Усушка и разбухание древесины: причины, расчёт и практические рекомендации

Справочное руководство для специалистов лесопромышленного комплекса

Усушка и разбухание — два взаимосвязанных процесса, которые определяют стабильность размеров и формы древесины на всех этапах переработки: от сушки на лесопилке до эксплуатации готовых изделий. Неконтролируемая усушка приводит к короблению, растрескиванию и появлению внутренних напряжений, которые могут обесценить целую партию пиломатериалов.

Для специалистов деревообрабатывающей отрасли понимание механизмов усушки и разбухания необходимо для назначения обоснованных режимов сушки, расчёта припусков на механическую обработку, прогнозирования поведения изделий при изменении влажностных условий эксплуатации и минимизации брака.

1. Механизм усушки и разбухания

Усушка — уменьшение линейных размеров и объёма древесины при удалении связанной (гигроскопической) влаги из клеточных оболочек. Определение: процесс сокращения размеров материала, вызванный испарением воды, адсорбционно связанной с микрофибриллами целлюлозы в стенках клеток.

Разбухание — обратный процесс увеличения линейных размеров и объёма древесины при поглощении связанной влаги клеточными оболочками. Определение: увеличение размеров материала вследствие адсорбции молекул воды клеточными стенками.

Принципиально важно: усушка и разбухание происходят только при изменении содержания связанной влаги, то есть в диапазоне влажности от 0% до предела гигроскопичности (~30% при 20°C). Удаление или поглощение свободной влаги (выше 30%) не влияет на размеры древесины.

Механизм процесса: молекулы воды, проникая в клеточные оболочки, раздвигают микрофибриллы целлюлозы, увеличивая толщину стенок клеток. При высыхании молекулы воды покидают оболочки, микрофибриллы сближаются, стенки утоньшаются — происходит усушка. Поскольку микрофибриллы ориентированы преимущественно вдоль оси клеток, основное изменение размеров происходит поперёк волокон.

2. Анизотропия усушки

Древесина — анизотропный материал: её свойства различаются в зависимости от направления. Усушка проявляет ярко выраженную анизотропию, что является главной причиной коробления и растрескивания пиломатериалов при сушке.

Различают три основных направления усушки:

2.1. Тангенциальная усушка

Усушка вдоль годичных слоёв (по касательной к ним) — максимальная. Полная тангенциальная усушка (от предела гигроскопичности до абсолютно сухого состояния) составляет 6–10% в зависимости от породы. Коэффициент тангенциальной усушки Kт показывает изменение размера при снижении влажности на 1% и составляет 0,28–0,34% для большинства пород.

2.2. Радиальная усушка

Усушка поперёк годичных слоёв (по радиусу ствола) — средняя. Полная радиальная усушка составляет 3–5%. Коэффициент радиальной усушки Kр = 0,15–0,19%. Радиальная усушка примерно в 1,5–2 раза меньше тангенциальной.

2.3. Продольная усушка

Усушка вдоль волокон — минимальная: всего 0,1–0,3%. В большинстве практических расчётов ею пренебрегают. Однако при сушке длинномерных сортиментов (более 3 м) даже такая незначительная усушка может составить несколько миллиметров.

2.4. Объёмная усушка

Суммарное уменьшение объёма древесины при удалении всей связанной влаги составляет 12–15%. Коэффициент объёмной усушки Kо = 0,43–0,54% на 1% влажности.

Соотношение видов усушки:

Kт : Kр : Kпрод ≈ 2 : 1 : 0,02

Именно это соотношение (тангенциальная усушка вдвое больше радиальной) является фундаментальной причиной коробления пиломатериалов.

3. Коэффициенты усушки основных пород

Величина усушки зависит от породы древесины, что обусловлено различиями в плотности, анатомическом строении и химическом составе клеточных оболочек.

Где Kт — коэффициент тангенциальной усушки (% на 1% влажности), Kр — коэффициент радиальной усушки, Kоб — коэффициент объёмной усушки. Плотность указана при влажности 12%.

Закономерность: более плотные породы, как правило, имеют бо́льшую усушку. Лиственница (660 кг/м³) даёт объёмную усушку 0,52%, тогда как осина (495 кг/м³) — лишь 0,41%. Это объясняется большей долей клеточных стенок в единице объёма плотной древесины.

4. Расчёт усушки

Для расчёта величины усушки при изменении влажности от начальной W₁ до конечной W₂ (при условии, что обе величины ниже предела гигроскопичности) используется формула:

У = K × (W₁ – W₂)

где У — величина усушки (%), K — коэффициент усушки в соответствующем направлении, W₁ — начальная влажность (%), W₂ — конечная влажность (%).

Если начальная влажность выше предела гигроскопичности (W₁ > 30%), то в формулу подставляется значение Wп.г. = 30%:

У = K × (30 – W₂)

4.1. Пример расчёта

Задача: рассчитать тангенциальную усушку сосновой доски шириной 150 мм при высушивании от влажности 60% до 8%.

Решение: начальная влажность 60% > 30%, поэтому расчёт ведётся от предела гигроскопичности:

Ут = Kт × (30 – 8) = 0,28 × 22 = 6,16%

Уменьшение ширины: 150 × 6,16 / 100 = 9,24 мм

Итого: доска шириной 150 мм после сушки до 8% станет шириной примерно 141 мм по тангенциальному направлению. Это почти сантиметр — величина, которую необходимо учитывать при расчёте припусков на обработку.

5. Коробление пиломатериалов

Коробление — изменение формы пиломатериалов при сушке, вызванное неравномерностью усушки. Определение: деформация сечения или продольной оси пиломатериала, возникающая вследствие различий в величине и скорости усушки по разным направлениям и зонам сечения.

Различают несколько видов коробления:

5.1. Поперечное коробление

Искривление поперечного сечения доски. Основная причина — разница между тангенциальной и радиальной усушкой (Kт ≈ 2×Kр). Характер деформации зависит от расположения доски в бревне:

• Тангенциальные доски (выпилены из средней части бревна, годичные слои параллельны пласти): коробятся «корытом» — края поднимаются вверх, так как наружная сторона (ближе к заболони) усыхает сильнее
• Радиальные доски (выпилены через центр, годичные слои перпендикулярны пласти): практически не коробятся, так как усушка по ширине и толщине более равномерна
• Доски промежуточного распила: коробятся с различной интенсивностью в зависимости от угла наклона годичных слоёв

5.2. Продольное коробление

Искривление доски по длине. Различают:

• Продольное по пласти («лук») — доска изгибается в плоскости пласти. Причина — наличие крена, свилеватости или неравномерное распределение влаги по длине
• Продольное по кромке («сабля») — доска изгибается в плоскости кромки. Причина — наличие обзола, разная плотность по ширине доски

5.3. Крыловатость

Скручивание доски по длине — наиболее серьёзный вид коробления, при котором углы доски находятся в разных плоскостях. Причина — спиральное расположение волокон в стволе дерева (тангенциальный наклон волокон). Особенно выражена у ели и сосны с ярусным расположением сучков.

6. Внутренние напряжения при сушке

При камерной сушке поверхностные слои древесины высыхают быстрее внутренних. Когда влажность поверхности опускается ниже предела гигроскопичности, наружные слои стремятся к усушке, но сдерживаются влажным ядром. В результате возникают внутренние напряжения:

• Растягивающие напряжения в наружных слоях — поверхность стремится сжаться, но ядро не позволяет
• Сжимающие напряжения во внутренних слоях — ядро сдавливается усыхающей поверхностью

По мере продвижения сушки картина напряжений может инвертироваться: когда ядро начинает высыхать, наружные слои уже приняли свою форму и теперь сдерживают усушку внутренних. Это явление называется остаточными напряжениями и может сохраняться в высушенной древесине, если не проведена влаготеплообработка.

6.1. Последствия внутренних напряжений

• Наружные трещины — образуются на начальном этапе сушки, когда растягивающие напряжения на поверхности превышают прочность древесины на растяжение поперёк волокон (5–8 МПа)
• Внутренние трещины (свищи) — образуются на поздних стадиях сушки при инверсии напряжений, когда внутренние слои разрываются. Наиболее опасный дефект, так как не виден снаружи
• Торцевые трещины — образуются из-за более интенсивного высыхания торцов (скорость сушки вдоль волокон в 10–15 раз выше, чем поперёк)

Практическое значение: для предотвращения трещин и снижения напряжений в технологии камерной сушки применяются промежуточная и конечная влаготеплообработки — кратковременное повышение влажности и температуры агента сушки, выравнивающее перепад влажности по сечению.

7. Практические рекомендации

7.1. Расчёт припусков на усушку

При раскрое сырых пиломатериалов на заготовки необходимо закладывать припуски, компенсирующие усушку. Размер припуска зависит от направления, породы и разницы между начальной и конечной влажностью.

Ориентировочные припуски на усушку для сосны (от сырого до 8%):

7.2. Выбор способа распила

Направление распила существенно влияет на стабильность размеров:

• Радиальный распил (годичные слои перпендикулярны пласти) — минимальная усушка по ширине, минимальное коробление. Рекомендуется для ответственных столярных изделий, паркета, мебельных щитов. Недостаток: более низкий полезный выход (55–60% против 65–70% при тангенциальном)
• Тангенциальный распил (годичные слои параллельны пласти) — максимальная усушка по ширине, склонность к короблению «корытом». Более экономичен по выходу. Применяется для строительных пиломатериалов, где допуски шире
• Полурадиальный распил (годичные слои под углом 30–60°) — промежуточные характеристики. Часто получается при ленточнопильном распиле

7.3. Правила укладки штабелей

Правильная укладка штабеля — важнейшее условие минимизации коробления:

• Прокладки должны располагаться строго друг над другом через 600–700 мм по длине штабеля
• Толщина прокладок: 25 мм для хвойных пиломатериалов, 30–35 мм для лиственных
• Материал прокладок: сухая древесина той же породы или более твёрдой, без пороков
• Крайние прокладки устанавливаются заподлицо с торцами пакета
• Штабель пригружается сверху для предотвращения коробления (удельная нагрузка 500–1000 кг/м²)

7.4. Защита торцов

Скорость испарения влаги через торцы древесины в 10–15 раз выше, чем через боковые поверхности. Это приводит к образованию торцевых трещин и неравномерности влажности по длине сортимента.

Меры защиты:

• Замазка торцов влагозащитными составами (парафин, специальные мастики, клей ПВА) сразу после раскроя
• Применение торцовочных прокладок при укладке в штабель
• Снижение скорости циркуляции агента сушки на начальном этапе

8. Разбухание в процессе эксплуатации

Разбухание представляет практическую проблему при эксплуатации высушенных изделий в условиях повышенной влажности. Древесина, высушенная до 8–10%, при эксплуатации на открытом воздухе может набирать влагу до равновесных 15–18%, что приводит к увеличению размеров.

Пример: паркетная доска из дуба (Kр = 0,19%) шириной 100 мм, высушенная до 8% и уложенная в помещении с влажностью воздуха 80% (равновесная влажность ≈ 16%):

Разбухание = 0,19 × (16 – 8) = 1,52%

Увеличение ширины: 100 × 1,52 / 100 = 1,52 мм

При укладке 20 досок суммарное расширение составит более 30 мм. Именно поэтому при монтаже паркета и половых покрытий оставляют компенсационные зазоры по периметру помещения (10–15 мм).

Для минимизации разбухания в эксплуатации применяются: защитные покрытия (лаки, масла, воск), термомодификация древесины (снижает гигроскопичность на 40–50%), пропитка стабилизирующими составами.

Заключение

Усушка и разбухание — неизбежные свойства древесины как гигроскопического материала. Грамотное управление этими процессами позволяет:

• Рассчитывать припуски на механическую обработку с учётом породы, направления и конечной влажности
• Выбирать оптимальный способ распила для конкретного назначения изделий
• Назначать режимы сушки, минимизирующие внутренние напряжения и коробление
• Правильно формировать штабели для равномерной сушки без дефектов
• Проектировать изделия с учётом размерных изменений при эксплуатации

Ключевое правило для производственной практики: все размерные расчёты должны выполняться с учётом конечной влажности изделия и условий его эксплуатации. Номинальные размеры пиломатериалов указываются при влажности 20%, а для столярных изделий — при 8–10%. Пренебрежение анизотропией усушки является одной из главных причин рекламаций в деревообрабатывающей отрасли.