Влажность древесины и свойства, связанные с её изменением

То, что влажность окружающего воздуха имеет большее влияние на изделия из древесины, известно еще с глубокой древности. При этом не настолько важна влажность как таковая, как её резкие перепады.
Теперь разберёмся, почему это происходит.

В древесине различают две формы воды: связанную и свободную.

Связанная вода находиться в клеточных стенках, а свободная содержится в полостях клеток и межклеточных пространствах. Связанная вода удерживается в основном физико-химическими связями, изменение её содержания существенно отражается на большинстве свойств древесины.

Свободная вода, удерживаемая только механическим связями, удаляется легче, чем связанная вода, и оказывает меньшее влияние на свойства древесины.

Рассмотрим основные свойства деформации древесины.

Усушкой называется, уменьшение линейных размеров и объёма древесины при удалении из неё связанной воды. Удаление свободной воды не вызывает усушки. Чем больше клеточных стенок в единице объёма древесины, тем больше в ней связанной воды и выше время усушки. Усушка древесины не одинакова в разных направлениях: в тангенциальном направлении в 1,5-2 раза больше, чем в радиальном. Полная линейная усушка древесины наиболее распространённых отечественных пород в тангенциальном направлении составляет 8-10%, в радиальном 3-7%, а вдоль волокон 0,1-0,3%. Полная объёмная усушка находится в пределах 11-17%.
Усушка древесины учитывается при распиловке брёвен на доски (припуски на усадку), при
сушке пиломатериалов и т.д.
Дабы была возможность представить, о чём идёт речь, посмотрим на рисунок, где: 1 - радиальный и 2 - тангенсальный, распилы древесины.

Внутренние напряжения возникают в древесине без участия внешних нагрузок.
Они образуются в результате неодинаковых изменений объёма тела при сушке (сушильные напряжения), пропитке и в процессе роста дерева.
Влажностные напряжения вызваны неоднородной усушкой материала. В поверхностных зонах доски, где влажность ниже, чем в центре, из-за стеснения свободной усушки возникают растягивающие напряжения, а внутри доски - сжимающие. Остаточные напряжения обусловлены появлением в древесине неоднородных остаточных деформаций. Остаточные напряжения, в отличие от влажностных, не исчезают при выравнивании влажности в доске и наблюдаются как во время сушки, так и после её полного завершения.
Если растягивающие напряжения достигают предела прочности древесины на растяжении поперёк волокон, появляются трещины. Так появляются поверхностные трещины в начале сушки и внутренние в конце сушки.

Коробление - изменение формы пиломатериалов и заготовок при сушке, а также распиловке и неправильном хранении. Чаще всего коробление происходит из-за различия усушки по разным структурным направлениям. Различают поперечную и продольную покоробленность. Продольная покоробленность бывает: по кромке, по пласти и крыловатость.

Влагопоглощение - способность древесины вследствие её гигроскопичности поглощать влагу (пары воды) из окружающего воздуха. Влагопоглощение практически не зависит от породы. Способность к поглощению влаги является отрицательным свойством древесины. Сухая древесина, помещённая в очень влажную среду, сильно увлажняется, что ухудшает её физико-механические характеристики, снижает биостойкость и т.д. Чтобы защитить древесину от влияния влажного воздуха, поверхность деревянных деталей и изделий покрывают различными лакокрасочными и плёночными материалами.

Разбухание - увеличение линейных размеров и объёма древесины при повышении в ней содержания связанной воды. Разбухание происходит при выдерживании древесины во влажном воздухе или воде. Это - свойство, обратное усушке, но подчиняется, в основном, тем же закономерностям. Наибольшее разбухание древесины наблюдается поперёк волокон, а наименьшее - вдоль волокон.

Рассмотрим в качестве примера дверное полотно из массива с заполнением филенчатыми панелями. Чтобы такая дверь была надежной и долговечной, приходится вкладывать в нее возможность приспосабливаться к естественным изменениям собственных размеров. Для этого обвязка и филёнки изготавливаются не из цельного массива, а из переклеенных между собой ламелей (брусков) волокнами по наравлению друг к другу, в тангенциальном направлении - поперёк волокон. Именно это защищает полотно от разбухания, растрескивания, крыловатостей и поддерживает его в таком состоянии длительное время с тщательно выверенными размерами, зазорами и углами.

Пространство между обвязкой заполняется филёнчатой панелью, которая будет, несомненно, подвергаться усушке и разбуханию вместе с сезонными изменениями влажности. Поэтому края этой панели (фигареи) вырезаются в виде шипа, а сама она вставляется в пазы рамы, что позволяет ей свободно перемещаться при изменении в размерах. Филёнка закрепляет в обвязке только в центре верхнего и нижнего брусков точечно с помощью силикона так, чтобы она равномерно двигалась внутри пазов правого и левого брусков. Ну и конечно фигарей делается достаточно широким, чтобы глаз человека не замечал перемещений, - в отличие от плотного соединения с пазом шипом.

Для определения зазора между краями филёночной панели и пазом обвязки существует формула усушки, определяющая изменение размера по причине усушки dD:

dD=D*S*(dMC/fsp),

D - первоначальный размер,
S - процент сжатия,
dMC - изменение содержания влаги,
fsp - точка насыщения.

Процент сжатия древесины различается для тангентального и радиального распила и берется из специальной таблицы. Кроме того, при расчете изменения содержания влаги следует учитывать, что значения влажности выше точки насыщения в расчёт не принимаются.

Рассмотрим на примере сосновой двери с филенками шириной 450 мм; коэффициент сжатия для сосны S=6,1%. Ожидаемое максимальное содержание влаги 14%.

В случае, если влажность древесины будет равна 8%, то (учитывая симметричное поведение бруска) подсчитаем зазор для одной стороны

dD=225*(0,061)*(0,14-0,08)/0,28=2,94 мм

А когда содержание влаги упадет до 4%, филенка сожмется вот так:

dD=225*(0,061)*(0,08-0,04)/0,28=1,96 мм

Получается, что размеры соединения должны позволять филенке не только расширяться, но и сужаться. Только в вышеприведенном примере показаны изменения на миллиметр при том, что сам зазор должен быть около 2-3 мм на сторону, на практике обычно делается -5 мм – по ширине и -5 мм – по высоте.

Последнее, что осталось отметить, это то, что к сожалению, множество фирм-однодневок и неопытных столяров не удосуживаются использовать даже такую простую формулу (а опыта, чтобы сделать «на глазок» у них попросту нет). В результате треснувшую от сухости или разбухшую от влаги филёнку может перекосить или даже вырвать из обвязки.