基于百度試驗法的5年生與17年生大花序桉木材干燥特性對比研究

蘭 俊，何東宸，李衛(wèi)發(fā)，韋鵬練，吳滿芬，符韻林

（1.廣西壯族自治區(qū)國有東門林場，廣西扶綏 532108；2.廣西大學 林學院，廣西南寧 530004）

大花序桉（Eucalyptus cloeziana）又名昆士蘭桉，系桃金娘科（Myrtaceae）傘房屬樹種，自然分布于澳大利亞，生長迅速，樹干通直，樹高17 ～40 m，天然林中可達45 m[1]。大花序桉木材呈黃褐色，硬度高，耐久性好，為建筑、室內裝修和家具等的優(yōu)良木材[2]，有“澳洲花梨”之稱。桉樹作為人工速生豐產林樹種之一，在廣西發(fā)展較快，但種植品種較單一，且多用作紙漿材[3]。大花序桉因其木材性能優(yōu)良，有較大的實木利用前景，是廣西發(fā)展桉樹實木利用的主要樹種。為更好地對大花序桉的木材進行開發(fā)與利用，需要對其木材干燥特性進行研究，解決干燥中可能存在的問題。目前，周橋芳等[4]和劉媛等[5]分別對25年生和26年生大花序桉木材的干燥特性進行了研究，初步擬定其干燥基準。我國引進大花序桉的時間較長，大花序桉樹齡跨度大，不同樹齡間木材性質有差別，其木材的干燥特性也可能發(fā)生改變。為了解大花序桉木材干燥特性隨生長林齡的發(fā)展變化，本研究對5年生和17年生大花序桉木材的干燥特性進行對比研究與分析，以期為大花序桉木材的干燥和加工提供數(shù)據(jù)支持，促進大花序桉木材的開發(fā)與利用。

1 材料與方法

1．1 試驗材料

5年生和17年生大花序桉均采自廣西國有東門林場，其中5年生采自華僑分場24 林班（107°87′E，22°34′N），17年生采自雷卡分場12 林班（107°93′E，22°38′N）。5年生采伐8株，樣木胸徑為6．1 ～25．4 cm，樹高為13．4 ～18．8 m；17年生采伐9 株，樣木胸徑為14．0 ～37．5 cm，樹高為16．3 ～34．7 m。干燥特性試驗所用試件取自樣木0．3 ～1．3 m 處的木段，木段加工成200 mm（L）×100 mm（W）×20 mm（H）的標準試件，四面刨光，從中選取無可見缺陷的弦切板6塊，徑切板和中心板各2 塊，每個林齡段取10 塊，總計20塊試件。為保證試樣具有代表性，試驗所用試件均來自不同植株，其中弦切板用來評判木材干燥特性等級，徑切板和中心板用于對比。

1．2 試驗方法

試驗按百度試驗法進行[4-5]。干燥前在各試件上標記測量點，采用游標卡尺測量試件的實際尺寸（精確至0．1 mm）；采用電子天平對試件進行稱重（精確至0．1 g）。

將測量和稱重后的試件置于干燥箱中，在（100 ± 2）℃的條件下進行干燥。觀察干燥過程中試件初期的端裂和表面開裂情況。試驗初期每0．5 h 觀測1 次；兩次后轉入每1 h 觀測1 次；8 h 后轉入每2 h觀測1次；當裂縫開始愈合時，每6 h觀測1次。觀測的同時，稱重并記錄試件水分變化情況。

待測得兩次重量基本不變時，干燥試驗停止。對試件進行稱重，測量后期變形情況。在沿長度方向的中央鋸取15 mm 寬的含水率試片，測定試件最終含水率，并在新截斷面檢查內裂狀況。

1．3 數(shù)據(jù)處理

干燥過程中試樣含水率計算公式為：

式中，試樣全干重（g）是根據(jù)干燥結束后測定的試樣中央15 mm寬含水率試片的含水率進行推算得出，推算公式為：

采用Excel 軟件對所有試樣干燥過程中的含水率進行計算，取平均值，并計算試樣平均含水率由30%降至5%所需的時間。

2 結果與分析

2．1 大花序桉木材干燥缺陷等級評定

根據(jù)干燥試驗記錄的試件開裂和變形數(shù)據(jù)，參照相關文獻[6-9]確定5年生和17年生木材干燥缺陷的等級。主要考察的指標有初期開裂、內裂、截面變形和扭曲變形（表1）。5年生木材初期開裂、內裂、截面變形和扭曲變形對應的缺陷等級分別為3、1、2 和5 級；17年生木材分別為3、2、4 和4 級。17年生木材干燥缺陷的等級比5年生木材稍高。

表1 5年生和7年生木材干燥缺陷等級Tab.1 Defect grade of 5-year-old and 17-year-old woods

2．2 大花序桉木材干燥特性

2．2．1 初期開裂

大花序桉木材的初期開裂主要為端裂、端表裂和表裂，17年生試件部分出現(xiàn)貫通裂（表1）。首次觀察時，兩個林齡的木材均未出現(xiàn)裂紋。1 h 后，5年生試件無裂紋出現(xiàn)，初期開裂等級為1 級；17年生試件中，有1 塊出現(xiàn)端表裂，裂紋數(shù)量2 條，裂紋長度最長為42 mm，初期開裂等級為2 級。6 ～7 h，初期開裂發(fā)展到最大，此時5年生和17年生試件的含水率分別為34% ～38%和34% ～36%；5年生試件的裂紋最長為61 mm，最寬為0．65 mm，缺陷等級為3 級；17年生試件的裂紋最長為75 mm，最寬為1．15 mm，缺陷等級為3 級。17年生木材初期開裂的裂紋數(shù)量和裂紋長度均比5年生木材嚴重。

2．2．2 內裂

內裂主要是由干燥引起的表面硬化和干燥應力導致的，常發(fā)生在干燥后期，較為嚴重的表裂會向內部延伸引起內裂[7]。5年生試件中，有2 塊弦切板產生內裂，裂紋數(shù)量不多，最長3．8 mm，最寬1 mm，等級為1級；17年生試件中，有3塊弦切板產生內裂，裂紋數(shù)量也不多，裂紋最長15．5 mm，最寬1．25 mm，等級為2級（表1）。17年生木材內部開裂情況較嚴重。

2．2．3 截面變形

5年生試件的截面變形值為0．31 ～0．71 mm，均值為0．56 mm，等級為2 級；17年生試件的截面變形值為0．34 ～2．25 mm，均值為1．38 mm，等級為4 級（表1）。17年生木材的截面變形情況較嚴重。

2．2．4 扭曲變形

5年生試件的扭曲值為0．5 ～15．0 mm，均值為6．88 mm，等級為5 級；17年生試件的扭曲值為1．75 ～7．00 mm，均值為4．29 mm，等級為4級（表1）。5年生木材的扭曲值較大，扭曲變形情況較嚴重。

2．2．5 干燥速度

經計算，5年生試件最初平均含水率為93．10%，全程干燥總時間為84 h，平均干燥速度為1．108%/h，各試件含水率由30%降至5%平均所需時間約為13．69 h，干燥速度較快，評為2 級（圖1，表2）。17年生試件最初平均含水率為60．75%，全程干燥總時間為96 h，平均干燥速度為0．633%/h，各試件含水率由30%降至5%平均所需時間約為33．94 h，干燥速度較慢，評為5級。

圖1 5年生與17年生木材含水率變化曲線Fig.1 Moisture change of 5-year-old and 17-year-old woods

表2 5年生和17年生木材百度試驗干燥速度Tab.2 Drying rates of 5-year-old and 17-year-old woods in 100 ℃test method

2．2．6 干縮特性

根據(jù)干燥前后試件尺寸和水分的變化，可計算得出木材的干縮率及干縮系數(shù)。兩個林齡大花序桉木材的弦向、徑向和體積干縮率均較大（表3）。根據(jù)干縮系數(shù)，可將木材干縮性分成甚低（＜0．300%）、低（0．301% ～0．400%）、中（0．401% ～0．500%）、高（0．501%～0．600%）和甚高（＞0．601%）5個等級[10]。5年生木材的干縮系數(shù)為高，17年生木材的干縮系數(shù)為甚高。17年生木材的干縮率和干縮系數(shù)均高于5年生，說明17年生木材在干燥時收縮得更大。弦向干縮與徑向干縮的比值稱為差異干縮；如弦向與徑向的干縮一致，則兩者的比值為1；如不一致，則兩者的比值不等于1，且差異越大，數(shù)值偏離1越遠。差異干縮可反映木材開裂的難易程度[11-12]。5年生和17年生木材的差異干縮均小于1，與26年生大花序桉的結果類似[5]，這可能是由于計算差異干縮時所使用的弦向與徑向尺寸不一致[13]。17年生木材的差異干縮為0．76，較5年生（0．85）偏離1更遠，說明17年生木材在弦向和徑向上的干縮差異更大，干燥時更容易開裂。

表3 5年生和17年生木材干縮特性Tab.3 Drying shrinkage of 5-year-old and 17-year-old woods

2．3 大花序桉木材干燥基準

參照百度試驗法[14]中與干燥缺陷等級相對應的干燥條件，確定兩個林齡段木材的干燥初期溫度、初期干濕球溫度差和末期溫度（表4）。截面變形是大花序桉木材干燥的主要缺陷。為了盡可能減少干燥缺陷的產生，選取各溫度和干濕球溫度差最低條件作為確定大花序桉木材干燥基準的初步條件。

表4 5年生和17年生木材干燥初步條件Tab.4 Preliminary drying conditions of 5-year-old and17-year-old woods

在對大花序桉木材進行干燥時，可在前期適度升溫，中期的升溫幅度和干濕球溫度差可適當加大，以提高干燥效率；末期溫度應適當調低，防止扭曲變形的發(fā)生。

5年大花序桉木材干燥基準的初步條件為初期溫度60 ℃，初期干濕球溫度差3 ～7 ℃，末期溫度90 ℃；17年大花序桉木材干燥基準的初步條件為初期溫度50 ℃，初期干濕球溫度差2 ～4 ℃，末期溫度75 ℃。參照含水率與干濕球溫度差關系表，得出5年生和17年生大花序桉木材干燥基準（表5）。

表5 5年生和17年生木材（25 ～30 mm）干燥基準Tab.5 Drying procedures for 5-year-old and 17-year-old woods（25 ～30 mm）

3 結論與討論

干燥是木材加工中至關重要的一環(huán)，干燥質量是影響木材利用率和經濟效益的重要因素。干燥質量很大程度上取決于干燥工藝，就常規(guī)窯干工藝而言，其根本在于干燥基準的選擇和執(zhí)行。一個好的、成熟的干燥基準，通常需要反復地試驗和摸索，并通過生產進行檢驗和調整。在不熟悉木材干燥特性的情況下，這樣的試驗和探索將是一個比較費時費力的過程。因此，測定木材的干燥特性對于制定合理的干燥基準，提高干燥基準的制定效率是非常必要的。

干燥特性包括干燥速度和干燥缺陷。干燥速度反映木材排除水分的難易程度，與木材解剖構造有很大關系。本研究的對象為同一樹種，基本的解剖構造差異不大。從試驗結果來看，5年生大花序桉木材的含水率由30%降至5%平均所需時間為13．69 h，明顯小于17年生（33．94 h），表明5年生木材水分容易排除（干燥速度等級為2級）。17年生大花序桉木材的干燥速度等級達到5 級，與25年生[4]和26年生[5]的干燥速度等級相同，可能是心材物質的累積堵塞部分導管腔及紋孔，導致水分排除困難。說明幼林齡的大花序桉木材干燥速度較快，當樹木生長到一定年限后，木材干燥速度明顯變慢，難以干燥。水分排除容易的木材相對來說干燥缺陷也會小一些。從干燥缺陷等級來看，5年生大花序桉木材的內裂等級和17年生、25年生[4]和26年生[5]木材沒有區(qū)別，內部開裂趨勢隨樹齡增加發(fā)生明顯變化；初期開裂等級與17年生木材相同，均比25年生[4]和26年生[5]木材低1 級；截面變形較17年生木材低；扭曲變形比17年生和26年生[5]木材嚴重。雖然幼林齡大花序桉木材的干燥速度較快，但扭曲變形嚴重，可能與木材早期快速生長積累的生長應力較大有關，在干燥幼林齡大花序桉木材時需要預防扭曲缺陷的產生。對比4個林齡段大花序桉木材的干燥特性，隨著樹齡的增加，木材的干燥速度下降，初期開裂有增大趨勢，干燥困難。因此，在干燥生長年限高于5年生的大花序桉木材時，需采用更柔和的干燥基準，以保證干燥質量。