全 文 ：第 wu卷 第 tt期
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林 业 科 学
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不同加热方式下白桦小径木锯材的表层应力
郭明辉 赵西平
k东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室 哈尔滨 txsswsl
摘 要 } 研究小径木白桦锯材在连续加热方式和间歇加热方式k间歇 u «和间歇 y «l干燥过程中表层应力的产
生 !发展变化规律 ∀结果表明 }v种加热方式下锯材表层应力的变化趋势基本一致 o但无论是干燥前期或干燥中期 o
间歇加热锯材的表层应力明显小于连续加热锯材的表层应力 o间歇 y «锯材的表层应力最小 ∀间歇阶段使干燥过
程中木材的干燥应力得到了释放 o延长间歇时间有利于降低锯材表层应力 ∀同一含水率水平下 o弦切板的表层应
力比径切板的表层应力大 ∀
关键词 } 白桦小径木 ~锯材 ~表层应力 ~加热方式
中图分类号 }≥z{t1zt 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussyltt p ss|v p sw
收稿日期 }ussx p sw p tx ∀
基金项目 }黑龙江省重点攻关kŠ…su…ysvl和哈尔滨市基金kussw„ƒ÷ ÷sutl部分研究内容 ∀
Στρεσσ οφ Συρφαχε Λαψερ οφ Σµαλλp∆ιαµετερ Βιρχη Τιµ βερ ωιτη ∆ιφφερεντ Ηεατινγ Μετηοδσ
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k ΚεψΛαβορατορψοφ ΒιοpΒασεδ ΜατεριαλΣχιενχε ανδ Τεχηνολογψοφ Μινιστρψοφ Εδυχατιον o Νορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txsswsl
Αβστραχτ} ׫¨ ¶·µ¨¶¶²©¶∏µ©¤¦¨ ¤¯¼¨ µ²©¶°¤¯ p¯§¬¤°¨ ·¨µ„¶¬¤± • «¬·¨ …¬µ¦«k Βετυλα πλατψπηψλλαl ·¬°¥¨µº¬·«¦²±¶¨¦∏·¬²±p«¨¤·
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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 o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 o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 us世纪 vs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 o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 o此方法至今仍被广泛采用k¦°¬¯¯ ±¨ ot|xxl ∀同期出现
的梳齿法k叉齿法l o应用更为普遍 o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 o主要用于实际的干燥生产 o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 o如卡谱法 !差异干缩法等 o但从适用性来看 o都不尽人意 ∀研究中除了干燥应力检
测技术的开发外 o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 o建立相关的数学
模型k≥√¨ ±¶¶²± ετ αλqoussul o为研究干燥应力提供了新的思路 o遗憾的是这些模型都基于不同程度的假设 o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 o并取得了可喜的成果k李大纲 ousstl ∀然而 o木材
干燥应力的研究 o仍存在许多问题 o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 o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 o可利用的大径级成熟材资源越来越少 o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k≥∏¶¤± ετ αλqousstl ∀小径木资源比例急剧增加 o但它们材质低下 o干燥后极易产生翘曲 !开裂和变
形 o给企业的生产带来严重的损失 o也造成了大量木材资源的浪费 ∀因此 o进行小径木木材干燥应力的研究 o
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 ∀
t 材料与方法
111 材料
白桦k Βετυλα πλατψπηψλλαl小径木取自东北林业大学帽儿山试验林场 o径级为 tws ∗ tys °° o冬季采伐 o就
地加工 o按木制品k胶合木 !集成材l的半成品毛料锯切成规格为 t sss °° ≅ ws °° ≅ vs °°的锯材 o其初含水
率大于 ws h ∀
112 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 o干燥室容积 t °v o金属加保温层结构 o顶风
机式 o风速 t °#¶pt o电阻式加热 ∀
表 1 干燥基准
Ταβ .1 ∆ρψινγ σχηεδυλεσ
含水率
²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·Πh
干球温度
⁄µ¼ ¥¤¯¯
·¨°³¨µ¤·∏µ¨Πε
平衡含水率
∞´ ∏¬¯¬¥µ¬∏° °²¬¶·∏µ¨
¦²±·¨±·Πh
热湿处理时间
×µ¨¤·° ±¨··¬°¨ Π«
低温预热 ²º ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ º¤µ°p∏³ wx tz z
预处理 °µ¨·µ¨¤·°¨ ±· xv tz y
 ws w{ tw1v
ws ∗ vs xs tt1x
中间处理 Œ±·¨µ°¨ §¬¤·¨·µ¨¤·° ±¨· yx ty y
vs ∗ ux ys |1x
ux ∗ us yx {1u
us ∗ tx zs y1x
tx ∗ ts zx x
 ts {s w1x
平衡处理 ∞´ ∏¬¯¬¥µ¬∏°·µ¨¤·° ±¨· {v { tx
最终处理 ƒ¬±¤¯ ·µ¨¤·° ±¨· {v tv z
表面干燥 ≥∏µ©¤¦¨ §µ¼ {s x
113 干燥方法
共进行了 v次干燥试验 o第 t次
采用连续加热干燥试验 o后 u次采用
间歇加热干燥试验 o间歇期间停止加
热 o间歇加热干燥试验的加热时间都
为 | «o间歇时间分别为 u «和 y «∀
全部试验所用干燥基准见表 t ∀
114 应力检测
控制木材干燥应力的发展过程 o
并在干燥应力达到最大值之前将其消
除 o可以避免干燥缺陷的产生 ∀由于
实际干燥生产过程中 o锯材表层应力
对干燥质量的影响最大 o因此 o本文对
小径木白桦木材的表层应力k全应力
和残余应力l进行了检测 o全应力和残余应力的指标在同一叉齿应力试片上测定 o按国家标准kŠ… yw|t p
t|||l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 o选择应力检
验板的数量为 u块k径切板 t块 o弦切板 t块l ∀每隔一定时间制取 t次应力试片 o每次截去 xs °°端头后再
截下 u块 ts °°厚试片 o分别制作叉齿应力试片和含水率试片 o测量锯材的表层应力及含水率情况 ∀叉齿试
片制作后 o测量叉齿的变形程度 o根据变形程度计算全应力指标 o然后将叉齿试片在室温下空气流通处放置
uw «o使叉齿内 !外层的含水率分布均衡后 o再次根据叉齿变形的程度测定残余应力指标 ∀
u 结果与分析
211 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 o都有别于同树种的大径级木材 ∀与大径级木材相比 o小径木内含物少 !材
质疏松 o有利于内部水分移动k赵小矛等 ot||{l ∀因此 o小径木加工成锯材后如果保存不当 o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 o如图 t所示 ∀白桦小径木伐下后 o其含水率在
tss h以上 o在随后的锯切 !运输过程中 o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 o通
过毛细管张力作用排出 o尽管锯材平均含水率仍较高 o但表层含水率已在纤维饱和点以下 o锯材表层收缩产
生拉应力k或称之为负应力l ∀锯材进入干燥室后 o在含水率较高的干燥初期 o传热对水分的排出起主导作
用 ∀由于采用常规干燥 o木材的内部温度相对较低 o木材中的水分并没有因为受热产生热膨胀 o因此木材横
纹线膨胀系数没有增大 o尽管锯材在干燥前进行了热湿处理 o但木材在干燥一开始仍出现了不同程度的收缩
k李大纲等 ot|||l o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 o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 o否则 o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 o过大的拉应力容易形成表面硬化 o引起干燥后期的
内裂k杜国兴 ot||zl ∀锯材进入到干燥中期的应力转化阶段 o表层拉应力逐渐减少到零 o然后转化为压应力
k或正应力l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 o没有发现内裂 ∀随后由于锯材
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内部水分的移出 o厚度方向的含水率梯度越来越小 o锯材表层的压应力也随之减小直至干燥结束 ∀
图 t 不同加热方式下锯材表层的全应力变化情况
ƒ¬ªqt ׫¨ ¦«¤±ª¨ ²©·²·¤¯ ¶·µ¨¶¶²©¶∏µ©¤¦¨ ¤¯¼¨ µº¬·«§¬©©¨µ¨±·«¨¤·¬±ª ° ·¨«²§¶
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 o锯材表层的初始拉应力较高 o而且在前期
干燥过程中 o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 o尽量阻止水分的散失 o虽然锯材的平均含水率仍有所降低 o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 o间歇加热干燥试验的间歇阶段 o锯材的含水率梯度与温度梯度一致 o有利于水分的
排出 o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 o也可能是减小表层拉应力 o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 o应力的转变点与树种也有关 o与锯材的厚
度关系不大k刁秀明等 ot||xl ∀在干燥后期 o锯材表层的全应力表现为压应力 ov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 o无论是干燥前期表层表现出的拉应力 o还是干燥后期的压应力 o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 o由于木射线的存在 o横纤维方向上的径向水分传导比弦向
水分传导大 tx h ∗ us h o弦切板k厚度方向沿径向方向l有利于木材水分的排出 ∀在含水率较高的干燥前
期 o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 o锯材内外收缩的差
异也就更大 o产生较大的拉应力 ~在含水率较低的干燥后期 o尤其是含水率降至纤维饱和点以下 o水分迁移的
阻力主要在木材内部 o水分迁移是以扩散方式进行 o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 o弦切板内层容易产生较大的收缩 o与此同时表层受到较大的压应力 ∀
212 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 o主要是为了测知表面硬化的程度 o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 o并在适当的时候将其消除 ∀从图 u可以看出 o间歇加热所用的白桦小
径木锯材在储藏室放置时间较长 o储藏期间尽管进行了喷湿处理 o锯材的全应力减小 o但仍具有较大的残余
应力 ∀随着干燥的进行 o锯材表层的残余应力逐渐增大 o在含水率 ux h左右表层的残余应力达到最大值 o随
后逐渐减小 ∀
图 u 不同加热方式下锯材表层的残余应力变化情况
ƒ¬ªqu ׫¨ ¦«¤±ª¨ ²©µ¨¶¬§∏¤¯ ¶·µ¨¶¶²©¶∏µ©¤¦¨ ¤¯¼¨ µº¬·«§¬©©¨µ¨±·«¨¤·¬±ª °¨ ·«²§¶
x| 第 tt期 郭明辉等 }不同加热方式下白桦小径木锯材的表层应力
v种加热方式下锯材表层残余应力的变化趋势基本一致 o但无论是干燥前期或中期 o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 ∀v种加热方式采用的是同一干燥基准 o因此温度
显然不是造成残余应力降低的原因k刁秀明等 ot||x ~熊如珍等 ousssl ∀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 o机械吸附应变是木材干燥过程中变形的重要组成部分 o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 o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 o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k战剑锋等 ousswl ∀锯材较低的初含水率是否也降低了锯材表层的残余应力 o还需做进一步研究 ∀在干燥
的终了阶段 o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 o但必须
保证足够高的温度和湿度 o处理的时间也必须保证 o否则无法释放残余应力k°¤±ª ετ αλqousst ~¤¶¤¼¤ ετ αλqo
ussvl ∀从试验结果来看 o最终处理后锯材表层的残余应力都显著降低 ∀比较间歇 u «与间歇 y «锯材表层
的残余应力 o间歇 y «的略低于间歇 u «的 ∀延长间歇时间有利于降低锯材表层残余应力 o径切板更明显 ∀
木材应力的产生是由木材干缩引起的 o而木材径向干缩为 v h ∗ y h o弦向干缩为 y h ∗ tu h o弦向干缩
约是径向干缩的 u倍 ∀v次干燥试验 o弦切材的残余应力幅度都比径切材的大 o这与全应力结果一致 ∀
v 结论
tl 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 o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 o锯材的含水率梯度与温度梯度一致 o有利于水分的排出 o同时释放了部分拉应力 ∀当然 o锯材的初含
水率以及初始拉应力较低 o可能也是减小表层拉应力 o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 ov种加热方式的锯材其表层压应力大小差异不是很大 ∀
ul v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 o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 o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 o径切板表现更明显 ∀
vl 由于小径木白桦径 !弦向干缩及水分传导速率的差异 ov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 o内部水分移动速率比较快 o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 o因此 o建议小径木白桦伐下并加工成锯材后 o
立即进行室干 ∀
参 考 文 献
刁秀明 o孟祥柏 qt||x1 杯弯法测试木材干燥应力的研究 q林产工业 ouukwl }ty p t|
杜国兴 qt||z1木材干燥质量控制 qt版 q北京 }中国林业出版社 owz p xv
李大纲 o顾炼百 qt|||1 杨木高温干燥过程中表层流变特性的研究 q林业科学 ovxktl }{v p {|
熊如珍 o黄国雄 qusss1 干燥材残余应力之研究 q北京木材工业 okwl }u p w
战剑锋 o顾继友 o艾沐野 qussw1 白桦木材干燥过程横纹流变特性的初步研究 q林业科学 owskxl }tzw p tz|
赵小矛 o张帝树 qt||{1 桦木 !柞木小径材刨切薄板热压干燥的研究 q木材工业 otukul }tu p tx
李大纲 qusst1 国内外木材干燥应务研究现状及发展趋势 q建筑人造板 okul }tx p t|
¤¶¤¼¤ ‘o‹¬µ²¼∏®¬≠ oפ®¤¶«¬’ qussv1 • ¨¯¤¬¤·¬²± ° ¦¨«¤±¬¶° ²©µ¨¶¬§∏¤¯ ¶·µ¨¶¶¬±¶¬§¨ ²¯ª¶¥¼ «¨¤··µ¨¤·°¨ ±·}¦«²²¶¬±ª·«¨ «¨ ¤·¬±ª·¬°¨ ¤±§·¨°³¨µ¤·∏µ¨ q
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≥√¨ ±¶¶²± ≥ o ¤µ·¨±¶¶²± „ qussu1 ≥¬°∏¯¤·¬²± ²©§µ¼¬±ª¶·µ¨¶¶¨¶¬± º²²§q ‹²¯½¤¯¶•²«¤±§ • µ¨®¶·²©©oysktl }zu p {s
≥∏¶¤± o¨√¤± Š o¨¤± qusst1 ∞¬³¯²µ¬±ª·«¨ ∏¶¨¶©²µ¶°¤¯ p¯§¬¤° ·¨¨µ·µ¨ ¶¨qƒ²µ¨¶·°µ²§∏¦·¶²∏µ±¤¯ oxtk|l }ts p us
k责任编辑 石红青l
y| 林 业 科 学 wu卷