Влажность древесины и свойства, связанные с ее изменением

Влажность. Абсолютной влажностью древесины называется отношение массы влаги, находящейся в данном объеме древесины, к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах. Определяют влажность по ГОСТ 16588—79; ГОСТ 16483.7—71.

Общее количество влаги в древесине складывается из свободной и связанной влаги. Влага, находящаяся в полостях клеток и межклеточных пространствах, называется свободной или капиллярной, а в клеточных стенках — связанной или гигроскопической.

Состояние древесины, при котором клеточные стенки содержат максимальное количество связанной влаги, а в полостях клеток находится только воздух, называется пределом гигроскопичности. Влажность, соответствующая пределу гигроскопичности, при комнатной температуре (20°С) составляет 30% и практически не зависит от породы древесины. Предельное количество свободной влаги зависит от плотности, т. е. от того, как велик объем пустот в древесине, который может быть заполнен водой.

Различают следующие степени влажности древесины: мокрая — длительное время находившаяся в воде, влажность выше 100%; свежесрубленная — влажность 50—100%; воздушно-сухая — долгое время хранившаяся на воздухе, влажность 15—20% (в зависимости от климатических условий и времени года); комнатно-сухая — влажность 8—12% и абсолютно сухая — влажность 0%.

При высыхании древесины сначала из нее испаряется свободная влага, а затем связанная. Удаление влаги происходит до тех пор, пока она равномерно распределится в древесине и ее влажность будет соответствовать температуре и относительной влажности воздуха. То Же происходит и при сорбции (поглощении) влаги.

Равновесная влажность — среднее значение между устойчивыми влажностями древесины при сорбции (поглощении) и десорбции (испарении), соответствующее определенному сочетанию температуры и влажности окружающего воздуха.

Равновесную влажность можно определить по диаграмме Л. С. Серговского (рис. 10). На диаграмме по вертикали показана относительная влажность воздуха, по горизонтали — температура воздуха. Пересечение этих показателей дает наклонную линию, которая показывает влажность древесины в процентах.

Рис. 10. Диаграмма равновесной влажности Л.С.Серговского

У молодых деревьев влажность выше и ее колебания в течение года больше, чем у старых деревьев. Наибольшее количество влаги содержится в зимний период (ноябрь — февраль), минимальное — в летние месяцы (июль — август). Содержание влаги в стволах изменяется в 'течение суток: утром и вечером влажность деревьев выше, чем днем.

Влажность деталей бытовой мебели из древесины и древесных материалов должна быть (8 ±2)%, вставных шипов из древесины твердых лиственных пород, березы или фанеры не должна быть более 6%. Для определения влажности древесины пользуются методом высушивания и электрическим методом.

Влажность древесины W, определенную методом высушивания, вычисляют в процентах по формуле: W = [(т1— т2) /т2] 100, где т1, — масса образца древесины до высушивания, г;   т2 — масса того же образца в абсолютно сухом состоянии, г.

Преимущество метода высушивания — довольно точное определение влажности древесины при любом количестве влаги. Недостаток — продолжительность высушивания образцов (от 12 до 24 ч).

При электрическом методе влажность древесины определяют электровлагомером. Действие этого прибора основано на изменении электропроводности древесины в зависимости от ее влажности. Рабочей частью наиболее распространенного электровлагомера служат иглы с подведенными к ним электропроводами. Иглы электровлагомера (датчика) вводят в древесину на глубину 8 мм и пропускают через них электроток, при этом на циферблате прибора сразу показывается фактическая влажность древесины.

Преимущество электрического метода — быстрота определения и возможность проверки влажности древесины любого размера. Недостатки — определение влажности только в месте соприкосновения древесины с датчиком; невысокая точность. В диапазоне измерения до 30% влажности погрешность составляет 1 —1,5%.

Усушка. Усушкой называется уменьшение линейных размеров и объема древесины при удалении из нее связанной влаги (ГОСТ 16483.8—71).

Усушка по разным направлениям неодинакова. Микрофибриллы в клеточной оболочке расположены преимущественно вдоль оси клетки, а связанная влага заполняет промежутки между ними. При удалении этой влаги из древесины больше изменяются поперечные размеры в радиальном и тангенциальном направлениях. В тангенциальном направлении усушка в 1,5—2 раза больше, чем в радиальном. Усушка вдоль волокон незначительна.

Усушка, которая происходит при удалении всей связанной влаги, называется полной. Чтобы произошла полная усушка, влажность древесины должна снизиться от предела гигроскопичности до нуля. В среднем полная линейная усушка в тангенциальном направлении составляет 6—10, в радиальном — 3—5 и вдоль волокон — 0,1 — 0,3%.

Уменьшение объема древесины при испарении связанной влаги называется объемной усушкой.

Для определения полной усушки образцы помещают в воду и по достижении влажности, соответствующей пределу насыщения, измеряют линейные размеры микрометром, штангенциркулем. Затем образцы высушивают в сушильном шкафу до абсолютно сухого состояния и измеряют линейные размеры.

Коэффициент объемной усушки — величина усушки древесины при снижении связанной влаги на 1% влажности. При величине коэффициента объемной усушки наши древесные породы можно разделить на три группы:

малоусыхающие (коэффициент объемной усушки не более 0,40%) —ель сибирская и обыкновенная, пихта сибирская, кедры сибирский и корейский, тополь белый;
среднеусыхающие (коэффициент объемной усушки от 0,40 до 0,47%) —бук восточный, вяз, дуб, липа мелколистная, ольха черная, осина, пихта белокорая, кавказская и маньчжурская, тополь черный, ясень;

сильноусыхающие (коэффициент объемной усушки 0,47% и более) —березы плакучая и белая, бук восточный, граб, лиственницы сибирская и даурская, клен остролистный.

Внутренние напряжения, растрескивание и коробление. Напряжения, которые возникают без участия внешних сил, называют внутренними. Причина образования напряжений при сушке древесины — неравномерность распределения влаги. Вначале испаряется влага с поверхностных слоев древесины. Если в поверхностных слоях влажность снизится за предел гигроскопичности, то должна произойти усушка. Однако из-за сопротивления более влажных внутренних слоев поверхностные слои усохнут неполностью. В результате этого в древесине появляются напряжения, растягивающие ее в поверхностных зонах и сжимающие во внутренних. При снижении влажности за предел гигроскопичности во внутренней зоне она также начнет усыхать. Это приведет к тому, что растягивающие напряжения в поверхностной зоне уменьшатся, однако полностью не исчезнут. Из-за остаточных удлинений в поверхностных зонах нормальная усушка внутренней зоны будет задержана. Тогда во внутренней зоне появятся растягивающие напряжения, а в поверхностных зонах — сжимающие, т. е. напряжения переменят знак.

Если растягивающие напряжения достигнут предела прочности древесины на растяжение поперек волокон, то могут возникнуть трещины (рис. 11, а, б, в): в начале процесса сушки на поверхности сортимента, а в конце — внутри.

Внутренние напряжения иногда сохраняются в высушенном материале и служат причиной изменения размеров и формы деталей при механической обработке древесины.

Их обнаруживают с помощью силовых секций (рис. 11, г). Из доски на расстоянии 0,5 м от торца вырезают секцию длиной 10—15 мм. Из этого отрезка изготовляют силовую секцию. Если зубцы секции сразу после изготовления останутся параллельными, то внутренних напряжений в древесине нет; если зубцы секции разойдутся, то в наружных слоях — растягивающие, а во внутренних — сжимающие напряжения; если зубцы секции сойдутся, то в наружных слоях сжимающие, а во внутренних растягивающие напряжения.

Рис. 11. Растрескивание древесины и силовые секции:

а — наружные трещины в бревне, б — то же, в брусьях, в — внутренние трещины, г — силовые секции.

При высыхании или увлажнении древесины изменяется форма поперечного сечения доски. Такое изменение формы называется короблением. Коробление может быть поперечным и продольным (рис. 12, а, в). Поперечное коробление выражается изменением формы сечения доски. Причина поперечного коробления — разница в усушке по радиальному и тангенциальному направлениям. Сердцевинная доска (рис. 12, б) уменьшает свои размеры к кромкам; доска, у которой внешняя часть ближе к тангенциальному направлению, усыхает больше, чем внутренняя, имеющая радиальное направление. Чем ближе доска расположена к сердцевине, тем больше ее коробление.

 

 

Рис. 12. Виды коробления:

а, в — изменение формы поперечного сечения брусков с различным расположением слоев на торце,

б — то же, досок (сердцевинной и боковой),

г — продольная покоробленность,

д — крыловатость

По длине доски могут изгибаться, приобретая дугообразную форму (рис. 12, г), или принимать форму винтообразной поверхности — крыловатость (рис. 12, д). Первый вид продольного коробления встречается у досок, содержащих ядро и заболонь (усушка ядра и заболони по длине волокон несколько различается). Крыловатость наблюдается у пиломатериалов с тангенциальным наклоном волокон. Правильная укладка, сушка и хранение пиломатериалов исключает появление коробления.

Разбуханием называется увеличение линейных размеров и объема древесины при повышении связанной влаги. Это происходит при увлажнении древесины и представляет собой явление, обратное усушке.

Водопоглощение — способность древесины благодаря пористому строению поглощать капельно-жидкую влагу. Водопоглощение происходит при непосредственном контакте древесины с водой. При этом в древесине увеличивается содержание как связанной, так и свободной влаги.

Водопоглощение зависит от породы, начальной влажности, температуры, формы и размеров древесины. У пород с меньшей плотностью водопоглощение больше, так как больше объем полостей, которые могут быть заполнены свободной влагой. Наоборот, чем больше плотность, тем меньше водопоглощение древесины. Водопоглощение ядра меньше, чем заболони.

ПЛОТНОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ

Плотность древесины — это отношение массы древесины к ее объему. Выражается плотность в кг/м3 или г/см3. Плотность влажной древесины pw определяют по формуле  

р = mw/vw,

где mw — масса образца древесины при влажности W, г или кг; Vw — объем образца древесины при влажности W, см3 или м3.

В древесине имеются пустоты (полости клеток, межклеточные пространства), и если удалось бы спрессовать древесину так, чтобы все пустоты исчезли, то получили бы сплошное древесинное вещество. Плотность древесины вследствие пористого строения меньше, чем плотность древесинного вещества.

В лабораторных условиях плотность древесины определяют на образцах прямоугольного сечения размером 20х20 мм и высотой (по длине волокон) 30мм (ГОСТ 16483.1—73). Массу образца определяют взвешиванием на рычажных весах с погрешностью не более 0,001 г, линейные размеры — штангенциркулем или микрометром с погрешностью не более 0,1 мм. Объем вычисляют как произведение результатов трех измерений и выражают в долях кубического метра.

Плотность древесины зависит от ее влажности. В соответствии с рекомендацией комиссии по стандартизации Совета Экономической Взаимопомощи (СЭВ) все показатели физико-механических свойств древесины определяются при стандартной влажности (12%).

Для некоторых целей удобно пользоваться величиной, называемой условной плотностью древесины. Вычисляют этот показатель как отношение массы образца в абсолютно сухом состоянии к объему образца при пределе гигроскопичности(Wп.г. = 30%). Условная плотность древесины не зависит от влажности.

Таблица 1. Средние значения плотности древесины, кг/м3

Между плотностью и прочностью древесины существует тесная связь. Более тяжелая древесина, как правило, является более прочной. Плотность определяется количеством древесинного вещества в единице объема.

Плотность колеблется в очень широких пределах (табл. 1). По плотности при влажности 12% древесину можно разделить на три группы: породы с малой плотностью (510 кг/м3 и менее); со средней плотностью (550—740 кг/м3) и с высокой плотностью (750 кг/м3 и выше).

Плотность древесины имеет большое практическое значение. Древесину с высокой плотностью (самшит, граб, бук, клен, груша) особенно ценят на производстве за ее прочность и хорошую обрабатываемость.

Древесина лиственных кольцесосудистых пород имеет неодинаковую плотность, ранняя часть годичного слоя у нее пористая, поздняя — более плотная. Такая древесина труднее поддается лакированию и полированию, но обладает другими ценными свойствами, например хорошо гнется. Древесина хвойных пород обладает малой плотностью, а рассеянно-сосудистых лиственных пород — высокой плотностью, поэтому она чисто обрабатывается, хорошо лакируется и полируется.