Влажность древесины
При высыхании древесины удаление связанной влаги приводит к уменьшению линейных размеров и объема. Это явление называется усушкой древесины. Уменьшение содержания свободной влаги, т. е. снижение влажности от свежесрубленного или мокрого состояния до предела гигроскопичности не вызывает усушки.
Связанная влага, как отмечалось, находится в клеточных оболочках, преимущественно в промежутках между микрофибриллами и частично внутри самих микрофибрилл. Поскольку микрофибриллы в основном ориентированы по направлению продольной оси клетки, удаление связанной влаги приведет к уменьшению толщины клеточных оболочек и уменьшению поперечных размеров клетки. Отсюда ясно, что наибольшая усушка древесины должна быть в поперечных направлениях. Продольная усушка, которая обусловлена некоторым наклоном микрофибрилл, значительно меньше, так как составляет лишь долю от основной поперечной деформации. Поперек волокон также наблюдается анизотропия усушки. Давно установлено, что тангенциальная усушка в 1,5—2 раза больше радиальной; причины этого различия еще недостаточно выяснены.
Отдельные элементы древесины при высыхании ведут себя по- разному. Размеры сосудов и паренхимных клеток обычно уменьшаются в тангенциальном направлении и несколько увеличиваются в радиальном; древесные же волокна усыхают примерно одинаково в обоих направлениях. Сердцевинные лучи сильнее усыхают по ширине, чем по длине. Установлено, что у хвойных пород между радиальной и тангенциальной усушкой древесины поздней зоны годичных слоев существует небольшое различие, а тангенциальная усушка древесины ранней зоны годичных слоев в 2—3 раза превосходит радиальную. При этом поздняя древесина поперек волокон усыхает значительно больше, чем ранняя, а вдоль волокон, наоборот, поздняя древесина усыхает меньше, чем ранняя.
Таблица 14. Усушка поздней и ранней древесины.
Зона годичного слоя
Аналогичные данные получены для тангенциальной усушки отдельных зон годичного слоя в древесине хвойных и лиственных пород (табл. 15).
Таблица 15. Тангенциальная усушка ранней и поздней зон годичного слоя хвойных и лиственных пород.
Примечание. Для рассеяннососудистых пород под ранней зоной годичного слоя подразумевается первая половина, обращенная к сердцевине, а под поздней— вторая половина, обращенная к коре.
Усушка древесины в целом занимает среднее положение между усушкой ранней и поздней древесины, но выше средней арифметической; из этого следует, что усушка поздней зоны для тангенциального направления имеет особо важное значение. Если учесть, что сердцевинные лучи по ширине усыхают больше, чем по длине, этими двумя причинами уже можно удовлетворительно объяснить различие между радиальной и тангенциальной усушкой древесины. При этом для древесины хвойных пород главное значение имеет повышенная тангенциальная усушка поздней зоны годичных слоев, а для древесины лиственных пород — усушка сердцевинных лучей по ширине.
Усушку древесины следует также рассматривать как результат деформирования некоторой ячеистой конструкции. При этом большое значение приобретает упругая анизотропия такой системы, обусловленная главным образом особенностями расположения ячеек — полостей клеток. Большая усушка должна быть в направлении меньшей жесткости системы и наоборот. Как будет показано далее, в радиальном направлении жесткость (модуль упругости) выше, чем в тангенциальном направлении. Это также должно служить объяснением большей усушки в тангенциальном направлении. Мерой усушки является относительная несиловая влажностная деформация. Для исчисления усушки уменьшение размеров (объема) образца, т. е. его влажностная деформация, должна быть отнесена к размеру (объему) образца при пределе гигроскопичности:
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. 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, как правило, увеличивается. Средняя величина усушки поперек волокон (радиальной и тангенциальной) хвойных пород меньше, чем лиственных, однако неравномерность усушки, т. е. отношение тангенциальной усушки к радиальной, наоборот, у хвойных пород больше, чем у лиственных. Об усушке наиболее распространенных пород можно судить по данным, приведенным в табл. 16. Приводимые в справочной литературе коэффициенты определены по усушке, величина которой исчислялась как отношение уменьшения размеров (объема) образца к его размеру (объему) в абсолютно сухом состоянии. Таким образом, в справочниках даются не коэффициенты усушки, а коэффициенты разбухания (см. ниже).
Таблица 16. Коэффициенты усушки Ку и разбухания Kр.
Изменения древесины в процессе сушки
Хотя на самом деле усушка древесины начинается раньше достижения предела гигроскопической влажности: первыми высыхают наружные слои, затем внутренние. Процесс прекращается, когда доски и бруски становятся абсолютно сухими на всю глубину.
Неоднородность усушки
Подобная неравномерность усушки приводит к деформации древесины, что является ее недостатком, поскольку создает трудности при обработке материала — в процессе высыхания пиломатериалов форма их поперечного сечения меняется: в зависимости от выпиловки доска может утончиться по краям, принять желобообразную форму, а сечение бруса из квадратного стать ромбовидным. Изменить ситуацию и стабилизировать размеры досок и брусков, изготовленных из предварительно невысушенной древесины, возможным не представляется. Остается работать с полностью просушенным материалом.
Теоретические расчеты
Таким образом можно вычислить количество удаляемой из древесины при сушке влаги:
Тогда процент усушки высчитывается по формуле:
где У — процент усушки, %.
Коэффициенты усушки древесных пород
| Породы древесины | Коэффициент усушки | Kt/Kr | ||
| Kt тангенциальный | Кг радиальный | Ко объемный | ||
| Береза | 0.34 | 0.28 | 0.62 | 1.21 |
| Бук | 0.35 | 0.18 | 0.53 | 1.94 |
| Граб | 0.35 | 0.18 | 0.53 | 1.94 |
| Дуб черешчатый | 0.29 | 0.19 | 0.48 | 1.53 |
| Ель обыкновенная | 0.31 | 0.17 | 0.48 | 1.82 |
| Кедр сибирский | 0.28 | 0.15 | 0.43 | 1.87 |
| Клен | 0.32 | 0.2 | 0.52 | 1.6 |
| Липа | 0.33 | 0.23 | 0.56 | 1.43 |
| Лиственница сибирская | 0.39 | 0.2 | 0.59 | 1.95 |
| Ольха | 0.3 | 0.17 | 0.47 | 1.76 |
| Осина | 0.3 | 0.15 | 0.45 | 2 |
| Пихта сибирская | 0.29 | 0.15 | 0.44 | 1.93 |
| Сосна обыкновенная | 0.31 | 0.18 | 0.49 | 1.72 |
| Тополь | 0.28 | 0.14 | 0.42 | 2 |
| Ясень маньчжурский | 0.32 | 0.2 | 0.52 | 1.6 |
Припуски на усушку
На основании исследований реальной усушки древесины различных пород определены размеры припусков усушки они узаконены ГОСТом и занесены в таблицы. Так, в помощь специалистам разработана таблица величины припусков на усушку для пиломатериалов тангенциальной или смешанной распиловки из древесины ели, сосны, кедра и пихты. Основываясь на ней, можно также высчитать припуски усушки для материалов радиальной распиловки, других размеров или влажности. В частности, для получения значения припуска для пиломатериалов радиальной распиловки в отношении данных таблицы применяется коэффициент 0,6. Если влажность древесины ниже 30%, припуски на усушку вычисляют как разницу между показателями указанных в таблице припусков для требуемой конечной и фактической начальной влажности древесины.
Также установлены припуски на усушку для пиломатериалов лиственных пород (ГОСТ 4369-52). Кроме того, при расчетах можно пользоваться формулами, учитывающими способ распиловки и породу древесины.
При радиальном расположении годовых слоев:
1) для бука, дуба, ильма, клена, ясеня, ольхи, осины и тополя:
2) для березы, граба, липы:
При тангенциальном расположении годовых слоев в досках:
1) для березы, дуба, клена, ясеня, ольхи, осины, тополя:
2) для бука, граба, ильма и липы:
где S — припуск на усушку, мм.
А — размер пиломатериалов по толщине или ширине в сухом состоянии, мм.
W — конечная влажность пиломатериалов, %.
В данных расчетах средняя начальная влажность материала установлена на уровне 35%. Если влажность древесины меньше, в формуле учитывается фактический показатель.
Ориентируясь на эти значения, можно добиться того, чтобы пиломатериалы имели требуемые размеры после высушивания.
Процесс усушки древесины
При возведении зданий из деревянного материла возникает много проблем, и одна из них — усушка древесины. Происходит это потому, что древесина является непростым, требовательным сырьем, которое реагирует на внешние условия. Использовать в работе необходимо подготовленный материал, в противном случае сырая древесина растрескивается, деформируется и усыхает. Специалисты, которые работают с этим природным материалом, должны знать все тонкости и правила обращения с ним, а также, как правильно его использовать в строительстве.
Постройки из дерева всегда отличаются особой красотой, колоритом и необычайной внутренней атмосферой. На сегодняшний день дома из дерева пользуются большой популярностью. Во-первых, важно знать о физических особенностях разного сорта древесины, ведь коэффициенты усушки древесины различных пород сильно отличаются. Работу строителям облегчает специальная таблица, которая вмещает в себя данные об усушке различных видов дерева. Эти показатели помогают специалистам во время работы определять величину необходимых припусков, чтобы в будущем постройка не изменила своего вида и оставалась безопасным жильем.
Что нужно знать об усушке древесины
Элементарные знания о свойствах и структуре древесины можно получить, изучая древесиноведение. Эта научная дисциплина вмещает в себя все характеристики и данные, полученные путем химических, физических, биологических и механических исследований такого природного материала, как древесина. Наука о дереве изучает все его свойства, строение, реакции на внешние условия и воздействия.
Усушка представляет собой процесс изменений свойств материи, ее объемов и линейных размеров. Стоит отметить, что данному изменению подвержены все породы деревьев, но только каждый вид — по-разному, а именно, процент усушки и длительность этого процесса может отличаться. Происходит этот процесс по мере того, как удаляется из материала связующая и адсорбирующая вода. Жидкости в этом природном сырье предостаточно, поэтому подготовить древесину к строительным работам может лишь грамотный и опытный специалист.
Перед тем как выпустить древесину для строительных работ, ее сушат, и это довольно долгий и трудоемкий процесс. Он имеет определенные требования и стандарты в работе, к примеру, на каждый вид данного материала есть свой ГОСТ, который гарантирует качество и прочность сырья.
Сушка древесины проходит в несколько этапов:
Суть коэффициента усушки древесины
Благодаря данным, полученным в ходе исследования различных пород древесины, создана классификация различных сортов этого природного материала, каждый из которых имеет свой коэффициент объемной усушки, т. е. это показатель того, насколько сырье избавилось от влаги и сжалось в объеме. Это нужно знать при использовании данного товара в работе, т. к. внешние факторы и природные явления могут оказывать обратное влияние на него и привести не к усадке, а наоборот, к увеличению и искажению его размеров.
Ориентируясь на данные показатели, была созданная классификация всего сырья:
Самым распространенным видом обработки древесных растений является камерная сушка. При таком процессе процент убыли влаги из сырья будет высок и вода из заготовки выпаривается равномерно. На предприятиях имеется специальное оборудование, которое позволяет выполнять этот процесс быстро и качественно. Если же происходят сбои в работе печей, то на выход идет некачественная и неликвидная заготовка, которая не пройдет ГОСТ.
Использовать в работе можно и сырое дерево, но стоит понимать, что усыхание древесины — это природный и неизбежный процесс.
Искусственная сушка
Естественным путем заготовки могут сушиться достаточно долго, в некоторых случаях на это может уйти год и более. При этом равномерность выхода влаги из сырья будет нарушена, что, соответственно, скажется на качестве. Поэтому на сегодняшний день работают в основном с пиломатериалом, прошедшим искусственную сушку. Это значительно сокращает время и позволяет получать товар, соответствующий ГОСТ. На качественной заготовке не должно быть дефектов и, тем более, деформаций. Ее безопасно использовать в строительстве дома, т. к. есть уверенность, что он простоит не одно десятилетие, не даст усадку и нахождение в нем будет безопасным и комфортным для людей.
Специалисты утверждают, что неправильно обработанный пиломатериал может привести к разрушению сооружений и к его деформации. Выбирать заготовки стоит тщательно, поверхность должна быть ровной и без видимых дефектов. Приобретая пиломатериалы, всегда нужно ознакомиться с документами и сертификатами на этот товар.
Усушка древесины
Усушка древесины — физическое явление, которое вызывает уменьшение габаритных размеров и общего объема древесины в процессе удаления влаги. Эта метаморфоза напрямую связана с микроскопическим строением дерева и требует особенного внимания при работе с ним.
Показатели, относящиеся к изменению влажности, значительно оказывают воздействие на конструкционные и технические значения прочностных характеристик, плотности и пластичности древесины. Поэтому, при заготовке, хранении и обработке лесоматериалов важно учитывать произойдет ли усушка древесины в существующих условиях окружающей среды.
Что нужно знать об усушке древесины
Древесина имеет резко выраженное анизотропное строение. Это значит, что свойства по-разному проявляют себя в различных направлениях. Все клетки, из которых состоит дерево, отличаются по размерам в поперечном и продольном сечении. Микрофибриллы, находящиеся в оболочке клеток, располагаются вдоль оси клетки, а влага занимает пространство между ними. По этой причине при удалении влаги значительно изменяются поперечные размеры в радиальном и тангенциальном направлениях. Стоит отменить, что в тангенциальном направлении, то есть при разрезе вдоль волокон по касательной к годичным кольцам, усушка древесины имеет показатели в 1,5-2 раза выше.
Виды усушки древесины
В зависимости от количества удаленных молекул воды усушка древесины рассматривается как:
Определение характера и вида усушки обычно происходит в лабораторных условиях. Образец материала помещают в воду до полного насыщения. Затем измеряют размеры, используя специальные инструменты — микрометр или штангенциркуль. После этого образцы высушиваются до абсолютно сухого состояния в сушильном шкафу, и их линейные размеры измеряются повторно.
Эти испытания необходимы при определении показателя, характеризующего степень расширения и сжатия древесных волокон под физическим воздействием.
Коэффициенты усушки и разбухания
Величина усадки пилопродукции при снижении влажности в процентном соотношении определяется коэффициентом усушки. Он характеризует степень трансформации габаритных размеров изучаемого деревянного образца при понижении количества влаги на 1 %. С информацией и методикой нахождения этого коэффициента можно познакомиться, изучив ГОСТ 6782.2-75.
ГОСТ 6782.2-75 Пилопродукция из древесины лиственных пород. Величина усушки
Разбухание древесины происходит в результате насыщения волокон влагой. Протекает это при повышенных показателях влажностного режима. Этот процесс, обратный усадке древесины, вызывает увеличение линейных размеров лесоматериалов. В числовом эквиваленте это явление выражается с помощью нахождения коэффициента разбухания. Методика определения этого показателя описана в ГОСТ 16483.35-88.
Степень усушки и разбухания для каждой породы дерева индивидуальна. Обуславливается это особенностями микроскопического строения и химического состава волокон древесины. Представители хвойных пород, имеют в структуре волокон вертикальные и горизонтальные смоляные ходы. Это значительно отличает их от лиственных пород, строение которых представлено развитыми проводящими сосудами.
ГОСТ 16483.35-88 Древесина. Метод определения разбухания
Все древесные породы имеют разный коэффициент усушки и в зависимости от его величины формируются на группы:
Величина коэффициента усушки помогает составить прогноз вероятности появления внутренних напряжений и растрескивания в результате неравномерного испарения влаги и принять меры по предотвращению их появления.
Припуски на усушку
Предрасположенность лесоматериалов к усыханию и разбуханию относится к свойствам, имеющим негативное влияние на эксплуатационные качества дерева. Чтобы после заготовки и распиловки достичь заданных размеров изделия предусматривается припуск на усадку материала. Это является универсальным средством, позволяющим избежать деформацию дерева в процессе его высушивания до необходимых показателей влажности.
Числовые значения припусков на усадку пиломатериалов предусмотрена в ГОСТ 6782.1-75. Степени усушки наиболее распространенных древесных пород в ГОСТ указаны в виде таблицы с данными о значениях номинальной толщины и ширины пилопродукции в миллиметрах и конечной влажности в процентном соотношении.
ГОСТ 6782.1-75 Пилопродукция из древесины хвойных пород. Величина усушки
Чтобы вычислить величину припуска и найти фактические размеры изделия, необходимо произвести расчет согласно данным из таблицы. Для удобства и лучшего понимания разработчиками стандарта приведены примеры таких вычислений.
Правильная сушка древесины
Процесс усадки древесины можно взять под контроль, если соблюдать правила сушки лесоматериалов. Основной задачей в этом деле является обеспечение равномерного удаления влаги из волокон, составляющих структуру дерева. В промышленных условиях это обеспечивается в специальных электрических или газовых сушильных камерах. Самым распространенным видом сушки в естественных условиях является атмосферная сушка. Заготовленный материал защищается от осадков, а также влияния негативных факторов окружающей среды с помощью изолирующего покрытия и складируется несколькими рядами в режиме интенсивного проветривания.
Дерево является долговечным, но капризным конструкционным материалом. Его механические и физические свойства зависят от внешних факторов. Существенные перепады температур и несоблюдение влажностного режима приводят к усушке или разбуханию древесины. Неравномерное распределение влаги по волокнам дерева может привести к искажению линейных размеров лесоматериалов. Поэтому, в процессе работы с деревом, начиная с заготовки, важно учитывать вероятность изменения габаритов изделия, и соблюдать припуски на усадку.
Усушка и особенности древесины
Строительство любого деревянного сооружения сопровождается множеством проблем. Дерево – материал достаточно прихотливый. Оно подвержено атаке различных насекомых и микроорганизмов, а также оно может попросту сгнить, если не учитывать ряд нюансов при строительстве.
Схема усушки древесины в разных направлениях
Усушка древесины – это одна из проблем, с которыми приходится сталкиваться каждому человеку, затевающему строительство любого сооружения из древесины. Нужно учитывать систему припусков на дереве в процессе строительства, чтобы усадка никак не сказалась на качестве будущей конструкции. Стоит поговорить о том, что такое усадка древесины, более подробно.
Что же такое усушка древесины?
Усушкой древесины называется изменение ее линейных размеров и объема с течением времени.
Усушка и коробление древесины: 1 – грани древесины, не подвергавшиеся усушке; 2 – грани высушенной древесины; а, б, в, г, – схемы усушки граней древесины в зависимости от их места на стволе.
Этот процесс возникает, когда связанная вода полностью удаляется из древесины. Этому явлению подвержены все пород деревьев. Однако какие-то подвержены усушке больше, а какие-то меньше.
Стоит сразу отметить, что усушка наблюдается на всех стадиях сушки древесины. Это связано с тем, что из волокон удаляется не только связанная вода, но и адсорбированная.
На практике применяется один очень важный параметр, который носит название коэффициент усушки древесины. Он показывает, насколько изменяются геометрические параметры того или иного вида древесины в результате повышения влажности на один процент.
При этом учитывается предел от насыщения древесных клеток до полного их освобождения от влаги. Если необходимо точно рассчитать значения влажностных напряжений, то в обязательном порядке необходимо пользоваться справочными таблицами, которые используются на территории нашей страны. Они отражают все имеющиеся коэффициенты для различных пород древесины.
В зависимости от степени усушки можно классифицировать все древесные породы на несколько больших групп.
Классификация всех древесных пород
В зависимости от величины объемной усушки все древесные породы можно подразделить на следующие большие группы:
Если в древесину попадает какая-либо влага, то она заставляет ее разбухать. То есть разбуханием можно назвать явление, которое является обратным усушке. Оно приводит не к сжиманию объемов, наоборот, к их увеличению.
Таблица классификации пород дерева в зависимости от коэффициента объемной усушки.
Если говорить о максимальном значении разбухания, то тут история точно такая же, как и в случае с усушкой. При попадании влаги в структуру древесины она начинает разбухать. При этом наибольшее значение разбухания наблюдается в радиальном направлении. В продольном направлении это значение гораздо ниже.
Разумеется, многие специалисты скажут, что разбухание древесины и ее усушка являются процессами негативными. Однако стоит сказать, что дело обстоит не совсем так. Эти процессы позволяют сохранить целостность винных бочек и лодок в процессе их эксплуатации. Ведь не зря именно эти приспособления делаются из дерева.
При строительстве усушка дерева играет очень важную роль. Всегда нужно учитывать этот параметр, если планируется строительство дома из дерева. В противном случае он попросту может стать дефективным.
Проявление анизотропии усушки древесины на практике
Таблица соотношения коэффициентов усушки и разбухания древесины.
В результате анизотропии усадки изменяются не только геометрические размеры древесины. Зачастую этот процесс сопровождается и изменением формы заготовки. Если усадка древесины происходит неравномерно, то это может напрямую повлиять на качество древесного материала.
В этом случае весьма велика вероятность появления дефектов сушки. Наиболее ярко подобные процессы себя проявляют именно при камерной сушке. Этот вид сушки древесины сегодня наиболее распространен и эффективен.
Таким образом, стоит говорить о том, что на предприятиях, которые занимаются сушкой древесины, должен происходить процесс контроля, который заключается в поддержании стабильных значений температуры и влажности воздуха в камере.
В этом случае весьма велика вероятность снижения появления брака готовой продукции. В современной действительности с поставленной задачей достаточно просто справиться.
Сейчас производится много оборудования, которое способно вести автоматический контроль за состоянием атмосферы внутри сушильной камеры. Разумеется, оно стоит недешево, зато вероятность появления брака ввиду усушки равна нулю.
Современные датчики температуры, которые устанавливаются в камерах, способны работать с минимальной погрешностью. Это достигается за счет применения высококачественных материалов в процессе их производства. Их погрешность зачастую составляет менее десятой доли процента.
Этого вполне достаточно, чтобы производить автоматический контроль внутри печи. Сигнал со всех датчиков поступает на микроконтроллер, который способен выполнять сотни операций в минуту.
Если в какой-то части камеры произошло резкое понижение или повышение температуры, контроллер на это среагирует мгновенно. Он передает сигнал на исполнительный орган, который выдает оператору сигнал тревоги. Таким образом, процесс автоматической усушки становится все совершеннее.
Схема устройства камеры для сушки древесины.
Если в процессе производства будут нарушены какие-либо технологические процессы, весьма велика вероятность того, что на выходе получится некачественная продукция.
Все подобные камеры работают с учетом опыта, который был добыт учеными экспериментальным путем. Они исследовали большую часть пород древесины на усушку.
В результате полученных данных можно отлаживать процесс нагрева в печи. На эти данные и опирается большинство предприятий, которые осуществляют усушку древесины в камерах.
Подведение результатов
Таким образом, можно считать, что усушка древесины – это процесс неизбежный. Практически все породы древесины подвержены этому явлению, которое может нести как отрицательные качества, так и положительные.
Усушка естественным путем происходит достаточно долго. Если строить дом из сырого дерева, то человеку будет невозможно в нем жить, пока не завершится процесс усушки. Для этого может понадобиться достаточно много времени.
В некоторых случаях продолжительность естественной усушки составляет около года. Разумеется, в настоящее время люди приобретают материал для строительства, который подвергся искусственной усушке. Это позволяет сохранить время. При покупке подобного материала обязательно стоит обращать внимание на его качество.
На строительном материале никогда не нужно экономить. Это может пагубно сказаться на строящейся конструкции. Особенно это касается именно древесины. Если она будет качественной, то сооружение может простоять несколько десятилетий. При этом оно сохранит свой первозданный вид.
Если в процессе строительства использовалась древесина, которая сушилась не по технологии, велика вероятность того, что дом вскоре начнет разрушаться. На качественной древесине не должно быть никаких дефектов. При этом искажения формы тоже не допускаются.