Ritiro e rigonfiamento del legno

Dalla condizione di legno fresco fino al punto di saturazione (u_sat=30% circa) il provino (pur perdendo ovviamente peso a causa dell'evaporazione dell'acqua) rimane a volume costante, ovvero V=V_f .

Appena giunto al punto di saturazione, il legno entra nel campo igroscopico e comincia ad evaporare l'acqua legata polarmente alle pareti cellulari, per cui inizia anche la contrazione o ritiro (volumetrico) del legno stesso. In questa fase si parla genericamente di volume umido del provino: V=V_u<V_f .

Quando anche tutta l'acqua di saturazione è evaporata, il legno è allo stato anidro ed ha raggiunto la massima contrazione possibile; il volume minimo raggiunto (attenzione si tratta di un volume finito, diverso da aero) viene indicato solitamente con V_o o volume anidro: V_o<V_u<V_f .

Ritiro del legno

Viene definito ritiro volumetrico totale β_v la diminuzione percentuale di volume che si misura passando dallo stato fresco a quello anidro, riferita allo stato fresco. In altri termini:

β_v = ( V_f  - V_o ) / V_f  * 100      [%]

 con:     V_f      volume allo stato fresco

            V_o     volume allo stato anidro.

I valori del ritiro volumetrico totale sono compresi in pratica tra il 9% ed il 23% circa, con notevole variabilità anche tra provini estratti da uno stesso tronco.

Anisotropia del legno e ritiro

Il ritiro assume valori diversi nelle tre differenti direzioni anatomiche fondamentali (assiale, radiale e tangenziale) poiché il legno è anisotropo.

In particolare, la contrazione in direzione assiale è molto piccola in confronto a quella in direzione tangenziale, mentre la contrazione in direzione radiale è circa pari alla metà di quella in direzione tangenziale.

Ritiri lineari totali

Analogamente al ritiro volumetrico, possono essere espressi quantitativamente i ritiri nelle tre direzioni anatomiche fondamentali.

Si consideri infatti un provino prismatico, tagliato in modo da avere le facce esattamente orientate secondo le direzioni anatomiche fondamentali.

Si definisce ritiro dimensionale totale la diminuzione percentuale di lunghezza, dallo stato fresco a quello anidro, riferita alla dimensione misurata allo stato fresco. Per definizione potremo dunque distinguere:

il ritiro assiale totale:                β_L = ( L_f  - L_o ) / L_f  * 100      [%]

il ritiro radiale totale:                β_R = ( R_f  - R_o ) / R_f  * 100     [%]

il ritiro tangenziale totale:          β_T = ( T_f  - T_o ) / T_f  * 100     [%]

con:  L_f , R_f , T_f     dimensioni del provino allo stato fresco

        L_o , R_o , T_o   dimensioni allo stato anidro

Il ritiro assiale totale può variare tra 0,1% e 0,8% (valori più frequenti:0,2%-0,5%); il ritiro radiale totale tra 2% e 12% (valori più frequenti: 3%-6%) ed il ritiro tangenziale totale tra 4% e 23% (valori più frequenti 6%-12%).

Si definisce stabilità dimensionale (o nervosità) del legno il rapporto tra le variazioni in direzione tangenziale e quelle in direzione radiale. Più alto è il valore di questo rapporto, più elevata è la nervosità del legno, intendendo con ciò esprimere il fatto che alle variazioni dimensionali igroscopiche è associato anche un notevole cambiamento di forma del pezzo. Viceversa, legni poco nervosi hanno variazioni dimensionali simili nelle due direzioni del piano trasversale e, di conseguenza, cambiano di poco la loro forma. Un pezzo può avere, contemporaneamente, variazioni dimensionali elevate ma buona stabilità di forma (o viceversa).

Relazioni fra ritiri dimensionali e ritiro volumetrico

In prima approssimazione si può considerare che il ritiro volumetrico totale sia pari alla somma dei tre ritiri dimensionali totali, ovvero:

  β_v = β_L + β_R + β_T  

Accontentandosi di un'approssimazione solo di poco peggiore, ma ancora accettabile ai fini pratici, si può trascurare β_L (normalmente pari a circa 1/25 di β_T) e scrivere:

  β_v = β_R + β_T  

Avendo a disposizione soltanto uno dei due ritiri dimensionali totali trasversali, potranno essere di aiuto le seguenti relazioni orientative:

  β_T = 2β_R     da cui:       β_v = 3β_R       e:     β_v=3/2β_T  

Fattori che influenzano il ritiro

Fra i principali fattori che influenzano il ritiro del legno possono essere citati i seguenti:

-       la massa volumica: più un legno è denso e pesante, e più elevato sarà tendenzialmente il suo ritiro, tanto che in prima approssimazione è valida la seguente relazione:

β_v ≈ ρ_b * u_sat  

con:      ρ_b       densità basale in g/cm³

            u_sat   punto di saturazione delle pareti cellulari (u ≈ 30%)

-    gli estrattivi duramificanti insolubili in acqua: da un lato mantengono la parete in stato di parziale rigonfiamento anche allo stato anidro inserendosi tra una microfibrilla e l'altra, dall'altro incrostano le pareti cellulari ed occupano una parte dei gruppi OH, i quali non possono perciò contribuire a legare molecole di acqua di saturazione; l'influenza degli estrattivi sul ritiro è notevole solo a temperatura ambiente, mentre ad elevate temperature i legni ricchi di estrattivi denotano invece ritiri molto elevati;

-    la composizione chimica percentuale della sostanza legnosa: è già stato ricordato che ad un incremento percentuale di lignina corrisponde una riduzione del ritiro e viceversa;

-    la presenza di sollecitazioni meccaniche, sia dovute a tensioni interne, sia dovute a forze esterne applicate al legno può indurre nelle cellule deformazioni permanenti, tali da sommarsi e sottrarsi ai ritiri/rigonfiamenti di origine igroscopica.

Andamento del ritiro con l'umidità

Le definizioni di ritiro totale date nei paragrafi precedenti considerano soltanto le umidità estreme del campo igroscopico, e quindi β_V , β_R , β_T e β_L sono valori espressivi dell'andamento medio del fenomeno.

La variazione di volume del legno per ogni 1% di variazione della sua umidità (nel campo igroscopico) vale:

  ΔV / Δu  =  ( V₂  -  V₁ ) / ( u₂  -  u₁ )          [m³ %^-1]  

Con:    V₁e V₂   volumi del provino agli stati 1 e 2 [m³]

            u₁ e u₂   umidità del provino agli stati 1 e 2 [%]

Analogamente a quanto fatto per il ritiro totale, si definisce quindi il coefficiente unitario di ritiro volumetrico:

β_Vu = ΔV / ( V_f * Δu )

Ai fini pratici conviene generalmente ammettere che l'andamento di V = f_(u)  sia rettilineo, cioè che bvu sia costante in tutto il campo igroscopico (approssimazione lineare), per cui si può definire il ritiro specifico β_spec mediante la seguente relazione, che esprime il ritiro percentuale medio che si verifica per ogni percento di umidità perduta dal provino (è un coefficiente adimensionale, essendo dato dal rapporto fra due percentuali):

β_spec = β_V / u_sat

Dalle suddette espressioni è possibile derivare anche la relazione:

V_u  =  V_f  * (1 - ( β_spec * Δu ) / 100)

Che consente di determinare il volume di un provino a qualsiasi umidità compresa entro il campo igroscopico, conoscendone il volume allo stato fresco ed il ritiro specifico.

Analoghi coefficienti possono essere definiti per i ritiri dimensionali e per i rigonfiamenti.

Ritiro angolare: definizione e relazione con i ritiri lineari

Si tratta di una maniera semplice e precisa di misurare i ritiri radiali e tangenziali del legno, utili ai fini della sua stabilità dimensionale.

Con alcuni passaggi matematici (che qui non riportiamo per semplicità) si ottengono le seguenti relazioni:

β_T ≈ β_R + β_θ        β_V ≈ 2β_R + β_θ   

La determinazione indiretta del ritiro tangenziale in base ai ritiri radiale ed angolare misurabili sulla rotella con semplici strumenti (righello e goniometro) porta spesso ad errori minori di quelli che si commetterebbero tentando di applicare la formula tradizionale.

La misura del ritiro angolare sarà indubbiamente facilitata dalla presenza di un'unica grande fessura a "V" in cui si è accumulato tutto il ritiro; dato che questa condizione non sempre si riesce ad ottenere con il sistema del taglio radiale unico (la rotella si spacca in più punti, si deforma uscendo dal suo piano, ecc.), si può segare la rotella in quattro quarti (mediante due tagli radiali in croce) che potranno contrarsi senza rischio di fessurazioni. Facendo poi ricombaciare i quattro quarti essiccati, si potrà facilmente determinare il ritiro angolare sulla base della "V" formata dai due lati che rimangono divaricati quando gli altri sono in contatto a due a due.

Conseguenze dei ritiri

Il fenomeno del ritiro è inevitabile, essendo legato alla costituzione stessa del materiale legnoso; le conseguenze che esso porta con sé sono principalmente di tre tipi:

-         variazioni dimensionali;

-         deformazioni;

-         sviluppo di tensioni interne al materiale;

inoltre la gravità ed influenza negativa di queste sulle qualità dei diversi assortimenti legnosi può venire facilmente esaltata da procedimenti di essiccazione sbagliati.

L'anisotropia del legno nei confronti del ritiro è la causa principale dei seguenti inconvenienti (oltre naturalmente alla diminuzione di volume):

-      distorsione dei solidi: un qualsiasi solido tridimensionale ricavato dal legno fresco dopo l'essiccazione presenterà, oltre alla diminuzione di volume, anche una marcata distorsione, ovvero la variazione dei rapporti tra le dimensioni geometriche del pezzo rispetto ai suoi valori iniziali (ad es. le sezioni trasversali dei segati aventi rapporto fra i lati non troppo distanti dall'unità tendono ad assumere forma romboidale o a diamantarsi come si dice nel gergo tecnico);

-      ovalizzazione dei fori: praticando nel legno fresco un foro in direzione assiale, inizialmente la sezione trasversale del foro sarà perfettamente circolare; con l'essiccazione, il foro tenderà a deformarsi, poiché la contrazione in direzione tangente agli anelli di accrescimento sarà maggiore di quella in direzione dei raggi; inoltre, la contrazione tangenziale tenderà ad aumentare passando dai punti più vicini al midollo a quelli più lontani, dando così origine ad una sezione trasversale ovale con la "punta" rivolta in direzione opposta rispetto al midollo; eventuali fori praticati in direzione radiale presenteranno alla fine dell'essiccazione una sezione trasversale tendenzialmente ellittica, derivante dalla differenza tra ritiro tangenziale e ritiro longitudinale;

-      fessure radiali a "V": negli assortimenti contenenti il midollo centrale il ritiro angolare finisce spesso per indurre nel materiale tensioni superiori alle resistenze, con conseguente aperture di fessure divaricate;

-      imbarcamento delle tavole tangenziali: è un tipo di deformazione da ritiro che si manifesta sulle tavole che non contengono il midollo centrale, perché tagliate lungo piani tangenziali. Il lato della tavola più tangenziale rispetto al lato opposto tenderà a ritirarsi più del secondo, esercitando una forza di trazione che porterà il segato ad incurvarsi trasversalmente, rivolgendo sempre la convessità della curvatura in direzione del midollo; l'imbarcamento tende ad aumentare con la tangenzialità e con lo spessore della tavola ed è un difetto che riduce sensibilmente le rese di lavorazione. L'imbarcamento può essere ridotto, ma non annullato, forzando la tavola in posizione piatta durante l'essiccazione; ciò favorisce tuttavia l'insorgenza di tensioni interne che possono portare ad inconvenienti nelle lavorazioni successive.

Cambio di forma di diversi segati e deformazioni dovute al ritiro differenziale fra la direzione radiale e tangenziale.

La presenza di legno anomalo comporta principalmente:

-      falcatura: su un bordo della tavola si trova una striscia di legno di reazione, che con il suo abnorme ritiro assiale tende ad incurvare longitudinalmente la tavola a "lama di falce" (la curvatura è contenuta in un piano longitudinale parallelo alle facce delle tavole); la concavità è rivolta verso la zona anomala se il legno è in fase di desorbimento, oppure in direzione opposta se il legno sta assorbendo umidità

-      svergolamento: corrisponde ad una torsione dell'intera tavola intorno al suo asse longitudinale e si manifesta in seguito al ritiro quando una striscia di legno di reazione occupa la zona centrale della tavola, oppure quando la tavola proviene da un tronco con fibratura elicoidale;

-    arcuatura: si tratta di una deformazione causata dalla presenza di legno di reazione su una delle due facce della tavola, con conseguente incurvamento del semilavorato a "doga di botte" (la curvatura è contenuta in un piano perpendicolare alla faccia della tavola).

La differenza del legno primaticcio e quella del legno tardivo in certe specie è molto marcata, dando luogo ad inconvenienti quali ad es. il difetto indicato come "fibratura allentata", consistente nel distacco di strisce di legno tardivo, più denso, dalla superficie delle tavole tangenziali (le punte della venatura fiammata tendono a sollevarsi). Nonostante questo difetto non sia imputabile esclusivamente al ritiro (in genere si evidenza al momento della piallatura oppure di altre lavorazioni meccaniche), è lecito attribuire alle differenze di ritiro assiale fra legno primaticcio e tardivo dell'anello di accrescimento un effetto di distacco per scorrimento (cioè per un taglio in direzione longitudinale) all'interfaccia fra due anelli.

Spesso la pretesa di ridurre i tempi di essiccazione per limitare i costi, oppure per rispettare i termini di una consegna, porta a "forzare" l'evaporazione superficiale dell'acqua contenuta nel legno, provocando così l'insorgere di ripidi gradienti di umidità all'interno dei segati. Le conseguenze negative (in questo caso evitabili) di un tale modo di procedere possono essere riassunte nei seguenti punti:

-    presenza nei segati stagionati di eccessive tensioni interne da essiccazione: risulta così difficoltosa ogni successiva lavorazione poiché i pezzi ottenuti risegando, piallando oppure fresando questo materiale tenderanno a deformarsi dopo pochi minuti o entro alcune ore dall'uscita della macchina utensile;

-     formazione di crosta: se le fasi iniziali dell'essiccazione vengono condotte a temperature troppo elevate ed aria troppo secca, si può giungere alla formazione di uno strato superficiale di legno praticamente anidro in cui la maggior parte degli ossidrili OH delle pareti cellulari si auto-saturano, rallentando in modo sostanziale il movimento verso l'esterno dell'acqua contenuta negli strati più interni; i segati rischiano così di uscire dall'impianto di essiccazione con gli strati più superficiali inossati (ovvero con una consistenza rigida, quasi ossea) e quelli interni che presentano umidità elevata;

-     apertura di eretti: si tratta di spaccature visibili sulle testate sia dei tronchi, sia del tavolame, derivanti da gradienti longitudinali di umidità eccessivamente ripidi; si distinguono dai cretti da tensioni interne di accrescimento (cretti a "zampa di gallina") sia per il modesto approfondimento nel legno, sia per la numerosità (molte sottili fessurazioni radiali ravvicinate, partenti o meno dal midollo centrale), sia infine perché eliminando i gradienti tendono a richiudersi;

-     collasso, fessurazioni a nido d'ape: in alcune specie legnose, quali ad es. Querce ed Eucalipti, l'essiccazione troppo drastica porta ad un grave inconveniente denominato collasso; le superfici dei segati appaiono localmente avvallate ed all'interno della massa legnosa si aprono talvolta delle fessurazioni lenticolari dette "a nido d'ape", invisibili dall'esterno; la causa del collasso sembra essere il vuoto parziale provocato dal richiamo di acqua dall'interno verso l'esterno del segato durante l'essiccazione; inizialmente l'acqua libera occupa interamente i lumi cellulari e, se il passaggio dell'aria all'interno è meno veloce dell'evaporazione, può avvenire l'implosione di gruppi di cellule, che appiattendosi riducono improvvisamente il loro ingombro trasversale, da cui gli avvallamenti e le fessure a nido d'ape; le elevate temperature favoriscono l'insorgenza del collasso anche per l'effetto plasticizzante sulle pareti cellulari.