Физика и определение влажности пиломатериалов. Сушка древесины.

Пиломатериалы в частности, и древесина в целом, по своей структуре относятся к гигроскопическим изделиям, способным изменять свою влажность в зависимости от состояния окружающей среды. Сырые пиломатериалы в сухом воздухе выделяет влагу, а во влажном воздухе, наоборот, - поглощают. Вещества, из которых состоят стенки клеток древесины, относятся к категории ограниченно набухающих коллоидных веществ, поэтому содержание в древесине связанной влаги не может превосходить определенной максимальной величины. Максимальная влажность, которую приобретают собственно клеточные стенки, соприкасаясь с жидкой (свободной) влагой, называется их пределом насыщения. Предел насыщения клеточных стенок практически не зависит от температуры и породы древесины. Он приблизительно равен 30%.

Если общая влажность древесины выше предела насыщения это значит, что в ней кроме связанной содержится еще и свободная влага. Максимальное содержание свободной влаги зависит от соотношения объемов, занимаемых в древесине собственно древесиной (стенками клеток, и макрокапиллярами) и колеблется для разных пород от 50—60 до 200—250% по отношению к массе сухого вещества.

Древесина, находящаяся в воздухе стабильного состояния, стремится к определенной влажности, которую называют устойчивой. Т.е., если влажность древесины значительно ниже влажности воздуха, то древесина будет «набирать» влагу, и, наоборот - отдавать. Как видим, влажность древесины зависит главным образом от состояния окружающего воздуха. Она существенно увеличивается при повышении степени насыщения воздуха и несколько уменьшается при повышении температуры. Дерево, как бы «дышит».

Приобретение устойчивой влажности может происходить в, процессе увлажнения древесины, когда наблюдается поглощение (сорбция) ею влаги из воздуха и в процессе высыхания когда наблюдается выделение (десорбция) древесиной влаги в воздух. При одинаковых условиях, т. е. для одного и того же образца в воздухе одинакового состояния, устойчивая влажность при сорбции несколько меньше чем при десорбции.

При десорбции (испарении) влаги из древесины стенки клеток теряют вначале всю свободную влагу, а затем часть связанной. Количество, теряемой влаги зависит, очевидно от температуры и влажности окружающего воздуха. При сорбции же влаги из воздуха ее поглощают только стенки клеток. Конденсация влаги в полостях клеток при выдержке древесины в воздухе невозможна, даже если воздух насыщен влагой.

Максимальная устойчивая влажность древесины при сорбции (т. е. влажность, к которой стремится сухая древесина при длительной ее выдержке в насыщенном влагой воздухе или насыщенном водяном паре) называется пределом гигроскопичности.

Предел гигроскопичности это такое состояние древесины, при котором она поглотила вследствие сорбции максимально возможное количество связанной влаги, но не содержит свободной. Влажность древесины в этом состоянии при комнатной температуре составляет около 30%, т. е. равна пределу насыщения клеточных стенок. Однако, в отличие от предела насыщения, предел гигроскопичности уменьшается с повышением температуры. Например, при температуре 100° С он опускается до 19—20%.

Разность между устойчивой влажностью древесины при десорбции и сорбции называется показателем гистерезиса сорбции. Величина этого показателя определяется размерами образцов пиломатериалов. Для частиц измельченной древесины (тонкая стружка, опилки, древесные волокна) гистерезис сорбции очень мал и его практически не учитывают. При увеличении размеров образцов показатель гистерезиса увеличивается. Для образцов пиломатериалов толщиной более 15мм и длиной более 100мм он достигает стабильной величины, равной в среднем 2,5% влажности.

 

1.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ.

Для определения влажности древесины обычно используют электровлагомер. Действие прибора основано на изменении электропроводности древесины в зависимости от ее влажности. Иглы влагомера с вводят в дерево и пропускают через них электрический ток. При этом на шкале прибора отмечается влажность древесины в том месте, где введены иглы.

Первоначальную влажность пиломатериалов определяют по формуле:

W = (Mн - Mс) : Mс * 100%,

где W - первоначальная влажность, %;

Mн и Mс - начальная масса и масса в абсолютно сухом состоянии образца.

Также проверку текущей влажности в процессе сушки проводят методом взвешивания контрольных образцов длиной не менее 1000 мм, которые также выпиливают из досок, подлежащих сушке, на расстоянии 300 - 500 мм от торца. Образец взвешивают с точностью до 5г. Далее – сравнивают с сухим образцом такой же длины (См. формулу выше).

На практике различают древесину: комнатно-сухую (с влажностью 8-12%), воздушно-сухую искусственной сушки (12-18%), атмосферно- сухую древесину (18-23%) и влажную (влажность превышает 23%).

Древесину только что срубленного дерева или находившуюся долгое время в воде, называют мокрой, ее влажность может превышать 150% особенно в период интенсивного сокодвижения. Различают также эксплуатационную влажность, соответствующую равновесной влажности древесины в конкретных условиях.

Требования к влажности древесины в изделиях
 

Наименование изделий		Влажность, %
Двери:
коробки наружных и тамбурных дверей		12 ± 3
коробки внутренних дверей		9 ± 3
полотна дверей		9 ± 3
Окна:
коробки		12 ± 3
створки, форточки клапаны, жалюзи		9 ± 3
нащельники, раскладки		9 ± 3
Детали профильные:
доски и бруски пола, плинтус, подоконник		12 ± 3
внутренние наличники		12 ± 3
наличники и обшивка наружные		15 ± 3
поручни, обшивка наружные		15 ± 3
поручни, обшивка наружные		12 ± 3
Балки перекрытий деревянные:
из цельной древесины		до 25
из клееной древесины		12 ± 3
Стропильные системы крыш
из цельной древесины (на момент монтажа)		20-50

Влажность свежесрубленной древесины (имеющей влажность растущего дерева) зависит от породы и места взятия пробы по сечению ствола. У лиственных пород влажность по всему сечению ствола примерно одинакова. У хвойных пород влажность древесины в периферийной части ствола (заболони) больше влажности древесины в центральной части ствола (ядро).

Как, было сказано выше, влага в древесине может заполнять полости клеток, межклеточное пространство и пропитывать стенки клеток. Влага, заполняющая полости клеток и межклеточное пространство, называется свободной, а пропитывающая стенки клеток - связанной, или гигроскопической.
Свежесрубленная древесина имеет как свободную, так и связанную влагу. При высушивании древесины сначала удаляется свободная влага, а затем связанная.

Влажность свежесрубленной древесины

Таблица 2.

Порода древесины	Влажность, %
	Ядра или спелой древесины	Заболонной древесины	Средняя
Сосна	30-40	80-120	88
Ель	30-40	80-120	91
Осина	-	80-100	82
Береза (летом, осенью и зимой)	-	70-90	78

 

СУШКА ДРЕВЕСИНЫ.

Сушкой называется процесс удаления из древесины влаги испарением. Сушка пиломатериалов бывает естественной или искусственной. Сушка древесины может быть естественной и принудительной (в сушильных камерах).

ЕСТЕСТВЕННАЯ СУШКА

• Естественная сушка происходит под влиянием циркулирующего воздуха и способствующему выведению влаги из древесины.
• Естественная сушка пиломатериалов совмещается с хранением.
• Сушить древесину надо обязательно в тени, под навесом и на сквозняке.
• При сушке на солнце внешняя поверхность древесины быстро нагревается, а внутренняя остается сырой. Из-за разницы напряжений образуются трещины, дерево быстро коробится.
• Влажные пиломатериалы сушат сразу после распиловки. Это предупреждает появление грибка, червоточин и гнили.
• Материалы, уложенные в штабель, весной сохнут хуже, чем летом. Более интенсивно этот процесс происходит в июне. Время сушки хвойных пиломатериалов (сосна, ель, смерека), уложенных штабелем с прокладками, в естественных условиях до 18 - 22% влажности приведено в таблице ниже.

Месяц укладки пиломатериалов для сушки	Номер климатической зоны	Срок сушки в днях при толщине пиломатериалов, мм
		15-30	32-50	55-75
Март, апрель, май	Крым, Восточная и Южная Украина.	12-28	25-32	35-45
	Западная, Центральная и Северная Украина	26-30	34-36	43-51
Июнь, июль
	Западная, Центральная и Северная Украина	9-10	15-22	26-34
	Крым, Восточная и Южная Украина.	8-9	13-15	17-25
Август, сентябрь
	Западная, Центральная и Северная Украина	22-30	30-38	43-47
	Крым, Восточная и Южная Украина.	11-17	20-26	30-34
Октябрь	Крым, Восточная и Южная Украина.	12-28	25-32	34-45

 

• Пиломатериалы из ели сушатся быстрее, чем из сосны.
• Тонкомерные материалы сушатся быстрее толстомерных.
• Пиломатериалы хвойных пород толщиной 16 мм через 4 суток сушки теряют половину начальной влажности, затем интенсивность сушки резко падает.
• Пиломатериалы толщиной более 25 мм большую часть влаги испаряют после 20 - 30 суток сушки.

Укладка штабеля

• Укладка штабеля начинается с устройства основания, высотой вместе с лагами не менее 50 см.
• Верх основания должен быть горизонтальным. Опоры основания размещают с шагом 1,5 м, чтобы исключить прогиб пиломатериалов. Форма штабелей - квадрат или прямоугольник.
• Штабеля пиломатериалов ограждаются крышей, защищающей материал от атмосферных осадков, непосредственного воздействия солнечных лучей и пыли.
• Укладывают пиломатериалы на сухие прокладки из хвойных пород размером 25х40 мм.
• Крайние прокладки укладывают заподлицо с торцами досок, а остальные на расстоянии между ними не более 70 см.
• Для создания лучшей вентиляции штабеля все прокладки укладывают в строго вертикальном ряду по отвесу.
• Между укладываемыми в штабеля досками или брусками оставляют одинаковые по ширине промежутки (шпации), образующие по всей высоте штабеля вертикальные каналы.
• Ширину шпации в зависимости от климатических условий и сечения досок устанавливают для пиломатериалов толщиной до 45 мм от 1/2 до 3/4 ширины пиломатериала и для пиломатериалов толщиной свыше 45мм от 1/5 до 1/3 ширины пиломатериалов.
• Для равномерного просыхания пиломатериалов по высоте штабеля на расстоянии 1 и 2 м от нижнего ряда досок устраивают продухи высотой 150 мм.
• Доски укладывают внутренними пластями вверх для уменьшения их коробления.
• Для предупреждения растрескивания рекомендуется торцы досок тщательно закрасить масляной краской или несколько раз пропитать горячей олифой для защиты пор древесины.
• Обрабатывать торцы нужно сразу после поперечных перепилов в размер.Если дерево отличается повышенной влажностью, то торец просушивают паяльной лампой, а уже потом закрашивают.

КАМЕРНАЯ СУШКА ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

Камерная сушка - основной способ, при котором сушку пиломатериалов производят в сушильных камерах, имеющих нужное оборудование и приборы. В камерах регулируют температуру, влажность и степень циркуляции воздуха. Атмосферная сушка служит для предварительной подсушки пиломатериалов и, как правило, сочетается с камерой сушки древесины.
Пиломатериалы можно укладывать в штабеля штучным или пакетным способом. При формировании штабеля штучным способом между рядами досок укладывают сухие (влажностью не более 18%) калиброванные прокладки хвойных и лиственных пород сечением 25 х 40 мм и длиной равной ширине штабеля. Прокладки по высоте штабеля необходимо укладывать перпендикулярно доскам и строго вертикально одну над другой.
Штабель формируют из досок одной породы и толщины. Количество прокладок, укладываемых по длине штабеля, дано в таблице:

Длина штабеля, м	Количество прокладок, шт., при толщине высушиваемого пиломатериала, мм
	16	19	25	32	40	50 и более
4,5	10/13	8/11	7/9	5/7	5/5	4/4
6,5	14/16	12/13	10/12	8/9	7/7	6/6

Примечание: В числителе - количество прокладок для штабелей из хвойных пород, в знаменателе - из лиственных.

Способы укладки пиломатериалов в штабеля зависят от направления (циркуляции) агента сушки. Для сушильных камер с противоточной циркуляцией пиломатериалы укладывают с промежутками (шпациями), а для камер с поперечной реверсивной и противоточной прямолинейной циркуляцией - плотно.

Режимы сушки

Сушка пиломатериалов происходит при определенном температурном и влажностном режиме, под которым понимают закономерное чередование процессов температурного и влажностного воздействия на древесину в соответствии с ее влажностью и сроками сушки.
В процессе сушки в камере постепенно повышается (по ступеням) температура воздуха и понижается относительная влажность сушильного агента. Режимы сушки назначают с учетом породы древесины, толщины пиломатериалов, конечной влажности, категории качества высушиваемых материалов и конструкций (типа) камер.

Категории качества высушенной древесины

Категория качества	Назначение высушенной древесины
1-я высококачественная	Точное машино - и приборостроение, производство моделей, авиационных деталей, лыж, музыкальных инструментов и т.п.
2-я повышенного качества	Производство мебели и т.п.
3-я среднего качества	Производство окон и дверей, фрезерованных деталей - досок для покрытия полов, наличников, плинтусов
4-я рядовая	Производство деталей и изделий малоэтажных домов и комплектов деталей для домов со стенами из местных материалов, строительных конструкций и т.п.

Режимами сушки в зависимости от назначения пиломатериалов, предусматриваются два процесса - низкотемпературный и высокотемпературный. При низкотемпературных режимах в качестве сушильного агента на первой ступени сушки применяют влажный воздух с температурой менее 100°С.

В зависимости от требований, предъявляемых к пиломатериалам, режимы сушки делятся на:

• мягкие М, при мягких режимах получается бездефектная сушка с сохранением физико-механических свойств древесины и цвета;
• нормальные Н, при нормальных режимах получается бездефектная сушка с возможным небольшим изменением цвета у хвойной древесины, но с сохранением прочности;
• форсированные Ф, при форсированных режимах сушки получается древесина с сохранением прочности на изгиб, растяжение и сжатие, но со снижением прочности на скалывание и раскалывание на 15 - 20% и с возможным потемнением древесины.

По этим режимам предусмотрено трехступенчатое изменение параметров агента сушки, причем переход с каждой ступени режима на последующую можно производить лишь по достижении материалом определенной влажности, предусмотренной по режиму. Режимы высокотемпературного процесса сушки для камер периодического действия предусматривают двухступенчатое изменение параметров сушильного агента, причем переход с первой ступени на вторую производится при достижении древесиной влажности (переходной) 20%. Определяют высокотемпературный режим в зависимости от породы и толщины пиломатериалов.
Высокотемпературные режимы допускается применять для сушки древесины, идущей на изготовление ненесущих элементов строительных конструкций, в которых допускается снижение прочности и потемнение древесины.

Процесс сушки древесины

• До проведения процесса сушки по выбранному режиму древесину прогревают паром, подаваемым через увлажнительные трубы, при включенных обогревательным приборах, работающих вентиляторах и закрытых приторно-вытяжных каналах.
• В начале прогрева температура агента сушки должна быть на 5°С выше первой ступени режима, но не более 100°С.
• Степень насыщенности среды должна быть для древесины с начальной влажностью более 25% в пределах 0,98 - 1, а для древесины с влажностью менее 25% - 0,9 - 0,92.
• Продолжительность начального прогрева древесины зависит от породы древесины и для пиломатериалов хвойных пород (сосны, ели, пихты и кедра) при температуре наружного воздуха более 0°С составляет 1 - 1,5 ч при температуре менее 0°С - 1,5 - 2 ч на каждый сантиметр толщины.
• Продолжительность прогрева пиломатериалов мягких лиственных пород (осины, березы, липы, тополя и ольхи) увеличивается на 25%, а для пиломатериалов твердых лиственных пород (клена, дуба, ясеня, граба, бука) увеличивается на 50% по сравнению с продолжительностью прогрева древесины хвойных пород .
• После прогрева параметры агента сушки доводят до первой ступени режима и затем приступают к сушке пиломатериалов, соблюдая установленный режим.
• Температуру и влажность воздуха регулируют вентилями на паропроводах и шиберами приторно-вытяжных каналов.
• В процессе сушки в древесине возникают остаточные внутренние напряжения, для их устранения проводят промежуточную и конечную влаготеплообработку в среде повышенной температуры и влажности. При этом обработке подвергаются пиломатериалы, высушиваемые до эксплуатационной влажности и подлежащие в дальнейшем механической обработке.
• Промежуточная влаготеплообработка производится при переходе со второй на третью ступень или с первой на вторую при сушке по высокотемпературным режимам. Влаготеплообработке подвергают пиломатериалы хвойных пород толщиной от 60 мм и выше и лиственных пород (в зависимости от породы) толщиной от 30 мм и выше. В процессе тепловлагообработки температура среды должна быть на 8°С выше температуры второй ступени, но не более 100°С, при степени насыщенности 0,95 - 0,97.
• Конечную влаготеплообработку проводят лишь по достижении древесиной требуемой конечной средней влажности. В процессе конечной термовлагообработки температуру среды поддерживают на 8°С выше последней ступени режима, но не более 100°С.
• По окончании конечной влаготеплообработки пиломатериалы, прошедшие сушку, выдерживают в камерах в течение 2 - 3 часа при параметрах, предусмотренных последней ступенью режима, после чего камеры останавливают.