試材選擇對木材物性測量的影響

李芝蘭，楊 琳

(南京林業大學家居與工業設計學院，江蘇 南京 210037)

近幾十年來，桉樹作為一種優質速生樹種被引種到許多國家，已經成為世界人工林最重要的造林樹種之一[1-2]。桉樹蓄積量大，其木材具有實木利用的巨大潛力。但由于生長特性所致，桉樹木材也存在一些缺陷，進而影響其作為實體木材的加工和利用[3]，木材固有的附加值沒有得到充分發揮。

提高木材的穩定性，改善木材的某些特殊材性才能更好地利用木材[4-7]。針對桉樹人工林木材的增值加工利用，木材加工行業除了有效提高桉木的干燥質量和木材穩定性外，在家具產品設計[8-9]、家具營銷方式[10-11]、現代化生產模式[12]等方面同樣要進行深入地研究與發掘。

木材干燥和材性改良是確保其制作產品質量的前提和重要環節[13]。在干燥及材性改良過程中，木材的含水率、質量、密度、干縮濕脹等都會隨之產生變化[14-15]，進而影響木材的物理和力學性能[16-17]。準確測量桉木試件的各項物理性能至關重要[18-19]。

本研究以尾巨桉為試材，在同一批砍伐木材中隨機選用兩根木材(A組和B組)，對其分別先后進行浸水、氣干和烘干試驗，測定兩組試件的含水率、密度、干縮率等參數，分析影響這些參數的原因，為準確測量桉木基本物性提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)速生林木材，產自廣西柳州。原木采伐后，將尾巨桉鋸截并拋光成規格為600 mm×20 mm×20 mm的試件，然后立即用塑料薄膜包裹放入冰柜冷藏保存。試驗前在備選材料中隨機挑選兩根木條，分為A、B兩組。分別鋸截成規格為20 mm×20 mm×20 mm的首尾連接試件7塊，編號為A1-A7，B1-B7。

1.2 試驗設備

電子天平(FA2004，精度0.001 g，上海精密儀器有限公司)；數顯游標卡尺(日本三豐，精度0.01 mm)；鼓風干燥箱(DHG-905386-Ⅲ上海新苗醫療器械制造有限公司)。

1.3 試驗方法

1.3.1 含水率的測量

(1)初含水率

參照GB/T 1931-2009，A、B兩組試件的初含水率用烘干法測量。試驗前稱量所有生材試件的質量，在完成所有試驗后，將A、B兩組所有試件放入103 ℃烘箱中烘至絕干，用電子天平稱量絕干后的質量。利用公式(1)分別計算出A、B兩組試件的初含水率。

(1)

式中：G生為生材的質量；G干為木材絕干時質量。

(2)飽水材含水率

將A、B兩組試件進行浸水試驗。前兩天間隔2 h測量試件的質量及體積；之后再分別間隔3天、6天、10天進行測量，待試件的質量變化穩定在0.5%范圍內時浸水試驗結束。利用公式(2)計算得出A、B兩組試驗試件在浸水試驗后的飽水含水率。

(2)

式中：G濕為飽水材的質量；G干為木材絕干時的質量。

(3)氣干材含水率

浸水試驗結束后，將兩組試件放在不銹鋼網架上置于試驗室內進行氣干試驗。試驗前期間隔4 h測量1次試件的質量與體積，之后分別間隔1天、3天、7天對試件進行測量，待兩組試件的質量變化穩定在0.5%范圍以內時停止氣干試驗。按公式(3)計算氣干含水率。

(3)

式中：G氣為氣干材的質量；G干為木材絕干時的質量。

1.3.2 密度測量

(1)基本密度

飽水試驗后測量A、B兩組試件的飽水體積，試件在烘箱中烘至絕干后測量絕干質量，然后用基本密度公式(4)計算得出A、B兩組試件的基本密度。

(4)

式中：G干為木材絕干質量；V濕為飽水材體積。

(2)氣干密度

試件氣干試驗后，用氣干密度公式(5)計算得出A、B兩組試件在氣干試驗過程中的氣干密度變化。

(5)

式中：G氣為氣干材質量；V氣為氣干材體積。

(3)絕干密度

所有試件在103 ℃的烘箱中烘至絕干，測量絕干質量和絕干體積，用絕干密度公式(6)計算得出兩組試件的絕干密度。

(6)

式中：G干為絕干干材質量；V干為絕干材體積。

(4)飽水密度

A、B兩組試件完成浸水試驗后，木材達到飽水狀態，用飽水密度公式(7)計算兩組木材在浸水試驗過程中的密度變化。

(7)

式中：G濕為飽水木材質量；V濕為飽水材體積。

1.3.3 干縮率測量

(1)氣干干縮率

將完成浸水試驗的飽水材分別測量出試件的縱向、徑向和弦向尺寸，準確至0.01 mm。然后對試件進行氣干試驗，氣干過程中測量各組試件的縱向、徑向和弦向尺寸，并稱量試件的質量，準確至0.001 g，然后利用公式(8)和(9)可分別計算A、B兩組試件的徑向、弦向或縱向和體積氣干干縮率。

(8)

式中：Lmax為飽水材試樣的徑向、弦向或縱向尺寸；Lq為試樣氣干時徑向、弦向或縱向尺寸。

(9)

式中：Vmax為飽水材試樣的體積；Vq為試樣氣干時的體積。

(2)絕干干縮率

將試件放至103 ℃烘箱中烘至絕干，測量出絕干試件的質量、徑向、弦向和縱向尺寸，按照公式(10)和(11)分別計算兩組試件的徑向、弦向和體積絕干干縮率。

(10)

式中：Lmax為濕材試樣的徑向、弦向或縱向尺寸；L0為試樣全干時徑向、弦向或縱向尺寸。

(11)

式中：Vmax為濕材試樣的體積；V0為試樣全干時的體積。

2 試驗結果與討論

2.1 隨機取樣試件對含水率測量的影響

2.1.1 對初含水率測量的影響

A、B兩組試件的初含水率對比如圖1所示?？梢钥闯?，B組各試件的初含水率均大于A組。A組試件的平均初含水率約為85%，而B組試件的平均初含水率約為151%，兩組試件平均含水率相差66%，初含水率差異非常顯著。因此，試件的隨機取樣對木材初含水率影響很大。

圖1 A、B組試件的初含水率對比

2.1.2 對飽水材含水率測量的影響

兩組試件飽水含水率對比如圖2所示?？梢钥闯?，兩組試件的飽水含水率同樣有較大差距，A組試件的平均飽水含水率約為151%，B組試件的約為186%，相差約35%。

圖2 A、B組試件的飽水材含水率對比

可能由于兩組試件生材的初含水率差異較大，在經過同等時間和條件下的浸水試驗后，兩組試件的飽水材含水率不同。其中，初含水率較高的B組試件要明顯高于初含水率較低的A組試件。但是，在經過同樣時間和條件的浸水試驗之后，兩組試件飽水材含水率的差值比兩組試件初含水率的差值明顯減小。

2.1.3 對氣干材含水率測量的影響

A、B兩組試件的氣干含水率如圖3所示?？梢钥闯?，氣干試件的含水率波動較大，但大部分B組試件的氣干含水率略高于A組試件。由其氣干含水率平均值及誤差棒可以看出，B組試件的氣干含水率大于A組試件，但其個體值波動較大。對比圖1和圖2的含水率情況，兩組試件氣干含水率相差不到2%，差異明顯減小。兩組試件的平均氣干含水率變化過程如圖4所示。從圖4中看出，A組試件的平均氣干含水率變化幅度較B組試件要平緩，表明A組試件的干燥過程比較慢。此外，A組試件的氣干含水率均方差比B組小，表明A組試件在干燥過程中較為穩定。

圖3 A、B兩組試件氣干材含水率對比

圖4 A、B組試件平均氣干材含水率變化

2.2 隨機取樣對木材密度測量的影響

2.2.1 對木材基本密度的影響

A、B兩組試件基本密度對比系如圖5所示?？梢钥闯?，A組試件的基本密度大于B組試件。A組試件平均為0.45 g/cm3，B組試件平均為0.39 g/cm3，兩組相差15.3%，差異較大。

圖5 A、B兩組試件基本密度對比

2.2.2 對木材氣干密度的影響

兩組試件的氣干密度關系如圖6所示?？梢钥闯?，A組試件的氣干密度同樣比B組試件的氣干密度大，A組試件平均為0.54 g/cm3，B組試件平均為0.48 g/cm3，相差12.5%。

圖6 A、B兩組試件氣干密度對比

2.2.3 對木材絕干密度的影響

試件的絕干密度對比如圖7所示?？梢钥闯?，A組試件的木材絕干密度同樣比B組試件大，A組試件為0.51 g/cm3，B組試件為0.44 g/cm3，相差16%。

圖7 A、B兩組試件絕干密度對比

2.2.4 對木材飽水密度的影響

木材的飽水密度對比關系如圖8所示?？梢钥闯?，A組試件的木材飽水密度依然略高于B組試件，A組試材平均為1.13 g/cm3，B組試材平均為1.11 g/cm3，相差1.8%。

圖8 A、B兩組試件飽水密度對比

2.3 隨機取樣對木材干縮率測量的影響

2.3.1 對氣干干縮率測量的影響

木材徑向、弦向和縱向的氣干及體積干縮率對比關系如圖9及圖10所示。由圖9可以看出在氣干過程中兩組木材都是弦向干縮率最大，其次是徑向，而縱向的幾乎沒有。A組試件的徑向和弦向干縮率比B組分別大1.1%和0.87%，而在縱向上小于B組試件的干縮率。由圖10可以看出A組試件的平均體積氣干干縮率比B組試件的大1.58%。徑、弦向干縮與前面的密度趨勢一致，木材密度越大，干縮系數越大。

圖9 A、B組試件徑、弦、縱向氣干干縮率對比

圖10 A、B組試件體積氣干干縮率對比

2.3.2 對絕干干縮率測量的影響

兩組試件的徑向、弦向和縱向及體積全干干縮率對比如圖11及圖12所示。同樣可以看出，A組試件的線性和體積全干干縮率比B組試件大；其徑向及弦向分別相差1.5%和1%，而A、B兩組試件的平均體積全干干縮率相差約2.4%。

圖11 A、B組試件各向全干干縮率對比

圖12 A、B組試件體積全干干縮率對比

3 結論

(1)隨機取樣對木材初含水率、飽水含水率測量影響非常顯著，兩組試件的測量值分別相差66%和35%；而對氣干含水率的測量影響較小，測量值相差不到2%。

(2)隨機取樣對木材基本、氣干、絕干密度的測量影響顯著，兩組試件的測量值分別相差15.3%、12.5%、16%；而對飽水密度的測量影響較小，測量值相差約1.8%。

(3)隨機取樣對木材干縮率影響較小，徑向、弦向氣干干縮率差異在1.1%以內，體積干縮率差異在1.58%以內。對絕干干縮率的測量影響略大。