Почему древесина при сушке трескается, коробится и скручивается
Каждый дефект сушки начинается с усушки. Древесина не усыхает, пока теряет свободную воду из полостей клеток; она начинает усыхать, когда клеточные стенки высыхают ниже предела насыщения, примерно при 30 % влажности. После этого она усыхает вдоль годичных слоёв (тангенциально) примерно вдвое сильнее, чем поперёк них (радиально), а вдоль волокон почти не усыхает.4 Именно эти различия — между направлениями и между наружной и внутренней частью доски — и растрескивают и деформируют её.
Поверхность и сердцевина: смена знака напряжений, стоящая за большинством дефектов
Когда начинается сушка, наружный слой доски, поверхностная зона, за несколько часов высыхает ниже предела насыщения клеточных стенок и стремится усохнуть. Влажная центральная зона ещё не усыхает и удерживает её. Поэтому поверхностная зона растянута, а центральная сжата. В дубе толщиной 50 мм при стандартном режиме растяжение поверхностной зоны достигает максимума примерно через пять дней.2
Если поверхностную зону растянуть сверх предела упругости, она высыхает в необратимо растянутом состоянии — возникает остаточная деформация растяжения. Если растяжение превышает прочность древесины, она рвётся: образуется трещина. Позже, когда центральная зона высыхает и стремится усохнуть, увеличенная в размерах поверхностная зона ей мешает. Напряжения меняют знак: поверхность оказывается сжатой, а центр — растянутым. Это позднее растяжение центральной зоны может вызвать внутренние трещины.1,2 FPL сравнивает остаточную деформацию растяжения с резинкой, которую слишком долго держали растянутой и которая уже не возвращается к исходному размеру.2
Четыре стадии сушки и их дефекты
Руководство FPL по сушке пиломатериалов лиственных пород делит сушку на четыре стадии, у каждой из которых свои типичные дефекты. Стадии — это учебный приём, а не чёткие границы, но они объясняют, когда каждая проблема возникает и когда она лишь становится видимой.2
| Стадия | Влажность | Основной риск дефектов |
|---|---|---|
| I | От сырого состояния до двух третей исходной влажности | Поверхностные и торцевые трещины, окраски, покоробленность |
| II | От двух третей исходной влажности до 30 % | Усиление уже возникших поверхностных и торцевых трещин |
| III | От 30 % до конечной | Трещины переходят во внутренние; поперечная покоробленность; пересушка |
| IV | Конечная (выравнивание и кондиционирование) | Неравномерная конечная влажность; остаточные напряжения |
Источник: Denig, Wengert & Simpson (2000), Drying Hardwood Lumber, USDA FPL-GTR-118, таблица 2.4 (по Bois 1998).
Практический вывод: самые важные часы загрузки сушильной камеры — первые. Трещины образуются только на стадии I; последующие стадии могут их лишь усугубить. Для красного дуба эта критическая стадия длится от сырого состояния примерно до 50 % влажности, для белого дуба — примерно до 45 %.2 Как с этим справляются режимы камерной сушки, рассказано в нашей статье о камерной и атмосферной сушке.
Трещины, расколы и внутренние трещины
Трещины — это разрывы, которые раскрываются в процессе сушки. По тому, где они появились, можно понять, когда и почему они возникли.
Поверхностные трещины
Поверхностные трещины раскрываются на пластях досок, почти всегда на пластях тангенциальной распиловки, потому что граница между сердцевинными лучами и длинными волокнами слаба, а силы тангенциальной усушки там наибольшие. Особенно склонен к ним дуб с его крупными лучами.2 Многие поверхностные трещины позже в процессе сушки снова смыкаются и не видны на сухих нестроганых пиломатериалах; они проявляются только после строгания. Если в трещине есть грязь или окраска, она была открыта во время атмосферной сушки.2
Причина всегда одна — слишком быстрая сушка в начале: воздух слишком сухой, движется слишком быстро или и то и другое. Достаточно всего нескольких часов слишком жёстких условий.2 Пределы FPL для первой стадии камерной сушки консервативны:
- Начальная температура по сухому термометру не выше 43 °C, а для чувствительных пород или толщин — 38–41 °C.
- Скорость воздуха на ранних стадиях не выше 1,9 м/с.
- Относительная влажность на стадии I не ниже 87 %, если только скорость воздуха не намного ниже 1,9 м/с.
- Не менее десяти правильно подготовленных контрольных образцов на загрузку, с проверкой суточной скорости сушки по пределу для породы.2
Важны также склад и пила. Прямое солнце и сильный ветер в жаркую или сухую погоду могут растрескать ядровую древесину дуба и бука толщиной 25 мм, поэтому склонные к растрескиванию пиломатериалы нужно держать под крышей, если они остаются открытыми час и дольше.2 Тупая пила рвёт поверхность и повышает вероятность растрескивания: в одном эксперименте FPL у красного дуба, простроганного перед сушкой, трещин было в 18 раз меньше, чем у нестроганых пиленых досок.2
Торцевые трещины и расколы и почему торцевое покрытие окупается
Влага перемещается вдоль волокон в 10–15 раз быстрее, чем поперёк, поэтому торцы доски или бревна высыхают и трескаются первыми.1 Сильные торцевые трещины перерастают в расколы, а вызванные ими внутренние трещины могут уходить в доску на 0,6 м.2 Самая эффективная защита — водостойкое торцевое покрытие, нанесённое на свежие торцы бревен или только что оторцованных досок.1,2
Показать данные
| Время хранения | Торец без покрытия | Торец с покрытием |
|---|---|---|
| 2-я неделя | 11 мм | 3 мм |
| 3-я неделя | 16 мм | 0 мм |
| 4-я неделя | 22 мм | 4 мм |
| 5-я неделя | 35 мм | 0 мм |
| 7-я неделя | 73 мм | 0 мм |
| 9-я неделя | 101 мм | 0 мм |
| 12-я неделя | 156 мм | 0 мм |
Покрытие стоило менее 3 долларов США на тысячу досковых футов; к 12-й неделе экономия достигла 37 долларов США (в долларах 1990-х годов). Источник: Denig, Wengert & Simpson (2000), FPL-GTR-118, таблица 3.1 (Linares-Hernandez & Wengert 1997). Американский красный дуб.
Данные FPL показывают и то, как хорошо работает покрытие, и то, как быстро теряется его эффект. Летом в Висконсине длина расколов на непокрытых торцах бревен красного дуба выросла примерно с 11 мм через две недели примерно до 156 мм через двенадцать, тогда как покрытые торцы оставались практически без расколов.2 У красного дуба толщиной 25–32 мм (5/4) атмосферной сушки при покрытии свежих торцов 62 % торцов имели трещины длиной не более 25 мм; если ждать с покрытием три дня, эта доля падала до 22 %, а если десять дней — до 16 %.2
Помогают и другие меры: ровно выравнивать торцы штабеля, класть ряд прокладок у самых торцов досок или рядом с ними, а в камере ставить штабели торец к торцу, чтобы воздух не обтекал торцы.2
Внутренние трещины, которые находят при раскрое
Внутренняя трещина — это разрыв внутри доски, идущий поперёк годичных слоёв. Она образуется в конце сушки, когда центральная зона растянута, обычно если центр ещё довольно влажный, а температуру поднимают слишком высоко и слишком надолго.1 Самопроизвольные внутренние трещины встречаются нечасто: большинство из них — это углубившиеся поверхностные или торцевые трещины.2 Внутренние трещины редко видны на поверхности. Обычно их обнаруживают только при поперечном или продольном раскрое, сильном строгании или фрезеровании, что делает их одним из самых дорогих дефектов для производителя деталей.1,2
Правила FPL против них: прежде всего не допускать поверхностных и торцевых трещин, мягко сушить уже растрескавшуюся древесину при высокой влажности и умеренной температуре и осторожно поднимать температуру при сушке толстых пиломатериалов, пока влажность центра выше примерно 28 %.2
Коллапс и отлуп
Коллапс — это сплющивание клеток древесины. Сильный коллапс проявляется как волнистость, «стиральная доска» на поверхности; слабый выглядит просто как чрезмерная усушка по толщине. Он возникает, когда очень влажную древесину сушат быстро, а высокие температуры ему способствуют.1,2 У большинства лиственных пород он редок, но к нему склонна древесина, поражённая бактериями, — водослой: для нескольких американских дубов FPL называет коллапс, отлуп и внутренние трещины типичными дефектами водослоя.2
Отлуп — это расслоение вдоль годичных слоёв. Он почти всегда связан с бактериальным ослаблением древесины на корню, иногда с сильным ветром, а сушильные напряжения редко бывают достаточно велики, чтобы его вызвать. В камере с ним мало что можно сделать, кроме отбраковки поражённых бревен.2
Остаточные напряжения и испытание силовой секции
Остаточные напряжения («закалка») — это описанная выше остаточная деформация растяжения, всё ещё запертая в древесине в конце сушки. Доска выглядит идеально, но поверхность и центр борются друг с другом. Как только равновесие нарушается при ребровом распиле или продольном раскрое, части изгибаются или пропил смыкается и зажимает пилу. FPL связывает остаточные напряжения также с раскалыванием при строгании и плохим склеиванием.2
Их снимают кондиционированием в конце цикла сушки: кратковременно поднимают равновесную влажность воздуха в камере примерно до целевой влажности плюс 4 пункта при температуре около 82 °C, чтобы поверхностная зона снова поглотила влагу и расслабилась.2 В нашей статье о камерной сушке выравнивание и кондиционирование описаны шаг за шагом.
Проверяют их испытанием силовой секции («вилки»). Из доски вырезают тонкую поперечную секцию и распиливают её на зубцы: на три зубца с удалением среднего для досок тоньше примерно 4 см и на шесть зубцов с удалением второго и пятого для более толстых. Если наружные зубцы изгибаются внутрь, остаточные напряжения сохранились; при умеренных и сильных напряжениях зубцы смыкаются.2 Важно время. Градиент влажности в зубцах может имитировать или скрыть напряжения, поэтому FPL советует дать пиломатериалам остыть день-два перед испытанием или прогреть вырезанные зубцы в микроволновой печи 15 секунд, чтобы выровнять их влажность.2
Покоробленность: продольная по пласти и по кромке, крыловатость и поперечная
Покоробленность — это любое отклонение пласти или кромки от плоскости или прямого угла. Wood Handbook называет шесть видов: продольную покоробленность по пласти, продольную покоробленность по кромке, крыловатость, поперечную покоробленность, а также овальность и ромбовидность — искажения квадратных и круглых сечений.1 Покоробленность возникает из двух источников — различий между радиальной, тангенциальной и продольной усушкой и ростовых напряжений в дереве — и усиливается из-за неправильного строения волокон, ювенильной и реактивной древесины.1
Что вызывает каждый вид покоробленности
- Продольная покоробленность по пласти, изгиб по длине, как у лыжи, часто возникает из-за распиловки не параллельно коре и из-за плохой укладки: прокладки не на одной вертикали или слишком редко, прокладки разной толщины или неровное основание.2
- Продольная покоробленность по кромке, боковой изгиб вдоль кромки, следует из смещённых от центра годичных слоёв или кривых бревен: одна кромка усыхает по длине сильнее другой.2
- Крыловатость, когда углы пласти уже не лежат в одной плоскости, появляется у древесины со спиральным, волнистым, косым или свилеватым ходом волокон.2
- Поперечная покоробленность, изгиб по ширине, — естественная склонность досок тангенциальной распиловки. Сторона, обращённая к коре, всегда усыхает сильнее, чем обращённая к сердцевине, и эффект тем сильнее, чем ближе к сердцевине выпилена доска.2
Большая часть покоробленности, отмечает FPL, вызвана свойствами пиломатериалов, а не ошибками сушки. Её усиливает всё, что снова увлажняет поверхность во время сушки: пропарка холодных пиломатериалов при запуске, циклы реверса вентиляторов длиннее двух часов или слишком влажные режимы для частично высушенной древесины.2
Почему дуб и бук тангенциальной распиловки коробятся: отношение тангенциальной и радиальной усушки
Отношение тангенциального и радиального разбухания и усушки хорошо показывает, насколько сильно порода склонна к поперечной покоробленности. Для европейских пород Баварский государственный институт лесного хозяйства приводит около 2,2 для дуба и 2,1 для бука против 1,8 для ясеня и около 1,6 для липы.3,5
Именно поэтому доски радиальной распиловки, у которых широкие пласти лежат поперёк годичных слоёв, меньше коробятся, трескаются по поверхности и раскалываются при сушке и в эксплуатации.2 Этот выбор делается на пилораме ценой потерь выхода, как объяснено в нашей статье о тангенциальной, радиальной и полурадиальной распиловке.
Укладка, при которой доски остаются ровными
Прокладки и подштабельные брусья вместе удерживают пиломатериалы ровными во время сушки.2 Рекомендации FPL:
- Толщина прокладок. Обычно 19 мм и прежде всего одинаковая: прокладки разной толщины вызывают покоробленность. Каждые дополнительные 3 мм толщины прокладок снижают вместимость камеры примерно на 7 %.
- Шаг прокладок. Каждые 30–46 см для высших сортов пиломатериалов лиственных пород толщиной 25–38 мм (4/4–6/4), около 30 см для низших сортов и пород, склонных к короблению, а для пиломатериалов толще 38 мм обычно допустимо 60 см. При разной длине досок добавляйте прокладки в пределах 30 см от торцов штабеля.
- Выравнивание. Прокладки строго на одной вертикали, подштабельный брус под каждым рядом прокладок и ровное основание.
- Пригруз. Около 7 кПа сверху штабеля, что соответствует примерно 25 см бетона, сдерживает часть покоробленности, хотя при сушке лиственных пород пригруз применяют редко.2
Изменения цвета: окраски, которые появляются после строгания
Дефекты цвета важнее всего для светлой древесины и для дуба под прозрачными покрытиями. Одни из них химические, другие грибные, и некоторые остаются скрытыми, пока поверхность не простругают.1,2
Железистые пятна в дубе
Дуб богат дубильными веществами (танинами). Танин, вода и железо вступают в реакцию и образуют танат железа сине-чёрного цвета. Худший источник — конденсат, капающий с ржавой арматуры камеры или из паропроводов, из которых не стекает вода; при постоянном поступлении железа и воды окраска может проникать в пиломатериал глубже чем на 13 мм. Вилы погрузчиков, металлические ролики, стальная упаковочная лента и металлические опилки от заточки пил тоже оставляют пятна, но редко глубже 0,4 мм.2 Профилактика — убрать железо и проложить паропроводы с уклоном, чтобы вода стекала. Щавелевая кислота удаляет такие пятна с сырой и сухой древесины.2
Следы от прокладок и серая химическая окраска
Следы от прокладок — полоса более тёмной или более светлой древесины поперёк доски там, где лежала прокладка. Обычно они проявляются только после строгания.2 Несмотря на название, грибы в этом участвуют редко, и прокладки не являются причиной: FPL объясняет эти следы окислением природных веществ древесины, которое запускает медленная сушка, вероятно, медленнее 5 % влажности в сутки при 10–54 °C, пока влажность древесины выше 40 %.2 К близким химическим окраскам относятся внутреннее посерение, отмеченное особенно у клёна, каркаса, южных дубов и ясеня, и коричневая «кофейная» окраска, в основном у белого дуба.2 Глубокое серовато-коричневое изменение цвета может возникнуть у многих лиственных пород, если начальная сушка слишком медленная или первая температура в камере слишком высока.1
Средство — скорость в начале. Контрольный список FPL включает использование бревен, хранившихся в тёплую погоду меньше двух недель, укладку пиломатериалов в штабели не позднее 12 часов после распиловки, сухие прокладки влажностью 8–10 %, прокладки с пазами, защиту уложенных пиломатериалов от дождя, высокую скорость воздуха для светлой древесины и температуру в камере не выше 71 °C, кроме периодов выравнивания и кондиционирования.2
Синева и плесень
Синева — это гриб, который развивается во влажной заболони, когда сушка слишком медленная, особенно летом; её цвет — это цвет самого гриба. Она не снижает прочность древесины, но портит поверхности под прозрачной отделкой. Плесень живёт на грязи и пыли, а не на древесине. И то и другое предотвращают достаточно быстрой сушкой. Температура выше 54 °C тоже останавливает грибы, но такой нагрев слишком жёсток для многих пород, пока они ещё влажные.1,2
Во что обходятся дефекты сушки
FPL называет дефекты сушки зачастую самой дорогой статьёй при сушке пиломатериалов лиственных пород.2 Чаще всего цитируемые цифры стары, но показательны: в исследовании в Пенсильвании пиломатериалов сорта No. 1 Common толщиной 25–32 мм, высушенных атмосферной сушкой на типичных открытых складах, потери стоимости составили 6 % для жёлтой берёзы, 8 % для американской липы, 13 % для красного дуба, 14 % для твёрдого клёна и 15 % для белого дуба, не считая усушки.2 Сопоставимых современных данных для европейских пород мы не нашли.
Потери не заканчиваются в сушильной камере. По оценке FPL, около 90 % дефектов обработки и склеивания — от ворсистости до раскрывшихся клеевых швов — можно устранить правильной сушкой, а целевую конечную влажность FPL устанавливает на уровне равновесной влажности в месте эксплуатации плюс-минус 2 пункта.2 Наша статья о влажности древесины и равновесной влажности объясняет, как задать эту цель.
Дефекты сушки вкратце: причина и профилактика
| Дефект | Основная причина | Профилактика |
|---|---|---|
| Поверхностные трещины | Поверхность слишком быстро сохнет в начале: слишком низкая относительная влажность, слишком быстрый воздух | Мягкий старт (≤43 °C, ≥87 % относительной влажности на стадии I); острая пила; сырые пиломатериалы — в тени |
| Торцевые трещины и расколы | Торцы сохнут вдоль волокон в 10–15 раз быстрее | Немедленное торцевое покрытие; прокладки у торцов досок; штабели торец к торцу |
| Внутренние трещины | Углубление поверхностных или торцевых трещин; центр влажный при подъёме температуры | Не допускать поверхностных трещин; осторожно с толстыми пиломатериалами, пока влажность центра >28 % |
| Коллапс | Очень влажная древесина высушена быстро или при высокой температуре; водослой | Низкая начальная температура; отбраковка водослоя |
| Отлуп | Бактериальное ослабление или ветер у растущего дерева | При сушке мало что можно сделать; сортировка бревен |
| Остаточные напряжения | Остаточная деформация растяжения, сохранившаяся в конце сушки | Выравнивание, затем кондиционирование при целевой влажности + 4; испытание силовой секции |
| Покоробленность по пласти, по кромке, крыловатость | Строение волокон, ростовые напряжения, реактивная древесина, плохая укладка | Распиловка параллельно коре; одинаковые прокладки 19 мм на одной вертикали |
| Поперечная покоробленность | Тангенциальная усушка примерно вдвое больше радиальной | Радиальная распиловка; не допускать повторного увлажнения при сушке |
| Железистые пятна (дуб) | Железо + танин + вода | Никаких ржавых капель и контакта со сталью; паропроводы со стоком воды |
| Следы от прокладок, серая окраска | Медленная начальная сушка влажной древесины | Свежие бревна; укладка в течение 12 ч; сухие прокладки; хорошая циркуляция воздуха |
| Синева, плесень | Грибы во влажной заболони при медленной сушке | Быстрая начальная сушка; чистое оборудование |
Источник: Составлено SARAL по Bergman (2021), Wood Handbook FPL-GTR-282, глава 13, и Denig, Wengert & Simpson (2000), FPL-GTR-118, главы 3, 4, 8 и 9 и таблица 9.1.
Как мы предотвращаем дефекты сушки на SARAL
Как проверить поставку пиломатериалов лиственных пород камерной сушки
- Осмотрите торцы. Торцевые трещины и расколы видны сразу. Длинные расколы, начинающиеся от торцов, часто скрывают внутренние трещины дальше в глубине.
- Простругайте несколько досок. Поверхностные трещины, следы от прокладок и серая химическая окраска часто проявляются только после строгания. Строгание образца из середины пакетов занимает несколько минут.
- Сделайте поперечный рез контрольной доски. Рез на достаточном расстоянии от торца выявит внутренние трещины и даст секцию для испытания силовой секции.
- Проведите испытание силовой секции, если вы будете распиливать древесину по толщине или вдоль. Дайте секции стабилизироваться, прежде чем оценивать результат.
- Измерьте влажность не менее чем у 10 % деталей и сравните её с согласованной целевой влажностью и допуском.
- Проверьте плоскостность нескольких досок на продольную покоробленность по пласти и кромке, крыловатость и поперечную покоробленность и поищите тёмные следы там, где дуба касались стальная лента или вилы погрузчика.
- Запросите протоколы сушки: режим, конечную влажность контрольных образцов и проводились ли выравнивание и кондиционирование.
Часто задаваемые вопросы
Почему древесина трескается при сушке?
Потому что поверхность высыхает и усыхает раньше, чем внутренняя часть. Влажная сердцевина сдерживает усыхающую поверхность, и та оказывается растянутой; если растяжение превышает прочность древесины поперёк волокон, она трескается. Торцы трескаются первыми, потому что влага уходит вдоль волокон в 10–15 раз быстрее, чем поперёк.1
Чем трещина отличается от раскола?
Трещина — это разрыв вдоль волокон, образующийся при сушке на поверхности, на торце или внутри доски. Раскол проходит через деталь насквозь от одной пласти к другой, обычно от торца. Сильные торцевые трещины становятся расколами; глубокие поверхностные трещины могут превратиться во внутренние.2
Как высушить дуб без трещин?
Защищайте его от солнца и ветра с момента распиловки, сразу покрывайте торцы, укладывайте на одинаковые прокладки и в начале сушите медленно: по рекомендациям FPL — начало камерной сушки при температуре не выше 43 °C и относительной влажности 87 % и выше, при умеренной скорости воздуха, пока древесина не потеряет треть влаги.2 Дуб радиальной распиловки трескается меньше, чем тангенциальной.
Какая древесина меньше всего трескается при сушке?
Наиболее «прощают ошибки» породы с умеренной усушкой, низким отношением тангенциальной и радиальной усушки и без крупных сердцевинных лучей. Среди европейских лиственных пород липа (около 1,6) и ясень (1,8) мягче в сушке, чем дуб (2,2) и бук (2,1).3,5 Внутри любой породы доски радиальной распиловки трескаются и коробятся меньше, чем доски тангенциальной.2
