Равновесная влажность древесины

Равновесная влажность древесины

Древесина в зависимости от температуры и относительной влажности окружающего воздуха и собственной влажности обладает свойством или поглощать из воздуха пары воды и соответственно повышать собственную влажность (будет происходить процесс сорбции), или выделять их из себя и понижать собственную влажность (процесс десорбции). Иными словами, древесина - гигроскопичный материал. При длительном (измеряемом десятками дней) нахождении древесины на воздухе неизменного состояния указанный выше процесс заканчивается и устанавливается так называемая равновесная влажность древесины. Каждому значению температуры и относительной влажности воздуха соответствует определенная влажность древесины, практически одинаковая для всех ее пород и достигаемая древесиной при долговременном пребывании её при данных условиях.

Равновесная влажность древесины - понятие полного равномерного распределения влаги, когда высыхание дерева прекращается, и процент влажности соответствует влажности окружающей среды.

Есть такие понятия, как свободная влага, которая содержится в порах и капиллярах дерева и связанная влага, которая содержится непосредственно в клетках дерева. На границе этих понятий находится точка насыщения волокна - это влажность древесины при которой вся свободная влага из дерева удалена, т.е. в полостях древесины воды нет, а вся связанная влага осталась, т.е. клетки насыщены водой. Влажность древесины в точке насыщения составляет от 23 до 31% в зависимости от породы дерева:

Сосна обыкновенная, Ель, Липа - 29%;
Сосна веймутова, Каштан - 25%;
Лиственница, Бук - 30%;
Пихта дугласова - 30,5%;
Секвойя - 31%;
Ясень - 23%.

Важно знать: древесина меняет свои физические размеры при влажности от 0% до точки насыщения. Дальнейшее увлажнение не приводит к существенному росту габаритов. Влажность в точке насыщения волокна выше, чем равновесная влажность. Равновесная влажность устанавливается в древесине естественным путем в процессе эксплуатации в зависимости от температуры и относительной влажности воздуха, поэтому древесина усыхает.
Содержание влаги в древесине сильно влияет на качество клеевого соединения, работающего в переменных атмосферных условиях. Склеенная деталь должна иметь влажность, соответствующую равновесной влажности древесины в условиях эксплуатации. При нарушении этого условия деталь будет усыхать или разбухать. Вследствие деформации древесины в местах склейки возникают сильные напряжения, которые могут разрушать клеевое соединение.
Равновесную влажность, до которой можно высушить доску при естественной (атмосферной) сушке легко выяснить, зная среднюю влажность и температуру окружающей среды по диаграмме проф. Н.Н. Чулицкого. Климатические данные для каждого города России прописаны в СНиП 23-01-99 "Строительная климатология", а для Беларуси актуальным будет документ СНБ 2.04.02 – 2000 "Строительная климатология". На этой диаграмме по вертикальной линии отложена влажность воздуха, по горизонтальной - температура воздуха; наклонная линия соответствует влажности древесины.

Так, например, для Минска в январе средняя температура -6,9°С (таблица 3.3) и относительная влажность воздуха составляет 86% (таблица 3.9). Таким образом при сушке древесины естественным путем под Минском в январе в ней устанавливается влажность около 20%. А в июле средняя температура +17,7°С и влажность 72% - равновесная влажность древесины составит 13,7%. Из этого следует, что при эксплуатации изделий из дерева на улице, они меняют свои геометрические размеры в течение года в зависимости от температуры и влажности воздуха. Намокание при дождях может увеличивать влажность древесины намного выше точки насыщения. Стоит также отметить, что при влажности выше точки насыщения и теплой погоде в древесине создаются идеальные условия для развития дереворазрушающих грибов. Пределом биостойкости древесины считают влажность в 22%. При такой влажности в древесине прекращаются гнилостные грибковые процессы и такая древесина считается пригодной для длительного хранения. Поэтому при эксплуатации на улице в условиях РБ древесину нужно защищать.

Главное правило эксплуатации древесины - перед монтажом древесина должна иметь ту влажность в которой она будет в дальнейшем эксплуатироваться. Это правило касается также и других материалов - ДСП, ламинат, фанера, OSB и т.п. Перед монтажом древесину нужно оставить на некоторое время в условиях той среды, в которой она будет эксплуатироваться.

Основные породы древесины используемые в Беларуси в строительстве - это сосна и ель. Объемная усушка этих пород от свежесрубленного до сухого состояния составляет до 15%, изменение размера поперек волокон до 10%. Знать это правило очень важно при монтаже вагонки, имитации бруса, блок-хауса, половой доски, особенно при использовании сырых или очень сухих материалов.

При атмосферной сушке древесины на воздухе большое значение имеет пора года, направление ветра, температурный режим, сечение материала и другие факторы. Следовательно срок достижения равновесной влажности древесины при естественной сушке можно только спрогнозировать. По этим параметрам во времена СССР была проведена работа, в результате которой территорию страны условно разделили на 4 климатические зоны в отношении просыхания пиломатериалов (ГОСТ 3808.1-80):

Архангельская, Мурманская, Вологодская, Кировская, Пермская, Свердловская, Сахалинская, Камчатская и Магаданская области, северная часть Хабаровского края и восточная часть Приморского края; северная часть Западной и Восточной Сибири и Коми АССР;
Карельская АССР, Ленинградская, Новгородская, Псковская области, южная часть Хабаровского края и западная часть Приморского края;
Латвийская ССР, Литовская ССР, Эстонская ССР, Белорусская ССР, Смоленская, Калининградская, Московская, Калининская, Орловская, Тульская, Рязанская, Ивановская, Ярославская, Горьковская, Брянская, Челябинская, Владимирская, Калужская, Костромская, Амурская области, южная часть Западной и Восточной Сибири, Чувашская АССР, Марийская АССР, Мордовская АССР, Татарская АССР, Башкирская АССР, Удмуртская АССР;
Украинская ССР, Молдавская ССР, Курская, Астраханская, Куйбышевская, Саратовская, Волгоградская, Оренбургская, Воронежская, Тамбовская, Пензенская, Ростовская, Ульяновская области, Северный Кавказ и Закавказье, Казахская ССР, Таджикская ССР, Узбекская ССР и Киргизская ССР.

Рекомендуемые сроки сушки пиломатериалов на открытых складах до влажности не более 22% сведены в таблицу:

Примечания:

1. В таблице указаны сроки сушки пиломатериалов (сосна, ель, кедр, пихта) в днях со средней положительной температурой для пакетных штабелей. Для рядовых штабелей сроки сушки увеличиваются на 10%, для лиственничных пиломатериалов - на 60%.

2. Сроки сушки пиломатериалов, по толщине отличающихся от указанных в таблице, определяют методом интерполирования.

Беларусь была отнесена к 3-й условной зоне, что означает, что для естественной сушки доски, допустим, сечением 150х50 в июне до влажности 22% доска должна полежать под навесом 22 дня. В таблице не указаны зимние месяцы года - это не значит, что сушка в это время не происходит. Древесина сохнет даже при 100% влажности и температуре 0°С, но только до 29%, а вот при 0°С и 80% влажности - уже сохнет до 16,5%.
Влажность древесины отрицательно влияет на ее физико-механические свойства, поэтому вполне понятны попытки уменьшить тем или иным способом гигроскопичность древесины.

Гигроскопичность древесины, подверженной действию высокой температуры, понижается, причем на снижение гигроскопичности величина температуры оказывает большее влияние, чем продолжительность ее действия. Понижение гигроскопичности древесины путем ее высушивания при высоких температурах в течение длительного времени, однако, нецелесообразно, так как при длительном воздействии высокой температуры понижаются ее механические свойства.

Одним из наиболее простых способов уменьшения гигроскопичности и водопоглощения древесины является покрытие поверхности древесины красками и лаками, которые оказывают механическое препятствие к проникновению воды в древесину. Однако такого рода покрытия предохраняют древесину на очень недолгое время. Естественно, возникла мысль о более глубокой обработке древесины веществами, не растворимыми в воде, которые, проникая в поры древесины, закупоривают их и препятствуют проникновению воды и других жидкостей в древесину. К числу таких веществ относится парафин, который вводится в древесину в жидком виде, гудрон, сера, растворы каучука и особенно фенолоальдегидные смолы (бакелит).

Наблюдения показали, что некоторые вещества, проникая в древесину, образуют с ней сложные комплексные вещества, делающие оболочку клеток непроницаемой для воды. Так, например, древесина, пропитанная растворами сахара (сахароза, глюкоза), становится водоустойчивой благодаря тому, что клетчатка образует с сахарами сложные эфиры, которые делают оболочку клеток водонепроницаемой. Кроме того, если после пропитки древесину нагреть до 120°, происходит частичная карамелизация сахара и образующаяся карамель, не растворимая в воде, частично закупоривает поры.

Возможно, кому-то может показаться очень интересным американский документ от Министерства сельского хозяйства США под заголовком: "Equilibrium Moisture Content of Wood in Outdoor Locations in the United States and Worldwide", имеющий самое непосредственное отношение к теме этой статьи. По исследованиям Forest Products Laboratory 1987 года они вывели формулу определения равновесной влажности, которая справедлива для диапазона температур от -1,1°С до +65,6°С (30°F - 150°F):

где EMC - содержание влаги в древесине (%), Т - температура, h - влажность (%/100), W,K,K1,K2 - коэффициенты модели адсорбции, разработанные Hailwood and Horrobin (1946) и для температуры в Цельсиях составляют:

На основе этой формулы я дополнил калькулятор расчёта точки росы функцией расчёта равновесной влажности древесины с климатическими предустановками для всех городов Беларуси, которые приведены в СНБ 2.04.02-2000 по месяцам. Теперь можно легко проследить этот параметр в течение года и выбрать наилучший месяц для закупки и сушки пиломатериала под открытым небом!

Для работы калькулятора необходим установленный флеш-плеер. Установить его бесплатно можно на сайте https://get.adobe.com/ru/flashplayer/
Последнее время появились проблемы с флеш-плеером из-за обновлений браузеров и плагина, не зависящие от автора сайта. Решение проблем здесь.

Для наглядного представления о сроках достижения равновесной влажности хвойного материала есть вот такая полезная диаграмма:

Из диаграммы видно, что сушка основных сосновых и еловых пиломатериалов толщиной 20 - 30 мм, выложенных в штабеля, происходит главным образом в период с апреля по сентябрь.