刁海林，蔡道雄，唐繼新，李開(kāi)成，羅建舉

（1. 廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧 530004；2. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，廣西 憑祥 532600）

水浸時(shí)效對(duì)紅錐鋸材性能的影響

刁海林1，蔡道雄2，唐繼新2，李開(kāi)成1，羅建舉1

（1. 廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧 530004；2. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，廣西 憑祥 532600）

為改善紅錐鋸材易開(kāi)裂變形、尺寸穩(wěn)定性差的不良性能，采用水浸時(shí)效法對(duì)紅錐木材進(jìn)行處理試驗(yàn)，觀測(cè)其翹曲性能及力學(xué)性能改善情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：紅錐經(jīng)水浸時(shí)效處理后，其鋸材的順彎度和縱裂度的質(zhì)量指標(biāo)得到較大程度的改善；隨著水浸時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，鋸材順彎和開(kāi)裂變形指標(biāo)值均逐漸降低，而彈性模量、抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度等各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均隨著水浸時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而呈先揚(yáng)后抑的趨勢(shì)，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)變異系數(shù)均有所下降。表明紅錐株間力學(xué)性能的差異性隨著水浸時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸趨于一致。因此可得結(jié)論：實(shí)際生產(chǎn)中可以通過(guò)合理的水浸時(shí)效處理來(lái)改善紅錐鋸材的變形、開(kāi)裂性能及力學(xué)性能，以提高紅錐鋸材的利用價(jià)值。

紅錐；鋸材；水浸時(shí)效；性能

紅椎Castanopsis hystrix為殼斗科栲屬常綠喬木，是我國(guó)速生豐產(chǎn)用材林基地工程在粵桂瓊地區(qū)所規(guī)劃的大徑級(jí)材主要樹(shù)種[1]。紅錐木材堅(jiān)硬耐腐，心材比例大，色澤紅潤(rùn)，切面光滑，紋理美觀，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，其優(yōu)等加工性能有：刨削、砂光、鉆孔、成型銑削、橫截；良等加工性能包括：榫眼加工和車削[2]。紅椎已經(jīng)成為高級(jí)家具、造船、車輛、工藝雕刻、建筑雕飾的優(yōu)勢(shì)用材。但紅錐的內(nèi)應(yīng)力大，其木材在貯存、制材、干燥及加工過(guò)程中極易發(fā)生變形及開(kāi)裂，在一定程度上限制了其高端用途。改善紅錐鋸材的性能，關(guān)鍵在于采取切實(shí)可行的方法消除紅錐木材中的內(nèi)應(yīng)力。給木材去應(yīng)力的方法很多，有用中草藥防腐劑[3]處理木材的，有用增強(qiáng)熱處理[3]的方法處理木材的，也有用酚醛樹(shù)脂處理[5]木材的，我國(guó)南方民間素有采用時(shí)效的方法消除木材中內(nèi)應(yīng)力的傳統(tǒng)，如露天堆放自然時(shí)效法、水煮時(shí)效法及水浸時(shí)效法等。近年來(lái)國(guó)內(nèi)一些學(xué)者還提出了對(duì)活立木采取環(huán)切枯死法、剝皮枯死法，以及造材時(shí)木段兩端箍扎法及開(kāi)卸荷槽法等。本文選擇了簡(jiǎn)單實(shí)用的水浸時(shí)效法對(duì)紅錐進(jìn)行去應(yīng)力研究，J.E.Gordon[6]認(rèn)為對(duì)于木材應(yīng)用而言，韌性比力量和硬度更加重要，所以我們針對(duì)性地分析水浸時(shí)效對(duì)紅錐鋸材性能的影響效果及紅錐鋸材抗彎彈性模量，抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度等性能指標(biāo)與浸泡時(shí)間的關(guān)系，探討水浸時(shí)效法在生產(chǎn)應(yīng)用中的可能性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

紅錐試材選自廣西憑祥市中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心伏波試驗(yàn)場(chǎng)紅錐種植示范基地。樣地海拔650 m，年平均氣溫20.5℃，屬南亞熱帶季風(fēng)型半濕潤(rùn)—濕潤(rùn)氣候區(qū)。紅錐造林時(shí)間為1982年，樹(shù)齡29 a，林分的平均樹(shù)高13.5 m、平均胸徑16.7 cm，試驗(yàn)樣木按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《木材物理力學(xué)試材采集方法》（GB/T1927—2009）在取樣林地內(nèi)根據(jù)整體林分的樹(shù)高、胸徑、長(zhǎng)勢(shì)以及樹(shù)冠幅的生長(zhǎng)情況選取長(zhǎng)勢(shì)良好，樹(shù)干通直，結(jié)疤少，無(wú)病蟲(chóng)害，胸徑中等的樣木12株。然后每株樹(shù)從距樹(shù)根1.3 m以上按2 m規(guī)格造材。

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

本試驗(yàn)使用的儀器設(shè)備主要有：PT-90E手持針式木材含水率測(cè)試儀（上?？v越電子科技有限公司）、微機(jī)控制數(shù)顯式電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司）；101A—3型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）、JJ1000型電子天平（精度0.01g）、游標(biāo)卡尺（精度為0.02 mm）、鋼直尺、精密推臺(tái)鋸、基準(zhǔn)臺(tái)等。

1.3 試驗(yàn)方法

從造好的原木中，每樹(shù)選取樣原木3段共36段，每段原木按樹(shù)號(hào)及位置做好標(biāo)簽，然后同時(shí)浸泡于2 m水深的池塘中。之后按3個(gè)月、6個(gè)月、9個(gè)月、12個(gè)月、15個(gè)月、18個(gè)月的時(shí)間間隔，每隔三個(gè)月從水中取出一批木段（2株6段），置于陰涼處晾置1～2周，待木段表皮稍干后用帶鋸機(jī)采用四面下鋸法將木段鋸解成25 mm厚的整邊板。鋸解時(shí)每節(jié)木段留取一塊40 mm厚的中心板，作為力學(xué)性能測(cè)試用。將鋸材水平側(cè)立于木架上，置于通風(fēng)干燥的室內(nèi)令其自然氣干，定期檢測(cè)含水率。待干燥至含水率約13%左右時(shí)，進(jìn)行鋸材翹曲指標(biāo)檢測(cè)。在基準(zhǔn)臺(tái)上對(duì)25 mm弦切板按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4817—2009《闊葉樹(shù)鋸材》檢測(cè)方法進(jìn)行順彎、橫彎、扭曲度和裂紋度檢測(cè)。同時(shí)將40 mm中心板按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1936.1-2009加工成300 mm × 20 mm × 20 mm的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)試件和30 mm × 20 mm × 20 mm的標(biāo)準(zhǔn)短試件各40枚，在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)鋸材進(jìn)行抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋸材翹曲度

紅錐鋸材翹曲度指標(biāo)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)在廣西憑祥市中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。紅錐經(jīng)水浸時(shí)效、制材、氣干后，分別對(duì)浸泡3個(gè)月、6個(gè)月、9個(gè)月、12個(gè)月、15個(gè)月、18個(gè)月的25 mm弦切板進(jìn)行順彎、橫彎、翹彎、扭曲等翹曲度指標(biāo)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 不同水浸時(shí)效紅錐鋸材翹曲變形指標(biāo)(25 mm弦切板)Table 1 Deformation amount values of C. hystrix timber with different water immersion aging time(25mm flat-sawn board)

據(jù)表1數(shù)據(jù)作水浸時(shí)效紅錐鋸材翹曲變形趨勢(shì)圖，如圖1所示。

圖1 水浸時(shí)效紅錐鋸材翹曲變形趨勢(shì)（25 mm弦切板）Fig.1 Deformation trend curves of C.hystrix timber with different water immersion aging time (25mm fl atsawn board)

由圖1水浸時(shí)效紅錐鋸材翹曲變形趨勢(shì)圖可見(jiàn)，經(jīng)水浸時(shí)效后的紅錐鋸材，其順彎度和裂紋度均呈不同程度的下降趨勢(shì)。其中順彎度變化較大，曲線有一定程度的起伏，但明顯呈下降趨勢(shì)。橫彎度及扭曲度則變化較平緩，說(shuō)明水浸實(shí)驗(yàn)對(duì)其影響效果有限。另外由圖1顯然可見(jiàn)，縱裂度的下降規(guī)律很明顯，幾乎呈線性單邊下降趨勢(shì)，說(shuō)明水浸時(shí)效對(duì)紅錐鋸材的縱向裂紋起到了較好的抑制作用?？偟膩?lái)說(shuō)，紅錐經(jīng)水浸時(shí)效后，其鋸材的翹曲性能得到改善，而且隨著水浸時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，這種改善將更顯著。

2.2 主要力學(xué)性能

紅錐鋸材力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)在廣西大學(xué)林學(xué)院木材力學(xué)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)干球溫度23.5～30.5℃，濕球溫度21.5～27.5℃，相對(duì)濕度63～76%。對(duì)水浸時(shí)效處理后的紅錐鋸材試件進(jìn)行抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能測(cè)試，并將實(shí)驗(yàn)值按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4817—2009換算為12%標(biāo)準(zhǔn)含水率時(shí)的當(dāng)量值，結(jié)果如表2、表4、表6所示。

（1）彈性模量及其變異

表2 紅錐水浸時(shí)效抗彎彈性模量及變異性比較Table 2 Bending elastic modulus and variability of C.hystrix wood with different water immersion aging time

表3 紅錐水浸時(shí)效抗彎彈性模量方差分析Table 3 Variance analysis of bending elastic modulus of C.hystrix wood with water immersion aging time

從F表中查得F0.05（6,236）=2.14，F(xiàn)0.01（6，236）=2.89，通過(guò)對(duì)照FA=10.09 ＞F0.01（6，236）=2.89，可以判斷水浸時(shí)效對(duì)于紅錐木材的抗彎彈性模量有非常顯著的影響[7]。從抗彎彈性模量的平均值可以看出，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，彈性模量先逐漸上升，后呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其峰值出現(xiàn)在6個(gè)月左右。說(shuō)明紅錐木材在經(jīng)過(guò)6個(gè)月左右時(shí)間的浸泡后，其剛性達(dá)到最大值，木材抵抗變形的能力也達(dá)到最大，6個(gè)月以后紅椎的彈性性能則開(kāi)始下降。從另一方面來(lái)看，紅錐經(jīng)水浸時(shí)效后，彈性模量的變異系數(shù)有較明顯的降低，說(shuō)明紅錐經(jīng)水浸時(shí)效后，降低了彈性模量的株間差異性程度，使株間木材的彈性性能趨于一致，這將有利于紅錐木材的工程應(yīng)用。

（2）抗彎強(qiáng)度及其變異

表4 紅錐水浸時(shí)效抗彎強(qiáng)度及變異性比較Table 4 Bending strength and variability of C.hystrix wood with different water immersion aging time

表5 紅錐浸泡抗彎強(qiáng)度方差分析Table 5 Bending strength variance analysis of C.hystrix wood with water immersion aging time

從F表中查得F0.05（6,237）=2.14，F(xiàn)0.01（6，237）=2.89，通過(guò)對(duì)照FA=28.30＞F0.01（6，237）=2.89，據(jù)此可知水浸時(shí)效對(duì)于紅錐木材的抗彎強(qiáng)度有非常顯著的影響。從抗彎強(qiáng)度的平均值可以看出，隨著水浸時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，紅錐的抗彎強(qiáng)度是先呈上升趨勢(shì)然后下降，9個(gè)月時(shí)上升到最大值，此后逐漸下降。此外，經(jīng)水浸時(shí)效的紅椎抗彎強(qiáng)度變異系數(shù)明顯減小，說(shuō)明水浸時(shí)效紅椎抗彎性能差異性得到較明顯的改善?？偟膩?lái)說(shuō)，水浸時(shí)效對(duì)紅錐木材抗彎強(qiáng)度改善作用明顯，浸泡時(shí)間在9個(gè)月左右能使紅椎木材抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值。經(jīng)過(guò)浸泡的紅椎木材，株間抗彎性能趨于穩(wěn)定。

（3）順紋抗壓強(qiáng)度及其變異

從F表中我們查得F0.05（5,177）=2.26，F(xiàn)0.01（5，177）=3.11，通過(guò)對(duì)照FA=53.23＞F0.01（5，177）=3.11，可知水浸時(shí)效對(duì)紅錐木材順紋抗壓強(qiáng)度的影響非常顯著，同時(shí)對(duì)紅錐順紋抗壓強(qiáng)度的變異性亦有比較明顯的影響，變異系數(shù)明顯減少。說(shuō)明水浸時(shí)效使紅錐順紋抗壓強(qiáng)度差異性得到了一定的改善。

表6 紅錐水浸時(shí)效順紋抗壓強(qiáng)度及變異性比較Table 6 Compressive strength parallel to grain and variability of C.hystrix wood with different water immersion aging time

表7 紅錐浸泡順紋抗壓強(qiáng)度方差分析Table 7 Variance analysis on compressive strength of parallel to grain of C.hystrix wood with water immersion aging time

3 結(jié)論與討論

（1）對(duì)經(jīng)水浸時(shí)效處理的紅錐25 mm弦切板進(jìn)行順彎度、橫彎度、扭曲度及縱裂度檢測(cè)，結(jié)果證明水浸時(shí)效對(duì)紅錐鋸材的順彎度及縱裂度起到了明顯的抑制作用。對(duì)橫彎度和扭曲度改善作用不明顯。隨著水浸時(shí)間的延長(zhǎng)，紅錐鋸材順彎和開(kāi)裂的改善效果越明顯。

（2）如圖2所示，將抗彎彈性模量縮小100倍后和抗彎強(qiáng)度及順紋抗壓強(qiáng)度置于同一坐標(biāo)系內(nèi)發(fā)現(xiàn)抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度以及順紋抗壓強(qiáng)度均呈先揚(yáng)后抑的趨勢(shì)變化?？箯潖椥阅Ａ吭诮?個(gè)月左右達(dá)到最大值，抗彎強(qiáng)度在9個(gè)月左右達(dá)到峰值，而順紋抗壓強(qiáng)度的峰值也在6個(gè)月達(dá)最大值，說(shuō)明水浸時(shí)效對(duì)紅椎木材性能有一定影響。就力學(xué)性能而言，水浸時(shí)效的最佳時(shí)間在6～9個(gè)月之間，這個(gè)時(shí)間段能使紅錐木材獲得最好的力學(xué)性能。

（3）由前分析知，①在浸泡過(guò)程中，紅椎抗彎彈性模量的變異系數(shù)總的呈下降趨勢(shì)，各個(gè)月份的變異系數(shù)均小于0月份所得的數(shù)據(jù)，這說(shuō)明浸泡后的紅椎木材變異性得到抑制，性能的穩(wěn)定性得到加強(qiáng)。②紅椎抗彎強(qiáng)度的變異系數(shù)于浸泡3個(gè)月后降幅明顯，之后趨于穩(wěn)定。其數(shù)值與自然狀態(tài)相比有明顯減少，說(shuō)明浸泡實(shí)驗(yàn)對(duì)紅椎木材抗彎強(qiáng)度的變異性有明顯的抑制作用，浸泡后的紅椎木材抗彎強(qiáng)度穩(wěn)定性得到加強(qiáng)。③紅椎順紋抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)變化幅度不大，但其數(shù)值都低于0月份。④總的來(lái)說(shuō)，浸泡實(shí)驗(yàn)對(duì)紅椎木材性能的變異性有明顯的抑制作用。浸泡后的紅椎木材力學(xué)性能更加穩(wěn)定均勻，符合家具等用材的要求。

（4）實(shí)驗(yàn)表明，紅椎經(jīng)不同的浸泡時(shí)間，端裂的變化非常明顯。下圖是自然氣干狀態(tài)、浸泡6個(gè)月和浸泡15個(gè)月后氣干的紅椎端裂圖片。

圖2 紅錐不同浸泡時(shí)間力學(xué)性能對(duì)比Fig.2 Comparison of physical mechanical properties of C.hystrix wood treated with different soak time

圖3 紅錐浸泡0～15個(gè)月時(shí)的端裂Fig.3 End checkings of C. hystrix wood treated with soaking 0～15 months

從圖3可以看出，隨著浸泡時(shí)間的增加，紅錐端裂的程度明顯下降。說(shuō)明水浸時(shí)效對(duì)改善紅椎木材的開(kāi)裂狀況具有良好的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

木材是一種變異性較大的材料，種間、株間甚至是同株樹(shù)不同部位間乃至不同生長(zhǎng)的位置和年齡的樹(shù)木的木材物理、力學(xué)性質(zhì)存在明顯的差異[8-9]，這與人工合成材料在物理、力學(xué)性質(zhì)上具有很好的同一性是不同的。由于紅錐的生長(zhǎng)應(yīng)力比較大，在砍伐時(shí)，新伐倒的紅錐的端部就立即出現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂的現(xiàn)象，而在生產(chǎn)中即使采用四面下鋸法對(duì)紅錐進(jìn)行鋸解，也會(huì)出現(xiàn)不同程度開(kāi)裂，尤其是中心板特別明顯。經(jīng)對(duì)紅錐進(jìn)行浸泡時(shí)效處理后，使順彎度和裂紋度得到不同程度的改善，尺寸穩(wěn)定性得到提高，說(shuō)明紅錐生長(zhǎng)應(yīng)力得到了較大程度的釋放。水浸時(shí)效對(duì)紅錐的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度及順紋抗壓強(qiáng)削弱程度不明顯，但變異系數(shù)卻有較明顯的減小，特別是抗彎彈性模量減小的幅度最大，這表明通過(guò)對(duì)紅錐進(jìn)行浸泡時(shí)效處理，減小了紅錐個(gè)體差異，使紅錐木材物理力學(xué)性能趨于穩(wěn)定，這對(duì)于紅錐木材的生產(chǎn)應(yīng)用具有非常重要的意義。

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Inf l uence of water immersion ageing on properties ofCastanopsis hystrix

DIAO Hai-lin1, CAI Dao-xiong2, TANG Ji-xin2, LI Kai-cheng1, LUO Jian-ju1
(1. School of Forestry, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, China; 2. Experimental Center of Tropical Forestry, CAF,Pingxiang 532600, Guangxi, China)

In order to improve the bad mechanical properties ofCastanopsis hystrixsawn timber, such as：being easy to crack and deform, poor dimensional stability, the processing tests on the sawn timbers were carried out by adopting method of water immersion ageing, then the improvements of warping and mechanical properties ofC. hystrixafter being treated were observed. The results show that after water immersion aging treatments, the quality indexes ofC. hystrixsawn timbers such as curvature parallel to grain and longitudinal crack degree were improved greatly; as the time of water immersion aging went on, the bow camber and crack camber quality indexes values ofC.hystrixwere decreased gradually, while the mechanical properties indexes ofC.hystrixsuch as elastic modulus, bending strength and compressive strength parallel to grain ofC.hystrixwood showed a trend that fi rst increased then dropped;The variation coeff i cients of the mechanical properties ofC.hystrixwood have declined. These show that the differences of mechanical properties ofC. hystrixbetween different trees gradually tended to be the same as the increase of water immersion aging time. Therefore,it could be concluded that in the actual production, it could be achieved through rational water immersion aging treatment to improve deformation, cracking and mechanical properties ofC.hystrix, and to improve the utilization value of sawn timber ofC.hystrix.

Castanopsis hystrix; sawn timber; water immersion ageing; wood properties

S781.71

A

1673-923X(2015)06-0103-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.06.019

2013-10-13

國(guó)家科技支撐項(xiàng)目“西南大徑級(jí)珍貴樹(shù)種定向培育和多目標(biāo)經(jīng)營(yíng)技術(shù)與模式”（2012BAD22B0105）

刁海林，副教授；E-mail：diaohailin@sina.com

刁海林,蔡道雄,唐繼新,等. 水浸時(shí)效對(duì)紅錐鋸材性能的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(6):103-106,113.

[本文編校：吳 彬]