В древесине растущего дерева содержится значительное количество воды, необходимой для его нормальной жизнедеятельности.
В срубленной древесине в зависимости от условий хранения и транспортировки содержание воды может увеличиваться или уменьшаться. В большинстве случаев при использовании древесины воду из нее удаляют с целью улучшения качества материала и готовых изделий.
Для количественной характеристики содержания воды в древесине используют показатель влажность. Под влажностью понимают выраженное в процентах отношение массы воды к массе сухой древесины:
W = ((m – m0)/m0)·100
где m — начальная масса образца древесины, г; m0 — масса образца абсолютно сухой древесины, г.
Иногда, например для дров, используют относительный показатель.
Влажность древесины измеряют прямыми или косвенными методами. Прямые методы основаны на выделении тем или иным способом воды из древесины. Воду можно отделить путем высушивания и определить влажность с заданной степенью точности. Согласно ГОСТ 16483.7 — 71 с погрешностью до 0,1 % можно определить влажность проб из образцов, подвергавшихся физико-механическим испытаниям. Очищенные от заусенцев и опилок пробы помещают в стеклянные бюксы с притертыми крышками и взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,001 г. Бюксы используют для того, чтобы масса пробы не изменялась во время взвешивания. Масса бюксы определяется заранее на тех же весах. Пробы находятся в бюксах (но со снятыми крышками) и во время высушивания в сушильных шкафах с электрическими нагревателями воздуха и автоматическими регуляторами температуры. Сушка проводится при температуре воздуха (103±2)°С. Первое взвешивание бюкс с образцами проводят через 6-10 ч, а далее через каждые 2 ч. Если разница в массе при двух взвешиваниях с указанным интервалом окажется менее 0,002 г, считают, что достигнуто абсолютно сухое состояние древесины. Пробы из смолистой древесины хвойных пород не должны находиться в сушильном шкафу более 20 ч.
Перед каждым взвешиванием бюксы закрывают крышками и охлаждают в сухом воздухе в эксикаторах — сосудах с безводным хлористым кальцием или серной кислотой при концентрации 94 %. Влажность, %, вычисляют по формуле
W = ((m2 – m3)/ (m3 – m1))·100
где m1 — масса бюксы, г; m2 и m3 — масса бюксы с пробой соответственно до и после высушивания, г.
Влажность древесины с большей погрешностью (до 1 %) определяют по образцам размерами 20 х 20 х 30 мм, взвешивая их без бюкс на технических весах с точностью до 0,01 г. После начального взвешивания образцы помещают в сушильный шкаф, в котором они находятся до тех пор, пока по результатам двух последних контрольных взвешиваний (разница должна быть не более 0,02 г) не будет установлено достижение постоянной массы (m0).
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. Абсолютная погрешность измерения влажности древесины в области ниже 30 % составляет ±1,5 %, а в области более 30 % погрешность значительно выше. 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.
В растущем дереве у хвойных пород влажность заболони в 3-4 раза выше влажности ядра и спелой древесины. Так, у сосны и ели из Ленинградской области среднегодовая влажность заболони оказалась соответственно 112 и 122%, влажность ядра и спелой древесины — 33 и 38 %. В пределах ядра (спелой древесины) влажность сосны, ели и лиственницы из Восточной Сибири распределена равномерно. В то же время у пихты и кедра влажность центральной зоны спелой древесины или ядра намного выше, чем периферической.
У лиственных пород, как ядровых (дуб, ясень, вяз, ильм), так и безъядровых (береза, осина, липа), распределение влажности по сечению ствола более или менее равномерно. Влажность ядровой древесины у некоторых лиственных пород (дуб, вяз и др.) может быть значительно выше, чем у хвойных. Она достигает 70-80 %, а иногда и больше.
Влажность коры в свежесрубленном состоянии, по данным центрального научно-исследовательского института механизации и электрификации лесной промышленности (ЦНИИМЭ), в среднем составила: для сосны 120 %, для ели 112%, для березы 58 %.
По высоте ствола влажность заболони в хвойных породах увенчивается в направлении от комля к вершине, а влажность ядра остается практически без изменения. В стволах ядровых лиственных пород (дуб, ясень, вяз) влажность ядра вверх по стволу слегка понижается, а влажность заболони почти не изменяется; у лиственных безъядровых пород (осина, липа) влажность увеличивался от комля к вершине. Влажность коры у сосны в нижней части ствола на 60-75 % меньше, чем в средней и вершинной. У ели и березы влажность коры по высоте ствола примерно одинакова.
У древесины сосны, ели, березы и осины, произрастающих в Ленинградской области, наибольшая влажность в растущем деревe наблюдалась зимой (ноябрь — февраль), а наименьшая летом июль — август). Влажность заболони летом может быть на 25-50 % ниже, чем зимой, а влажность ядра (спелой древесины) в течение года почти не изменяется.
Влажность древесины в стволах растущих деревьев подвержена суточным колебаниям. Так, в заболони ели утром наблюдалась влажность 186 %, в полдень 132 %, а вечером 150 %.
Различают две формы воды, содержащейся в древесине: связанную (или гигроскопическую) и свободную. Связанная (адсорбционная и микрокапиллярная) вода находится в клеточных стенках, а свободная содержится в полостях клеток и в межклеточных пространствах. Связанная вода удерживается в основном физико-химическими связями, удаление ее (особенно адсорбционной фракции) затруднено и существенно отражается на большинстве свойств древесины. Свободная вода, удерживаемая силами капиллярного взаимодействия, удаляется значительно легче и называет меньшее влияние на свойства древесины. Принято называть древесину влажной, если она содержит только связанную воду, и сырой, если она содержит кроме связанной и свободную воду.
Максимальное количество связанной воды в клеточных стенах соответствует пределу их насыщения или пределу гигроскоскопичности. Раньше в древесиноведческой литературе эти понятия отождествляли. Однако, как показали исследования, проведенные П. С. Серговским и Я. Н. Станко (МЛТИ), области применения этих терминов должны быть различными.
Предел насыщения клеточных стенок Wп. н. — это максимальная влажность клеточных стенок, достигаемая при увлажнении древесины в воде; характеризуется равновесием влажности клеточных стенок с водой, находящейся в полостях клеток у сырой древесины.
Этот показатель, %, можно определить по формуле Wп. н. = (1/ρб – 1/ρ0)· ρв·100
где ρб и ρ0 — соответственно базисная плотность древесины и плотность абсолютно сухой древесины, г/см3; ρв — плотность связанной воды, г/см3.
Расчеты, выполненные автором по этой формуле на основе экспериментально полученной в МЛТИ В. П. Галкиным и Э. Б. Щедриной степенной зависимости между разбуханием и плотностью древесины (эта зависимость необходима для определения ρб), показали, что с увеличением плотности предел насыщения клеточных стенок Wп. н. значительно снижается. Это вызвано тем, что уменьшается площадь поверхности клеточных стенок, в углублениях которых удерживается микрокапиллярная вода. Следовательно, уменьшается количество связанной воды, характеризующее Wп. н. Среди наиболее распространенных пород Wп. н. колеблется от 38 % (пихта) до 24 % (граб). При изменении плотности в большем диапазоне (100-1100 кг/м3) среди 117 зарубежных пород величина Wп. н. находится в пределах 53-22 % (Т. В. Галкина, МГУЛ).
При инженерных расчетах используют среднюю величину Wп. н. (30 %). Такое значение может быть принято для древесины пород, произрастающих в умеренном климатическом поясе. Точные значения Wп. н. для древесины каждой из отечественных пород предстоит еще определить.
Предел гигроскопичности Wп. г. — это максимальная влажность клеточных стенок, достигаемая при поглощении влаги из воздуха; характеризуется отсутствием воды в полостях клеток и равновесием влажности клеточных стенок и воздуха, приближающегося к насыщенному состоянию. Этот показатель может быть определен прямым экспериментом по ГОСТ 16483.32 — 77, предусматривающим выдерживание стружек в воздухе при его относительной влажности φ = 0,995. Предел гигроскопичности, по исследованиям Б. С. Чудинова (ИЛД), как и предел насыщения клеточных стенок, увеличивается с уменьшением плотности древесины, когда возрастает поверхность клеточных стенок с микроуглублениями, в которых происходит конденсация влаги из воздуха. По данным О. Н. Полубояринова, на величину Wп. г. оказывает влияние и химический состав древесины.
При комнатной температуре можно принять, что предел насыщения клеточных стенок практически равен пределу гигроскопичности. Изменение температуры почти не оказывает влияния на величину Wп. н., а предел гигроскопичности с повышением температуры заметно снижается и, например, при 100 °С составляет не 30%, а 19-20%.
Древесина достигает устойчивой влажности при длительном выдерживании ее в воздухе с постоянными температурой и относительной влажностью (степенью насыщенности влагой) φ.
Если при выдерживании древесина поглощает влагу из воздуха (сорбция), то ее устойчивая влажность меньше той, которая достигается в том случае, когда древесина отдает влагу (десорбция). Среднее значение между этими устойчивыми влажностями называется равновесной влажностью древесины Wp, а разница между ними — гистерезисом сорбции. Измельченная древесина (опилки, стружки) имеет небольшой гистерезис сорбции и при любой начальной влажности в процессе выдерживания достигает устойчивой влажности, практически равной Wp. По таким экспериментальным данным построена диаграмма, отражающая связи между равновесной влажностью древесины любой породы и состоянием воздуха.
У крупных образцов (толщиной более 15 мм и длиной более 100 мм) из-за гистерезиса сорбции устойчивая влажность древесины, не подвергавшейся воздействию слишком высокой температуры (более 50-60°С), может отличаться от равновесной примерно на ±1,3 %.
При испытаниях с целью определения показателей физико-механических свойств древесины ее кондиционируют, приводя к нормализованной влажности. Это равновесная влажность древесины, соответствующая t = (20±2)°С и φ = (65±5)%, в среднем равна 12 %.
На практике по степени влажности различают: мокрую древесину, длительное время находившуюся в воде (W > 100%), свежую (свежесрубленную) древесину, сохранившую влажность растущего дерева (W = 50-100 %), древесину атмосферной сушки (воздушно-сухую), высушенную и выдержанную на открытом воздухе (W = 15-20%), древесину камерной сушки (комнатно-сухую), высушенную в камере или выдержанную в отапливаемом помещении (W = 8-12%), и абсолютно сухую, высушенную при температуре (103±2) °С (W = 0%).
В деревообработке обычно используют древесину атмосферной или камерной сушки. Переход от свежесрубленного состояния к двум последующим совершается в результате высыхания древесины.
Высыхание древесины. При высыхании внутренняя зона сортимента (доски, бруса, бревна) имеет большую влажность, чем периферические зоны. Тангенс угла наклона кривой, отражающей распределение влажности по толщине, ширине или длине сортимента, называется градиентом влажности.
При влажности ниже Wп. н. скорость передвижения связанной воды пропорциональна градиенту влажности и коэффициенту влагопроводности. Влагопроводность определяет способность древесины проводить связанную воду. Вода перемещается в древесине по системам макрокапилляров, заполненных воздухом, и микрокапилляров в клеточных стенках. По макрокапиллярам влага перемещается в виде пара, а по микрокапиллярам преимущественно в виде жидкости.
При влажности выше Wп. н. градиент влажности, по исследованиям П. С. Серговского, не определяет скорость передвижения воды. Если древесина содержит свободную воду по всему объему сортимента, в ней возможно лишь передвижение свободной воды в виде жидкости под действием внешних сил (например, разности гидростатического или избыточного давления). В этом случае передвижение свободной воды будет определяться водопроводностью (или капиллярной проницаемостью) древесины.
С уменьшением плотности древесины коэффициент влагопроводности возрастает. У сосны при температуре 20 °С коэффициент влагопроводности поперек волокон равен 2,5·10-10 м2/с, а у лиственницы — 1·10-10 м2/с. Меньшая влагопроводность ядровой (спелой) древесины по сравнению с заболонной при одинаковой плотности объясняется разной проницаемостью клеточных стенок.
В радиальном направлении влагопроводность несколько больше, чем в тангенциальном. У пород с широкими лучами (бук, дуб) отношение коэффициентов влагопроводности в указанных направлениях составляет соответственно 1,7 и 1,5, а у сосны с очень узкими лучами — только 1,15.
Коэффициент влагопроводности древесины вдоль волокон в 15-20 раз больше, чем в тангенциальном направлении поперек волокон.
Влагопроводность значительно увеличивается при повышении температуры вследствие возрастания коэффициента диффузии пара и снижения вязкости воды.
Среди промышленных способов сушки наибольшее распространение имеют атмосферная и камерная. При атмосферной сушке пиломатериалов в штабелях на открытом воздухе продолжительность сушки исчисляется месяцами. В камерах при повышенной температуре пиломатериалы можно высушить до более низкой влажности и значительно быстрее. Продолжительность сушки досок толщиной 40 мм влажностью 60 % до влажности 12 % составляет 3-4 сут.
Усушка. Уменьшение линейных размеров и объема древесины при удалении из нее связанной воды называется усушкой. Усушку вызывает удаление адсорбционной воды, находящейся внутри клеточной стенки между микрофибриллами. Однако одновременно с адсорбционной водой происходит испарение микрокапиллярной воды, поэтому усушка наблюдается при любой температуре сразу же после снижения влажности за предел насыщения клеточных стенок. Вначале удаляется преимущественно микрокапиллярная вода и сравнительно небольшое количество адсорбционной воды, поэтому усушка происходит довольно медленно. После удаления всей микрокапиллярной воды наблюдается значительно более интенсивная усушка.
Поскольку микрофибриллы в основном ориентированы по направлению продольной оси клетки, удаление адсорбционной воды приводит к уменьшению толщины клеточных стенок и поперечных размеров клетки. Анатомические элементы вытянуты преимущественно вдоль оси ствола, поэтому продольная усушка древесины в десятки раз меньше, чем поперечная.
Усушка прямо, но, как показали работы МЛТИ, нелинейно зависит от плотности древесины: чем больше масса клеточных стенок в единице объема древесины, тем больше в ней адсорбционной воды и тем выше усушка. Следовательно, более плотные поздние зоны годичных слоев древесины усыхают больше, чем ранние.
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. Кроме того, продольная усушка сердцевинных лучей с паренхимными клетками, микрофибриллы которых ориентированы преимущественно вдоль луча, по крайней мере в 2 разаменыие поперечной. Сердцевинные лучи сдерживают усушку древесины в радиальном направлении.
Под полной, или максимальной, усушкой βmах понимают уменьшение линейных размеров или объема древесины при удалении всего количества связанной воды.
Формула для вычисления полной усушки, %, имеет вид
βmах = (αmах — αmin)/αmах · 100
где αmах и αmin — размер, мм, или объем, мм3, образца соответственно при влажности равной или выше предела насыщения клеточных стенок и в абсолютно сухом состоянии.
Таким образом, полная усушка наблюдается при снижении влажности древесины от 30 % до 0.
Определение полной линейной и объемной усушки проводят согласно ГОСТ 16483.35 — 88 на образцах с основанием 20 х 20 мм и высотой вдоль волокон 30 мм. Годичные слои на торце образца должны быть параллельны соответствующей паре граней, а влажность образцов — выше или равна пределу насыщения клеточных стенок. При меньшей влажности образцы доводят до этого состояния, вымачивая их в воде при температуре (20±5)°С. Максимальный размер αmах измеряют по серединам радиальных и тангенциальных поверхностей, а для определения объема измерение выполняют между торцами с погрешностью не более 0,01 мм. Определение усушки вдоль волокон ввиду ее малости стандартом не предусматривается.
Далее образцы, предварительно подсушенные в течение 2 сут, во избежание растрескивания досушивают до постоянных размеров, постепенно поднимая температуру в сушильном шкафу до (103 ± 2) °С. После извлечения из сушильного шкафа и охлаждения в эксикаторах измеряют новые размеры образца αmin и вычисляют по формуле линейную радиальную βr mах или тангенциальную βt mах усушку, а также усушку вдоль волокон βα mах. Результат округляют до 0,1 %.
Объемную усушку βV mах определяют, подставляя в формулу вместо αmах и αmin произведение поперечных и продольного размеров образца или объем, измеренный ртутным объемомером, при W > Wп. н. и в абсолютно сухом состоянии.
Полная усушка древесины наиболее распространенных отечественных лесных пород в тангенциальном направлении составляет 8-10%, в радиальном направлении 3-7%, а вдоль волокон 0,1-0,3 %. Полная объемная усушка находится в пределах 11-17 %. Для расчетов влажностной деформации необходимо располагать коэффициентом усушки, определяющим величину усушки при снижении содержания связанной воды в древесине на 1 %.
В зарубежных руководствах приводятся данные о величине усушки древесины при снижении влажности с 20 до 5 %. В случае использования этих данных для расчета усушки при меньшем падении влажности следует принимать другой коэффициент усушки, который отличается от стандартного коээфициента усушки, так как усушка имеет нелинейную зависимость от влажности и не всегда начинается от W = 30 %.
От усушки следует отличать сморщивание древесины (коллапс), которое происходит у нагретой древесины вследствие удаления свободной воды при влажности W > Wп.н.. По исследованиям Т. К. Курьяновой, у дуба при температуре около 70-80°С сильно сморщиваются желатинозные волокна и древесинная паренхима. Встречается коллапс и у других лиственных пород (маньчжурский ясень и др.).
По данным Е. А. Пинчевской, коллапс существенно увеличивает усадку по толщине доски и почти не оказывает влияния на усадку ее по ширине.
Усушку древесины учитывают при распиловке бревен на доски (припуски на усадку), сушке пиломатериалов, шпона и т. д.
Внутренние напряжения в древесине. Полные сушильные напряжения в древесине удобно рассматривать как совокупность двух составляющих — влажностных и остаточных напряжений. Влажностные напряжения вызваны неоднородной усушкой материала. В поверхностных зонах доски, где влажность ниже, чем в центре, из-за стеснения свободной усушки возникают растягивающие напряжения, а внутри доски — сжимающие. Остаточные напряжения обусловлены появлением в древесине неоднородных остаточных деформаций. В основном они образуются из-за перерождения части упругих деформаций в «замороженные» остаточные вследствие увеличения жесткости нагруженной древесины при сушке. Остаточные напряжения в отличие от влажностных не исчезают при выравнивании влажности в доске и наблюдаются как во время сушки, так и после ее полного завершения.
Знаки влажностных и остаточных напряжений противоположны, и результирующие полные напряжения представляют собой алгебраическую сумму. В первый период сушки влажностные напряжения больше остаточных и полные напряжения проявляются как растягивающие у поверхности доски и как сжимающие — внутри. Во второй период остаточные напряжения превышают влажностные и результирующие напряжения меняют знак.
Если растягивающие напряжения достигают предела прочности древесины на растяжение поперек волокон, появляются трещины. Так образуются поверхностные трещины в начале сушки и внутренние трещины (свищи) в конце сушки. Эти наружные и внутренние трещины обычно имеют радиальное направление, так как разрыв тканей происходит вдоль сердцевинных лучей вследствие сравнительно слабой связи между древесинными волокнами и сердцевинными лучами. Растрескивание бревен и крупных брусьев происходит из-за напряжений, обусловленных различием тангенциальной и радиальной усушек.
Внутренние напряжения, сохраняющиеся в высушенном материале (остаточные напряжения), могут быть причиной изменения заданной формы деталей при механической обработке древесины.
Из-за внутренних напряжений усадка поверхностных и внутренних зон доски (т. е. фактическое уменьшение размеров) отличается от их свободной усушки.
Внутренние напряжения в древесине могут быть легко обнаружены при помощи силовых секций. Для этого из доски выпиливают секцию, два размера которой определяются сечением сортимента, а третий размер (по длине волокон) равен 10-15 мм. Из секции изготовляют двузубую вилку. Зубцы сразу же после ее изготовления могут изогнуться наружу, вовнутрь или остаться прямыми, что свидетельствует соответственно о наличии растягивающих, сжимающих напряжений или отсутствии их в поверхностных зонах.
Количественная характеристика внутренних напряжений может быть дана с помощью метода, разработанного автором для измерения остаточных напряжений в древесине с выровненной влажностью. По этому стандартизованному методу (ГОСТ 11603 — 73) из доски выпиливают рядом две секции толщиной (по волокну) 15 мм. После выравнивания влажности одну из секций раскалывают параллельно ее длине на слои толщиной 4 мм. Измерением длины этих слоев до и после раскроя определяют изменение их размеров и находят относительную деформацию е каждого слоя. Вторую секцию распиливают на образцы толщиной 8-10 мм, которые служат для определения модуля упругости Е при статическом изгибе. Средние напряжения для каждого слоя, МПа, вычисляют по формуле
δ = Eε. По полученным данным строят кривую распределения — эпюру напряжений по толщине доски.
Остаточные напряжения после камерной сушки значительно выше, чем после атмосферной. В лиственных пиломатериалах остаточные напряжения больше, чем в хвойных. Так, в сосновых досках сжимающие остаточные напряжения в поверхностных слоях достигали 4,4 МПа, а растягивающие во внутренней зоне — 1,7 МПа, в то время как в буковых досках сжимающие напряжения равнялись 7,2 МПа.
С некоторыми усложнениями описанный метод может быть применен для измерения полных внутренних напряжений в древесине в процессе атмосферной сушки или при камерной сушке и использовании охлажденных секций.
Внутренние напряжения могут появляться в древесине не только при сушке, но и при пропитке ее жидкостями, а также в процессе роста дерева.
Коробление древесины. Изменение заданной формы пиломатериалов и заготовок при сушке, а также выпиловке и хранении называется короблением. Поперечная покоробленность зависит от различий в радиальной и тангенциальной усушке. Ориентация наружной пласти доски ближе к чисто тангенциальному направлению, а внутренней — к радиальному, поэтому сечение досок принимает желобчатую форму. Покоробленность досок из данного бревна тем больше, чем ближе к сердцевине расположена доска.
Продольная покоробленность возникает из-за различий в усушке по длине волокон. Покоробленность по кромке и пласти встречается, например, у досок, включающих участки креневой (порок древесины) или примыкающей к сердцевине молодой (ювенильной) древесины, которые обладают большей усушкой вдоль волокон, чем нормальная древесина. Крыловатость появляется у древесины с наклоном волокон (порок строения).
Временное поперечное коробление происходит из-за неравномерного высыхания досок. Вогнутость пластей досок может также возникать из-за коллапса. В высушенном материале из-за нарушения равновесия остаточных напряжений происходит коробление при несимметричном строгании (фрезеровании) досок или их ребровом делении.
Коробление досок может наблюдаться и при распиловке сырых бревен из-за напряжений, имеющихся в растущем дереве. Иногда причиной коробления досок является неправильная укладка их в штабеля при атмосферной и камерной сушке, увлажнение при хранении и др. При сушке коробление досок можно уменьшить путем приложения внешних усилий (от веса вышележащих частей штабеля или при помощи специальных прижимов).
Коробление относится к порокам древесины. Оно вызывает существенные технологические и эксплуатационные трудности при использовании древесины.
Влагопоглощение. Способность древесины вследствие ее гигроскопичности поглощать влагу (пары воды) из окружающего воздуха называется влагопоглощением. При влагопоглощении внутри клеточных стенок образуется адсорбционная вода, находящаяся в пленочном состоянии. Адсорбционная вода отличается от обычной воды; она похожа по упругим свойствам на твердое тело, неэлектропроводна, по диэлектрической проницаемости близка к древесине, а по теплоемкости ко льду. Кроме явления адсорбции происходит также конденсация паров воды в микроуглублениях на поверхности клеточной стенки, и образуется микрокапиллярная вода.
Влагопоглощение практически не зависит от породы; у ядра и заболони оно примерно одинаково. По сорбционной способности кора мало отличается от древесины. Влажность измельченной древесины, которая может быть достигнута в процессе влагопоглощения при разной температуре, определяется по диаграмме.
Испытания древесины на влагопоглощение согласно ГОСТ 16483.19—72 проводят на образцах с размером основания 20 х 20 мм и высотой вдоль волокон 10 мм. Образцы высушивают в бюксах до абсолютно сухого состояния и помещают в эксикатор над насыщенным раствором соды, что обеспечивает относительную влажность воздуха φ = 92 %. Образцы периодически извлекают для взвешивания с точностью до 0,001 г через 1, 2, 3, 6, 9, 13, 20 сут и далее через каждые 10 сут. Минимальная продолжительность выдержки 30 сут. Испытание заканчивают, когда разность между двумя последними взвешиваниями окажется не более 0,002 г. По результатам взвешивания определяют текущую влажность образца и строят график «влажность древесины — время выдержки». Этот график, на котором влажность возрастает с убывающей скоростью, а также максимальная влажность древесины служат характеристикой влагопоглощения древесины.
Способность к поглощению влаги является отрицательным свойством древесины. Сухая древесина, помещенная в очень влажную среду, сильно увлажняется, что ухудшает ее физико-механические характеристики, снижает биостойкость и т. д. Создаваемые на поверхности деталей и изделий из древесины декоративные покрытия из лакокрасочных и пленочных материалов выполняют также влагозащитные функции. Однако более радикальным средством уменьшения гигроскопичности древесины является ее модификация путем пропитки искусственными смолами.
Разбухание. Повышение содержания связанной воды в древесине при ее выдерживании во влажном воздухе или воде сопровождается увеличением линейных размеров и объема древесины — разбуханием. Таким образом, разбухание древесины — свойство, обратное усушке, подчиняющееся в основном тем же закономерностям.
Полное разбухание, %, вычисляют, округляя результат до 0,1 %, по формуле
αmах = (αmах — αmin)/αmin · 100
где αmах и αmin — размер, мм, или объем, мм3, образца соответственно при влажности равной или выше предела насыщения клеточных стенок и в абсолютно сухом состоянии.
Коэффициент разбухания на 1 % процент влажности вычисляют, округляя результат до 0,01 %, по формуле Kα = αmах/Wп. н.
где Wп. н. — предел насыщения клеточных стенок, равный в среднем 30 %.
Полное линейное и объемное разбухание определяют согласно ГОСТ 16483.37 — 88, используя образцы, оборудование и процедуру (в иной последовательности), применяемые для определения усушки, однако способы вычисления показателей другие.
Можно определить частичное разбухание древесины при увлажнении до нормализованной влажности (12 %).
При необходимости по формуле можно вычислить частичное разбухание в случае повышения влажности до любого другого значения.
Средние значения коэффициентов разбухания древесины основных пород в радиальном и тангенциальном направлениях, а также по объему приведены выше. Коэффициенты объемного разбухания можно определить по формуле, аналогичной, но только со знаком «+» перед последним членом.
Так же, как и усушка, наибольшее разбухание древесины наблюдается в тангенциальном направлении поперек волокон, а наименьшее — вдоль волокон.
При закреплении разбухающих деталей из древесины (например, клепки в бочке) будет возникать давление разбухания, которое зависит от породы, части ствола, направления и, поданным Ю. М. Иванова, составляет 0,8-3,2 МПа. Давление разбухания для древесины ядра больше, чем для заболони; давление при тангенциальном разбухании для древесины хвойных пород и дуба почти в 2 раза больше, чем при радиальном разбухании.
Разбухание древесины прямо зависит от диэлектрической постоянной жидкости, поэтому, например, керосин почти совершенно не вызывает разбухания. Разбухание — отрицательное свойство древесины, но в некоторых случаях оно приносит пользу, обеспечивая плотность соединений (в бочках, судах и т. д.).
Водопоглощение. У погруженной в воду древесины вследствие пористого строения увеличивается влажность. Максимальная влажность ее в этом случае определяется суммой наибольшего количества связанной воды (предела насыщения клеточных стенок) и количества свободной воды, которое зависит от объема пустот в древесине. Поэтому чем больше плотность древесины, тем меньше ее максимальная влажность.
Расчетные значения для отечественных пород находятся в диапазоне 100-270 %. Они несколько выше найденных экспериментально, так как не все пустоты внутри древесины заполняются водой из-за наличия смолы, закупорки сосудов тиллами и т. д.
Чем крупнее образцы, тем медленнее процесс водопоглощения. Образцы с развитой торцовой поверхностью поглощают воду достаточно быстро. Этот процесс ускоряется с повышением температуры. Количество поглощенной воды зависит от породы древесины, начальной влажности образца. Заболонь поглощает больше воды, чем ядро.
Способность древесины к водопоглощению устанавливается согласно ГОСТ 16483.20 — 72. Образцы с размером основания 20×20 мм и высотой вдоль волокон 10 мм высушивают до абсолютно сухого состояния, затем помещают их в эксикатор с дистиллированной водой и выдерживают при температуре (20±2) °С. Периодически образцы вынимают из воды, осушают их поверхность фильтровальной бумагой и взвешивают. Первое взвешивание проводят через 2 ч, затем через 1, 2, 3, 6, 9, 13, 20 сут после первоначального погружения, а далее через каждые 10 сут. Опыт заканчивают, когда разница между двумя последовательными взвешиваниями окажется менее 0,05 г.
По результатам испытания строят график «влажность — время выдержки». За показатель водопоглощения принимают влажность, достигнутую после выдержки в течение 30 сут.
Способность древесины поглощать воду, а также другие жидкости имеет значение в процессах варки древесины для получения целлюлозы, при пропитке растворами антисептиков и антипиренов, при сплаве лесоматериалов и в ряде других случаев.