tangencialni smeri (hT - hR). V is7h mejah higroskopskega območja lesa smo določili še sorpcijski kvocient (s). 3 REZULTATI IN RAZPRAVA 3 RESULTS AND DISCUSSION 3.1 STAROST LESA 3.1 AGE OF WOOD Z dendrokronološkim da7ranjem smo za posa- mični odrezek iz kolutov in tramov določili leto na- stanka vseh branik in ugotovili leto poseka drevesa, ki smo ga šteli za začetek naravnega staranja lesa (preglednica 1, slika 1). Preizkušance smo razdelili v pet starostnih sku- pin z rangom 100 let (preglednici 1 in 2). Ker na raz- položljivost materiala iz preteklih obdobij ne moremo vpliva7, je bilo število vzorcev po starostnih skupinah različno. Starostne skupine 100, 400, 500 in 600 so dobro zastopane, v starostnih skupinah 200 in 300 pa ni bilo nobenega vzorca oz. smo imeli en sam preizkušanec. 3.2 BARVA LESA 3.2 WOOD COLOUR Preizkušanci so se razlikovali po barvi, ki je bila pri starejšem lesu temnejša (slika 3), s čemer potrju- jemo, kar so pri hrastu in drugih lesnih vrstah poka- zale tudi druge študije (Kranitz, 2014; Matsuo et al., 2011). Preglednica 2. Hrastovi preizkušanci: starostne skupine, število preizkušancev in leta po poseku za posamezno skupino. Table 2. Oak samples: age groups, number of samples per group and years of tree felling for each group. Starostna skupina / Age group Število preizkušancev / Number of samples Starost - leta po poseku / Years after tree felling 100 12 4 - 24 300 1 282 400 8 314 - 387 500 7 404 - 485 600 4 503 - 512 Z izmerjenimi dimenzijami in masami preizkušancev smo izračunali kazalnike dimenzijske stabilnos7 (Go- rišek, 2009) in sicer: diferencialni nabrek (q) in koe- Les/Wood, Vol. 67, No. 1, June 2018 Straže, A., Dremelj, M., Žveplan, E., & Čufar, K.: Changes in physical proper7es of oak wood from historical construc7ons during service life 10 Vizualno zaznane spremembe barve smo potrdili tudi barvnometrično. Svetlost barve (L*) hrastovega lesa je bila najvišja pri nedavno posekani hrastovini (starostna skupina 100; L* = 67,1), s starostjo pa se je svetlost barve zmanjševala (preglednica 3). Najnižjo vrednost L* smo določili pri hrastovini iz najstarejše skupine 600, v povprečju 56,6. Spremembo barvne kroma7čnos7 s starostjo hrastovine smo potrdili še pri a* parametru, kjer je bilo več rdečega barvnega odtenka pri starejši hrastovini (vse skupine 300-600). Barvna kroma7čnost na rumeno – modri osi (b*) pa se s staranjem hrastovine ni bistveno spreminjala. Z analizo razlik posameznih barvnih parametrov (ΔE*; En. 2), kjer smo za osnovo vzeli hrastovino iz skupine 100, smo potrdili značilno barvno razliko med starostnima skupinama 100 in 300 (ΔE* = 6,5) kar se ujema tudi z vizualno zaznavo (slika 3). Od skupine 300 do 600 se je celotna barvna spre- memba pri hrastovini polagoma večala. Najvišja je bila v skupini 600. Razlogi za večje spremembe v barvi so poleg staros7 lahko tudi specifične razmere izpostavitve lesa v času rabe (Dremelj, 2018; Kranitz, 2014). Pri proučevanih preizkušancih so namreč poleg razlik v staros7 verjetne tudi razlike v pogojih izpostavitve med staranjem, glede na različne lokacije v lesenih konstrukcijah. Kaj se je z lesom dogajalo po poseku dreves, ne vemo natančno, v pomoč je samo nekaj osnovnih informacij. Kolute smo nato počasi posu- šili, zbrusili in dendrokronološko analizirali, nato pa smo jih hranili v zabojih v temnem prostoru s sobno klimo. Les vzorcev ABH iz zunanjih sten Banove hiše na Bizeljskem (Čufar et al., 2013) je verjetno doživel več ponovnih uporab (v različnih objek7h), odvzem iz stavbe pa smo opravili leta 2004. Vzorce STI iz no- tranje lesene konstrukcije zvonika cerkve samostana S7čna smo pridobili neposredno ob podiranju kon- strukcije leta 1999 (Vovk, 2003). PIS* so bili tramovi iz talne konstrukcije v eni od sob na gradu Pišece. Odvzeli smo jih v letu 2005, ko so bili razkri7 po od- Slika 3. Videz 1pičnih hrastovih preizkušancev od najmlajše do najstarejše starostne skupine 100 – 600 let. Figure 3. Appearance of typical oak specimens sorted from the youngest to the oldest (age groups 100 – 600) Preglednica 3. Povprečne vrednos1 barvnih parametrov hrastovega lesa (svetlos1 L*, barvne koordinate a*, barvne koordinate b*, kroma1čnos1 C* in celotna razlika barve ΔE*) v odvisnos1 od staros1 (KV% - Koef. variacije). Table 3. Mean values of oak wood colour parameters (L*, a*, b*, C*, ΔE*) depending on the dura1on of service life (KV% - Coef. of varia1on). Starostna skupina / Age group L* a* b* C* ΔE* 100 67,1 7,4 22,6 23,8 KV% 2,9 6,2 5,0 4,4 300 61,2 8,2 22,2 24,2 6,5 KV% 4,8 6,4 4,9 4,4 17,1 400 60,6 9,3 23,9 25,7 7,4 KV% 4,6 6,7 4,0 3,3 37,0 500 58,9 9,3 23,1 24,9 8,9 KV% 2,4 6,8 3,6 3,4 14,9 600 56,6 8,3 21,5 23,1 11,0 KV% 9,2 5,9 7,0 6,3 47,8 Straže, A., Dremelj, M., Žveplan, E., & Čufar, K.: Spremembe fizikalnih lastnos7 hrastovega lesa iz zgodovinskih konstrukcij v življenjski dobi Les/Wood, Vol. 67, No. 1, June 2018 11 stranitvi parketa med prenovo gradu (Čufar et al., 2014). Nihanje klime, t.j. temperature in zračne vlaž- nos7, je pričakovano večje v bolj izpostavljenih delih konstrukcij, npr. v zunanjih stenah brunarice in de- loma v zvoniku cerkve, manj pa v lesu talne kon- strukcije. 3.3 DIMENZIJSKA STABILNOST LESA 3.3 DIMENSIONAL STABILITY OF WOOD Pri hrastovini starostne skupine 100 smo dolo- čili povprečne vrednos7 radialnega (qR = 0,208 %/%) in tangencialnega diferencialnega nabreka (qT = 0,372 %/%), kot tudi koeficienta nabrekanja v is7h smereh (hR, hT; preglednica 4). Vrednos7 kazalnikov dimenzijske stabilnos7 lesa iz skupine 100 so bile primerljive z rezulta7 drugih raziskav recentne hra- stovine (Badel et al., 2006; Gorišek, 1992; Kollmann & Cote, 1968; Rijsdijk & Laming, 1994). Večina ka- zalnikov dimenzijske stabilnos7 (qT, hR, hT) se je s staranjem hrastovine zmanjševala vse do skupine 400. Izjema je bil le radialni diferencialni nabrek (qR). Pri višjih staros7h hrastovine (skupina 500 in 600) izboljšanje dimenzijske stabilnos7 glede na nor- malno hrastovino ni bilo več sta7s7čno značilno. Ho- mogeno in boljšo dimenzijsko stabilnost stare hrastovine (> 200 let) v tangencialni smeri so potrdili tudi v sorodni študiji, a brez značilnega trenda spre- minjanja pri višji staros7 (Kranitz, 2014). Nasprotno pa je bila objavljena tudi študija, ki zaradi visoke va- riabilnos7 ni potrdila sta7s7čnih razlik v dimenzijski stabilnos7 normalne in 200 let stare hrastovine (Hudson McAulay, 2016). S staranjem hrastovega lesa smo zabeležili tudi zmanjševanje anizotropije krčenja (hT - hR, qT - qR, qT/qR), najnižje vrednos7 pa smo zabeležili pri skupini 400. Pri starejši hrastovini (skupini 500 in 600) se krčit- vena anizotropija zopet poveča, a ostane pod nivojem vrednos7 za nedavno posekan les (skupina 100). Večja odstopanja od trendov dimenzijske sta- bilnos7 in anizotropije krčenja starostne skupine 400 bi, podobno kot pri barvi lesa, lahko med dru- gim pripisali tudi razmeram, ki jim je bil les izposta- vljen v času rabe. Nizke vrednos7 v tej skupini je imela večina vzorcev iz konstrukcije zvonika v S7čni, lahko bi bile posledica večjih klimatskih nihanj, ki so povzročila higromehanske napetos7 in utrujanje materiala. To bi lahko vplivalo tudi na dimenzijsko stabilnost, kot ugotavljajo nekateri raziskovalci (Dovč, 2013). Odgovor na vprašanje, ali gre pri tem lesu morda res za večje kemijske spremembe in de- gradacijo lažje razgradljivih osnovnih lesnih kompo- nent (Fengel & Wegener, 1989; Hudson McAulay, 2016; Matsuo et al., 2011), bi lahko potrdili le z na- tančnejšo kemijsko analizo. Nastale razlike v dimen- zijski stabilnos7 so v določeni meri tudi posledica anatomskih in prirastnih posebnos7 ter morebit- nega variiranja gostote, kar dokazujejo tudi raz - iskave krčenja lesa drugih lesnih vrst (Badel et al., 2006; Bengtsson, 2001; Zobel & van Buijtenen, 1989). Preglednica 4. Kazalniki dimenzijske stabilnos1 (qT, qR, hT, hR) in anizotropija krčenja (qT - qR, qT/qR, hT - hR) v odvisnos1 od staros1 konstrukcijskega hrastovega lesa (Xp – povprečje; KV% - Koef. variacije). Table 4. Indicators of dimensional stability (qT, qR, hT, hR) and shrinkage anisotropy (qT - qR, qT/qR, hT - hR) depending on the age of structural oak wood (Xp – mean value, KV% - Coef. of varia1on). Starostna skupina / Age group qR [%/%] qT [%/%] hR [%/%] hT [%/%] hT - hR qT/qR qT - qR Xp 100 KV% 0,208 0,372 0,030 0,053 0,022 1,806 0,164 15,5 17,2 18,5 18,1 21,7 16,2 34,5 Xp 300 KV% 0,186 0,327 0,023 0,041 0,018 1,760 0,141 - - - - - - - Xp 400 KV% 0,189 0,301 0,023 0,038 0,012 1,540 0,098 12,6 19,2 12,9 22,7 51,0 20,8 49,4 Xp 500 KV% 0,198 0,328 0,025 0,041 0,016 1,662 0,130 12,2 10,5 15,5 14,3 19,1 6,7 16,0 Xp 600 KV% 0,215 0,367 0,030 0,050 0,018 1,715 0,152 13,0 12,1 20,2 20,7 18,1 10,4 21,5 Les/Wood, Vol. 67, No. 1, June 2018 Straže, A., Dremelj, M., Žveplan, E., & Čufar, K.: Changes in physical proper7es of oak wood from historical construc7ons during service life 12 3.4 HIGROSKOPNOST IN SORPCIJSKE LASTNOSTI 3.4 HIGROSCOPICITY AND SORPTION CHARACTERISTICS Največji povprečni sorpcijski kvocient smo do- ločili pri nedavno posekani hrastovini starostne sku- pine 100 (s = 0,144 %/%; KV% = 7,0), ki je primerljiv s podatki iz literature (Gorišek, 1992; Kollmann & Cote, 1968). Bistveno manjše povprečne vredno- s7 sorpcijskega kvocienta smo izmerili pri vseh sta- rejših vzorcih hrastovine (skupine 300 - 600), in sicer med 0,124 %/% in 0,127 %/% (ANOVA, p > 0,05; KV% = 7,7) (slika 4). Rezulta7 kažejo, da je stara hra- stovina manj higroskopna, kar bi lahko pripisali kemij skim spremembam med staranjem lesa. Kemij- ske raziskave so pri stari hrastovini potrdile rahlo nižji delež hemiceluloz (Belec, 2017; Hudson McAu- lay, 2016) ter povečanje deleža kristaliničnos7 celu- loze (Gawron et al., 2012; Kohara & Okamoto, 1955). V celo7 smo v procesu desorpcije znotraj posa- mezne starostne skupine vselej izmerili višje ravno- vesne vlažnos7 kot pri adsorpciji (slika 5). Pri preverjanju adsorpcijsko-desorpcijskega razmerja ravnovesne vlažnos7 lesa, ki določa velikost his - terezne zanke, nismo potrdili bistvenih razlik, glede na starost lesa. Velikost histereze je bila največja pri 80 % zračni vlažnos7 (urAD/urDES = 0,72; KV% = 3,6). Slika 4. Sorpcijski kvocient konstrukcijskega hrastovega lesa v odvisnos1 od staros1. Figure 4. Sorp1on coefficients of oak wood depending on age. Tudi raziskava adsorpcije in desorpcije vodne pare pri izotermnih pogojih (T = 20 °C) je potrdila znižano higroskopnost starejše hrastovine (starostne skupine 300 do 600), ki se pojavi v zgornjem higro- skopskem območju (φ > 50 %). Pri sorodni študiji so prav tako potrdili manjšo sorp7vnost stare hrasto- vine, vendar le v območju kemisorpcije, t.j. do nasi- čenja primarnih sorpcijskih mest (Kranitz, 2014). Podobno kot pri sorpcijskem kvocientu, nismo za- znali razlik med sorpcijskimi izotermami starejše hrastovine (skupine 300 do 600) (slika 5). Rezulta7 nakazujejo, da se največje spremembe v lesu zgodijo v prvih treh stoletjih življenjske dobe. Slika 5. Povprečne sorpcijske izoterme hrastovine v procesu adsorpcije (A) in desorpcije (D) za starostne skupine 100 (─), 300 (- - -) in 500 (…) Figure 5. Average sorp1on isotherms for oak wood in the adsorp1on (A) and desorp1on (D) process for age groups 100 (─), 300 (- - -) and 500 (...) 3.5 GOSTOTA LESA 3.5 WOOD DENSITY V laboratorijskih pogojih (T = 20 °C, φ = 50 %) je nedavno posekana hrastovina (starostna skupina 100) imela 7,8 % ravnovesno vlažnost in povprečno gostoto 694 kg/m3 (KV% = 12,0). Večjo gostoto smo pričakovano zaznali pri preizkušancih s povprečno širšimi branikami, maksimalno 840 kg/m3 pri 6,5 mm širokih branikah ter pri 81 % deležu kasnega lesa (KL). Nasprotno smo pri povprečno ozkih branikah potrdili nizko gostoto ob velikem deležu ranega lesa v prirastnih plasteh (ρmin = 539 kg/m3; KL = 39,9 %). Rezulta7 sovpadajo z drugimi študijami strukturnih in fizikalnih lastnos7 hrastovega lesa (Badel et al., 2006; Gorišek, 1992; Wagenführ, 2007). Razlik v go- sto7 hrastovine glede na starost nismo potrdili. Straže, A., Dremelj, M., Žveplan, E., & Čufar, K.: Spremembe fizikalnih lastnos7 hrastovega lesa iz zgodovinskih konstrukcij v življenjski dobi Les/Wood, Vol. 67, No. 1, June 2018 13 4 ZAKLJUČKI 4 CONCLUSIONS Vizualno temnejšo barvo hrastovine smo za- znali že pri vzorcih starih malo pod 300 let (starostna skupina 300). Tudi barvnometrično smo potrdili pa- danje svetlos7 L* hrastovine z naravnim staranjem, ter spremembo kroma7čnos7 barve pro7 rdečemu barvnemu tonu. Potrjeno je značilno povečevanje celotne spremembe barve (ΔE*) hrastovine s stara- njem. Higroskopnost hrastovine se je s starostjo (skupine 300 in več) značilno zmanjšala, posledično pa se je značilno izboljšala dimenzijska stabilnost lesa, zlas7 v tangencialni smeri, kot tudi prečna krčit- vena anizotropija. Ugotovili smo tudi, da je gostota lesa neodvisna od procesa naravnega staranja lesa. Raziskava je še pokazala, da na lastnos7 starega lesa verjetno vpliva tudi mesto vgradnje oz. izpostavitve in s tem povezano nihanje in specifičnost klimatskih razmer. 6 POVZETEK 6 SUMMARY We examined physical proper7es of oak (Quer- cus sp.) wood a'er ageing. The wood originated from the collec7on of samples of the Department of Wood Science and Technology. It was obtained from recently felled trees and from historical con- struc7ons in Slovenia. The aim of the study was to evaluate changes in colour, dimensional stability, sorp7on proper7es and density associated with the aging process. The selected sec7ons of wood were dendroc- hronologically dated to define or asses the year of forma7on of individual tree-rings and to define or asses the year of tree felling, depending on preser- va7on of sapwood and bark. The 7me a'er felling (between 4 and 512 years) was considered the pe- riod of wood ageing (Table 1, Figure 1). Based on year of tree felling the samples were arranged in age groups 100-600 (Tables 1, 2). The age group 100 contained wood from the recently felled trees, while the samples from the age groups of 300-600 origi- nated from historical structures: ABH originated from the outer walls of Ban’s farm house in Ar7če, SE Slovenia, where several reconstruc7ons and re- nova7ons were detected (Čufar et al., 2013); STI samples originated from the 7mber construc7on of the belfry of the S7čna Cistercian monastery church (Vovk, 2003); and PIS samples were taken from the floor construc7on of the castle of Pišece, which is a complex structure with numerous building phases (Čufar et al., 2014). The sec7ons of ABH, STI and PIS were taken during the renova7ons in 2004, 1999, and 2005, respec7vely. A'er collec7on in the field they were used to study their building history. A'er- wards they were stored in containers at room tem- perature and protected from the light. The colour of the wood was determined visually and with help of the standardized CIELab methodo- logy on cubes with dimensions of 40 mm × 40 mm × 40 mm (Figure 2). Both the visual and CIELab de- termined colour parameters (L*, a*, b*, C*, ΔE*) of heartwood showed that the wood become increa- singly darker (the parameter L* decreased), with in- creasing dura7on of service life. Changes were also detected in the case of parameter a*, which indica- ted an increasing por7on of red tone in older oak heartwood (all groups 300-600) whereas the colour on the yellow – blue axis (b*) did not show any si- gnificant changes (Table 3). The indicators of dimensional stability (qT, qR, hT, hR) and shrinkage anisotropy (qT - qR, qT/qR, hT - hR) of recently felled trees (age group 100) sho- wed similar values as those reported for normal wood in the literature. Older samples, age groups 300-600, showed lower hygroscopicity and increa- sed dimensional stability, especially in the tangen7al direc7on. Reduced transverse shrinkage anisotropy was also observed (Figure 3, Table 4). The sorp7on coefficient was highest in the re- cently harvested oak of the age group 100 (s = 0.144 %/%) (Figure 4), and was comparable with the data from the literature. The sorp7on coefficients of aged wood (groups 300 - 600) were on average signifi- cantly lower (0.124 %/% and 0.127 %/%) (Figure 4). The results therefore showed that the aged oak is less hygroscopic than normal wood. This could be a8ributed to chemical changes during the ageing process, possibly leading to changes like a lower propor7on of hemicelluloses and an increase in the propor7on of cellulose crystallinity. Average sorp7on isotherms for oak wood in the adsorp7on (A) and desorp7on (D) processes sho- wed that the equilibrium moisture content (EMC) of desorp7on was in all cases higher than that seen with adsorp7on (Figure 5). The adsorp7on-desorp- 7on ra7o of the EMC, which determines the size of Les/Wood, Vol. 67, No. 1, June 2018 Straže, A., Dremelj, M., Žveplan, E., & Čufar, K.: Changes in physical proper7es of oak wood from historical construc7ons during service life 14 the hysteresis loop, did not show significant diffe- rences for wood from different age groups. The hy- steresis size was the highest at 80% air humidity. The density of oak wood did not change with age. It varied in agreement with tree-ring width and propor7on of latewood, i.e. the density increased with increasing tree-ring width and propor7on of la- tewood. The results indicated that the loca7on of wood during its service life and exposure to climate fluc- tua7ons seemed to influence the dimensional sta- bility and hygroscopicity of historical oak. ZAHVALA ACKNOWLEDGEMENTS Prispevek smo pripravili v okviru raziskav pro- gramske skupine P4-0015, ki jo financira Javna agen- cija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije, ARRS. VIRI REFERENCES Badel, E., Bakour, R., & Perre, P. (2006). Inves7ga7on of the rela- 7onship between anatomical pa8ern, density and local swel- ling of oak wood. Iawa Journal, 27(1), 55-71. Belec, A. (2017). Vpliv staranja na strukturne lastnos7 hrasta (Di- plomsko delo). Ljubljana: Biotehniška fakulteta, Oddelek za le- sarstvo. Bengtsson, C. (2001). Varia7on of moisture content induced move- ments in Norway spruce (Picea abies). Annals of Forest Science, 58(5), 569-581. Čufar, K., Bizjak, M., Kitek Kuzman, M., Merela, M., Grabner, M., & Brus, R. (2014). Castle Pišece, Slovenia - building history and wood economy revealed by dendrochronology, dendroprove- nancing and historical sources. Dendrochronologia, 32, 357-363. Čufar, K., De Luis, M., Zupančič, M., & Eckstein, D. (2008). A 548- year long tree-ring chronology of oak (Quercus spp.) for SE Slo- venia and its significance as da7ng tool and climate archive. Tree-Ring Research, 64(1), 3-15. Čufar, K., Strgar, D., Merela, M., & Brus, R. (2013). Les Banove hiše v Ar7čah kot zgodovinski arhiv: Wood in the Ban's house at Ar7če, Slovenia, as a historical archive. Acta Silvae et Ligni, 101, 33-44. Dovč, A. (2013). Vpliv klimatskih pogojev na delovanje lesa (Diplom- sko delo). Ljubljana: Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo. Dremelj, M. (2018). Izbrane fizikalne lastnos7 starega hrastovega konstrukcijskega lesa (Magistrsko delo). Ljubljana: Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo. Fengel, D., & Wegener, G. (1989). Wood Chemistry Ultrastructure Reac7ons. Walter de Gruyter. Gawron, J., Szczesna, M., Zielenkiewicz, T., & Golofit, T. (2012). Cel- lulose crystallinity index examina7on in oak wood originated from an7que woodwork. Drewno, 55(188), 109-114. Gorišek, Ž. (2009). Les: Zgradba in lastnos7 - njegova variabilnost in hetergenost. Ljubljana: Biotehniša fakulteta, Oddelek za le- sarstvo. Gorišek, Ž. (1992). Vpliv prečne krčitvene anizotropije lesa na di- menzijsko stabilnost in sušenje lesa. Dok. dis. Ljubljana: Uni- verza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, 120 str. Hudson McAulay, K. J. (2016). The structural and mechanical inte- grity of historic wood. (PhD PhD), University of Glasgow, Glasgow. Kohara, J., & Okamoto, H. (1955). Studies on permanence of wood. XI: The crystallized region of cellulose in old 7mbers. Journa of Applied Physics, 19(11), 491-506. Kollmann, F., & Cote, W. A. (1968). Principles of Wood Science and Technology: Solid Wood (Vol. 1). Berlin: Springer-Verlag. Kranitz, K. (2014). Effect of natural aging on wood. (PhD PhD), ETH, Zurich. (DISS. ETH No. 21661) Matsuo, M., Yokoyama, M., Umemura, K., Sugiyama, J., Kawai, S., Gril, J., . . . Imamura, M. (2011). Aging of wood: Analysis of color changes during natural aging and heat treatment. Holzforsc- hung, 65(3), 361-368. Nilsson, T., & Rowell, R. M. (2012). Historical wood: Structure and proper7es. Jurnal of Cultural Heritage, 13(3), 5-9. Rijsdijk, J. F., & Laming, P. B. (1994). Physical and Related Proper7es of 145 Timbers. Dordrecht: Springer. Vovk, K. (2003). Dendrokronološke raziskave lesa iz samostana v S7čni (Diplomsko delo). Ljubljana: Biotehniška fakulteta, Odde- lek za lesarstvo. Wagenführ, R. (2007). Holzatlas. Berlin: Hanser. Zobel, B. J., & van Buijtenen, J. P. (1989). Wood varia7on: Its Causes and Control. Berlin: Springer.