褚江依，王斯棟，江京輝，王朝暉

（中國林業(yè)科學(xué)研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091）

落葉松Larixspp.是我國重要的人工林樹種之一，廣泛分布于我國的東北地區(qū)，新中國成立以來東北林區(qū)累計(jì)生產(chǎn)木材超1×109m3，達(dá)商品材總量的1/2[1]。我國落葉松蓄積量占全國成熟林總量的41.9%，約7.7×108m3[2]，落葉松還是我國重要的進(jìn)口材樹種，從俄羅斯進(jìn)口的針葉材原木中，落葉松原木占比25%，約3×106m3[3]。國標(biāo)中規(guī)定了直接用原木直徑范圍為12～24 cm，長2～6 m[4]。落葉松應(yīng)用較廣，常用作制漿造紙的原料，或切割加工為板材用于室內(nèi)裝飾和家具生產(chǎn)。對于原木的直接利用常見于廊橋、棧道及木結(jié)構(gòu)建筑中，有學(xué)者對故宮古建筑木構(gòu)件的樹種進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，落葉松、硬木松Pinusspp.、云杉Piceaspp.等為常見樹種[5]。我國木結(jié)構(gòu)歷史悠久，現(xiàn)存最早的木結(jié)構(gòu)建筑距今已有近1 500年。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)存近1 100 處在冊保護(hù)性歷史建筑，過半都是木結(jié)構(gòu)建筑[6]。隨著人們文物保護(hù)意識逐漸增強(qiáng)，對于古建筑的修復(fù)和維護(hù)也得到了相應(yīng)的重視，而原木作為重要的原料也起著不可忽視的作用。

干燥是木材加工利用的前提，關(guān)系到木材及相應(yīng)加工產(chǎn)品的質(zhì)量和使用年限。雖然原木直接制作的產(chǎn)品加工簡單、產(chǎn)量高，但相較于鋸材，原木很難得到水分均勻的剖面和穩(wěn)定的干燥質(zhì)量。開裂等缺陷也影響原木及相關(guān)產(chǎn)品的外觀效果。原木在大氣環(huán)境干燥速度慢，氣干2～3 a 的木料，木材內(nèi)含水率仍有30%～40%，遠(yuǎn)高于國標(biāo)要求的20%[7]，高含水率的原木防腐處理和涂飾效果不佳，限制了其用作建筑構(gòu)件。而用高溫等方式加速干燥可能導(dǎo)致木材結(jié)構(gòu)的破壞。

在干燥前進(jìn)行機(jī)械預(yù)處理，即采用切割、鉆孔、輥壓等方式加工原木，增大木材內(nèi)部與外部介質(zhì)接觸的面積，可以達(dá)到釋放應(yīng)力、提高干燥質(zhì)量的目的。Yeo 等[8]對日本落葉松Larix kaempferi原木進(jìn)行常規(guī)干燥，在長度方向進(jìn)行中心鉆孔和深度為直徑1/3 的單切口處理，原木橫截面含水率分布較對照材均勻，且機(jī)械性能沒有降低。涂登云等[9]發(fā)明了一種小徑速生原木的干燥方法，在原木外壁上開3～5 mm 寬、半徑深度的槽，并在常規(guī)干燥后采用干球60～65℃，濕球50～54℃調(diào)濕處理1～2 d，可以有效減少端裂和表裂。Evans 等[10]研究單一和雙重切口對鉻酸銅砷酸鹽（Chromated-copper-arsenate）CCA 處理的斜線松樹木材干燥質(zhì)量的作用，發(fā)現(xiàn)雙切口比單切口能更有效減少開裂。干燥中心鉆孔木材的二氧化碳排放量小于鋸材[11]。

中心鉆孔處理是沿著原木的長度方向，鉆取去除髓心部分木材，相對于實(shí)心木材，增加了比表面積，導(dǎo)致水分蒸發(fā)速度更快，加快木材干燥速率，減輕了木材質(zhì)量、減少開裂和彎曲同時(shí)更易充分做防腐和改性處理。趙學(xué)峰等[12]常規(guī)干燥落葉松原木，中心鉆孔處理使空心率達(dá)85%以上可有效減緩干燥結(jié)束時(shí)的表裂現(xiàn)象。外表面密封處理中心鉆孔材可以降低拉應(yīng)力的影響和表裂的發(fā)生。Park 等[13]以北美油松為研究對象，實(shí)驗(yàn)組在開孔后在原木外層包裹密封塑料薄膜，密封鉆孔原木含水率下降速率和水分梯度均低于對照材。由于中心鉆孔去除部分幼齡材，因而力學(xué)強(qiáng)度改變較小，Lim 等[14]測試了中心鉆孔圓木梁在中心點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中的性能，結(jié)果顯示中心鉆孔材的彎曲性能與相應(yīng)外徑的圓材相比沒有很大差異，但它的承載力更差。目前國內(nèi)對原木機(jī)械預(yù)處理的相關(guān)研究較少，各處理方式間缺少對比研究。本研究選取華北落葉松為試驗(yàn)對象，基于原木的常規(guī)干燥方法，開創(chuàng)性地提出蜂窩式鉆孔預(yù)處理方式，探究其與切口處理、中心鉆孔處理的工藝效果，比較干燥后的原木質(zhì)量及力學(xué)強(qiáng)度，從而為原木應(yīng)用提供理論支撐和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

華北落葉松Larix principis-rupprechtii，采集于內(nèi)蒙古旺業(yè)甸林場，從4 棵樣株鋸解下24 段長度1 m，徑級為14～16 cm 的原木段，初含水率為50.1%±2%（表1）。

表1 試樣參數(shù)Table 1 Sample parameters

1.2 方 法

1.2.1 切口預(yù)處理方法及干燥基準(zhǔn)

對落葉松原木進(jìn)行加工，在每段試樣上沿長度方向，截取一塊圓盤來測量初含水率。本研究采用4 種處理方式，分別為單切口、雙切口、中心處理、鉆小孔處理，每種處理方式6 個(gè)試樣，設(shè)置3 個(gè)帶皮和3 個(gè)去皮的對照，用白乳膠封端處理。

對于切口處理，將試件沿長度方向做寬度3 mm的切口處理，單切口深80 mm，雙切口深40 mm；對于鉆孔處理，沿原木長度方向在中心鉆孔徑為50 mm 的通孔，蜂窩式鉆孔沿原木徑向鉆直徑3 mm 的小孔至髓心，一圈鉆8 個(gè)，孔層間距150 mm。根據(jù)前人的研究，基于落葉松滲透性低的特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，初步確定落葉松原木常規(guī)干燥基準(zhǔn)（表2）。

表2 干燥基準(zhǔn)Table 2 Drying reference

1.2.2 干燥速率計(jì)算方法

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[15]。分別在干燥開始和結(jié)束時(shí)測量試樣的重量，計(jì)算得出其初含水率和終含水率，用差值除以干燥的時(shí)間即可得到試樣干燥速率。取相同處理方式試樣的干燥速率的平均值來進(jìn)行比較。

式（1）中，V為木材的干燥速率（%·h-1），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表示干燥時(shí)間（h）。

1.2.3 干燥過程中的含水率

在干燥前將4 種處理方法的試樣各取1 個(gè)，距離原木10 cm 處截取20 mm 厚含水率試片2 個(gè)。稱重后放到103±2℃的烘箱烘至絕干，得到絕干質(zhì)量，計(jì)算得出初含水率。再對每種處理方法的試樣稱重，通過式（2）計(jì)算出各試樣的絕干質(zhì)量。監(jiān)測干燥過程中的含水率變化，每隔24 h 取出試樣稱重，用式（3）計(jì)算出過程含水率。

式（2）～（3）中，m絕為試樣絕干的質(zhì)量，M0為試樣的初始含水率（%），m初為試樣初始的質(zhì)量（g）；Mx表示試樣的過程含水率（%），mx是試樣的質(zhì)量（g）。

1.2.4 抗壓強(qiáng)度

我國尚未建立原木強(qiáng)度測試標(biāo)準(zhǔn)，參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)《結(jié)構(gòu)圓木試驗(yàn)方法》[16]，將干燥后的原木鋸成60 cm 長，將端頭刨光并使兩端相互平行。用最大300 T 的三思SHT4206 壓力試驗(yàn)機(jī)，以1 mm/min 的速度下降施壓，平均需要200 s 達(dá)到最大荷載，測得最大抗壓強(qiáng)度，記錄每個(gè)試件失效的時(shí)間（圖1）。傳感器貼片放在試件h高度的中心位置，兩側(cè)相對，得出應(yīng)力應(yīng)變曲線。

式（4）～(5)中，?c,0為抗壓強(qiáng)度；Fmax是最大荷載（N）；d1和d2是垂直于兩條裂縫的直徑長度（mm）。從公式（5）可得抗壓彈性模量。其中，F(xiàn)2-F1表示荷載變形曲線直線部分上的增量（N），A是失效位置附近的截面積（mm2）。

2 結(jié)果與分析

圖1 抗壓試驗(yàn)示意及試驗(yàn)Fig.1 Schematic diagram of compressive test

2.1 機(jī)械處理對干燥速率的影響

對干燥過程中的含水率監(jiān)測，分別得到切口處理和鉆孔處理原木的含水率變化圖。試樣從初含水率46.3%干燥到含水率17.5%，總平均干燥速率為0.043%·h-1。兩種切口處理的試樣干燥速率明顯快于兩種鉆孔處理的試樣，提速0.014%·h-1。切口處理干燥用時(shí)36 d。單切口處理平均干燥速率為0.052%·h-1，雙切口處理平均干燥速率為0.044%·h-1。鉆孔處理干燥用時(shí)28 d，中心鉆孔處理平均干燥速率為0.032%·h-1，鉆小孔處理平均干燥速率為0.036%·h-1。從圖2可見，在干燥初期，自由水散失，因而表現(xiàn)為木材含水率快速下降；干燥后期，結(jié)合水進(jìn)一步散失，原木內(nèi)部含水率下降到纖維飽和點(diǎn)以下，含水率的變化趨于緩慢。直徑對原木干燥速率有很大的影響，直徑較小的原木比直徑較大的原木干燥得更快[17]，鉆孔處理去皮組的直徑略大于不去皮的，因而含水率下降的幅度略小。

圖2 含水率變化Fig.2 Changes of moisture content

2.2 機(jī)械處理對干燥質(zhì)量的影響

2.2.1 表裂

切口比鉆孔處理更為有效的減少了干燥后開裂的數(shù)量和尺寸，這與Evans 等[10]的研究結(jié)果一致。從表3比較來看，雙切口的原木干燥質(zhì)量為4種處理方式中的最佳。對于切口處理，雙切口深度總和與單切口深度一致，但表裂總長度相較于單切口減少了64.3%，表裂數(shù)量降低了35.3%，對長表裂的減少尤為明顯，降低75%，說明增加切口數(shù)量能提高干燥質(zhì)量。這可能是因?yàn)殡p切口具有對稱性，在干燥過程中很好地平衡了開口釋放出的應(yīng)力，從而減少開裂，改善了木材的干燥效果。對于鉆孔處理，鉆小孔處理原木表裂嚴(yán)重，表裂總長度為雙切口的6.6 倍，鉆小孔對原木的破壞具有不均一性，可能造成試樣結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)而產(chǎn)生干燥缺陷。中心鉆孔在減少短表裂效果顯著，但表裂總長為雙切口的3.4 倍。

表3 干燥缺陷統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of drying defects

2.2.2 端裂

封端抑制了水分在兩端快速散失，可減少端裂的長度[18]。干燥后發(fā)現(xiàn)切口處理和中心鉆孔處理原木無明顯端裂，而鉆小孔處理原木出現(xiàn)較多輻射狀裂紋（圖3）。由于中心鉆孔去除的是原木心材，對木材結(jié)構(gòu)的破壞小，其對應(yīng)力的釋放也較為均勻，所以抑制了端裂的發(fā)生。監(jiān)測干燥過程中原木切口的變化，單切口處理的切口在干燥過程進(jìn)一步釋放應(yīng)力,平均加深3 mm，并且有張開的趨勢，呈“V”字形，切口的角度擴(kuò)大至8°左右；而雙切口處理的原木切口深度及傾角略有變化，較為穩(wěn)定。

圖3 中心鉆孔及鉆小孔干燥后的端面Fig.3 End faces of the central hole and small hole after drying

2.2.3 含水率分布

水分是木材儲(chǔ)存、加工與利用的關(guān)鍵，在木材干燥、木材保護(hù)與改性等領(lǐng)域形成了從宏觀到微觀的多維互作關(guān)系[19]。原木在干燥過程中，內(nèi)部分層溫度呈現(xiàn)外高內(nèi)低的趨勢，直徑方向存在內(nèi)高外低的含水率梯度差[20]，原木長度方向的水分移動(dòng)大于徑向，因此造成的含水率梯度導(dǎo)致干燥應(yīng)力的出現(xiàn)[21]，當(dāng)這種應(yīng)力超過了木材橫紋拉伸極限強(qiáng)度后，就會(huì)造成原木干燥缺陷的產(chǎn)生[22],降低含水率梯度對木材干燥質(zhì)量的提高十分關(guān)鍵。測定干燥后的試樣徑向含水率的均勻性，按照圖4所示方法取樣，從靠近髓心到靠近樹皮的位置依次標(biāo)注1～4 號。

圖4 分層含水率鋸制示意圖Fig.4 Diagram of sawing for layered moisture content

得出不同處理方式的試樣含水率分布。從圖5可見，不去皮試樣的平均含水率要高于去皮的。單切口處理的試樣中間層含水率較高，由于試樣取自單切口的鏡像位置，與切口相鄰的樣塊水分散失距離較小，心層水分進(jìn)一步降低，但仍高于外層；而雙切口處理的試樣在切口垂直位置取得，水分從髓心向樹皮方向逐漸降低，因而含水率的分布也較為勻稱。

由于去除部分心材，減少了心邊材差異帶來的干燥差異，且鉆孔增大了與空氣的接觸面積，促進(jìn)了水分的移動(dòng)，中心鉆孔處理的試樣含水率梯度小，外層和靠近鉆孔層含水率接近，略低于中間層含水率；鉆小孔處理的試樣含水率從心層至邊層呈下降趨勢，但含水率曲線存在一定波動(dòng)，這可能是受鉆小孔位置差異的影響。

圖5 分層含水率Fig.5 Layered moisture content

2.3 機(jī)械處理對原木強(qiáng)度的影響

對干燥后的試樣進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，本試驗(yàn)為模擬建筑構(gòu)件實(shí)際應(yīng)用情況，選用的原木直徑各不相同，單根原木也不是等截面圓柱體，因此將測試得來的各試件最大載荷換算成抗壓強(qiáng)度，減小截面積和長細(xì)比帶來的影響。Yeo 等[8]和Kim[23]研究認(rèn)為中心鉆孔處理后原木抗壓強(qiáng)度有明顯增加的趨勢，這是去除幼木后，木材整體質(zhì)量更均勻的結(jié)果。從表4不難看出中心鉆孔組的最大載荷高于其他組，總平均值達(dá)到829.8 kN，這也與前人的研究一致。將最大載荷進(jìn)一步折算得到抗壓強(qiáng)度，由于帶皮原木不便于貼應(yīng)力測試片，因而只對去皮組進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變的測試。計(jì)算得出抗壓彈性模量，中心鉆孔組最大為18.53 Gpa，雙切口為12.57 Gpa，相較于單切口提高了16.8%。這可能是單切口因?yàn)椴粚ΨQ，在干燥過程中進(jìn)一步張開對強(qiáng)度造成了破壞。

表4 力學(xué)性質(zhì)測試Table 4 Test of mechanical properties

3 結(jié)論與討論

木材干燥是木材加工利用的前提，良好干燥技術(shù)有利于提供大量優(yōu)質(zhì)的原木，對古建筑重建和維修有著重大意義，然而原木相較于板材難干燥且干燥周期長，存在干燥速度慢、干燥質(zhì)量較差等問題。本研究以落葉松為研究對象，比較單切口、雙切口、中心鉆孔和鉆小孔4 種機(jī)械處理方式對原木常規(guī)干燥質(zhì)量的影響?；谠囼?yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

1）機(jī)械處理的方式對原木干燥速度影響較小，4 種機(jī)械處理后原木干燥速度相差不大，單切口處理試樣干燥速率最快，為0.052%·h-1，兩種切口處理方式干燥速率略快于兩種鉆孔處理，提速0.014%·h-1。

2）切口處理質(zhì)量較優(yōu)，開裂數(shù)量和長度均較小。對于切口處理，增加切口數(shù)量，能顯著減少原木常規(guī)干燥過程中的開裂。雙切口處理將表裂的總長度降低了64.3%，總數(shù)量降低了35.3%。

3）4 種機(jī)械處理后的原木，中心處理的原木強(qiáng)度最高，且端裂較少?？赡苁且?yàn)槿コ牟膶υ窘Y(jié)構(gòu)破壞最小。

由于本研究中采用的試樣比較貼近實(shí)際生產(chǎn)，直徑范圍控制在13～18 cm，在后續(xù)的試驗(yàn)中可以細(xì)化研究，將試樣處理為等直徑的原木，從而減少直徑這一變量對于試驗(yàn)的影響。此外，本研究僅在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上進(jìn)行研究，重復(fù)量較少，與實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)的條件仍存在一定的差異，且只討論了落葉松，對于其他古建筑常用樹種尚缺乏討論。今后可以擴(kuò)大試驗(yàn)的規(guī)模，進(jìn)一步開展相關(guān)樹種的研究。機(jī)械處理去除了原木的部分組織，減輕了原木的質(zhì)量，能夠節(jié)約運(yùn)輸成本，未來考慮機(jī)械處理與木材防腐阻燃結(jié)合，在機(jī)械處理后對木材做浸漬處理，可以延長原木作為木構(gòu)件的使用壽命，進(jìn)而提高原木的綜合利用率。