Как влажность влияет на усадку, деформацию и растрескивание древесины

Оглавление

1. Гигроскопичность древесины и формы влаги в ней

Древесина относится к материалам с ярко выраженными гигроскопическими свойствами. Это означает её способность поглощать влагу из окружающей атмосферы и отдавать её при снижении относительной влажности воздуха. Гигроскопичность обусловлена строением клеточных стенок, состоящих преимущественно из целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина. Гидроксильные группы этих полимеров активно взаимодействуют с молекулами воды посредством водородных связей.

Влага в древесине присутствует в двух основных формах, которые по-разному влияют на физико-механические свойства материала:

• Свободная влага — заполняет полости клеток, сосуды и межклеточные пространства. Она удаляется при сушке до уровня точки насыщения волокон и практически не вызывает изменения линейных размеров древесины.
• Связанная (гигроскопическая) влага — удерживается в клеточных стенках за счёт адсорбции и капиллярных сил. Её удаление или поглощение приводит к изменению объёма и линейных размеров материала.

Соотношение форм влаги определяет поведение древесины при эксплуатации. При влажности выше точки насыщения волокон преобладает свободная влага. При снижении влажности ниже этого уровня начинается удаление связанной влаги, что сопровождается усадкой. Изменение влажности влияет также на плотность, прочность при сжатии и растяжении, электрическое сопротивление и теплопроводность древесины.

Гигроскопичность проявляется в постоянном стремлении древесины к равновесному состоянию с окружающей средой. При повышении относительной влажности воздуха древесина поглощает влагу и набухает. При понижении — отдаёт влагу и усыхает. Эти процессы обратимы до определённого предела и происходят во всех направлениях, но с разной интенсивностью.

2. Точка насыщения волокон и равновесная влажность

Точка насыщения волокон (ПНВ) — это уровень влажности, при котором все свободные полости клеток освобождены от воды, а связанная влага полностью заполняет клеточные стенки. Дальнейшее снижение влажности вызывает усадку. Для большинства пород древесины ПНВ находится в диапазоне 22–31 %. Конкретные значения зависят от породы:

• Сосна, ель, липа — около 29 %;
• Лиственница, бук — около 30 %;
• Дуб, ясень — 24–26 %;
• Берёза — около 27 %.

Ниже ПНВ начинается процесс усадки. Выше этого уровня удаление свободной влаги не приводит к заметным изменениям размеров.

Равновесная влажность (Wр) — это влажность, которую древесина приобретает при длительном выдерживании в условиях постоянной температуры и относительной влажности воздуха. Она зависит от температуры и относительной влажности окружающей среды. При температуре 20 °C типичные значения равновесной влажности составляют:

Равновесная влажность достигается в процессе атмосферной сушки или при хранении готовых изделий. Для столярных и мебельных изделий целевая равновесная влажность обычно составляет 8–12 %, что соответствует условиям эксплуатации в отапливаемых помещениях с относительной влажностью воздуха 40–60 %.

Точный и удобный в использовании влагомер поможет в решении задач по контролю влажности — закажите Testo 616 влагомер древесины и стройматериалов.

3. Усадка древесины: механизм и количественные характеристики

Усадка — это уменьшение линейных размеров и объёма древесины при удалении связанной влаги ниже точки насыщения волокон. Механизм усадки заключается в сокращении расстояния между микрофибриллами целлюлозы в клеточных стенках при удалении воды из межмицеллярных пространств. Процесс начинается только после полного удаления свободной влаги.

Усадка является линейной функцией изменения влажности в диапазоне от ПНВ до абсолютно сухого состояния. Коэффициент усадки показывает процентное уменьшение размера на каждый процент снижения влажности. Полная усадка от состояния свежесрубленной древесины (влажность 30 % и выше) до абсолютно сухого состояния для основных пород составляет:

Усадка вдоль волокон (продольная) незначительна и составляет 0,1–0,5 %. Объёмная усадка равна сумме линейных усадок в трёх направлениях и обычно находится в пределах 10–18 % в зависимости от породы.

Пример расчёта: при снижении влажности сосновой доски с 25 % до 8 % тангенциальная усадка составит примерно 4,7 % от первоначального размера. Для доски шириной 150 мм это соответствует уменьшению на 7 мм.

4. Анизотропия усадки и возникающие при этом напряжения

Усадка древесины носит ярко выраженный анизотропный характер. Различия в коэффициентах усадки по направлениям обусловлены строением древесины: ориентацией микрофибрилл целлюлозы, наличием поздней и ранней древесины, сердцевинных лучей и плотностью клеточных стенок.

Тангенциальная усадка в 1,5–2 раза превышает радиальную. Это объясняется тангенциальным расположением поздней древесины и сопротивлением сердцевинных лучей радиальному сокращению. Продольная усадка минимальна из-за преимущественно продольной ориентации микрофибрилл.

Анизотропия приводит к возникновению внутренних напряжений даже при равномерном снижении влажности по всему объёму сортимента. При неравномерной сушке градиент влажности между наружными и внутренними слоями усиливает эти напряжения. Наружные слои, высыхая быстрее, стремятся к большей усадке, в то время как внутренние слои ещё сохраняют более высокую влажность и сопротивляются сокращению.

Результатом анизотропии и градиента влажности становятся:

• Неравномерное изменение размеров в разных направлениях;
• Возникновение растягивающих напряжений в поверхностных зонах;
• Сжимающие напряжения во внутренних зонах;
• Образование остаточных напряжений после завершения сушки.

Остаточные напряжения сохраняются в высушенной древесине и проявляются при дальнейшей механической обработке или изменении условий эксплуатации.

5. Деформации (коробление) древесины при изменении влажности

Деформации, или коробление, представляют собой изменение первоначальной формы пиломатериала или изделия под действием неравномерной усадки и внутренних напряжений. Коробление возникает как в процессе сушки, так и при последующем изменении равновесной влажности в условиях эксплуатации.

Основные виды коробления:

1. Продольное изгибание (bow) — искривление по длине в плоскости пласти. Возникает при неравномерной усадке по толщине доски или при наличии реакционной древесины.
2. Поперечное изгибание (crook) — искривление по длине в плоскости кромки. Часто связано с наклоном волокон или неравномерной усадкой по ширине.
3. Скручивание (twist) — винтообразная деформация по длине. Характерно для пиломатериалов с наклонным расположением волокон или при сушке с неравномерным зажимом.
4. Чашеобразность (cup) — поперечное искривление сечения в виде желоба. Возникает из-за большей тангенциальной усадки по сравнению с радиальной при тангенциальной распиловке.

Причины коробления включают градиент влажности по толщине сортимента, различия в усадке ранней и поздней древесины, наличие пороков (наклон волокон, свилеватость, реакционная древесина) и неравномерность сушки. После завершения сушки остаточные напряжения могут проявиться при распиловке или изменении влажности окружающей среды.

Деформации приводят к снижению выхода годной продукции, усложнению сборки изделий и ухудшению внешнего вида готовых конструкций. Контроль равномерности снижения влажности на всех этапах позволяет существенно уменьшить величину коробления.

6. Растрескивание древесины: виды, причины и стадии развития

Растрескивание представляет собой образование трещин в древесине вследствие превышения предела прочности при растяжении в тангенциальном или радиальном направлении. Процесс происходит под действием внутренних напряжений, возникающих при неравномерном удалении связанной влаги.

Выделяют следующие основные виды трещин:

• Поверхностные трещины (checks) — образуются на пласти и кромках в начальной стадии сушки. Наружные слои усыхают быстрее внутренних, испытывают растягивающие напряжения и растрескиваются.
• Торцевые трещины — возникают на торцах пиломатериала из-за быстрого испарения влаги через открытые торцы. Часто имеют радиальное направление.
• Внутренние трещины (honeycombing) — образуются в центральной зоне при интенсивной сушке. Внутренние слои ещё сохраняют высокую влажность, а наружные уже дали усадку, что создаёт сжимающие напряжения внутри.
• Сквозные и радиальные трещины — развиваются при продолжении сушки после появления поверхностных дефектов или при резком изменении режима.

Механизм развития трещин включает три стадии:

1. Начальная стадия — формирование поверхностных трещин при градиенте влажности 5–8 % между наружными и внутренними слоями.
2. Промежуточная стадия — углубление трещин и появление внутренних напряжений при дальнейшем снижении средней влажности ниже 15 %.
3. Заключительная стадия — стабилизация или расширение трещин при достижении равновесной влажности, если остаточные напряжения не были сняты влаготеплообработкой.

Интенсивность растрескивания возрастает при высоких температурах сушки (выше 60–70 °C на начальных этапах), большой толщине сортимента и наличии пороков строения. Для хвойных пород поверхностные трещины чаще возникают в поздней древесине, для лиственных — в зонах с высокой плотностью.

7. Факторы, определяющие интенсивность усадки, деформаций и растрескивания

На величину усадки, коробления и растрескивания влияют несколько групп факторов, которые можно разделить на внутренние (свойства древесины) и внешние (условия обработки и эксплуатации).

Основные внутренние факторы:

• Порода древесины — определяет коэффициенты усадки и анизотропию. Лиственные породы с высокой плотностью (бук, дуб) дают большую тангенциальную усадку и чаще коробятся.
• Начальная влажность и её распределение — свежесрубленная древесина с влажностью 40–60 % требует более длительной и контролируемой сушки.
• Строение древесины — наличие наклона волокон, свилеватости, реакционной древесины и сердцевинных лучей усиливает неравномерность усадки.
• Размеры сортимента — с увеличением толщины растёт градиент влажности и вероятность внутренних трещин.

Внешние факторы:

• Режим сушки — температура, скорость движения агента сушки и его влажность. Жёсткие режимы ускоряют процесс, но увеличивают напряжения.
• Градиент влажности по сечению — чем выше разница между наружными и внутренними слоями, тем больше риск трещин и коробления.
• Условия хранения и эксплуатации — резкие перепады температуры и влажности после сушки провоцируют дополнительные деформации.

8. Нормативные требования к влажности древесины в различных отраслях

Требования к влажности древесины регламентируются межгосударственными и национальными стандартами, которые устанавливают предельные значения для разных видов продукции и условий эксплуатации.

Согласно ГОСТ 8486-86 «Пиломатериалы хвойных пород. Технические условия» пиломатериалы подразделяются на категории по влажности: сухие (не более 22 %) и сырые (более 22 %). Для ответственных конструкций предпочтительны сухие пиломатериалы.

ГОСТ 16588-91 «Пилопродукция и деревянные детали. Методы определения влажности» устанавливает методы контроля: рабочий метод с использованием электровлагомера и контрольный сушильно-весовой метод. Стандарт применяется для определения влажности в диапазоне 7–28 % электровлагомером и за его пределами — весовым методом.

ГОСТ 3808.1-2019 «Пиломатериалы и заготовки хвойных пород. Атмосферная сушка и хранение» регламентирует правила атмосферной сушки и условия хранения для достижения требуемой влажности.

В СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции» приведены требования к влажности древесины для конструкций разных классов эксплуатации. Для несущих элементов деревянных зданий рекомендуется влажность 12–18 % в зависимости от условий.

Рекомендуемая конечная влажность древесины по назначению:

9. Роль оперативного контроля влажности в предотвращении дефектов

Оперативный контроль влажности на всех этапах — от заготовки сырья до эксплуатации готовых изделий — является ключевым инструментом предотвращения усадки, деформаций и растрескивания. Измерения позволяют своевременно корректировать режимы сушки, выявлять градиент влажности и предотвращать превышение допустимых напряжений.

Контроль проводится на следующих этапах:

• После заготовки и раскряжёвки — для определения начальной влажности и планирования режима сушки.
• В процессе камерной или атмосферной сушки — для отслеживания снижения средней влажности и градиента по сечению.
• Перед механической обработкой и сборкой изделий — для подтверждения достижения целевой влажности.
• При приёмке на строительной площадке и в процессе монтажа — для оценки соответствия нормативным требованиям.
• В период эксплуатации — для мониторинга изменений в ответственных конструкциях.

Для оперативного контроля применяют портативные влагомеры. Модели с игольчатыми электродами, такие как Testo 606-2 и UNI-T UT377A, обеспечивают точечные измерения с высокой повторяемостью и позволяют оценивать градиент влажности по глубине. Индукционные влагомеры, например МЕГЕОН 20725 и DT-128M, дают возможность проводить неразрушающий контроль на значительной площади без повреждения поверхности. Универсальные приборы RGK WH-40 и Testo 616 позволяют быстро измерять влажность как древесины, так и сопутствующих строительных материалов в полевых условиях.

Согласно ГОСТ 16588-91 электровлагомерный метод является рабочим для диапазона 7–28 % и широко используется на производстве благодаря скорости и удобству. Регулярные измерения в нескольких точках сортимента позволяют выявить неравномерность сушки до появления видимых дефектов и скорректировать параметры процесса.

10. Практические меры по минимизации негативного влияния влажности

Минимизация усадки, деформаций и растрескивания достигается комплексом организационных и технологических мер на всех стадиях работы с древесиной.

Основные рекомендации по сушке:

• Применение мягких и умеренных режимов сушки с постепенным повышением температуры и снижением влажности агента сушки.
• Проведение промежуточной влаготеплообработки при достижении средней влажности 18–20 % для выравнивания градиента и снятия напряжений.
• Защита торцов пиломатериала специальными составами или торцевыми накладками для снижения скорости испарения с торцов.
• Правильная укладка штабелей с прокладками и обеспечением равномерной циркуляции воздуха.

Меры на этапе производства и эксплуатации:

• Выдержка высушенных пиломатериалов в условиях, близких к эксплуатационным, для стабилизации влажности и снятия остаточных напряжений.
• Использование компенсаторов и плавающих соединений в конструкциях для компенсации возможных деформаций.
• Контроль влажности готовых изделий перед нанесением покрытий и сборкой.
• Обеспечение стабильных температурно-влажностных условий в помещениях, где эксплуатируются деревянные изделия.

Соблюдение этих мер позволяет снизить выход брака на 30–50 %, повысить долговечность конструкций и сохранить геометрические параметры изделий в процессе эксплуатации.

Чтобы обеспечить надёжный контроль влажности древесины на всех этапах обработки и эксплуатации, а также избежать проблем с усадкой, деформацией и растрескиванием, вы можете купить влагомер по доступной цене.

Материал подготовил технический директор НПП "КИПОФФ" Березин Александр Сергеевич