목재의 함수율와 신축(수축 팽창)

목재는 함수율에 따라 강도가 달라질 뿐 아니라 신축팽창하게 됩니다. 충분히 건조하지 상태에서 목재를 사용하게 되면 건조되면서 심하게 변형되고 못이 빠질 정도로 심하게 뒤틀리는 경우도 있습니다. 여기서는 목재가 함수율에 따라 어떻게 성질이 달라지는지 살펴보겠습니다.

 

■ 목재의 장단점

■ 심재와 변재(목재)

 

목재 난간에 사용된 목재가 수축하면서 심하게 뒤틀린 상태. 나사못이 빠질 정도로 심하게 변형되었다.

 

섬유포화점

생목속에는 물이 40-100% 정도 포함되어 있습니다. 목재 속에 포함된 물을 분류하면 다음과 같습니다.
- 자유수 : 목질 공극에 존재
- 생리수 : 세포강내에 존재
- 흡착수 : 세포막을 포화시키고 있는 물

 

생목을 건조하게 되면 건조시 자유수부터 마르기 시작해서 생리수, 흡착수 순서대로 마르게 됩니다. 여기서 자유수와 생리수가 마르고 나면 흡착수만이 남아 있는 상태가 되는데, 이 상태를 섬유포화점(Fiber saturation point)이라고 합니다. 섬유포화점은 흡착수만이 최대한도로 남아있는 상태입니다.

 

목재에서 섬유포화점은 매우 특별한 성질을 갖습니다. 대체로 섬유포화점은 수종에 관계없이 30%로 일정합니다. 섬유포하점을 지나 계속 건조하게 되면 흡착수는 대기의 습도와 평행상태일 때까지 건조하게 되고 보통 기건재의 함수율은 약 15%을 나타냅니다.

목재의 함수상태를 구분해본다면 다음과 같습니다.

- 절건상태(oven dried condition) : 100-105℃에서 항량에 달한 건조된 무수상태
- 기건상태(air dried condition) : 통상 대기의 온도, 습도와 평형된 수분을 함유한 상태(평형함수율). 국내의 경우 평균 15% 정도

- 섬유포화점(Fiber saturated condition) : 세포막내부가 완전히 수분으로 포함되고 세포내공과 공극 등에는 액체수분이 없는 상태
- 생재상태 : 세포막내부가 완전히 포화. 세포내강 및 공극의 일부가 액체수분으로 존재
- 포수상태(water saturated condition) : 이때의 함수율을 최대함수율 (maximum M.C.)

 

함수율과 압축강도

목재를 생재상태에서 점점 건조시켜 섬유포화점 아래로 내려가면 완전히 마를 때가지 강도가 점점 증가합니다. 따라서 기건상태의 강도는 생나무의 1.5배 정도를 차지합니다.

 

 

함수율과 신축

목재의 신축도 섬유포화점의 영향을 크게 받습니다. 생재 상태에서 섬유포화점까지는 수축되지 않지만 섬유포화점 아래로 내려가게 되면 목재는 점점 줄어들게 됩니다. 반대로 건조된 목재를 침수시키면 함수량이 점차 증가하면서 섬유포화점까지 팽창하게 되는데, 섬유포화점을 넘으면 체적이 변화하지 않습니다.

 

 

 

생재를 건조하면 섬유포화점 이하에서는 섬유 자신의 수분이 증발하고 섬유가 말라서 수축하게 됩니다. 게다가 방향에 따라 줄어드는 비율도 다르기 때문에 주의 해야 합니다.

 

무늬결방향 : 곧은결방향: 섬유방향의 수축률비는 대략 20:10:1-0.5 정도가 됩니다. 그러니까 나이테 방향으로 가장 많이 줄어들고 그 다음이 나이테 직각방향, 그리고 나무가 자라는 섬유방향으로 가장 덜 줄어듭니다.

 

아래 그림은 목재의 방향에 따라 수축하는 형상이 달라지는 것을 나타냅니다.

 

 

따라서 목재를 잘못 가공하게되면 수축 차이에 의한 뒤틀림이나 휘어지는 현상이 발생할 수 있습니다.

 

목재의 함수율 측정

목재의 함수율은 전기식 시험기 등을 사용해서 측정할 수 있습니다.

 

■ 골재의 표건상태와 흡수율

■ 골재의 밀도 시험(흡수율)

 

또는 목재 시편을 이용해서 측정한다면 다음 식을 이용합니다. 즉 시편을 (103±2) ℃가 유지되는 건조기 내에서 항량에 도달할 때까지 건조한 후 질량 감소분을 측정하고, 이 질량감소분을 시편의 건조 후 질량으로 나누어 백분율로 계산합니다.

 

(W₁-W₂)/W₂ X 100(%)
- W1 : 목재의 중량
- W2 : 절건상태의 중량(103±2) ℃도에서 일정량이 될 때의 중량
- 시편 : 한 변의 길이가 20mm 이상인 사각형 횡단면에 섬유 방향 길이가 20mm 이상인 직육면체 시편 사용

 

목재의 비중을 미리 알고 있다면 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

예를 들어 겉보기 비중이 0.54인 목재가 있는데, 단면 200X90이고 길이가 2,600 이라면

이 목재의 비중은 다음과 같이 계산되어야 합니다.

W₂ = 체적 X 비중 = (0.09 X 0.2 X 2.6) X 0.54 = 25.3㎏

 

그런데 이 목재의 중량을 저울로 측정했을 때 값이 30㎏으로 나왔다면
W₁ = 30㎏(저울로 측정)

 

함수율은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
함수율 = (30-25.3)/25.3 X 100% = 18.6%

이처럼 목재는 함수율이 매우 중요합니다.

따라서 목재를 사용하기 전에 충분히 건조시켜 균일한 함수율이 된 것을 사용해야 하고, 건조에 따라 변형되는 크기나 방향을 고려하여 영향을 적게 미칠 수 있도록 배치하는 것이 좋습니다.
또 목재는 가능한 곧은결 목재를 사용하는 것이 바람직합니다.
목재 표면에 기름, 니스, 에나멜, 셀락 등을 칠하거나 또는 파라핀 등을 침투시켜면 공기중의 온도변화에 따른 흡습을 줄일 수 있어서 변형을 방지할 수 있습니다.

 

함수율 기준

건축공사 표준시방서에서는 함수율에 대해 구조재와 내장 마감재로 나누어 정하고 있습니다.

구조재는 한옥, 대단면 및 통나무 목조공사용 구조용 목재를 말하고, 횡단면의 짧은 변이 900mm 이상인 목재의 함수율은 24% 이하가 되도록 규정하고 있습니다.

내장 마감재의 함수율은 15% 이하, 필요에 따라 12% 이하가 되도록 규정하고 있습니다.

종별	건조재 12	건조재 15	건조재 19	생재
				생재 24	생재 30
함수율	12% 이하	15% 이하	19% 이하	19% 초과 24% 이하	24% 초과

 

목재 창호는 18% 이하가 되도록 규정하고 있습니다.

종별	1등급	2등급	3등급	비고
함수율	15% 이하	18% 이하	사용에 지장이 없을 것	온단면에 대한 평균치

 

목재의 건조 - 천연 건조

천연건조는 침수 건조와 자연 건조가 있습니다.
침수 건조는 원목을 물에 넣는 건조법으로 물에 넣어 수액을 용출시키면 이후의 건조가 촉진되는 효과가 있습니다.

 

자연 건조는 생재 및 제재된 목재를 자연의 대기조건에 노출된 상태로 평형함수율에 도달할 때까지 건조하는 것을 말합니다. 자연 건조는시간적으로 효율이 떨어지지만 천연건조된 목재를 옥외용으로 사용할 경우 예상되는 수축, 팽창의 발생율을 감소시킬 수 있는 장점이 있어 자연건조가 널리 사용됩니다.

 

목재의 건조 - 인공 건조

천연건조는 시간이 길게 걸리기 때문에 건조시간이 줄이려면 인공건조 방법을 사용합니다. 인공건조는 약 3% 정도의 낮은 함수율까지 건조할 수 있고 건조 스케쥴에 따라 함수율을 다르게 조절할 수 있고, 사용자 요구에 맞는 함수율로 만들 수 있습니다. 인공건조 방식은 단기간에 건조할 수 있기 때문에 대부분 인공건조 방식 사용하게 됩니다. 

 

인공 건조에는 제습건조와 진공건조 마이크로파 건조 등이 있습니다.

제습건조는 냉매(염화불화탄소 등)를 이용한 것으로 에너지를 적게 사용하는 장점이 있습니다.

 

진공건조는 목재 내외간에 형성되는 절대압력 차에 의해 내부 수분의 유동속도를 증진시키는 방식인데, 급속 건조가 가능하기 때문에 건조시간의 단축할 수 있습니다.

마이크로파 건조는 전자레인지와 비슷한 개념으로 열풍건조와 같은 외부가열이 아닌 전자파로 내부를 가열하여 건조하는 방식입니다. 에너지를 절약하면서 건조효율을 높일 수 있는 장점이 있습니다.

 

■ 콘크리트 거푸집용 합판의 규격

■ [분류 전체보기] - 건축재료 목차