Влажность и равновесная влажность: два разных числа
Останется ли столешница плоской, а ступень без щели, решают два числа. Первое — влажность самой древесины. Второе — равновесная влажность: влажность, к которой древесина приходит в данном климате, то есть точка, в которой она не набирает и не теряет воду.1 Проблемы начинаются, когда эти два числа сильно расходятся, потому что древесина сократит этот разрыв, что бы кто ни хотел.
Как рассчитывается влажность
Влажность — это масса воды в куске древесины, делённая на массу того же куска в абсолютно сухом состоянии, умноженная на 100.1 Поскольку база — сухая древесина, а не влажный образец, значение может превышать 100 %. У свежесрубленной древесины так часто и бывает: FPL приводит среднюю влажность свежесрубленной древесины американских пород 55 % в ядре и 72 % в заболони у американского бука, 64 и 78 % у белого дуба, 46 и 44 % у белого ясеня, а у очень влажных пород она превышает 200 %.1 Формула важна при сравнении цифр: для дров влажность часто указывают относительно исходной массы влажной древесины, что даёт меньшее значение для того же полена.2
Свободная вода, связанная вода и предел насыщения клеточных стенок
Вода находится в древесине в двух местах. Свободная вода заполняет полости клеток; связанная удерживается внутри клеточных стенок. Влажность, при которой стенки насыщены, а полости пусты, называется пределом насыщения клеточных стенок. В среднем он составляет около 30 %, хотя различается на несколько процентных пунктов между породами, между образцами и в зависимости от метода измерения.1 Выше этого предела потеря воды почти ничего не меняет, кроме массы. Ниже него древесина при высыхании усыхает, а при поглощении влаги разбухает, и её прочностные свойства меняются. Всё, о чём идёт речь в этой статье, происходит ниже предела насыщения клеточных стенок; как древесина туда попадает, рассказывает наша статья о камерной и атмосферной сушке.
Равновесная влажность: что воздух делает с древесиной
Древесина, защищённая от дождя и источников тепла, принимает влажность, которую задают относительная влажность и температура окружающего воздуха. Суточные колебания затрагивают в основном поверхность; сезонные доходят до всего сечения. Покрытия, такие как лак или краска, замедляют обмен, но не останавливают его.1
Таблица равновесной влажности: температура × относительная влажность
Лаборатория лесных продуктов США (FPL) публикует зависимость равновесной влажности от влажности и температуры воздуха ещё с периода до 1920 года. Актуальная версия — таблица 4-2 справочника Wood Handbook, рассчитанная по уравнению, аппроксимирующему исторические данные.1 Строки ниже охватывают температуры, при которых древесину обычно хранят, обрабатывают и эксплуатируют.
| Температура воздуха | 20 % | 30 % | 40 % | 50 % | 60 % | 65 % | 70 % | 80 % | 90 % |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4,4 °C (40 °F) | 4,6 | 6,3 | 7,9 | 9,5 | 11,3 | 12,3 | 13,5 | 16,5 | 21,0 |
| 10,0 °C (50 °F) | 4,6 | 6,3 | 7,9 | 9,5 | 11,2 | 12,3 | 13,4 | 16,4 | 20,9 |
| 15,6 °C (60 °F) | 4,6 | 6,2 | 7,8 | 9,4 | 11,1 | 12,1 | 13,3 | 16,2 | 20,7 |
| 21,1 °C (70 °F) | 4,5 | 6,2 | 7,7 | 9,2 | 11,0 | 12,0 | 13,1 | 16,0 | 20,5 |
| 26,7 °C (80 °F) | 4,4 | 6,1 | 7,6 | 9,1 | 10,8 | 11,7 | 12,9 | 15,7 | 20,2 |
| 32,2 °C (90 °F) | 4,3 | 5,9 | 7,4 | 8,9 | 10,5 | 11,5 | 12,6 | 15,4 | 19,8 |
Точность 0,1 % показывает лишь тенденции: реальные значения различаются по породам и в зависимости от предыстории сорбции на один-два пункта. Источник: Glass & Zelinka (2021), Wood Handbook FPL-GTR-282, глава 4, таблица 4-2. Значения получены в основном для ситхинской ели; строки в °F — как опубликовано.
Как читать таблицу: влажность воздуха важна, температура — почти нет
Выделяются две закономерности. Во-первых, почти всё определяет относительная влажность воздуха. При температуре около 21 °C влажность древесины составляет около 4,5 % при 20 % относительной влажности, 9,2 % при 50 % и 20,5 % при 90 %. Во-вторых, в диапазоне температур помещений температура почти не играет роли: при 50 % относительной влажности равновесная влажность составляет 9,5 % при 4 °C и 9,1 % при 27 °C.1 Поэтому гигрометр — самый полезный прибор на складе древесины, и поэтому отапливаемое помещение для древесины сухое: нагрев воздуха снижает его относительную влажность.
Показать данные
| Относительная влажность воздуха | Равновесная влажность |
|---|---|
| 20 % | 4,5 % |
| 25 % | 5,4 % |
| 30 % | 6,2 % |
| 35 % | 6,9 % |
| 40 % | 7,7 % |
| 45 % | 8,5 % |
| 50 % | 9,2 % |
| 55 % | 10,1 % |
| 60 % | 11,0 % |
| 65 % | 12,0 % |
| 70 % | 13,1 % |
| 75 % | 14,4 % |
| 80 % | 16,0 % |
| 85 % | 17,9 % |
| 90 % | 20,5 % |
Целевое значение для мебели около 8 % соответствует примерно 40–45 % относительной влажности воздуха. Источник: Glass & Zelinka (2021), Wood Handbook FPL-GTR-282, глава 4, таблица 4-2.
Кривая объясняет и то, почему целевые значения для мебели группируются около 8 %. Это равновесная влажность при относительной влажности воздуха примерно 40–45 % — диапазоне отапливаемого жилья зимой. Доска влажностью 12 % находится в равновесии примерно с 65 % относительной влажности, то есть с влажным летом, неотапливаемым зданием или крытым складом.
Почему таблица — ориентир, а не закон
FPL прямо указывает, что точность её таблицы до 0,1 % лишь иллюстрирует тенденции. Значения получены в основном для ситхинской ели — хвойной породы, а реальная равновесная влажность различается между породами и между образцами одной породы. При низкой и умеренной влажности воздуха различия между породами невелики, а при высокой становятся значительными: древесина, богатая экстрактивными веществами, как правило, имеет более низкую равновесную влажность.1
Важна и предыстория. Древесина, которая высыхает до определённой влажности воздуха, приходит к более высокой влажности, чем древесина, которая набирает влагу до той же влажности воздуха. Это явление называется гистерезисом сорбции. Табличные значения лежат посередине между двумя состояниями, что делает их практичным компромиссом, когда неизвестно, в какую сторону движется влажность древесины.1 На практике читайте таблицу как «плюс-минус один-два пункта».
Европейские источники хорошо с ней согласуются. Немецкая ассоциация производителей клеев (IVK) публикует таблицу равновесной влажности для 20 °C, в которой приводится 7,5 % при 40 % относительной влажности, 9,1 % при 50 % и 12,0 % при 65 % — в пределах нескольких десятых от значений FPL.5
Климат в помещении в течение года
Влажность воздуха в помещении не постоянна. В Центральной и Восточной Европе она падает зимой, когда холодный наружный воздух поступает внутрь и нагревается, и растёт летом. Немецкий эксперт по древесине в публикации для Deutsche Handwerks Zeitung называет нормальной для помещений летом относительную влажность 55–60 %, тогда как зимнее проветривание уже снижает её до 40–45 %, а при более интенсивном проветривании — ещё ниже; он предупреждает, что увлажнение зимой значительно выше 50 % грозит появлением плесени.6
Если сопоставить это с таблицей равновесной влажности, такой цикл ежегодно переводит древесину мебели примерно между 8 и 11 % влажности. Сухая, хорошо отапливаемая зима с относительной влажностью 30 % опускает её примерно до 6 %; влажное лето с 65 % поднимает примерно до 12 %.1,6
Высушить древесину «за пределы» этого цикла невозможно. Лучшее, что может сделать производитель, — поставить её с влажностью в середине диапазона, который зададут помещения заказчиков, и спроектировать соединения и щиты так, чтобы они выдерживали колебания в обе стороны.
Насколько деформируется древесина при изменении влажности
Ниже предела насыщения клеточных стенок древесина усыхает и разбухает по-разному в каждом направлении. Тангенциальное формоизменение, вдоль годичных слоёв, примерно вдвое больше радиального, поперёк слоёв. Продольное формоизменение, вдоль волокон, мало: 0,1–0,2 % от свежесрубленного до абсолютно сухого состояния для большинства пород, хотя у ювенильной и реактивной древесины может достигать 2 %.1
Формоизменение на процентный пункт: европейские значения
Для европейских пород Баварский государственный институт лесного хозяйства (LWF) публикует коэффициенты усушки — изменение размера на один процентный пункт влажности в диапазоне от 5 до 20 %. Для бука (Fagus sylvatica) это 0,41 % в тангенциальном и 0,20 % в радиальном направлении; для дуба (Quercus robur) — 0,36 и 0,16 %; для липы — 0,24–0,32 и 0,15–0,23 %.3 Для ясеня (Fraxinus excelsior) тот же институт приводит 0,38 и 0,21 %.7 В других сводках цифры немного отличаются, поэтому ко второму знаку после запятой относитесь с осторожностью.5
Пример расчёта: щит 500 мм при изменении влажности с 6 до 12 %
Изменение ширины равно ширине × коэффициент × изменение влажности. Буковый щит шириной 500 мм из ламелей тангенциальной распиловки при изменении влажности с 6 до 12 % разбухает на 500 × 0,0041 × 6 ≈ 12,3 мм. Тот же щит из бука радиальной распиловки разбухает примерно на 6 мм. Даже более типичное сезонное колебание на три пункта, с 8 до 11 %, меняет ширину букового щита тангенциальной распиловки примерно на 6 мм.3
Показать данные
| Тангенциальная распиловка | Радиальная распиловка | |
|---|---|---|
| Бук | 12,3 мм | 6,0 мм |
| Дуб | 10,8 мм | 4,8 мм |
| Ясень | 11,4 мм | 6,3 мм |
Реальные доски редко бывают чисто тангенциальной или чисто радиальной распиловки; мебельный щит со смешанной ориентацией годичных слоёв находится между двумя значениями. Источник: Коэффициенты по Grosser & Ehmcke (2016), LWF Wissen 78, таблица 3 (бук 0,41/0,20, дуб 0,36/0,16 % на 1 % влажности) и Grosser (2001), LWF Wissen 34, таблица 3 (ясень 0,38/0,21). Расчёт SARAL.
FPL использует тот же метод со своими коэффициентами изменения размеров для американских пород. Её тангенциальный коэффициент для американского бука, 0,00431 на пункт влажности, почти совпадает с европейским значением. FPL добавляет, что реальные доски редко бывают чисто тангенциальной или чисто радиальной распиловки, поэтому расчёт по тангенциальному коэффициенту, вероятно, завысит изменение ширины.2 Мебельный щит со смешанной ориентацией годичных слоёв находится между двумя столбцами диаграммы.
Почему важен вид распиловки
По европейским меркам бук деформируется сильно, поэтому буковым щитам и столешницам нужен либо стабильный климат в помещении, либо конструкция, позволяющая им двигаться. Дуб деформируется меньше, а древесина радиальной распиловки любой из этих пород уменьшает изменение ширины примерно вдвое. Как вид распиловки выбирают на пилораме и чего он стоит в выходе, рассказывает наша статья о тангенциальной, радиальной и полурадиальной распиловке.
Целевая влажность для мебели, полов и столярных изделий
Правило FPL простое: устанавливайте древесину с той влажностью, которую она будет иметь в эксплуатации. Тогда сезонные изменения, а значит и формоизменение после монтажа, будут минимальными.2 Ниже приведены опубликованные справочные значения.
| Назначение | Среднее | Отдельные детали | Источник |
|---|---|---|---|
| Внутренняя отделка, полы, мебель, погонаж (большинство регионов США) | 8 % | 6–10 % | FPL, табл. 13-2 |
| То же, сухие отапливаемые регионы (юго-запад США) | 6 % | 4–9 % | FPL, табл. 13-2 |
| То же, влажные тёплые прибрежные регионы | 11 % | 8–13 % | FPL, табл. 13-2 |
| Наружная обшивка, наружный погонаж, обшивочные плиты, клеёная древесина | 12 % | 9–14 % | FPL, табл. 13-2 |
| Лиственные породы для мебели, полов, корпусных изделий, столярки (цель сушки) | 6–8 % | – | FPL, гл. 13 |
| Большинство лиственных пород, эмпирическое правило сушки | 6,5–7,0 % | небольшой разброс | FPL-GTR-118 |
| Древесина в жилых помещениях (немецкая клеевая промышленность) | ≈8 % | – | IVK TKH-3 |
| Погонаж и полы в зданиях с эпизодическим отоплением | 12–18 % | – | FPL-GTR-118 |
| Американские пиломатериалы лиственных пород на экспорт в Европу (типично, при отгрузке) | 10–13 % | – | FPL-GTR-118 |
EN 942 (столярные изделия) приводит собственные ориентировочные значения в справочном приложении; здесь они не воспроизводятся, так как стандарт платный. Источник: Bergman (2021), Wood Handbook FPL-GTR-282, глава 13, таблица 13-2 и текст; Denig, Wengert & Simpson (2000), FPL-GTR-118, главы 4 и 9 и таблица 1.4; IVK (2024), TKH-Merkblatt 3.
Мебель и столярные изделия для интерьера
Для внутренней отделки, полов, мебели и погонажа на большей части территории США FPL рекомендует среднюю влажность при монтаже 8 % при разбросе отдельных деталей от 6 до 10 %. В очень сухих отапливаемых регионах среднее значение снижается до 6 %, во влажных прибрежных регионах повышается до 11 %.2 Древесину лиственных пород для мебели, корпусных изделий и столярки обычно сушат в камере до 6–8 %, чуть ниже эксплуатационного уровня, потому что во время обработки, транспортировки и монтажа древесина немного набирает влагу.2 Руководство FPL по сушке древесины лиственных пород идёт дальше: по эмпирическому правилу большинство лиственных пород следует сушить до средней влажности 6,5–7,0 % с небольшим разбросом.8 Немецкая клеевая промышленность исходит примерно из 8 % для древесины в жилых помещениях.5
Полы и лестницы
Элементы полов и лестниц относятся к той же категории изделий для интерьера. Проблемы с ними обычно связаны не с влажностью при поставке, а с тем, что происходит на объекте. Чек-лист FPL для готовых напольных покрытий: при поступлении измеряйте влагомером произвольно выбранные элементы, поставляйте материал только после высыхания кладки и штукатурки, сначала запускайте отопление, вскрывайте пачки внутри здания и примерно за три дня до укладки поддерживайте в доме температуру примерно на 8 °C выше наружной.2 Сторону продукта разбирает наша статья о ступенях из массива дуба.
Столярные изделия, окна и наружные работы
Для наружной обшивки, наружного погонажа и клеёной древесины на большей части территории США рекомендуемая средняя влажность — 12 % (9–14 % для отдельных деталей).2 Погонаж и полы для зданий, которые отапливаются лишь эпизодически, следует сушить до 12–18 %.8 В Европе EN 942 о древесине в столярных изделиях содержит справочное приложение «Рекомендации по влажности древесины в столярных изделиях», в котором значения задаются по условиям эксплуатации — от наружных столярных изделий до помещений с постоянным отоплением.9 Стандарт платный, поэтому указывайте его класс в договоре и спрашивайте поставщика, по какому значению он работает.
Склеивание: правило двух пунктов
Склеиваемые детали должны иметь почти одинаковую влажность. Руководство IVK для дисперсионных (ПВА) клеев допускает разницу между деталями не более 2 процентных пунктов, и FPL применяет тот же предел в 2 пункта к слоям клеёного элемента.2,5 Иначе после прессования каждая ламель деформируется по-своему, что нагружает клеевой шов и коробит деталь. Это касается каждого мебельного щита.
Почему «камерной сушки» — не спецификация влажности
Камерная сушка задаёт исходную точку, а не постоянное состояние. Древесина, выходящая из камеры с влажностью 8 %, начинает двигаться к равновесной влажности того места, где её хранят. FPL измерила, насколько быстро: плотно уложенная древесина лиственных пород камерной сушки с влажностью 8 % и ниже, хранившаяся на открытом складе под хорошей крышей штабеля в тёплую влажную погоду, набирала около 2 процентных пунктов в месяц в первые 45 дней и около 1 пункта в месяц после этого. Под открытыми навесами скорость составляла около 1 пункта в месяц, в закрытых складах — около 0,3 пункта. Сухой материал в трюме судна за обычный рейс, как правило, набирает около 1,5 пункта.2
Импортную древесину тоже не всегда сушат до мебельной влажности. Руководство FPL по сушке указывает типичную конечную влажность 10–13 % для американских пиломатериалов лиственных пород, экспортируемых в Европу.8 Для дальнейшей переработки это допустимо, если покупатель об этом знает и досушивает или кондиционирует древесину.
Последствия обходятся дорого. То же руководство оценивает, что, вероятно, 75 % производственных проблем на мебельных и корпусных производствах связаны с неправильной влажностью, причём почти во всех случаях древесина слишком влажная.8 Оно также указывает, что «6–8 %» — формулировка неоднозначная: должна ли в этот диапазон попадать каждая деталь или только среднее значение? Относится ли он к сердцевине или ко всей детали?8 Хороший заказ отвечает на эти вопросы.
Измерение влажности: сушильно-весовой метод и влагомеры
В Европе влажность пиломатериалов измеряют по трём частям EN 13183. Часть 1 — сушильно-весовой метод, эталонный. Часть 2 описывает оценку кондуктометрическим влагомером (по электрическому сопротивлению), часть 3 — оценку диэлькометрическим (ёмкостным) влагомером.4 Части 2 и 3 — методы «оценки»: их калибруют по результату сушильно-весового метода, и достоверность они наследуют только при правильном применении.
Сушильно-весовой метод (EN 13183-1)
Принцип везде одинаков. По методике FPL берут полные поперечные срезы длиной 25 мм не ближе 500 мм от торца доски, потому что торцы быстрее высыхают и намокают. Каждый образец сразу взвешивают, сушат при 101–105 °C до тех пор, пока его масса перестанет заметно меняться между взвешиваниями с интервалом в три часа, что занимает 12–48 часов, и взвешивают снова.2 Метод медленный и разрушающий, но именно по нему проверяют каждый влагомер, и операторы сушильных камер применяют его к контрольным образцам.
Кондуктометрические (игольчатые) влагомеры (EN 13183-2)
Игольчатые влагомеры измеряют электропроводность между двумя иглами, вбитыми в древесину. Чем влажнее древесина, тем лучше она проводит ток. Несколько практических замечаний от FPL:2
- Диапазон. Показания надёжны примерно от 6 до 30 % влажности. Выше 30 % они только качественные.
- Глубина. Изолированные иглы измеряют только на кончиках. В высыхающей доске, которая внутри влажнее, погружение игл на одну пятую — одну четвёртую толщины даёт примерно среднюю влажность детали. Неизолированные иглы показывают самую влажную точку по своей длине, поэтому доска, попавшая под дождь, кажется влажнее, чем есть.
- Температура. Прибавляйте около 0,5 процентного пункта на каждые 5,6 °C, на которые древесина холоднее температуры калибровки прибора, и вычитайте столько же, когда она теплее.
- Порода. Применяйте поправку на породу, прилагаемую к прибору.
Диэлькометрические (безыгольные) влагомеры (EN 13183-3)
Безыгольные влагомеры измеряют диэлектрические свойства древесины через датчик, прижатый к поверхности. Они не оставляют отверстий и работают быстро, поэтому их обычно используют для проверки напольных покрытий и готовых деталей. Их поле сильнее всего у поверхности, поэтому на показания в основном влияют наружные слои, и влажная сердцевина может остаться незамеченной. Им нужна настройка на плотность или породу, а надёжный диапазон — примерно от 4 до 30 %.2
Насколько точен влагомер и сколько деталей нужно измерить?
При правильном применении к партии древесины, высушенной до равномерной влажности ниже предела насыщения клеточных стенок, среднее из скорректированных показаний влагомера должно отличаться от истинного среднего не более чем на один процентный пункт.2 Одно измерение на одной доске мало что доказывает. FPL рекомендует проверять не менее 10 % деталей каждой позиции; если среднее значение отличается от целевого не более чем на один пункт и каждая деталь укладывается в индивидуальные пределы, партия, вероятно, удовлетворительна.2
Как мы управляем влажностью в SARAL
Как указать влажность в заказе: чек-лист покупателя
- Укажите целевое значение и допуск. Например, «в среднем 8 %, все детали в пределах 6–10 %» по значениям FPL для интерьера. Уточните, относится ли допуск к среднему значению или к каждой детали.
- Назовите метод измерения. Сушильно-весовой метод (EN 13183-1), кондуктометрический влагомер (EN 13183-2) или диэлькометрический влагомер (EN 13183-3), с указанием применённых поправок на породу и температуру.
- Спросите о кондиционировании. Если древесина будет повторно раскраиваться или склеиваться, уточните, проводились ли выравнивание влажности и кондиционирование загрузки. Оба шага объясняются в нашей статье о камерной сушке.
- Проверьте хранение и транспортировку. Крытое закрытое хранение и упакованные пачки сохраняют влажность, достигнутую в камере. Открытые склады — нет.
- Измеряйте при поступлении. Проверьте не менее 10 % деталей до обработки, склеивания или монтажа и, если древесине нужно акклиматизироваться, держите её на прокладках в том помещении, где она будет эксплуатироваться.
- Проектируйте с учётом колебаний. Закладывайте сезонное изменение на три пункта и более в отапливаемых помещениях. Щитам, столешницам и ступеням нужны крепления, позволяющие им двигаться.
Часто задаваемые вопросы
Какой влажности должна быть древесина для мебели?
Для мебели в отапливаемых помещениях ориентируйтесь на среднюю влажность около 8 % при разбросе отдельных деталей от 6 до 10 %; древесину лиственных пород для мебели обычно сушат в камере до 6–8 %.2 В очень сухом, постоянно отапливаемом помещении надёжнее нижняя граница диапазона.
Какова равновесная влажность древесины при относительной влажности воздуха 50 %?
При температуре около 20–21 °C древесина в равновесии с относительной влажностью воздуха 50 % имеет влажность около 9,2 %. При 40 % — около 7,7 %, при 60 % — около 11 %.1 Порода и предыстория сорбции могут сдвинуть эти значения на один-два пункта.
Точен ли безыгольный влагомер?
Да, в своих пределах. Диэлькометрические влагомеры надёжно показывают влажность примерно от 4 до 30 % после настройки на породу или плотность, но измеряют в основном наружные слои, поэтому влажная сердцевина может остаться незамеченной. Для высыхающей древесины больше скажет изолированный игольчатый влагомер, погружённый на четверть толщины, или сушильно-весовой метод.2
Не слишком ли высока влажность 12 % для мебели в интерьере?
Для отапливаемых помещений — да. Древесина влажностью 12 % находится в равновесии примерно с 65 % относительной влажности воздуха.1 В помещении, где зимой 40–45 %, она будет подсыхать до 8 % и при этом усыхать, раскрывая соединения и образуя щели.1,6
