Какие виды влаги содержатся в древесине

В растущем дереве древесина содержит значительное количество воды, необходимой для его жизнедеятельности. В срубленной древесине в зависимости от условий хранения и транспортировки содержание воды может увеличиваться или уменьшаться. При использовании древесины в большинстве случаев воду из нее удаляют с целью улучшения качества материалов и готовых изделий.

Древесина представляет собой гетерокапиллярную систему. В ней существуют капиллярные пространства различных размеров. Пористая структура древесины имеет большое значение для взаимодействия ее с водой.

Капиллярные пространства древесины подразделяют на две группы: капиллярные пространства первого порядка (к ним относятся межклеточные пространства, полости клеток и поры в стенках клеток) и капиллярные пространства второго порядка (пространства между фибриллами, между микрофибриллами и внутри микрофибрилл). Размеры тех и других капиллярных пространств значительно колеблются и меняются с возрастом дерева, содержанием влаги и т.д.

Разделяют два показателя, характеризующие содержание влаги: влажность древесины (относительная влажность) и влагосодержание (абсолютная влажность).

Влажность – это содержание влаги, отнесенное к массе сырой (влажной) древесины и выраженное в процентах. Влагосодержание (абсолютная влажность) – это содержание влаги в процентах по отношению к абсолютно сухой древесине. Абсолютно сухой древесиной условно принято считать древесину, высушенную до постоянной массы при температуре 103 + 2 оС (такая древесина всегда содержит небольшое количество влаги). На практике по влагосодержанию различают следующие виды древесины:

– свежесрубленная древесина – древесина с абсолютной влажностью в среднем 50-100 % в зависимости от времени рубки, а также породы

древесины и условий произрастания;

– воздушно – сухая древесины – древесина, высушенная на воздухе до равновесного состояния ее влажности с относительной влажностью воздуха и обычно составляет 15-20 %;

– мокрая древесина – древесина, получающаяся при длительном нахождении в воде, с абсолютной влажностью выше 100 % (до 200 % и более).

Влажность древесины оказывает существенное влияние на физические и механические свойства древесины, а также на процессы механической и химической обработки.

Древесина обладает также способностью поглощать влагу из воздуха за счет гидрофильности её компонентов. Это ее свойство называется – гигроскопичностью.

Вода в древесине может находиться в трех видах – объёмном, физически и химически связанном (рисунок 3.5.).

Рис. 3.5 – Виды влаги в древесине.

1 – Физически-свободная влага; 2 – Химически-связанная влага.

Влажность, которую приобретает древесина в результате длительного нахождения на воздухе или помещении, называют равновесной. Равновесная влажность зависит от температуры и относительной влажности окружающего воздуха. При хранении на воздухе под навесом древесина имеет равновесную влажность 15…18 %. При хранении древесины внутри помещения – 5…8%. Свежесрубленная древесина может содержать влаги от 35 до 120%. При нахождении древесины долгое время под водой она может иметь влажность до 200 %.

Стандартной принято считать 12%-ю влажность. Понятие стандартной влажности необходимо для обеспечения возможности сравнения результатов испытаний древесины при определении средней плотности, прочности и т.д.

Влажность древесины, при которой стенки клеток насыщены водой (предельное содержание гигроскопической влаги), а полости и межклеточные пространства свободны от воды, называют пределом гигроскопической влажности. Для древесины различных пород она колеблется от 23 до 35% (в среднем 30%) от массы сухой древесины.

Водные оболочки гигроскопической влаги, покрывающие поверхность стенок клеток, раздвигают их, снижают силы сцепления между ними. При этом, объём и масса древесины увеличиваются, а прочность снижается. Колебания влажности от 0 до предела гигроскопичности вызывают влажностные деформации: разбухание или усушку древесины. Существование капиллярных пространств делает возможным набухание древесных и целлюлозных волокон.

Объёмная влага, накапливаясь в полостях клеток и заполняя пустоты, существенно не изменяет расстояние между клетками, и поэтому не влияет на прочность и объем древесины, увеличивая лишь её массу.

Влажность в растущем дереве распределена неравномерно как по радиусу, так и по высоте ствола. У хвойных пород влажность заболони в 3-4 раза выше влажности ядра и спелой древесины. Так, у сосны и ели Ленинградской области среднегодовая влажность заболони оказалась 112 и 122 %, влажность ядра и спелой древесины – 33 и 38 %. В пределах ядра (спелой древесины) влажность у сосны, ели и лиственницы из Восточной Сибири распределена равномерно. В то же время у пихты, влажность центральной зоны спелой древесины намного выше, чем периферической. Аналогичное явление наблюдается у кедра. У лиственных пород как ядровых (дуб, ясень, вяз, ильм), так и безъядровых (береза, осина, липа) распределение влажности по сечению ствола более или менее равномерно. При этом влажность ядровой древесины у некоторых лиственных пород (дуб, вяз и др.) может быть значительно выше, чем у хвойных, достигая 70-80 %, а иногда и более.

Среди промышленных способов сушки наибольшее распространение имеют атмосферная и камерная. При атмосферной сушке пиломатериалов в штабелях на открытом воздухе продолжительность сушки сравнительно велика. Так, время, необходимое для того, чтобы свежевыпиленные сосновые доски толщиной 35-50 мм в климатических условиях северной зоны достигли транспортной влажности (22 %), следующее: при укладке досок для сушки в апреле-мае 43-51 сут., июне-июле 22-43 сут., августе-сентябре 43-51 сут. Тем не менее, этот способ сушки достаточно широко используется, так как он дешевле камерной сушки. При сушке пиломатериалов в сушильных камерах при повышенной температуре интенсивность процесса удаления воды выше. В камерах пиломатериалы можно высушить до более низкой влажности и значительно быстрее. Продолжительность сушки досок толщиной 40 мм от влажности 60 % до 12 % составляет 3-4 сут.

В процессе роста дерево наполняется водой из земли через корни. Так оно впитывает питательные вещества, способствующие развитию. Затем, когда ствол срубают на заготовки, часть влаги остаётся с ним. Влажность древесины не должна превышать 22%. Ниже 15% высушить естественным способом ее не получится, поскольку внешняя среда тоже питает материал жидкостью. Показатель количества влаги влияет на свойства древесины, на то, как она будет вести себя при обработке. Чрезмерное количество воды приводит к появлению плесени и гниению.

Естественная влажность

Показатель используют для определения количества воды внутри ствола сразу после спиливания или во время роста. Он определяет качество сушки древесных материалов. Естественная влажность древесины считается изначальной величиной, на основе которой начинают вести расчеты по сушке материала. Если показатель определён неверно, есть риск недосушить или пересушить пиломатериал.

Сколько процентов воды содержится в стволе определяют следующие факторы:

• строение древесины;
• пористость;
• окружающая среда.

Показатели естественной влажности древесины колеблются от 30 до 80% и меняются в зависимости от типа материала. От них отталкиваются перед тем, как определить оптимальный режим сушки для достижения нужного качества сухой заготовки.

У лиственных пород естественная влажность древесины ниже, чем у хвойных. Это связано со строением древесины.  В ели содержится до 90% влаги, в пихте в пределах 92%. Для сравнения в ясеневой древесине всего 36%. Кроме этого, на процент воды в материале влияет состояние окружающей среды. Зимой растения переходят в “спящий режим” и практически не потребляют питательных веществ из земли. Поэтому влажность в летний период намного превышает зимние показатели. Также у свежесрубленной древесины процент влаги значительно выше, чем у давних заготовок.

Задача тех, кто занимается обработкой пиломатериала — снизить влажность до минимально возможного процента. Это делается для того, чтобы заготовки обрели необходимую твердость, прочность. Износ у изделий материал которых прошел процесс сушки успешно существенно ниже.

Влажность также влияет и на размер заготовок. Чем больше усыхает материал, тем меньше по габаритам он становится. Правильная сушка должна быть организована таким образом, чтобы влага испарялась равномерно. Тогда вес и размер заготовки будет стандартным, а сам материал приобретет необходимые свойства. Новейшие способы сушки древесины снижают процент влажности до 6. Этот показатель также зависит от породы, структуры дерева, времени года.

Для строительства сильно высушенная древесина не используется, поскольку она может дать трещину. Количество воды в материале для этих целей снижается следующими способами:

• Самостоятельное досушивание. Приобретается готовый распил естественной влажности, и раскладывается на участке штабелями. Между рядами досок делаются зазоры с помощью брусков, чтобы воздух свободно циркулировал. Опору надо ставить не реже, чем через 1,5 метра друг от друга, и материал не прогнется. Чтобы дождь или другие осадки не испортили древесину, сверху конструкцию укрывают пленкой или рубероидом. Естественную сушку лучше проводить в теплое время года. Материалы размещаются в тени, под навесом. Тонкие по ширине доски просохнут быстрее, чем толстые. Конструкция устанавливается на прокладки из хвойных веток или защитного материала.
• Покупка готового материала. В этом случае продавец уже подготовил доски и высушил их естественным способом самостоятельно.
• Если требуется понизить количество влаги до 15% и ниже, то применяют камерную сушку в закрытом помещении. Такие материалы будут дороже стоить, так как при обработке потребуется большая трата ресурсов. И для строительства такую древесину лучше не использовать, она может дать трещину.

Идеальное применение сухой древесины — мебель и предметы интерьера.

Равновесная влажность

Чтобы пиломатериал хранился продолжительное время и не сгнил, его необходимо правильно высушить. Для проведения процедуры понадобится показатель равновесной влажности древесины. Он достигается путем длительного нахождения пиломатериалов в определенной внешней среде. При изменении внешних условий меняется и равновесная влажность.

Избыточное количество влаги в породе негативно влияет на состояние готового изделия и портит заготовки. Пиломатериал под воздействием воды плесневеет, в нем заводится грибок. Древесина по структуре пористая и впитывает влагу легко. Также легко от нее и избавляется, уменьшаясь или увеличиваясь в размерах. В результате при неправильных расчетах показателя, некоторые участки деревянного строения могут начать выпирать со временем или осесть. А потом, под воздействием внешней среды вновь сгладятся.

Степень влажность у хвойных и лиственных пород отличается. Для четкой сортировки пиломатериала его разделяют на 3 степени по процентному соотношению воды в составе:

• Сырая древесина. Содержит более 35% влаги.
• Полусухая. В диапазоне от 25 до 35%.
• Сухая. Менее 25%.

При естественной сушке показатель снижается до 30%. При этом меняются габариты и масса материала. Для ускорения процесса применяются технологии, позволяющие в короткий период снизить его до 7-18%.

Свободная и связанная влага

Когда дерево срублено и лежит на складе, влага по стволу распределяется равномерно. Прежде чем это произойдет должен пройти достаточно большой промежуток времени. Сразу после спила влажность повышена, достигает в среднем 60%. Влага внутри ствола делится на :

• гигроскопическую (свободную), которая задерживается в волокнах;
• капиллярную (связанную), содержащуюся в клетках растения.

В процессе сушки из ствола выходит только свободная влага. Капиллярная остается. Ее в древесине всего примерно 23%. Если пиломатериал срубили недавно, то влажность будет распределяться неравномерно по длине ствола. Самый высокий процент наблюдается в комлевой части, чем ближе к верхушке, тем процент становится ниже. Еще есть зависимость количества влаги в древесине у некоторых пород от близости к ядру. У одних она повышается при приближении к сердцевине, у других, наоборот, понижается.

Когда вода распределяется равномерно по всей структуре древесины и не превышает показатель 15 % — это называется стандартная влажность. В таком состоянии заготовку можно использовать для обработки и подготовки к работам (отделочным, строительным). Материал хорошо хранится, но восприимчив к погодным условиям, при выпадении осадков может промокнуть и показатель количества влаги изменится.

Для производства качественной древесины необходимо использовать оба понятия (стандартной и равновесной влажности). Надо понимать, что при эксплуатации готового изделия на улице, под воздействием разных температурных режимов, ее свойства могут меняться. Поэтому изделие необходимо защитить пропиткой.

Точка насыщения волокон древесины

Это показатель равновесной влажности, при котором свободная влага из древесины уже испарилась, а капиллярная осталась. Процент влажности в точке насыщения колеблется от 23 до 30. Зависит от породы древесины, внешних условий. Если показатель наличия влаги опустить ниже этой точки, то процесс сушки замедлится, материал начнет усыхать, смещаться, оседать. При естественном процессе сушки, верхние слои материала быстрее отдают свободную влагу и начинают отдавать связанную. В результате свойства заготовки меняются. Этот процесс вносит трудности в процесс сушки.

После достижения точки насыщения волокон, дальнейшее намокание и просушка заготовки уже не несет такого значения, как прежде.

Абсолютная влажность древесины

Физическая величина, которая отображает количество влаги заготовки по отношению к количеству влаги в совершенно сухом материале. Показатель абсолютной влажности древесины при расчетах обозначают знаком — W. Влажность совершенно сухой древесины считается равной 0%. Высчитывается эта величина для расчета параметров стройматериалов. В процессе сушки вес пиломатериала постоянно уменьшается. Если влажность в атмосфере повысилась — показатель начнет расти. Этот процесс затормаживается, когда достигается точка насыщения волокон. В это время вес заготовки перестанет падать. Это состояние называется абсолютно сухим, его показатель считается идеальным и берется за основу при других расчетах.

Формула абсолютной влажности:

W = (mc-mo)/mo× 100

где mс и mo  — это масса влажной свежесрубленной (mc) и масса сухой (mo) заготовки.

По ГОСТу это понятие трактуется как просто влажность. Иногда, при расчетах возникают ошибки, поскольку учитывается абсолютно сухая масса древесины, неполный вес.

Относительная влажность древесины

Является ориентировочным показателем. При расчетах за основу берется фактический вес имеющейся заготовки в отношении к абсолютно сухой. Так определяется относительная влажность во всем имеющемся в наличии материале.

Показатель выражается в процентах и посчитать его можно следующими способами:

• исходя их влажной и сухой массы заготовки;
• пользуясь данными о количестве влаги в граммах и весе заготовки.

Чтобы расчет оказался верным, требуется произвести практические манипуляции.

1. От заготовки отрезается образец пиломатериала.
2. Свежеспиленный образец взвешивается, данные фиксируются.
3. Далее, он высушивается до абсолютно сухого состояния и взвешивается повторно.
4. Фиксируется фактическая разница между двумя показателями. Так получается масса воды внутри образца.

Далее, по формуле:

W = mв/mо ×  100

где mв — масса воды, а mо — масса образца в обычном состоянии, высчитывается относительная влажность.

Так можно определить процент влаги по отношению ко всей массе имеющихся пиломатериалов.

Влажность пород древесины

От породы дерева зависит реакция пиломатериала на атмосферные явления, способность впитывать влагу и испарять ее. Одни деревья более устойчивы к влаге, другие абсолютно не переносят влажного климата и обработки при помощи воды, третьи быстро наполняются и легко сушатся.

Менее всех подвержены изменениям при влажном климате дуб и мербау. Бук и груша впитывают воду активно и также легко высушиваются. Теми же свойствами обладает кемпас.

Те рыхлые по структуре деревья, которые легко сушатся, могут быстро пересушиться и тогда на них появятся трещины, сколы. Плотные породы, менее подверженные воздействию влаги, не меняют своих свойств под воздействием воды. У хвойных пород изначально древесина более влажная, чем у лиственных. Причем показатель растет ближе к центральной части ствола, а у лиственных деревьев по всему стволу одинаковые проценты.

В некоторых столярных работах используют воду, чтобы придать материалу необходимую форму. Это называется столярной влажностью, и ее показатель колеблется в пределах 6-8%. При таких условиях материал проще точить, резать, шлифовать и пр. Сухая древесина проще склеивается, не подвержена загниванию, слабо коробится.

Если материал изначально мокрый или свежесрубленный с высоким процентом влаги, его необходимо немного подсушить перед транспортировкой, иначе он просто может не доехать до пункта назначения. Транспортная влажность пиломатериалов составляет 18-20%. Перед тем как погрузить такой пиломатериал и отправить транспортом, его вылеживают на улице примерно 2,5 месяца. Для ускорения процесса были придуманы специальные сушильные камеры, и сушка сократилась до 5 дней. После достижения необходимых показателей древесина становится устойчивой к атмосферным проявлениям и сохраняет свои габариты до прибытия на дальнейшую обработку.

Влажность древесины для гранулирования пеллет

Топливо особо ценится тогда, когда оно сделано из совершенно сухой древесины. В пеллетах и топливных брикетах показатель влаги снижен до минимума. Средние показатели варьируются от 8 до 12 %. Дыма при сжигании образуется гораздо меньше, чем у пиломатериалов с более высокой влажностью.

Средним показателем влажности для производства пеллетов считается 12-14%. Молотковыми дробилками можно создать щепу даже из материала влажностью 65%. Но такие материалы при высокой естественной влажности сложно поддаются дроблению. Поэтому для изготовления пеллетов используются целые технологические комплексы. Они включают в себя сушилку, которая помогает в результате добиться опилок нужной кондиции. Машина работает при помощи горячего воздуха и ворошит сырье до тех пор, пока влажность не снизится до требуемых 8-12%.

Способы определения степени влажности

Методы, с помощью которых можно измерить влажность древесины, зависят от типа материала и атмосферной среды. Для каждой породы определены собственные стандарты измерения.

Основными способами определения степени считаются весовой и электронный.  Между собой показатели могут незначительно отличаться, но разница несущественная.

Способ 1. Весовой

Чтобы померить количество влаги в образце потребуется пила, доска, линейка и точные весы.

Этапы:

1. С середины доски берется пробный образец древесины. Для этого при помощи пилы отрезается кусок небольшого размера 1-2 см шириной. Важно: образец берется из средней части доски, в центре концентрация влаги оптимальна. По краям пиломатериал обычно суше, так как влага испаряется оттуда в самом начале сушки.
2. Образец очищается от коры или других лишних элементов и измеряется на весах. Полученный результат записывается. Например, значение М0 будет указывать на изначальную массу образца.
3. Образец отправляют в специальный сушильный аппарат под воздействие нагрева до 100 градусов по Цельсию. Там брусок высушивается до абсолютно сухого состояния.
4. Следующее контрольное взвешивание проводится спустя 5 часов. Значение массы образца записывается как М1. Последующие весовые показатели снимаются с перерывом в два часа.
5. Сушить образец необходимо до тех пор, пока цифра на весах не начнет показывать одно и то же значение. Значит, результат достигнут и образец стал совершенно сухим. Последний показатель обозначается как МС.
6. При помощи формулы:

W = (М0 — МС):(МС × 100%)

где W — искомая влажность, М0 — первый вес, МС — последний вес.

Чтобы получить достоверный результат рекомендуется провести процедуру с несколькими пробами.

Способ 2. Электрический

Для первого способа потребуется немалое количество времени, так как сушка занимает несколько часов, а выполнять ее потребуется много раз. Электронный способ более простой, быстрый и требует меньше усилий. Результат же окажется гораздо точнее чем в предыдущем методе.

Для того чтобы узнать процент естественной влажности древесины применяют электрический прибор — влагомер. Его работа основывается на показаниях сопротивления пиломатериала электрическим импульсам. Наличие водяных молекул в древесине меняет значение сигнала тока и определяет процент.

Для измерения иглы-электроды влагомера вставляются в заготовку напротив друг друга. По ним проводится слабый разряд, и прибор определяет процент наличия влаги на конкретном отрезке. Для более точных данных рекомендуется проверить значения на нескольких отрезках заготовки.

Описанные выше способы проводятся при помощи технических приборов. Но деревообработкой человечество занимается уже миллионы лет и раньше могли определять влажность древесины без влагомеров. Приходилось обходиться собственными силами. Простые методы определения естественной влажности древесины:

1. Согнуть в пальцах стружку после распила. Если она отпружинит и выпрямится, значит дерево было сырым. Если превратится в крошку – сухим.
2. Ударить по стволу тяжелой деревянной палкой. Глухим звуком отзовется сырая древесина. Сухая имеет тонкий и звонкий “голос”.
3. Понадобится простой карандаш. На торце, где только что спилили дерево провести линию карандашом. Материал с высокой влажностью заставит линию посинеть через некоторое время, сухой — оставит как было.
4. У сухого пиломатериала торцы имеют трещины. Влажный такого не допускает.
5. Если по бревну провести острым металлическим предметом, то останется царапина. У сухого материала она останется сухой.
6. При работе с ручной пилой сухое бревно начинает крошиться, а влажное пускает воду в разрез. Оба варианта к распилу не пригодны.

Определить влажность древесины в домашних условиях довольно просто, однако точного показателя без влагомера добиться практически невозможно.

К народным методам как узнать влажность древесины,относятся следующие:

• По цвету древесины. Темный оттенок и вскипевшая смола на месте свежего распила говорит о том, что дерево сухое. Светлый оттенок и — высокая влажность.
• На ощупь. Поверхность твердая, занозистая, по весу доска легкая — значит сухая.
• С помощью дрели. Просверлить в образце отверстие глубиной 3-4 см и задержать в нем сверло на несколько секунд. Если задымится — материал сухой, ничего не случилось — средняя влажность. А если появилась стружка из отверстия — мокрый.

Современные приборы для определения влажности древесины дают точный и быстрый результат. Делятся они на игольчатые и бесконтактные. Настраиваются для работы с разными видами древесины (мультимер), размер имеют небольшой, легко помещаются в карман. Некоторые способны измерять показатель влажности у сыпучего материала (стружка, опилки). При помощи приборов проводят измерения крупные деревообрабатывающие компании, которым необходимо контролировать процесс на всех этапах.

Наименьшей влажностью до спиливания обладает сухостой. Это поврежденные деревья, которые больше не получают влаги из земли. Используется такой материал нечасто, так как подвержен вредителям. Влажное дерево не используется при строительстве и производстве. Самые сухие материалы идут на изготовление мебели и предметов интерьера. Оптимальная влажность для строительства 15-20%. Для всего остального 10-15%.