Igroscopicità del legno
Il legno è un materiale igroscopico, ovvero presenta una spiccata affinità con l'acqua. Tale affinità da origine a fenomeni di scambio (accumulo e cessione) di umidità mediante meccanismi nominati rispettivamente adsorbimento e desorbimento.
Campo igroscopico
Viene definito campo igroscopico l'intervallo dei possibili valori di umidità a cui un pezzo di legno mantenuto in aria libera può equilibrarsi.
Sperimentalmente può essere dimostrato che il legno mantenuto per lungo tempo in aria assolutamente secca (φ =0%) raggiunge lo stato anidro (uo=0%), mentre il legno mantenuto per un tempo sufficiente in aria satura di vapore (φ =100%) raggiunge il punto di saturazione delle pareti cellulari (in prima approssimazione usat=30%). Pertanto il campo igroscopico si situa entro questi due valori estremi.
All'interno del campo igroscopico il legno è in grado di catturare le molecole d'acqua dall'aria circostante e di legarle alle pareti cellulari mediante legame di idrogeno con i gruppi ossidrilici OH disponibili principalmente sulle microfibrille di cellulosa. La formazione di questi legami determina variazioni nella disposizione dei componenti ultrastrutturali della parete cellulare, dando origine ad espansioni e contrazioni microscopiche che si riflettono a livello macroscopico sia sulla geometria del pezzo (ritiro, rigonfiamento) sia sulle caratteristiche meccaniche (resistenza, rigidezza).
Al di fuori del campo igroscopico (ovvero al di là del punto di saturazione delle pareti cellulari), invece, il legno può assumere acqua solo per imbibizione, ovvero mediante contatto diretto con acqua allo stato liquido, che va a riempire le cavità cellulari sotto forma di "acqua libera".
L'acqua di imbibizione non provoca significative variazioni delle caratteristiche fisico-meccaniche del legno (salvo un ovvio aumento della massa volumica).
Equilibrio igroscopico
Quando un materiale igroscopico come il legno si ritrova circondato da aria umida, si ha da un lato una continua evaporazione di molecole d'acqua dal legno nell'aria circostante e dall'altro un altrettanto continua condensazione di molecole di vapore dell'aria nel legno.
Una differenza di velocità fra questi due fenomeni (sempre concomitanti) provoca variazioni dell'umidità del legno, mentre velocità identiche corrispondono ad una situazione di cosiddetto equilibrio igroscopico tra legno ed aria circostante. Mantenendo sufficientemente a lungo il pezzo di legno in aria ad umidità relativa e temperatura costanti, si avrà la progressiva convergenza delle velocità di evaporazione e di condensazione verso un unico valore, ed il sistema tenderà spontaneamente allo stato di equilibrio igroscopico (che corrisponde ad uno stato di minima energia del sistema stesso).
Quello igroscopico è un equilibrio di tipo dinamico, che viene spezzato e progressivamente ricreato ogni qualvolta le condizioni igrometriche dell'aria subiscono una variazione.
Si definisce umidità di equilibrio ueq il valore di umidità del legno che si trova in stato di equilibrio igroscopico con l'aria circostante.
Nel grafico sono visibili i valori di umidità di equilibrio tipiche del legno in funzione dell'umidità relativa e della temperatura dell'aria:
Nella realtà ciascun provino tende ad equilibrarsi ad umidità leggermente diverse da quelle riportate, in funzione della specie, del contenuto di estrattivi, ecc.
In prima approssimazione i valori della tabella sopra riportata possono servire come un utile indicazione dell'umidità di equilibrio a cui tende il legno in condizioni d'impiego.
Adsorbimento, desorbimento ed isteresi igroscopica
Il meccanismo secondo cui il legno incrementa il suo contenuto di acqua prende il nome di adsorbimento, mentre il processo contrario viene detto desorbimento.
L'adsorbimento consiste nell'attrazione di molecole d'acqua da parte di gruppi ossidrilici OH presenti nella struttura delle pareti cellulari, ed in particolare nelle catene di cellulosa ed emicellulosa. L'attrazione ed il bloccaggio avviene grazie ad una forma di legame chimico denominato legame "a ponte di idrogeno", o più brevemente legame idrogeno, che ha natura essenzialmente elettrostatica.
Tramite i legami idrogeno si forma dapprima uno strato monomolecolare d'acqua che va a saturare tutti gli ossidrili OH disponibili; in conseguenza di ciò si ha un allontanamento reciproco delle catene cellulosiche nelle regioni amorfe, ed un allontanamento reciproco dei cristalliti adiacenti nelle regioni cristallizzate.
Il maggiore spazio disponibile permette l'adsorbimento di altre molecole d'acqua fmo a formare strati plurimolecolari ed un conseguente ulteriore rigonfiamento della struttura (che è in diretta relazione con il fenomeno macroscopico del rigonfiamento del legno).
Il desorbimento è il processo inverso dell'adsorbimento e si verifica ogni volta che legno relativamente umido permane in aria relativamente asciutta, cosicché la velocità di evaporazione delle molecole d'acqua alla superficie del legno supera la velocità di condensazione.
La perdita netta di acqua negli strati superficiali del legno porta alla formazione di un gradiente che induce l'umidità a muoversi dagli strati più interni verso la superficie. Se nel legno è presente acqua libera, questa si muove verso le zone meno umide grazie a vari meccanismi (capillarità, diffusione del vapore, ecc.); se invece nel legno non è più contenuta acqua libera, cominciano ad evaporare le molecole d'acqua legate alle pareti, con conseguente rottura di legami di idrogeno ed appressamento progressivo di cristalliti (nelle regioni cristallizzate) e delle catene molecolari (nelle regioni amorfe); questo appressamento a livello ultrastrutturale si manifesta macroscopicamente come ritiro.
La natura polare del legame idrogeno rende facilmente reversibili i meccanismi igroscopici del legno, cosicché è possibile portare il materiale ad equilibrarsi all'umidità desiderata(qualsiasi sia l'umidità di partenza) semplicemente controllando l'umidità relativa e la temperatura dell'aria in modo da favorire, secondo le esigenze, l'adsorbimento oppure il desorbimento.
Valori tipici di riferimento
Data la significativa influenza dell'umidità su tutte le principali caratteristiche del legno, qualsiasi confronto fra i valori di queste grandezze ottenuti sperimentalmente non avrebbe alcun senso se non fosse riferito a condizioni uguali per tutti i pezzi sottoposti a prova.
Per convenzione, pertanto, è stato stabilito in sede internazionale che le "condizioni normali" di prova sono le seguenti:
- temperatura dell'aria: 20°C;
- umidità relativa dell'aria: 65%.
In tali condizioni l'umidità tendenziale di equilibrio (soprattutto per le Conifere) è pari al 12%; tale valore viene pertanto definito umidità normale del legno.
Oltre all'umidità normale, esistono altri valori notevoli o stati di umidità, tra i quali si ricordano i seguenti:
- stato di massima imbibizione: è una condizione nella quale ogni cavità esistente nel legno è occupata da sola acqua; in questo caso vale: u=umax;
- stato fresco: nel linguaggio della ricerca scientifica, si intende per "fresco" il legno che si trova sicuramente al di sopra del punto di saturazione delle pareti cellulari; nel linguaggio tecnico e commerciale, invece, si considera "fresco" il legno che presenta umidità maggiore del 20-22%;
- punto di saturazione: u=30%
- legname stagionato all'aria: nella normativa tecnica per la classificazione del legno strutturale si definisce in tal modo il legname che in nessun punto presenta umidità maggiore del 20%, e che pertanto viene considerato al sicuro dagli attacchi fungini;
- legname "shipping-dry": si tratta di una clausola commerciale che impone la consegna di legname avente umidità sufficientemente bassa da consentire il trasporto senza che si verifichino attacchi ed alterazioni del materiale; ovviamente la conformità alla clausola potrà essere soddisfatta per umidità assai diverse a seconda della specie legnosa, delle condizioni climatiche prevalenti al momento del trasporto;
- legname ad umidità commerciale: si tratta di legname, pronto per la commercializzazione, equilibrato al 15% di umidità; questa è grossomodo l'umidità raggiungibile, mediante stagionatura naturale all'aria libera (nel nostro clima), nei depositi di legname;
- umidità di impiego: la corretta utilizzazione del legno impone che esso risulti all'incirca equilibrato alle stesse condizioni termoigrometriche degli ambienti in cui verrà posto in opera, per evitare deformazioni e fessure oppure dannosi rigonfiamenti; i valori più comuni per le umidità di impiego vanno dal 12-18% per i segati destinati all'edilizia, al 7-11% per le liste da pavimento;
- stato anidro: corrisponde ad u=0%, ed è raggiungibile soltanto in laboratorio mediante essiccazione in stufa ventilata od altra idonea apparecchiatura.
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