2.2.2.3 Assorbimento e permeabilità dell’acqua
Il legno è un materiale igroscopico; può assorbire e / o desorbire acqua dall’ambiente circostante, tendente a raggiungere una condizione di equilibrio quando l’umidità relativa atmosferica (RH) è stabile. Pertanto, il contenuto di umidità (MC) del legno è il contenuto relativo di acqua presente nel tessuto del legno, che deriva dalla condizione naturale (nell’albero vivente) o è il risultato dell’azione di fattori atmosferici o di sfruttamento che influenzano il materiale per un periodo più lungo. La relazione tra il contenuto di umidità di equilibrio e RH a temperatura costante è nota come isoterma di assorbimento. L’isoterma di assorbimento è una caratteristica del materiale ma è influenzata dalla temperatura e dalla precedente storia di assorbimento del campione in esame. In condizioni ambientali RH instabili, l’umidità del legno cambia continuamente e l’equilibrio viene raramente raggiunto (Popescu e Hill, 2013; Engelund et al., 2013).
In un albero vivente, i valori del contenuto di umidità variano tra le specie arboree, all’interno dell’albero, ad esempio tra alburno e durame; tra le stagioni; e possibilmente anche con l’ora del giorno. Per i legni dolci, il contenuto di umidità del durame è in genere notevolmente inferiore rispetto all’alburno (Pallardy e Kozlowski, 2008; Engelund et al., 2013). Questo non è sempre il caso dei legni duri, per i quali la relazione tra il contenuto di umidità nel durame e l’alburno dipende dalla specie e può anche dipendere dalla stagione (Pallardy e Kozlowski, 2008; Engelund et al., 2013).
È stato detto che l’acqua nel legno può essere presente in tre diversi stati (acqua libera, acqua legata al congelamento e acqua legata al non congelamento; Nakamura et al., 1981; Berthold et al., 1996). L’acqua libera è considerata l’acqua capillare all’interno dei lumi delle cellule, mentre l’acqua legata interagisce con i polimeri del legno più o meno idrofili. È stato ipotizzato che l’acqua legata al congelamento sia moderatamente legata alla parete cellulare, mentre il non congelamento è fortemente legato all’acqua.
Considerando che i gruppi idrossilici dei polimeri del legno sono i principali siti di assorbimento, a basso contenuto di umidità, si suggerisce che le molecole d’acqua possano legarsi simultaneamente a due gruppi idrossilici vicini (Joly et al., 1996) formando il monostrato o acqua fortemente legata a gruppi polari all’interno della parete cellulare. Questo avviene con un contenuto di umidità fino a ~ 4%. Inoltre, l’adsorbimento polimolecolare avviene nell’intervallo di un contenuto di umidità compreso tra ~ 4% e 12%, formando acqua multistrato o debolmente legata al substrato o nei cluster di acqua più grandi. Il fenomeno dell’assorbimento capillare comprende il contenuto di umidità del legno da 12% a ~ 30% (punto di saturazione della parete cellulare). Il punto di saturazione dell’umidità è raggiunto dal legno quando viene mantenuto abbastanza a lungo in un ambiente con una percentuale massima di RH ed è una quantità indipendente dalla specie legnosa.
La misurazione del contenuto di umidità fornisce informazioni sullo stato attuale dell’umidificazione del legno in determinate condizioni ambientali (vedi Fig. 2.5).
Fig. 2.5. Isoterma di assorbimento tracciato in funzione dell’umidità relativa del campione per betulla (Betula sp.) legno.
Il contenuto di umidità è tipicamente espresso come percentuale della massa di legno. Pertanto, allo stesso contenuto di umidità, la massa d’acqua contenuta nel legno è un valore diverso per le singole specie legnose. Il legno di densità superiore contiene più acqua del legno di densità inferiore allo stesso contenuto di umidità.
L’adsorbimento e il desorbimento dell’acqua sono accompagnati da cambiamenti nelle dimensioni lineari del legno (rispettivamente gonfiore e restringimento). A causa dell’anatomia anisotropica del legno, le sue deformazioni legate al contenuto di umidità sono diverse per le direzioni longitudinali, radiali e tangenziali. Il più grande cambiamento di dimensione avviene nella direzione degli anelli di crescita annuale (tangenzialmente), meno trasversalmente agli anelli e poco in direzione dello stelo. Inoltre, diversi tipi di legno si gonfiano in modo diverso (Rowell, 2005; Hohne e Tauer, 2016).
L’assorbibilità del legno è la capacità del legno immerso in acqua (o altri liquidi) di assorbirlo. L’assorbimento è definito da tre parametri, velocità di assorbimento, capacità massima dell’acqua e grado (coefficiente) di saturazione. I loro valori numerici dipendono dalle specie legnose (densità e porosità), dalla zona del tronco (alburno o durame), dal contenuto iniziale di umidità del tessuto legnoso, dal tipo di liquido, dalla dimensione del campione e dalla direzione anatomica del legno.
La permeabilità del legno è la suscettibilità del materiale all’umidificazione e la sua capacità di consentire al liquido di attraversarlo. Questa proprietà è importante, tra l’altro, per i processi di impregnazione (nella conservazione del legno) e la costruzione. I principali fattori che determinano la suscettibilità alla permeazione includono l’anatomia del legno, la zona della sezione trasversale del tronco (alburno, durame), la direzione anatomica e la pressione del liquido.
La penetrazione dell’acqua, quando il legno è esposto all’umidità, e la velocità di rilascio, quando il legno è lasciato asciugare, hanno un’influenza significativa sulla determinazione delle prestazioni e della durata prevista. Poiché la permeabilità all’acqua è uno dei fattori chiave che influenzano le prestazioni di un componente in legno in quanto controlla la possibilità di decadimento fungino, le specie legnose meno permeabili all’acqua dovrebbero avere prestazioni migliori delle specie permeabili nelle classi di utilizzo in cui il legno è esposto a bagnatura intermittente. Il tempo di umidità è anche un fattore chiave per lo sviluppo dei funghi, ed è influenzato da parametri ambientali, tra cui progettazione, fisica degli edifici e esposizione e manutenzione, che hanno un notevole effetto sulle prestazioni e variano notevolmente in tutta Europa (Kutnik et al., 2014).
Le proprietà termiche del legno caratterizzano il comportamento del legno sotto carico termico, quando la temperatura aumenta o diminuisce. La temperatura è un parametro importante, che influenza diversi processi tecnologici e proprietà specifiche del legno. Tra le molte proprietà termiche dei materiali strutturali, le seguenti sono le più importanti nel settore della tecnologia del legno, calore specifico, conduttività termica ed espansione termica (Czajkowski et al., 2016).
Il calore specifico (capacità termica specifica) di un materiale è definito come la quantità di calore per unità di massa del materiale necessaria per aumentare la sua temperatura di 1°C e caratterizza il materiale in termini di capacità di accumulare calore. Si ritiene che il calore specifico del legno sia elevato; pertanto, con la stessa quantità di calore fornita, la sua temperatura aumenta più lentamente delle temperature del metallo o del vetro. Il calore specifico del legno influisce sulle sue proprietà isolanti e sulla sua capacità termica (Czajkowski et al., 2016; Vetro e Zelinka, 2010).
La conduttività termica specifica di un dato materiale è la sua capacità di condurre il calore da luoghi di temperatura più elevata a luoghi di temperatura più bassa passando il flusso di energia radiante alle molecole adiacenti. Questa proprietà del materiale è descritta dal valore numerico del coefficiente di conducibilità termica e maggiore è il suo valore, maggiore è il calore condotto dal materiale. La conducibilità termica del legno aumenta con l’aumentare del contenuto di umidità e della densità. Dipende anche dalla temperatura del legno e dalla direzione del flusso di corrente di calore in relazione alla direzione del grano. Misurato lungo il grano, il coefficiente di conducibilità termica del legno è due volte più alto di quello misurato nella direzione trasversale al grano, cioè 0,35 e 0,15 W/mK, rispettivamente (Czajkowski et al., 2016; Vetro e Zelinka, 2010).
La diffusività termica è una misura di quanto velocemente un materiale può assorbire il calore dall’ambiente circostante. È definito come il rapporto tra conduttività termica e prodotto di densità e capacità termica. A causa della bassa conduttività termica e della moderata densità e capacità termica del legno, la diffusività termica del legno è molto inferiore a quella di altri materiali strutturali, come metallo, mattoni e pietra (Vetro e Zelinka, 2010).
L’espansione termica del legno è una proprietà che appare a causa dell’aumento della temperatura (riscaldamento). È caratterizzato dal coefficiente di espansione lineare e volumetrica. La prima è la relazione di allungamento di una data lunghezza unitaria del materiale per aumento di temperatura del materiale alla sua lunghezza iniziale, mentre la seconda è calcolata analogicamente. Allo stesso tempo, l’espansione lineare calcolata sulla direzione longitudinale è molto inferiore a quella radiale o tangenziale. Un basso coefficiente di espansione longitudinale è un vantaggio del legno utilizzato nelle strutture edilizie (Vetro e Zelinka, 2010).
Le proprietà acustiche del legno sono un gruppo di caratteristiche connesse con il corso dei fenomeni che accompagnano il viaggio delle onde ultrasoniche e la loro influenza su altri parametri fisici del legno. L’anatomia del legno consente al suono di viaggiare nelle direzioni parallele e trasversali alla venatura. Quindi, la determinazione di ciascuna proprietà del legno viene effettuata in tre piani anatomici (direzioni) (Bucur, 2006). Anche la velocità delle onde ultrasoniche nel legno è influenzata da diversi fattori. I cambiamenti nell’anello di crescita, i difetti naturali, l’umidità e la temperatura causeranno l’attenuazione dei parametri ultrasonici acustici. Ad esempio, la velocità diminuisce quando il contenuto di umidità è superiore nella direzione radiale rispetto a quello nella direzione tangenziale. Le proprietà acustiche sono anche influenzate dalla densità del materiale (Chen et al., 2012; Yang et al., 2015).