Гигроскопические свойства древесины

В реальных условиях в древесине всегда присутствует влага. Для количественной оценки содержания воды в древесине используют параметр, называемый влажностью. Влажность – это отношение массы воды, содержащейся в древесине, к массе абсолютно сухой или влажной древесины, выраженное в процентах. В первом случае влажность называется абсолютной, во втором – относительной:

	, %;	(2.1)
	, %,	(2.2)

где m _в – масса воды в древесине, кг; m ₀ – масса абсолютно сухой древесины, кг; m – масса сырой (влажной) древесины, кг.

Взаимосвязь между абсолютной и относительной влажностью выражается формулами

	, %;	(2.3)
	, %.	(2.4)

В древесиноведении и технологии деревообработки принято пользоваться абсолютной влажностью. Поэтому в дальнейшем под термином «влажность» мы будем подразумевать именно ее.

Вода, удерживаемая древесиной, может быть условно разделена на связанную и свободную. Связанная вода (ее еще называют гигроскопической) находится преимущественно в порах и на поверхности клеточных стенок. Она прочно удерживается древесинным веществом за счет адсорбционных сил и сил капиллярного взаимодействия. Свободная вода находится в полостях клеток. Силы капиллярного взаимодействия между этой водой и древесинным веществом очень малы, и потому она удерживается в древесине только механически. В дальнейшем древесину, содержащую только связанную воду, мы будем называть влажной, а древесину, содержащую, кроме связанной, еще и свободную воду, – сырой.

Содержание в древесине связанной воды не может превышать некоторого максимума, который называется пределом насыщения клеточных стенок. Этот параметр у древесины различных пород неодинаков. Указанные различия, однако, невелики, и для практических расчетов можно принять, что предел насыщения клеточных стенок не зависит от породы древесины и равен W _пн = 30%.

Древесина является гигроскопическим материалом. Это означает, что она способна изменять свою влажность в зависимости от температуры и влажности окружающего воздуха. Влажность, к которой стремится древесина при выдержке ее в воздухе определенного состояния, называется устойчивой влажностью. Достигнуть устойчивого влажностного состояния древесина может двумя путями: а) поглощая водяной пар из воздуха (сорбция воды), если ее начальная влажность меньше устойчивой; б) выделяя водяной пар в воздух (десорбция воды), если ее начальная влажность больше устойчивой. Однако конечный результат в этих двух рассматриваемых случаях будет неодинаковым. Для одного и того же состояния окружающего воздуха устойчивая влажность при сорбции будет меньше, чем при десорб-ции. Разность между ними называется показателем гистерезиса
сорбции:

, %,

(2.5)

где W _уд – устойчивая влажность при десорбции, %; W _ус – устойчивая влажность при сорбции, %.

Величина гистерезиса сорбции зависит, главным образом, от размеров образца древесины. Для измельченной древесины (опилок, стружек) показатель гистерезиса сорбции невелик и составляет D W = 0,2–0,3%. В практических расчетах его можно не учитывать, считая, что W _ус = W _уд. При увеличении размеров образцов величина гистерезиса возрастает. Для образцов, толщина которых превышает 15 мм, а длина – 100 мм, он достигает величины, равной 2,5% влажности и далее остается неизменным.

Влажность, к которой стремится измельченная древесина при высыхании или увлажнении в воздухе определенного состояния, называется равновесной влажностью. Величина равновесной влажности зависит от температуры и влажности окружающего воздуха. Для конкретного состояния воздуха она может быть определена по диаграмме равновесной влажности древесины, приведенной на рис. 2.1.

Характер связи между устойчивой влажностью при сорбции и десорбции, с одной стороны, и равновесной влажностью, с другой, зависит от того, подвергалась ли древесина термическому воздействию. Если ее сушка проводится или была проведена ранее при температуре не более 50–60⁰С, то справедливы равенства

, %,

, %,

(2.6)

где W _р – равновесная влажность, %.

Рис. 2.1. Диаграмма равновесной влажности древесины

Для древесины, подвергавшейся длительному воздействию более высокой температуры (камерная сушка), связь между устойчивой и равновесной влажностью выглядит иначе:

, %,

, %.

(2.7)

Примеры

Пример № 31. Секция влажности в сыром состоянии имела массу m = 25 г. После высушивания до абсолютно сухого состояния ее масса стала m ₀ = 20 г. Определить абсолютную и относительную влажность древесины.

Решение. Абсолютную влажность рассчитываем по формуле (2.1), а относительную – по формуле (2.2):

%;    %.

Ответ: W _аб = 25%; W _от = 20%.

Пример № 32. Сырая доска влажностью W ₁ = 50% имеет массу m ₁ = 12 кг. Какой станет ее масса после высушивания до влажности W ₂ = 10%?

Решение. Используя формулу (2.1), сначала определяем массу доски в абсолютно сухом состоянии, а затем ее массу при влажности W ₂ = 10%:

	кг;
	кг.

Ответ: m ₂ = 8,8 кг.

Пример № 33. Сырой брус длительное время хранился в помещении при температуре t = 18⁰С и относительной влажности воздуха j = 32,5%. Какую влажность приобрела древесина в результате
хранения?

Решение. В условии задачи сказано, что брус – сырой. Следовательно, его начальная влажность больше влажности предела насыщения клеточных стенок W _н > W _пн.

По диаграмме равновесной влажности (рис. 2.1) находим, что воздуху с температурой t = 18⁰С и относительной влажностью j = 32,5% соответствует равновесная влажность древесины W _р = 7%.

Поскольку W _н > W _р, при хранении бруса происходит его сушка или, что то же самое, – десорбция влаги. С учетом того, что сушка происходит при низкой температуре, для определения искомой влажности древесины пользуемся формулой (2.6):

W = W уд = W р + 0,5×D W = 7 + 0,5×2,5 = 8,25%.

Ответ: W = 8,25%.

Пример № 34. Пиломатериалы, высушенные в камере до влажности W _н = 7%, длительное время находились в неотапливаемом складе при температуре t = 10⁰С и относительной влажности воздуха j = 65%. Какой стала влажность пиломатериалов?

Решение. По рис. 2.1 находим, что параметрам воздуха склада соответствует равновесная влажность древесины W _р = 12,5%.

Так как W _н < W _р, то древесина в период хранения будет увлажняться, т. е. сорбировать влагу. Для пиломатериалов, высушенных камерным способом, будет справедлива формула (2.7):

W = W ус = W р – D W = 12,5 – 2,5 = 10%.

Ответ: W = 10%.

Пример № 35. В сушильном шкафу поддерживается температура t = 100⁰С. Какая должна быть относительная влажность воздуха, чтобы сырые опилки, находящиеся в нем, могли высохнуть до влажности W = 4%?

Решение. При сушке опилок будет иметь место десорбция влаги. Для измельченной древесины устойчивую влажность при десорбции можно считать равной равновесной влажности W _уд = W _р. С учетом этого на диаграмме равновесной влажности находим точку пересечения линий t = 100⁰С и W _р = 4%. От найденной точки проводим горизонталь до пересечения с осью ординат j = 0,3. Это – максимальная влажность воздуха, при которой еще может быть достигнут требуемый результат.

Ответ: j £ 30%.

Пример № 36. Деталь, изготовленная из древесины, высушен-ной в камере до влажности W = 10%, имеет размеры S ´ b ´ l =
= 20´40´200 мм. Деталь эксплуатируется в помещении со средней температурой t = 15⁰С. В каких пределах может изменяться относительная влажность воздуха в помещении, чтобы влажность древесины не изменялась?

Решение. Поскольку S > 15 мм, а l > 100 мм, величина гистерезиса сорбции составляет D W = 2,5%. Для древесины, высушенной в камере, справедливы формулы (2.7). Подставляя в них значения W _уд = 10% и W _ус = 10%, находим соответствующие значения равновесной влажности:

	W р1 = W уд = 10%;
	W р2 = W ус + D W = 10 + 2,5 = 12,5%.

Этим значениям равновесной влажности при температуре t = 15⁰С соответствуют величины относительной влажности воздуха j₁ = 0,52; j₂ = 0,66.

Ответ: 52% £ j £ 66%.