Umidità del legno

Definizione

Si definisce "umidità u del legno" il rapporto percentuale tra il peso dell'acqua contenuta in un pezzo di legno ed il suo peso anidro:

u = (p - p_o) / p_o * 100     [%]

con:      p_o  peso umido

            p_o   peso anidro

L'umidità di alcuni legni allo stato fresco, se definita come sopra, può superare il 100%: questo significa semplicemente che esiste una prevalenza di acqua rispetto alla sostanza secca.

Nell'industria cartaria si usa talvolta riferire l'umidità al peso umido, invece che al peso anidro. Si tratta di una formula poco usata, e in tal caso l'umidità del legno non può mai superare il 100%.

Punto di saturazione delle fibre

Si definisce “punto di saturazione delle fibre” (PSF) il valore di umidità del legno in corrispondenza del quale tutta l'acqua di imbibizione è stata eliminata, mentre tutta l'acqua di saturazione è ancora legata alle pareti cellulari.

Il punto di saturazione dipende da diversi fattori tra i quali la specie legnosa, la presenza di estrattivi, la massa volumica, le percentuali di legno primaticcio e tardivo, la temperatura e la presenza di legno di reazione.

L'umidità del legno corrispondente al punto di saturazione, pertanto, può variare tra il 28% e il 40%, ma per la maggior parte dei fini pratici è sufficiente considerare il punto di saturazione convenzionalmente fissato ad u=30%.

L'importanza del punto di saturazione consiste nel fatto che esso segna una sorta di soglia al di sotto della quale il legno comincia a presentare sensibili variazione delle proprietà fisico-meccaniche in funzione dell'umidità (come ad es. il ritiro volumetrico, le resistenze, la rigidezza ecc.).

Gradienti di umidità (longitudinali e trasversali)

Il movimento dell'acqua all'interno del legno è governato da leggi fisiche relative a fenomeni di tipo assai diverso quali ad es. la permeabilità, l'adsorbimento, la diffusione, la capillarità, l'osmosi ecc.

Evitando di entrare nei dettagli, si può enunciare il principio generale che "l'acqua si muove all'interno del legno con velocità finita, tendendo a fluire più o meno rapidamente dalle zone più umide a quelle meno umide".

Si definisce gradiente di umidità la differenza di umidità del legno misurata fra due punti di un provino.

I gradienti più significativi dal punto di vista pratico sono quelli che esprimono la variazione di umidità del legno per unità di lunghezza misurabile procedendo radialmente dalla periferia verso il centro di una sezione trasversale ("gradiente trasversale"), oppure l'analoga variazione unitaria misurabile procedendo assialmente dalle sezioni di estremità di un provino verso la sua sezione mediana ("gradiente longitudinale").

Lo studio dei gradienti di umidità nel legno è di fondamentale importanza per la comprensione di importanti problematiche quali ad es. la scelta e la conduzione dei cicli di essiccazione artificiale, l'insorgenza di tensioni da ritiro e di conseguenti fessurazioni nei pezzi, le modalità di campionamento per la determinazione dell'umidità media dei segati.

Metodi e strumenti per misurare l'umidità del legno

I metodi più importanti descritti nei paragrafi che seguono sono riportati nella norma italiana UNI 9091, suddivisa in quattro parti (rispettivamente: metodo gravimetrico, elettrico, per distillazione e igrometrico).

Metodo gravimetrico

Il metodo di riferimento previsto dalla normativa tecnica per la misurazione dell'umidità di un singolo pezzo di legno di limitate dimensioni (detto "provino") è il cosiddetto "metodo gravimetrico" o "per doppia pesata". Esso deriva dalla applicazione letterale della definizione e necessita della seguente attrezzatura minima:

-     una stufa ventilata e termostatata a 103±2°C; la ventilazione è necessaria per asportare il vapore liberato dal provino; la temperatura invece consente di trasformare tutta l'acqua in vapore (a pressione normale) senza tuttavia dar luogo a distillazione di estrattivi del legno oppure al degradamento termico di certi costituenti la parete cellulare (che devono rimanere intatti affinché le pesate non risultino falsate);

-    una bilancia tecnica o analitica, a seconda dei casi, avente una risoluzione tale da  consentire la determinazione dei pesi con una accuratezza minima dello 0,2%.

Operativamente si effettua una prima pesata del provino e si determina il peso umido p. Si mette poi il provino in stufa, lasciandolo indisturbato per 48 ore in modo che possa perdere gran parte dell'umidità. Si effettua quindi una seconda pesata, annotando la misura, e si mette di nuovo il provino in stufa per ulteriori 6 ore. Si ripete la pesata e si confronta l'ultimo dato con la registrazione precedente: se la variazione di peso intervenuta nelle sei ore è trascurabile (minore dello 0,5%), si considera raggiunto lo stato di peso costante e di conseguenza si assume che tutto il vapore, l'acqua libera e quella di saturazione siano stati eliminati dal provino, che risulterà perfettamente anidro. Se invece la pesata rivela una differenza non trascurabile, si rimette il provino in stufa per ulteriori 6 ore e si ripete la procedura fino al raggiungimento di un valore di peso costante tra le due ultime letture. Resta così determinato p_o, che consentirà il calcolo dell'umidità originale del provino. Questo metodo è in grado di fornire risultati con tre cifre significative, ma non è esente da errori (in parte evitabili, in parte no).

Il metodo gravimetrico viene applicato talvolta sostituendo la stufa ventilata con qualche altro apparecchio che consenta l'essiccazione del legno. Tra i sistemi degni di nota figurano i seguenti: sottovuoto, con termobilancia, o con riscaldamento a microonde.

Metodo elettrico

Il legno allo stato anidro è un pessimo conduttore dell'elettricità, tanto da poter essere annoverato fra i materiali isolanti.

All'aumentare dell'umidità, la sua resistività diminuisce seguendo una legge grosso modo esponenziale fino al punto di saturazione, continuando poi a diminuire anche al di sopra di esso, ma in modo più lento e meno regolare.

La resistività del legno anidro si aggira intorno ai 10¹⁸ Ωcm²/cm, per diminuire fino ai 10⁶ Ωcm²/cm per il legno al punto di saturazione, con un fattore di diminuzione di circa 10¹² Ωcm²/cm, cioè mille miliardi di volte.

In definitiva, sfruttando la correlazione esistente fra umidità del legno e resistività, è possibile effettuare una determinazione indiretta della prima misurando la seconda. In pratica, dato che un campo talmente esteso della resistività del legno in funzione dell'umidità finisce per rendere poco influenti i parametri geometrici di lunghezza e sezione (almeno entro certi limiti) del tratto attraversato dalla corrente, nel legno si adottano strumenti ad elettrodi in cui a rigore ciò che viene sempre misurato è in

effetti una resistenza (non una resistività), compiendo però un errore quasi sempre trascurabile ai fini pratici.

Il campo utile di questi strumenti va dal 6-7% al 25-30% circa: dato infatti l'andamento esponenziale della curva resistenza-umidità, per valori molto bassi di umidità la resistenza diventa troppo alta per poter essere misurata dallo strumento; viceversa per umidità al di sopra del punto di saturazione delle pareti cellulari, la variazione della resistenza dell'umidità diventa relativamente piccola e quindi poco significativa.

La resistenza totale misurata attraverso gli elettrodi infissi nel legno è influenzata in modo prevalente dalla resistività del materiale nell'immediato intorno degli elettrodi, ed assai meno dal resto del legno. La misura elettrica dell'umidità ha pertanto carattere locale, e dà informazioni sulla massima umidità comune alle due zone del legno a contatto con gli elettrodi (a differenza ad es. del metodo gravimetrico che fornisce l'umidità media globale del provino messo in stufa). Ciò può causare grossolani errori nei casi in cui:

-         si utilizzano elettrodi di minima lunghezza, oppure semplicemente appoggiati, sulla superficie, con i quali non è mai possibile rilevare l'umidità negli strati profondi del pezzo;

-         siano presenti tasche di umidità anche di minimo spessore che, attraversate dagli elettrodi, determinano il valore finale della lettura;

-         il legno oggetto di misurazione sia ricoperto da una patina di umidità oppure sia stato trattato con soluzioni saline: gli elettrodi misurano in questo caso solo la resistenza dello strato umido o ricco di ioni, dando un risultato completamente inattendibile.

Una riduzione della possibilità del verificarsi di tali errori può ess ere ottenuta adottando elettrodi con stelo isolato (uno strato apposito di smalto riveste tutta la superficie di ciascun elettrodo tranne la punta) che consentono anche il rilevamento di eventuali gradienti trasversali di umidità (ad es. di un segato) mediante letture ripetute a profondità crescenti. Anche in questo caso, tuttavia, occorre prestare attenzione alla presenza di acqua sulla superficie del pezzo, che la punta potrebbe trascinare con sé all'interno del foro, provocando un aumento fittizio del valore leggibile sul display dello strumento.

A parte le fonti di errore sopra descritte, i fattori che influenzano la misura dell'umidità in base alla resistenza elettrica sono molteplici:

la specie legnosa, la temperatura del legno, la duramificazione (ossia la deposizione di estrattivi aventi natura ionica), la direzione della fibratura, da eventuali trattamenti chimici, impregnazione con sali, imbibizioni di acqua marina ed altri eventi caratterizzanti la storia del provino esaminato, ed il criterio di campionamento.

Avendo necessità di conoscere l'umidità media di un segato in dimensioni d'uso, occorrerà ripetere la misurazione in diversi punti (almeno tre) ed a diverse profondità; analogamente, per determinare l'umidità media di un lotto di segati occorrerà fissare una procedura di campionamento in grado di fornire un risultato statisticamente accettabile.

Oltre ai misuratori basati sulla resistenza, esistono anche strumenti che misurano indirettamente l'umidità del legno basandosi sulle proprietà dielettriche del materiale, anch'esse legate alla presenza di molecole polari d'acqua. Si tratta di misuratori detti genericamente "a radiofrequenza" che basano il loro funzionamento sulla proprietà del legno umido di accumulare, qualora sottoposto all'azione di un campo elettrico, una carica elettrostatica (rappresentata dalla grandezza denominata "costante dielettrica"), e di restituire solo in parte l'energia elettrica accumulata al cessare oppure all'invertirsi dell'azione del campo elettrico stesso (rappresentato dal cosiddetto "fattore di perdita dielettrica").

Gli strumenti che misurano la costante dielettrica prendono il nome di misuratori a capacità, e funzionano a radiofrequenze intorno a 0,5-1,0 MHz. Gli strumenti che misurano invece il fattore di perdita dielettrica prendono il nome di misuratori a dissipazione e funzionano a frequenze intorno ai 10 MHz.

In entrambi i casi si tratta di strumenti provvisti di testa porta-elettrodi da appoggiare od avvicinare semplicemente alla superficie del legno (misuratori "senza contatto"). Per ogni tipo di assortimento legnoso (dimensioni, spessore, ecc.) esistono elettrodi di dimensioni e forma ottimali. I modelli "senza contatto" sono ideali per le lavorazioni a ciclo continuo dell'industria e per i controlli assolutamente non distruttivi su manufatti delicati o pregiati (ad es. opere d'arte). Altro vantaggio è la maggiore attendibilità per valori di umidità maggiori del 30% rispetto ai misuratori a resistenza elettrica.

Gli svantaggi risiedono nelle sensibilità alle variazioni di massa volumica del legno, per cui devono essere calibrati in base alla massa volumica media delle diverse specie.

I misuratori elettrici risultano preziosi in tutte le occasioni in cui serve una misura dell'umidità del legno pressoché immediata e non distruttiva. Essi sono poco ingombranti, sono alimentati a batteria, e se correttamente usati forniscono risultati con uno scostamento massimo di 1-2 punti percentuali in più o in meno rispetto al metodo per doppia pesata (errore tollerabile per molti fini pratici, ma non in caso ad es. di contestazioni di forniture oppure per ricerche di carattere scientifico).