Материаловедение для столяров и плотников
Основы древесиноведения
2. Физические свойства древесины
§ 5. 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 — 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%.
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 20 x 20 x 30 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 + 2oC.
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 Bz, определенную методом высушивания, вычисляют в процентах по формуле
W — [(ml — m2) m2] • 100,
где ml— масса образца древесины до высушивания, г; m2 — 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 0l—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;
- 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 го- му, 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 прочное ги древесины на растяжение поперек волокон, то могут возникнуть трещины (рис. 10); в начале процесса сушки на поверхности сортимента, а в конце — внутри.
а — наружные трещины в бревне, б — то же, в брусках, в — внутренние трещины, г — силовые секции
Внутренние напряжения сохраняются в высушенном материале и служат причиной изменения размеров и формы деталей при механической обрабоіке 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 этою 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 напряг ения 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.
а и 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. 11, г), или принять 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 танген- тальным наклоном волокон. Правильная укладка, сушка и хранение пиломатериалов исключают появление коробления.
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 сТиеньшей 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.
