Внутренние напряжения в древесине

 

Высыхание древесины происходит таким образом, что на наружных зонах влажность значительно меньше, чем во внутренних зонах. В этом основная причина возникновения внутренних напряжений.

Внутренние напряжения образуются без участия внешних нагрузок в результате лишь неоднородных изменений объема и уравновешены в пределах данного тела.

Полные внутренние напряжения в древесине состоят из — влажностных и остаточных напряжений.

Влажностные напряжения вызваны неоднородной усушкой материала, обусловленной в свою очередь неравномерным распределением в нем гигроскопической влаги. Влажностные напряжения исчезают при выравнивании влажности, когда каждый участок сортимента имеет возможность принять объем, соответствующий его влажности.

Остаточные напряжения обусловлены появлением в древесине неоднородных остаточных деформаций. В отличие от влажностных они не исчезают при выравнивании влажности в доске и наблюдаются как во время сушки, так и после ее полного завершения.

 

Знаки влажностных и остаточных напряжений противоположны и результирующие полные напряжения представляют собой алгебраическую сумму.

 

В первом периоде сушки влажностные напряжения больше остаточных, и полные напряжения, имея знак большей составляющей, проявляются как растягивающие у поверхности сортимента и как сжимающие — внутри.

Во втором периоде остаточные напряжения превышают влажностные и результирующие напряжения меняют знак.

 

Если растягивающие напряжения достигнут предела прочности древесины на растяжение поперек волокон, появляются трещины. Так образуются поверхностные трещины в начале сушки (рисунок 7) и внутренние трещины (свищи) в конце сушки. Эти трещины (наружные и внутренние) обычно имеют радиальное направление, так как разрыв тканей происходит вдоль сердцевинных лучей вследствие сравнительно слабой связи между древесными волокнами и сердцевинными лучами.

 

 

Рисунок 7 - Поверхностные и внутренние трещины при сушке.

 

Внутренние напряжения, сохраняющиеся в высушенном материале (остаточные напряжения), могут быть причиной изменения заданной формы деталей при механической обработке древесины.

 

Коробление. Виды коробления

Коробление (рисунок 8) снижает качество пиломатериалов и деревянных изделий, усложняет обработку древесины и увеличивает объем отходов. Кроме того, такое дерево трудно красить, шлифовать и покрывать лаком.

Рисунок 8 – Виды короблений

Виды коробления:

Поперечное связано с разбуханием древесины в нескольких направлениях и обусловлена формой поперечного сечения пиломатериала. Она представляет изгиб изделия по ширине;

Продольное проявляется при распиловке бревна или бруса из-за содержания некоторых дефектов и пороков древесины, среди которых сучки, крен, наклон волокон и пр. Представляет изгиб изделия по длине в плоскости;

Винтовое представляет спиральную изогнутость по длине пиломатериала.

Чтобы уменьшить коробление, материалы сушат в зажатом состоянии при режимах, которые не вызывают большие внутренние напряжения. В завершении делают влаготепло-обработку. Это снимает остаточное напряжение в процессе сушки. Отметим, что при эксплуатации древесины во время и после сушки или при увлажнении степень покоробленности может измениться.

Чтобы избежать такого дефекта, важно отбирать качественную и прочную древесину с плотной структурой. Хранят пиломатериалы в чистом, сухом и хорошо проветриваемом помещении.

Разбухание древесины

При увлажнении древесины в результате увеличения содержания связанной влаги увеличиваются размеры (объема) анатомических элементов и древесины в целом — разбухание. Мерой разбухания является влажностная деформация, отнесенная к размеру (объему) образца в абсолютно сухом состоянии:

где P_w — разбухание образца при достижении данной влажности W, %; aw— размер (объем) образца при данной влажности W, мм (мм³); а_о — размер (объем) образца в абсолютно сухом состоянии (W=0%), мм (мм³);

Разбухание представляет собой явление, обратное усушке.

Полное разбухание Р наступает при увлажнении древесины от абсолютно сухого состояния до предела гигроскопичности. Дальнейшее увеличение влажности древесины вследствие повышения содержания свободной влаги разбуханием не сопровождается. Объем разбухшей древесины получается несколько меньше суммы объемов древесины до разбухания и поглощаемой ею воды. Это уменьшение объема системы (древесина — вода) называется контракцией и объясняется сжатием (уплотнением) воды, происходящим под большим давлением. Вода в оболочке клеток находится под давлением 3000—4000 ат и имеет поэтому повышенную плотность.

Пропитка древесины веществами, уменьшающими ее влагопоглощение, вызывает также снижение разбухания. Пропитка древесины березы хлористым алюминием снижает влагопоглощение и разбухание вдвое, пропитка же искусственной смолой снижает влагопоглощение в 3 раза, а тангенциальное разбухание — в 5 раз.

Разбухание — отрицательное свойство древесины, но в некоторых случаях оно играет положительную роль, обеспечивая плотность соединений в бочарной таре под жидкие товары, деревянных трубах, судах и т. д.

Водопоглощение

Вследствие пористого строения при непосредственном контакте с капельножидкой влагой древесина способна увеличивать свою влажность. Это свойство древесины называется водопоглощением. Максимальная влажность, которой достигает погруженная в воду древесина, складывается из предельного количества связанной влаги (предел гигроскопичности) и наибольшего количества свободной влаги. Вполне очевидно, что это количество свободной влаги зависит от объема полостей в древесине поэтому чем больше плотность древесины, тем меньше ее влажность, характеризующая максимальное водопоглощение. Максимальная влажность может быть подсчитана по формуле:

где ро — плотность в абсолютно сухом состоянии; 1,54 — относительная плотность древесинного вещества; 30 — влажность при пределе гигроскопичности, %. Формула эта приближенная, так как влажность Wmах и относительная плотность древесинного вещества взяты средние.

Влажность древесины

Влажность - соотношение массы влаги (воды), находящейся в данном объёме древесины, к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах (%). В древесине вода пропитывает клеточные оболочки и заполняет полости клеток и межклеточные пространства.

Влага, пропитывающая клеточные оболочки, называется связанной.

Влага, заполняющая полости клеток и межклеточные пространства, называется свободной.

 

Степени влажности древесины

Различают следующие степени влажности древесины:

Мокрая - длительное время находящаяся в воде. Влажность мокрой древесины выше 100 %.

Свежесрубленная (свежепил) - влажность такой древесины от 50 до 100 %.

Воздушно-сухая - к этой категории относится древесина долгое время хранившаяся на воздухе. Её показатели влажности зависят от влажности окружающего воздуха, но в среднем находятся в пределах от 20 до 35 %.

Базовая (влажность 15 - 20 %) в зависимости от климатических условий и времени года, такая древесина показывает содержание влаги от 15 до 20 %.

Комнатно-сухая влажность 8 - 12 %

Абсолютно сухая влажность менее 4%, древесина высушена при температуре t = 103°C.

Находясь в воде, древесина достигает состояния насыщения через довольно большой промежуток времени; распределение влаги при этом вначале резко неравномерно, и выравнивание влажности также занимает продолжительное время.

Водопоглощение зависит от:

- породы,

- начальной влажности,

- температуры,

- формы и размеров образца.

Так, водопоглощение ядровой древесины меньше, чем заболонной.

Форма образца имеет существенное значение для скорости поглощения: поглощение воды происходит главным образом через торцовые поверхности, поэтому образцы с большой торцовой поверхностью поглощают воду значительно быстрее. Для определения водопоглощения используются такие же образцы, как и для определения влагопоглощения (размером 30х30х10 мм). Определение водопоглощения можно совместить с нахождением показателей разбухания, так как процедура эксперимента в основном одна и та же.

Высушенные до абсолютно сухого состояния образцы погружают в сосуд с водой и во время выдерживания периодически взвешивают через все возрастающие промежутки времени (2 ч — 1, 2, 4, 7, 12, 20 суток и далее через каждые 10 суток). По результатам периодических взвешиваний и известной массе образцов в абсолютно сухом состоянии определяют текущую влажность в процессе водопоглощения. Обычно эксперимент заканчивают после 30 суток выдерживания.

Водопоглощение древесины имеет существенное значение при сплаве, при пропитке антисептиками и антипиренами, при варке древесины для получения целлюлозы и т.д.