2.2.2.3 sorbția și permeabilitatea apei
lemnul este un material higroscopic; poate adsorbi și/sau desorbi apa din mediul înconjurător, având tendința de a atinge o stare de echilibru atunci când umiditatea relativă atmosferică (Rh) este stabilă. Prin urmare, conținutul de umiditate (MC) al lemnului este conținutul relativ de apă prezent în țesutul lemnos, care rezultă din starea naturală (în arborele viu) sau este rezultatul acțiunii factorilor atmosferici sau de exploatare care afectează materialul pentru o perioadă mai lungă. Relația dintre conținutul de umiditate de echilibru și RH la temperatură constantă este cunoscută sub numele de Izotermă de sorbție. Izoterma de sorbție este o caracteristică a materialului, dar este influențată de temperatura și istoricul de sorbție anterior al probei examinate. În condiții de mediu Rh instabile, umiditatea lemnului se schimbă continuu ,iar echilibrul este rareori atins (Popescu și Hill, 2013; Engelund și colab., 2013).
într-un copac viu, valorile conținutului de umiditate variază între speciile de arbori, în interiorul copacului, de exemplu între alburn și inimă; între anotimpuri; și, eventual, și cu timpul zilei. Pentru rasinoase, conținutul de umiditate al lemnului de inimă este de obicei considerabil mai mic decât pentru alburn (Pallardy și Kozlowski, 2008; Engelund și colab., 2013). Acest lucru nu este întotdeauna cazul lemnului de esență tare, pentru care relația dintre conținutul de umiditate din lemn de inimă și alburn depinde de specii și poate depinde și de sezon (Pallardy și Kozlowski, 2008; Engelund și colab., 2013).s-a menționat că apa din lemn poate fi prezentă în trei stări diferite (apă liberă, apă înghețată și apă fără îngheț; Nakamura și colab., 1981; Berthold și colab., 1996). Apa liberă este considerată a fi apa capilară din lumenul celular, în timp ce apa legată interacționează cu polimerii de lemn mai mult sau mai puțin hidrofili. S-a presupus că apa legată de congelare este legată moderat de peretele celular, în timp ce apa care nu îngheață este legată puternic.având în vedere că grupările hidroxil ale polimerilor lemnoși sunt principalele situsuri de sorbție, la un conținut scăzut de umiditate, se sugerează că moleculele de apă se pot lega simultan de două grupări hidroxil vecine (Joly și colab., 1996) formând monostratul sau apa puternic legată de grupurile polare din peretele celular. Aceasta are loc la un conținut de umiditate de până la ~ 4%. Mai mult, adsorbția polimoleculară are loc în intervalul unui conținut de umiditate cuprins între ~ 4% și 12%, formând apă multistrat sau slab legată de substrat sau în grupurile de apă mai mari. Fenomenul de sorbție capilară cuprinde conținutul de umiditate a lemnului de la 12% la ~ 30% (punctul de saturație a peretelui celular). Punctul de saturație a umidității este atins de lemn atunci când este păstrat suficient de mult într-un mediu cu un procent maxim de RH și este o cantitate independentă de specia de lemn.
măsurarea conținutului de umiditate oferă informații despre starea actuală de umezire a lemnului în condiții de mediu date (Vezi Fig. 2.5).
Fig. 2.5. Izoterma de sorbție reprezentată grafic în funcție de umiditatea relativă a probei pentru Mesteacăn (Betula sp.) lemn.
conținutul de umiditate este de obicei exprimat ca procent din masa lemnului. Prin urmare, la același conținut de umiditate, masa de apă conținută în lemn este o valoare diferită pentru speciile individuale de lemn. Lemnul cu densitate mai mare conține mai multă apă decât lemnul cu densitate mai mică la același conținut de umiditate.
adsorbția și desorbția apei sunt însoțite de modificări ale dimensiunilor liniare ale lemnului (umflarea și, respectiv, contracția). Datorită anatomiei anizotrope a lemnului, deformările sale legate de conținutul de umiditate sunt diferite pentru direcțiile longitudinale, radiale și tangențiale. Cea mai mare schimbare de dimensiune are loc în direcția inelelor anuale de creștere (tangențial), mai puțin transversal față de inele și puțin în direcția tulpinii. În plus, diferite tipuri de lemn se umflă diferit (Rowell, 2005; Hohne și Tauer, 2016).
absorbabilitatea lemnului este capacitatea lemnului scufundat în apă (sau alte lichide) de a-l absorbi. Absorbția este definită de trei parametri, viteza de absorbție, capacitatea maximă a apei și gradul (coeficientul) de saturație. Valorile lor numerice depind de speciile de lemn (densitatea și porozitatea acestuia), zona trunchiului (alburn sau lemn de inimă), conținutul inițial de umiditate al țesutului Lemnos, tipul de lichid, dimensiunea eșantionului și direcția anatomică a lemnului.
permeabilitatea lemnului este susceptibilitatea materialului la umezire și capacitatea sa de a permite lichidului să treacă prin el. Această proprietate este importantă, printre altele, pentru procesele de impregnare (în conservarea lemnului) și construcții. Principalii factori care determină susceptibilitatea la permeabilitate includ anatomia lemnului, zona secțiunii transversale a trunchiului (alburn, lemn de inimă), direcția anatomică și presiunea lichidului.
pătrunderea apei, atunci când lemnul este expus la umiditate și rata de eliberare, atunci când lemnul este lăsat să se usuce, au o influență semnificativă asupra determinării performanței și a duratei de viață preconizate. Deoarece permeabilitatea la apă este unul dintre factorii cheie care afectează performanța unei componente din lemn, deoarece controlează posibilitatea degradării fungice, se așteaptă ca speciile de lemn care sunt mai puțin permeabile la apă să funcționeze mai bine decât speciile permeabile din clasele de utilizare în care lemnul este expus la umectare intermitentă. Timpul de umezeală este, de asemenea, un factor cheie pentru dezvoltarea fungilor și este afectat de parametrii de mediu, inclusiv proiectarea, fizica clădirilor și expunerea și întreținerea, care au un efect remarcabil asupra performanței și variază foarte mult în Europa (Kutnik și colab., 2014).
proprietățile termice ale lemnului caracterizează comportamentul lemnului sub sarcină termică, atunci când temperatura crește sau scade. Temperatura este un parametru important, care influențează diferite procese tehnologice și proprietăți specifice ale lemnului. Printre multe proprietăți termice ale materialelor structurale, următoarele sunt cele mai importante în sectorul tehnologiei lemnului, căldură specifică, conductivitate termică și dilatare termică (Czajkowski și colab., 2016).
căldura specifică (capacitatea termică specifică) a unui material este definită ca fiind cantitatea de căldură per unitate de masă a materialului necesară pentru creșterea temperaturii cu 1 CTC și caracterizează Materialul prin capacitatea sa de a acumula căldură. Se consideră că căldura specifică a lemnului este ridicată; prin urmare, cu aceeași cantitate de căldură furnizată, temperatura sa crește mai lent decât temperaturile metalului sau sticlei. Căldura specifică a lemnului afectează proprietățile sale izolatoare și capacitatea termică (Czajkowski și colab., 2016; Glass și Zelinka, 2010).conductivitatea termică specifică a unui material dat este capacitatea sa de a conduce căldura din locuri cu temperatură mai ridicată în locuri cu temperatură mai scăzută prin trecerea fluxului de energie radiantă către moleculele adiacente. Această proprietate materială este descrisă prin valoarea numerică a coeficientului de conductivitate termică și cu cât este mai mare valoarea sa, cu atât mai multă căldură este condusă de material. Conductivitatea termică a lemnului crește odată cu creșterea conținutului de umiditate și a densității. De asemenea, depinde de temperatura lemnului și de direcția fluxului de curent de căldură în raport cu direcția bobului. Măsurat de-a lungul bobului, coeficientul de conductivitate termică a lemnului este de două ori mai mare decât cel măsurat în direcția transversală față de Bob, adică 0,35 și respectiv 0,15 W/mK (Czajkowski și colab., 2016; Sticlă și Zelinka, 2010).
difuzivitatea termică este o măsură a cât de repede un material poate absorbi căldura din împrejurimile sale. Este definit ca raportul dintre conductivitatea termică și produsul densității și capacității termice. Datorită conductivității termice scăzute și densității moderate și capacității termice a lemnului, difuzivitatea termică a lemnului este mult mai mică decât cea a altor materiale structurale, cum ar fi metalul, cărămida și piatra (sticlă și Zelinka, 2010).
expansiunea termică a lemnului este o proprietate care apare datorită creșterii temperaturii (încălzire). Se caracterizează prin coeficientul de dilatare liniară și volumetrică. Prima este relația de prelungire a unei unități de material date lungime pe creșterea temperaturii materialului la lungimea sa inițială, în timp ce a doua este calculată analogic. În același timp, expansiunea liniară calculată pe direcția longitudinală este mult mai mică decât cele radiale sau tangențiale. Un coeficient de expansiune longitudinal scăzut este un avantaj al lemnului utilizat în structurile de construcție (Glass și Zelinka, 2010).
proprietățile acustice ale lemnului sunt un grup de caracteristici legate de evoluția fenomenelor care însoțesc deplasarea undelor ultrasonice și influența lor asupra altor parametri fizici ai lemnului. Anatomia lemnului permite sunetului să călătorească în direcții paralele și transversale cu bobul. Prin urmare, determinarea fiecărei proprietăți a lemnului se realizează în trei planuri anatomice (direcții) (Bucur, 2006). Viteza undelor ultrasonice din lemn este, de asemenea, afectată de diferiți factori. Modificările inelului de creștere, defectele naturale, umiditatea și temperatura vor determina atenuarea parametrilor acustici ultrasonici. De exemplu, viteza scade atunci când conținutul de umiditate este mai mare în direcția radială decât în direcția tangențială. Proprietățile acustice sunt, de asemenea, influențate de densitatea materialului (Chen și colab., 2012; Yang și colab., 2015).