Влажность древесины и свойства, связанные с ее изменением

Влажность

Влажностью древесины называется отношение массы влаги, находящейся в данном объеме древесины, к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в %. Определяют влажность по ГОСТ 16588—79.

Абсолютно сухую древесину в небольших образцах можно получить путем высушивания ее в специальных шкафах.

Влага в древесине пропитывает клеточные оболочки и заполняет полости клеток и межклеточные пространства. Влага, пропитывающая клеточные оболочки, называется связанной или гигроскопической. Влага, заполняющая полости клеток и межклеточные пространства, называется свободной, или капиллярной.

При высыхании древесины сначала из нее испаряется свободная влага, а затем гигроскопическая. При увлажнении древесины влага из воздуха пропиты­вает только клеточные оболочки до полного их насыщения. Дальнейшее увлажнение древесины с заполнением полостей клеток и межклеточных пространств происходит только при непосредственном контакте древесины с водой (вымачивание, пропаривание, сплав).

Общее количество влаги в древесине складывается из свободной и связанной влаги. Предельное количество свободной влаги зависит от того, как велик объем пустот в древесине, который может быть заполнен водой.

Состояние древесины, при котором клеточные оболочки 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.

Различают следующие ступени влажности древесины: мокрая — длительное время находившаяся в воде, влажность выше 100%; свежесрубленная — важность 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%.

Содержание влаги в стволе растущего дерева изменяется по высоте и радиусу ствола, а также в зависимости от времени года. Влажность заболони сосны в три раза выше влажности ядра. У лиственных пород изменение влажности по диаметру более равномерное.

По высоте ствола влажность заболони у хвойных пород увеличивается вверх по стволу, а влажность ядра не изменяется. У лиственных пород влаж­ность заболони не изменяется, а влажность ядра вверх по стволу снижается.

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.

Для определения влажности древесины пользуются методом высушивания и электрическим методом.

Для определения влажности древесины методом высушивания выпиливают образцы древесины призматической формы размером 20x20x30 мм, очищают от опилок и заусенцев, после чего немедленно взвешивают с погрешностью не более 0,01 г. Затем помещают в сушильный шкаф и выдерживают при температуре 103 + 2°С.

Первое взвешивание образца производят в зависимости от породы древесины через 6 ч после начала сушки (образцы древесины дуба и ясеня через 10 ч), второе и последующие — через каждые 2 ч. Высушивают образец до постоянной массы.

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 его — 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%, свыше 30%— +10%.

Усушка

Усушкой называется уменьшение линейных размеров и объема древесины при высыхании. Усушка начинается после полного удаления свободной влаги и с начала удаления связанной влаги.

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 тангентальном направлении. В тангентальном 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 тангентальном 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.

Обычно при расчетах усушку вдоль волокон не учитывают из-за ее малой величины. При распиловке бревен на доски предусматривают припуски на усушку с тем, чтобы после высыхания пиломатериалы и заготовки имели заданные размеры.

По 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;

срсднеусыхаюшие (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;

сильноусыхаюхцие (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 не полностью. 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. 10); в начале процесса сушки на поверхности сортимента, а в конце — внутри.

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

Их обнаруживают с помощью силовых секций (рис. 10, 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, 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.

Сохранившиеся после окончания сушки остаточные напряжения можно снять путем дополнительной обработки пиломатериалов (увлажнением поверхности паром или водой).

При высыхании или увлажнении древесины изменяется форма поперечного сечения доски. Такое изменение формы называется короблением. Коробление может быть поперечным и продольным. Поперечное коробление (рис. 11, а, в) выражается изменением формы сечения доски. Причина поперечного коробления — разница в усушке по радиальному и тангентальному направлениям. Сердцевинная доска (рис. 11, б) уменьшает свои размеры к кромкам: доска, у которой внешняя часть ближе к тангентальному направлению, усыхает больше, чем внутренняя,
имеющая радиальное направление. Чем ближе доска расположена к сердцевине, тем больше ее коробление.

По длине доски могут изгибаться, приобретая дугообразную форму (рис. 11, г), или при-
нять форму винтообразной поверхности — крыловатости (рис. 11, 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 тангентальным наклоном волокон.

Правильная укладка, сушка и хранение пиломатериалов исключают появление короб-
ления.

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

Разбухание наблюдается при увеличении влажности до предела гигроскопичности; увеличение свободной влаги (заполняющей полости клеток) не вызывает разбухания. Наибольшее разбухание происходит в тангентальном направлении, наименьшее — вдоль волокон.

Так же как и усушка, разбуха­ние — отрицательное свойство древесины. Однако в некоторых случаях оно играет положительную роль: обеспечивает плотность соединений в бочках, лодках, деревянных трубках и судах.

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 важности, температуры, формы и размеров древесины. У пород с меньшей плотностью водопоглощение больше, так как больше объем полостей, которые могут быть затолчены сво­бодной влагой. Наоборот, чем больше плотность, тем меньше водопоглощение древесины. Водопоглошение ядра меньше, чем заболони.

Плотность древесины

В древесине имеются пустоты (полости клеток, межклеточные простран­ства), и если удалось бы спрессовать древесину, 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 20 х 20 мм и высотой (по длине волокон) 30 мм (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 (м³).

Плотность древесины зависит от влажности и для сравнения значения плотности всегда приводят к единой влажности. В соответствии с рекомен­дацией комиссии по стандартизации Совета Экономической Взаимопомощи (СЭВ) все показатели физико-механических свойств древесины должны приводиться к стандартной влажности 12%.

Для расчета иногда пользуются плотностью древесины в абсолютно сухом состоянии: массу и объем древесины измеряют после того, как образец высушат до влажности, равной нулю.

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 (W_ат = 30%). Условная плотность древесины не зависит от влажности.

С увеличением влажности плотность древесины увеличивается. Например, плотность древесины бука при влажности 12% составляет 670 кг/м³, а при влажности 25% — 710 кг/м³. В пределах годичного слоя плотность древесины различна: плотность поздней древесины в 2—3 раза больше, чем ранней, поэтому чем лучше развита поздняя древесина, тем выше ее плотность.

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

Величина плотности колеблется в очень широких пределах. Наибольшую плотность имеют древесина самшита (960 кг/м³), березы железной (970 кг/м³), саксаула (1040 кг/м³), наименьшую — пихты сибирской (375 кг/м³), ивы белой (415 кг/м³). По плотности при влажности 12% древесину можно разделить на три группы:

породы с малой плотностью (510 кг/м³ и менее): сосна, ель, пихта, кедр, тополь, липа, ива, ольха, каштан посевной, орех маньчжурский, бархатное дерево;

породы средней плотности (550—740 кг/ м³): лиственница, тис, береза, бук, вяз, груша, дуб, ильм, карагач, клен, платан, рябина, яблоня, ясень;

породы с высокой плотностью (750 кг/м³ и выше): акация белая, береза железная, граб, самшит, саксаул, фисташка, кизил.

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 рассеяннососудистых лиственных пород — высокой плотностью, поэтому она чисто обрабатывается, хорошо лакируется и полируется.