Устраните причину, исчезнет и болезнь

Устраните причину, исчезнет и болезнь

Sublata causa, tollitur morbus. Перевод этого мудрого изречения вынесен в заглавие. А смысл, заключенный в этой фразе, весьма четко указывает путь к решению проблем при поиске основных причин, вызывающих при сушке растрескивание древесной пилопродукции, а также методов защиты древесины от этого дефекта.

Древесина по характеру взаимосвязи с содержащейся в ней влаге относится к капиллярно-пористым коллоидным материалам с типичной, ярко выраженной анизотропией, поскольку ее свойства существенно различаются по разным структурным направлениям. Даже в одном структурном направлении свойства древесины не остаются постоянными, так как она представляет собой неоднородный слоистый материал.

Все приведенные ниже рассуждения относятся к конвективно-тепловой сушке древесных продуктов, наиболее широко представленной в настоящее время как в России, так и на большинстве предприятий, связанных с деревообработкой, в европейских странах, США, Канаде и др.

Общеизвестно, что процесс сушки капиллярно-пористого коллоидного материала сопровождается неравномерным распределением влажности по его объему. При сушке древесины неравномерность влажности по толщине вызывает неравномерную усушку и является причиной появления внутренних напряжений.

На первом этапе сушки через определенное время после начала процесса влажность поверхностных слоев древесины становится ниже предела насыщения клеточных стенок, в то время как внутренние слои еще содержат свободную влагу. При этом поверхностные слои начинают усыхать, то есть сокращаться в размерах, в то время как размер неусыхающих внутренних слоев остается постоянным. Благодаря прочной связи слоев древесины фактические размеры образца пилопродукции при усушке будут одинаковы для всего сортимента. Таким образом, наружные слои оказываются в растянутом (по отношению к нормальному) состоянии и в них появляются растягивающие внутренние напряжения. С другой стороны, усилия, возникающие в наружных слоях древесного сортимента, вызывают во внутренних слоях противодействующие им усилия и напряжения обратного знака (сжимающие). Обобщим сказанное: усушка древесины при наличии перепада влажности по толщине сортимента вызывает в начале процесса сушки появление напряжений − растягивающих поперек волокон снаружи и сжимающих внутри сортиментов. Неравномерность линейной усушки наружных и внутренних слоев, являющаяся следствием пластических деформаций, вызывает перемену знака напряжений в конце сушки (сжатие − на поверхности, растяжение − во внутренних слоях сортиментов).

Учитывая анизотропное строение древесины необходимо при сушке рассматривать процесс с учетом различий в усушке в разных направлениях структурного строения древесины. Различия в тангенциальной и радиальной усушке оказывают существенное влияние на характер и величину внутренних напряжений при сушке. В пилопродукции радиальной распиловки различия в тангенциальной и радиальной усушке не вызывают существенных деформаций или напряжений. В сортиментах тангенциальной распиловки наружный слой поверхности (более удаленная от центра сортимента), направление разреза которой приближается к тангенциальному, будет усыхать больше противоположного слоя (заднего) поверхности сортимента, приближающейся к радиальной. Пилопродукция при этом будет подвержена риску коробления. Если такому короблению препятствует внешняя нагрузка (масса вышележащего материала в сушильном штабеле), в пиломатериалах будут возникать напряжения − растягивающие на лицевой и сжимающие на задней поверхности.

Таким образом, если образовывающиеся при сушке внутренние напряжения, связанные с анизотропией строения древесины и неравномерным распределением влажности по толщине, в той или иной точке по объему сортимента достигнут предела прочности, произойдет разрушение (растрескивание) материала в зоне действия растягивающих напряжений, то есть на первой стадии сушки − на поверхности, а на конечной стадии − внутри сортимента.

Совсем избежать в древесине внутренних напряжений при конвекционной сушке невозможно. Строжайшим соблюдением технологической дисциплины по всем многочисленным пунктам можно в производственных условиях обеспечить такое проведение сушки, что возникающие напряжения не достигнут предела прочности древесины при растяжении поперек волокон. Следовательно, в этих случаях возникает надежда на проведение сушки без образования трещин (растрескивания) в высушиваемой пилопродукции. Такой вывод приемлем для древесины, полученной из деревьев, росших много лет в идеальных природных условиях, с минимальным содержанием пороков, которые присущи древесине как природному материалу и могут оказывать в определенных условиях весьма существенное влияние на ее физико-механические характеристики. Результатом воздействия большого количества лесоводственных факторов на состояние древесины при ее росте является в ряде случаев определенное снижение некоторых механических свойств (в нашем случае особое требование предъявляется к сопротивляемости древесины растягивающим усилиям поперек волокон), что может привести к образованию трещин даже при идеальном проведении процесса сушки пиломатериалов из древесины заданной породы и толщины.

К сожалению, при современном уровне развития деревообрабатывающих предприятий, использующих для своего производства обезличенные полуфабрикаты, не представляется возможным проследить череду лесоводственных факторов, оказывающих влияние на качество древесины в процессе ее произрастания и становящихся источником причин, которые в последующем могут привести к растрескиванию древесины при сушке. Не все лесоводственные факторы хорошо изучены, тем более что для разных условий произрастания в настоящее время отсутствуют конкретные данные по влиянию определенного фактора на изменение прочности древесины при росте. В качестве примера приведем результаты исследований, которые указывают на непосредственную связь условий произрастания и физико-механических свойств древесины.

На физико-механические свойства древесины влияют следующие (неуправляемые или плохо управляемые в процессе роста деревьев) лесоводственные факторы:

• происхождение и форма дерева;
• возраст заготавливаемой древесины;
• условия произрастания деревьев (климат, состояние почвы, положение дерева в древостое);
• наличие ухода за древостоем;
• уход за почвой и ее состояние (особенно почвенных вод);
• окорение на корню и наличие подсочки.

На основе исследований древесиноведов России были выделены основные факторы воздействия лесоводственных условий на состояние древесины.

Показатели физико-механических свойств древесины с годами повышаются до некоторого предела, достигают максимума и при дальнейшем стоянии дерева на корню начинают снижаться. Как показали многолетние наблюдения, в перестойных деревьях периферическая зона ствола состоит из очень узких годичных слоев с пониженным содержанием поздней древесины. Вследствие этого физико-механические свойства древесины заметно ухудшаются, что влечет за собой снижение средних показателей свойств древесины всего ствола.

Комплекс факторов, оказывающих влияние на свойства растущей древесины, включает географическую область расположения древостоев, высоту над уровнем моря, среднюю годовую температуру в зоне произрастания, количество осадков, почвенные условия, положение дерева в древостое и т. п. Отметим отдельные взаимосвязи в природе, в определенной степени формирующие состояние древесины, которая в дальнейшем будет заготовлена и подвергнута сушке. Степень влияния климатических факторов на свойства древесины зависит от размеров области распространения породы. Это влияние четче выражается в случае древесины широко распространенных пород (например, сосны). При продвижении с запада на восток физико-механические свойства древесины сосны несколько ухудшаются, в то же время у сибирской лиственницы и сибирского кедра обнаруживается тенденция к улучшению этих свойств. Различные тенденции характерны в этом отношении для твердых кольцесосудистых (ясень, дуб), лиственных рассеянно-сосудитых пород (береза, осина), но для пород с малой областью распространения, более требовательных к условиям произрастания (дуб), влияние климатических факторов на физико-механические свойства древесины мало заметно.

Положение дерева в древостое оказывает определенное влияние на свойства древесины. По действующей в России классификации все деревья в древостое делят по размерам на пять классов. Резкая разница во внешнем виде и размерах деревьев крайних классов (I и V), естественно, ставит вопрос о том, отражается ли и, если да, в какой мере на физико-механических свойствах древесины принадлежность деревьев к тому или иному классу.

Наиболее высокие показатели физико-механических свойств у хвойных пород (лиственницы, сосны, ели) присущи древесине из деревьев III, отчасти II класса. У наиболее рослых деревьев (I класса) и остановившихся в росте (IV и особенно

V класса) древесина имеет пониженные показатели свойств (отклонения для главных свойств достигают 10…15%).

Исследования лиственных пород (дуб, береза, осина) выявили другую противоположность: наиболее высокие показатели физико-механических свойств наблюдаются у самых крупных деревьев I класса, с уменьшением размеров деревьев (от I до V класса) свойства древесины ухудшаются.

Влияние мероприятий ухода за древостоями тоже сказывается на свойствах древесины и может служить изначальной причиной образования трещин в дальнейшем − при сушке сортиментов. Установлено, например, что в результате рубок ухода, вызывающих изменение светового режима для остающихся деревьев, прирост дуба по диаметру возрастает с одновременным увеличением содержания механических элементов, процента поздней древесины и плотности (на 8…9%).

Наиболее высокие показатели свойств древесины сосны в некоторых областях России наблюдаются при полноте 0,8…0,9; при изреживании древесины, то есть при меньшей полноте, показатели физико-механических свойств древесины сосны понижаются. Древесина светового прироста ели из лесов Ленинградской области, нарастая после проходной рубки, имеет пониженные показатели механических свойств (до 10%), в том числе и предела прочности при растяжении поперек волокон (фактор образования трещин при сушке сортиментов). При проведении исследований также наблюдалось, что со снижением полноты древостоев сосны и ели при прореживаниях (характерных для сегодняшнего ведения лесного хозяйства бессистемных рубках) сучковатость стволов повышается (дополнительный порок древесины − завиток), а форма ствола ухудшается (проблемы при распиловке на пиломатериалы с изменением параметров строения древесины). Естественно, при получении пилопродукции из такой древесины резко снижается сортность вырабатываемых сортиментов. Исследованиями лаборатории сушки Лесотехнической академии давно доказано: чем ниже сорт пиломатериалов, получаемых из круглого леса при распиловке, тем выше вероятность образования дефектов (в первую очередь трещин) при последующей сушке.

Слабая природоохранная политика во всем мире приводит к загрязнению окружающей среды и нежелательному изменению биосферы Земли. В деревообрабатывающей промышленности это связано с выбросом в атмосферу древесной пыли, различных токсичных веществ при применении синтетических смол, лакокрасящих материалов и т. п. При этом происходит загрязнение не только воздушного, но и водного бассейна, почвы, почвенных вод (кислотные дожди, радиоактивное заражение, выпадение вместе с атмосферными осадками в лесных массивах огромного количества токсичных составляющих при испытаниях военной техники и т. п.). Десятилетиями наши древостои существуют на зараженных лесных участках, а растущие деревья вынуждены питаться влагой из зараженных водных источников, что, конечно же, негативно сказывается на их развитии. В результате появляется древесина с заметно измененными свойствами (с мутированным строением древесины). По мнению ученых ЛТА, определенные изменения в строении растущего дерева (заметное отклонение волокон от прямолинейного направления) вызывают предрасположенность сортиментов к продольной усушке и приводят к неконтролируемому развитию растрескивания пилопродукции при сушке.

Итак, можно выделить основные факторы образования растрескивания древесины при сушке.

Во-первых, независимые факторы, способные вызывать растрескивание древесины, воздействие на которые в процессе сушки почти исключается. Это разнообразные условия, при которых происходит естественное развитие древесины в природе. Отклонения от оптимальных условий роста древесины, вызванные этими факторами, может вызывать различные изменения в ее развитии и строении, в определенной мере влияющие на показатели механических свойств древесины и в ряде случаев снижающие их (о возможности влияния лесоводственных факторов на свойства древесины говорилось выше). К сожалению, глубоких и обширных исследований всех факторов воздействия на сортименты не проводилось, поэтому довольно сложно определить конкретную связь перечисленных лесоводственных факторов и характера образования и развития трещин при сушке пилопродукции на предприятиях ЛПК, но такое влияние необходимо учитывать при рассмотрении необъяснимых причин растрескивания сортиментов.

Во-вторых, это факторы, которые зависят от условий проведения сушки пилопродукции в сушильных камерах применяемого типа и определяют технические принципы сушки пиломатериалов из заданной породы, определенной толщины и конкретного назначения.

Любой процесс сушки в зависимости от конечного результата регламентирован конкретными техническими инструкциями, назначение которых − обеспечить проведение процесса с минимальными потерями материала по видимым дефектам (в нашем случае − по растрескиванию). Как показывает опыт проведения производственных сушек пилопродукции за последние 10−15 лет, очень сложно найти предприятие, где все требования к технологии процесса сушки скрупулезно выполняются согласно технической документации. Поэтому одной из причин образования дефектов пилопродукции при сушке является повсеместное нарушение «прописных истин» процесса, которым, увы, никогда не следуют на производстве. Для исключительных случаев, при особо сложных условиях проведения сушки материала, существуют рекомендации по проведению дополнительных мероприятий с целью предупреждения или значительного снижения растрескивания, которые регламентированы Рекомендациями по снижению видимых дефектов, разработанными ЦНИИМОДом на основании исследований, проведенных специалистами Лесотехнической академии (Савелий Акишенков, Вадим Харитонов).

В процессе сушки производственникам приходится учитывать вероятность появления в древесине следующих видов трещин:

• торцовых (как разновидность − торцово-пластевых);
• наружных поверхностных пластевых, кромочных;
• внутренних;
• радиальных.

При описании видов трещин еще раз напомним основные технологические приемы, которые необходимо использовать в процессе сушки для снижения опасности возникновения растрескивания.

Торцовые трещины могут образоваться в сортименте вследствие более интенсивного испарения влаги через торцы сортимента, в отличие от других поверхностей. Причина высокой интенсивности испарения влаги с торцов − более высокая скорость движения влаги вдоль волокон, чем поперек них (при продольном коэффициенте влагопроводности, в 15−20 раз превышающем коэффициент влагопроводности в тангенциальном направлении).

Результатом интенсивной торцовой сушки является возникновение продольного градиента (перепада) влажности в материале. Понижение влажности в торцах по отношению к средней части материала вызывает в них растягивающие напряжения, что является причиной образования торцовых трещин. Вполне естественно, что уменьшение испарения влаги с торцов предупреждает торцовое растрескивание. В условиях современных лесосушильных камер уменьшения интенсивного испарения влаги с торцов можно достичь, следуя таким правилам и рекомендациям:

1. Проводить формирование сушильных пакетов и штабелей пиломатериалов в соответствии с габаритами камер. Особенно это правило касается достаточно широко распространенных на отечественных предприятиях импортных лесосушильных камер с фронтальной загрузкой пакетов с последующим формированием в сушильном пространстве камер сушильных штабелей. Повсеместно при эксплуатации многочисленных камер, выпускаемых итальянскими, австрийскими фирмами и компаниями других европейских стран, наблюдается явное несоответствие длины пакетов и, соответственно, сушильных штабелей ширине лесосушильной камеры, где формируются штабели. При ширине сушильного пространства камер до 7 м чаще всего формируются штабели длиной 6,0…6,5 м, а то и значительно короче. Исследованиями ЦНИИМОД установлено, что даже при оптимальном зазоре между торцовой частью штабеля и продольной стеной камеры − 50 мм (кстати, редкое явление на практике!) − коэффициент использования воздушного потока в камере не превышает для пилопродукции разной толщины -0,80…0,85. Следовательно, уже изначально при большем зазоре (а в реальных условиях он составляет 100…200 мм и более) наблюдается довольно мощный паразитарный поток агента сушки, омывающий торцы пиломатериалов и провоцирующий торцовое растрескивание. Рекомендации для ликвидации или максимального снижения объема воздушного потока у торцов при циркуляции давно известны и содержатся в любой инструкции по проведению процесса сушки. Приходится формировать сушильные пакеты (штабели) с расположением в них досок вразбежку с попеременным выравниванием их на противоположных торцах штабеля, достигая соответствия размера формируемых единиц по длине ширине лесосушильной камеры. В инструкциях к сушильным камерам западноевропейских фирм рекомендуется короткие пакеты целиком укладывать в сушильном пространстве вразбежку, тем самым перекрывая паразитные потоки у стен и увеличивая объем циркулирующего воздуха в штабелях. Но такое формирование не исключает активной циркуляции агента сушки у торцовой части коротких пакетов, даже расположенных внутри сушильного пространства.
2. Существенное замедление испарения влаги через торцы осуществляется при помощи прокладок и тщательного выравнивания торцов пакета (штабеля). Крайние прокладки должны быть уложены строго заподлицо с торцами досок для их перекрытия. По рекомендациям специалистов лаборатории сушки Лесотехнической академии, в качестве крайних прокладок возможно применение широких прокладок сечением 25 х 100 мм, которые при минимальных на них затратах обеспечивают впечатляющий эффект по защите торцов от растрескивания. Для формирования сушильных пакетов (штабелей) из пиломатериалов толщиной более 40 мм из трудносохнущих твердых пород в лаборатории сушки разработаны специальные Г-образные прокладки, использование которых почти полностью исключает омывание торцов пиломатериалов (заготовок) циркулирующим агентом.
3. Довольно эффективным средством защиты торцов от возникновения трещин является применение приторцовых экранов, которые закрывают приторцовые части штабелей на 0,6…0,8 м с обеих сторон, препятствуя их обдуву сушильным агентом. Применение таких экранов довольно широко практикуется в импортных сушильных камерах с фронтальной загрузкой и поперечным расположением штабелей, в других случаях, при отсутствии таких конструкций, вполне возможно изготовление простых алюминиевых экранов с ручной установкой в сушильном пространстве камеры при формировании штабелей.
4. В Рекомендациях по снижению видимых дефектов, составленных на основании разработок Лесотехнической академии, содержится описание ряда простейших мероприятий по защите торцов пилопродукции при сушке. Снижение растрескивания торцов материалов обеспечивается применением накидных чехлов из термостойкой влагонепроницаемой ткани, закрывающих торцы штабелей, особенно при сушке толстых и широких досок (толщиной от 64 мм и шириной до 300 мм).
5. Наиболее старым способом предохранения торцов от растрескивания является их покрытие различного вида твердеющими составами. К свойствам этих составов предъявляются такие основные требования: низкая влагопроводность, прочность пленки в условиях сушки, отсутствие вредного влияния на режущий инструмент деревообрабатывающих станков, легкость нанесения слоя состава. В настоящее время выбор таких кроющих составов обширен. Наиболее приемлемой со многих точек зрения для защиты торцов является 50%-ная поливинилацетатная эмульсия (ПВАЭ). Из разработок последних лет можно отметить средство «СЕНЕЖ ТОР», которое защищает торцы при сушке и может применяться при последующих транспортировке и хранении пилопродукции.

Наружные трещины (пластевые, кромочные) могут появиться в материале на начальной стадии процесса сушки при наличии в наружных слоях сортимента растягивающих напряжений, превосходящих предел прочности древесины на разрушение поперек волокон. Первопричиной возникновения наружных трещин является чересчур интенсивное испарение влаги с поверхности сортимента, вызывающее значительный перепад влажности по толщине. Основная мера для предупреждения появления наружных трещин при камерной сушке − поддержание в начальный период сушки (особенно при начальном прогреве древесины) такого состояния воздуха, при котором интенсивность поверхностного испарения (на начальном этапе прогрева необходимо исключить испарение при создании максимальной степени насыщенности агента обработки в камере) не превышает предела, безопасного для материала. Иными словами, необходимо строжайшее соблюдение установленного для соответствующей породы древесины и толщины пиломатериалов требований к качеству режима сушки (температуры, степени насыщенности − в соответствии с текущей влажностью партии пилопродукции, подвергаемой сушке). Категория режима, параметры агента сушки регламентированы соответствующими стандартами РФ или рекомендованы фирмами − изготовителями импортной техники в сопроводительных документах к сушильным камерам.

Внутренние трещины в древесине пиломатериалов появляются на конечной стадии сушки, когда напряжения в материале изменяют свой знак. Хотя образование внутренних трещин и происходит под конец сушки, оно тесно связано с напряжениями и деформациями начального периода процесса.

Наибольшая опасность появления внутренних трещин (свищей или раковин) возникает тогда, когда напряжения поверхностных слоев в начале сушки приближаются к пределу прочности, но не превосходят его.

В этом случае пластические деформации будут максимальными, а напряжения обратного знака, возникающие в конце сушки, окажутся наибольшими и могут вызывать внутреннее растрескивание древесины. Таким образом, интенсивность поверхностного испарения не определяется лишь отсутствием наружных трещин, поэтому следует обеспечить такое ее значение, при котором риск образования свищей будет сведен к минимуму. Для предупреждения образования внутренних трещин необходимо строгое соблюдение оптимального режима сушки.

В качестве дополнительных мер защиты древесины от возникновения этого дефекта рекомендуется проведение влаготеплообработок древесины на основе опыта сушки соответствующих сортиментов.

Радиальные трещины характерны для сердцовых сортиментов, содержащих сердцевинную трубку. Причина возникновения радиальных трещин − анизотропное строение древесины. Усушка древесины по периметру сердцовых сортиментов (в тангенциальном направлении) существенно больше, чем в радиальном направлении. В результате этого в периферийной зоне появляются чрезмерные растягивающие напряжения даже при очень медленной и аккуратной сушке. Предотвратить радиальные трещины при конвективной сушке практически невозможно. При раскрое древесины на пиломатериалы необходимо или вырезать сердцевину, или надо раскраивать сортименты так, чтобы сердцевинная трубка была на их поверхности.

В представленной вашему вниманию публикации автор кратко описал виды растрескивания, возникающие в процессе сушки сортиментов, и основные причины образования трещин. Обратимся к характеристике древесины, которую приводит в одном из своих документов уважаемая западноевропейская фирма: «Древесина, будучи производной от живого организма, является элементом, не имеющим абсолютно известных или постоянных характеристик». Вот вариант ответа почти на шекспировский вопрос «Растрескиваться или не растрескиваться древесине?». Этот ответ неоднозначен, поскольку, как мы видим, факторов образования трещин в древесине при ее сушке немало. Часть этих факторов, определенных как лесоводственные, практически неуправляема и не поддается определению для конкретной партии единиц пилопродукции, поступающей на сушку. Естественно, древесина, подвергаемая сушке, может быть разного сорта по совокупности имеющихся пороков, которые могут непредсказуемо вызывать при проведении сушки растрескивание древесины. Весьма широкое распространение на предприятиях в настоящее время получила пилопродукция, содержащая существенные отклонения в строении вследствие возникающих мутаций при росте древесины в экологически нездоровых природных условиях.

В таких пиломатериалах также создаются непредсказуемые предпосылки для их растрескивания при сушке.

На основании вышеприведенных факторов, обуславливающих образование различных видов трещин в древесине при сушке, можно сделать следующий вывод: проведение сушки древесины различных пород и сечений с минимальными потерями за счет предупреждения образования трещин − сложный и, естественно, творческий процесс. Этот процесс требует от мастера-сушильщика определенных способностей, навыков, опыта, профессиональной интуиции при организации и проведении каждой сушки, оценке характера образования дефектов, анализе причин их возникновения − для того чтобы при выполнении дальнейших сушек пилопродукции добиваться максимального положительного результата.

Вадим ХАРИТОНОВ,
Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия,
кафедра технологии лесопиления
и сушки древесины