2.2. Усушка и разбухание древесины

2.2. Усушка и разбухание древесины

В условиях переменной температуры и влажности древесина изменяет свои размеры. Температурные деформации у нее сравнительно невелики. В значительно большей степени древесина изменяет свои размеры при колебаниях влажности. Уменьшение линейных размеров и объема древесины, происходящее при снижении влажности, называется усушкой. Обратный процесс увеличения размеров и объема при увлажнении древесины получил название разбухание. Следует отметить, что усушка и разбухание имеют место только в том случае, когда в древесине происходит изменение содержания связанной воды. Наличие или отсутствие свободной воды на размерах древесины не сказывается. Усушка и разбухание – процессы обратимые. При повышении или понижении влажности в диапазоне от 0 до Wпн изменения размеров древесины одинаковы. Поэтому в дальнейшем мы будем вести речь только об усушке, имея в виду, что то же самое можно сказать и о разбухании.

Величина усушки рассчитывается как отношение изменения линейного размера или объема образца к размеру или объему этого образца в сыром состоянии, взятое в процентах. В первом случае усушка называется линейной УL, во втором – объемной УV:

	, %;	(2.8)
	, %,	(2.9)

где lc и lW – линейный размер образца в сыром состоянии и при влажности W, м; Vc, VW – объем образца в сыром состоянии и при влажности W, м3.

Из формул (2.8) и (2.9) легко могут быть получены выражения для расчета размеров образца при известной величине усушки. Для линейных размеров они будут иметь вид

	, м;	(2.10)
	, м.	(2.11)

Величина усушки зависит от трех основных факторов: 1) структурного направления измеряемого линейного размера; 2) величины и диапазона изменения влажности; 3) породы древесины.

Влияние на усушку структурного направления линейного размера обусловлено анизотропными свойствами древесины. Наибольшая линейная усушка наблюдается в тангенциальном направлении. В радиальном направлении она в 1,5–2,0 раза меньше. В направлении вдоль волокон усушка незначительна и обычно в расчетах не учи-тывается.

Влияние на усушку влажности древесины в диапазоне от предела насыщения клеточных стенок до нуля носит приблизительно линейный характер и описывается уравнением

, %,

(2.12)

где Уmax – максимальная или полная усушка, имеющая место при снижении влажности от предела насыщения клеточных стенок до нуля, %; Wпн – влажность предела насыщения клеточных стенок, %; W – влажность древесины, %; ky – коэффициент усушки, характеризующий ее величину при изменении влажности на 1%.

Если начальная влажность древесины меньше предела насыщения клеточных стенок, то формула для расчета усушки принимает несколько другой вид:

, %,

(2.13)

где Wн – начальная влажность древесины, %.

Различные породы древесины имеют неодинаковую способность изменять свои размеры и объем с изменением влажности, т. е. у них различный коэффициент усушки. Для большинства пород коэффициент усушки является функцией параметра, который называется базисной плотностью. Базисная плотность – это отношение массы сухого древесинного вещества к объему, занимаемому сырой древесиной. Значения базисной плотности наиболее применяемых в нашей стране древесных пород приведены в табл. 4 приложения.

Максимальная усушка объемная Уmax v, а также линейная в тангенциальном Уmax т и радиальном Уmax р направлениях связана с базисной плотностью следующими выражениями:

	, %;	(2.14)
	, %;	(2.15)
	, %,	(2.16)

где rБ – базисная плотность древесины, кг/м3.

Приведенные уравнения справедливы для большинства древесных пород. Однако в некоторых случаях они дают погрешность. Для более точных расчетов лучше пользоваться экспериментально определенными значениями коэффициента усушки. Они приведены в табл. 4 приложения.

Для решения ряда практических и теоретических задач необходимо знать плотность древесины определенной влажности. При влажности древесины меньше предела насыщения клеточных стенок она может быть рассчитана по формуле

, кг/м3,

(2.17)

где kv – коэффициент объемной усушки древесины.

При влажности древесины больше предела насыщения клеточных стенок расчетная формула имеет другой вид:

, кг/м3.

(2.18)

Уравнения (2.17) и (2.18) были использованы для построения диаграммы плотности древесины, которая приведена на рис. 2.2. С ее помощью, зная базисную плотность древесины, можно определить ее плотность при любой влажности.

Рис. 2.2. Диаграмма плотности древесины

Примеры

Пример № 37. Рассчитать плотность древесины бука при влажности W1 = 15%; W2 = 90%.

Решение. Для определения плотности при влажности древесины W1 < Wпн пользуемся формулой (2.17). Базисную плотность и коэффициент объемной усушки древесины бука находим по табл. 4 приложения: rБ = 530 кг/м3; kv = 0,47.

кг/м3.

Плотность древесины при влажности W2 > Wпн рассчитываем по формуле (2.18):

кг/м3.

Ответ: r1 = 655,7 кг/м3; r2 = 1007,0 кг/м3.

Пример № 38. В камеру УЛ-1 загружают Е = 18 м3 кедровых пиломатериалов влажностью W1 = 80%, где они высушиваются до влажности W2 = 20%. Определить массу пиломатериалов до и после сушки.

Решение. По табл. 4 приложения находим базисную плотность кедровой древесины rБ = 350 кг/м3.

По диаграмме плотности древесины (рис. 2.2) определяем плотность древесины кедра при влажности W1 = 80% и W2 = 20%: r1 = 630 кг/м3; r2 = 440 кг/м3.

Рассчитываем массу древесины до и после сушки:

	М1 = r1×Е = 630×18 = 11340, кг = 11,34 т;
	М2 = 440×18 = 7920, кг = 7,92 т.

Ответ: М1 = 11,34 т, М2 = 7,92 т.

Пример № 39. Дубовая обрезная доска радиальной распиловки при начальной влажности Wн = 50% имеет поперечное сечение Sc´bc =
= 40´200 мм. Определить толщину и ширину этой же доски, высушенной до влажности W = 8%.

Решение. По табл. 4 приложения для древесины дуба определяем коэффициент усушки в радиальном и тангенциальном направлениях kp = 0,18; kт = 0,27.

Используя формулу (2.12), для обоих структурных направлений рассчитываем величину усушки, которая произойдет при изменении влажности доски от Wпн = 30% до W = 8%. Изменение влажности в диапазоне 50–30% не вызывает усушку древесины.

	Ур = 0,18×(30 – 8) = 3,96%;
	Ут = 0,27×(30 – 8) = 5,94%.

По формуле (2.10) определяем размеры высушенной доски. При этом учитываем, что по толщине усушка будет происходить в тангенциальном направлении, а по ширине – в радиальном:

	мм;
	мм.

Ответ: S = 37,62 мм; b = 192,08 мм.

Пример № 40. Доски из древесины вяза смешанной распиловки при влажности W = 15% должны иметь размеры поперечного сечения S´b = 32´150 мм. Какими должны быть размеры сырых досок?

Решение. В табл. 4 приложения сведений о величине коэффициентов усушки древесины вяза нет. Поэтому по этой же таблице находим базисную плотность древесины rБ = 520 кг/м3. По формулам (2.16) и (2.15) рассчитываем максимальную усушку в радиальном и тангенциальном направлениях:

	Уmax p = 1,46 + 0,0082×520 = 5,72%;
	Уmax т = 6,79 + 0,0043×520 = 9,03%.

Величину усушки в обоих структурных направлениях при высыхании древесины вяза от влажности Wпн = 30% до W = 15% рассчитываем по формуле (2.12):

	%;
	%.

Средняя усушка для досок смешанной распиловки составит

%.

Размеры сырых досок, обеспечивающие требуемое сечение после сушки определяем по формуле (2.11):

	мм;
	мм.

Ответ: Sc = 33,23 мм; bc = 155,75 мм.

Пример № 41. Кленовая доска радиальной распиловки высохла на складе атмосферной сушки до влажности Wн = 18%. При этом она имела размеры поперечного сечения Sн´bн = 50´200 мм. Какими станут ее размеры после длительного нахождения в помещении, в котором поддерживаются следующие параметры воздуха: t = 250C, j = 40%.

Решение. По диаграмме (рис. 2.1) находим равновесную влажность древесины, соответствующую параметрам воздуха в помещении, Wр = 7,75%. Поскольку Wр < W, то при нахождении доски в помещении будет происходить ее сушка, т. е. десорбция влаги. Для древесины, подвергнутой атмосферной сушке справедливы уравнения (2.6), одно из них мы используем для определения влажности древесины, которую она приобретет после выдержки в помещении:

W = Wуд = Wр + 0,5×DW = 7,75 + 0,5×2,5 = 9,0%.

По табл. 4 приложения находим коэффициенты усушки в радиальном и тангенциальном направлениях kp = 0,19; kт = 0,29. Величину усушки в обоих структурных направлениях рассчитываем по фор-муле (2.13):

	Ур = 0,19×(18 – 9) = 1,71%;
	Ут = 0,29×(18 – 9) = 2,61%.

Используя формулу (2.10), определяем искомые размеры кленовой доски с учетом того, что по толщине она усыхает в тангенциальном направлении, а по ширине – в радиальном:

	мм;
	мм.

Ответ: S = 48,70 мм; b = 196,58 мм.