百度試驗(yàn)法測(cè)定15年生巨尾桉木材干燥基準(zhǔn)的初步研究

唐日俊，黃騰華，韋存瑞，韋鵬練，符韻林

（1.廣西壯族自治區(qū)南寧樹(shù)木園，南寧 530031；2.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，南寧 530002；3.廣西大學(xué)林學(xué)院，南寧 530004）

巨尾桉（Eucalyptus grandis×E.urophylla）是巨桉（E.grandis）和尾葉桉（E.urophylla）的雜交樹(shù)種，為常綠喬木，干形勻稱且通直，具有抗逆性強(qiáng)、生長(zhǎng)速度快等特點(diǎn)，在中國(guó)南方低海拔地區(qū)、輕霜或無(wú)霜區(qū)域生長(zhǎng)良好，是我國(guó)南方最重要的速生人工造林樹(shù)種之一[1]。近年來(lái)，速生桉樹(shù)木材已應(yīng)用于生產(chǎn)高質(zhì)量的實(shí)木地板，以及建筑用混凝土模板等[2]，大徑級(jí)巨尾桉木材的利用新方向是實(shí)木家具、實(shí)木地板等。人工林巨尾桉樹(shù)種具有生長(zhǎng)量大、伐期短的特點(diǎn)，但巨尾桉木材生長(zhǎng)應(yīng)力大、含水率和密度各向分布不均勻、干縮差異性大、易開(kāi)裂及變形、尺寸穩(wěn)定性差，極大地限制了人工林巨尾桉木材的適用范圍[3]。木材干燥作為木材實(shí)木化利用前期最重要的環(huán)節(jié)之一，其干燥質(zhì)量是影響木材用于高附加值產(chǎn)品加工和利用的關(guān)鍵技術(shù)因素[4]，因此本文主要依據(jù)百度試驗(yàn)法研究15年生大徑級(jí)巨尾桉木材的干燥特性，初步制定其預(yù)干燥基準(zhǔn)，為木材加工企業(yè)進(jìn)行巨尾桉木材的產(chǎn)業(yè)化干燥提供參考，對(duì)于提高大徑級(jí)巨尾桉木材的干燥質(zhì)量、推動(dòng)巨尾桉木材在實(shí)木家具、實(shí)木地板等領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)利用具有重要意義[5]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試材采集于廣西南寧市樹(shù)木園巨尾桉種植示范基地。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T1927—2009）《木材物理力學(xué)試材采集方法》進(jìn)行采集百度試驗(yàn)樣木。根據(jù)巨尾桉整體林分的樹(shù)高、胸徑以及冠幅等生長(zhǎng)情況，選擇長(zhǎng)勢(shì)良好、樹(shù)干均勻且通直、少節(jié)疤、無(wú)病蟲(chóng)害、胸徑中上等[3]的樣木共5株。將樣木伐倒后，從樹(shù)木根部起沿樹(shù)高方向在1.3～3.3、5.3～7.3、9.3～11.3、13.3～15.3 m處鋸取4個(gè)試驗(yàn)?zāi)径?。采用木工帶鋸機(jī)將木段鋸解成25 mm厚的弦切板、徑切板和中心板，將試件四面刨光至厚度為（20±0.5）mm的光面板。在光面板上截?。ㄩL(zhǎng)×寬×厚）200 mm×100 mm×20 mm沒(méi)有缺陷的標(biāo)準(zhǔn)試件，選取弦切板6塊，徑切板2塊及中心板2塊。其中弦切板用于評(píng)定巨尾桉木材的干燥特性等級(jí)，徑切板和中心板作為對(duì)比試件。試件的平均初含水率為108.30%，均達(dá)50%以上，滿足百度試驗(yàn)法的要求[6]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及工具

本試驗(yàn)使用的設(shè)備及工具主要有：電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司，101A-3型）、電子天平（JJ1000型，精度0.01 g）、萬(wàn)能木工推臺(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[6]進(jìn)行。將試件放到已提前預(yù)熱至100℃的恒溫干燥箱內(nèi)，側(cè)立擺放進(jìn)行干燥。在干燥試驗(yàn)的初期階段，每1 h觀測(cè)1次，當(dāng)試件的裂紋不再增加且開(kāi)始愈合時(shí)將觀測(cè)時(shí)間改為每2 h觀測(cè)1次，當(dāng)裂紋停止愈合且不再變化后改為每4 h觀測(cè)1次。觀測(cè)時(shí)需對(duì)每一塊試件都進(jìn)行稱重，并記錄每塊試件的裂紋（端裂、端表裂、貫通裂、表裂）的數(shù)量、寬度及長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，當(dāng)試件干燥至連續(xù)2次稱重的質(zhì)量差小于0.5%時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量試件的扭曲度、瓦彎度、順彎度及橫彎度。然后采用萬(wàn)能木工推臺(tái)鋸在試件中間鋸取約20 mm寬的試驗(yàn)片，用于測(cè)定試件的終含水率，并及時(shí)進(jìn)行稱重。測(cè)量試件截面的內(nèi)裂數(shù)量、長(zhǎng)度和寬度數(shù)值及截面變形最大和最小值。最后將試驗(yàn)片放置于103℃的恒溫干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥，6 h后將試驗(yàn)片取出并稱重，此后每2 h進(jìn)行稱重，直至質(zhì)量幾乎沒(méi)有變化，干燥試驗(yàn)結(jié)束。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 確定15年生巨尾桉木材初期干燥缺陷等級(jí)

根據(jù)100℃干燥試驗(yàn)中干燥缺陷和干燥速度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[6]，確定初期開(kāi)裂、內(nèi)裂、截面變形及干燥速度缺陷等級(jí)。

1.4.2 繪制含水率變化曲線，并計(jì)算各項(xiàng)干燥速度

（1）試驗(yàn)結(jié)束時(shí)所稱量試驗(yàn)片的重量為試驗(yàn)片全干重（G片干）。試驗(yàn)片初含水率（W片初）按下式計(jì)算。

（2）試驗(yàn)片的初含水率（W片初）作為試件的最終含水率（WZ），試件全干重（G干）按下式計(jì)算

（3）根據(jù)百度干燥試驗(yàn)過(guò)程中每次開(kāi)箱觀測(cè)時(shí)試件的當(dāng)時(shí)重量（G當(dāng)）和試件全干重（G干）計(jì)算試件當(dāng)時(shí)含水率（W當(dāng)）。

根據(jù)上述方法計(jì)算15年生巨尾桉木材當(dāng)時(shí)含水率并繪制其干燥時(shí)間曲線，并分析其干燥速度特性。

1.4.3 編制15年生巨尾桉木材干燥基準(zhǔn)

根據(jù)試件的干燥缺陷等級(jí)所對(duì)應(yīng)的干燥條件最終確定15年生巨尾桉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（闊葉材），確定15年生巨尾桉木材的預(yù)干燥基準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 確定15年生巨尾桉木材的干燥缺陷等級(jí)

分析干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定15年生巨尾桉試件的初期開(kāi)裂程度，內(nèi)裂和截面變形等缺陷等級(jí)情況（表1）。

表1 15年生巨尾桉木材試件缺陷等級(jí)Tab.1 Defect grade of 15-year-old Eucalyptus grandis×E.urophylla wood

2.2 干燥特性

2.2.1 初期開(kāi)裂

導(dǎo)致木材干燥初期產(chǎn)生開(kāi)裂情況的主要原因是木材內(nèi)層與表層收縮不均勻而產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力[7]。百度試驗(yàn)表明：15年生巨尾桉木材的初期開(kāi)裂主要表現(xiàn)為端裂、端表裂及表裂。將試件放入烘箱干燥0.5 h后取出進(jìn)行第1次觀測(cè)，全部弦切板試件均未出現(xiàn)開(kāi)裂情況；干燥1 h后進(jìn)行第2次觀測(cè)，各有一塊弦切板試件分別出現(xiàn)端裂和表裂情況；干燥至3 h，所有弦切板試件均產(chǎn)生了端表裂和少量端裂，而徑切板試件均未出現(xiàn)裂紋；3 h后，大部分試件產(chǎn)生了端裂和端表裂，并且端裂和端表裂的裂紋數(shù)量和長(zhǎng)度、寬度快速發(fā)展。初期開(kāi)裂情況在干燥進(jìn)行到3～4 h時(shí)發(fā)展至最嚴(yán)重，試件的表裂最多可達(dá)18條，表裂的最大長(zhǎng)度達(dá)52 mm，最大寬度達(dá)1.0 mm。當(dāng)干燥進(jìn)行到7 h后，大部分裂紋開(kāi)始逐漸愈合。根據(jù)各干燥缺陷和其干燥速度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)定，巨尾桉木材的初期開(kāi)裂等級(jí)為4級(jí)。根據(jù)觀測(cè)可知，初期開(kāi)裂是15年生巨尾桉木材的主要干燥缺陷之一，因此為提高其干燥質(zhì)量，在干燥初期應(yīng)調(diào)低其干濕球溫度差。

2.2.2 內(nèi)部開(kāi)裂

在進(jìn)行干燥的過(guò)程中，由于試件表層至內(nèi)層的溫度及含水率具有很大的差異，產(chǎn)生的表面硬化和干燥應(yīng)力是引起內(nèi)部開(kāi)裂的主要原因。一般都在干燥后期發(fā)生，與干燥前期條件、末期設(shè)定的溫度相關(guān)，最常見(jiàn)的是比較嚴(yán)重的表裂向試件內(nèi)部發(fā)展產(chǎn)生內(nèi)裂[8]。干燥結(jié)束后，所有巨尾桉木材試件都產(chǎn)生了內(nèi)裂（表2），根據(jù)干燥缺陷和干燥速度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[6]，評(píng)定15年生巨尾桉木材的內(nèi)部開(kāi)裂等級(jí)為4級(jí)。

2.2.3 截面變形

木材表層與內(nèi)層的水分在干燥過(guò)程中蒸發(fā)速率不同，容易引起試件的截面收縮差異而發(fā)生變形[9-10]。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，15年生巨尾桉木材發(fā)生了比較嚴(yán)重的截面變形情況，弦切板的截面變形范圍為1.42～3.92 mm，平均值為2.63 mm；徑切板為6.95 mm；中心板則為6.32 mm，綜合評(píng)定其等級(jí)為4級(jí)。

2.2.4 扭曲變形

由于木材各向異性，及干燥時(shí)不同方向的干縮差異性，在干燥過(guò)程中，木材容易產(chǎn)生扭曲變形，即順彎、瓦彎、橫彎等[9-11]。試驗(yàn)結(jié)果表明，15年生巨尾桉木材的扭曲程度屬于中等，弦切板的扭曲程度最輕，范圍為0.7～2.45 mm，平均值為1.49 mm，評(píng)定為2級(jí)；徑切板為2.83 mm；中心板扭曲情況最嚴(yán)重，為8.27 mm。徑切板的瓦彎平均值為4.85 mm，弦切板瓦彎值介于3.0～5.8 mm之間，平均值為4.39 mm；中心板的瓦彎值為3.44 mm，為最??；弦切板順彎平均值為1.62 mm，徑切板為2.5 mm，中心板為1.74 mm。

2.2.5 干燥速度

15年生巨尾桉木材在百度試驗(yàn)干燥過(guò)程中含水率的變化曲線（圖1）。經(jīng)計(jì)算，6塊弦切板從含水率30%干燥至5%所需時(shí)間范圍13.36～35.94 h，平均需要22.58 h，平均干燥速度為1.11%/h，等級(jí)為4級(jí)，干燥速率較慢；徑切板平均用時(shí)21.24 h，平均干燥速度為1.18%/h（表3）?？芍仪邪搴蛷角邪宓母稍锼俣缺容^接近，因此窯干時(shí)可將徑切板與弦切板混合進(jìn)行干燥。

2.3 編制15年生巨尾桉木材干燥基準(zhǔn)

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

通過(guò)試驗(yàn)確定15年生巨尾桉木材的初期開(kāi)裂、截面變形和內(nèi)裂缺陷等級(jí)后，結(jié)合干燥等級(jí)對(duì)應(yīng)的干燥條件[7]，獲得15年生巨尾桉木材各缺陷等級(jí)對(duì)應(yīng)的的干燥條件（表4），從中選出最低條件作為該木材預(yù)干燥基準(zhǔn)的基本條件。確定15年生巨尾桉木材25～30 mm厚鋸材的干燥條件為：初期溫度38℃，初期干濕球溫差2～3℃，末期溫度65℃。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，15年生巨尾桉木材的初期開(kāi)裂、截面變形及內(nèi)裂缺陷均嚴(yán)重。因此，進(jìn)行巨尾桉木材干燥時(shí)，前期和中后期干濕球溫度差調(diào)小，緩慢升溫，能有效減輕初期開(kāi)裂缺陷，提高干燥質(zhì)量。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，初期開(kāi)裂大部分出現(xiàn)在試驗(yàn)進(jìn)行到第3～4 h以及含水率降至70%的時(shí)候，當(dāng)干燥至含水率約為50%時(shí)開(kāi)裂情況趨于穩(wěn)定。試件的含水率范圍為108%～70%時(shí)，分別設(shè)置干球溫度和干濕球溫度差為38、2℃；試件干燥至含水率70%～60%時(shí)，干球溫度和干濕球溫度差分別設(shè)置為40、3℃。經(jīng)計(jì)算，所有試件的平均初含水率高達(dá)108.30%，查含水率與干濕球溫度差關(guān)系表[7]，編制得15年生巨尾桉25～30 mm厚鋸材的預(yù)干燥基準(zhǔn)。一般家具用材多為鋸材，因此制定15年生巨尾桉25～30 mm厚鋸材的預(yù)干燥基準(zhǔn)，再結(jié)合本干燥試驗(yàn)共用時(shí)75 h、初期干濕球溫度差為2～3℃，查干燥時(shí)間估算圖，可估算15年生巨尾桉25～30 mm厚鋸材的實(shí)際干燥時(shí)間為20 d（表5）。

表2 試件內(nèi)裂情況Tab.2 Internal cracks of woods

表3 百度試驗(yàn)干燥速度Tab.3 Drying speed in 100℃test

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

表5 百度試驗(yàn)法確定的15年生巨尾桉木材（25～30mm）干燥基準(zhǔn)Tab.5 Drying schedule determined by 100℃test for 25～30 mm Eucalyptus grandis×E.urophylla woods

此干燥基準(zhǔn)只是根據(jù)百度試驗(yàn)法得出的理論基準(zhǔn)，需經(jīng)過(guò)小試或中試對(duì)此基準(zhǔn)加以修正才能應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

3 結(jié)論與討論

百度試驗(yàn)結(jié)果表明，15年生巨尾桉木材的初期開(kāi)裂比較嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為端裂、端表裂及表裂，15年生巨尾桉木材的初期開(kāi)裂為4級(jí)。該木材的主要干燥缺陷之一是初期開(kāi)裂，因此為保證木材干燥質(zhì)量，初期的干濕球溫度差不宜過(guò)大[12-15]；在干燥試驗(yàn)結(jié)束后，所有木材試件均產(chǎn)生了嚴(yán)重的內(nèi)裂，內(nèi)裂等級(jí)為5級(jí)。截面變形較為嚴(yán)重，等級(jí)為4級(jí)，所有弦切板試件的截面變形值范圍為1.42～3.92 mm；徑切板平均為6.95 mm，是弦切板的2.6倍；中心板為6.32 mm，是弦切板的2.4倍。15年生巨尾桉木材扭曲程度較輕，等級(jí)為2級(jí)，所有弦切板試件的扭曲值范圍為0.7～2.45 mm，平均1.49 mm；徑切板平均2.83 mm；中心板平均8.27 mm。總體上，弦切板試件的扭曲程度最輕，中心板試件的扭曲程度要高于弦切板和徑切板。各弦切板從含水率30%干燥至5%所需時(shí)間范圍13.36～35.94h，平均需要22.58h，平均干燥速度為1.11%/h；徑切板平均用時(shí)21.24 h，平均干燥速度為1.18%/h，干燥速度較慢，等級(jí)為4級(jí)。弦切板和徑切板的干燥速度比較接近，窯干時(shí)可將徑切板與弦切板混合進(jìn)行干燥。根據(jù)各干燥缺陷等級(jí)評(píng)定，制定25～30 mm厚15年生巨尾桉木材的預(yù)干燥基準(zhǔn)。

綜合15年生巨尾桉木材的干燥缺陷，其初期開(kāi)裂等級(jí)和截面變形等級(jí)均較高，內(nèi)裂等級(jí)最高。因此，進(jìn)行25～30 mm厚巨尾桉鋸材干燥時(shí)，干濕球溫度差不宜過(guò)大、緩慢升溫、后期干燥溫度不宜過(guò)高，能有效減少初期開(kāi)裂、截面變形和內(nèi)裂等缺陷，提高干燥質(zhì)量。