Какая влага содержится в древесине и где

Наличие влаги в древесине обусловлено нормальной жизнедеятельностью живого растущего организма. В древесине срубленного дерева содержание влаги (в зависимости от условий хранения, и эксплуатации изделий) может увеличиваться или уменьшаться. В большинстве случаев практики влагу из древесины удаляют, чтобы избежать ряда отрицательных явлений. Для количественной характеристики содержания влаги в древесине используют показатель влажности древесины. Под влажностью (абсолютной) древесины понимают выраженное в процентах отношение массы влаги, содержащейся в данном объеме древесины, к массе сухой древесины:

где m — масса пробы (образца) влажной древесины; m0 — масса пробы (образца) абсолютно сухой древесины, г.

Для измерения влажности древесины применяют прямые и косвенные методы. Прямые методы основаны на выделении тем или иным способом влаги из древесины. Влагу можно отделить путем высушивания и определить влажность с высокой точностью, осуществляя следующую процедуру. В лабораторных условиях небольшие образцы древесины взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,001 г и определяют начальную массу. С такой точностью взвешивают образцы, если масса их не превышает 5—6 г. Для того чтобы влажность образцов древесины во время взвешивания не изменялась, их помещают в стеклянные бюксы с притертыми крышками. Масса каждой бюксы определяется заранее на тех же весах. Образцы находятся в бюксах (но с открытыми крышками) и во время высушивания.

Образец высушивают в сушильных шкафах, представляющих собой обогреваемые камеры с автоматическими регуляторами температуры. Из большого разнообразия конструкций сушильных шкафов наилучшими эксплуатационными свойствами обладают электрические шкафы, которые и находят повсеместное применение. Высушивание проводится при температуре воздуха 103±2°С; бюксы с образцами находятся в шкафу до тех пор, пока не будет достигнуто постоянное значение массы, устанавливаемое контрольными определениями при помощи весов. Если разница в отсчетах по весам при двух последних с интервалом 1—2 ч определениях составляет менее 0,002 г, считают, что достигнуто абсолютно сухое состояние древесины. Перед каждым определением массы бюксы закрывают крышками и охлаждают в сухом воздухе в эксикаторах — сосудах с безводным хлористым кальцием или серной кислотой при концентрации 94—100%. Влажность вычисляют с точностью до 0,1% по формуле:

где m — масса бюксы, г; m2 — масса бюксы с образцом до высушивания, г; m3 — масса бюксы с образцом после высушивания, г. В производственных условиях (на складах, в сушильных камерах и пр.) обычно ограничиваются меньшей точностью: пробу берут массой примерно 50 г, взвешивают с точностью до 0,1 г, а влажность подсчитывают с точностью до 1%.

Пробу из доски или бруска вырезают в этих случаях, отступя 0,5 м от торца и захватывая все сечение. Описанный простой и надежный способ определения влажности нашел широкое применение. Значительно реже применительно к древесине используется другой прямой метод, основанный на отгонке влаги с парами толуола (метод дистилляции). По этому методу сначала при помощи весов определяется масса образца влажной древесины. Затем образец нагревается с толуолом; образующиеся пары конденсируются, благодаря разной плотности жидкостей вода легко отделяется от толуола и можно измерить ее объем (массу). Зная массу влажной древесины и массу содержащейся в ней влаги, можно определить влажность древесины в процентах. Основной недостаток прямых методов заключается в том, что продолжительность процедуры очень велика. При методе высушивания она занимает 8—10 ч, а иногда и более. Этого недостатка лишены косвенные методы.

Косвенные методы определения влажности основаны на измерении показателей других физических свойств древесины, которые функционально зависят от содержания влаги в древесине. Поскольку влага оказывает влияние по существу на все физические свойства древесины, косвенных методов измерения влажности древесины может быть очень много. Однако не все из них могут быть с равным успехом использованы для создания быстродействующих, точных, простых по конструкции и удобных, в эксплуатации приборов — влагомеров. Для создания влагомеров очень широко используются достаточно строгие зависимости между влажностью и электрическими параметрами древесины. Наибольшее распространение получили кондуктометрические электровлагомеры, основанные на измерении электропроводности древесины.

Влагомер ЦНИИМОД-2 предназначен для измерения влажности древесины от 8 до 30%. Шкала прибора состоит из пяти диапазонов с пределами 8—11; 9—12; 15—21; 19—29% влажности. Принцип действия влагомера основан на определении времени зарядки конденсатора постоянным током, проходящим через древесину, сопротивление которой связано обратной логарифмической зависимостью с влажностью. Контакт с древесиной осуществляется при помощи датчика с тремя игольчатыми электродами, которые вводят через боковую (не торцовую) поверхность в древесину на полную их длину (8 мм). Время, необходимое для определения влажности этим прибором, составляет всего лишь несколько минут. Точность измерения влажности равна ±1,5%. Электровлагомер ЭВ-8-100 основан на измерении активного сопротивления влажной древесины по схеме моста постоянного тока. Этот прибор позволяет измерять влажность в более широких пределах. Каждому из трех диапазонов (8—18%, 18—31% и 30—100%) соответствует своя мостовая схема. Точность измерения влажности влагомером на первом и втором диапазонах составляет около±1%. При влажности свыше 30% точность значительно ниже (до ±10%).

К недостаткам этих приборов, помимо меньшей точности (по сравнению с методом высушивания), относится также и то, что они дают значения локальной влажности древесины в месте введения игольчатых контактов. При обычно неравномерном распределении влажности по объему доски или заготовки этот недостаток может быть причиной дополнительных погрешностей в определении интегральной влажности древесины.

Известны также емкостные электровлагомеры, при помощи которых по емкости конденсатора с диэлектриком из древесины определяется зависящая от влажности диэлектрическая проницаемость древесины. Разработаны конструкции индуктивных электровлагомеров, позволяющие определять влажность калиброванных образцов древесины бесконтактным способом. Эти приборы основаны на измерении индуктивности или добротности контура катушки самоиндукции с сердечником из влажной древесины. Влажность древесины может быть измерена при помощи тепловых методов. Например, в качестве измеряемого параметра может быть время, необходимое для нагрева до определенной температуры одного из спаев термопары, заделанного в древесину. Чем меньше влажность древесины, тем меньше отвод тепла от нагреваемого слоя ее: следовательно, при низкой влажности потребная продолжительность нагрева окажется меньшей.

В процессе сушки древесины влажность на конечном этапе может быть измерена по температуре материала. Некоторые исследователи предлагают измерять влажность по проницаемости древесины для рентгеновского, бета- и гамма-излучения. Различают две формы влаги, содержащейся в древесине: связанную (или гигроскопическую) и свободную. Связанная (адсорбционная и микрокапиллярная) влага находится в толще клеточных оболочек, свободная влага содержится в полостях клеток и в межклеточных пространствах. Связанная влага удерживается в основном физико-химическими связями; ее удаление сопряжено со значительными затратами энергии и существенно отражается на большинстве свойств древесины. Свободная влага удерживается только физико-механическими связями, удаляется значительно легче и оказывает меньшее влияние на свойства древесины. Состояние древесины, при котором в клеточных оболочках содержится максимальное количество связанной влаги, а свободной влаги нет, называется пределом гигроскопичностиWnr.

Влажность, соответствующую пределу гигроскопичности Wnr, в среднем для всех пород при комнатной температуре принято считать равной 30 % W nr: для сосны и дуба 30%, кедра сибирского 28—30%, лиственницы сибирской 31 — 33 %. При пределе гигроскопичности влажность существенно зависит от способа определения. Этот критерий можно определять но только непосредственным путем, измеряя максимальное количество поглощенной связанной влаги, но и по косвенным признакам, поскольку при пределе гигроскопичности резко изменяется характер зависимости между показателями многих свойств древесины и влажностью.

Влажность Wnr заметно зависит от температуры; так у древесины ели при температуре 20° она оказалась равной 31%. а при температуре 100° — всего 23%; аналогичные данные получены и для сосны. Наблюдается также некоторая зависимость влажности Wnr от химического состава древесины: с увеличением содержания лигнина влажность при пределе гигроскопичности уменьшается. Различают следующие степени влажности древесины: мокрая, долгое время пробывшая в воде (больше 100%); свежесрубленная (50—100 %); воздушносухая, долгое время пролежавшая на воздухе (15—20%, в зависимости от климатических факторов и времени года); комнатносухая (8—12%); абсолютно сухая (около 0%). Распределение влаги в стволе растущего дерева неравномерно как по сечению, так и по высоте. 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 или спелой древесины — 33 и 38%.

Древесина хвойных пород Восточной Сибири показала, что в пределах ядра (спелой древесины) влажность у сосны, ели и лиственницы распределена равномерно. В то же время у пихты влажность центральной зоны спелой древесины намного выше, чем периферической. То же наблюдается у кедра. Разница между влажностью центральной и периферической зон ядра достигает в нижней части ствола 50%.

У лиственных пород как ядровых (дуб, ясень, ильм), так и безъядровых (береза, осина, липа) существенной разницы между заболонью и ядром или периферической и центральной частями ствола не наблюдается; оказалось, что влажность заболони дуба из Воронежской области 73%, ядра 71%; вяза соответственно 72 и 97%, ивы белой 82 и 72%, у ясеня влажность ядра и заболони оказалась одинаковой — около 35 %; среднегодовая влажность периферической части ствола березы и осины из Ленинградской области 70 и 92%, центральной — 82 и 91%.

По высоте ствола влажность заболони в хвойных породах увеличивается в направлении от комля к вершине (например, у сосны Красноярского края VI класса возраста влажность заболони на высоте 1,3 м оказалась 120%, на высоте 6 м— 134% и на высоте 12 м — 146%), а влажность ядра остается практически без изменения. В стволах ядровых лиственных пород (дуба, ясеня, вяза, ильма) влажность ядра по направлению от комля к вершине слегка понижается, а влажность заболони почти не изменяется, у лиственных безъядровых пород (осины, липы) влажность увеличивается от комля к вершине. Влажность в стволах молодых деревьев несколько выше и ее колебания в течение года больше, чем у старых; это объясняется, по-видимому, тем, что древесина молодых деревьев полностью или преимущественно заболонная.

Рис. 32. Диаграмма изменения влажности в стволах растущих деревьев: а — сосна; б — ель; в — береза; г — осина; сплошные линии — средняя влажность; пунктир черточками — влажность заболони, или периферичесской части; пунктир точками — влажность ядра, или центральной части ствола.

Изменения влажности древесины в стволах растущих деревьев по временам года в Ленинградской области показаны на рис. 32. Кроме сезонных изменений, влажность в стволах растущих деревьев подвержена суточным колебаниям: так, в заболони ели утром наблюдалась влажность 186%, в полдень 132% и вечером 150%; в заболони дуба утром (в августе) 68%, в полдень 72%, вечером 66%, ночью 71%. Данные рис. 32 показывают, что максимум влаги в стволе растущего дерева содержится в зимний период (ноябрь—февраль), минимум — в летний (июль—август), причем в ядровых и спелодревесных хвойных породах меняется только влажность заболони за счет увеличения или уменьшения свободной влаги. Так как свободная влага легко испаряется, можно считать, что изменения влажности растущего дерева для времени рубки значения не имеют.