试材选择对木材物性测量的影响

李芝兰，杨 琳

(南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037)

近几十年来，桉树作为一种优质速生树种被引种到许多国家，已经成为世界人工林最重要的造林树种之一[1-2]。桉树蓄积量大，其木材具有实木利用的巨大潜力。但由于生长特性所致，桉树木材也存在一些缺陷，进而影响其作为实体木材的加工和利用[3]，木材固有的附加值没有得到充分发挥。

提高木材的稳定性，改善木材的某些特殊材性才能更好地利用木材[4-7]。针对桉树人工林木材的增值加工利用，木材加工行业除了有效提高桉木的干燥质量和木材稳定性外，在家具产品设计[8-9]、家具营销方式[10-11]、现代化生产模式[12]等方面同样要进行深入地研究与发掘。

木材干燥和材性改良是确保其制作产品质量的前提和重要环节[13]。在干燥及材性改良过程中，木材的含水率、质量、密度、干缩湿胀等都会随之产生变化[14-15]，进而影响木材的物理和力学性能[16-17]。准确测量桉木试件的各项物理性能至关重要[18-19]。

本研究以尾巨桉为试材，在同一批砍伐木材中随机选用两根木材(A组和B组)，对其分别先后进行浸水、气干和烘干试验，测定两组试件的含水率、密度、干缩率等参数，分析影响这些参数的原因，为准确测量桉木基本物性提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)速生林木材，产自广西柳州。原木采伐后，将尾巨桉锯截并抛光成规格为600 mm×20 mm×20 mm的试件，然后立即用塑料薄膜包裹放入冰柜冷藏保存。试验前在备选材料中随机挑选两根木条，分为A、B两组。分别锯截成规格为20 mm×20 mm×20 mm的首尾连接试件7块，编号为A1-A7，B1-B7。

1.2 试验设备

电子天平(FA2004，精度0.001 g，上海精密仪器有限公司)；数显游标卡尺(日本三丰，精度0.01 mm)；鼓风干燥箱(DHG-905386-Ⅲ上海新苗医疗器械制造有限公司)。

1.3 试验方法

1.3.1 含水率的测量

(1)初含水率

参照GB/T 1931-2009，A、B两组试件的初含水率用烘干法测量。试验前称量所有生材试件的质量，在完成所有试验后，将A、B两组所有试件放入103 ℃烘箱中烘至绝干，用电子天平称量绝干后的质量。利用公式(1)分别计算出A、B两组试件的初含水率。

(1)

式中：G生为生材的质量；G干为木材绝干时质量。

(2)饱水材含水率

将A、B两组试件进行浸水试验。前两天间隔2 h测量试件的质量及体积；之后再分别间隔3天、6天、10天进行测量，待试件的质量变化稳定在0.5%范围内时浸水试验结束。利用公式(2)计算得出A、B两组试验试件在浸水试验后的饱水含水率。

(2)

式中：G湿为饱水材的质量；G干为木材绝干时的质量。

(3)气干材含水率

浸水试验结束后，将两组试件放在不锈钢网架上置于试验室内进行气干试验。试验前期间隔4 h测量1次试件的质量与体积，之后分别间隔1天、3天、7天对试件进行测量，待两组试件的质量变化稳定在0.5%范围以内时停止气干试验。按公式(3)计算气干含水率。

(3)

式中：G气为气干材的质量；G干为木材绝干时的质量。

1.3.2 密度测量

(1)基本密度

饱水试验后测量A、B两组试件的饱水体积，试件在烘箱中烘至绝干后测量绝干质量，然后用基本密度公式(4)计算得出A、B两组试件的基本密度。

(4)

式中：G干为木材绝干质量；V湿为饱水材体积。

(2)气干密度

试件气干试验后，用气干密度公式(5)计算得出A、B两组试件在气干试验过程中的气干密度变化。

(5)

式中：G气为气干材质量；V气为气干材体积。

(3)绝干密度

所有试件在103 ℃的烘箱中烘至绝干，测量绝干质量和绝干体积，用绝干密度公式(6)计算得出两组试件的绝干密度。

(6)

式中：G干为绝干干材质量；V干为绝干材体积。

(4)饱水密度

A、B两组试件完成浸水试验后，木材达到饱水状态，用饱水密度公式(7)计算两组木材在浸水试验过程中的密度变化。

(7)

式中：G湿为饱水木材质量；V湿为饱水材体积。

1.3.3 干缩率测量

(1)气干干缩率

将完成浸水试验的饱水材分别测量出试件的纵向、径向和弦向尺寸，准确至0.01 mm。然后对试件进行气干试验，气干过程中测量各组试件的纵向、径向和弦向尺寸，并称量试件的质量，准确至0.001 g，然后利用公式(8)和(9)可分别计算A、B两组试件的径向、弦向或纵向和体积气干干缩率。

(8)

式中：Lmax为饱水材试样的径向、弦向或纵向尺寸；Lq为试样气干时径向、弦向或纵向尺寸。

(9)

式中：Vmax为饱水材试样的体积；Vq为试样气干时的体积。

(2)绝干干缩率

将试件放至103 ℃烘箱中烘至绝干，测量出绝干试件的质量、径向、弦向和纵向尺寸，按照公式(10)和(11)分别计算两组试件的径向、弦向和体积绝干干缩率。

(10)

式中：Lmax为湿材试样的径向、弦向或纵向尺寸；L0为试样全干时径向、弦向或纵向尺寸。

(11)

式中：Vmax为湿材试样的体积；V0为试样全干时的体积。

2 试验结果与讨论

2.1 随机取样试件对含水率测量的影响

2.1.1 对初含水率测量的影响

A、B两组试件的初含水率对比如图1所示。可以看出，B组各试件的初含水率均大于A组。A组试件的平均初含水率约为85%，而B组试件的平均初含水率约为151%，两组试件平均含水率相差66%，初含水率差异非常显著。因此，试件的随机取样对木材初含水率影响很大。

图1 A、B组试件的初含水率对比

2.1.2 对饱水材含水率测量的影响

两组试件饱水含水率对比如图2所示。可以看出，两组试件的饱水含水率同样有较大差距，A组试件的平均饱水含水率约为151%，B组试件的约为186%，相差约35%。

图2 A、B组试件的饱水材含水率对比

可能由于两组试件生材的初含水率差异较大，在经过同等时间和条件下的浸水试验后，两组试件的饱水材含水率不同。其中，初含水率较高的B组试件要明显高于初含水率较低的A组试件。但是，在经过同样时间和条件的浸水试验之后，两组试件饱水材含水率的差值比两组试件初含水率的差值明显减小。

2.1.3 对气干材含水率测量的影响

A、B两组试件的气干含水率如图3所示。可以看出，气干试件的含水率波动较大，但大部分B组试件的气干含水率略高于A组试件。由其气干含水率平均值及误差棒可以看出，B组试件的气干含水率大于A组试件，但其个体值波动较大。对比图1和图2的含水率情况，两组试件气干含水率相差不到2%，差异明显减小。两组试件的平均气干含水率变化过程如图4所示。从图4中看出，A组试件的平均气干含水率变化幅度较B组试件要平缓，表明A组试件的干燥过程比较慢。此外，A组试件的气干含水率均方差比B组小，表明A组试件在干燥过程中较为稳定。

图3 A、B两组试件气干材含水率对比

图4 A、B组试件平均气干材含水率变化

2.2 随机取样对木材密度测量的影响

2.2.1 对木材基本密度的影响

A、B两组试件基本密度对比系如图5所示。可以看出，A组试件的基本密度大于B组试件。A组试件平均为0.45 g/cm3，B组试件平均为0.39 g/cm3，两组相差15.3%，差异较大。

图5 A、B两组试件基本密度对比

2.2.2 对木材气干密度的影响

两组试件的气干密度关系如图6所示。可以看出，A组试件的气干密度同样比B组试件的气干密度大，A组试件平均为0.54 g/cm3，B组试件平均为0.48 g/cm3，相差12.5%。

图6 A、B两组试件气干密度对比

2.2.3 对木材绝干密度的影响

试件的绝干密度对比如图7所示。可以看出，A组试件的木材绝干密度同样比B组试件大，A组试件为0.51 g/cm3，B组试件为0.44 g/cm3，相差16%。

图7 A、B两组试件绝干密度对比

2.2.4 对木材饱水密度的影响

木材的饱水密度对比关系如图8所示。可以看出，A组试件的木材饱水密度依然略高于B组试件，A组试材平均为1.13 g/cm3，B组试材平均为1.11 g/cm3，相差1.8%。

图8 A、B两组试件饱水密度对比

2.3 随机取样对木材干缩率测量的影响

2.3.1 对气干干缩率测量的影响

木材径向、弦向和纵向的气干及体积干缩率对比关系如图9及图10所示。由图9可以看出在气干过程中两组木材都是弦向干缩率最大，其次是径向，而纵向的几乎没有。A组试件的径向和弦向干缩率比B组分别大1.1%和0.87%，而在纵向上小于B组试件的干缩率。由图10可以看出A组试件的平均体积气干干缩率比B组试件的大1.58%。径、弦向干缩与前面的密度趋势一致，木材密度越大，干缩系数越大。

图9 A、B组试件径、弦、纵向气干干缩率对比

图10 A、B组试件体积气干干缩率对比

2.3.2 对绝干干缩率测量的影响

两组试件的径向、弦向和纵向及体积全干干缩率对比如图11及图12所示。同样可以看出，A组试件的线性和体积全干干缩率比B组试件大；其径向及弦向分别相差1.5%和1%，而A、B两组试件的平均体积全干干缩率相差约2.4%。

图11 A、B组试件各向全干干缩率对比

图12 A、B组试件体积全干干缩率对比

3 结论

(1)随机取样对木材初含水率、饱水含水率测量影响非常显著，两组试件的测量值分别相差66%和35%；而对气干含水率的测量影响较小，测量值相差不到2%。

(2)随机取样对木材基本、气干、绝干密度的测量影响显著，两组试件的测量值分别相差15.3%、12.5%、16%；而对饱水密度的测量影响较小，测量值相差约1.8%。

(3)随机取样对木材干缩率影响较小，径向、弦向气干干缩率差异在1.1%以内，体积干缩率差异在1.58%以内。对绝干干缩率的测量影响略大。