Таблица EMC Точка насыщения волокна Коэффициенты усушки Конечная влажность К оглавлению Таблица 1. Равновесная влажность древесины (EMC), % при различных сочетаниях температуры и относительной влажности воздуха Температура, °C 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0 2,6 4,6 6,3 7,9 9,5 11,3 13,5 16,5 21,0 30,0 10 2,5 4,5 6,2 7,7 9,3 11,1 13,3 16,2 20,5 29,5 20 2,4 4,4 6,0 7,5 9,1 10,9 13,0 15,8 20,0 29,0 30 2,3 4,2 5,8 7,3 8,8 10,6 12,7 15,4 19,5 28,5 40 2,2 4,0 5,6 7,0 8,5 10,2 12,3 15,0 19,0 27,5 50 2,1 3,8 5,4 6,7 8,2 9,9 11,9 14,5 18,5 26,5 60 2,0 3,6 5,1 6,4 7,8 9,5 11,5 14,0 17,8 25,5 70 1,9 3,4 4,8 6,1 7,4 9,0 11,0 13,5 17,0 24,5 80 1,8 3,2 4,5 5,7 7,0 8,5 10,5 12,9 16,2 23,0 90 1,6 3,0 4,2 5,3 6,5 8,0 9,9 12,2 15,3 21,5 100 1,4 2,7 3,9 4,9 6,0 7,4 9,2 11,4 14,4 19,0 Данные усреднены для всех пород древесины. Отклонения для отдельных пород не превышают 1-2%. Источник: диаграмма Н.Н. Чулицкого. Таблица 2. Точка насыщения волокна (предел гигроскопичности) по породам древесины Порода древесины FSP при 20°C, % FSP при 100°C, % Плотность при W=12%, кг/м³ Категория усушки Сосна обыкновенная 28-30 19-20 500-520 Среднеусыхающая Ель обыкновенная 28-30 19-20 440-460 Малоусыхающая Лиственница сибирская 29-31 19-21 620-680 Сильноусыхающая Кедр сибирский 26-28 18-19 420-450 Малоусыхающая Пихта сибирская 27-29 18-19 370-400 Малоусыхающая Дуб черешчатый 29-31 19-20 690-750 Среднеусыхающая Бук лесной 29-32 19-21 660-700 Среднеусыхающая Берёза повислая 28-31 19-20 620-660 Сильноусыхающая Ясень обыкновенный 28-30 18-20 680-720 Среднеусыхающая Клён остролистный 27-29 18-19 680-720 Сильноусыхающая Осина 27-29 18-19 480-520 Среднеусыхающая Липа мелколистная 26-28 17-19 490-530 Среднеусыхающая FSP (Fiber Saturation Point) — влажность, при которой клеточные стенки полностью насыщены связанной влагой, а полости клеток свободны от воды. Для расчётов обычно принимают 30%. Таблица 3. Коэффициенты усушки и полная усушка древесины основных пород Порода Коэф. радиальной усушки, %/1%W Коэф. тангенциальной усушки, %/1%W Коэф. объёмной усушки, %/1%W Полная радиальная, % Полная тангенциальная, % Полная объёмная, % Сосна 0,18 0,31 0,44 4,0 7,7 12,1 Ель 0,16 0,28 0,39 3,5 6,8 10,5 Лиственница 0,19 0,35 0,52 4,5 9,1 14,2 Кедр 0,12 0,23 0,35 3,2 5,8 9,2 Пихта 0,14 0,26 0,38 3,3 6,0 9,5 Дуб 0,18 0,29 0,43 5,0 8,5 12,5 Бук 0,17 0,32 0,47 5,0 10,8 14,0 Берёза 0,26 0,34 0,54 5,3 8,6 14,5 Ясень 0,18 0,28 0,45 5,0 8,0 12,5 Осина 0,14 0,28 0,41 3,3 6,7 11,0 Полная усушка измеряется от точки насыщения волокна (30%) до абсолютно сухого состояния (0%). Усушка вдоль волокон для всех пород составляет 0,1-0,3%. Таблица 4. Рекомендуемая конечная влажность древесины по условиям эксплуатации Условия эксплуатации Класс по СП 64.13330 Температура, °C Относительная влажность воздуха, % Конечная влажность древесины, % Отапливаемые помещения (мебель, паркет) 1а 18-24 30-45 6-8 Отапливаемые помещения (столярные изделия) 1 18-24 45-60 8-10 Неотапливаемые крытые помещения 2 -5 — +35 60-75 12-15 Открытые конструкции под навесом 3 -40 — +50 75-85 15-18 Открытые конструкции без защиты 4 -40 — +50 85-100 18-22 Музыкальные инструменты — 18-22 40-55 3-7 Транспортная влажность — — — 20-22 Классы условий эксплуатации установлены СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции». Конечная влажность должна соответствовать равновесной влажности при эксплуатации изделия. Содержание статьи Понятие равновесной влажности древесины Диаграмма EMC: принципы построения и применения Точка насыщения волокна и её значение Усушка и разбухание: зависимость от влажности Расчёт равновесной влажности Выбор конечной влажности по условиям эксплуатации Методы определения влажности древесины Часто задаваемые вопросы Понятие равновесной влажности древесины Равновесная влажность древесины (EMC, Equilibrium Moisture Content) представляет собой устойчивое состояние материала, при котором прекращается обмен влагой с окружающей средой. Данное состояние достигается при длительном выдерживании пиломатериала в условиях постоянной температуры и относительной влажности воздуха. Древесина, являясь гигроскопичным материалом, способна поглощать водяные пары из воздуха (сорбция) и отдавать влагу в окружающую среду (десорбция). Процесс достижения равновесного состояния зависит от направления изменения влажности. При сорбции влажность стабилизируется на несколько процентов ниже, чем при десорбции из более влажного состояния. Данное явление носит название гистерезис сорбции. Для практических расчётов обычно используют среднее значение между устойчивыми влажностями при сорбции и десорбции. Ключевая особенность Равновесная влажность практически одинакова для всех пород древесины при идентичных условиях окружающей среды. Различия между породами не превышают 1-2%, что позволяет использовать единые таблицы и диаграммы для определения EMC. Понимание механизма достижения равновесной влажности критически важно для специалистов деревообрабатывающей отрасли. Неправильное определение конечной влажности при сушке приводит к деформациям изделий, образованию трещин, развитию грибковых поражений. Изделие из древесины стремится к равновесию с окружающей средой на протяжении всего срока эксплуатации, что необходимо учитывать при проектировании деревянных конструкций. ↑ К оглавлению Диаграмма EMC: принципы построения и применения Диаграмма равновесной влажности представляет собой графическое отображение зависимости влагосодержания древесины от параметров окружающего воздуха. Наиболее распространённой в отечественной практике является диаграмма Н.Н. Чулицкого, построенная в координатах «температура — относительная влажность воздуха». Для определения равновесной влажности необходимо найти точку пересечения вертикальной линии (температура) и горизонтальной линии (относительная влажность), затем по наклонным изолиниям установить соответствующее значение EMC. Методика работы с диаграммой Чулицкого Для практического применения диаграммы требуется психрометр — прибор для измерения влажности воздуха. Показания сухого и мокрого термометров позволяют определить относительную влажность воздуха с использованием психрометрических таблиц. Альтернативный подход предполагает использование диаграммы в координатах «психрометрическая разность — равновесная влажность», разработанной В.П. Агаповым для упрощения расчётов. Математическое описание диаграммы равновесной влажности выражается уравнением, полученным методом наименьших квадратов: Формула расчёта EMC Wp = (30,8 – 0,137 × tc) – (8,82 – 0,04977 × tc) × ln(tc – tm) где Wp — равновесная влажность древесины, %; tc — температура сухого термометра, °C; tm — температура мокрого термометра, °C; (tc – tm) ≠ 0. Влияние параметров воздуха на EMC Анализ диаграммы показывает, что равновесная влажность древесины повышается при увеличении относительной влажности воздуха и снижении температуры. При психрометрической разности более 9°C температура сухого термометра практически не влияет на EMC — все изолинии сливаются в единую кривую. Данный факт имеет практическое значение для управления процессом сушки: контроль психрометрической разности является определяющим фактором достижения заданной конечной влажности. ↑ К оглавлению Точка насыщения волокна и её значение Точка насыщения волокна (FSP, Fiber Saturation Point) или предел гигроскопичности — это состояние древесины, при котором клеточные стенки полностью насыщены связанной влагой, а свободная влага в полостях клеток отсутствует. Данный показатель является критической границей, определяющей изменение физико-механических свойств материала. При комнатной температуре (20°C) предел гигроскопичности составляет 28-32% для большинства пород древесины. С повышением температуры данное значение снижается и достигает 19-20% при 100°C. Указанная зависимость объясняется изменением энергии связи воды с веществом клеточных стенок при термическом воздействии. Практическое значение FSP Ниже точки насыщения волокна начинается усушка древесины, сопровождающаяся уменьшением линейных размеров и объёма. Выше FSP изменение влажности не вызывает размерных деформаций, однако влияет на массу и плотность материала. При влажности выше FSP прочностные характеристики остаются постоянными. Особенности FSP для различных пород Несмотря на относительное постоянство предела гигроскопичности, существуют породные различия, обусловленные анатомическим строением древесины. Хвойные породы с развитой системой смоляных каналов демонстрируют несколько пониженные значения FSP (кедр — 26-28%, пихта — 27-29%). Кольцесосудистые лиственные породы с крупными сосудами (дуб, ясень) характеризуются повышенными значениями (29-31%). Для инженерных расчётов обычно принимают усреднённое значение 30%. ↑ К оглавлению Усушка и разбухание: зависимость от влажности Усушка древесины — процесс уменьшения линейных размеров и объёма при удалении связанной влаги из диапазона ниже точки насыщения волокна. Разбухание представляет собой обратный процесс, происходящий при увлажнении абсолютно сухой древесины до предела гигроскопичности. Оба явления носят обратимый характер и характеризуются анизотропией — неодинаковыми значениями в различных структурных направлениях. Направления усушки Древесина проявляет существенно различную усушку в трёх анатомических направлениях. Тангенциальная усушка (вдоль годичных слоёв) составляет 6-12% и превышает радиальную (поперёк годичных слоёв — 3-7%) в 1,5-2 раза. Продольная усушка (вдоль волокон) минимальна и не превышает 0,1-0,3%. Данная анизотропия обусловлена микроструктурным строением клеточных стенок и расположением целлюлозных микрофибрилл. Причины неравномерности усушки Повышенная тангенциальная усушка объясняется двумя факторами: поздняя древесина годичных слоёв усыхает больше ранней и стягивает её в тангенциальном направлении; сердцевинные лучи усыхают по ширине больше, чем по длине, сдерживая радиальную усушку. Коэффициенты усушки Для количественной оценки используют коэффициент усушки — величину усушки при снижении влажности на 1%. По значению объёмного коэффициента усушки породы подразделяют на категории: малоусыхающие (менее 0,40% — ель, пихта, кедр), среднеусыхающие (0,40-0,47% — сосна, дуб, бук, ясень) и сильноусыхающие (более 0,47% — берёза, лиственница, клён). Расчёт величины усушки производится по формуле: Формула расчёта усушки Y = K × (Wн – Wк) где Y — величина усушки, %; K — коэффициент усушки для соответствующего направления, %/1%W; Wн — начальная влажность (не более 30%), %; Wк — конечная влажность, %. ↑ К оглавлению Расчёт равновесной влажности Определение равновесной влажности возможно несколькими методами: графическим (по диаграмме), табличным и расчётным. Выбор метода определяется требуемой точностью и наличием исходных данных о параметрах окружающей среды. Пример расчёта по диаграмме Рассмотрим практический пример. Психрометр в помещении показывает температуру сухого термометра 19°C и температуру мокрого термометра 15°C. Психрометрическая разность составляет 4°C. По психрометрической таблице для данных значений относительная влажность воздуха равна 58-60%. Находим на диаграмме Чулицкого точку пересечения линий 19°C и 59% — равновесная влажность древесины составит примерно 11%. Табличный метод определения Таблица 1 позволяет непосредственно определить EMC при известных значениях температуры и относительной влажности воздуха. При промежуточных значениях параметров применяют линейную интерполяцию. Например, при температуре 25°C и относительной влажности 55% расчёт ведётся по значениям для соседних точек: EMC = (9,1 + 8,8) / 2 × (55/50 + 55/60) / 2 ≈ 9,9%. Особенности расчёта для сушильных камер При высокотемпературных режимах сушки (более 100°C) равновесная влажность существенно снижается. Предел гигроскопичности при 100°C составляет 19-20%, что необходимо учитывать при назначении конечных параметров среды в сушильной камере. ↑ К оглавлению Выбор конечной влажности по условиям эксплуатации Правильный выбор конечной влажности древесины определяет стабильность размеров и долговечность изделий в процессе эксплуатации. Древесина должна быть высушена до влажности, соответствующей равновесной влажности в условиях применения. Несоответствие влажности приводит к деформациям, короблению, образованию трещин. Классы условий эксплуатации Согласно СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции», выделяют четыре основных класса условий эксплуатации деревянных конструкций. Класс 1 охватывает отапливаемые помещения с контролируемым климатом (жилые здания, офисы). Класс 2 соответствует неотапливаемым крытым помещениям (навесы, склады). Класс 3 включает открытые конструкции под навесом. Класс 4 — конструкции без защиты от атмосферных воздействий. Рекомендации СП 64.13330.2017 Для жилых малоэтажных домов рекомендуется применять деревянные конструкции с влажностью до 15%. Для временных построек 3 и 4 классов эксплуатации допустимый уровень составляет 20%. Мебельная древесина должна иметь влажность 6-8%. Специальные требования Производство мебели требует наиболее низкой конечной влажности — 6-10%, что соответствует равновесной влажности в отапливаемых помещениях с относительной влажностью воздуха 30-60%. Для музыкальных инструментов требования ещё жёстче: 3-7% при строгом контроле влажностного режима хранения. Паркетная доска должна иметь влажность 8-10% для предотвращения щелей при эксплуатации в отапливаемых помещениях. Транспортная влажность устанавливается на уровне 20-22% для предотвращения биологических поражений при перевозке и кратковременном хранении. Данная величина соответствует верхней границе эксплуатационной влажности для большинства условий применения. ↑ К оглавлению Методы определения влажности древесины Контроль влажности пиломатериалов и готовых изделий осуществляется прямыми и косвенными методами. Выбор метода зависит от требуемой точности измерений, оперативности получения результатов и возможности разрушения контрольных образцов. Весовой (сушильно-весовой) метод Прямой метод определения влажности по ГОСТ 16588-91 основан на высушивании образца до постоянной массы. Из пиломатериала вырезают образец размером 20×20×30 мм на расстоянии не менее 300 мм от торца. Образец взвешивают с точностью 0,01 г, помещают в сушильный шкаф при температуре 103±2°C. Первое взвешивание производят через 6-10 часов (в зависимости от породы), последующие — через 2 часа до достижения постоянной массы. Формула расчёта влажности W = (m – m₀) / m₀ × 100% где W — абсолютная влажность, %; m — масса образца до сушки, г; m₀ — масса образца после сушки до постоянной массы, г. Электрические методы Электровлагомеры обеспечивают оперативный контроль влажности без разрушения материала. Принцип действия основан на зависимости электрического сопротивления или диэлектрической проницаемости древесины от содержания влаги. Кондуктометрические (игольчатые) влагомеры измеряют сопротивление между электродами, погруженными в древесину. Диэлькометрические (бесконтактные) влагомеры работают по принципу изменения ёмкости конденсатора с древесным диэлектриком. Погрешность электрических методов составляет ±1-2% в диапазоне влажности 6-30%. Для получения корректных результатов необходима калибровка прибора по породе древесины и учёт температуры материала. Рекомендуется использовать приборы, внесённые в Государственный реестр средств измерений. ↑ К оглавлению Часто задаваемые вопросы Чем отличается равновесная влажность от точки насыщения волокна? Равновесная влажность — это влажность, которую древесина приобретает при длительном нахождении в определённых температурно-влажностных условиях. Она может варьироваться от 0% до предела гигроскопичности. Точка насыщения волокна (FSP) — это максимально возможная гигроскопическая влажность (около 30% при 20°C), при которой клеточные стенки полностью насыщены связанной влагой. FSP является верхней границей равновесной влажности при 100% относительной влажности воздуха. Почему тангенциальная усушка больше радиальной? Это объясняется несколькими факторами. Во-первых, поздняя древесина годичных слоёв усыхает сильнее ранней и «стягивает» её в тангенциальном направлении. Во-вторых, сердцевинные лучи, расположенные радиально, сдерживают усушку в этом направлении, поскольку сами они усыхают по ширине меньше, чем по длине. В-третьих, модуль упругости древесины в радиальном направлении выше, чем в тангенциальном, что также ограничивает радиальную деформацию. Какую влажность должна иметь древесина для изготовления мебели? Для изготовления мебели древесина должна быть высушена до 6-10% в зависимости от условий эксплуатации. В отапливаемых помещениях с центральным отоплением (относительная влажность воздуха 30-45%) оптимальная влажность составляет 6-8%. Для помещений с естественной вентиляцией (влажность воздуха 45-60%) допускается влажность 8-10%. Несоблюдение этих требований приводит к короблению, растрескиванию и расклеиванию соединений мебельных изделий. Как влияет температура на равновесную влажность древесины? При повышении температуры равновесная влажность древесины снижается при одинаковой относительной влажности воздуха. Например, при влажности воздуха 80% и температуре 20°C равновесная влажность составляет около 15,8%, а при 60°C — только 14%. Это обусловлено снижением энергии связи молекул воды с веществом клеточных стенок при нагревании. Предел гигроскопичности также уменьшается с 30% при 20°C до 19% при 100°C. Зависит ли равновесная влажность от породы древесины? Равновесная влажность практически не зависит от породы древесины — различия не превышают 1-2%. Это объясняется тем, что гигроскопические свойства определяются химическим составом клеточных стенок, который однотипен для всех пород. Целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин, составляющие основу древесного вещества, обладают сходной способностью к сорбции водяного пара. Поэтому для определения равновесной влажности используют единые таблицы и диаграммы. Что такое гистерезис сорбции и как его учитывать? Гистерезис сорбции — это разность между устойчивой влажностью древесины при поглощении влаги из воздуха (сорбции) и при её отдаче (десорбции). При сорбции равновесная влажность на 1-2% ниже, чем при десорбции из более влажного состояния. Для практических расчётов обычно используют среднее значение. При точных технологических расчётах сушки необходимо учитывать, что конечная влажность пиломатериала будет находиться между сорбционной и десорбционной кривыми. Как быстро древесина достигает равновесной влажности? Скорость достижения равновесной влажности зависит от размеров сортимента, породы древесины и разности между текущей и равновесной влажностью. Для тонкой стружки и опилок равновесие достигается за несколько часов. Для досок толщиной 25-50 мм — от нескольких недель до нескольких месяцев. Для крупных клеёных конструкций полное выравнивание влажности по сечению может занять несколько лет. При этом поверхностные слои реагируют на изменение влажности воздуха значительно быстрее внутренних.