|
|
Древесина, как природный полимер,
обладает упруго-вязкими свойствами: в нагретом влажном состоянии она легко
деформируется как упруго-вязкое тело, а в сухом состоянии в большей мере —
как упругое.
В зависимости от назначения древесины различают следующие
ее состояния по' влажности: 1) влажная — не подвергавшаяся сушке; 2)
транспортно-сухая — с влажностью не выше 22%, при которой плотно уложенные
пиломатериалы можно перевозить в летнее время без опасения поражения их
грибами; 3) эксплуатационно-сухая, когда влажность древесины соответствует
требуемой в условиях ее эксплуатации; 4) технически сухая, когда ее влажность
соответствует норме технических условий на сушку материала для данного его
назначения (например, для стройдеталей 10—12%, для мебели 6—8% и т. д.). Эта
влажность не всегда соответствует эксплуатационной — древесину несколько
пересушивают.
Проявление реологических свойств "др^Йвесины во время
сушки может быть представлено следующим опытом, наглядно отражающим
закономерность всего сушильного процесса. Если отрезать небольшой кусок сырой
доски (1—2 см по длине волокон), расколоть его продольно на два слоя ( 35,
а), а затем, закрепив попарно их концы и нагрев древесину, медленно, в
несколько приемов, расклинить посередине ( 35, б), слои в результате
приложения сил изогнутся, т. е. в них возникнут деформации и напряжения,
снаружи растягивающие (знак +), внутри сжимающие (знак —). При больших
растягивающих деформациях снаружи в слоях могут появиться трещины ( 35, в).
Однако в этом опыте древесину не доводят до разрушения. Подсушенные
напряженные слои останутся изогнутыми даже после того, как усилия будут
устранены ( 35, г). Несмотря на изгиб, в древесине не окажется упругих
деформаций и, следовательно, не будет напряжений. Если затем оба изогнутых
слоя продольно разрезать на пластинки и выровнять их с одного конца,
пластинки окажутся разной длины: в середине короче, а по краям длиннее ( 35,
д), хотя влажность их будет одинаковой. Объясняется это тем, что снаружи
слоев действовали растягивающие упругие напряжения и деформации (см. 35, б),
создававшие давление на клин, превратившиеся в необратимые, остаточные,
растянув наружную их зону. Во внутренней зоне проявлялись сжимающие упругие
деформации, которые тоже перешли в необратимые, остаточные, сократив размер
древесины (независимо от усушки, дополнительно к ней).
Отсюда следует, что под воздействием упругих деформаций
древесина, как упруго-вязкое тело, может остаточно растягиваться или
упрессовываться, особенно во влажном и нагретом состоянии. При этом упругая
деформация самопроизвольно переходит в остаточную, фиксируя новый размер
тела. Такова реологическая характеристика первой стадии сушки, когда
возникает опасность появления в пиломатериалах наружных трещин.
Если, не разрезая обоих изогнутых слоев на пластинки,
попытаться выпрямить их ( 35, е), в наружной зоне появятся сжимающие, а во
внутренней — растягивающие упругие деформации. В случае приложения
значительных усилий растягивающие упругие деформации во внутренней зоне слоев
могут привести к внутренним трещинам ( 35, ж). Если сжимать постепенно, а
древесину предварительно увлажнить и нагреть, внутренние трещины не появятся
и высушенные зажатые в плоском состоянии слои постепенно станут прямыми ( 35,
з). Разрезав их на пластинки ( 35, и), можно установить, что длина всех
пластинок одинакова, как и в начале опыта. Это значит, что во внутренней зоне
слоев возникла остаточная деформация растяжения, а в наружной — сжатия, т. е.
произошло явление, противоположное ранее наблюдавшемуся (см. 35, д). В этом
схематически заключается реологическая характеристика второй стадии сушки,
когда существует опасность возникновения в /толстых пиломатериалах внутренних
трещин, напоминающих раковины в металлолитье.
Возникшие при расклинивании слоев растягивающие упругие
деформации снаружи и сжимающие во внутренней зоне по мере накопления
остаточных деформаций растяжения и сжатия древесины (см. 35, б) постепенно
спадают, происходит их релаксация. Они становятся в конце подсушки настолько
малы, что слои будут слабо нажимать на клин, и он может выпасть (см. 35, г). Такое же постепенное уменьшение (релаксация) растягивающих упругих деформаций во внутренней
зоне слоев и сжимающих в наружной происходит и после их выпрямления и досушки
древесины (см. 35, е).
Сущность релаксации именно в переходе упругих деформаций в
остаточные. Релаксация упругих деформаций (следовательно, напряжений в
древесине) проявляется во многих случаях ее применения в напряженном
состоянии. Например, гвозди, забитые во влажную древесину, со временем,
особенно если древесина просохла, выдергиваются в 3—4 раза легче, чем сразу
после забивки. Сила же, необходимая для выдергивания гвоздей, забитых в сухую
древесину, остается почти постоянной во времени. Этим также объясняется, что
медленное гнутье древесины, в частности поперек волокон, приводит к меньшему
' излому (происходит частичная релаксация напряжений во времени), чем быстрое
гнутье. Релаксация протекает сначала по круто нисходящей (экспоненциальной)
кривой, затем приближающейся к своей горизонтальной асимптоте.
Для реального процесса сушки схема развития упругих
деформаций (напряжений) в поверхностной зоне материала показана на 36, в. В
начале сушки возникает растяжение ( + ) материала с опасностью наружного ело
растрескивания, а во второй стадии сжатие (—) поверхности, следовательно,
растяжение в центральной зоне и создается опасность внутреннего
растрескивания (раковин). Точки 1—6 показывают последовательность развития
напряжений в процессе сушки: 1—2 — отсутствие напряжений, 2—3 — их
нарастание, 3—4 — спадание их до нуля, 4—5 нарастание сжимающих напряжений и
5—6 — их постепенное спадание (релаксация).
Из рассмотренных закономерностей следуют существенные
выводы для теоретических анализов и методик построения рациональных процессов
сушки древесины: в начале первой стадии сушки, кюгда возникает опасность
торцового растрескивания пиломатериалов, определяющим реологическим
параметром процесса является модуль упругости Е; затем, в первой стадии
сушки, воздействует суммарный параметр Е+Н с возрастающим влиянием Н, а во
второй стадии сушки в процессе участвуют в основном остаточные деформации
(влияние И).
В поверхностной зоне материала напряжения будут
положительными в первой и отрицательными во второй стадии сушки ( 36, е), а
остаточные деформации — только положительные. Они нарастают в первой и
уменьшаются во второй стадии сушки ( 36, г); точка 4 — их максимум (соответствует нулевым напряжениям на 36, в).
Кривая на 36, г получена в результате интегрирования
кривой на 36, в. Участок 2—3 на 36, г (вогнутый) показывает быстрое увеличение остаточных деформаций к концу первой стадии, а участок 4—6 (выпуклый) —
медленное спадание этих деформаций в начале второй стадии сушки (от точки 4).
Таким образом, остаточные деформации порождаются упругими и следуют за ними
по скорости нарастания. Их конечная величина зависит от продолжительности
действия и величины упругих деформаций.
Зависимость мгновенного модуля упругости древесины от ее
влажности обратная. Она близка к линейной. Сильно выражена обратная
зависимость мгновенного модуля упругости от температуры t. С повышением
температуры и влажности древесины упругие деформации уменьшаются быстрее,
переходя в остаточные как в закрепленном на концах стержне, так и в сечении
пиломатериалов, в которых упругие деформации возникли в процессе сушки (см.
35, ж, з).
Свойства древесины как упруго-вяз $го тела необходимо
знать потому, что один из основных дефектов сушки — внутренние трещины
(раковины) — может быть объяснен только образованием и накоплением остаточных
деформаций в нагретой влажной древесине. По этой причине наружные трещины в
начале сушки часто не возникают даже при большом перепаде влажности по
толщине сортимента. Кроме того, вследствие проявления остаточных деформаций
изменяется величина усушки и предотвращается коробление правильно уложенного
(закрепленного между прокладками) материала. Это важное свойство древесины
должно быть правильно использовано в целях более качественного ее
высушивания.
При рассмотрении процессов сушки древесины удобнее
анализировать упругие деформации (а не напряжения) поскольку: а) остаточные
напряжения не реальны; б) во многих случаях отпадает необходимость в
определении модулей упругости (достаточно измерить предельные деформации); в)
более доступным для анализа становится явление релаксации — перехода упругих
деформаций в остаточные при постоянной их суммарной величине.
|