Строение и свойства древесины (дуба)

Равновесная влажность - такое влажностное состояние древесины, при котором давление окружающей среды находится в равновесии с давлением жидкости в поверхностных слоях древесины. При равновесной влажности влажность сорбции равна влажности десорбции

Для количественной характеристики содержания воды в древесине используют показатель влажность.

Под влажностью (абсолютной) древесины понимают выраженное в процентах отношение массы влаги, содержащейся в данном объеме древесины, к массе сухой древесины:

где m — масса пробы (образца) влажной древесины; m0 — масса пробы (образца) абсолютно сухой древесины, г.

Для измерения влажности древесины применяют прямые и косвенные методы. Прямые методы основаны на выделении тем или иным способом влаги из древесины

Влагу можно отделить путем высушивания и определить влажность с высокой точностью, осуществляя следующую процедуру. В лабораторных условиях небольшие образцы древесины взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,001 г и определяют начальную массу. Для того чтобы влажность образцов древесины во время взвешивания не изменялась, их помещают в стеклянные бюксы с притертыми крышками. Масса каждой бюксы определяется заранее на тех же весах. Образцы находятся в бюксах (но с открытыми крышками) и во время высушивания. Образец высушивают в сушильных шкафах, например, электрических шкафах. Высушивание проводится при температуре воздуха 103±2°С; бюксы с образцами находятся в шкафу до тех пор, пока не будет достигнуто постоянное значение массы.  Если разница в отсчетах по весам при двух последних с интервалом 1—2 ч определениях составляет менее 0,002 г, считают, что достигнуто абсолютно сухое состояние древесины. Перед каждым определением массы бюксы закрывают крышками и охлаждают в сухом воздухе в эксикаторах — сосудах с безводным хлористым кальцием или серной кислотой при концентрации 94—100%.

Влажность вычисляют с точностью до 0,1% по формуле:

где m — масса бюксы, г; m2 — масса бюксы с образцом до высушивания, г; m3 — масса бюксы с образцом после высушивания, г.

Описанный простой и надежный метод определения влажности 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.

Наибольшее распространение получили кондуктометрические электровлагомеры, измеряющие электропроводность древесины. У таких приборов иголки датчика вдавливают

через боковую поверхность доски (заготовки) в древесину на глубину 10 мм. В современных приборах вводят данные о породе, а также температуре воздуха и сразу считывают значения влажности древесины в процентах.

Методом высушивания влажность измеряется более точно, чем с помощью электровлагомеров. Последние дают значения влажности древесины только в месте введения игольчатых контактов. При неравномерном распределении влажности по объему доски или заготовки это может быть причиной дополнительных погрешностей в оценке общей влажности пиломатериала.

Относительная влажность древесины — это отношение массы влаги, содержащейся в древесине, к массе древесины во влажном состоянии, выраженное в процентных.

Общее количество влаги в древесине складывается из свободной и связанной влаги.

Схема содержания воды в древесине

Влага, находясь в полостях клеток и межклеточных пространствах, называется свободной, или капиллярной, а в клеточных стенках — связанной или гигроскопичной. В первую очередь из древесины испаряется свободная влага, при дальнейшей сушке начинается процесс испарения связанной влаги, в результате которого происходит значительное изменение физико-механичеких свойств древесины.

У живого (свежесрубленного) дерева содержание влаги будет обычно находиться в районе 50% -100%. После рубки содержание влаги снижается. Вначале испаряется свободная влага, пока не будет достигнута так называемая точка насыщения волокна.

Свежесрубленная древесина дуба имеет следующие показатели влажности:

•  ядро — 50-80%;

•  заболонь — 70-80%;

•  средняя — 60-80%;

•  кора —117%.

При затоплении максимальная влажность составляет 116%.

Как и у других пород, у растущего дуба наблюдаются сезонные и су­точные колебания влажности, кото­рые проявляются, правда, в сущес­твенно меньшей степени.

Влаго - и водопоглощение у дубовой древесины значительно ниже, чем у сосновой,— в силу большей плотнос­ти. Защищенные покрытиями изделия из дуба практически не меняют своей влажности (поэтому дуб идеально подходит, скажем, для паркета).

4.3. Усушка и разбухание

4.3.1. 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 микрокапиллярной воды, поэтому усушка наблюдается при любой температуре сразу же после снижения влажности за предел насыщения клеточных стенок.

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 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.

В тангенциальном направлении величина усушки древесины зависит в основном от усушки поздних зон, которые при высыхании стягивают ранние зоны. По радиальному направлению усушка древесины является средневзвешенной между усушками ранних и поздних зон. Таким образом, радиальная усушка древесины должна быть значительно меньше тангенциальной.

Тангенциальная усушка ранней и поздней зон годичного слоя дуба.

Кроме того, продольная усушка сердцевинных лучей с паренхимными клетками, микрофибриллы которых ориентированы преимущественно вдоль луча, по крайней мере в 2 раза меньше поперечной. Сердцевинные лучи сдерживают усушку древесины в радиальном направлении.

Формула для вычисления полной усушки, %, имеет вид:

где Уw — усушка образца при достижении данной влажности, %; апг — размер (объем) образца при пределе гигроскопичности Wm , мм (мм3); aw— размер (объем) образца при данной влажности W, мм (мм3).

Под полной усушкой У понимают уменьшение линейных размеров или объема древесины при удалении всего количества связанной влаги. Следовательно, для установления полной усушки влажность должна быть снижена от предела гигроскопичности до нуля. Т. е. полная усушка наблюдается при снижении влажности древесины от 30 % до 0.

Наибольшая полная линейная усушка, равная 6—10%, наблюдается в тангенциальном направлении; в радиальном направлении полная усушка составляет 3—5%, а вдоль волокон величина усушки в десятки раз меньше и равна 0,1—0,3%.

Полная объемная усушка в среднем составляет 12—15%. Для расчетов влажностных деформаций древесины удобен коэффициент усушки, определяющий величину усушки при снижении содержания связанной влаги в древесине на 1%. С достаточной степенью приближения можно полагать, что между усушкой и убылью связанной влаги имеется линейная зависимость. Зная частичную Уw или полную усушку У,

коэффициент усушки Кy можно определить по формулам:

где W — влажность образца в области до Wпг = 30 %.

С увеличением плотности древесины величина усушки увеличивается,  при этом лиственные породы дают большую усушку, чем хвойные. Вследствие различий в усушке по трем основным направлениям, высыхание древесины может приводить к деформации.

Мореный дуб надо сушить особо. Избавляясь от влаги, он сильно усы­хает, коробится и растрескивается. Не случайно выход качественных материалов при традиционных спо­собах сушки невелик. Вот почему не­которые специалисты предлагают использовать или СВЧ- , или хими­ческую (в растворах гигроскопичес­ких веществ) сушку. Последний ме­тод достаточно полно исследован в Воронежской ГЛТА.

4.3.2. Разбухание

Разбухание - процесс увеличения линейных размеров и объема древесины при увеличении влажности в древесине. Процессы усушки и разбухания взаимообратны и связаны с удалением и поглащением только связанной влаги.

Разбухание - отрицательное свойство древесины, но в некоторых случаях оно приносит пользу, обеспечивая плотность соединений (в бочках, чанах, судах и т.д.).

Полное разбухание, %, вычисляют по формуле:

где Pw — разбухание образца при достижении данной влажности W, %; aw— размер объем) образца при данной влажности W, мм (мм3); ао — размер (объем) образца в абсолютно сухом состоянии (W=0%), мм (мм3);

Полное разбухание Р наступает при увлажнении древесины от абсолютно сухого состояния до предела гигроскопичности. Дальнейшее увеличение влажности древесины вследствие повышения содержания свободной влаги разбуханием не сопровождается.

Коэффициент разбухания Кр, если известно частичное Pw или полное Р разбухание, определяется по формулам:

где W влажность образца в области до WnT =30%.

Коэффициенты усушки Ку и разбухания Kр для дуба.