2.2.2.3 Wassersorption und Permeabilität
Holz ist ein hygroskopisches Material; es kann Wasser aus der Umgebung adsorbieren und / oder desorbieren und neigt dazu, einen Gleichgewichtszustand zu erreichen, wenn die relative Luftfeuchtigkeit (RH) stabil ist. Daher ist der Feuchtigkeitsgehalt (MC) von Holz der relative Gehalt an Wasser im Holzgewebe, der sich aus dem natürlichen Zustand (in lebendem Baum) oder aus der Einwirkung von atmosphärischen oder Umweltfaktoren ergibt, die das Material über einen längeren Zeitraum beeinflussen. Die Beziehung zwischen dem Gleichgewichtsfeuchtegehalt und RH bei konstanter Temperatur wird als Sorptionsisotherme bezeichnet. Die Sorptionsisotherme ist eine Eigenschaft des Materials, wird jedoch durch die Temperatur und die vorherige Sorptionshistorie der untersuchten Probe beeinflusst. Unter instabilen Umgebungsbedingungen ändert sich die Holzfeuchte kontinuierlich und das Gleichgewicht wird selten erreicht (Popescu und Hill, 2013; Engelund et al., 2013).
In einem lebenden Baum variieren die Feuchtigkeitsgehaltswerte zwischen Baumarten, innerhalb des Baumes, zum Beispiel zwischen Splintholz und Kernholz; zwischen den Jahreszeiten; und möglicherweise auch mit der Tageszeit. Bei Nadelhölzern ist der Feuchtigkeitsgehalt von Kernholz typischerweise deutlich niedriger als bei Splintholz (Pallardy und Kozlowski, 2008; Engelund et al., 2013). Dies ist nicht immer der Fall bei Laubhölzern, bei denen das Verhältnis zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt in Kernholz und Splintholz von der Art abhängt und auch von der Jahreszeit abhängen kann (Pallardy und Kozlowski, 2008; Engelund et al., 2013).
Es wurde erwähnt, dass das Wasser in Holz in drei verschiedenen Zuständen vorliegen kann (freies Wasser, gefrierendes gebundenes Wasser und nicht gefrierendes gebundenes Wasser; Nakamura et al., 1981; Berthold et al., 1996). Als freies Wasser wird das Kapillarwasser innerhalb der Zelllumen angesehen, während das gebundene Wasser mit den mehr oder weniger hydrophilen Holzpolymeren interagiert. Es wurde angenommen, dass gefrierendes gebundenes Wasser mäßig an die Zellwand gebunden ist, während das nicht gefrierende stark gebundenes Wasser ist.
In Anbetracht der Tatsache, dass die Hydroxylgruppen der Holzpolymere die Hauptsorptionsstellen sind, wird bei niedrigem Feuchtigkeitsgehalt vorgeschlagen, dass Wassermoleküle gleichzeitig an zwei benachbarte Hydroxylgruppen binden können (Joly et al., 1996) bilden die Monoschicht oder stark gebundenes Wasser an polare Gruppen innerhalb der Zellwand. Dies geschieht bei einem Feuchtigkeitsgehalt von bis zu ~ 4%. Ferner findet die polymolekulare Adsorption im Bereich eines Feuchtigkeitsgehalts von ~ 4% bis 12% statt, wobei mehrschichtiges oder schwach gebundenes Wasser an das Substrat oder in die größeren Wassercluster gebildet wird. Das Phänomen der Kapillarsorption umfasst einen Holzfeuchtigkeitsgehalt von 12% bis ~ 30% (Zellwandsättigungspunkt). Der Feuchtigkeitssättigungspunkt wird von Holz erreicht, wenn es lange genug in einer Umgebung mit einem maximalen RH-Prozentsatz gehalten wird und eine von der Holzart unabhängige Menge ist.
Die Messung des Feuchtegehalts gibt Aufschluss über den aktuellen Zustand der Holzbefeuchtung unter gegebenen Umgebungsbedingungen (siehe Abb. 2.5).
Abb. 2.5. Sorptionsisotherme aufgetragen als Funktion der relativen Probenfeuchte für Birke (Betula sp.) Holz.
Der Feuchtigkeitsgehalt wird typischerweise als Prozentsatz der Holzmasse ausgedrückt. Daher ist bei gleichem Feuchtigkeitsgehalt die im Holz enthaltene Wassermasse für einzelne Holzarten unterschiedlich. Holz höherer Dichte enthält mehr Wasser als Holz niedrigerer Dichte bei gleichem Feuchtigkeitsgehalt.
Die Adsorption und Desorption von Wasser geht mit Änderungen der linearen Abmessungen des Holzes einher (Quellen bzw. Aufgrund der anisotropen Anatomie des Holzes sind seine feuchtigkeitsgehaltsbedingten Verformungen in Längs-, Radial- und Tangentialrichtung unterschiedlich. Die größte Größenänderung erfolgt in Richtung der Jahresringe (tangential), weniger quer zu den Ringen und wenig in Richtung des Stiels. Darüber hinaus quellen verschiedene Holzarten unterschiedlich (Rowell, 2005; Hohne und Tauer, 2016).
Die Absorptionsfähigkeit von Holz ist die Fähigkeit von Holz, das in Wasser (oder andere Flüssigkeiten) eingetaucht ist, es zu absorbieren. Die Absorption wird durch drei Parameter definiert: Absorptionsgeschwindigkeit, maximale Wasserkapazität und Sättigungsgrad (Koeffizient). Ihre Zahlenwerte hängen von der Holzart (Dichte und Porosität), der Stammzone (Splintholz oder Kernholz), dem anfänglichen Feuchtigkeitsgehalt des Holzgewebes, der Art der Flüssigkeit, der Größe der Probe und der anatomischen Richtung des Holzes ab.
Holzdurchlässigkeit ist die Anfälligkeit des Materials für Befeuchtung und seine Fähigkeit, die Flüssigkeit durchzulassen. Diese Eigenschaft ist unter anderem für Imprägnierprozesse (im Holzschutz) und im Bauwesen wichtig. Die Hauptfaktoren für die Permeationsanfälligkeit sind die Holzanatomie, die Stammquerschnittszone (Splintholz, Kernholz), die anatomische Richtung und der Druck der Flüssigkeit.
Das Eindringen von Wasser, wenn Holz Feuchtigkeit ausgesetzt wird, und die Freisetzungsrate, wenn Holz trocknen gelassen wird, haben einen wesentlichen Einfluss auf die Bestimmung der Leistung und der erwarteten Lebensdauer. Da die Durchlässigkeit für Wasser einer der Schlüsselfaktoren ist, die die Leistung eines Holzbauteils beeinflussen, da es die Möglichkeit von Pilzbefall kontrolliert, wird erwartet, dass die Holzarten, die für Wasser weniger durchlässig sind, in Nutzungsklassen, in denen Holz intermittierender Benetzung ausgesetzt ist, eine bessere Leistung erbringen als durchlässige Arten. Die Zeit der Nässe ist auch ein Schlüsselfaktor für die Pilzentwicklung und wird von Umweltparametern wie Design, Bauphysik sowie Exposition und Wartung beeinflusst, die sich bemerkenswert auf die Leistung auswirken und in Europa stark variieren (Kutnik et al., 2014).
Thermische Eigenschaften von Holz kennzeichnen das Verhalten von Holz unter thermischer Belastung, wenn die Temperatur steigt oder sinkt. Die Temperatur ist ein wichtiger Parameter, der verschiedene technologische Prozesse und spezifische Eigenschaften von Holz beeinflusst. Unter den vielen thermischen Eigenschaften von Strukturwerkstoffen sind die spezifische Wärme, die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmeausdehnung die wichtigsten im Holztechnologiesektor (Czajkowski et al., 2016).
Die spezifische Wärme (spezifische Wärmekapazität) eines Materials ist definiert als die Wärmemenge pro Masseneinheit des Materials, die erforderlich ist, um seine Temperatur um 1 ° C zu erhöhen, und charakterisiert das Material hinsichtlich seiner Fähigkeit, Wärme zu speichern. Es wird angenommen, dass die spezifische Wärme von Holz hoch ist; daher steigt seine Temperatur bei gleicher Wärmemenge langsamer an als die Temperaturen von Metall oder Glas. Die spezifische Wärme von Holz beeinflusst seine Dämmeigenschaften und Wärmekapazität (Czajkowski et al., 2016; Glas und Zelinka, 2010).
Die spezifische Wärmeleitfähigkeit eines bestimmten Materials ist seine Fähigkeit, Wärme von Orten höherer Temperatur zu Orten niedrigerer Temperatur zu leiten, indem der Strahlungsenergiefluss an benachbarte Moleküle weitergegeben wird. Diese Materialeigenschaft wird durch den numerischen Wert des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten beschrieben und je höher sein Wert ist, desto mehr Wärme wird vom Material geleitet. Die Wärmeleitfähigkeit von Holz steigt mit zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt und Dichte. Es hängt auch von der Holztemperatur und der Richtung des Wärmestromflusses in Bezug auf die Richtung der Maserung ab. Gemessen entlang der Maserung ist der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient von Holz doppelt so hoch wie in Richtung quer zur Maserung, dh 0,35 bzw. 0,15 W / mK (Czajkowski et al., 2016; Glas und Zelinka, 2010).
Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Maß dafür, wie schnell ein Material Wärme aus seiner Umgebung aufnehmen kann. Es ist definiert als das Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit zum Produkt aus Dichte und Wärmekapazität. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit und der mäßigen Dichte und Wärmekapazität von Holz ist die Wärmeleitfähigkeit von Holz viel geringer als die anderer Strukturmaterialien wie Metall, Ziegel und Stein (Glas und Zelinka, 2010).
Die Wärmeausdehnung von Holz ist eine Eigenschaft, die aufgrund der Temperaturerhöhung (Erwärmung) auftritt. Es zeichnet sich durch den linearen und volumetrischen Ausdehnungskoeffizienten aus. Die erste ist das Verhältnis der Verlängerung einer gegebenen Materialeinheitslänge pro Materialtemperaturerhöhung zu ihrer Anfangslänge, während die zweite analog berechnet wird. Gleichzeitig ist die lineare Ausdehnung in Längsrichtung viel geringer als die radiale oder tangentiale. Ein niedriger Längsausdehnungskoeffizient ist ein Vorteil von Holz, das in Gebäudestrukturen verwendet wird (Glass und Zelinka, 2010).
Akustische Eigenschaften von Holz sind eine Gruppe von Merkmalen, die mit dem Verlauf von Phänomenen verbunden sind, die die Bewegung von Ultraschallwellen begleiten, und deren Einfluss auf andere physikalische Parameter von Holz. Die Anatomie des Holzes lässt den Schall in die Richtungen parallel und quer zur Maserung wandern. Daher wird die Bestimmung jeder Eigenschaft von Holz in drei anatomischen Ebenen (Richtungen) durchgeführt (Bucur, 2006). Die Ultraschallwellengeschwindigkeit in Holz wird auch von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Änderungen im Wachstumsring, natürliche Defekte, Feuchtigkeit und Temperatur führen zu einer Dämpfung der akustischen Ultraschallparameter. Beispielsweise nimmt die Geschwindigkeit ab, wenn der Feuchtigkeitsgehalt in radialer Richtung höher ist als in tangentialer Richtung. Die akustischen Eigenschaften werden auch durch die Dichte des Materials beeinflusst (Chen et al., 2012; Yang et al., 2015).