Il legno è un materiale poroso-capillare. A seconda della massa volumica del legno, la percentuale dei pori è mediamente pari a 50-60%. Il legno ha quindi una grande superficie interna. Questo sistema costituito prevalentemente da cavità, come tutti i materiali porosi, assorbe vapore acqueo dall’aria circostante e può imbeversi, per capillarità, di acqua o di altri liquidi (ad es. soluzioni di sostanze protettive del legno, adesivi). L’umidità del legno (detta anche tenore di umidità o contenuto di umidità) ne influenza praticamente tutte le caratteristiche fisiche, meccaniche e tecnologiche. La stabilità dimensionale assume un ruolo rilevante e può essere garantita se, in fase di lavorazione, il legno possiede un umidità che manterrà anche nel successivo impiego. I parassitari del legno, animali e vegetali, necessitano, per la sopravvivenza, di un determinato contenuto minimo di umidità; è quindi possibile ottenere una buona protezione del legno semplicemente mantenendo sufficientemente bassa la sua umidità.
Umidità del legno. Il contenuto in acqua percentuale del legno (o umidità percentuale del legno) u è il rapporto tra la massa dell’acqua contenuta nel campione di legno di cui si vuole determinare l’umidità (mu – m0) e quella dello stesso campione allo stato anidro m0. Secondo questa definizione l’umidità del legno u può superare il 100%. Per esempio, l’umidità nell’alburno di legni di Conifere è u ≈ 120 ÷ 150% o anche più. Per determinare l’umidità del legno, esistono, a seconda del tipo di applicazione, un gran numero di metodi diversi; fondamentalmente si può distinguere tra:
- metodi diretti, secondo i quali il quantitativo di acqua contenuto nel campione di legno viene completamente evacuato e misurato;
- metodi indiretti, che sfruttano come grandezza misurabile una proprietà del legno dipendente dalla sua umidità.
Nella pratica si incontrano soprattutto il metodo dell’essiccazione ed i procedimenti elettrici di misurazione dell’umidità del legno (facilmente applicabili). Il metodo dell’essiccazione è un procedimento di misura molto esatto, impiegato soprattutto per analisi scientifiche ma anche come termine di paragone per la calibratura degli igrometri e dei procedimenti di misura dell’umidità del legno. Secondo questo metodo, il campione di legno appena preparato viene pesato (mu), essiccato in una stufa a circolazione d’aria ad una temperatura di 103 ± 2° C fino a che due pesate successive risultino uguali (m0). In base alla diminuzione della massa si può ricavare, con la formula del paragrafo precedente, l’umidità del campione. Essendo un materiale igroscopico, il legno stabilisce un equilibrio con l’ambiente circostante assorbendo (adsorbimento) o cedendo (desorbimento) vapore acqueo. Per le diverse situazioni climatiche, si considerano le umidità di equilibrio ueq,ad o ueq,de [%]. L’umidità di equilibrio nella situazione di adsorbimento è però diversa da quella relativa al desorbimento, ovvero vale la relazione ueq,ad ≠ ueq,de. Le curve a due flessi di adsorbimento e di desorbimento del legno (curve ueq a temperatura costante) mostrano un fenomeno di isteresi nello scambio di vapore acqueo. L’umidità di saturazione (delle pareti cellulari) us [%] è quell’umidità del legno per la quale tutte le pareti cellulari (ossia l’intero sistema capillare all’interno di esse) sono completamente sature di acqua. Se l’umidità del legno si trova al di sopra del punto di saturazione (u > us), l’acqua si trova allo stato liquido nel lume delle cellule come cosiddetta “acqua libera” o “di imbibizione” (perché del tutto indipendente dalle pareti cellulari). Variazioni di umidità in questo intervallo influenzano pochissimo le caratteristiche fisico-meccaniche del legno. Per umidità del legno al di sotto del punto di saturazione (u < us), l’acqua viene adsorbita o desorbita solo dalle pareti cellulari come cosiddetta “acqua legata” o “di saturazione”. In questo intervallo, l’acqua immagazzinata ha un’influenza decisiva sulle caratteristiche fisico-meccaniche del legno. L’umidità di saturazione dipende dalla specie legnosa e per la maggior parte di esse si trova nell’intervallo 24% ≤ us ≤ 32%. In prima approssimazione si può considerare un valor medio us ≈ 28%. L’umidità massima umax (saturazione dell’acqua) del legno è quella per la quale tutte le pareti cellulari e tutti i lumi sono riempiti d’acqua e nel legno non è presente più aria.
Densità. La densità ρ è data dal rapporto tra la massa m ed il volume V. La densità della sostanza legnosa ρr è data dal rapporto tra la massa del legno anidro (completamente essiccato) m0 ed il volume della sostanza legnosa (al netto dei pori di parete) Vsostanza legnosa. La densità della sostanza legnosa caratterizza la densità delle pareti cellulari esclusi i pori. Essa è pressoché la stessa in tutte le specie legnose (ca. 1.500 kg/m3) ed è perciò una costante del materiale legno. Oltre alla sostanza legnosa, il legno contiene acqua ed aria. Perciò, a seconda dell’umidità del legno, si farà distinzione tra densità apparente del legno (detta comunemente anche massa volumica) e la densità anidra. La massa volumica ρu è data dal rapporto tra la massa mu ed il volume apparente (cioè vuoto per pieno) Vu del legno (comprensivo quindi del volume dei pori e dell’acqua in essi contenuta) ad una definita umidità u del legno. Poiché la massa volumica aumenta all’aumentare dell’umidità del legno, essa deve essere indicata, come indice, al momento della determinazione della massa volumica. La densità anidra ρ0 è data dal rapporto tra la massa m0 ed il volume V0 del legno anidro (u = 0%). Poichè la densità anidra non è influenzata dal comportamento igroscopico, essa può essere considerata una costante del materiale per le singole specie legnose.
Caratteristiche termiche. Per valutare la capacità termica isolante di un elemento costruttivo risulta di particolare importanza la conduttività termica λ. Con essa si intende la quantità di calore che in un’ora passa attraverso un cubo di 1 m di spigolo, quando tra due superfici laterali parallele esiste una differenza di temperatura, costante nel tempo, di 1°K. Si misura in W/(mK). A causa della sua elevata percentuale di pori, il legno è un cattivo conduttore di calore. Il materiale legno è costituito da sostanza legnosa, acqua ed aria e quindi la sua conduttività termica è funzione di: λLegno = f (massa volumica, umidità, struttura, temperatura). Per legno con un contenuto di umidità di circa il 20%, la conduttività termica perpendicolarmente alla fibratura assume valori λ┴ = 0,10 ÷ 0,20 W/(mK). Essa è quindi circa 15 volte più piccola che nel calcestruzzo armato e circa 10 volte in quello normale non armato.
Caratteristiche elettriche. Le grandezze caratteristiche sono:
- resistenza elettrica R = resistenza che il legno oppone al passaggio di corrente elettrica;
- conducibilità elettrica G = capacità di un materiale a lasciarsi attraversare da corrente elettrica. È l’inverso della resistenza elettrica.
La resistenza e la conducibilità elettriche del legno dipendono dai seguenti parametri.
- Umidità
Il legno allo stato anidro è un buon isolante. All’aumentare del contenuto di umidità, diminuisce la resistenza elettrica molto rapidamente tendendo, in condizioni di saturazione delle pareti cellulari, a raggiungere asintoticamente all’incirca il valore dell’acqua. Per umidità 5 ≤ u ≤ 22% il logaritmo della resistenza elettrica è pressoché funzione lineare dell’umidità del legno. Questa dipendenza viene sfruttata per la misurazione elettrica dell’umidità del legno con apparecchi che determinano la resistenza elettrica.
- Temperatura
All’aumentare della temperatura, la resistenza elettrica diminuisce notevolmente. Nei metodi di misurazione elettrica dell’umidità è necessario, quindi, un fattore correttivo dovuto alla temperatura.
- Massa volumica, struttura del legno, specie legnosa
A causa delle differenti masse volumiche e delle diverse sostanze contenute nel legno, l’appartenenza ad una determinata specie legnosa influenza fortemente la resistenza e la conducibilità elettriche del legno.
- Direzione della fibratura
La resistenza elettrica del legno perpendicolarmente alla fibratura è doppia di quella parallelamente ad essa.
Caratteristiche acustiche. Le caratteristiche acustiche del legno si riscontrano in diversi campi d’impiego, p. es. nelle costruzioni edili (acustica tecnica, isolamento fonico, sale concerto e simili), negli strumenti musicali e nelle prove non distruttive sui materiali. Il suono è una vibrazione meccanica prodotta da un mezzo elastico. In base alla frequenza si può fare una differenziazione tra infrasuoni (non percettibili dall’udito umano, frequenze < 16 Hz), suoni percettibili dall’udito (16 Hz ÷ 20 kHz) ed ultrasuoni (> 20 kHz). La velocità di propagazione del suono lungo la direzione della fibratura raggiunge valori di 4000 ÷ 6000 m/s, perpendicolarmente ad essa di 400 ÷ 2000 m/s. La velocità di propagazione del suono può essere misurata con strumenti ad ultrasuoni o mediante misurazione del tempo di percorrenza delle vibrazioni (onde) provocate da un adeguato impulso meccanico. Entrambi i metodi vengono applicati per la classificazione secondo la resistenza dei tondi e dei segati.
Caratteristiche meccaniche del legno. La microstruttura e la macrostruttura del legno influenzano in modo determinante le sue proprietà meccaniche. Le cellule, infatti, sono allineate lungo una direzione preferenziale parallela all’asse del tronco. Queste cellule, paragonate a cilindretti molto allungati con discrete proprietà meccaniche, sono tenute assieme nella direzione trasversale da sostanze polimeriche con scadenti doti di resistenza e rigidità. La situazione è ulteriormente complicata dall’alternarsi di strati di cellule con pareti di differente spessore (legno primaticcio e tardivo). Il legno, dunque, non è isotropo ma può essere considerato ortotropo, ovvero possiede proprietà meccaniche uniche e indipendenti lungo tre assi perpendicolari tra loro. L’asse longitudinale (L) è parallelo alla fibratura, quello radiale (R) è perpendicolare agli anelli di accrescimento (e quindi perpendicolare alla fibratura nella direzione radiale), quello tangenziale (T) è anch’esso perpendicolare alla fibratura, ma è tangente nei confronti degli anelli di accrescimento.