Напряжение в древесине при сушке

Внутренние напряжения – это напряжения, которые не связаны с воздействием на тело внешних нагрузок, а обусловлены неоднородными деформациями, воздействующими под действием тех или иных причин внутри этого тела.

Первопричиной возникновения внутренних напряжений в древесине при ее сушке является неравномерное распределение влажности и связанная с ним неравномерная усушка по объему материала.

Рассмотрим, как возникают и развиваются в древесине внутренние напряжения. Для простаты будем полагать, что усушка в тангенциальном и радиальном направлениях одинакова, а перемещение влаги в материале происходит только по его толщине. Это позволит изобразить кривые распределения влажности в плоскости поперечного сечения высушиваемого сортимента.

На рис.2, а показаны наиболее характерные кривые распределения влажности по толщине высушиваемого сортимента, соответствующие различным моментам процесса. В начальный момент, пока влажность по всему объему сортимента выше предела насыщения Wп.н, усушки нет и напряжения отсутствуют. Они появляются в момент 1, когда влажность поверхности опускается ниже Wп.н (кривая 1). Поверхностные слои стремятся усохнуть, т.е. сократить свой размер. Но этому стремлению препятствуют внутренние слои, усушка которых еще не началась, что создает в древесине напряженное состояние.

Если вырезать из высушиваемого сортимента торцовую пластину, так называемую секцию, и разделить ее на ряд слоев по толщине по схеме рис.2, б, то, сопоставляя размеры целой секции и ее слоев, можно установить, какой знак имеют напряжения в различных зонах по толщине сортимента. Моменту 1 соответствует форма разделенной на слои секции, показанная на рис 2, б. Освобожденные от связи между собой слои секции принимают размеры, соответствующие их фактической влажности: внутренние слои – первоначальный размер по ширине в0, а поверхностные – более короткий номинальный размер bн из-за образования в них усадки величиной Уп[*]. Целая же, неразделенная на слои секция (как и сортимент) имеет действительный размер по ширине bд, который больше размера поверхностных слоев, но меньше размера внутренних слоев в свободном их состоянии. Поверхностные слои сортимента, следовательно, испытывают растягивающие напряжения, а внутренние слои – сжимающие напряжения.

Рисунок 2. Схемы развития напряжений в древесине при сушке

На начальном этапе процесса напряжения приблизительно пропорциональны свободной усушке поверхностных слоев, а последняя в свою очередь определяется перепадом гигроскопической влажности (=Wп.н - Wп), т.е. разностью между пределом насыщения клеточных стенок и поверхностной влажностью материала.

Если бы древесина была идеально упругим материалом со стабильным не зависящим от влажности модулем упругости, то внутренние напряжения, появившиеся в ней в первой стадии процесса, в дальнейшем постепенно уменьшались бы по мере уменьшения перепада влажности и наконец исчезли бы при окончательном выравнивании влажности и размеры внутренних и наружных слоев оказались бы одинаковыми. Но древесина является упруго-пластичным материалом. С самого начала возникновения внутренних напряжений в древесине появляются упругие и остаточные деформации. Возникновение остаточных деформаций характерно для древесины, длительно находящейся под напряжением, даже при ее стабильно влажностном состоянии. Но, кроме того, при высыхании напряженной древесины упругие деформации в ней перерождаются в остаточные в связи с тем, что при понижении влажности существенно понижается модуль ее упругости.

В начальной стадии процесса, когда влажная нагретая древесина обладает повышенной податливостью, в поверхностных слоях под влиянием действующих в них растягивающих напряжений возникают остаточные деформации удлинения, а во внутренних слоях, наоборот, остаточные деформации укорочения. Поэтому в конце процесса (момент 3) усадка в поверхностных слоях Уп (где действовали растягивающие напряжения) будет меньше, чем усадка внутри сортимента Уц (где действовали сжимающие напряжения). Секция, разрезанная на слои будет иметь форму, показанную на рис.1,д из которой видно, что номинальный (свободный) размер поверхностных слоев будет больше свободного размера внутренних слоев, и в древесине появятся сжимающие напряжения на поверхности и растягивающие внутри. Таким образом, в процессе сушки происходит смена знака напряжений. Причина этого – развитие в древесине остаточных напряжений.

Состояние древесины, отвечающее форме секции по рис.2,г, характерно для некоторого промежуточного момента 2 (кривая распределения влажности 2). В этот момент напряжения в древесине исчезают, а затем, к концу сушки, возрастают, изменив свой знак. Причина этого – развитие в древесине остаточных деформаций.

Внутренние напряжения, возникающие без приложения внешних нагрузок, всегда уравновешиваются в пределах данного тела. Чтобы их обнаружить, необходимо нарушить это равновесие, разделив образец на части. Каждая такая часть будет стремиться к новому равновесному состоянию, что возможно только за счет ее деформации. В секции, разрезанной на тонкие слои (см. рис.2, б, д) деформации проявляются преимущественно в виде удлинения и укорочения слоев. В секции, распиленной или расколотой, например, пополам, имеют место преимущественно деформации изгиба. В начале процесса (момент 1) секция деформируется согласно рис.1, в, в конце процесса (момент 3) – согласно рис.2, д.

Напряжения могут быть значительно уменьшены и даже ликвидированы путем увлажнения древесины поверхностных слоев сортимента в конце сушки. Этот эффект можно получить, если древесину длительное время выдерживать в воздухе с повышенной степенью насыщения сушильного агента. Такая операция называется кондиционированием. Кроме того при кондиционировании происходит выравнивание влажности по толщине сортимента.

Сушильные напряжения, действующие в древесине, называемые полными напряжениями, можно рассмотреть ка алгебраическую сумму противоположных по знаку влажностных и остаточных напряжений.

Влажностные напряжения обусловлены неравномерной усушкой отдельных зон сечения доски. Они имеют временный характер и исчезают при выравнивании влажности. Остаточные напряжения обусловлены наличием в древесине разных по величине остаточных деформаций. В отличии от влажностных, они по изложенной выше причине не исчезают при выравнивании влажности, а сохраняются как в процессе сушки. Так и после ее завершения.

При рассмотрении условий возникновения и развития сушильных напряжений в древесине не учитывалась анизотропия ее строения. В производственных сортиментах, помимо напряжений, вызванных перепадом влажности, возникают дополнительные напряжения, которые появляются из-за различной усушки материала в разных направлениях. Величина и распределение этих напряжений зависят от расположения годичных колец по сечению и объёму сортимента. В досках чисто радиальной распиловки дополнительные напряжения почти не возникают. В досках тангенциальной распиловки нарушается симметричность эпюры сушильных напряжений, появляется внешний изгибающий момент и доска изменяет форму (коробится).

При сушке круглых сортиментов или брусьев, содержащих сердцевинную трубку, их относительная усушка по периметру оказывается больше относительной усушки по радиусу. Это вызывает появление радиальных трещин даже при очень медленном и мягком процессе сушки.(4)