ТехЛиб СПБ УВТ

Древесина представляет из себя капиллярно-пористый материал (гетерокапиллярную систему), который состоит в основном из гидрофильных компонентов, и поэтому она постоянно содержит большее либо меньшее количество воды. В живом дереве вода нужна для обеспечения его жизнедеятельности. Содержание воды характеризуется влажностью древесины. Влажность — одна из основных характеристик древесины.

Влажностью древесины называется количество содержащейся в ней воды. Влажность древесины влияет на свойства древесины и на пригодность древесины в строительных целях. Под влажностью древесины понимают выраженное в процентах отношение массы воды к сухой массе древесины. Влажность древесины — отношение массы влаги, содержащейся в древесине, к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах.

Влажность древесины и взаимодействие древесины и ее компонентов с водой имеют важное значение для механической и химической технологии древесины, например, для пропитки древесины растворами химических реагентов, антисептиков, антипиренов и т.д., при сплаве и хранении лесоматериалов в воде.

Вода играет роль при активации целлюлозы перед проведением химических реакций. Взаимодействие целлюлозы с водой в бумажной массе при размоле и последующее удаление воды при формовании бумажного листа обусловливают образование прочных межволоконных связей в бумаге.

Свойства древесины напрямую определяют свойства деревянных изделий. При избыточной или недостаточной влажности древесина обычно впитывает или отдает влагу, соответственно увеличиваясь или уменьшаясь в объеме. При высокой влажности в помещении древесина может разбухать, а при недостатке влаги она, как правило, усыхает, поэтому все деревянные изделия, в том числе напольные покрытия, требуют тщательного ухода. Для предотвращения деформации напольного покрытия в помещении необходимо поддерживать постоянную температуру и влажность.

Выделяют два понятия — относительную влажность древесины и абсолютную влажность древесины.

Относительная влажность древесины — массовая доля воды, выраженная в процентах по отношению к массе влажной древесины.

Абсолютная влажность древесины (влагосодержание) — массовая доля воды, выраженная в про центах по отношению к массе абсолютно сухой древесины. Абсолютной влажностью древесины называется отношение массы влаги, находящейся в данном объеме древесины, к массе абсолютно сухой древесины. Согласно ГОСТу, абсолютная влажность паркета должна составлять 9%(+/- 3%).

 Абсолютно сухой древесиной условно называют древесину, высушенную до постоянной массы при температуре (104±2)°С. Значения относительной влажности древесины нужны для анализа древесины при расчете массовых долей ее компонентов в процентах по отношению к абсолютно сухой древесине. Абсолютную влажность древесины (влагосодержание) используют для количественной характеристики образцов древесины при сравнении их по содержанию воды. 

По степени влажности древесину различают на следующие виды:

• Мокрая древесина. Ее влажность составляет более 100%. Это возможно только при условии, что древесина долгое время находилась в воде.
  
• Свежесрубленная. Ее влажность составляет от 50 до 100%.
  
• Воздушно-сухая. Такая древесина обычно долгое время хранится на воздухе. Ее влажность может составлять 15-20%, в зависимости от климатических условий и времени года.
  
• Комнатно-сухая древесина. Ее влажность обычно равна 8-10%.
  
• Абсолютно сухая. Ее влажность равна 0%.
  

График увлажнения древесины: 1 – горячей водой; 2 – насыщенным паром; 3 – холодной водой

Вода в дереве распределяется неравномерно: корни и ветки содержат больше воды, чем ствол; комель и вершина — больше средней части ствола; заболонная древесина хвойных пород — больше, чем ядровая и спелая древесина. В древесине лиственных пород вода распределяется по поперечному сечению ствола более равномерно, причем у некоторых древесных пород (например, у дуба) влажность ядра значительно выше, чем у хвойных пород. В коре влажность луба значительно (в 7…10 раз и более) выше, чем у корки.

Свежесрубленная древесина имеет влажность 80 — 100%, влажность сплавной древесины достигает до 200%. У хвойных пород влажность ядра в 2 — 3 раза ниже влажности заболони.

В строительной практике по влагосодержанию древесину принято различать:

• свежесрубленная древесина с абсолютной влажностью в среднем от 50 до 100% в зависимости от времени рубки (содержание воды значительно выше весной и меньше всего в зимний период), а также древесной породы и условий произрастания;
  
• воздушно-сухая древесина — это древесина, высушенная на воздухе до равновесного состояния ее влажности с относительной влажностью воздуха; абсолютная влажность такой древесины зависит от относительной влажности воздуха и обычно составляет 16…21%;
  
• комнатно-сухая древесина — древесина, выдержанная в отапливаемом помещении и имеющая абсолютную влажность 9…13%; мокрая древесина, получающаяся при длительном нахождении в воде, с абсолютной влажностью выше 100% (до 200% и более).

Различают две формы воды, находящейся в древесине — связанную (гигроскопическую) и свободную (капиллярную). Из них складывается общее количество влаги в древесине. Связанная (или гигроскопичная) влага содержится в клеточных стенках древесины, а свободная занимает полсти клеток и межклеточные пространства. Свободная вода удаляется легче, чем связанная, и в меньшей степени влияет на свойства древесины.

Свободная (капиллярная) влага содержится в полостях клеток, а связанная — в стенках клеток древесины. Постепенное насыщение водой сухой древесины первоначально происходит за счет связанной влаги, и лишь когда стенки клетки полностью окажутся заполненными, дальнейшее увеличение влаги происходит за счет свободной влаги. Поэтому очевидно, что именно изменение связанной влаги влияет на процессы усушки и коробления древесины, а также на ее прочностные и упругие свойства. Увеличение же свободной влаги практически не отражается на свойствах древесины.

Водопоглощение древесины — способность древесины поглощать воду при непосредственном контакте с ней. Дерево является природным материалом, восприимчивым к колебаниям температуры и влажности. К ее основным свойствам относится гигроскопичность, то есть способность изменять влажность в соответствии с окружающими условиями.

Говорят, что древесина «дышит», то есть поглощает пары воздуха (сорбция) или выделяет их (десорбция), реагируя на изменения в микроклимате помещения. Поглощение или выделения паров осуществляется за счет клеточных стенок. При неизменном состоянии окружающей среды уровень влажности древесины будет стремиться к постоянной величине, которую называют равновесной (или устойчивой) влажностью. 

В древесине влага содержится в клетках древесины, в межклеточном пространстве, в каналах сосудов и она называется свободной влагой. Влага, содержащаяся в клеточных оболочках называется гигроскопической (связанной) влагой.

Гигроскопичность древесины — способность древесины изменять влажность в зависимости от изменения температурно-влажностного состояния окружающего воздуха. Гигроскопичность для большинства пород равна 30% при 20°С.

Максимальное количество связанной влаги называется пределом гигроскопичности или пределом насыщения волокон. При температуре 20^оС предел гигроскопичности — 30%. При повышении температуры часть связанной влаги превращается в свободную и наоборот.

Свободная и гигроскопическая влага удаляются из древесины сушкой. Влага может содержаться в древесине в виде химически связанной влаги в виде веществ составляющих древесину, этот вид влаги может быть удален при химической переработке древесины.

Максимальное количество гигроскопической влаги почти не зависит от породы дерева. Процентное соотношение веса воды к весу абсолютно сухой древесины, как правило, составляет 30% при температуре 20°. Такая влажность древесины, называется точкой насыщения клеточных оболочек, или точкой насыщения волокон. Дальнейшее увеличение влажности происходит за счет свободной влаги, заполняющей пустоты в древесине.

 При изменении влажности от нуля до точки насыщения клеточных оболочек изменяется объем древесины, она разбухает. При уменьшении влажности древесина усыхает.

Изменение размеров всегда наблюдаются в поперечном направлении и почти не проявляются в продольном, у более плотной древесины больший объемный вес, следовательно, больше усушка и разбухание. Поздняя древесина более плотная.

 

Древесина содержит свободную (в полостях клеток и межклеточных пространствах) и связанную (в клеточных стенках) воду. Предел насыщения клеточных стенок Wn,H, в среднем равен 30%. Уменьшение содержания связанной воды вызывает усушку древесины. 

На способность впитывать влагу влияет не только микроклимат помещения, но и порода дерева. К наиболее гигроскопичным породам относятся бук, груша, кемпас.

Они наиболее быстро реагируют на изменения уровня влажности.

В отличие от них существуют стабильные породы, например, дуб, мербау и т.д. К ним относится стебель бамбука, очень устойчивый к неблагоприятным климатическим условиям. Его можно настилать даже в ванной комнате.

Различные породы дерева обладают разным уровнем влажности. Например, береза, граб, клен, ясень имеют низкую влажность (до 15%) и при высыхании имеют склонность к образованию трещин. Влажность дуба и ореха умеренная (до 20%). Они относительно устойчивы к образованию трещин и высыхают не так быстро. Ольха является одной из самых устойчивых к высыханию пород. Ее влажность составляет 30%.

При испытаниях древесины с целью определения физико-механических показателей ее приводят к нормализованной влажности (в среднем 12%) кондиционированием при температуре (20±2)°С и относительной влажности воздуха <= (65±5)%.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ

Для определения влажности древесины существует несколько способов. В бытовых условиях пользуются специальным прибором-электровлагомером. Действие прибора основано на изменении электропроводности древесины в зависимости от ее влажности. Иглы электровлагомера с подведенными к ним электропроводами вводят в дерево и пропускают через них электрический ток, при этом на шкале прибора сразу отмечается влажность древесины в том месте, где введены иглы.

Зная виды древесины, ее плотность и др.физические св-ва, можно определить влажность древесины по массе, по наличию трещин на торце или вдоль волокон древесины, по короблению и другим признакам. По цвету коры, ее величине и цвету древесины можно распознать спелую или свежесрубленную древесину и степень ее влажности. При обработке п/м рубанком тонкая его стружка, сжатая рукой, легко сминается – значит материал влажный. Если стружка ломается и крошится, это указывает на то, что материал достаточно сухой. При поперечных порезках острыми стамесками также обращают внимание на стружки. Если они крошатся или выкрошивается сама древесина заготовки, это значит, что материал слишком сухой. Очень влажная древесина легко режется, и на месте порезки от стамески заметен влажный след. Но вряд ли удастся избежать растрескивания, коробления и др.деформаций.

Влажность древесины определяют различными способами: высушиванием образцов древесины, щепы либо опилок до абсолютно сухого состояния; отгонкой воды в виде азеотропной смеси с не смешивающимися с водой неполярными растворителями; химическими методами (титрованием реактивом Фишера); электрическими способами.

Влажность пиломатериалов определяют по формуле 

W = (m_с — m_о) / m_с,

где m_с и m_о масса образца соответственно в исходном и высушенном состояниях.

Фактически влажность древесины определяют контрольным взвешиванием или при помощи электровлагомера.

Влажность сплавной древесины — 200%, свежесрубленной — 100%, воздушно-сухой – 15-20%.

 СУШКА ДРЕВЕСИНЫ

Сушка древесины — процесс удаления влаги из древесины до определенного процента влажности.

Блеск древесины — способность поверхности древесины направленно отражать световые лучи.

Блеск зависит от древесной породы, степени гладкости поверхности и характера освещения. Блеском отличаются радиальные поверхности древесины клена, платана, бука, ильма, дуба, кизила, белой акации, айланта, т.е. пород, у которых значительную часть поверхности занимают сердцевинные лучи, состоящие из мелких клеток. Блеск древесины — декоративное свойство, учитывается при определении пород.

Диэлектрические свойства древесины — свойства, которые характеризуются диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь.

Коэффициент разбухания древесины — среднее разбухание древесины при повышении содержания связанной влаги на 1% влажности.

Коэффициент усушки древесины — средняя усушка древесины при снижении содержания связанной влаги на 1% влажности.
Деформативность древесины (коробление) — способность древесины изменять свои размеры и форму при внешних воздействиях нагрузки, влажности, температуры.

Поперечное коробление связано с различной усушкой (разбуханием) древесины в радиальном и тангенциальном направлениях. Его характер зависит от расположения годичных слоев, обусловленных формой поперечного сечения сортимента, а также местом выпиловки его из бревна.

Продольное коробление связано с некоторыми пороками древесины, например крупными сучками, кренью, наклоном волокон.

Следствием коробления является порок древесины — покоробленность (поперечная, продольная по пласти и по кромке, крыловатость).

Поперечная и продольная покоробленности возникают также из-за нарушения равновесия остаточных напряжений в высушенных пиломатериалах при механической обработке: одностороннем фрезеровании, ребровом делении толстых досок на тонкие.

Продольная покоробленность досок наблюдается при распиловке изменение формы сечения образцов, вырезанных из разных мест бревна, при высушивании.

Сухая древесина обладает высокой прочностью, меньше коробится, не подвержена загниванию, легко склеивается, лучше отделывается, более долговечна. Любая древесина самых различных пород очень чутко реагирует на изменение влажности окружающей среды.

Это свойство является одним из недостатков лесоматериалов. При повышенной влажности древесина легко вбирает в себя воду и разбухает, а в отапливаемых помещениях она усыхает и коробится.

В помещении достаточна влажность древесины до 10%, а под открытым небом – не более 18%. Существует много способов сушки древесины.

Самый простой и доступный – естественный вид сушки – атмосферный, воздушный. Сушить древесину надо в тени, под навесом и на сквозняке. При сушке на солнце внешняя поверхность древесины быстро нагревается, а внутренняя остается сырой.

Из-за разницы напряжений образуются трещины, дерево быстро коробится. Доски, брус и др. п/м укладываются в штабеля на металлические, деревянные или иные подставки высотой не менее 50 см. Доски укладываются внутренними пластами вверх для уменьшения их коробления. Считается, что сушка досок, поставленных на кромки, происходит быстрее, так как они лучше проветриваются и влага испаряется более интенсивно, но они и больше коробятся, особенно материал повышенной влажности.

Штабель п/м, заготовленных из свежесрубленных и живых деревьев, сверху рекомендуется уплотнить тяжелым грузом для уменьшения коробления. При естественной сушке на торцах всегда образуются трещины, для предупреждения их растрескивания и сохранения п/м рекомендуется торцы досок тщательно закрасить масляной краской или пропитать горячей олифой или битумом для защиты пор древесины. Обрабатывать торцы нужно сразу после поперечных перепилов в разрез.

Если дерево отличается повышенной влажностью, то торец просушивают пламенем паяльной лампы, а уж потом закрашивают. Стволы (кряжи) обязательно окоряют (очищают от коры), только у торцов оставляют небольшие пояски-муфты шириной 20-25см для предупреждения растрескивания. Кору очищают для того, чтобы дерево быстрее просыхало и не поражалось жуками. Ствол, оставленный в коре, в относительном тепле с повышенной влажностью быстро загнивает, поражается грибковыми заболеваниями. После атмосферной сушки при теплой погоде влажность древесины составляет 12-18%.

Существует и несколько других способов сушки древесины.

Способ выпаривания или запаривания использовали на Руси еще с давних времен. Заготовки распиливают на части с учетом размера будущего изделия, закладывают в обыкновенный чугун, подсыпают опилки из такой же заготовки, заливают водой и ставят на несколько часов в протопленную и остывающую русскую печь «томится» при t=60-70⁰C.

При этом происходит «выщелачивание» – выпаривание древесины; из заготовки выходят естественные соки, дерево окрашивается, приобретая теплый густо-шоколадный цвет, с ярко выраженным природным рисунком текстуры. Такая заготовка легче обрабатывается, а после окончания сушки меньше растрескивается и коробится.

Способ парафинирования. Заготовки опускают в растопленный парафин и ставят в печь при t=40⁰C на несколько часов. Затем древесина еще несколько дней просыхает и приобретает те же свойства, что и после запарки: не трескается, не коробится, поверхность становится тонированной с отчетливым узором текстуры.

Способ запаривания в льняном масле. Посуда из древесины, пропаренная в льняном масле, очень водостойка и не растрескивается даже при повседневном использовании. Этот способ приемлем и сегодня. В емкость кладется заготовка, заливается льняным маслом и пропаривается на медленном огне.

Покоробленность: 1— поперечная; 2 — продольная по пласти; 3 — продольная по кромке; 4 – крыловатость бревен вследствие остаточных внутренних напряжений роста.

Линейная усушка древесины — уменьшение размеров древесины в одном из направлений при удалении из нее связанной воды. Линейное разбухание древесины — увеличение размеров древесины в одном из направлений при повышении содержания в ней связанной воды.

Нормализованная влажность древесины — равновесная влажность древесины, приобретаемая при температуре 20 ± 2°С и относительной влажности среды 65 ± 5%.

Объемная усушка древесины — уменьшение объема древесины при удалении из нее связанной воды.

Объемное разбухание древесины — увеличение объема древесины при повышении содержания в ней связанной воды.

Относительная влажность древесины — отношение массы влаги, содержащейся в древесине, к массе древесины во влажном состоянии, выраженное в процентах. Древесина является гигроскопичным материалом, и влажность, к которой она стремится в данных температурно-влажностных условиях, называется равновесной. Например, при температуре 20^оС и влажности воздуха 100% равновесная влажность древесины W=30%.

Быстрое изменение связанной влаги и неравномерность усушки в различных направлениях приводит к короблению или, наоборот, разбуханию древесины.

В массивных элементах вследствие неравномерности высыхания образуются трещины усушки. Поэтому при производстве пиломатериалов огромное значение следует придавать вопросам организации сушки, а при эксплуатации деревянных конструкций исключать большие и резкие перепады температуры и влажности. Для древесины характерным является известная инерционность процессов влагообмена.

Усушка древесины: 1 – усушка; 2 – растрескивание; 3 – поперечное коробление; 4 – то же, продольное

  Величина усушки различна в различных направлениях: она больше в тангенциальном (6 — 12%) и меньше в радиальном (3 — 6%) направлении поперечного сечения ствола. Вследствие подобной неравномерности усушки, появляется коробление досок при высыхании. При увеличении влажности выше точки насыщения волокон, дальнейшего разбухания не происходит. 

 При резком изменении температурно-влажностного режима в помещении в древесине возникают внутренние напряжения, которые приводят у трещинам и деформациям. Оптимальная температура в помещении с паркетным полом должна составлять приблизительно 20⁰C, а оптимальная влажность воздуха — 40-60%. Для контроля температуры в помещении используются гидрометры, а относительную влажность в помещении поддерживают при помощи увлажнителей воздуха.

Деформации древесины при сушке

Древесина для строительных деталей (окна, двери, полы и т. п.), в особенности для клееных конструкций должна содержать влаги не более 8—15%. Отсюда следует необходимость сушки древесины. Естественная сушка требует большого времени; так, например, для высушивания доски толщиной 50 мм в летнее время в средней полосе России до влажности 20% требуется 30 — 40 суток. Искусственная сушка в обычных сушилках сокращает срок сушки такой доски до 5 — 6 суток, а сушка при повышенных температурах (>100°) — может быть проведена за 3 — 4 часа.

Конечная влажность древесины должна соответствовать влажности в условиях эксплуатации.

 При продолжительной сушке вода из древесины испаряется, что может повлечь за собой значительные деформации материала. Процесс потери влаги продолжается до тех пор, пока уровень влаги в древесине не достигнет определенного предела, который напрямую зависит от температуры и влажности окружающего воздуха. Аналогичный процесс происходит при сорбции, то есть поглощении влаги. Уменьшение линейных объемов древесины при удалении из нее связанной влаги называется усушкой. Удаление свободной влаги усушки не вызывает.

Усушка неодинакова по разным направлениям. В среднем полная линейная усушка в тангенциальном направлении составляет 6-10%, а в радиальном — 3.5%.

При полной усушке (то есть такой, при которой вся связанная влага удалена) влажность древесины снижается до предела гигроскопичности, то есть до 0%. При неравномерном распределении влаги при сушке древесины в ней могут образовываться внутренние напряжения, то есть напряжения, возникающие без участия внешних сил. Внутренние напряжения могут являться причиной изменения размеров и формы деталей при механической обработке древесины.

Схемы к развитию деформаций при конвективной сушке

 Процесс конвективной сушки древесины сопровождается неравномерным по ее объему распределением влажности. Это вызывает ее неравномерную усушку, что в свою очередь служит причиной образования внутренних напряжений.

Рассмотрим, как возникают и развиваются в древесине внутренние напряжения, не учитывая пока ее анизотропного строения, т. е. полагая усушку в тангенциальном и радиальном направлениях одинаковой. Будем также для упрощения считать, что перемещение влаги в материале происходит только по его толщине. Это позволит нам изображать кривые распределения влажности на чертеже поперечного сечения высушиваемого сортимента.

Рассмотрим кривые распределения влажности по толщине для наиболее характерных моментов процесса: 0 — момент начала сушки; 1 — момент, когда влажность поверхностных слоев опустилась ниже предела насыщения клеточных стенок Wn, а внутри сортимента еще содержится свободная вода; 2 — момент, когда влажность по всему сечению стала ниже WH, но еще наблюдается существенный перепад влажности по толщине; 3 — момент окончания процесса, когда влажность стала по всему сечению приблизительно одинаковой, близкой к устойчивой влажности.

В начальный момент процесса еще нет усушки и напряжения, очевидно, отсутствуют. Через некоторое время влажность поверхностных слоев опустится ниже Wn (момент) и они будут стремиться к усушке. Однако это стремление не может проявиться в полной мере вследствие противодействия внутренних слоев, усушка которых еще не началась. Выявить начавшуюся усушку можно, вырезав из высушиваемого сортимента по всему его сечению торцовую пластинку, так называемую секцию, и разделив ее на ряд слоев по толщине.