Усушка древесины

Древесина в свежесрубленном состоянии содержит большой объем воды – от 30% до 90% от массы абсолютно сухого дерева. После спила дерево начинает постепенно терять влагу, пока содержание влаги в нем не придет в равновесие с окружающей средой. Этот процесс высыхания сопровождается усушкой древесины, то есть уменьшением ее линейных размеров и объема по мере испарения воды. Усушка продолжается до тех пор, пока древесина не достигнет равновесной влажности в данных условиях внешней среды.

Почему древесина усыхает?

Дело в том, что часть воды в древесине находится в связанном состоянии внутри стенок клеток (в микропорах клеточных стенок, между молекулами целлюлозы и другими полимерами). Когда содержание влаги превышает примерно 28–30% (порог, называемый точкой насыщения волокон), клеточные стенки уже полностью насыщены водой, а остальная вода заполняет полости клеток в виде свободной влаги.

Удаление свободной воды (выше точки насыщения волокон) практически не сказывается на размерах древесины – вода выходит из полостей, но сами клеточные стенки ещё удерживают максимальный объем связанной влаги и сохраняют размеры. Однако при дальнейшем снижении влажности – ниже ~30% – начинается отдача связанной влаги из материала клеточных стенок, и вот тогда древесина начинает усыхать (уменьшаться в размерах) вследствие сокращения толщины самих клеточных стенок.

Проще говоря, вода, находившаяся между микрофибриллами (мицеллами) в структуре клеточной стенки, покидает ее, и расстояние между микроструктурными элементами уменьшается, стягивая стенки клеток – это и есть физический механизм усушки.

Этот процесс обратим: при увлажнении сухой древесины связанная вода вновь заполняет микропоры, раздвигая стенки, и материал набухает, увеличиваясь в размерах. Усушка и набухание – естественные процессы для древесины как гигроскопичного коллоидного материала.

Важно отметить, что полная усушка древесины возможна только при высыхании до абсолютно сухого состояния (0% влажности), но в реальных условиях окружающей среды дерево всегда содержит некоторую равновесную влагу. Тем не менее, даже при технической сушке до низкой влажности (8–12%) изменения размеров весьма существенны, поэтому усушку необходимо учитывать на практике – например, задавать припуски на усушку при распиловке пиломатериалов и в строительстве срубов.

Ниже рассматриваются основные виды усушки, количественные показатели усыхания различных пород и влияющие факторы (способ сушки, влажность и температура среды).

Механизм усушки и виды усадки древесины

Древесина имеет анизотропное строение, поэтому ее усушка происходит неравномерно в разных направлениях. Различают линейную усушку (уменьшение размеров в каком-либо одном направлении) и объемную усушку (суммарное уменьшение объема материала при высыхании). Линейная усушка, в свою очередь, зависит от ориентации волокон древесины и подразделяется на усушку вдоль длины волокон (продольную), радиальную и тангентальную.

• Продольная усушка – это уменьшение размеров вдоль длинной оси волокон (то есть по длине ствола или доски). Древесина практически не усыхает вдоль волокон: при высыхании от свежего состояния до абсолютно сухого размеры по длине уменьшаются всего примерно на 0,1%. Этот величиной можно обычно пренебречь – линейная усушка вдоль ствола считается незначительной. Лишь у древесины с аномальными видами древесины (например, реактивная древесина – напряженная, сформировавшаяся при изгибе ствола) продольная усушка может достигать нескольких процентов (до ~5%), что может вызывать растрескивание торцов бревен, но в норме такие отклонения редки.
• Радиальная усушка – это сокращение размеров в направлении радиуса ствола, то есть перпендикулярно годичным кольцам (например, по толщине доски, выпиленной радиально).
• Тангентальная усушка – уменьшение размеров в направлении, касательном к годичным кольцам, то есть по дуге годовых слоев (например, по ширине доски, если она распилена тангентально, по ширине годичных колец).

Радиальная и тангентальная – это два основных направления поперек волокон, в которых происходит усыхание древесины, и именно в них проявляется наибольшая разница. Тангентальная усушка всегда больше радиальной для данной древесины. В среднем тангентальное сокращение примерно в 1.5–2 раза превышает радиальное. Например, для многих пород радиальная усушка лежит в диапазоне ~4–8%, тогда как тангентальная – порядка 8–12% (при высыхании от зеленого состояния до 0% влажности.

Таким образом, если доска высыхает, ее размеры поперек волокон уменьшаются неравномерно: в одном поперечном направлении (по радиусу) она может сесть, скажем, на 5%, а в перпендикулярном ему (по касательной к годовому слою) – на 10%. В результате сам поперечный срез из круга превратится в овал.

Эта неравномерность приводит к деформациям: так, при высыхании необрезная доска, выпиленная тангентально, часто выгибается лодочкой (края доски выпирают сильнее, чем середина) – это коробление вследствие большей усушки по ширине (касательному направлению) по сравнению с толщиной (радикальному направлению).

Аналогично, брус при высыхании может приобрести ромбовидное сечение вместо квадратного. Эти эффекты вызваны именно разницей в тангентальной и радиальной усушке и неизбежны, если не предпринять специальных мер (например, распиловка радиальным способом, при которой ширина доски соответствует радиальному направлению – позволяет добиться более стабильной формы, поскольку радиальная усушка меньше тангентальной.

На объемную усушку древесины влияет сокращение размеров во всех направлениях сразу. Поскольку продольной усушкой часто пренебрегают (0,1% – очень мало), суммарное относительное уменьшение объема считают примерно равным сумме радиальной и тангентальной усушек. Например, если у породы радиальная усушка около 6%, а тангентальная около 10%, то общий объем при высыхании до абсолютно сухого состояния уменьшится примерно на 16%.

Обычно полная объемная усушка большинства пород лежит в пределах ~11–17% (в крупных цифрах: примерно на 1/8–1/6 уменьшается объем древесины при высыхании). Интересно, что величина объемной усушки по порядку величины совпадает с объемом испарившейся связанной воды. Другими словами, сколько объема занимала связанная вода в клеточных стенках, на столько же процентов и усядет дерево при ее полном удалении.

Итак, ключевые цифры: продольная усушка ~0.1%, радиальная в среднем 3–6%, тангентальная 6–12%, объемная ~10–17% для разных пород. У конкретных пород эти показатели разнятся (см. следующую часть). Ниже приведена таблица со средними значениями усушки для распространенных пород (от свежеспиленного состояния до абсолютно сухого).

Величины усушки для разных пород древесины

Разные древесные породы усыхают по-разному. На величину усушки влияет прежде всего плотность и анатомическое строение древесины. Древесина плотных, твердых пород в целом дает большую усушку, чем мягкие, легкие породы. Это связано с тем, что в единице объема тяжелой древесины содержится больше клеточной стенки и связанной воды, которую она удерживает, – следовательно, при высыхании выделяется больший объем влаги и усушка больше.

Например, древесина дуба, клена, граба (тяжелые твёрдые породы) при высыхании теряет размеры сильнее, чем древесина ели, тополя или ольхи (более лёгкие мягкие породы).

Кроме плотности, роль играет и микроструктура – соотношение поздней и ранней древесины, размеры сердцевинных лучей, химический состав. Так, некоторые сравнительно лёгкие породы демонстрируют неожиданно большую усушку. Осина и липа – примеры пород, усушка которых сопоставима с дубом, несмотря на меньшую плотность. У липы к тому же очень мала разница между радиальной и тангентальной усушкой, то есть она усыхает довольно равномерно, что делает эту древесину ценной для точных изделий (например, модельных заготовок).

Напротив, у некоторых хвойных, например у кедра и пихты, радиальная усушка чрезвычайно мала по сравнению с тангентальной – они сильно меняют размеры по ширине годичных колец, но почти не садятся по радиусу ствола, что указывает на высокую анизотропию их структуры.

Ниже приведена таблица с ориентировочными значениями усушки для нескольких распространённых пород древесины. Для каждой указана радиальная, тангентальная и объемная усушка (в процентах от первоначального сырого размера до состояния при ~0% влажности).

Примечание. Значения усушки указаны усреднённо, фактические показатели могут несколько отличаться в зависимости от конкретного образца древесины и условий роста дерева.

Тем не менее, таблица иллюстрирует общую тенденцию: твердые лиственные породы (дуб, бук, ясень, берёза) характеризуются большей объемной усушкой (15–18%) по сравнению с хвойными (сосна, ель ~12–14%). При этом у всех пород тангентальная усушка превышает радиальную (отношение T/R составляет ~1.6–2.0).

Обратите внимание на сравнительно низкую анизотропию березы (T/R ≈ 1.7) – разница между усушкой вдоль и поперек колец у нее меньше, чем у дуба или особенно у ели (у последней T/R может превышать 2.0). Это означает, что берёзовая древесина несколько менее склонна к короблению, чем многие другие породы с тем же уровнем объемной усушки.

Условия сушки: естественная и камерная

Способ сушки древесины существенно влияет на конечную влажность материала и, следовательно, на степень усушки. Под естественной (атмосферной) сушкой обычно понимают высушивание на воздухе в штабелях или под навесом, при котором древесина постепенно теряет влагу до достижения равновесия с наружным воздухом.

В умеренном климате на открытом воздухе древесина обычно сохнет до влажности порядка 12–18% (в зависимости от сезона, вентиляции и размеров заготовок). Например, в защищенном, но неотапливаемом помещении при относительной влажности воздуха 50–85% древесина дуба стабилизируется на уровне около 12–14% влажности.

При такой остаточной влажности дерево не полностью реализует потенциальную усушку – часть связанной влаги в нем все еще остается. Если же цель – высушить материал сильнее (например, до 8–10% влажности, что требуется для мебели и внутренних изделий), в условиях естественной сушки это затруднительно или очень долго. Тут применяют камерную сушку – искусственную сушку в сушильных камерах при контролируемых параметрах (температуре, влажности, циркуляции воздуха).

В камере можно довести древесину до гораздо более низкой влажности, чем на открытом воздухе. Так, в отапливаемом помещении с относительной влажностью 40–50% древесина дуба со временем снизит влажность до ~7–10%. При таких условиях она практически полностью отдаст связанную воду и усохнет почти до предела: тангентальная усушка дуба от зеленого состояния до 10% влажности составляет около 7% (против ~8–9% в абсолютно сухом состоянии).

Иными словами, камерная сушка позволяет реализовать максимальную усушку, тогда как при атмосферной сушке усушка прекращается раньше (дерево остается немного влажным). Например, если сосновый брус высушен на воздухе до ~15% влажности, его тангентальная усушка может составить около 5–6% от исходной ширины, тогда как при камерной сушке до 8% влажности усушка достигнет ~8% (почти на треть больше).

На практике это означает, что размеры изделий из атмосферно-сухой древесины все еще могут заметно уменьшиться, если затем поместить их в более сухую среду (например, внести в отапливаемое помещение) – материал доусохнет до нового равновесного состояния. Поэтому для ответственных изделий, требующих стабильности размеров, предпочтительна камерная сушка до целевой влажности эксплуатации.

Скорость и равномерность сушки также влияют на характер усушки. При слишком быстрой сушке (особенно крупномерных пиломатериалов) возникает градиент влажности: поверхностные слои древесины высыхают и усиживаются раньше, чем влага успевает выйти из внутренних слоев. Это приводит к внутренним напряжениям: сухая оболочка стягивает еще влажное ядро, препятствуя его усушке, – в результате возможны трещины, коробление.

При камерной сушке этот процесс контролируют, задавая оптимальный режим: сперва при умеренной температуре и высокой относительной влажности осторожно испаряют свободную влагу, затем плавно снижают влажность воздуха и повышают температуру для удаления связанной влаги, давая материалу время выровнять влажность по сечению. Правильный режим минимизирует растрескивание и деформации.

При атмосферной сушке таких возможностей регулировки нет, но естественная медлительность процесса часто сама служит гарантией более равномерного высыхания (особенно если заготовки защищены от прямого солнца и ветра).

В итоге, при грамотном подходе, и атмосферная, и камерная сушка способны дать качественный материал без трещин, но камера позволяет существенно сократить время сушки и достигнуть более низкой конечной влажности.

Отдельно отметим, что существуют специальные методы обработки древесины, снижающие ее гигроскопичность и усушку. Например, термическая обработка (нагревание до 180–220 °С в контролируемой среде) частично разрушает гемицеллюлозы в клеточных стенках, снижая способность древесины поглощать влагу. Термомодифицированная древесина менее подвержена последующим изменениям размеров – ее усушка и набухание при колебаниях влажности уменьшаются. Также пропитка полимерами, смолами или даже сахарами уплотняет клеточные стенки и вытесняет гигроскопичные компоненты, что ведет к сокращению усушки. Эти технологии направлены на стабилизацию размеров древесных материалов в эксплуатации.

Влияние влажности воздуха и температуры

Влажность окружающего воздуха напрямую определяет конечное состояние древесины. Как уже отмечалось, древесина гигроскопична и стремится к равновесной влажности с атмосферой. В сыром климате дерево впитывает влагу и может оставаться довольно влажным (или даже набухать), тогда как в сухом воздухе оно отдает влагу и усыхает.

Относительная влажность (RH) воздуха и температура задают так называемую равновесную влажность древесины ( EMC – Equilibrium Moisture Content), при которой материал уже не теряет и не набирает влагу. Например, при RH ≈ 60–70% древесина обычно приходит к EMC около 12% влажности, при RH 40–50% – порядка 8–10% влажности. В открытых условиях EMC меняется сезонно: под солнцем и дождем влажность поверхностных слоев древесины может колебаться от 12% до более 20%.

Таким образом, в помещении с центральным отоплением (сухой теплый воздух) деревянные изделия будут со временем досыхать и давать усадку, сжиматься в размерах. Напротив, на улице в сырую погоду или в плохо проветриваемом влажном помещении древесина будет набухать. Эти процессы учитывают технологи: например, для паркета и мебели критично, чтобы древесина была высушена до той влажности, при которой она будет эксплуатироваться, иначе в отопительный сезон детали могут покоробиться или растрескаться из-за усушки.

Температура воздуха сама по себе (при постоянной относительной влажности) в меньшей степени влияет на равновесную влажность древесины – с ростом температуры EMC немного снижается (теплый воздух при том же абсолютном содержании влаги имеет меньшую относительную влажность).

Куда важнее то, что высокая температура ускоряет испарение воды. Так, при камерной сушке повышение температуры позволяет быстрее удалить влагу из древесины (при условии отвода влажного воздуха), хотя слишком высокая температура может привести к дефектам.

В обычных условиях эксплуатации повышение температуры воздуха (например, от +15 °C до +30 °C в летний день) при неизменной влажности мало сказывается на размере древесных изделий, тогда как понижение относительной влажности (например, включение отопления зимой) значительно уменьшает их размеры за счет усушки.

В целом, главным фактором, влияющим на усушку, является влажность среды, а температура – сопутствующий фактор, влияющий на скорость достижения равновесия. Именно поэтому в сушильных камерах применяют как подогрев, так и осушение воздуха одновременно.

Совокупно рассмотренные факторы – структурные особенности древесины, порода, способ сушки, влажностно-температурные условия – определяют величину усушки древесины в каждом конкретном случае. Понимание этих факторов позволяет прогнозировать изменение размеров древесных материалов и конструкций и принимать меры для их стабилизации (выбор пород с меньшей усушкой, радиальная распиловка, кондиционирование влажности, корректные режимы сушки и т.д.), чтобы изделия из древесины служили надежно, не теряя формы и целостности при колебаниях влажности.