Влажность древесины: виды влаги, методы измерения и предел гигроскопичности
Справочное руководство для специалистов лесопромышленного комплекса
Влажность — ключевой параметр, определяющий технологические, физические и эксплуатационные характеристики древесины. От содержания влаги зависят плотность, прочность, теплопроводность, обрабатываемость и долговечность материала. Для специалистов лесопромышленного комплекса точное понимание процессов увлажнения и высыхания древесины является основой грамотного выбора режимов сушки, условий хранения и параметров переработки.
В настоящей статье рассмотрены виды влаги в древесине, механизмы её взаимодействия с клеточной структурой, методы определения влажности, а также понятие предела гигроскопичности и равновесной влажности — параметров, критически важных для управления качеством продукции.
1. Понятие влажности древесины
Абсолютная влажность древесины (W) — отношение массы влаги, содержащейся в данном объёме древесины, к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах. Определение: количественная характеристика содержания воды в материале, отнесённая к массе его сухого вещества.
Формула расчёта:
W = [(m₁ – m₀) / m₀] × 100%
где m₁ — масса влажного образца (г), m₀ — масса абсолютно сухого образца (г).
Абсолютная влажность может превышать 100%. Например, свежесрубленная заболонь ели может содержать влаги больше, чем масса самой древесины, достигая значений 200–250%. Это объясняется высокой пористостью заболонной древесины хвойных пород.
Относительная влажность — отношение массы влаги к массе влажной древесины:
Wотн = [(m₁ – m₀) / m₁] × 100%
Относительная влажность всегда меньше 100% и используется реже, преимущественно при расчётах массы транспортируемых партий пиломатериалов.
2. Виды влаги в древесине
Вода в древесине присутствует в двух принципиально различных формах, каждая из которых по-разному влияет на свойства материала.
2.1. Свободная (капиллярная) влага
Свободная влага — вода, заполняющая полости клеток (люмены) и межклеточные пространства. Определение: влага, удерживаемая в древесине силами капиллярного давления, не связанная с клеточными оболочками на молекулярном уровне.
Характеристики свободной влаги:
- Удаляется относительно легко при сушке, так как удерживается слабыми капиллярными силами
- Её удаление не влияет на геометрические размеры древесины
- Изменение количества свободной влаги влияет только на массу и теплофизические свойства
- Содержится преимущественно в заболони свежесрубленной древесины, где крупные полости клеток заполнены водой
2.2. Связанная (гигроскопическая) влага
Связанная влага — вода, пропитывающая клеточные оболочки (стенки клеток). Определение: влага, удерживаемая в структуре клеточных стенок за счёт адсорбционных и осмотических сил, непосредственно взаимодействующая с молекулами целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина.
Характеристики связанной влаги:
- Удаляется значительно труднее, чем свободная, требует больших энергозатрат
- Её удаление приводит к усушке — уменьшению линейных размеров и объёма древесины
- Обратное поглощение связанной влаги вызывает разбухание
- Изменение содержания связанной влаги напрямую влияет на прочность, твёрдость и модуль упругости древесины
Именно связанная влага является ключевым объектом контроля при камерной сушке: её неравномерное удаление приводит к возникновению внутренних напряжений, короблению и растрескиванию пиломатериалов.
3. Предел гигроскопичности
Предел гигроскопичности (Wп.г.) — состояние древесины, при котором клеточные оболочки полностью насыщены связанной влагой, а свободная влага в полостях клеток отсутствует. Определение: максимальное количество связанной влаги, которое клеточные стенки способны удерживать при данной температуре.
Для большинства пород предел гигроскопичности при комнатной температуре (20°C) составляет приблизительно 30%. Эта величина является критической точкой, разделяющей два принципиально различных состояния древесины:
- Выше 30% (W > Wп.г.): изменение влажности затрагивает только свободную влагу. Размеры, прочность и другие механические свойства остаются практически неизменными
- Ниже 30% (W < Wп.г.): начинается удаление связанной влаги. Происходит усушка, возрастает прочность, изменяются теплофизические свойства. Именно в этом диапазоне критически важен контроль параметров сушки
Предел гигроскопичности зависит от температуры: с повышением температуры он снижается. При 60°C предел гигроскопичности составляет около 23%, при 100°C — около 19%. Этот факт используется в технологии камерной сушки: повышение температуры агента сушки позволяет интенсифицировать удаление связанной влаги.
4. Равновесная влажность
Равновесная влажность (Wр) — влажность, при которой древесина находится в состоянии гигроскопического равновесия с окружающим воздухом: процессы сорбции и десорбции влаги уравновешены. Определение: влажность древесины, устанавливающаяся при длительном пребывании в воздухе с постоянной температурой и относительной влажностью.
Равновесная влажность определяется двумя параметрами окружающей среды: температурой и относительной влажностью воздуха.
Примеры равновесной влажности древесины при различных условиях:
| Условия эксплуатации | Параметры воздуха | Равновесная влажность, % |
|---|---|---|
| Отапливаемое помещение зимой | t = 20°C, φ = 30–40% | 6–8 |
| Отапливаемое помещение летом | t = 22°C, φ = 50–60% | 9–11 |
| Открытая атмосфера (средняя полоса) | t = 15°C, φ = 70–80% | 13–18 |
| Навес (воздушно-сухое состояние) | Средние за год условия | 15–20 |
Практическое значение: конечная влажность пиломатериалов после сушки должна соответствовать равновесной влажности в условиях эксплуатации. Для столярных изделий и мебели это 8–10%, для строительных конструкций — 12–15%, для наружных элементов — 15–18%.
5. Классификация древесины по степени влажности
В производственной практике древесину классифицируют по содержанию влаги на несколько групп:
| Степень влажности | Влажность, % | Характеристика и область применения |
|---|---|---|
| Мокрая | > 100 | Древесина после длительного нахождения в воде. Сплавная древесина, подводные сооружения |
| Свежесрубленная | 50–100 | Только что заготовленная. Заболонь хвойных: 150–200%, ядро: 30–40% |
| Воздушно-сухая | 15–20 | После длительного хранения на открытом воздухе. Строительные конструкции, тара |
| Комнатно-сухая | 8–12 | После камерной сушки. Мебельное, столярное производство, паркет |
| Абсолютно сухая | ≈ 0 | После сушки при 103±2°C до постоянной массы. Лабораторный эталон |
6. Влажность свежесрубленной древесины
Влажность свежесрубленной древесины существенно различается в зависимости от породы, части ствола и времени года заготовки.
| Порода | Заболонь, % | Ядро, % | Средняя, % |
|---|---|---|---|
| Сосна | 100–120 | 30–40 | 60–80 |
| Ель | 150–200 | 35–50 | 60–90 |
| Лиственница | 100–120 | 30–40 | 50–70 |
| Берёза | 70–90 | — | 70–90 |
| Дуб | 60–80 | 50–70 | 55–75 |
Различие влажности заболони и ядра у хвойных пород (разница в 3–5 раз) является важным фактором при назначении режимов сушки.
7. Методы определения влажности
Точное определение влажности — обязательное условие контроля качества сушки.
7.1. Весовой метод (метод высушивания)
Эталонный метод, обеспечивающий максимальную точность (±1%). Образец высушивают в сушильном шкафу при 103±2°C до постоянной массы. Достоинства: высокая точность. Недостатки: длительность (6–10 часов), разрушение образца.
7.2. Электрический метод (электровлагомеры)
Кондуктометрические влагомеры (игольчатые) — два электрода-иглы вводятся в древесину на глубину 5–8 мм. Точность: ±1,0–1,5% при влажности до 30%.
Ёмкостные (бесконтактные) влагомеры — работают без повреждения поверхности. Глубина измерения: 20–30 мм. Менее точны, но удобны для экспресс-контроля.
Сравнение методов:
| Параметр | Весовой | Игольчатый | Ёмкостной |
|---|---|---|---|
| Точность | ±1% | ±1,0–1,5% | ±2–3% |
| Диапазон | 0–200%+ | 7–30% | 4–60% |
| Время | 6–10 ч | 1–2 мин | 5–10 сек |
| Разрушение | Да | Минимальное | Нет |
| Применение | Лаборатория, арбитраж | Контроль сушки, приёмка | Экспресс-контроль |
8. Влияние влажности на свойства древесины
8.1. Плотность
Плотность древесинного вещества постоянна (1540 кг/м³), но фактическая плотность зависит от влажности: каждый процент в диапазоне 0–30% увеличивает плотность на ~0,5%.
8.2. Прочность и твёрдость
При увеличении влажности от 0% до 30% прочность снижается в 2–2,5 раза. Твёрдость снижается на ~1% на каждый процент влажности.
8.3. Усушка и разбухание
- Тангенциальная усушка: 6–10% — максимальная
- Радиальная усушка: 3–5% — средняя
- Продольная усушка: 0,1–0,3% — минимальная
- Объёмная усушка: 12–15%
Коэффициент анизотропии ≈ 2:1 — главная причина коробления пиломатериалов.
8.4. Теплопроводность
С увеличением влажности теплопроводность возрастает: влажная древесина хуже изолирует и быстрее передаёт тепло.
9. Водопоглощение древесины
Водопоглощение — способность древесины поглощать воду при контакте с ней. Максимальная влажность при водонасыщении: для мягких пород (сосна, ель) 180–220%, для твёрдых (дуб, бук) 80–120%, для средней плотности (берёза) 120–150%.
Заключение
Влажность является фундаментальным параметром, определяющим поведение древесины на всех этапах — от заготовки до эксплуатации. Конечная влажность пиломатериалов должна соответствовать условиям эксплуатации: 8–10% для мебели и столярных изделий, 12–15% для строительных конструкций.
