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        機(jī)械處理對(duì)落葉松原木干燥與力學(xué)性能的影響*

        2022-10-30 11:45:40褚江依王斯棟惠建平張鳳毫江京輝
        林產(chǎn)工業(yè) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:順紋原木木材

        褚江依 王斯棟 惠建平 張鳳毫 江京輝

        (1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所,北京 100091;2.內(nèi)蒙古赤峰市喀喇沁旗旺業(yè)甸實(shí)驗(yàn)林場(chǎng),內(nèi)蒙古 赤峰 024423)

        落葉松(Larixspp.)是東北和華北林區(qū)的主要樹種[1]。第九次森林資源清查結(jié)果顯示,我國(guó)落葉松的蓄積量達(dá)9.36億m3[2]。落葉松力學(xué)強(qiáng)度高,天然耐腐性好,紋理美觀,能調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度平衡[3],因此常作為室內(nèi)裝飾和家具制作材料,或作為制漿造紙?jiān)系萚4-5]。松木在我國(guó)的應(yīng)用由來已久,如用于廊橋、棧道及木結(jié)構(gòu)建筑,在故宮等古建筑的木構(gòu)件中,落葉松、硬木松(Pinusspp.)、云杉(Piceaspp.)等為常見樹種[6-8]。落葉松的缺點(diǎn)是節(jié)子較多、樹脂含量高、油漆膠合性能差、防腐處理困難等[9],因此其應(yīng)用受到一定限制。如何提高木材利用率、延長(zhǎng)其使用壽命值得探究。

        干燥是木材加工利用的關(guān)鍵,但原木直接干燥較為困難且容易開裂。裂紋會(huì)導(dǎo)致木材物理力學(xué)性能下降,而且在使用過程中,裂紋會(huì)促進(jìn)吸水,招致害蟲產(chǎn)卵,從而對(duì)木材造成進(jìn)一步的破壞,影響其使用年限[10]。原木多采用大氣干燥,該干燥方式節(jié)能環(huán)保,但干燥速率慢,氣干2~3年的木料,其含水率仍有30%~40%,遠(yuǎn)高于我國(guó)古建筑維修規(guī)范要求的20%。原木含水率高于25%會(huì)影響防腐處理和涂飾,容易出現(xiàn)悶腐和開裂等現(xiàn)象[11]。目前以對(duì)流換熱帶走木材水分為原理的常規(guī)干燥技術(shù)已較為成熟[12],常規(guī)干燥前,通常對(duì)原木做機(jī)械處理,如切割、鉆孔、輥壓等,以增大其與干燥介質(zhì)的接觸面積,有效釋放應(yīng)力,從而提升干燥質(zhì)量。董曉璐等[13]對(duì)蒙古櫟(Quercus mongolicaFisch. ex Ledeb)板材進(jìn)行輥壓預(yù)處理,發(fā)現(xiàn)弦向壓縮徑切板和徑向壓縮弦切板的干燥時(shí)間分別縮短了6.67%~23.64%和4.55%~13.02%。涂登云等[14]研究在原木外壁上開深度為3~5 mm的槽,并在常規(guī)干燥后采用干球溫度60~65 ℃,濕球溫度50~54 ℃調(diào)濕處理1~2 d,發(fā)現(xiàn)該方法可有效減少端裂和表裂,適用于小徑速生原木。趙學(xué)峰等[15]研究常規(guī)干燥落葉松原木得出,中心鉆孔處理使空心率達(dá)85%以上,可減緩干燥結(jié)束時(shí)的表裂。王喜明等[16-17]對(duì)鉆孔后的木材作進(jìn)一步的研究,在通孔內(nèi)放入加熱棒進(jìn)行加熱,干燥效果較佳,干燥后木材成分基本不變,但抗彎強(qiáng)度下降。Yeo[18]采用常規(guī)干燥方式干燥日本落葉松[Larix kaempferi(Lamb.)Carr.]原木,在長(zhǎng)度方向進(jìn)行中心鉆孔,并作深度為直徑1/3的單切口處理,發(fā)現(xiàn)原木干燥后橫截面的含水率分布較對(duì)照材均勻,且機(jī)械性能未降低。有研究表明,外表面密封處理中心鉆孔材可降低拉應(yīng)力的影響和表裂的發(fā)生[19]。中心鉆孔去除了部分幼齡材,因此對(duì)木材力學(xué)強(qiáng)度的影響較小。Park等[20]采用高溫干燥和中心鉆孔的方式處理瀝青松原木和方材,結(jié)果表明:中心鉆孔材干燥能耗大于板材,而CO2排放量小于板材。胡慕任等[21]研究了原木彎曲度與順紋抗壓強(qiáng)度的關(guān)系,認(rèn)為原木的順紋抗壓臨界應(yīng)力與彎曲度和長(zhǎng)細(xì)比呈負(fù)相關(guān)。Lim等[22]對(duì)中心鉆孔圓木梁在中心點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中的性能進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)鉆孔后原木的彎曲性能基本無變化,但其承載力變得更差。

        本研究以華北落葉松為對(duì)象,采用中心鉆孔、鉆小孔、切口處理三類10種機(jī)械預(yù)處理方式,進(jìn)行常規(guī)干燥試驗(yàn),探討機(jī)械處理對(duì)原木干燥質(zhì)量與力學(xué)強(qiáng)度的影響,以期為原木干燥利用提供技術(shù)支撐。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        華北落葉松(Larix principis-rupprechtiiMayr),采自內(nèi)蒙古旺業(yè)甸林場(chǎng)。取22 根原木,去皮加工成直徑為14 cm、長(zhǎng)為90 cm的試樣,初含水率約46.4%。另取一根原木鋸解成厚6 cm的板材,氣干至含水率約12.0%,用于順紋抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

        1.2 設(shè)備

        小型高溫干燥試驗(yàn)機(jī)(HD74/TAII),ヒFI(Ⅷ)(Ⅴ)fflasド株式會(huì),日本;電阻式木材含水率測(cè)定儀(ST-85),上海木材工業(yè)研究所;烘箱(101-2A),紹興市蘇珀儀器有限公司;AG-X型電子萬能試驗(yàn)機(jī)(SHIMADZU),島津儀器有限公司;電子秤(MTW120),美樂有限責(zé)任公司。其中,高溫干燥試驗(yàn)機(jī)最高溫度可達(dá)125 ℃,最大風(fēng)速5 m/s,鍋爐蒸汽壓力0.6 MPa。

        1.3 試驗(yàn)方法

        1.3.1 機(jī)械處理

        對(duì)試樣進(jìn)行10種機(jī)械處理方式,設(shè)置1組對(duì)照,重復(fù)樣均為2個(gè)。機(jī)械處理分為中心鉆孔、鉆小孔處理和切口處理。

        如圖1所示,中心鉆孔處理是沿著原木的長(zhǎng)度方向,鉆孔去除髓心部分木材,設(shè)置3個(gè)梯度的鉆孔直徑,分別為50、35 mm和25 mm。對(duì)于切口處理,單切口處理深度分別為35、50 mm,雙切口處理深度為25 mm,四切口處理深度為12 mm。鉆小孔處理是用直徑為3 mm的手鉆沿徑向鉆孔,一圈打8個(gè)孔,鉆孔圈層間隔分別為5、10 cm和15 cm。加工后用石蠟封端處理。

        圖1 機(jī)械處理示意圖Fig.1 Schematic diagram of mechanical treatment

        1.3.2 力學(xué)性能測(cè)試

        原木氣干后加工成長(zhǎng)900 mm、直徑50 mm的4 根小圓柱體,選取無疵的部分鋸截成高75 mm的小試樣30個(gè)。采取9 種處理方式,分別為單切口深10、15 mm和20 mm;雙切口深5、7.5 mm和10 mm;四切口深5 mm,切口寬度3 mm;中心鉆孔直徑7、12 mm。每種3 個(gè)重復(fù)量,并設(shè)置未處理的對(duì)照組,參照ISO 13061-17《木材的物理和機(jī)械性能小型透明木材試樣的試驗(yàn)方法第17 部分:平行于紋理壓縮極限應(yīng)力的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試,并根據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算試樣的順紋抗壓強(qiáng)度。

        圖2 順紋抗壓試驗(yàn)Fig. 2 Compression test along the grain

        式中:W為試樣的含水率,%;σW為試樣含水率W時(shí)的順紋抗壓強(qiáng)度,MPa;σ12為試樣含水率12%時(shí)的順紋抗壓強(qiáng)度,MPa;Pmax為破壞載荷,N;S為試樣的底面積,mm2。S包括兩個(gè)面積,去除機(jī)械處理部分的實(shí)際面積S1和名義面積S2。

        1.3.3 干燥基準(zhǔn)

        根據(jù)前人研究并在已有試驗(yàn)基礎(chǔ)上,進(jìn)一步完善并擬定了原木的常規(guī)干燥基準(zhǔn),如表1 所示。

        表1 干燥基準(zhǔn)Tab.1 Drying reference

        1.3.4 干燥速率計(jì)算

        干燥速率表示木材在干燥過程中單位時(shí)間的含水率變化值[23]。每種處理方式的試樣制作: 在距離原木端頭10 cm處鋸切2 cm厚的含水率鋸片2 個(gè)。稱重后放入(103±2) ℃的烘箱中至絕干,稱取絕干質(zhì)量,計(jì)算得到初含水率。對(duì)檢測(cè)的11 根試樣稱重,計(jì)算得到其絕干質(zhì)量,通過公式(4)計(jì)算出終含水率,用差值除以干燥的時(shí)間即得到試樣干燥速率,結(jié)果取平均值,用于分析比較。

        式中:m絕為試樣的絕干質(zhì)量,g;M0為試樣的初始含水率,%;m初為試樣初始質(zhì)量,g;Mx為試樣的過程含水率,%;mx為試樣質(zhì)量,g;V為木材的干燥速率,%/h;M1為木材在干燥初期的含水率,%;M2為干燥結(jié)束的含水率,%;ΔT為干燥時(shí)間,h。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 切口對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度的影響

        切口數(shù)量和深度是重要的變量,Evans等[24]研究了單一和雙重切口對(duì)CCA-C(銅鉻砷合劑)處理的輻射松(Pinus radiataD. Don)木材干燥質(zhì)量的影響,發(fā)現(xiàn)雙切口比單切口能更有效減少開裂。如圖3 所示,去除機(jī)械處理部分表面積計(jì)算得到實(shí)際順紋抗壓強(qiáng)度1,并與不去除該部分面積的理論值進(jìn)行對(duì)比。整體而言,實(shí)際值略高于理論值,而雙切口優(yōu)于單切口和四切口處理。

        圖3 順紋抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compression strength along the grain

        從表2 中順紋抗壓強(qiáng)度1 數(shù)據(jù)可知,當(dāng)切口深度總和一定,為10 mm時(shí),雙切口相較單切口抗壓強(qiáng)度提高了17.7%;隨著深度和的增加,當(dāng)達(dá)到15 mm時(shí),其抗壓強(qiáng)度增加趨勢(shì)減弱,較單切口提高了5.6%。深度和進(jìn)一步增加到20 mm時(shí),雙切口每個(gè)切口的深度接近半徑的一半,此時(shí)雙切口的破壞程度過高,較單切口的抗壓強(qiáng)度減少了4.8%。這與前人的研究結(jié)果吻合。

        表2 順紋抗壓測(cè)試結(jié)果Tab.2 Results of compression strength parallel to grain of wood

        切口數(shù)量一定,隨著切口深度的增加,應(yīng)力得到進(jìn)一步的釋放,抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先提高再下降的趨勢(shì)。對(duì)比單雙切口發(fā)現(xiàn),該趨勢(shì)在兩種處理方式上表達(dá)一致。單切口從10 mm增加到15 mm時(shí),抗壓強(qiáng)度提高了14.8%;而切口深20 mm的抗壓強(qiáng)度相較于切口深15mm提高了0.5%。雙切口的變化則更緩和,切口深從5 mm增大到7.5 mm時(shí),抗壓強(qiáng)度只增加了3%。當(dāng)切口深度繼續(xù)從7.5 mm增加到10 mm時(shí),抗壓強(qiáng)度降低了9.2%。中心鉆孔處理時(shí),其抗壓強(qiáng)度相較于對(duì)照組略有降低,但仍是4 種處理方式中最優(yōu)的。對(duì)比中心鉆孔直徑7、12 mm兩組,發(fā)現(xiàn)兩者的順紋抗壓強(qiáng)度差異較小,可忽略不計(jì)。

        2.2 常規(guī)干燥速率

        檢測(cè)干燥過程中的含水率變化,并計(jì)算得出不同機(jī)械處理方式的干燥速率。當(dāng)試樣從初含水率46.4%干燥到13.8%時(shí),整體而言,鉆孔處理干燥速率大于切口處理,其中中心鉆孔的干燥速率最大,平均為0.039 %/h。這可能是因?yàn)橹行你@孔去除了較多的原木組織,使得原木與干燥介質(zhì)的接觸面積增大,水分移動(dòng)路徑縮短。為進(jìn)一步探究風(fēng)向?qū)υ靖稍锏挠绊?,中心鉆孔50 mm處理的原木平行于風(fēng)向碼放,風(fēng)直接通過鉆孔,可以迅速帶走水分,干燥速率得到有效提升,相較于中心鉆孔組均值提高了41%,相較對(duì)照組提高了27.9%。對(duì)于切口處理,切口總深度一定,增加切口數(shù)量能提高干燥速率。切口總深度為60 mm,四切口干燥速率為0.033 %/h,較雙切口提高了32%,較單切口提高了65%。切口數(shù)量的增加提高了水分散失的均勻度,因而對(duì)干燥速率的提高有促進(jìn)作用。鉆小孔處理的干燥速率略高于切口處理,由于孔的數(shù)量最多,孔層間距5 cm處理的原木干燥速率最快,為0.036%/h,這可能是因?yàn)樵撎幚矸绞较碌你@孔量最大。

        2.3 常規(guī)干燥質(zhì)量

        干燥過程中,原木直徑方向存在內(nèi)高外低的含水率梯度差,會(huì)產(chǎn)生干燥缺陷[25]。 從表3 可知,切口處理的原木干燥質(zhì)量最佳,鉆小孔處理的最差。根據(jù)木結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范,以裂縫對(duì)原木分等,其中單切口60 mm、雙切口、四切口和中心鉆孔35 mm處理方式的原木干燥端裂較少,符合一等材的要求。雙切口和四切口具有對(duì)稱性,水分向四周移動(dòng)較為穩(wěn)定,干燥后切口進(jìn)一步加深,但無端、表裂現(xiàn)象。由于應(yīng)力的釋放較為集中,單切口處理的原木出現(xiàn)了不同程度的開裂,表裂總長(zhǎng)隨切口深度增加而減小,單切口60 mm試樣的表裂總長(zhǎng)為對(duì)照組的39%,這可能是切口的加深讓應(yīng)力釋放更充分。中心鉆孔處理方式,表裂總長(zhǎng)與孔徑大小成正比,孔徑50 mm的原木其表裂總長(zhǎng)約是孔徑25、35 mm原木的1.3倍。鉆小孔處理由于鉆孔小、數(shù)量多,對(duì)原木結(jié)構(gòu)破壞較大,干燥后出現(xiàn)了較多的長(zhǎng)表裂,孔層間距10 cm時(shí)的開裂總長(zhǎng)略高于對(duì)照組。

        表3 干燥速率及缺陷Tab.3 The drying rate and defects

        3 結(jié)論

        本研究探討了中心鉆孔、鉆小孔、切口處理三類10種機(jī)械預(yù)處理方法對(duì)華北落葉松干燥質(zhì)量的影響,得出以下結(jié)論:

        1)適當(dāng)增加切口深度能有效提高木材的力學(xué)強(qiáng)度,但深度不宜超過原木半徑。雙切口的抗壓強(qiáng)度優(yōu)于單切口。當(dāng)切口總深度一定,為10、15 和20 mm時(shí),雙切口的抗壓強(qiáng)度較單切口分別提高17.7%、5.6%和降低4.8%。

        2)中心鉆孔類干燥速率最大,切口處理類干燥速率最小。切口深度一定,干燥速率隨切口數(shù)量的增加而提高;當(dāng)切口總深度為60 mm,四切口干燥速率分別較雙切口和單切口提高了32%和65%。

        3)切口處理的原木干燥質(zhì)量最佳,鉆小孔處理的質(zhì)量最差。中心鉆孔處理表裂總長(zhǎng)與孔徑大小成正比。

        機(jī)械預(yù)處理去除了原木的部分組織,能有效節(jié)約運(yùn)輸成本,且對(duì)原木抗壓強(qiáng)度的影響較小,為木結(jié)構(gòu)建筑用料的加工提供了技術(shù)支撐。后續(xù)將進(jìn)一步加大取樣量,并選用不同的樹種對(duì)研究結(jié)論進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。

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