Влагодеформирование древесины

Усушка – это уменьшение линейных размеров и объёма древесины при удалении из _Неё связанной влаги. Удаление из полостей клеток свободной воды усушкой не сопровож­дается. Усушку вызывает удаление адсорбционной влаги, находящейся внутри древесинного вещества вместе с испарением микрокапиллярной влаги. Усушка от полного удаления из древесины всей связанной влаги (от W_ПH до нуля) называется полной. Усушка исчисляется процентным отно­шением уменьшения размеров (либо объёма) древесины к начальным её размерам (либо объёму). Она зависит от количественного показателя по­родного состава древесины – базисной плотности.

Полная объёмная усушка

Полная тангенциальная усушка

Полная радиальная усушка

Усушка от снижения влажности на 1% называется коэффициентом усушки:

Среднее значение коэффициента усушки для наших пород по объёму 0,45, по тангенциальному направлению 0,29, по радиальному – 0,17 %/%_w; в частности, для лиственницы 0,52/0,35/0,19; берёзы 0,54/0,31/0,26; сосны 0,44/0,28/0,17; дуба 0,43/0,27/0,18; кедра 0,37/0,26/0,12 %/%. Величина усушки при высыхании древесины от начальной влажности выше предела насыщения волокна, (например, от W_Н = 60 %) до конечной влажности ниже предела насыщения (например, до W_K = 10 %) определяется по фор­муле

(В нашем примере тангенциальная усушка берёзы У = 0,31 (30 – 10) = 6,2%/%_w).

Разбухание – это увеличение линейных размеров и объёма древеси­ны от повышения содержания связанной влаги при выдерживании её во влажном воздухе или воде, исчисляемое его процентным отношением к ра­змерам или объёму древесины в абсолютно сухом состоянии, Р, %. Полное разбухание получается при увлажнении древесины от W = 0 до W_ПH = 30 %. Если величина изменения размеров при полной усушке и полном раз­бухании одинакова, то их процентные отношения к начальным размерам или объёмам (неодинаковым между собой) различны и коэффициенты усушки и разбухания (К_Р) связаны между собой выражением:

С коэффициентом объёмного разбухания К_Р связана плотность влаж­ной древесины, определяемая при её влажности W<30 % по формулам:

или

а при влажности древесины свыше 30 % – по формулам:

или

В некоторых случаях разбухание играет положительную роль, на­пример, обеспечивая уплотнение соединений в бочках, чанах, деревянных трубах, судах. Но чаще всего из-за разбухания и связанного с ним короб­ления и растрескивания материалов возникают серьёзные затруднения при обработке и использовании древесины. Усушка же играет только отрица­тельную роль.

Напряжения и деформации в древесине

Нормальные напряжения о, МПа, в образце длиной Е, см, и площадью поперечного сечения F, см², - это силы растяжения или сжатия Р, кгс, приходящиеся на единицу площади поперечного сечения

Силовые упругие относительные деформации удлинения или укоро­чения – это изменение длины образца (абсолютное удлинение или укоро­чение ДЕ) от действия в нём растягивающих или сжимающих напряжений, отнесённое к начальной длине образца

Напряжения σ и упругие относительные деформации ε связаны ме­жду собой однозначной зависимостью

где Е – коэффициент пропорциональности называемый модулем упруго­сти (МПа).

Д ревесина относится не к упругим, а к упруго-пластическим телам, поэтому длительное силовое воздействие на неё приводит к преобразова­нию части упругих деформаций в пластические, или остаточные деформа­ции (рис. 1.22). В процессе высыхания древесных сортиментов в них даже без внешнего силового воздействия возникают внутренние напряжения и остаточные деформации, связанные с неодновременной усушкой древеси­ны в периферийной и центральной зонах.

В высушиваемых древесных сортиментах в первую очередь высы­хают, а, следовательно, и усыхают наружные слои периферийной зоны и сжимают еще сырую древесину внутренней зоны, в результате чего цен­тральная зона оказывается в упругом сжатом состоянии, а периферийная – в упруго-растянутом. Под воздействием напряжений растяжения в наруж­ных слоях возникают либо трещины, либо остаточные деформации удли­нения. а в сжатой центральной зоне – остаточные укорочения.

Во вторую очередь начинает высыхать центральная зона сортимента. Напряжения при этом снижаются. Однако, к тому моменту, когда внутрен­няя зона усохнет на ту же величину, что и периферийная, в них опять разо­вьются напряжения, но уже обратного знака: растяжения в центральной зоне, а сжатия – в периферийной. Причиной их появления и являются ос­таточные деформации, развившиеся в начале процесса (при усушке пери­ферийной зоны) и приведшие к тому, что к концу процесса ранее усохшие, но частично необратимо удлинившиеся слои периферийной зоны оказы­ваются в упругом сжатом состоянии, а ранее частично укоротившиеся и затем усохшие слои внутренней зоны – в упругом растяжении (на очень долгое время). Чтобы снять остаточные напряжения необходимо укоротить слои периферийной зоны, т.е. развить в ней новые остаточные деформа­ции укорочения, равные сумме начальных остаточных деформаций (удли­нения периферийной и укорочения центральной зон). Это делают влаго-теплообработкой – увлажнением периферийной зоны сортиментов, напри­мер, путем их пропаривания, с дальнейшей подсушкой.

К оробление древесины – это изменение заданной формы материала при сушке, выпиловке и хранении вследствие анизотропии усушки. Струк­турное коробление сортиментов наблюдается как в поперечном, так и в продольном направлениях. Поперечное коробление предопределяется раз­личием величины радиальной и тангенциальной усушки (рис. 1.23). Продо­льная покоробленность возникает из-за различия в усушке по длине воло­кон. Покоробленность по кромке и пласти дают разные по строению дре­весины участки доски с меньшей или большей усушкой вдоль волокон (крень). Спиральное коробление – крыловатость – появляется у древесины с наклоном волокон. Поперечную, желобчатую и продольную покороблен­ность измеряют по максимальной стреле прогиба, а крыловатость – по наибольшему отклонению поверхности доски от плоскости. Поперечное коробление возникает при сушке из-за неравномерного распределения влажности по сечению сортимента. Наконец, в сухом материале при не­симметричном его строгании происходит коробление из-за нарушения равновесия остаточных напряжений и в брёвнах при их распиловке (если были там напряжения). Древесные материалы во избежание их коробления целесообразно сушить в зажатом состоянии.

Растрескивание древесины происходит в тех случаях, когда внутрен­ние напряжения достигают предела прочности на разрыв поперёк волокон. Опасные напряжения растяжения наружных слоев древесины на первом этапе сушки приводят к образованию поверхностных пластевых трещин.

Опасные растягивающие напряжения в центральной зоне в конце процесса сушки приводят к образованию внутренних свищей. Для предотвращения растрескивания древесины необходимо снижать усушку периферийной зо­ны сортимента, снижая перепад гигроскопической влаги по его толщине, снижая интенсивность сушки, проводя процесс по рациональным, безо­пасным, научно и практически обоснованным режимам сушки.