提高烘干法檢測(cè)木材含水率精度的方法1)

張肖凱 王簫笛 趙明陽(yáng) 唐斌 萬(wàn)川 劉洪海

(南京林業(yè)大學(xué),南京,210037) (瑪格家居股份有限公司) (南京林業(yè)大學(xué))

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高,人們對(duì)木材的需求量不斷增加,而優(yōu)質(zhì)木材資源日趨匱乏,木材供需矛盾日漸突出[1-2]?？撤ズ蟮哪静暮瘦^高,容易產(chǎn)生腐朽、變形、開裂,需要通過干燥來提高其尺寸穩(wěn)定性、力學(xué)強(qiáng)度及耐久性[3]。

木材含水率是衡量木材干燥質(zhì)量以及木制品穩(wěn)定性的重要指標(biāo),也是干燥過程的重要測(cè)量、控制參數(shù),其精準(zhǔn)檢測(cè)與評(píng)估至關(guān)重要[4]。目前的含水率測(cè)量方法有烘干法、電阻法、電磁法等。電阻法、電磁法因其測(cè)量速度快、破壞性小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),但無法準(zhǔn)確測(cè)量纖維飽和點(diǎn)以上的含水率[5-6]。烘干法是目前實(shí)驗(yàn)研究的常用方法,雖然其操作繁瑣,具有破壞性,但準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性高,因此,烘干法常被用于確定木材真實(shí)含水率及分布規(guī)律、分層含水率差異等[7]。此外,烘干法多被學(xué)者作為含水率的檢測(cè)、預(yù)測(cè)方法的對(duì)照檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[8-10],例如使用測(cè)試儀[11]、電磁波系統(tǒng)[12]檢測(cè)含水率以及通過Luikov模型[13]預(yù)測(cè)木材含水率等。但有時(shí)使用烘干法并不能獲得最精確的含水率數(shù)值,除了大量的人工操作及測(cè)量?jī)x器的精密度所帶來的不確定性[14],含水率計(jì)算公式也會(huì)對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定的影響,例如試片體積的大小對(duì)計(jì)算多片試片平均含水率的影響[15]。木材常規(guī)干燥生產(chǎn)及試驗(yàn)研究中要評(píng)估檢驗(yàn)板的含水率,通常要在檢驗(yàn)板兩側(cè)鋸截較薄的試片,通過烘干法測(cè)量試片的初含水率,以此作為檢驗(yàn)板的初含水率,這對(duì)于干燥過程的控制具有重要意義。但是,關(guān)于其估算值與真實(shí)值的差異大小、含水率試片的位置及數(shù)量、含水率的分布情況對(duì)估算值影響的研究報(bào)道較少。

本研究采用烘干法測(cè)量了楸木試件兩端試片的初含水率及分布,探討了初含水率在木材順紋及橫紋方向的分布規(guī)律,分析了不同含水率計(jì)算公式對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,比較了試件的含水率估算值與實(shí)際測(cè)量值的差異,并提出了減少該差異的建議。本研究將為木材含水率的縱向及橫向的分布、提高試件含水率計(jì)算結(jié)果的精確性、試件初含水率的估算精度等相關(guān)研究提供參考。

1 材料與方法

試驗(yàn)材料為胡桃楸木(JuglansmandshuricaMaxim.),樹齡35 a,胸徑34 cm,采自遼寧省丹東市。原木砍伐后鋸截成1 000 mm木段,塑料薄膜密封包裹后運(yùn)至南京林業(yè)大學(xué)。然后將其制備成(順紋、弦向、徑向)1 000 mm×30 mm×30 mm的木條,再次利用塑料薄膜密封包裹,冷藏后備用。

木材絕干試驗(yàn)方法:木材烘干試驗(yàn)前,將1 000 mm木條(心材)兩端各鋸掉200 mm,剩余部分鋸截為15 mm厚(順紋)的9個(gè)試片以及長(zhǎng)度為105、80 mm的2個(gè)試件。將每個(gè)試片劈切成25個(gè)小木塊后,立即放入密封袋內(nèi)。然后利用天平逐個(gè)測(cè)量小木塊及長(zhǎng)度為105 mm、80 mm試件的質(zhì)量,測(cè)量完畢后放入烘箱,溫度設(shè)為103 ℃,按GB/T 1927.4-2021《無疵小試樣木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法第四部分:含水率測(cè)定》要求將試件烘至絕干。

木材含水率的計(jì)算方法:通過多個(gè)小木塊計(jì)算試片的平均含水率有兩種方法。一種是通過各小木塊的初質(zhì)量總和、絕干質(zhì)量總和分別作為試片的初質(zhì)量、絕干質(zhì)量。

(1)

式中:W為木材含水率(%);i為小木塊數(shù)量;m1為小木塊初質(zhì)量(g);m0為小木塊絕干質(zhì)量(g)。另一種是計(jì)算各小木塊含水率的算術(shù)平均值。

(2)

式中:W為木材含水率(%);i為小木塊數(shù)量;Wi為第i個(gè)小木塊的含水率(%)。

式(1)和(2)是通過求25個(gè)小木塊的算術(shù)平均值來計(jì)算試片的平均含水率,但實(shí)際上由于切割不均勻,小木塊有不同大小的質(zhì)量及體積,因此不能通過簡(jiǎn)單的算術(shù)平均值來計(jì)算含水率。蔡英春等[15]提出了一個(gè)采用體積作為權(quán)重的加權(quán)平均公式,但由于體積難以計(jì)算并未采用。

(3)

式中:W為木材含水率(%);i為小木塊數(shù)量;Wi為第i個(gè)小木塊的含水率(%);Vi為第i個(gè)小木塊的體積(cm3)。

在此基礎(chǔ)上,根據(jù)密度公式ρ=M/V,總結(jié)了一種以質(zhì)量為權(quán)重的計(jì)算公式。為簡(jiǎn)化模型,假設(shè)試片的整體密度均勻,即密度(ρ)為常量。因此體積(V)與質(zhì)量(M)之間呈線性關(guān)系,即V=(1/ρ)·M。由于每個(gè)小木塊的質(zhì)量比體積更容易測(cè)得,因此在這里可將質(zhì)量(M)作為權(quán)重。

(4)

式中:W為木材含水率(%);i為小木塊數(shù)量;Wi為第i個(gè)小木塊的含水率(%);Mi表示第i個(gè)小木塊的質(zhì)量(g)。

順紋理木材含水率的分布規(guī)律:試片平均含水率由式(4)計(jì)算,長(zhǎng)度為105、80 mm的2個(gè)試件的含水率由其兩端試片的含水率來估算。測(cè)得所有試片初含水率后,使用SPSS軟件的單因素方差檢驗(yàn)(ANOVA)分析相鄰試片(圖1a的X1、X2、X3)及相隔試片(圖1a的X1、Y1、Z1)之間含水率的差異性,即分析木條順紋方向不同鋸截位置含水率的關(guān)系。

橫紋理木材含水率的分布規(guī)律:試件橫向的含水率分布以及含水率梯度差異,可通過各試片劈切的小木塊初含水率來研究。采用SPSS軟件的單因素方差檢驗(yàn)(ANOVA)分析各小木塊間含水率的差異性,即分析小木塊含水率與劈切位置的關(guān)系。以徑向(R)為木材厚度方向,將試片分為5個(gè)試片層,每層含有5個(gè)小木塊(圖1c)。根據(jù)GB/T 6491-2012《鋸材干燥質(zhì)量》將試材分為表層、中間層、心層三部分,由各層之間含水率的差值計(jì)算含水率梯度(Δw,%)。對(duì)比觀察木材橫向不同層之間含水率梯度的差異性來研究含水率分布規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 順紋理方向的試片含水率分布

由表1的X、Y、Z各處相鄰試片的平均含水率可知,木條順紋方向的X、Y、Z三處相鄰試片間的含水率均無顯著性差異,主要原因是試片間隔距離過短。

表1 木材順紋方向不同位置的含水率

由表1的X、Y、Z處相隔試片間的含水率顯著性分析結(jié)果可知,X與Y,X與Z,Y與Z之間均存在顯著性差異。通過對(duì)含水率和鋸截位置進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)(r=-0.758,P<0.05),證明試片間距越大,含水率差異越顯著。對(duì)比相鄰試片的分析結(jié)果,相隔試片由于距離增大,含水率差異更顯著。因此,在使用試片估算長(zhǎng)度為105、80 mm試件的初含水率時(shí),應(yīng)該考慮木材順紋方向含水率差異的問題。

2.2 橫紋理方向的試片含水率分布

2.2.1 橫向含水率的分布差異

圖2為不同鋸截位置試片含水率分布的等高線圖,圖3a為各小木塊含水率變化趨勢(shì)及顯著性差異分析結(jié)果。由圖可知各試片的含水率分布與小木塊含水率的曲線變化具有相同規(guī)律,即木材含水率在徑向從左至右、在弦向從下至上均呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。橫向僅部分小木塊間的含水率存在顯著性差異。以5,16號(hào)小木塊為例進(jìn)行分析,其中除了10、15號(hào)的小木塊外,5號(hào)與其余小木塊之間存在顯著性差異;除了11、17、21、22號(hào)的小木塊外,16號(hào)與其余小木塊之間均存在顯著性差異。圖3b為試片劃線位置在含水率等高線圖中的映射,由圖可知,5號(hào)與10、15號(hào)相鄰,16號(hào)與11、12、21、22號(hào)相鄰,這些小木塊間無顯著性差異,原因是其所處位置距離較近。從近木材髓心位置(圖3b,編號(hào)21)沿對(duì)角線取每個(gè)試片對(duì)應(yīng)的小木塊(編號(hào)為5、9、13、17、21號(hào)),計(jì)算其含水率平均值。對(duì)小木塊含水率及其劈切位置進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn),結(jié)果呈顯著相關(guān)性(r=0.976,P<0.05),即橫向上小木塊距離越遠(yuǎn),含水率差異越大。

圖2 不同截鋸位置的試片含水率等高線圖

(a)為各小木塊的含水率變化及顯著性差異;(b) 為試片劃線位置與等高線對(duì)比;(c)為試片劃線照片。

通過試片X1橫向紋理與其含水率等高線圖的對(duì)比可知,該試片近髓心處(圖4左下角)的含水率最高。此外,該試片并非弦徑向完全分明,含水率等高線與試片年輪的走向大體一致。因此,含水率沿弦向分布更有規(guī)律。

圖4 試片X1橫紋理與等高線對(duì)比

2.2.2 初含水率梯度差異

表2為試片表層-中間層、中間層-心層、表層-心層的初含水率梯度方差分析結(jié)果。其中,中間層-心層的初含水率與表層-中間層、表層-心層之間存在顯著性差異,中間層-心層的初含水率為負(fù)值,即中間層含水率相較心層更高。木材儲(chǔ)存過程由于表層水分揮發(fā)[16-17]導(dǎo)致邊緣含水率較低。此外,試材為心材,細(xì)胞腔含有沉積物且紋孔閉塞,使得水分傳導(dǎo)受阻[18]。不同樹種其本身構(gòu)造不同,在其生長(zhǎng)過程中會(huì)產(chǎn)生變異,從而造成含水率梯度的不對(duì)稱分布。因此,上述各種因素的耦合作用導(dǎo)致試材中間層含水率較高。

表2 試片的含水率梯度方差分析結(jié)果

2.3 木材初含水率的計(jì)算及估算

2.3.1 含水率計(jì)算方法對(duì)結(jié)果的影響

采用不同的含水率計(jì)算方法得到的含水率值幾乎沒有差異。以試片Z1為例,使用式(1)、式(2)計(jì)算的含水率分別為52.839 9%、52.844 1%,計(jì)算結(jié)果并無差異;利用式(4)以質(zhì)量作為權(quán)重,求得含水率的加權(quán)平均值為52.906 6%,與式(1)、式(2)得到的結(jié)果相差約0.1%,亦無明顯差異。其原因是本次試驗(yàn)材料尺寸較小且含水率分布均勻(表1),使用權(quán)重對(duì)結(jié)果影響較小。木材含水率計(jì)算時(shí)將試片視為密度均勻,但實(shí)際上同一年輪中存在早晚材及邊心材的差異,每個(gè)小木塊的密度不同,對(duì)計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響。因此,可使用式(1)計(jì)算木材含水率,其計(jì)算過程最簡(jiǎn)單、精度較高,但在試驗(yàn)材料尺寸較大、試件水分分布不均勻且需要精度更高時(shí),可考慮使用加權(quán)平均計(jì)算含水率。

2.3.2 試件含水率估算值與實(shí)測(cè)值的比較

長(zhǎng)度為105、80 mm試件的含水率可以通過其兩端的試片估算。其中,長(zhǎng)度為105 mm試片的含水率由試片X1和Y3的平均含水率確定,長(zhǎng)度為80 mm試片的含水率由試片Y1和Z3的平均含水率確定。長(zhǎng)度為105、80 mm試件的含水率估算值分別為55.79%、53.77%;而105、80 mm試件通過烘干法測(cè)量的含水率為52.44%、51.49%,分別比估算值小3.35%、2.28%。其原因是,由于在估算試件含水率時(shí)使用的是其兩端試片含水率的平均值,將木材看作勻質(zhì)材料[19],而木材本身為多孔各向異性材料,存在變異性,試件順紋方向的含水率非均勻分布;在試驗(yàn)材料的制備過程中,鋸切試片時(shí)摩擦熱量導(dǎo)致部分水分蒸發(fā)[20]、劈切小木塊時(shí)會(huì)產(chǎn)生木屑,這意味著試件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并不能完全代表鋸切前試材的真實(shí)數(shù)據(jù);由于105、80 mm試件的體積遠(yuǎn)大于小木塊,干燥時(shí)間更長(zhǎng),103 ℃高溫環(huán)境時(shí)試件中的揮發(fā)性有機(jī)物(醛類、萜烯類等)相比小木塊更難揮發(fā)及降解[21],這會(huì)導(dǎo)致小木塊絕干質(zhì)量偏低,含水率計(jì)算結(jié)果偏高;試驗(yàn)操作問題,雖然每次將105、80 mm試件取出測(cè)量后及時(shí)放入密封袋中保存,但其難免會(huì)與空氣接觸后吸濕,進(jìn)而影響測(cè)量精度。

為了提高測(cè)量精度和準(zhǔn)確性,可在切割試件時(shí)選擇鋒利或切割速度較慢的工具來減少摩擦產(chǎn)生的熱量;干燥含水率試片時(shí)應(yīng)降低干燥溫度以減少其他揮發(fā)性有機(jī)物的揮發(fā);優(yōu)化試驗(yàn)操作,試件從烘箱中取出后,應(yīng)盡快稱質(zhì)量或及時(shí)放入帶有干燥劑的密封袋中保存,防止試件重新吸濕,還可采用在線檢測(cè)設(shè)備稱質(zhì)量,以避免試件與空氣的直接接觸。

3 結(jié)論

本研究使用烘箱對(duì)楸木試材進(jìn)行干燥試驗(yàn),對(duì)木材含水率在順紋和橫紋方向上的分布規(guī)律、試片平均含水率的計(jì)算公式、試件含水率估算值與真實(shí)值的差異進(jìn)行了討論。

在木材順紋方向,試片的含水率與鋸截位置之間具有顯著相關(guān)性,試片間隔越遠(yuǎn)含水率差異越明顯。

在木材橫紋方向,不同鋸截位置的試片含水率分布規(guī)律一致,含水率由髓心沿木材弦向、徑向降低。木材含水率分布的等高線與試件年輪走向大體一致。各小木塊的含水率與其所在截面位置具有顯著相關(guān)性,距髓心越近的含水率越高。

因試件截面較小且含水率分布均勻,以小木塊質(zhì)量作為權(quán)重求試片含水率的加權(quán)平均值與普通的加權(quán)平均得到的結(jié)果僅差0.1%左右。

長(zhǎng)度為105、80 mm試件的含水率估算值比實(shí)際值大3%左右,在實(shí)驗(yàn)研究與生產(chǎn)上應(yīng)引起關(guān)注。可以使用鋒利的切割工具、降低試片干燥溫度以及在線測(cè)量質(zhì)量等優(yōu)化試驗(yàn)操作來減小誤差。