Влажность и свойства, связанные с ее изменением

Вода в древесине. В древесине растущего дерева содержится значительное количество воды, необходимой для его нормальной жизнедеятельности. В срубленной древесине в зависимости от условий хранения и транспортировки содержание воды может увеличиваться или уменьшаться. В большинстве случаев при использовании древесины воду из нее удаляют с целью улучшения качества материала и готовых изделий.

Для количественной характеристики содержания воды в древесине используют показатель влажность.

Влажность древесины измеряют прямыми или косвенными методами. Прямые методы основаны на выделении тем или иным способом воды из древесины, ролу можно отделить путем высушивания и определить влажность с заданной степенью точности. ^Негласно ГОСТ 16483.7—71 с погрешностью до 0,1 % можно определить влажность проб из образцов, подвергавшихся физикомеханическим испытаниям. Очищенные от заусенцев и опилок пробы помещают в стеклянные бюксы с притертыми крышками и взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,001 г. Бюксы используют для того, чтобы масса пробы не изменялась во время взвешивания. Масса бюксы определяется заранее на тех же весах. Пробы находятся в бюксах (но со снятыми крышками) и во время высушивания в сушильных шкафах с электрическими нагревателями воздуха и автоматическими регуляторами температуры. Сушка проводится при температуре воздуха (103±2)°С. Первое взвешивание бюкс с образцами проводят через 6... 10 ч, а далее через каждые 2 ч. Если разница в массе при двух взвешиваниях с указанным интервалом окажется менее 0,002 г, считают, что достигнуто абсолютно сухое состояние древесины. Пробы из смолистой древесины хвойных пород не должны находиться в сушильном шкафу более 20 ч.

Влажность древесины с большей погрешностью (до 1 %) определяют по образцам размерами 20 х 20 х 30 мм, взвешивая их без бюкс на технических весах с точностью до 0,01 г. После начального взвешивания образцы помещают в сушильный шкаф, в котором они находятся до тех пор, пока по результатам двух последних контрольных взвешиваний (разница должна быть не более 0,02 г) не будет установлено достижение постоянной массы (т₀). Описанный простой и надежный метод определения влажно сти путем высушивания нашел широкое применение. Значительно реже для древесины используется другой прямой метод, основанный на отгонке воды с парами толуола.

Основной недостаток прямых методов заключается в том, что продолжительность процедуры очень велика. Этого недостатка лишены косвенные методы, основанные на измерении показателей других физических свойств, которые зависят от содержания воды в древесине.

В растущем дереве у хвойных пород влажность заболони в

3... 4 раза выше влажности ядра и спелой древесины. Так, у сосны и ели из Ленинградской области среднегодовая влажность заболони оказалась соответственно 112 и 122%, влажность ядра и спелой древесины — 33 и 38 %. В пределах ядра (спелой древесины) влажность сосны, ели и лиственницы из Восточной Сибири распределена равномерно. В то же время у пихты и кедра влажность центральной зоны спелой древесины или ядра намного выше, чем периферической.

У лиственных пород, как ядровых (дуб, ясень, вяз, ильм), так и безъядровых (береза, осина, липа), распределение влажности по сечению ствола более или менее равномерно. Влажность ядровой древесины у некоторых лиственных пород (дуб, вяз и др.) может быть значительно выше, чем у хвойных. Она достигает 70...80 %, а иногда и больше.

Влажность коры в свежесрубленном состоянии, по данным Центрального научно-исследовательского института механизации и электрификации лесной промышленности (ЦНИИМЭ), в среднем составила: для сосны 120%, для ели 112%, для березы 58 %.

По высоте ствола влажность заболони в хвойных породах увеличивается в направлении от комля к вершине, а влажность ядра остается практически без изменения. В стволах ядровых лиственных пород (дуб, ясень, вяз) влажность ядра вверх по стволу слегка понижается, а влажность заболони почти не изменяется; у лиственных безъядровых пород (осина, липа) влажность увеличивается от комля к вершине. Влажность коры у сосны в нижней части ствола на 60...75 % меньше, чем в средней и вершинной. У ели и березы влажность коры по высоте ствола примерно одинакова.

Предел гигроскопичности И_пг — это максимальная влажность клеточных стенок, достигаемая при поглощении влаги из воздуха; характеризуется отсутствием воды в полостях клеток и равновесием влажности клеточных стенок и воздуха, приближающегося к насыщенному состоянию. Этот показатель может быть определен прямым экспериментом по ГОСТ 16483.32—77, предусматривающим выдерживание стружек в воздухе при его относительной влажности ф = 0,995. Предел гигроскопичности, по исследованиям Б. С. Чудинова (ИЛД), как и предел насыщения клеточных стенок, увеличивается с уменьшением плотности древесины, когда возрастает поверхность клеточных стенок с микроуглублениями, в которых происходит конденсация влаги из воздуха.

При комнатной температуре можно принять, что предел насыщения клеточных стенок практически равен пределу гигроскопичности.

У крупных образцов (толщиной более 15 мм и длиной более 100 мм) из-за гистерезиса сорбции устойчивая влажность древесины, не подвергавшейся воздействию слишком высокой температуры (более 50...60°С), может отличаться от равновесной примерно на ±1,3 %.

При испытаниях с целью определения показателей физикомеханических свойств древесины ее кондиционируют, приводя к нормализованной влажности.

В деревообработке обычно используют древесину атмосферной или камерной сушки. Переход от свежесрубленного состояния к двум последующим совершается в результате высыхания древесины.

Высыхание древесины. При высыхании внутренняя зона сортимента (доски, бруса, бревна) имеет большую влажность, чем периферические зоны. Тангенс угла наклона кривой, отражающей распределение влажности по толщине, ширине или длине сортимента, называется градиентом влажности.

При влажности ниже Ж_{п н} скорость передвижения связанной воды пропорциональна градиенту влажности и коэффициенту влагопроводности. Влагопроводность определяет способность древесины проводить связанную воду. Вода перемещается в древесине по системам макрокапилляров, заполненных воздухом, и микрокапилляров в клеточных стенках. По макрокапиллярам влага перемещается в виде пара, а по микрокапиллярам преимущественно в виде жидкости.

Коэффициент влагопроводносги древесины вдоль волокон в 15.„20 раз больше, чем в тангенциальном направлении поперек волокон.

Влагопроводность значительно увеличивается при повышении температуры вследствие возрастания коэффициента диффузии пара и снижения вязкости воды.

Среди промышленных способов сушки наибольшее распространение имеют атмосферная и камерная. При атмосферной сушке пиломатериалов в штабелях на открытом воздухе продолжительность сушки исчисляется месяцами. В камерах при повышенной температуре пиломатериалы можно высушить до более низкой влажности и значительно быстрее. Продолжительность сушки досок толщиной 40 мм влажностью 60 % до влажности 12 % составляет 3...4 сут.

Усушка. Уменьшение линейных размеров и объема древесины при удалении из нее связанной воды называется усушкой. Усушку вызывает удаление адсорбционной воды, находящейся внутри клеточной стенки между микрофибриллами. Однако одновременно с адсорбционной водой происходит испарение микро-капиллярной воды, поэтому усушка наблюдается при любой температуре сразу же после снижения влажности за предел насыщения клеточных стенок. Вначале удаляется преимущественно микрока-пиллярная вода и сравнительно небольшое количество адсорбционной воды, поэтому усушка происходит довольно медленно. После удаления всей микрокапиллярной воды наблюдается значительно более интенсивная усушка.

Поскольку микрофибриллы в основном ориентированы по направлению продольной оси клетки, удаление адсорбционной воды приводит к уменьшению толщины клеточных Стенок и поперечных размеров клетки. Анатомические элементы вытянуты преимущественно вдоль оси ствола, поэтому продольная усушка древесины в десятки раз меньше, чем поперечная.

Усушка прямо, но, как показали работы МЛТИ, нелинейно зависит от плотности древесины: чем больше масса клеточных стенок в единице объема древесины, тем больше в ней адсорбционной воды и тем выше усушка. Следовательно, более плотные поздние зоны годичных слоев древесины усыхают больше, чем ранние.

Определение полной линейной и объемной усушки проводят согласно ГОСТ 16483.35 — 88 на образцах с основанием 20 х 20 мм и высотой вдоль волокон 30 мм. Годичные слои на торце образца должны быть параллельны соответствующей паре граней, а влажность образцов — выше или равна пределу насыщения клеточных стенок. При меньшей влажности образцы доводят до этого состояния, вымачивая их в воде при температуре (20 ± 5) °С.

Схема взаимного расположения элементов макроструктуры древесины, влияющих на тангенциальную и радиальную усушку поперек волокон:

1, 2 — поздние и ранние зоны годичных слоев; 3 — сердцевинный луч; t— тангенциальное направление; г — радиальное направление выполняют между торцами с погрешностью не более 0,01 мм.

Определение усушки вдоль волокон ввиду ее малости стандартом не предусматривается.Далее образцы, предварительно подсушенные в течение 2 сут, во избежание растрескивания досушивают до постоянных размеров, постепенно поднимая температуру в сушильном шкафу до (103 ± 2) °С.

Об усушке древесины наиболее распространенных пород можно судить по данным, приведенным в табл.

Коэффициенты усушки Ар и разбухания древесины, %/% влажности

В зарубежных руководствах приводятся данные о величине усушки древесины при снижении влажности с 20 до 5 %.

Из-за внутренних напряжений усадка поверхностных и внутренних зон доски (т. е. фактическое уменьшение размеров) отличается от их свободной усушки.

Внутренние напряжения в древесине могут быть легко обнаружены при помощи силовых секций. Для этого из доски выпиливают секцию, два размера которой определяются сечением сортимента, а третий размер (по длине волокон) равен 10... 15 мм. Из секции изготовляют двузубую вилку согласно рис.1, г. Зубцы сразу же после ее изготовления могут изогнуться наружу, вовнутрь или остаться прямыми, что свидетельствует соответственно о наличии растягивающих, сжимающих напряжений или отсутствии их в поверхностных зонах.

Рис.1 Растрескивание древесины и силовые секции:

а — наружные трещины в бревне; б — то же, в доске; в — внутренние трещины;

г— силовые секции

Количественная характеристика внутренних напряжений может быть дана с помощью метода, разработанного автором для измерения остаточных напряжений в древесине с выровненной влажностью. По этому стандартизованному методу (ГОСТ 11603 — 73) из доски выпиливают рядом две секции толщиной (по волокну) 15 мм. После выравнивания влажности одну из секций раскалывают параллельно ее длине на слои толщиной 4 мм. Измерением длины этих слоев до и после раскроя определяют изменение их размеров и находят относительную деформацию е каждого слоя. Вторую секцию распиливают на образцы толщиной 8... 10 мм, которые служат для определения модуля упругости Е при статическом изгибе.

Остаточные напряжения после камерной сушки значительно выше, чем после атмосферной. В лиственных пиломатериалах остаточные напряжения больше, чем в хвойных. Так, в сосновых досках сжимающие остаточные напряжения в поверхностных слоях достигали 4,4 МПа, а растягивающие во внутренней зоне — 1,7 МПа, в то время как в буковых досках сжимающие напряжения равнялись 7,2 МПа.

С некоторыми усложнениями описанный метод может быть применен для измерения полных внутренних напряжений в древесине в процессе атмосферной сушки или при камерной сушке и использовании охлажденных секций [25].

Внутренние напряжения могут появляться в древесине не только при сушке, но и при пропитке ее жидкостями, а также в процессе роста дерева.

Коробление древесины. Изменение заданной формы пиломатериалов и заготовок при сушке, а также выпиловке и хранении называется короблением. Поперечная поко-робленность зависит от различий в радиальной и тангенциальной усушке. Форма поперечного сечения покоробленных досок показана на рис. 1, а—г.

Ориентация наружной пласти доски ближе к чисто тангенциальному направлению, а внутренней — к радиальному, поэтому сечение досок принимает желобчатую форму (см. рис. 4, а).

Покоробленность досок из данного бревна тем больше, чем ближе к сердцевине расположена доска. На рис. 4, б, в, г показаны и другие виды поперечной покоробленное™.

Продольная покоробленность возникает из-за различий в усушке по длине волокон. Покоробленность по кромке (рис. 4, д) и пласти (рис. 4, ё) встречается, например, у досок, включающих участки креневой (порок древесины) или примыкающей к сердцевине молодой (ювенильной) древесины, которые обладают большей усушкой вдоль волокон, чем нормальная древесина. Крыловатость (рис. 3.6, ж) появляется у древесины с наклоном волокон (порок строения).

Рис. 4. Виды покоробленности: а — желобчатая; б — трапециевидная; в — ромбовидная; г — овальная; д — по кромке; е — по пласти; ж — крыловатость

Коробление досок может наблюдаться и при распиловке сырых бревен из-за напряжений, имеющихся в растущем дереве. Иногда причиной коробления досок является неправильная укладка их в штабеля при атмосферной и камерной сушке, увлажнение при хранении и др. При сушке коробление досок можно уменьшить путем приложения внешних усилий (от веса вышележащих частей штабеля или при помощи специальных прижимов).

Влагопоглощение. Способность древесины вследствие ее гигроскопичности поглощать влагу (пары воды) из окружающего воздуха называется влагопоглощением. При влагопоглощении внутри клеточных стенок образуется адсорбционная вода, находящаяся в пленочном состоянии. Адсорбционная вода отличается от обычной воды; она похожа по упругим свойствам на твердое тело, неэлектропроводна, по диэлектрической проницаемости близка к древесине, а по теплоемкости ко льду. Влагопоглощение практически не зависит от породы; у ядра и заболони оно примерно одинаково. По сорбционной способности кора мало отличается от древесины. Испытания древесины на влагопоглощение согласно ГОСТ 16483.19—72 проводят на образцах с размером основания 20 х 20 мм и высотой вдоль волокон 10 мм. Образцы высушивают в бюксах до абсолютно сухого состояния и помещают в эксикатор над насыщенным раствором соды, что обеспечивает относительную влажность воздуха ф = 92 %. Образцы периодически извлекают для взвешивания с точностью до 0,001 г через 1, 2, 3, 6, 9, 13, 20 сут и далее через каждые 10 сут. Минимальная продолжительность выдержки 30 сут. Испытание заканчивают, когда разность между двумя последними взвешиваниями окажется не более 0,002 г. По результатам взвешивания определяют текущую влажность образца и строят график «влажность древесины — время выдержки». Этот график, на котором влажность возрастает с убывающей скоростью, а также максимальная влажность древесины служат характеристикой влагопоглощения древесины.

Тепловые свойства

Теплоемкость. Показателем способности древесины аккумулировать теплоту является удельная теплоемкость с, представляющая собой количество теплоты, необходимое для того, чтобы нагреть 1 кг материала на 1 К (или на 1 °С). Удельная теплоемкость измеряется в кДжДкг • °С).

Поскольку состав древесинного вещества у всех пород одинаков, удельная теплоемкость древесины не зависит от породы и при температуре О °С для абсолютно сухой древесины равна 1,55 кДж/(кг • °С). С повышением температуры удельная теплоемкость древесины несколько возрастает по линейному закону и при 100 °С увеличивается примерно на 25 %.

Значительно сильнее влияет на теплоемкость увлажнение древесины. Так, увеличение влажности древесины от 0 до 130 % приводит к повышению теплоемкости примерно в 2 раза.

Температуропроводность.

С уменьшением плотности абсолютно сухой древесины коэффициент а возрастает. Увеличение содержания связанной воды в древесине почти не отражается на коэффициенте температуропроводности, так как его значения у древесинного вещества и воды довольно близки. Однако повышение содержания свободной воды, у которой коэффициент а примерно в 100 раз меньше, чем у замещаемого ею воздуха в полостях клеток, приводит к резкому снижению температуропроводности древесины.

Тепловое расширение древесины. При нагревании твердых материалов, в том числе и древесины, происходит увеличение их объема. Коэффициент линейного теплового расширения а' показывает на сколько изменяется единица длины тела при нагревании его на 1 °С. Наименьший а' в направлении вдоль волокон; величина его для сухой древесины колеблется в пределах (2,5 ...5,4)-10"⁶ 1/°С. Тепловое расширение поперек волокон значительно больше (иногда в 10... 15 раз), чем вдоль волокон, причем в тангенциальном направлении оно обычно в 1,5... 1,8 раза выше, чем в радиальном. Коэффициент линейного расширения вдоль волокон древесины составляет 1/10... 1/3 коэффициентов теплового расширения стекла, бетона и металлов. При нагревании влажной древесины одновременно происходит усушка, которая маскирует в десятки раз меньшее тепловое расширение древесины поперек волокон.