水浸時效對紅錐鋸材性能的影響

刁海林，蔡道雄，唐繼新，李開成，羅建舉

（1. 廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧 530004；2. 中國林業(yè)科學(xué)研究院 熱帶林業(yè)實驗中心，廣西 憑祥 532600）

水浸時效對紅錐鋸材性能的影響

刁海林1，蔡道雄2，唐繼新2，李開成1，羅建舉1

（1. 廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧 530004；2. 中國林業(yè)科學(xué)研究院 熱帶林業(yè)實驗中心，廣西 憑祥 532600）

為改善紅錐鋸材易開裂變形、尺寸穩(wěn)定性差的不良性能，采用水浸時效法對紅錐木材進行處理試驗，觀測其翹曲性能及力學(xué)性能改善情況。試驗結(jié)果表明：紅錐經(jīng)水浸時效處理后，其鋸材的順彎度和縱裂度的質(zhì)量指標(biāo)得到較大程度的改善；隨著水浸時效時間的延長，鋸材順彎和開裂變形指標(biāo)值均逐漸降低，而彈性模量、抗彎強度、順紋抗壓強度等各項力學(xué)性能指標(biāo)均隨著水浸時效時間的延長而呈先揚后抑的趨勢，各項力學(xué)性能指標(biāo)變異系數(shù)均有所下降。表明紅錐株間力學(xué)性能的差異性隨著水浸時效時間的延長而逐漸趨于一致。因此可得結(jié)論：實際生產(chǎn)中可以通過合理的水浸時效處理來改善紅錐鋸材的變形、開裂性能及力學(xué)性能，以提高紅錐鋸材的利用價值。

紅錐；鋸材；水浸時效；性能

紅椎Castanopsis hystrix為殼斗科栲屬常綠喬木，是我國速生豐產(chǎn)用材林基地工程在粵桂瓊地區(qū)所規(guī)劃的大徑級材主要樹種[1]。紅錐木材堅硬耐腐，心材比例大，色澤紅潤，切面光滑，紋理美觀，具有極高的經(jīng)濟價值，其優(yōu)等加工性能有：刨削、砂光、鉆孔、成型銑削、橫截；良等加工性能包括：榫眼加工和車削[2]。紅椎已經(jīng)成為高級家具、造船、車輛、工藝雕刻、建筑雕飾的優(yōu)勢用材。但紅錐的內(nèi)應(yīng)力大，其木材在貯存、制材、干燥及加工過程中極易發(fā)生變形及開裂，在一定程度上限制了其高端用途。改善紅錐鋸材的性能，關(guān)鍵在于采取切實可行的方法消除紅錐木材中的內(nèi)應(yīng)力。給木材去應(yīng)力的方法很多，有用中草藥防腐劑[3]處理木材的，有用增強熱處理[3]的方法處理木材的，也有用酚醛樹脂處理[5]木材的，我國南方民間素有采用時效的方法消除木材中內(nèi)應(yīng)力的傳統(tǒng)，如露天堆放自然時效法、水煮時效法及水浸時效法等。近年來國內(nèi)一些學(xué)者還提出了對活立木采取環(huán)切枯死法、剝皮枯死法，以及造材時木段兩端箍扎法及開卸荷槽法等。本文選擇了簡單實用的水浸時效法對紅錐進行去應(yīng)力研究，J.E.Gordon[6]認為對于木材應(yīng)用而言，韌性比力量和硬度更加重要，所以我們針對性地分析水浸時效對紅錐鋸材性能的影響效果及紅錐鋸材抗彎彈性模量，抗彎強度和順紋抗壓強度等性能指標(biāo)與浸泡時間的關(guān)系，探討水浸時效法在生產(chǎn)應(yīng)用中的可能性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

紅錐試材選自廣西憑祥市中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實驗中心伏波試驗場紅錐種植示范基地。樣地海拔650 m，年平均氣溫20.5℃，屬南亞熱帶季風(fēng)型半濕潤—濕潤氣候區(qū)。紅錐造林時間為1982年，樹齡29 a，林分的平均樹高13.5 m、平均胸徑16.7 cm，試驗樣木按照國家標(biāo)準(zhǔn)《木材物理力學(xué)試材采集方法》（GB/T1927—2009）在取樣林地內(nèi)根據(jù)整體林分的樹高、胸徑、長勢以及樹冠幅的生長情況選取長勢良好，樹干通直，結(jié)疤少，無病蟲害，胸徑中等的樣木12株。然后每株樹從距樹根1.3 m以上按2 m規(guī)格造材。

1.2 試驗儀器設(shè)備

本試驗使用的儀器設(shè)備主要有：PT-90E手持針式木材含水率測試儀（上海縱越電子科技有限公司）、微機控制數(shù)顯式電子萬能試驗機（深圳市新三思材料檢測有限公司）；101A—3型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海實驗儀器有限公司）、JJ1000型電子天平（精度0.01g）、游標(biāo)卡尺（精度為0.02 mm）、鋼直尺、精密推臺鋸、基準(zhǔn)臺等。

1.3 試驗方法

從造好的原木中，每樹選取樣原木3段共36段，每段原木按樹號及位置做好標(biāo)簽，然后同時浸泡于2 m水深的池塘中。之后按3個月、6個月、9個月、12個月、15個月、18個月的時間間隔，每隔三個月從水中取出一批木段（2株6段），置于陰涼處晾置1～2周，待木段表皮稍干后用帶鋸機采用四面下鋸法將木段鋸解成25 mm厚的整邊板。鋸解時每節(jié)木段留取一塊40 mm厚的中心板，作為力學(xué)性能測試用。將鋸材水平側(cè)立于木架上，置于通風(fēng)干燥的室內(nèi)令其自然氣干，定期檢測含水率。待干燥至含水率約13%左右時，進行鋸材翹曲指標(biāo)檢測。在基準(zhǔn)臺上對25 mm弦切板按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4817—2009《闊葉樹鋸材》檢測方法進行順彎、橫彎、扭曲度和裂紋度檢測。同時將40 mm中心板按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1936.1-2009加工成300 mm × 20 mm × 20 mm的標(biāo)準(zhǔn)長試件和30 mm × 20 mm × 20 mm的標(biāo)準(zhǔn)短試件各40枚，在萬能材料試驗機上對鋸材進行抗彎彈性模量、抗彎強度和順紋抗壓強度試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋸材翹曲度

紅錐鋸材翹曲度指標(biāo)檢測實驗在廣西憑祥市中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實驗中心實驗室進行。紅錐經(jīng)水浸時效、制材、氣干后，分別對浸泡3個月、6個月、9個月、12個月、15個月、18個月的25 mm弦切板進行順彎、橫彎、翹彎、扭曲等翹曲度指標(biāo)檢測，檢測結(jié)果如表1所示。

表1 不同水浸時效紅錐鋸材翹曲變形指標(biāo)(25 mm弦切板)Table 1 Deformation amount values of C. hystrix timber with different water immersion aging time(25mm flat-sawn board)

據(jù)表1數(shù)據(jù)作水浸時效紅錐鋸材翹曲變形趨勢圖，如圖1所示。

圖1 水浸時效紅錐鋸材翹曲變形趨勢（25 mm弦切板）Fig.1 Deformation trend curves of C.hystrix timber with different water immersion aging time (25mm fl atsawn board)

由圖1水浸時效紅錐鋸材翹曲變形趨勢圖可見，經(jīng)水浸時效后的紅錐鋸材，其順彎度和裂紋度均呈不同程度的下降趨勢。其中順彎度變化較大，曲線有一定程度的起伏，但明顯呈下降趨勢。橫彎度及扭曲度則變化較平緩，說明水浸實驗對其影響效果有限。另外由圖1顯然可見，縱裂度的下降規(guī)律很明顯，幾乎呈線性單邊下降趨勢，說明水浸時效對紅錐鋸材的縱向裂紋起到了較好的抑制作用。總的來說，紅錐經(jīng)水浸時效后，其鋸材的翹曲性能得到改善，而且隨著水浸時效時間的延長，這種改善將更顯著。

2.2 主要力學(xué)性能

紅錐鋸材力學(xué)性能實驗在廣西大學(xué)林學(xué)院木材力學(xué)實驗室中進行，實驗室內(nèi)干球溫度23.5～30.5℃，濕球溫度21.5～27.5℃，相對濕度63～76%。對水浸時效處理后的紅錐鋸材試件進行抗彎彈性模量、抗彎強度、順紋抗壓強度等力學(xué)性能測試，并將實驗值按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4817—2009換算為12%標(biāo)準(zhǔn)含水率時的當(dāng)量值，結(jié)果如表2、表4、表6所示。

（1）彈性模量及其變異

表2 紅錐水浸時效抗彎彈性模量及變異性比較Table 2 Bending elastic modulus and variability of C.hystrix wood with different water immersion aging time

表3 紅錐水浸時效抗彎彈性模量方差分析Table 3 Variance analysis of bending elastic modulus of C.hystrix wood with water immersion aging time

從F表中查得F0.05（6,236）=2.14，F(xiàn)0.01（6，236）=2.89，通過對照FA=10.09 ＞F0.01（6，236）=2.89，可以判斷水浸時效對于紅錐木材的抗彎彈性模量有非常顯著的影響[7]。從抗彎彈性模量的平均值可以看出，隨著浸泡時間的延長，彈性模量先逐漸上升，后呈現(xiàn)下降的趨勢，其峰值出現(xiàn)在6個月左右。說明紅錐木材在經(jīng)過6個月左右時間的浸泡后，其剛性達到最大值，木材抵抗變形的能力也達到最大，6個月以后紅椎的彈性性能則開始下降。從另一方面來看，紅錐經(jīng)水浸時效后，彈性模量的變異系數(shù)有較明顯的降低，說明紅錐經(jīng)水浸時效后，降低了彈性模量的株間差異性程度，使株間木材的彈性性能趨于一致，這將有利于紅錐木材的工程應(yīng)用。

（2）抗彎強度及其變異

表4 紅錐水浸時效抗彎強度及變異性比較Table 4 Bending strength and variability of C.hystrix wood with different water immersion aging time

表5 紅錐浸泡抗彎強度方差分析Table 5 Bending strength variance analysis of C.hystrix wood with water immersion aging time

從F表中查得F0.05（6,237）=2.14，F(xiàn)0.01（6，237）=2.89，通過對照FA=28.30＞F0.01（6，237）=2.89，據(jù)此可知水浸時效對于紅錐木材的抗彎強度有非常顯著的影響。從抗彎強度的平均值可以看出，隨著水浸時效時間的延長，紅錐的抗彎強度是先呈上升趨勢然后下降，9個月時上升到最大值，此后逐漸下降。此外，經(jīng)水浸時效的紅椎抗彎強度變異系數(shù)明顯減小，說明水浸時效紅椎抗彎性能差異性得到較明顯的改善?？偟膩碚f，水浸時效對紅錐木材抗彎強度改善作用明顯，浸泡時間在9個月左右能使紅椎木材抗彎強度達到最大值。經(jīng)過浸泡的紅椎木材，株間抗彎性能趨于穩(wěn)定。

（3）順紋抗壓強度及其變異

從F表中我們查得F0.05（5,177）=2.26，F(xiàn)0.01（5，177）=3.11，通過對照FA=53.23＞F0.01（5，177）=3.11，可知水浸時效對紅錐木材順紋抗壓強度的影響非常顯著，同時對紅錐順紋抗壓強度的變異性亦有比較明顯的影響，變異系數(shù)明顯減少。說明水浸時效使紅錐順紋抗壓強度差異性得到了一定的改善。

表6 紅錐水浸時效順紋抗壓強度及變異性比較Table 6 Compressive strength parallel to grain and variability of C.hystrix wood with different water immersion aging time

表7 紅錐浸泡順紋抗壓強度方差分析Table 7 Variance analysis on compressive strength of parallel to grain of C.hystrix wood with water immersion aging time

3 結(jié)論與討論

（1）對經(jīng)水浸時效處理的紅錐25 mm弦切板進行順彎度、橫彎度、扭曲度及縱裂度檢測，結(jié)果證明水浸時效對紅錐鋸材的順彎度及縱裂度起到了明顯的抑制作用。對橫彎度和扭曲度改善作用不明顯。隨著水浸時間的延長，紅錐鋸材順彎和開裂的改善效果越明顯。

（2）如圖2所示，將抗彎彈性模量縮小100倍后和抗彎強度及順紋抗壓強度置于同一坐標(biāo)系內(nèi)發(fā)現(xiàn)抗彎彈性模量、抗彎強度以及順紋抗壓強度均呈先揚后抑的趨勢變化?？箯潖椥阅Ａ吭诮?個月左右達到最大值，抗彎強度在9個月左右達到峰值，而順紋抗壓強度的峰值也在6個月達最大值，說明水浸時效對紅椎木材性能有一定影響。就力學(xué)性能而言，水浸時效的最佳時間在6～9個月之間，這個時間段能使紅錐木材獲得最好的力學(xué)性能。

（3）由前分析知，①在浸泡過程中，紅椎抗彎彈性模量的變異系數(shù)總的呈下降趨勢，各個月份的變異系數(shù)均小于0月份所得的數(shù)據(jù)，這說明浸泡后的紅椎木材變異性得到抑制，性能的穩(wěn)定性得到加強。②紅椎抗彎強度的變異系數(shù)于浸泡3個月后降幅明顯，之后趨于穩(wěn)定。其數(shù)值與自然狀態(tài)相比有明顯減少，說明浸泡實驗對紅椎木材抗彎強度的變異性有明顯的抑制作用，浸泡后的紅椎木材抗彎強度穩(wěn)定性得到加強。③紅椎順紋抗壓強度的變異系數(shù)變化幅度不大，但其數(shù)值都低于0月份。④總的來說，浸泡實驗對紅椎木材性能的變異性有明顯的抑制作用。浸泡后的紅椎木材力學(xué)性能更加穩(wěn)定均勻，符合家具等用材的要求。

（4）實驗表明，紅椎經(jīng)不同的浸泡時間，端裂的變化非常明顯。下圖是自然氣干狀態(tài)、浸泡6個月和浸泡15個月后氣干的紅椎端裂圖片。

圖2 紅錐不同浸泡時間力學(xué)性能對比Fig.2 Comparison of physical mechanical properties of C.hystrix wood treated with different soak time

圖3 紅錐浸泡0～15個月時的端裂Fig.3 End checkings of C. hystrix wood treated with soaking 0～15 months

從圖3可以看出，隨著浸泡時間的增加，紅錐端裂的程度明顯下降。說明水浸時效對改善紅椎木材的開裂狀況具有良好的效果。

4 結(jié)束語

木材是一種變異性較大的材料，種間、株間甚至是同株樹不同部位間乃至不同生長的位置和年齡的樹木的木材物理、力學(xué)性質(zhì)存在明顯的差異[8-9]，這與人工合成材料在物理、力學(xué)性質(zhì)上具有很好的同一性是不同的。由于紅錐的生長應(yīng)力比較大，在砍伐時，新伐倒的紅錐的端部就立即出現(xiàn)嚴(yán)重開裂的現(xiàn)象，而在生產(chǎn)中即使采用四面下鋸法對紅錐進行鋸解，也會出現(xiàn)不同程度開裂，尤其是中心板特別明顯。經(jīng)對紅錐進行浸泡時效處理后，使順彎度和裂紋度得到不同程度的改善，尺寸穩(wěn)定性得到提高，說明紅錐生長應(yīng)力得到了較大程度的釋放。水浸時效對紅錐的抗彎彈性模量、抗彎強度及順紋抗壓強削弱程度不明顯，但變異系數(shù)卻有較明顯的減小，特別是抗彎彈性模量減小的幅度最大，這表明通過對紅錐進行浸泡時效處理，減小了紅錐個體差異，使紅錐木材物理力學(xué)性能趨于穩(wěn)定，這對于紅錐木材的生產(chǎn)應(yīng)用具有非常重要的意義。

[1] 呂建雄,林志遠,駱秀琴, 等.紅錐和西南樺人工林木材干縮特性的研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005, 27(1):6-9.

[2] 江京輝,呂建雄.紅錐和西南樺人工林木材的機械加工性能[J].林業(yè)科學(xué), 2008,(10):120-125 .

[3] 呂愛東,王雅梅,安 珍.中草藥防腐劑對木材物理力學(xué)性能的影響[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2011, 32(2):267-269.

[4] 劉君良,陽財喜,王雪花.增強-熱處理桉樹木材物理力學(xué)性能分析[J].木材加工機械,2010,(3):1-4.

[5] 劉君良, 江澤慧, 孫家杰.酚醛樹脂處理楊樹木材物理力學(xué)性能測試[J].林業(yè)科學(xué), 2002, 38(4):176-180.

[6] GIBSON, MARK DARIEL. The relation of wood structure and strain energy release rate in fracture wood-clue composites[D].Oregon State University. 1982.

[7] 李云雁,胡傳榮.實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.

[8] Lachowicz Hubert. Inf l uence of location and age on the value of wood strength coeff i cients for silver birch (Betula pendula Roth)[D]. SYLWAN . AUG, 2011, 155(8):535-545.

[9] 廖 立,涂登云,云 虹,等. 20 mm厚尾赤桉鋸材2種干燥工藝對比研究[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2014,34(9):128-130.

Inf l uence of water immersion ageing on properties ofCastanopsis hystrix

DIAO Hai-lin1, CAI Dao-xiong2, TANG Ji-xin2, LI Kai-cheng1, LUO Jian-ju1
(1. School of Forestry, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, China; 2. Experimental Center of Tropical Forestry, CAF,Pingxiang 532600, Guangxi, China)

In order to improve the bad mechanical properties ofCastanopsis hystrixsawn timber, such as：being easy to crack and deform, poor dimensional stability, the processing tests on the sawn timbers were carried out by adopting method of water immersion ageing, then the improvements of warping and mechanical properties ofC. hystrixafter being treated were observed. The results show that after water immersion aging treatments, the quality indexes ofC. hystrixsawn timbers such as curvature parallel to grain and longitudinal crack degree were improved greatly; as the time of water immersion aging went on, the bow camber and crack camber quality indexes values ofC.hystrixwere decreased gradually, while the mechanical properties indexes ofC.hystrixsuch as elastic modulus, bending strength and compressive strength parallel to grain ofC.hystrixwood showed a trend that fi rst increased then dropped;The variation coeff i cients of the mechanical properties ofC.hystrixwood have declined. These show that the differences of mechanical properties ofC. hystrixbetween different trees gradually tended to be the same as the increase of water immersion aging time. Therefore,it could be concluded that in the actual production, it could be achieved through rational water immersion aging treatment to improve deformation, cracking and mechanical properties ofC.hystrix, and to improve the utilization value of sawn timber ofC.hystrix.

Castanopsis hystrix; sawn timber; water immersion ageing; wood properties

S781.71

A

1673-923X(2015)06-0103-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.06.019

2013-10-13

國家科技支撐項目“西南大徑級珍貴樹種定向培育和多目標(biāo)經(jīng)營技術(shù)與模式”（2012BAD22B0105）

刁海林，副教授；E-mail：diaohailin@sina.com

刁海林,蔡道雄,唐繼新,等. 水浸時效對紅錐鋸材性能的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2015,35(6):103-106,113.

[本文編校：吳 彬]