基于百度試驗(yàn)法制定29年生杉木木材干燥基準(zhǔn)的研究

黃騰華，王軍鋒，覃琬云，雷福娟，欒 潔

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，南寧 530002）

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國(guó)南方種植量最多的速生針葉樹種之一，常綠喬木，高達(dá)30 m，胸徑可達(dá)2.5～3 m，具有生長(zhǎng)速度快、主干通直、出材率高、紋理直、易加工、耐腐力強(qiáng)、不受白蟻蛀食等特點(diǎn)，可用于門窗、實(shí)木家具、木樁、電桿、裝飾材料、木結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)用材、木制用具等，主要分布在四川、貴州、云南、廣西、福建、廣東等省份，約占我國(guó)商品材的20%～25%[1]。前人對(duì)杉木木材的干燥研究主要集中在不同的干燥方法及干燥過程中木材的水分、滲透性等與微細(xì)結(jié)構(gòu)的變化等方面，李延軍[2]研究發(fā)現(xiàn)可采用高溫低濕的干燥介質(zhì)對(duì)杉木木束進(jìn)行快速干燥，木束內(nèi)部水分?jǐn)U散系數(shù)隨溫度的升高而增大、隨直徑的增加而增加。韋鵬練等[3]采用百度試驗(yàn)法研究了柳杉（Cryptomeria fortunei）的木材干燥特性，柳杉屬易干木材，干燥速度2級(jí)，并獲得柳杉的干燥基準(zhǔn)條件為：初期溫度70 ℃，干燥初期干濕球溫差4～7 ℃，末期溫度90 ℃。高利祥[4]采用不同干燥方法對(duì)柳杉鋸材進(jìn)行干燥，柳杉木材的干燥速度為：邊材＞心邊材＞心材，高溫干燥速率大于常規(guī)和氣干干燥速率。王海元等[5]采用微爆破技術(shù)對(duì)杉木進(jìn)行處理后，在（103 ± 1）℃恒溫干燥條件下對(duì)杉木試件進(jìn)行干燥，發(fā)現(xiàn)微爆破處理可提高干燥速率且對(duì)杉木的干燥缺陷無(wú)明顯影響。高瑞清等[6]采用高頻真空干燥的方法研究了不同厚度杉木板材的干燥特性，發(fā)現(xiàn)該方法干燥的杉木板材變形小，芯表層含水率梯度小，干燥質(zhì)量較好。李莉等[7]采用周期強(qiáng)制端風(fēng)機(jī)噴蒸加熱干燥窖研究杉木的高溫快速干燥工藝，制定出實(shí)用性的杉木木材干燥基準(zhǔn)。周永東等[8]對(duì)比研究了不同厚度杉木的高溫干燥和常規(guī)干燥工藝，結(jié)果表明采用高溫干燥比常規(guī)干燥的干燥周期短、干燥能耗低，但干燥質(zhì)量較差，木材材色有所加深。涂登云等[9]采用高溫水供熱系統(tǒng)對(duì)速生杉木方材進(jìn)行干燥研究，結(jié)果表明運(yùn)用該方法進(jìn)行干燥的杉木達(dá)到細(xì)木工板生產(chǎn)的要求，且具有熱效率高、運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)可行等特點(diǎn)。

木材干燥是木材加工利用的主要工序之一，對(duì)杉木木材進(jìn)行科學(xué)合理的干燥，可有效解決杉木及木制品易變形開裂等技術(shù)難題，提高其干燥質(zhì)量和干燥效率，節(jié)約干燥成本，從而推動(dòng)杉木加工企業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)[3]。為了解29年生杉木木材的干燥特性，本研究以廣西融安縣西山林場(chǎng)1.5代種子園杉木為研究對(duì)象，分析29年生杉木木材的干燥特性，編制出杉木木材的干燥基準(zhǔn)，為杉木木材加工生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

杉木采自廣西融安縣西山林場(chǎng)西山分場(chǎng)2林班37小班1.5代種子園（109°34′33″E，25°23′07″N），海拔390 m，東南坡向，紅壤類土壤，平均胸徑28.9 cm，平均樹高19.4 m。

依據(jù)國(guó)標(biāo)（GB∕T1927—2009）《木材物理力學(xué)試材采集方法》[10]采集試材。試材采集后，采用木工帶鋸將試材鋸解成厚度為25 mm的毛邊鋸材，并刨光至厚度（20±0.5）mm。在光面板材的紋理中心無(wú)節(jié)子等缺陷的地方截取長(zhǎng)、寬、厚分別為200、100、20 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，根據(jù)試驗(yàn)要求選取8 塊弦切板、1 塊徑切板和1 塊中心板。干燥特性等級(jí)的評(píng)定主要根據(jù)弦切板試件的干燥數(shù)據(jù)，徑切板和中心板的干燥結(jié)果與弦切板作對(duì)比，弦切板試件的初含水率平均為129.46%，所有試件含水率均大于50%，符合百度試驗(yàn)法的要求[11]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及工具

主要設(shè)備和工具有101A—3型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司）、JJ1000 型電子天平（精度0.01 g）、精密推臺(tái)鋸、游標(biāo)卡尺（精度0.02 mm）、塞尺（量程0.02～1.00 mm）、位差度測(cè)量?jī)x（精度0.001 mm）、鋼直尺（精度0.1 mm）等。

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用百度試驗(yàn)法[11]。干燥開始前先測(cè)量試件重量和長(zhǎng)寬厚尺寸，恒溫干燥箱預(yù)熱至100 ℃，將試件側(cè)立放置于干燥箱內(nèi)開始干燥。干燥過程中定時(shí)觀測(cè)并記錄每塊試件的重量及裂紋（端裂、端表裂、貫通裂、表裂）的數(shù)量、長(zhǎng)度及寬度數(shù)據(jù)。初期階段，每1 h 取出試件觀測(cè)1 次，當(dāng)試件的端裂、端表裂、貫通裂、表裂等裂紋的開裂程度和數(shù)量達(dá)到最大后調(diào)整為2 h 觀測(cè)1 次，當(dāng)所有試件的裂紋愈合至尺寸和數(shù)量均不再變化后調(diào)整為每4 h 觀測(cè)1 次，至最后2 次稱量之差不超過試樣質(zhì)量的0.5%時(shí)，停止干燥。將試件取出放置在干燥器內(nèi)，冷卻至室溫后及時(shí)測(cè)量試件的長(zhǎng)寬厚尺寸和質(zhì)量，以及試件扭曲度、順彎度、橫彎度及瓦彎度等。采用精密推臺(tái)鋸統(tǒng)一截取試件中間部位平行紋理方向?qū)挾葹?0 mm的含水率試驗(yàn)片并及時(shí)稱重，然后將試驗(yàn)片放入103 ℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥至質(zhì)量幾乎沒有變化，可測(cè)得試件的干燥終含水率。在試件鋸截面上測(cè)量其內(nèi)裂的數(shù)量、長(zhǎng)度、寬度和截面變形值，干燥試驗(yàn)結(jié)束。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 確定木材干燥缺陷等級(jí)

根據(jù)100 ℃干燥試驗(yàn)中干燥缺陷和干燥速度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[11]，分析29年生杉木木材的干燥特性，確定其初期開裂、內(nèi)裂、截面變形等干燥缺陷以及干燥速度（含水率從30%干燥至5%所需時(shí)間）的等級(jí)。

1.4.2 繪制含水率的變化規(guī)律曲線，并計(jì)算干燥速度。

根據(jù)干燥過程中試件實(shí)時(shí)含水率的計(jì)算方法[11]，計(jì)算杉木木材實(shí)時(shí)含水率并繪制試件含水率與干燥時(shí)間的變化曲線，計(jì)算干燥速度。

1.4.3 編制木材干燥基準(zhǔn)。

根據(jù)試件的干燥缺陷等級(jí)所對(duì)應(yīng)的干燥條件[12]最終確定杉木木材的初步干燥條件，結(jié)合含水率與干濕球溫度差關(guān)系表（針葉材）[13]，確定杉木木材的預(yù)干燥基準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 29年生杉木木材的干燥缺陷等級(jí)確定

分析弦切板試件的干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定29年生杉木試件的初期開裂、截面變形、內(nèi)裂和扭曲等缺陷等級(jí)和干燥速度等級(jí)情況（表1）。

表1 29年生杉木木材試件缺陷等級(jí)Tab.1 Defect grade of 29-year-old Cunninghamia lanceolata wood

2.2 干燥特性分析

（1）初期開裂。木材試件初期開裂主要是由于試件的端表層及表層的水分快速去除，而內(nèi)部水分變化慢且含水率較高，導(dǎo)致試件的表層和內(nèi)部干縮不均勻而產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力形成端裂、端表裂、表裂等[14-16]。干燥試驗(yàn)結(jié)果表明：29年生杉木木材的初期開裂等級(jí)為3級(jí)，主要為端裂和端表裂。干燥1 h 后，大部分弦切板未出現(xiàn)開裂情況，2塊弦切板試件出現(xiàn)少量的端裂和端表裂情況；干燥至2 h，所有弦切板、徑切板和中心板試件均產(chǎn)生了端裂，大部分試件產(chǎn)生了短端表裂；3 h 后，所有試件均產(chǎn)生了端表裂和端裂，并且裂紋數(shù)量和長(zhǎng)寬度尺寸迅速增加，有3塊弦切板出現(xiàn)了長(zhǎng)端表裂。初期開裂情況在干燥進(jìn)行到5～6 h 時(shí)發(fā)展至最嚴(yán)重，試件的端表裂最大長(zhǎng)度達(dá)到120 mm、寬度最大達(dá)0.75 mm。干燥試驗(yàn)進(jìn)行至8 h 后，裂紋逐漸愈合。根據(jù)不同干燥缺陷和干燥速度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[11]，評(píng)定杉木木材的初期開裂等級(jí)為3 級(jí)。可知，初期開裂是29年生杉木木材較嚴(yán)重的干燥缺陷之一，可通過降低其干燥初期的干球溫度和干濕球溫度差來提高其干燥質(zhì)量。

（2）內(nèi)部開裂。木材試件內(nèi)部開裂產(chǎn)生的主要原因是由于干燥過程中木材試件的溫度和含水率在厚度方向上形成較大的梯度，表層溫度比內(nèi)層高，含水率低，進(jìn)而產(chǎn)生表面硬化和干燥應(yīng)力導(dǎo)致。內(nèi)裂的產(chǎn)生主要與前期干燥條件和末期干燥溫度相關(guān)，一般在干燥進(jìn)行到后期時(shí)發(fā)生，內(nèi)裂產(chǎn)生的最常見情況是比較嚴(yán)重的表裂向試件內(nèi)部發(fā)展[17-18]。結(jié)束干燥試驗(yàn)后，所有試件均無(wú)內(nèi)裂產(chǎn)生，根據(jù)干燥缺陷和干燥速度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[11]，評(píng)定29年生杉木木材的內(nèi)部開裂等級(jí)為1級(jí)。

（3）截面變形。在干燥過程中，木材表層的水分蒸發(fā)速率較內(nèi)層快，表層收縮大于內(nèi)層，由于收縮不均勻?qū)е略嚰a(chǎn)生變形[19-21]。試驗(yàn)結(jié)果表明，杉木試件的截面變形小，弦切板的截面變形范圍為0.25～0.80 mm，平均值為0.46 mm；徑切板為0.14 mm；中心板則為0.62 mm，綜合評(píng)定其等級(jí)為1級(jí)。

（4）扭曲變形。由于木材是多孔性物質(zhì)，以及各向異性材料，干燥時(shí)弦向和徑向的收縮率不同，木材試件容易發(fā)生扭曲變形，即橫彎、順彎、瓦彎等[22-23]。試驗(yàn)結(jié)果表明，杉木木材發(fā)生較嚴(yán)重的扭曲變形，弦切板的扭曲情況最嚴(yán)重，扭曲值為1.5～6.5 mm，平均值3.28 mm，評(píng)定為3級(jí)；徑切板為1.5 mm；中心板為2.2 mm。弦切板瓦彎的最小值、最大值分別為0.83、1.44 mm，平均值1.09 mm；徑切板為0.26 mm；中心板為0.49 mm。弦切板順彎平均值為0.24 mm，徑切板0.6 mm，中心板0.25 mm。弦切板橫彎平均值為0.65 mm，徑切板0.42 mm，中心板0.45 mm。

（5）干燥速度。繪制杉木木材試件的含水率變化曲線（圖1）。經(jīng)計(jì)算分析，所有弦切板試件的含水率從30%干燥至5%所需要的時(shí)間為11.03 h，平均干燥速度為2.27%∕h，干燥速率較快，評(píng)定為2級(jí)（表2）；徑切板所需時(shí)間為13.38 h，干燥速度為1.87%∕h；中心板所需時(shí)間為12.58 h，干燥速度與徑切板接近，為1.99%∕h。可知，弦切板干燥速度較徑切板和中心板快，因此窯干時(shí)應(yīng)將弦切板和徑切板、中心板分類進(jìn)行干燥。

圖1 含水率變化曲線Fig.1 Curve of moisture content change

表2 百度試驗(yàn)干燥速度Tab.2 Drying speed in 100 ℃test method

（6）干縮特性。百度試驗(yàn)干燥結(jié)束后，經(jīng)計(jì)算，所有試件的弦向干縮率最大，徑向干縮率次之，縱向干縮率最小，其平均值分別為4.98%、4.22%和0.35%（表3）。

表3 試件干縮情況Tab.3 Dry shrinkage of the woods

2.3 29年生杉木木材的干燥基準(zhǔn)編制

通過試驗(yàn)結(jié)果分析，確定29年生杉木木材的初期開裂、內(nèi)部開裂和截面變形干燥缺陷等級(jí)后，查與干燥缺陷等級(jí)對(duì)應(yīng)的干燥條件[12]，可得到初期開裂、截面變形和內(nèi)裂干燥缺陷等級(jí)所對(duì)應(yīng)的干燥條件（表4），選出最低條件作為該木材預(yù)干燥基準(zhǔn)的基本條件。

29年生杉木25～30 mm 厚鋸材的干燥條件為初期溫度60 ℃，末期溫度90 ℃，初期干濕球溫差3～4 ℃（表4）。

由干燥結(jié)果可知，29年生杉木木材的主要干燥缺陷為初期開裂和扭曲變形，等級(jí)均達(dá)到3級(jí)。在干燥杉木木材時(shí)，有效減少初期開裂情況發(fā)生的手段為降低初期溫度和初期干濕球溫度差，緩慢升溫，同時(shí)，對(duì)杉木木材進(jìn)行壓重處理可有效減輕扭曲變形情況，提高其干燥質(zhì)量。在干燥試驗(yàn)進(jìn)行至第5～6 h 時(shí)，初期開裂發(fā)展至最大，此時(shí)木材試件的含水率降至約50%，開裂情況在含水率干燥至約25%時(shí)趨于穩(wěn)定。由此可知，在木材試件的含水率為129%～110%時(shí)，設(shè)置干球溫度和干濕球溫度差分別為60 ℃、3 ℃；試件含水率為110%～70%時(shí)，干球溫度設(shè)置為65 ℃，干濕球溫度差設(shè)定為4 ℃。由于本試驗(yàn)所用的杉木弦切板試件的初含水率平均為129.46%，查閱含水率與干濕球溫度差的關(guān)系表（針葉材）[13]，編制出29年生杉木25～30 mm 厚鋸材的干燥基準(zhǔn)（表5），根據(jù)杉木試件干燥至含水率為1%時(shí)所用的時(shí)間和初期干燥條件，查干燥時(shí)間估算圖[17]，可估算出29年生杉木25～30 mm 厚鋸材的實(shí)際干燥時(shí)間為12.5（11.5）d。

表4 試件初步干燥條件Tab.4 Preliminary drying conditions of samples

表5 29年生杉木木材（25 ～30 mm）軟（硬）干燥基準(zhǔn)Tab.5 Soft(hard)drying schedule for 25 ～30 mm Cunninghamia lanceolata wood

3 結(jié)論與討論

百度試驗(yàn)結(jié)果表明，29年生杉木木材的主要干燥缺陷之一是初期開裂，開裂形式表現(xiàn)為端表裂和端裂,等級(jí)為3 級(jí)，為保證其木材干燥質(zhì)量，初期干球溫度設(shè)置為60 ℃，干濕球溫度差為3～4 ℃。所有試件在干燥結(jié)束后均未產(chǎn)生內(nèi)裂，等級(jí)為1 級(jí)。截面變形小，弦切板的截面變形值為0.25～0.80 mm，平均值0.46 mm；徑切板為0.14 mm；中心板則為0.62 mm，綜合評(píng)定其等級(jí)為1級(jí)。扭曲程度較嚴(yán)重，弦切板的扭曲程度最大，扭曲值為1.5～6.5 mm，平均值3.28 mm，評(píng)定為3級(jí)；徑切板為1.5 mm；中心板為2.2 mm。弦切板瓦彎的最小值、最大值分別為0.83、1.44 mm，平均值1.09 mm；徑切板為0.26 mm；中心板為0.49 mm。弦切板順彎平均值為0.24 mm，徑切板0.6 mm，中心板0.25 mm。弦切板橫彎平均值為0.65 mm，徑切板0.42 mm，中心板0.45 mm。總體上，相對(duì)于徑切板和中心板，弦切板在干燥過程中更容易發(fā)生扭曲變形；8塊弦切板從含水率30%干燥至5%所需時(shí)間為11.03h，平均干燥速度為2.27%∕h，干燥速率較快，等級(jí)為2 級(jí)；徑切板所需時(shí)間為13.38 h，干燥速度為1.87%∕h；中心板所需時(shí)間為12.58 h，干燥速度為1.99%∕h。可見，弦切板的干燥速度較徑切板和中心板的快，因此窯干時(shí)應(yīng)將弦切板與徑切板、中心板分類進(jìn)行干燥。根據(jù)各干燥缺陷等級(jí)，最終編制出25～30 mm 厚29年生杉木木材的預(yù)干燥基準(zhǔn)。

綜合29年生杉木木材的干燥缺陷情況，其初期開裂缺陷和扭曲程度均較嚴(yán)重，內(nèi)裂和截面變形程度最輕。因此，進(jìn)行25～30 mm厚杉木鋸材干燥時(shí)，初期的干球溫度和干濕球溫度差設(shè)置均不宜過大，可有效降低初期開裂程度，提高干燥質(zhì)量。