Дерево - материал «живой», конструкции из него дышат и могут менять свою влажность. В этом и заключается его главное отличие от кирпича, бетона, металла… Такая особенность обуславливает наличие некоторых проблем при использовании стройматериалов из древесины, особенно это касается изменения процента влажности.
В древесине основная часть воды находится в полостях клеток, межклеточных пространствах, в каналах, пустотах, трещинах - это свободная влага. Некоторое количество воды присутствует в толще клеточных оболочек - связанная влага.
Свободная (капиллярная) влага в дереве удерживается за счет простых физико-механических связей, она легко испаряется при обычной сушке. Это та вода, которую древесина может впитывать и отдавать. Когда речь заходит о влажности пиломатериалов, то имеется в виду количество именно свободной влаги.
Связанная (микрокапиллярная) влага удерживается в дереве сложными физико-химическими процессами, удаление ее связано с огромными энергозатратами. В природе она испаряется из древесины в процессе горения или естественного старения, то есть, когда клетки полностью разрушаются.
Процент влажности пиломатериалов - одна из важнейших технических характеристик, влияющих на качество и сферу применения изделий. Кроме того показатель влажности может переводить доску или брус в один из пяти сортов. Так, в ГОСТ 8486-86 говорится, что к отборным и первому-третьему сортам относятся пиломатериалы влажностью до 22 процентов (сухие) или от 22% (сырые, обработанные антисептиком), и только 4-ый сорт не нормируется по этому показателю.
Выделяют абсолютную и относительную влажность. В строительной практике обращают внимание в основном только на абсолютную, которая определяется как соотношение массы содержащейся в дереве влаги к массе сухой древесины.
Принято выделять несколько видов влажности:
Выделяют также понятия «полусухие» пиломатериалы, изделия из древесины «транспортной влажности» - около 22%.
Влажность дерева - величина нестабильная. Древесина гигроскопична, она всегда стремится войти с окружающей средой в равновесие. Влагообмен происходит постоянно, при повышении влажности воздуха пиломатериалы впитывают в себя воду из него, а при понижении - отдают. Это взаимодействие вызывает ряд процессов по изменению структуры и формы материала, таких как:
При усушке пиломатериалы уменьшаются в объеме вследствие испарения влаги из древесины. Причем объем уменьшается прямо пропорционально снижению влажности. Усыхает дерево в разных направлениях неодинаково, меньше всего вдоль волокон (на 0,1-0,3%), в радиальном направлении - 4-8%, в тангенциальном - 6-10%. Объемная усушка в среднем может составлять 12-15 процентов. Чтобы после высыхания изготавливаемые пиломатериалы имели нужные размеры, при распиловке бревен, например, на брус или доску, делают припуски. При этом учитывают, что усушка зависит от плотности древесины - чем выше она, тем больше усыхает. Кстати, разные породы по-разному реагируют на изменение влажностного режима, выделяют среди них более-менее стойкие, а некоторые характеризуются плотниками и столярами как «нервные».
Разбухание -- увеличение деревянных изделий в объеме, то есть процесс, противоположный усушке. Происходит он, когда дерево эксплуатируется в условиях повышенной влажности. Увеличение объема само по себе не влияет на прочность древесины как таковой, однако может привести к нарушению формы/целостности собранных из нее конструкций.
Свойство древесины разбухать и усыхаться при кардинальном изменении влажности считается негативным. Однако, в некоторых случаях, например, разбухание бывает полезным - оно обеспечивает герметичность соединения деталей, допустим, при изготовлении деревянных лодок, бочек и т.п.
Уличные деревянные конструкции процессам разбухания и усушки подвергаются периодически, со сменой времен года. Поэтому они особо подвержены таким процессам как растрескивание и коробление, являющимися результатами постоянно меняющейся влажности.
При усушке может образовываться неравномерность распределения воды в слоях дерева, в результате чего возникает напряжение по разным направлениям, приводящее к образованию трещин. Вследствие усушки часто наблюдается искривление изделия - коробление. Оно может быть продольным или поперечным, появляется неравномерно в разных направлениях. Искривлённые пиломатериалы осложняют монтаж и могут терять несущие способности. Даже выделяют (ГОСТ 2140 81) специфический видимый порок доски - «крыловатость», то есть винтовой продольный изгиб.
Пиломатериал определенной влажности предназначается для определенных целей. Использовать доску/брус влажностью 20-30 процентов допускается для строительства любых уличных сооружений - заборы, беседки, навесы, ограждения для животных и тому подобное. Кроме того брус и доска естественной влажности подойдет для обустройства некоторых конструкционных элементов при возведении домов и ремонтных работах. Например, для обустройства стропильной системы или лаг под половое покрытие. В данном случае надежность крепления не позволит при высыхании появиться трещинам и короблению. А для защиты от грибка изделия обрабатываются специальными антисептическими составами.
Из сухого пиломатериала (комнатно-сухая влажность на уровне 7-10 процентов) изготавливают строганный мелкий и крупный погонаж (вагонка, блок-хаус, плинтусы, уголки, обналичка) наружные и внутренние дверные полотна, оконные фрамуги и рамы, паркет, мебель.
Существует у деревообработчиков такое понятие, как «транспортная влажность». Ее показатель не должен быть больше 20-22 процентов. Если влажность пиломатериалов выше, то перевозить их на большие расстояния не допустимо, так как транспортировка займет много времени, в течение которого возможно загнивание древесины.
Абсолютно сухая древесина с показателем 0 процентов на практике не встречается. Это понятие применяется лишь при использовании одного из методов определения влажности - весового.
Для выяснения влажности пиломатериалов пользуются сегодня двумя основными способами - весовым и с использованием влагомера.
Весовой метод
Влажность определяют следующим образом - из бруса или доски выпиливают небольшой образец (контрольную пробу) шириной 20-25 мм. Очень важно брать его не с самого края, а с середины, так как торцевые части влажность всегда имеют меньшую. Образец очищают от опилок и взвешивают на технических весах, способных давать сверхточные показатели (до одной сотой грамма). Полученный вес записывают - это будет начальная масса пробы (НМП).
Далее образец высушивают в специальном сушильном шкафу при 100-105 градусах. Через пять часов его достают и взвешивают, фиксируя вес, снова сушат, проверяя показатели через каждые 1-2 часа. Когда вес перестает изменяться, получается абсолютно сухая древесина - записывается конечная масса пробы (КМП). Далее влажность пиломатериалов определяют так: разницу между НМП и КМП делят на показатель КМП, полученную цифру умножают на 100 - получают изначальный показатель влажности.
Основной плюс метода заключается в том, что он дает очень точные показатели (погрешность не более 1 процента). Минусы:
Использование влагомера
Влагомер - специально сконструированный для измерения влажности электроприбор. Существует две его разновидности:
Игольчатый влагомер имеет две острые металлические иглы, которые погружаются в древесину. Затем нажимают кнопку, замыкая цепь. Прибор при этом измеряет электрическое сопротивление, которое изменяется в зависимости от уровня влаги в материале. Далее по специальной формуле, заложенной в память влагомера, вычисляется процент влажности. Измерения в данном случае проводятся локально, поэтому процедуру для получения точных результатов необходимо проводить в нескольких местах изделия.
Основным рабочим элементом бесконтактного влагомера является генератор радиочастот. Измерения проводятся при помощи вмонтированных контактных площадок, поэтому, в отличие от игольчатой модели, прибор не оставляет следов изделии. Работа основана на измерении диэлектрической проницаемости древесины - вода сама по себе характеризуется высокой диэлектрической проницаемостью, что дает возможность получить точные показатели процента влажности материала.
Основными плюсами использования влагомеров являются удобство применения и возможность быстро получить результат. Бесконтактные приборы, кроме того, прекрасно подходят для измерения влажности готовых изделий. Главный минус - показатели влагомеров бывают не очень точными, погрешность может составлять от 2 до 7 процентов.
Сушка древесины - важнейшая операция, направленная на улучшение ее технологических и потребительских свойств. Даже если случилось переувлажнение изделия, то бывший сухим пиломатериал гораздо реже коробится и растрескивается, легче обрабатывается и монтируется. Сухое дерево отлично противостоит заражению вредоносными грибками. Вес изделий получается меньше, при этом прочность и твердость повышаются, также заметно улучшаются теплоизоляционные качества.
Сегодня в деревообрабатывающей промышленности используют два основных способа сушки - естественный (атмосферный) и принудительный (камерный).
Естественная сушка
При атмосферной сушке пиломатериалы укладывают в штабеля под навесом на открытом воздухе. При формировании штабеля между рядами досок, брусьев и т.п. кладут прокладки. Штабеля устанавливают с просветами для циркуляции воздуха. Торцы изделий, во избежание появления трещин, обрабатывают специальными составами. Кроме того, пиломатериалы из лиственных пород перед укладкой в штабеля должны быть обязательно подвергнуты антисептированию.
Агентом сушки в данном случае выступает воздух, хотя, в отличие от принудительного способа, управлять его параметрами (температура, влажность) не получается. Все зависит от погоды и времени года. Немаловажным моментом является, насколько плотно уложены штабеля. Чем плотнее, тем выше в них относительная влажность и ниже температура, а значит, просыхать древесина будет медленнее.
Атмосферная сушка позволяет получить на выходе изделия с влажностью 18-20 процентов. Скорость процесса будет зависеть от начальной влажности дерева, времени года, породы древесины и сечения пиломатериалов.
Основным плюсом является относительная дешевизна процесса. Не требуется специального оборудования и затрат на подогрев воздуха. Кроме того, остаточные напряжения при усушке будут не такими сильными, трещин образовывать не будет - это особенно актуально при сушке древесины с изначально высокой влажностью.
Минус - сохнут пиломатериалы долго, контролировать температуру и влажность невозможно. При длительном повышении влажности окружающего воздуха появляется опасность грибкового заражения.
Принудительная сушка
Наиболее технологичный высокоэффективный метод, позволяющий получить древесину с влажностью 7-12 процентов за короткий промежуток времени. Суть его заключается в том, что особым образом сформированные штабеля из пиломатериалов помещают в специальные камеры, в которых на протяжении определенного времени поддерживается необходимый температурный и влажностной режим. Агентом сушки может выступать пар, нагретый воздух либо топочные газы, движение их может быть как естественное, так и принудительное.
Древесина является довольно пористым материалом, содержащим большое количество капиляров, наполненных влагой. На практике влажность древесины определяется как отношение веса воды, содержащейся в дереве к весу абсолютно сухой древесины. Существует понятие «свободной» и «связанной» влаги. «Свободная» влага содержится в порах и капилярах дерева. «Связанная» влага та, которая содержится непосредственно в клетках дерева.
При высыхании дерево дает усушку – уменьшается в размере (объеме). При этом уменьшение размера вдоль волокон (по длине доски) практически не происходит, но вот в направлении, поперечном ходу волокон, происходит значительное изменение размеров (по толщине и ширине доски). Величина этого изменения зависит от породы древесины и конкретного значения изменения влажности древесины. В жизни самые неприятные сюрпризы связаны с изменением ширины доски.
Например, если Вы стелите пол доской имеющей естественную влажность, то уменьшение её ширины со временем может быть настолько значительным, что две соседние доски потеряют зацепление друг с другом. В этом случае, для удаления щелей, Вам придется оторвать все доски от лаг и настелить их заново, согнав впритык.
«Какую же влажность должна иметь доска?», — спросите Вы. Всё просто – любое деревянное изделие, в процессе его эксплуатации стремится к так называемой «равновесной влажности». «Равновесная влажность» определяется температурой и влажностью воздуха в той среде, где будет находиться доска. Значения этой влажности Вы можете увидеть в таблице. Для жилого помещения она составляет в среднем 8-10%, для улицы она составляет в среднем 12-14%. Логично из этого следует, что сырая доска будет усыхать в помещении, теряя в своей ширине, с другой стороны сухая доска будет увлажняться вне помещения, расширяясь.
Естественная влажность — это влажность, присущая древесине в растущем или только что спиленном (распиленном) состоянии, без дополнительной сушки. Естественная влажность не нормируется и может составлять от 30% до 80%. Естественная влажность древесины колеблется в зависимости от условий произрастания и времени года. Так, естественная влажность свежеспиленных деревьев в «зимнем» лесу традиционно меньше влажности свежеспиленных деревьев в «летнем» лесу.
Начальная влажность — тоже самое, что и естественная влажность. Только что срубленное дерево обладает максимальной влажностью, которая для различных пород может даже превышать 100%. Дерево бальса может иметь влажность в свежесрубленом состоянии, доходящую до 600%. На практике мы имеем дело с меньшими значениями (30-70%), т.к. после рубки проходит какое-то время до момента распиливания дерева и помещения его в сушилку и оно, конечно, теряет некоторое количество воды. Мы принимаем за начальную влажность то значение влажности древесины, которое она имеет перед отправкой в сушильную камеру.
Конечная влажность — это та влажность, которую мы хотим получить после полного цикла сушки. В этом случае принимается во внимание назначение изделие, изготавливаемого из высушенной древесины.
Прежде всего, сушка древесины это процесс удаления влаги из древесины путем ее испарения.
Сушка древесины - одна из важнейших операций в процессе обработки древесины. Древесину сушат после лесопиления, но перед деревообработкой. Древесину сушат в целях её предохранения от поражения деревоокрашивающими и дереворазрушающими грибами при ее дальнейшем хранении и транспортировке. Сушка предупреждает древесину от изменения формы и размеров в процессе изготовления и эксплуатации изделий из нее, улучшает качество отделки древесины, склеивания. Влажность, до которой сушат древесину, зависит от сферы её дальнейшего применения. Весь смысл сводится к тому, чтобы довести влажность доски до такого же значения, которого достигло бы со временем изделие из этой доски в процессе эксплуатации в данных условиях. Такое значение влажности называется «равновесной влажностью», оно зависит от влажности и температуры окружающего воздуха. Например, доска, из которой будет изготавливаться паркет и прочие изденлия, эксплуатируемые внутри помещений — должна иметь влажность 6-8% так как именно такая влажность будет являться равновесной. Для изделий, которые будут эксплуатироваться в контакте с атмосферой, (например: деревянные окна, внешняя обшивка дома) равновесной влажностью будет 11-12%.
Вы спросите: «А что будет в противном случае?» Отвечаем: В противном случае будет то, что встречается в России сплошь и рядом, а именно потребитель столкнется с проблемами. Представьте, что Вы купили вагонку для того, чтобы обшить стены внутри Вашего загородного дома или дачи. Если Вы купите у нерадивого производителя вагонку, изготовленную из сырой доски и укроете ею стены своего дома, то она начнет медленно высыхать естественным образом в уже установленном состоянии. Обратимся к таблице равновесной влажности и опыту. Если Вы натопите зимой помещение до 25 градусов по Цельсию, то при типовой для зимы влажности воздуха внутри помещений в 35%, значение равновесной влажности для доски в таком помещении составит 6,6%. На базах и рынках вагонка очень часто может иметь влажность от 14% и выше (мы встречали и 30%). Далее представьте, что ваша вагонка начинает высыхать, теряя воду из своих пор. Высыхая идет процесс, называемый «усушкой» и выражающийся в уменьшении размеров деревянного изделия. Величина усушки зависит от породы древесины, направления волокон в изделии и т.д. Основная усушка идет поперек волокон (соответственно по толщине и ширине Вашей вагонки). Когда Ваша вагонка высохнет в установленном состоянии до равновесной влажности, Вы, в самом худшем случае рискуете не просто увидеть, что обшивка разошлась местами, а получить щели между досками, шириной чуть ли не в палец.
В промышленности используют различные технологии сушки древесины, различающиеся как применяемым оборудованием, так и особенностями передачи тепла высушиваемому материалу.
Классификация видов и способов сушки обычно и базируется на методах передачи тепла, по которым можно выделить четыре технологии сушки древесины:
Каждый вид сушки может также иметь несколько разновидностей в зависимости от типа сушильного агента и особенностей применяемого оборудования для сушки древесины. Существуют также комбинированные технологии сушки древесины, в которых одновременно применяют различные виды передачи тепла (например, конвективно-диэлектрическая) или совмещаются другие признаки различных технологий сушки древесины.
Камерная сушка. Это основная промышленная технология сушки древесины, осуществляемая в лесосушильных камерах различных конструкций, куда пиломатериалы загружают штабелями. Сушка происходит в газообразной среде (воздухе, топочных газах, перегретом паре), которая путем конвекции передает теплоту древесине. Для нагревания и циркуляции сушильного агента сушильные камеры снабжают нагревательными и циркуляционными устройствами.
При камерной технологии сушки древесины сроки просыхания пиломатериалов сравнительно небольшие (от десятков часов до нескольких суток), древесина просыхает до любой заданной конечной влажности при требуемом качестве, процесс сушки поддается надежному регулированию.
Второй по значению и распространению на лесопильных предприятиях способ промышленной сушки древесины, осуществляемый в штабелях, размещенных на специальной открытой территории (складах), омываемых атмосферным воздухом без подогрева. Преимущество атмосферной технологии сушки древесины-сравнительно низкая себестоимость. Кроме того, этот способ является наиболее щадящим. Недостатки: сезонность (зимой сушка практически прекращается); большая продолжительность; высокая конечная влажность. Атмосферную технологию сушки древесины применяют, главным образом, для сушки пиломатериалов на лесопильных предприятиях до транспортной влажности и на некоторых деревообрабатывающих предприятиях для подсушки и выравнивания начальной влажности пиломатериалов перед сушкой в сушильных камерах для древесины.
Сушка в жидкостях осуществляется в ваннах, наполненных гидрофобной жидкостью (петролатумом, маслом), нагретой до 105-120 °С. Интенсивная передача теплоты от жидкости к древесине позволяет сократить срок сушки по сравнению с камерной в 3-4 раза при прочих равных условиях. Этот способ применяют в технологии консервирования древесины для снижения ее влажности перед пропиткой. Попытки применить сушку пиломатериалов в петролатуме на деревообрабатывающих предприятиях не дали положительных результатов из-за того, что пиломатериалы после такой сушки не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к древесине для мебели и столярно-строительных изделий.
Кондуктивная (контактная) технология сушки древесины осуществляется передачей теплоты материалу посредством теплопроводности при контакте с нагретыми поверхностями. Ее применяют в небольших объемах для сушки, тонких древесных материалов - шпона, фанеры.
Радиационная сушка дерева происходит при передаче тепла материалу излучением от нагретых тел. Эффективность радиационной сушки определяется плотностью потока инфракрасных лучей и их проницаемостью в твердых влажных телах. Интенсивность потока лучистой энергии ослабляется по мере углубления в материал. Древесина относится к малопроницаемым для инфракрасного излучения материалам (глубина проникновения 3-7 мм), поэтому для сушки пиломатериалов этот способ не применяют. Его можно использовать для сушки тонколистовых материалов (шпона, фанеры), кроме того, этот способ широко применяют в технологии отделки изделий из древесины для сушки лакокрасочных покрытий. В качестве излучателей используют электроплиты, электронагревательные элементы, газовые (беспламенные) горелки, осветительные электролампы накаливания мощностью от 500 Вт и выше.
Ротационная сушка древесины основана на использовании центробежного эффекта, за счет которого свободная влага удаляется из древесины при вращении ее на центрифугах. Механическое удаление свободной влаги достигается при величине центростремительного, ускорения не менее 100-500g (g - ускорение свободного падения). Такие ускорения из-за трудности точной балансировки центрифуги со штабелем на практике пока не достигнуты, ведутся лишь опытные разработки соответствующих устройств. В известных промышленных ротационных сушилках центростремительное ускорение не превышает 12g. При этих условиях механическое обезвоживание проявляется в небольшой степени. Однако интенсификация процесса сушки в диапазоне влажности выше предела гигроскопичности наблюдается.
При установке карусели в сушильной камере технология сушки пиломатериалов такая же, как в обычных камерах периодического действия. Продолжительность сушки на первом этапе (от начальной влажности до предела гигроскопичности) сокращается в несколько раз в зависимости от толщины, породы и начальной влажности древесины по сравнению с обычной конвективной сушкой при одинаковых режимах. Хотя ротационные сушилки экономичны и обеспечивают высокое качество сушки, промышленного использования для сушки пиломатериалов ротационный способ пока не нашел.
Вакуумная сушка при пониженном давлении в специальных герметичных сушильных камерах. Из-за сложности оборудования и невозможности получения низкой конечной влажности древесины вакуумная сушка самостоятельного значения не имеет. Применяют ее в комбинации с другими методами сушки и как вспомогательную операцию при подготовке древесины к пропитке.
Диэлектрическая сушка — сушка древесины в электромагнитном поле токов высокой частоты, в котором нагрев древесины происходит за счет диэлектрических потерь. Благодаря равномерному нагреву древесины по всему ее объему, возникновению положительного градиента температур и избыточного давления внутри ее продолжительность диэлектрической сушки в десятки раз меньше конвективной. Из-за сложности оборудования, большого расхода электроэнергии и недостаточно высокого качества сушки собственно диэлектрическая сушка не находит широкого применения.
Более эффективно применение комбинированных технологий сушки древесины, например конвективно-диэлектрической и вакуумно-диэлектрической. Для массовой сушки применение этих способов неэкономично, но в отдельных случаях, особенно при сушке дорогих, ответственных пиломатериалов и заготовок из трудносохнущих пород древесины эти способы могут найти применение.
При комбинированной конвективно-диэлектрической технологии сушки древесины к штабелю, загруженному в камеру, оборудованную тепловым и вентиляторным устройствами, подводят также и высокочастотную энергию от специального генератора ТВЧ через электроды, расположенные около штабеля.
Расход теплоты на сушку в сушильной камере при этом в основном компенсируется тепловой энергией пара, подаваемого в калориферы, а высокочастотная энергия подается для создания положительного перепада температур по сечению материала. Этот перепад в зависимости от характеристики материала и жесткости заданного режима составляет 2-5°С. Качество конвективно-диэлектрической сушки пиломатериалов высокое, так как сушка ведется с небольшим перепадом влажности по толщине материала.
Это еще один способ сушки древесины с применением энергии ТВЧ При этой технологии используют преимущества и вакуумной и диэлектрической сушки. За счет нагрева древесины в поле ТВЧ при пониженном давлении кипение воды в древесине достигается при небольших температурах древесины, что способствует сохранению ее качества. Перемещение влаги в древесине при вакуум — диэлектрической сушке древесины обеспечивается всеми основными движущими силами влагопереноса: градиентом влагосодержания, температурой, избыточным давлением, что сокращает продолжительность сушки.
При вакуум — диэлектрической сушке штабель пиломатериалов помещают в автоклав или герметичную камеру, где вакуум-насосом создается пониженное давление среды (1-20 кПа). Чем ниже давление среды, тем ниже и температура испарения влаги и древесины при сушке. Расход теплоты на сушку обеспечивается подводом высокочастотной энергии к древесине. При использовании этой технологии сушки древесины также возникают эксплуатационные трудности - сложность оборудования, особенно наладка и эксплуатация высокочастотных генераторов, большой расход электроэнергии на сушку. Поэтому при решении вопросов о применении вакуум — диэлектрнческих камер необходимо сначала по условиям конкретного предприятия разработать технико-экономическое обоснование.
Метод основан на передаче теплоты материалу от ферромагнитных элементов (сеток из стали), уложенных в штабеля между рядами досок. Штабель вместе с этими элементами находится в переменном электромагнитном поле промышленной частоты (50 Гц), образованном соленоидом, смонтированным внутри сушильной камеры. Стальные элементы (сетки) нагреваются в электромагнитном поле, передавая теплоту древесине и воздуху. При этом происходит комбинированная передача теплоты материалу: кондуктивным путем от контакта нагретых сеток с древесиной и конвекцией от циркулирующего воздуха, нагреваемого также сетками.
Дерево – это «живой» материал, меняющий свои свойства не только во время роста, но долгое время после сруба. Влажность – одна из важнейших характеристик древесины для ее применения. Данный материал очень восприимчив к изменениям окружающей среды. Одним из его свойств является «дыхание» - поглощение и выделение газов стенками клеток материала. По такому же принципу эти клетки всасывают и выделяют влагу.
Что может влиять на содержание влаги в древесных тканях? Существует 3 основных фактора:
Порода дерева
Время года, в которое его спилили;
Особенности климата.
Рассмотрим наиболее употребимые понятия влажности древесины.
Это уровень влаги, содержащийся в дереве на момент спила . Его еще называют «начальной влажностью». От этого значения отталкиваются при дальнейших действиях с партией материала: так, например, можно рассчитать время и условия сушки. Содержание влаги при разных условиях может варьироваться от 25 до 80% . При определении естественной влажности той или иной партии древесного материала мы всегда будем иметь в виду "влажность при конкретных условиях".
Когда древесина долгое время находится в одной и той же воздушной среде, без значительных изменений влажности воздуха и температуры, материал достигает равновесной влажности. Это состояние, когда процесс усушки или насыщения влагой в данных условиях прекратился, и процент влажности стал постоянным. Стоит отметить, что разные породы дерева в одних и тех же условиях достигают практически равных показателей внутренней влаги.
В зависимости от разных условий содержания различают 5 степеней влажности древесины :
Мокрая – влажность более 100%, такое состояние достигается при длительном хранении дерева в воде.
Свежесрубленная - уровень влаги от 50 до 100%.
Воздушно сухая – от 15 до 20 %. Такие показатели достигаются при хранении на воздухе, они различаются в зависимости от температуры и выпадения атмосферных осадков.
Комнатно-сухая – от 8-10%. Уровень влаги устанавливается при хранении в помещении.
Абсолютно сухая – древесина с влажностью 0%.
В тканях дерева присутствует 2 типа жидкости:
Связанная влага – находится внутри клеток дерева.
Свободная влага – та, что наполняет поры и каналы тканей, но еще не впиталась клетками.
С этими двумя понятиями связана так называемая точка насыщения волокон: тот процент влажности древесины, когда из нее удалена вся свободная влага, но при этом в ней остается связанная жидкость.
Для разных пород дерева эта степень определяется от 23 до 31% .
Ясень – 23%
Каштан, веймутова сосна – 25%
Сосна, Ель, Липа – 29%
Бук, лиственница – 30%
Пихта Дугласа, секвойя – 30,5 -31%
Эта величина имеет значение, поскольку объемы и размеры древесины изменяются при влажности от 0% до точки насыщения. После полного заполнения клеток водой объем дерева не будет значительно увеличиваться.
Измерение влажности дерева влагомметром
Возьмем деревянный брусок.
Абсолютная влажность является отношением массы внутренней жидкости к массе полностью высушенного бруска.
Величина высчитывается по формуле:
W = (m – m 0) / m 0 x 100,
где, (m) и (m 0) – масса влажного и высушенного бруска.
ГОСТ 17231-78 трактует данную величину просто как «влажность». Но это понятие неудобно использовать в расчетах, поскольку количество воды относится именно к сухой массе, а не к полному весу. В результате этого возникают расхождения: например 1000 г древесины содержит 200 г влаги, но абсолютная влажность высчитывается как 25%.
Это более удобное понятие для расчётов, поскольку в нем отражается отношение массы внутренней жидкости к полной массе бруска. Формула расчёта – самая простая:
W отн. = m воды / m образца x 100.
Эту формулу используют в расчёте теплотехники для определения объема испаряемой из дров воды. Согласно ему, при влажности 20% в 1000 – граммовом бруске находится 200 грамм влаги и 800 гр сухих волокон– вполне логичный результат.
Одним из факторов, влияющих на влажность, является порода дерева. Благодаря разной структуре волокон одни породы мгновенно реагируют на изменения внешней среды, впитывают и высвобождают воду. Другие – более устойчивы и очень медленно насыщаются влагой.
К наиболее активно впитывающим влагу породам относятся бук, груша, кемпас
Стабильными и устойчивыми к изменениям считаются дуб, мербау.
Более «сухие» породы при усушке имеют тенденцию к растрескиванию. Умеренно-влажные, такие как дуб, более устойчивы к таким явлениям, меньше изменяют свои свойства при изменении условий.
При спиле в обычных условиях влажность разных пород древесины имеет следующие средние значения:
Пеллеты и топливные брикеты ценятся благодаря низкому уровню влажности в топливе. Уровень содержания влаги в нем составляет 8-12%. С такими характеристиками при сжигании образуется минимальное количество дыма.
Оптимальным уровнем влажности древесины для пеллетного производства является уровень 12-14%. Молотковые дробилки работают в том числе с щепой до 65% влажности, но при такой влажности невозможно измельчить материал до необходимой фракции, поэтому измельчение происходит в несколько этапов. Для доведения измельченных опилок до нужной кондиции используются комплексы с сушильными барабанами.
Что представляет собой древесина? Это состоящий из гидрофильных компонентов материал имеющий капиллярно-пористую структуру, в связи с чем нем постоянно содержится определенное количество воды. Если рассматривать живое дерево, то здесь вода нужна для поддержания его жизни, поскольку она играет основную роль, как и в организме человека. Количество воды содержащееся в дереве называют уровнем влажности. И по факту это одна из основных и важнейших в своем роде характеристик дерева.
Показатель влажности имеет непосредственное отношение к качеству материала, оказывает большое влияние на его свойства и, соответственно, на его пригодность к применению в тех или иных строительных работах.
Указывается уровень влажности в процентах, и представляет собой отношение массы воды в древесине, к ее сухой массе.
Влажность также оказывает воздействие и взаимодействие материала с водой довольно значимые характеристики, в особенности для обработки механическим или химическим путем, к примеру, окраска, пропитка растворами, сплав и хранение и т.д.
В древесине имеется большое содержание целлюлозы, и вода оказывает влияние при ее активации. При помощи этого взаимодействия производиться бумага. Сначала дерево размалывают смешивая с водой, а после при формовании удаляют воду, благодаря этому образуются прочные межволоконные связи в готовом материале.
Также, свойства древесины непосредственно определяют и свойства изделий из нее. При использовании такого материалу необходимо подбирать древесину исходя из влажности воздуха в помещении, поскольку она имеет свойство подстраиваться под микроклимат помещения. Таким образом при нехватке влаги она будет впитывать ее из воздуха и разбухать, при ее переизбытке наоборот высыхать. После подбора древесины и ее монтажа необходимо постоянно поддерживать влажностный и температурный режим помещения.
Влажность древесины разделяют на 2 типа :
Относительная влажность определяется в процентном соотношении массы воды к массе всего материала.
Абсолютная же влажность это отношение содержащейся в дереве воды к сухой массе самой древесины, отношение также выражается в процентах. На примере паркета, абсолютная влажность должна колебаться от 6 до 12%, для максимального проявления своих эксплуатационных способностей этот показатель должен составлять 9%.
Понятие абсолютно сухой древесины подразумевает собой материал, высушенный до постоянной массы при температуре от 102 до 106 градусов по Цельсию. При этом значения относительной влажности также нужны, они используются при расчетах массовой доли компонентов материала в процентном отношении к абсолютно сухому материалу. Такой тип влажности используется для характеристики образцов древесины при сравнении их по отношению к содержанию воды.
Можно заметить неравномерное распределение воды по разным частям дерева. Таким образом, ствол содержит меньше воды, чем корни и ветки; Нижняя и верхняя части ствола больше, чем средняя; заболонные хвойные деревья содержат больше воды, чем спелая и ядровая древесина. У хвойных пород в свою очередь влажность ядра меньше чем у лиственных деревьев, а влажность по поперечному сечению распределена менее равномерно. Рассматривая кору отмечается значительно меньшая влажность корки, чем луба, примерно в 7-10 раз.
Касательно влажности свежесрубленного дерева – она составляет 80-100%, у сплавной древесины этот показатель в 2 раза больше. А на примере хвойных пород, влажность ядра меньше в 2-3 раза чем влажность заболони.
В строительной индустрии степеней влажности различают на несколько меньше, чем в общем рассмотрении
:
Виды воды, находящиеся в древесине также различают, она бывает гигроскопическая и капиллярная. Из этих видов и складывается уровень влажности материала. Гигроскопичная влага находиться в стенках клеток, капиллярная в свою очередь непосредственно в самих клетках. Свободная, или капиллярная вода из древесины удаляется в разы меньше, также менее влияет на свойства материала.
Насыщение влагой древесины на начальном уровне проводиться с помощью гигроскопичной воды и только после полноценного наполнения стенок клеток начинается заполнение непосредственно самих клеток. По этой причине именно изменение связанной(гигроскопической) влаги служит причиной замедления, остановки или ускорения процессов коробления, усушки, изменения свойств прочности и упругости. В тот момент как изменение уровня свободной влаги практически ни оказывает влияние на какие-либо свойства и процессы.
Водопоглощение – уникальная способность древесины впитывать в себя воду при длительном нахождении с ней в непосредственном контакте. Поскольку дерево является природным материалом, оно очень восприимчиво к изменениям микроклимата. Основным свойством, которое представляет возможность адаптироваться к различным климатическим условиям – это гигроскопичность, т.е. способность материала изменять уровень влажности, адаптируя его, под уровень окружающей среды.
Древесина имеет так называемое свойство «дышать», то есть выделяет или поглощает поры воздуха при изменении микроклимата окружающей ее среды. Эти процессы проходят благодаря клеточным стенкам. Также следует отметить, что при постоянном, неизменном микроклимате, материал будет постепенно стремиться к постоянному уровню влажности, который именуют устойчивый или равновесный.
Гигроскопичность – свойство древесины адаптироваться, т.е. изменять уровень своей влажности, соответствуя изменению влажности окружающей ее среды. В большинства пород древесины показатель гигроскопичности равен 30% при температурном режиме 20 градусов Цельсия.
Как уже было сказано ранее влага в древесине делиться на два типа: связанная и свободная. Именно количество связанной влажности обозначает уровень гигроскопичности, а максимальное ее количество предел гигроскопичности. Этот предел может колебаться в зависимости от температурного режима, при 20 о С он составляет 30%, при изменении температуры связанная влага переходит в свободную и наоборот.
Уровень влажности материала понижаться путем сушки. Также в древесине может присутствовать химически связанная влага, обычно это вещества которые входят в состав материала, их можно устранить путем химической переработки.
Предел гигроскопичности не отличается в зависимости от породы древесины. В большинстве случаев он составляет 30% от массы древесины(при температуре 20 градусов Цельсия), это своеобразная точка насыщения. Остальное насыщение древесины водой происходит за счет свободной влаги.
При изменении уровня влажности, в зависимости от характера изменения древесина может усыхать, при уменьшении уровня влаги, или набухать, при его увеличении.
В большинстве случаев, видимое изменение размеров наблюдается по поперечному сечению, реже оно заметно по продольному. Говоря о плотной древесине, модно отметить ее больший вес и соответственно больший уровень разбухания или усушки.
В полости клеток древесины содержится свободная влага, в стенках клеток связанная соответственно. Стандартный предел насыщения древесины равен 30%, и при уменьшении уровня влаги соответственно происходит усыхание материала.
Если предел насыщения у всех пород практически одинаковый, то способность впитывать влагу зависит непосредственно от индивидуального строения материала, а соответственно от породы. Одними из наиболее гигроскопичных пород можно отметить бук, кемпас и грушу. Они максимально быстро реагируют на изменения микроклимата и сразу же начинают изменяться сами.
Также имеются и стабильные виды пород, которые практически не поддаются изменениям (если не происходит глобального изменения в температурном и влажностном режиме), такие как дуб, мербау и так далее. К их ряду также можно отнести и древесину бамбука, который имеет высокий уровень устойчивости к изменению климатических условий и неблагоприятному воздействию окружающей среды, это один из немногих видов, который можно даже положить на пол ванной комнаты.
Уровень влажности у каждой из пород также отличается. Древесина низкой влажности до 15% (клен, береза) имеет склонность к быстрому высыханию и в дальнейшем растрескиванию. Материал умеренной влажности, до 20%(орех, дуб), высыхает медленнее и обладает большей устойчивостью к образованию трещин. Беря во внимание материал высокой влажности, до 30% (например, ольха) можно сказать, что он обладает большой устойчивостью к высыханию, и соответственно образованию трещин на поверхности.
Для определения физико-механических свойств пород древесины ее испытывают, доводя до нормализованной влажность, в среднем это значение достигает 12%, путем кондиционирования при температуре 18-22 градуса и влажности воздуха 60-70%.
Для определения уровня влажности материала можно выделить несколько способов.
Влажность пиломатериалов определяют по следующей формуле :
Где m с и m 0 это масса исходного и высушенного материала соответственно.
Т.е. фактически этот показатель определяется или путем взвешивания или с помощью специального прибора.
Влажность сплавной древесины - 200%, свежесрубленной - 100%, воздушно-сухой – 15-20%.
Сушка древесины предусматривает собой процесс удаления влаги из материала до определенного значения.
Блеск древесины – свойство материала отражать попадающие на него солнечные лучи. Зависит от от породы древесины, степени ее гладкости и показателей самого освещения. Высоким уровнем обладания данным свойством отличаются породы большую часть поверхности которой образуют сердцевидные лучи. Является он декоративным свойством и учитывается при определении породы дерева.
Диэлектрическое свойство древесины – способность, которая характеризует диэлектрическую проницаемость материала.
Коэффициент разбухания – это значение среднего разбухания материала при увеличении уровня влажности на один процент.
Коэффициент усыхания – значение среднего усыхания при уменьшении уровня влажности на один процент.
Коробление – свойство древесины видоизменяться, то есть терять свои размеры и форму под воздействием окружающей среды.
Коробление бывает продольно и поперечное. Поперечное зависит от разбухания и усушки относительно радиального и тангенциального направления, обуславливается оно несколькими факторами :
Продольное же зависит от наличия пороков древесины: наклоны волокон, сучки и т.д.
Также покоробленность различного типа возникает при нарушении равновесия напряжений в материале при дальнейшей обработке(фрезеровке, делении на более тонки доски и т.д.)
Продольная покоробленность чаще всего происходит при механическом изменении формы сечения материалов, которые вырезаны с разных участков дерева, или же при просушке.
Высушенная древесина обладает большим уровнем прочности, менее подвергается короблению, не восприимчива к гниению, достаточно легко склеивается, а также более долговечна, чем мокрая.
Одним из больших недостатков пиломатериала является чуткая реакция на изменения микроклимата окружающей их среды. В связи с чем при повышении влажности она вбирает в себя воду, а при нахождении в сухом помещении наоборот отдает влагу, вследствие чего высыхает и коробиться.
Для того чтобы избежать разрушения структуры материала нужно поддерживать постоянную влажность воздуха, для открытой среды это около 18%, для закрытых помещений 10%.
Также существует множество способов сушки древесины. Первый – естественная сушка, или атмосферная. При этом древесина сушиться на открытом пространстве. Складывать ее необходимо в тени, также предусмотреть навес и наличие сквозняка. Высушивать на солнце дерево нельзя, поскольку в таком случае верхняя часть быстро просушивается, в то время как внутренняя остается сырой, что имеет свои минусы. В следствии чего из-за разницы напряжения на поверхность проявляются трещины, ускоряется процесс коробления.
При высушивании бруса или досок их следует складывать штабелями на фундаменте, или любом основании высотой не менее половины метра. Укладываются доски внутренней частью вверх, это уменьшает шанс коробления. При высушивании на кромках конечно процесс будет идти быстрей, но и уровень коробления будет в разы выше.
Также для уменьшения коробления при высушивании мокрого рекомендуется обустроить поверх штабеля тяжелый груз. Также торцы бруса следует окрасить масляной краской или другим водоотталкивающим материалом, это позволит избежать их растрескивания. Процесс обработки необходимо начинать сразу после распила.
В случае если материал обладает высоким уровнем влажности торцы предварительно просушивают паяльной лампой, а только после этого обрабатывают. Саму доску полностью очищают от коры, для более быстрого просушивания и предупреждения повреждения насекомыми. Следует отметить, что древесина не очищенная от коры быстро начинает загнивать и подвергается грибковому поражению. Обычно после такого типа сушки влажность материала составляет 12-18%.
Существуют и другие способы просушивания .
Нормализованная влажность – уровень влажности материала достигаемый при нормативных условиях (влажность 60-70%, температура 18-22 градуса)
Объемное разбухание – предусматривает повышение уровня связанной воды в стенках клеток до предела.
Относительная влажность – определяется процентным отношением массы влаги к массе материала во влажном состоянии. Поскольку древесина материал гигроскопичный, то он стремиться к равновесной влажности относительно окружающего микроклимата. К примеру, при температуре воздуха 20 градусов и влажности 100%, равновесная этим значениям влажность древесины будет равна 30%.
Следует отметить, что быстрое изменение влажности древесины приведет к короблению или же наоборот сильному набуханию.
Чем более массивный элемент, тем больше внимания следует уделять его сушке, поскольку неравномерное просушивание влечет за собой образование трещин. При эксплуатации деревянных сооружений следует устранить резкие перепады температурного и климатического режима если это представляется возможным.
Относительно каждого из направлений величина усушки отличается. Таким образом, в радиальном она составляет 4-6%, а в тангенциальном 6-12 процентов. Именно вследствие данной неравномерности, в процессе высыхания, происходит небольшое коробление.
Также следует знать то, что при резком перепаде микроклиматических условий в материале возникает внутреннее напряжение, которое приводит к деформации и растрескиванию древесины. Рекомендуемая температура помещения, в котором обустроены деревянные элементы 20 градусов Цельсия, при влажности в 40-60%.
Нормативный уровень влаги для древесины, которая используется в строительных целях, в особенности для производства клееных материалов, 8-15%. Следовательно материал требует обязательной сушки. В свою очередь естественная сушка занимает больше времени, таким способом просушка доски толщиной 5 сантиметров при нормативных условиях (температура 18-22 градуса и влажность 50-60%) занимает 30-40 дней. Искусственная сушка займет в разы меньше времени – 5-6 суток, а при повышенных температурах время просушки сократиться до 3-4 часов.
Влажность материала после просушки обязательно должна соответствовать эксплуатационным нормам для того или иного вида работ.
При длительном высушивании влага из материала испаряется, что может привести к значительно деформации. Сам процесс высушивания длиться до тех пор пока материал не достигнет определенного предела по показателям влаги, предел же зависит от микроклимата в котором проходит сушка. Аналогично проходит и процесс поглощения влаги. Также в некоторых случаях проводиться усушка – то есть изменение размеров путем удаления связанной влаги, при этом если проводиться удаление свободной влаги усушка не происходит.
Как и высыхание, усушка сказывается на линейных размерах не прямо пропорционально, таким образом усушка в тангенциальном направлении составляет до 10%, а в радиальном всего до 3,5%
При непрерывном процессе усушки, влага в древесине снижается до гигроскопичного предела, то есть до 0%. При проведении такой процедуры необходимо тщательно следить за равномерным распределением влаги, в противном случае может образоваться внутреннее напряжение, которое станет причиной деформации, изменения размеров при механической обработке древесины.
Сам процесс конвективной сушке обуславливает неравномерное распределение влаги, что способствует неравномерному высыханию материала, а в дальнейшем и возникновению внутреннего напряжения.
