木材干燥应力是探索木材干燥机理、制定合理木材干燥工艺基准、保证干燥质量的重要参数和依据。国内外许多学者致力于木材干燥应力的研究, 试图通过对干燥应力理论的研究揭示木材干燥中的物理本质, 为制定木材干燥基准、消除木材干燥缺陷提供理论依据。

早在20世纪30年代就有学者注意到木材在干燥过程中应力的存在。分层切片法的提出, 是研究锯材厚度方向的干燥应力、应变分布规律的一项重大突破, 此方法至今仍被广泛采用(Mcmillen, 1955)。同期出现的梳齿法(叉齿法), 应用更为普遍, 可实现干燥应力的定性研究。由于此方法测量相对分层切片法来说比较简单, 主要用于实际的干燥生产, 锯材干燥质量应力指标的评定也是采用此方法作为评估标准的。随后出现了检测干燥应力的新方法, 如卡谱法、差异干缩法等, 但从适用性来看, 都不尽人意。研究中除了干燥应力检测技术的开发外, 借助现代计算机及计算方法动态地模拟木材干燥过程中的应力变化规律, 建立相关的数学模型(Svensson et al., 2002), 为研究干燥应力提供了新的思路, 遗憾的是这些模型都基于不同程度的假设, 因此计算值往往与试验所测数值相差甚远。

目前干燥应力的理论研究已渗入到流变力学等领域, 并取得了可喜的成果(李大纲, 2001)。然而, 木材干燥应力的研究, 仍存在许多问题, 比如干燥应力理论的实用性、研究的对象等。干燥应力理论仍是针对大径级成熟材, 而小径木木材干燥应力的研究在国内外尚未见报道。随着天然林资源枯竭和天然林保护工程的实施, 可利用的大径级成熟材资源越来越少, 取而代之的是大批人工速生林、次生林、幼龄林和枝丫材等小径木资源(Susan et al., 2001)。小径木资源比例急剧增加, 但它们材质低下, 干燥后极易产生翘曲、开裂和变形, 给企业的生产带来严重的损失, 也造成了大量木材资源的浪费。因此, 进行小径木木材干燥应力的研究, 已成为当今国内外一个既有理论意义又有实际价值的重要研究方向。

1 材料与方法 1.1 材料

白桦(Betula platyphylla)小径木取自东北林业大学帽儿山试验林场, 径级为140 ~ 160 mm, 冬季采伐, 就地加工, 按木制品(胶合木、集成材)的半成品毛料锯切成规格为1 000 mm×40 mm ×30 mm的锯材, 其初含水率大于40 %。

1.2 干燥设备

采用东北林业大学机电工程学院自制的全自动控制干燥室, 干燥室容积1 m³, 金属加保温层结构, 顶风机式, 风速1 m·s^-1, 电阻式加热。

1.3 干燥方法

共进行了3次干燥试验, 第1次采用连续加热干燥试验, 后2次采用间歇加热干燥试验, 间歇期间停止加热, 间歇加热干燥试验的加热时间都为9 h, 间歇时间分别为2 h和6 h。全部试验所用干燥基准见表 1。

1.4 应力检测

控制木材干燥应力的发展过程, 并在干燥应力达到最大值之前将其消除, 可以避免干燥缺陷的产生。由于实际干燥生产过程中, 锯材表层应力对干燥质量的影响最大, 因此, 本文对小径木白桦木材的表层应力(全应力和残余应力)进行了检测, 全应力和残余应力的指标在同一叉齿应力试片上测定, 按国家标准(GB 6491 -1999)规定进行。具体测定方法是:每次干燥试验所用应力检验板全部从同批锯材中择优选取, 选择应力检验板的数量为2块(径切板1块, 弦切板1块)。每隔一定时间制取1次应力试片, 每次截去50 mm端头后再截下2块10 mm厚试片, 分别制作叉齿应力试片和含水率试片, 测量锯材的表层应力及含水率情况。叉齿试片制作后, 测量叉齿的变形程度, 根据变形程度计算全应力指标, 然后将叉齿试片在室温下空气流通处放置24 h, 使叉齿内、外层的含水率分布均衡后, 再次根据叉齿变形的程度测定残余应力指标。

2 结果与分析 2.1 锯材室干过程中表层全应力变化规律

小径木不论是结构还是材质, 都有别于同树种的大径级木材。与大径级木材相比, 小径木内含物少、材质疏松, 有利于内部水分移动(赵小矛等, 1998)。因此, 小径木加工成锯材后如果保存不当, 会因为水分的迅速散失产生应力。小径木白桦锯材的初始全应力并不为零, 如图 1所示。白桦小径木伐下后, 其含水率在100 %以上, 在随后的锯切、运输过程中, 锯材处于一种自然干燥的状态。锯材表层水分的迁移阻力较小, 通过毛细管张力作用排出, 尽管锯材平均含水率仍较高, 但表层含水率已在纤维饱和点以下, 锯材表层收缩产生拉应力(或称之为负应力)。锯材进入干燥室后, 在含水率较高的干燥初期, 传热对水分的排出起主导作用。由于采用常规干燥, 木材的内部温度相对较低, 木材中的水分并没有因为受热产生热膨胀, 因此木材横纹线膨胀系数没有增大, 尽管锯材在干燥前进行了热湿处理, 但木材在干燥一开始仍出现了不同程度的收缩(李大纲等, 1999), 锯材表层的拉应力随干燥时间的增加而增大。随着干燥进行到锯材含水率在纤维饱和点左右, 锯材表层的拉应力也相应达到了最大值。此时也是进行中期处理的时机, 否则, 锯材表层会因为拉应力超过木材的承受极限而引起表裂。即使没有产生表裂, 过大的拉应力容易形成表面硬化, 引起干燥后期的内裂(杜国兴, 1997)。锯材进入到干燥中期的应力转化阶段, 表层拉应力逐渐减少到零, 然后转化为压应力(或正应力)并逐渐增大。白桦小径木锯材的应力转化阶段进行了中期处理, 没有发现内裂。随后由于锯内部水分的移出, 厚度方向的含水率梯度越来越小, 锯材表层的压应力也随之减小直至干燥结束。

白桦小径木锯材运抵实验室后立即进行了连续加热干燥试验, 锯材表层的初始拉应力较高, 而且在前期干燥过程中, 连续加热方式的拉应力一直高于间歇加热方式的拉应力。用于间歇加热干燥试验的锯材在储存过程中经常喷水保湿, 尽量阻止水分的散失, 虽然锯材的平均含水率仍有所降低, 但缓和了锯材锯切及运输过程中产生的部分应力。间歇加热干燥试验锯材的表层拉应力最大值远小于连续加热干燥的锯材表层拉应力最大值。间歇加热的拉应力最大值到来的时机以及随后的拉应力向压应力转化的时机相对于连续加热都有些滞后。笔者认为, 间歇加热干燥试验的间歇阶段, 锯材的含水率梯度与温度梯度一致, 有利于水分的排出, 同时释放了部分拉应力。锯材的初含水率以及初始拉应力较低, 也可能是减小表层拉应力, 并使应力最大值的产生时机及应力方向转化的时机滞后的原因之一。另外, 应力的转变点与树种也有关, 与锯材的厚度关系不大(刁秀明等, 1995)。在干燥后期, 锯材表层的全应力表现为压应力, 3种加热方式的锯材其表层压应力大小差异不是很大。

从不同类型的锯材来看, 无论是干燥前期表层表现出的拉应力, 还是干燥后期的压应力, 径切板的全应力都小于弦切板的全应力。这与木材的结构有关, 由于木射线的存在, 横纤维方向上的径向水分传导比弦向水分传导大15 %~ 20 %, 弦切板(厚度方向沿径向方向)有利于木材水分的排出。在含水率较高的干燥前期, 锯材表层的水分以蒸发的形式散失。弦切板比径切板更容易形成较大的含水率梯度, 锯材内外收缩的差异也就更大, 产生较大的拉应力; 在含水率较低的干燥后期, 尤其是含水率降至纤维饱和点以下, 水分迁移的阻力主要在木材内部, 水分迁移是以扩散方式进行, 弦切板内部的水分向外扩散的速率要比径切板内水分扩散的速率大, 弦切板内层容易产生较大的收缩, 与此同时表层受到较大的压应力。

2.2 锯材室干过程中表层残余应力变化规律

生产中检验锯材残余干燥应力的目的, 主要是为了测知表面硬化的程度, 表面硬化对干燥质量的影响很大。干燥室干燥过程中应控制其发展, 并在适当的时候将其消除。从图 2可以看出, 间歇加热所用的白桦小径木锯材在储藏室放置时间较长, 储藏期间尽管进行了喷湿处理, 锯材的全应力减小, 但仍具有较大的残余应力。随着干燥的进行, 锯材表层的残余应力逐渐增大, 在含水率25 %左右表层的残余应力达到最大值, 随后逐渐减小。

3种加热方式下锯材表层残余应力的变化趋势基本一致, 但无论是干燥前期或中期, 间歇加热锯材表层的残余应力明显小于连续加热方式锯材表层的残余应力。3种加热方式采用的是同一干燥基准, 因此温度显然不是造成残余应力降低的原因(刁秀明等, 1995; 熊如珍等, 2000)。可以确定:间歇加热方式的间歇阶段为木材产生机械吸附应变提供了时间, 机械吸附应变是木材干燥过程中变形的重要组成部分, 它是木材在内应力作用下由于水分迁移与温度变化而明显增加的蠕变变形。在木材干燥过程中, 机械吸附应变可释放木材内部由于干缩不均而造成的层间牵制, 机械吸附应变是导致干燥过程中木材干燥应力释放的一个主要原因(战剑锋等, 2004)。锯材较低的初含水率是否也降低了锯材表层的残余应力, 还需做进一步研究。在干燥的终了阶段, 进行热湿处理来减小锯材的残余干燥应力。热湿处理可以快速释放已形成的残余应力, 但必须保证足够高的温度和湿度, 处理的时间也必须保证, 否则无法释放残余应力(Pang et al., 2001; Masaya et al., 2003)。从试验结果来看, 最终处理后锯材表层的残余应力都显著降低。比较间歇2 h与间歇6 h锯材表层的残余应力, 间歇6 h的略低于间歇2 h的。延长间歇时间有利于降低锯材表层残余应力, 径切板更明显。

木材应力的产生是由木材干缩引起的, 而木材径向干缩为3 %~ 6 %, 弦向干缩为6 %~ 12 %, 弦向干缩约是径向干缩的2倍。3次干燥试验, 弦切材的残余应力幅度都比径切材的大, 这与全应力结果一致。

3 结论

1) 间歇加热干燥试验锯材的表层拉应力最大值远小于连续加热干燥的锯材表层拉应力最大值, 且最大值到来的时机以及随后的拉应力向压应力转化的时机相对于连续加热都有些滞后。间歇加热干燥试验的间歇阶段, 锯材的含水率梯度与温度梯度一致, 有利于水分的排出, 同时释放了部分拉应力。当然, 锯材的初含水率以及初始拉应力较低, 可能也是减小表层拉应力, 并使应力最大值的产生时机及应力方向转化的时机滞后的原因之一。在干燥后期, 3种加热方式的锯材其表层压应力大小差异不是很大。

2) 3种加热方式下锯材表层残余应力的变化趋势基本一致。但无论是干燥前期或中期, 间歇加热锯材表层的残余应力明显小于连续加热方式锯材表层的残余应力。锯材较低的初含水率是否也降低了锯材表层的残余应力, 还需要做进一步研究。延长间歇时间有利于降低锯材表层残余应力, 径切板表现更明显。

3) 由于小径木白桦径、弦向干缩及水分传导速率的差异, 3次干燥试验的弦切板表层的全应力和残余应力幅度都比径切板的大。小径木白桦内含物少、材质疏松, 内部水分移动速率比较快, 自然干燥产生的应力可能是随后室干过程中所形成的干燥应力比较大的一个原因, 因此, 建议小径木白桦伐下并加工成锯材后, 立即进行室干。