褚江依 王斯棟 惠建平 張鳳毫 江京輝

（1.中國林業(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)甸實驗林場，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，或作為制漿造紙原料等[4-5]。松木在我國的應(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，裂紋會促進(jìn)吸水，招致害蟲產(chǎn)卵，從而對木材造成進(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)高于我國古建筑維修規(guī)范要求的20%。原木含水率高于25%會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)束時的表裂。王喜明等[16-17]對鉆孔后的木材作進(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)力與彎曲度和長細(xì)比呈負(fù)相關(guān)。Lim等[22]對中心鉆孔圓木梁在中心點彎曲試驗中的性能進(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，探討機(jī)械處理對原木干燥質(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。取22 根原木，去皮加工成直徑為14 cm、長為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)度測試。

1.2 設(shè)備

小型高溫干燥試驗機(jī)（HD74/TAII），ヒFI（Ⅷ）（Ⅴ）fflasド株式會，日本；電阻式木材含水率測定儀（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 試驗方法

1.3.1 機(jī)械處理

對試樣進(jìn)行10種機(jī)械處理方式，設(shè)置1組對照，重復(fù)樣均為2個。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度方向，鉆孔去除髓心部分木材，設(shè)置3個梯度的鉆孔直徑，分別為50、35 mm和25 mm。對于切口處理，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)性能測試

原木氣干后加工成長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。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 個重復(fù)量，并設(shè)置未處理的對照組，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方法第17 部分:平行于紋理壓縮極限應(yīng)力的測定》進(jìn)行測試，并根據(jù)公式（1）和（2）計算試樣的順紋抗壓強(qiáng)度。

圖2 順紋抗壓試驗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時的順紋抗壓強(qiáng)度，MPa；σ12為試樣含水率12%時的順紋抗壓強(qiáng)度，MPa；Pmax為破壞載荷，N；S為試樣的底面積，mm2。S包括兩個面積，去除機(jī)械處理部分的實際面積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 干燥速率計算

干燥速率表示木材在干燥過程中單位時間的含水率變化值[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。稱重后放入（103±2） ℃的烘箱中至絕干，稱取絕干質(zhì)量，計算得到初含水率。對檢測的11 根試樣稱重，計算得到其絕干質(zhì)量，通過公式（4）計算出終含水率，用差值除以干燥的時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為干燥時間，h。

2 結(jié)果與分析

2.1 切口對順紋抗壓強(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算得到實際順紋抗壓強(qiáng)度1，并與不去除該部分面積的理論值進(jìn)行對比。整體而言，實際值略高于理論值，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，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，其抗壓強(qiáng)度增加趨勢減弱，較單切口提高了5.6%。深度和進(jìn)一步增加到20 mm時，雙切口每個切口的深度接近半徑的一半，此時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。對比單雙切口發(fā)現(xiàn)，該趨勢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，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，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，抗壓強(qiáng)度降低了9.2%。中心鉆孔處理時，其抗壓強(qiáng)度相較于對照組略有降低，但仍是4 種處理方式中最優(yōu)的。對比中心鉆孔直徑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。

2.2 常規(guī)干燥速率

檢測干燥過程中的含水率變化，并計算得出不同機(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，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。這可能是因為中心鉆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%，相較對照組提高了27.9%。對于切口處理，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，這可能是因為該處理方式下的鉆孔量最大。

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)量驗收規(guī)范，以裂縫對原木分等，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稱性，水分向四周移動較為穩(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，表裂總長隨切口深度增加而減小，單切口60 mm試樣的表裂總長為對照組的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，表裂總長與孔徑大小成正比，孔徑50 mm的原木其表裂總長約是孔徑25、35 mm原木的1.3倍。鉆小孔處理由于鉆孔小、數(shù)量多，對原木結(jié)構(gòu)破壞較大，干燥后出現(xiàn)了較多的長表裂，孔層間距10 cm時的開裂總長略高于對照組。

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，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研究結(jié)論進(jìn)行進(jìn)一步的驗證。