水浸时效对红锥锯材性能的影响

刁海林，蔡道雄，唐继新，李开成，罗建举

（1. 广西大学 林学院，广西 南宁 530004；2. 中国林业科学研究院 热带林业实验中心，广西 凭祥 532600）

水浸时效对红锥锯材性能的影响

刁海林1，蔡道雄2，唐继新2，李开成1，罗建举1

（1. 广西大学 林学院，广西 南宁 530004；2. 中国林业科学研究院 热带林业实验中心，广西 凭祥 532600）

为改善红锥锯材易开裂变形、尺寸稳定性差的不良性能，采用水浸时效法对红锥木材进行处理试验，观测其翘曲性能及力学性能改善情况。试验结果表明：红锥经水浸时效处理后，其锯材的顺弯度和纵裂度的质量指标得到较大程度的改善；随着水浸时效时间的延长，锯材顺弯和开裂变形指标值均逐渐降低，而弹性模量、抗弯强度、顺纹抗压强度等各项力学性能指标均随着水浸时效时间的延长而呈先扬后抑的趋势，各项力学性能指标变异系数均有所下降。表明红锥株间力学性能的差异性随着水浸时效时间的延长而逐渐趋于一致。因此可得结论：实际生产中可以通过合理的水浸时效处理来改善红锥锯材的变形、开裂性能及力学性能，以提高红锥锯材的利用价值。

红锥；锯材；水浸时效；性能

红椎Castanopsis hystrix为壳斗科栲属常绿乔木，是我国速生丰产用材林基地工程在粤桂琼地区所规划的大径级材主要树种[1]。红锥木材坚硬耐腐，心材比例大，色泽红润，切面光滑，纹理美观，具有极高的经济价值，其优等加工性能有：刨削、砂光、钻孔、成型铣削、横截；良等加工性能包括：榫眼加工和车削[2]。红椎已经成为高级家具、造船、车辆、工艺雕刻、建筑雕饰的优势用材。但红锥的内应力大，其木材在贮存、制材、干燥及加工过程中极易发生变形及开裂，在一定程度上限制了其高端用途。改善红锥锯材的性能，关键在于采取切实可行的方法消除红锥木材中的内应力。给木材去应力的方法很多，有用中草药防腐剂[3]处理木材的，有用增强热处理[3]的方法处理木材的，也有用酚醛树脂处理[5]木材的，我国南方民间素有采用时效的方法消除木材中内应力的传统，如露天堆放自然时效法、水煮时效法及水浸时效法等。近年来国内一些学者还提出了对活立木采取环切枯死法、剥皮枯死法，以及造材时木段两端箍扎法及开卸荷槽法等。本文选择了简单实用的水浸时效法对红锥进行去应力研究，J.E.Gordon[6]认为对于木材应用而言，韧性比力量和硬度更加重要，所以我们针对性地分析水浸时效对红锥锯材性能的影响效果及红锥锯材抗弯弹性模量，抗弯强度和顺纹抗压强度等性能指标与浸泡时间的关系，探讨水浸时效法在生产应用中的可能性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

红锥试材选自广西凭祥市中国林业科学研究院热带林业实验中心伏波试验场红锥种植示范基地。样地海拔650 m，年平均气温20.5℃，属南亚热带季风型半湿润—湿润气候区。红锥造林时间为1982年，树龄29 a，林分的平均树高13.5 m、平均胸径16.7 cm，试验样木按照国家标准《木材物理力学试材采集方法》（GB/T1927—2009）在取样林地内根据整体林分的树高、胸径、长势以及树冠幅的生长情况选取长势良好，树干通直，结疤少，无病虫害，胸径中等的样木12株。然后每株树从距树根1.3 m以上按2 m规格造材。

1.2 试验仪器设备

本试验使用的仪器设备主要有：PT-90E手持针式木材含水率测试仪（上海纵越电子科技有限公司）、微机控制数显式电子万能试验机（深圳市新三思材料检测有限公司）；101A—3型电热鼓风干燥箱（上海实验仪器有限公司）、JJ1000型电子天平（精度0.01g）、游标卡尺（精度为0.02 mm）、钢直尺、精密推台锯、基准台等。

1.3 试验方法

从造好的原木中，每树选取样原木3段共36段，每段原木按树号及位置做好标签，然后同时浸泡于2 m水深的池塘中。之后按3个月、6个月、9个月、12个月、15个月、18个月的时间间隔，每隔三个月从水中取出一批木段（2株6段），置于阴凉处晾置1～2周，待木段表皮稍干后用带锯机采用四面下锯法将木段锯解成25 mm厚的整边板。锯解时每节木段留取一块40 mm厚的中心板，作为力学性能测试用。将锯材水平侧立于木架上，置于通风干燥的室内令其自然气干，定期检测含水率。待干燥至含水率约13%左右时，进行锯材翘曲指标检测。在基准台上对25 mm弦切板按国家标准GB/T 4817—2009《阔叶树锯材》检测方法进行顺弯、横弯、扭曲度和裂纹度检测。同时将40 mm中心板按国家标准GB/T 1936.1-2009加工成300 mm × 20 mm × 20 mm的标准长试件和30 mm × 20 mm × 20 mm的标准短试件各40枚，在万能材料试验机上对锯材进行抗弯弹性模量、抗弯强度和顺纹抗压强度试验。

2 结果与分析

2.1 锯材翘曲度

红锥锯材翘曲度指标检测实验在广西凭祥市中国林业科学研究院热带林业实验中心实验室进行。红锥经水浸时效、制材、气干后，分别对浸泡3个月、6个月、9个月、12个月、15个月、18个月的25 mm弦切板进行顺弯、横弯、翘弯、扭曲等翘曲度指标检测，检测结果如表1所示。

表1 不同水浸时效红锥锯材翘曲变形指标(25 mm弦切板)Table 1 Deformation amount values of C. hystrix timber with different water immersion aging time(25mm flat-sawn board)

据表1数据作水浸时效红锥锯材翘曲变形趋势图，如图1所示。

图1 水浸时效红锥锯材翘曲变形趋势（25 mm弦切板）Fig.1 Deformation trend curves of C.hystrix timber with different water immersion aging time (25mm fl atsawn board)

由图1水浸时效红锥锯材翘曲变形趋势图可见，经水浸时效后的红锥锯材，其顺弯度和裂纹度均呈不同程度的下降趋势。其中顺弯度变化较大，曲线有一定程度的起伏，但明显呈下降趋势。橫弯度及扭曲度则变化较平缓，说明水浸实验对其影响效果有限。另外由图1显然可见，纵裂度的下降规律很明显，几乎呈线性单边下降趋势，说明水浸时效对红锥锯材的纵向裂纹起到了较好的抑制作用。总的来说，红锥经水浸时效后，其锯材的翘曲性能得到改善，而且随着水浸时效时间的延长，这种改善将更显著。

2.2 主要力学性能

红锥锯材力学性能实验在广西大学林学院木材力学实验室中进行，实验室内干球温度23.5～30.5℃，湿球温度21.5～27.5℃，相对湿度63～76%。对水浸时效处理后的红锥锯材试件进行抗弯弹性模量、抗弯强度、顺纹抗压强度等力学性能测试，并将实验值按国家标准GB/T 4817—2009换算为12%标准含水率时的当量值，结果如表2、表4、表6所示。

（1）弹性模量及其变异

表2 红锥水浸时效抗弯弹性模量及变异性比较Table 2 Bending elastic modulus and variability of C.hystrix wood with different water immersion aging time

表3 红锥水浸时效抗弯弹性模量方差分析Table 3 Variance analysis of bending elastic modulus of C.hystrix wood with water immersion aging time

从F表中查得F0.05（6,236）=2.14，F0.01（6，236）=2.89，通过对照FA=10.09 ＞F0.01（6，236）=2.89，可以判断水浸时效对于红锥木材的抗弯弹性模量有非常显著的影响[7]。从抗弯弹性模量的平均值可以看出，随着浸泡时间的延长，弹性模量先逐渐上升，后呈现下降的趋势，其峰值出现在6个月左右。说明红锥木材在经过6个月左右时间的浸泡后，其刚性达到最大值，木材抵抗变形的能力也达到最大，6个月以后红椎的弹性性能则开始下降。从另一方面来看，红锥经水浸时效后，弹性模量的变异系数有较明显的降低，说明红锥经水浸时效后，降低了弹性模量的株间差异性程度，使株间木材的弹性性能趋于一致，这将有利于红锥木材的工程应用。

（2）抗弯强度及其变异

表4 红锥水浸时效抗弯强度及变异性比较Table 4 Bending strength and variability of C.hystrix wood with different water immersion aging time

表5 红锥浸泡抗弯强度方差分析Table 5 Bending strength variance analysis of C.hystrix wood with water immersion aging time

从F表中查得F0.05（6,237）=2.14，F0.01（6，237）=2.89，通过对照FA=28.30＞F0.01（6，237）=2.89，据此可知水浸时效对于红锥木材的抗弯强度有非常显著的影响。从抗弯强度的平均值可以看出，随着水浸时效时间的延长，红锥的抗弯强度是先呈上升趋势然后下降，9个月时上升到最大值，此后逐渐下降。此外，经水浸时效的红椎抗弯强度变异系数明显减小，说明水浸时效红椎抗弯性能差异性得到较明显的改善。总的来说，水浸时效对红锥木材抗弯强度改善作用明显，浸泡时间在9个月左右能使红椎木材抗弯强度达到最大值。经过浸泡的红椎木材，株间抗弯性能趋于稳定。

（3）顺纹抗压强度及其变异

从F表中我们查得F0.05（5,177）=2.26，F0.01（5，177）=3.11，通过对照FA=53.23＞F0.01（5，177）=3.11，可知水浸时效对红锥木材顺纹抗压强度的影响非常显著，同时对红锥顺纹抗压强度的变异性亦有比较明显的影响，变异系数明显减少。说明水浸时效使红锥顺纹抗压强度差异性得到了一定的改善。

表6 红锥水浸时效顺纹抗压强度及变异性比较Table 6 Compressive strength parallel to grain and variability of C.hystrix wood with different water immersion aging time

表7 红锥浸泡顺纹抗压强度方差分析Table 7 Variance analysis on compressive strength of parallel to grain of C.hystrix wood with water immersion aging time

3 结论与讨论

（1）对经水浸时效处理的红锥25 mm弦切板进行顺弯度、横弯度、扭曲度及纵裂度检测，结果证明水浸时效对红锥锯材的顺弯度及纵裂度起到了明显的抑制作用。对橫弯度和扭曲度改善作用不明显。随着水浸时间的延长，红锥锯材顺弯和开裂的改善效果越明显。

（2）如图2所示，将抗弯弹性模量缩小100倍后和抗弯强度及顺纹抗压强度置于同一坐标系内发现抗弯弹性模量、抗弯强度以及顺纹抗压强度均呈先扬后抑的趋势变化。抗弯弹性模量在浸泡6个月左右达到最大值，抗弯强度在9个月左右达到峰值，而顺纹抗压强度的峰值也在6个月达最大值，说明水浸时效对红椎木材性能有一定影响。就力学性能而言，水浸时效的最佳时间在6～9个月之间，这个时间段能使红锥木材获得最好的力学性能。

（3）由前分析知，①在浸泡过程中，红椎抗弯弹性模量的变异系数总的呈下降趋势，各个月份的变异系数均小于0月份所得的数据，这说明浸泡后的红椎木材变异性得到抑制，性能的稳定性得到加强。②红椎抗弯强度的变异系数于浸泡3个月后降幅明显，之后趋于稳定。其数值与自然状态相比有明显减少，说明浸泡实验对红椎木材抗弯强度的变异性有明显的抑制作用，浸泡后的红椎木材抗弯强度稳定性得到加强。③红椎顺纹抗压强度的变异系数变化幅度不大，但其数值都低于0月份。④总的来说，浸泡实验对红椎木材性能的变异性有明显的抑制作用。浸泡后的红椎木材力学性能更加稳定均匀，符合家具等用材的要求。

（4）实验表明，红椎经不同的浸泡时间，端裂的变化非常明显。下图是自然气干状态、浸泡6个月和浸泡15个月后气干的红椎端裂图片。

图2 红锥不同浸泡时间力学性能对比Fig.2 Comparison of physical mechanical properties of C.hystrix wood treated with different soak time

图3 红锥浸泡0～15个月时的端裂Fig.3 End checkings of C. hystrix wood treated with soaking 0～15 months

从图3可以看出，随着浸泡时间的增加，红锥端裂的程度明显下降。说明水浸时效对改善红椎木材的开裂状况具有良好的效果。

4 结束语

木材是一种变异性较大的材料，种间、株间甚至是同株树不同部位间乃至不同生长的位置和年龄的树木的木材物理、力学性质存在明显的差异[8-9]，这与人工合成材料在物理、力学性质上具有很好的同一性是不同的。由于红锥的生长应力比较大，在砍伐时，新伐倒的红锥的端部就立即出现严重开裂的现象，而在生产中即使采用四面下锯法对红锥进行锯解，也会出现不同程度开裂，尤其是中心板特别明显。经对红锥进行浸泡时效处理后，使顺弯度和裂纹度得到不同程度的改善，尺寸稳定性得到提高，说明红锥生长应力得到了较大程度的释放。水浸时效对红锥的抗弯弹性模量、抗弯强度及顺纹抗压强削弱程度不明显，但变异系数却有较明显的减小，特别是抗弯弹性模量减小的幅度最大，这表明通过对红锥进行浸泡时效处理，减小了红锥个体差异，使红锥木材物理力学性能趋于稳定，这对于红锥木材的生产应用具有非常重要的意义。

[1] 吕建雄,林志远,骆秀琴, 等.红锥和西南桦人工林木材干缩特性的研究[J].北京林业大学学报，2005, 27(1):6-9.

[2] 江京辉,吕建雄.红锥和西南桦人工林木材的机械加工性能[J].林业科学, 2008,(10):120-125 .

[3] 吕爱东,王雅梅,安 珍.中草药防腐剂对木材物理力学性能的影响[J].内蒙古农业大学学报：自然科学版, 2011, 32(2):267-269.

[4] 刘君良,阳财喜,王雪花.增强-热处理桉树木材物理力学性能分析[J].木材加工机械,2010,(3):1-4.

[5] 刘君良, 江泽慧, 孙家杰.酚醛树脂处理杨树木材物理力学性能测试[J].林业科学, 2002, 38(4):176-180.

[6] GIBSON, MARK DARIEL. The relation of wood structure and strain energy release rate in fracture wood-clue composites[D].Oregon State University. 1982.

[7] 李云雁,胡传荣.实验设计与数据处理[M].北京：化学工业出版社, 2005.

[8] Lachowicz Hubert. Inf l uence of location and age on the value of wood strength coeff i cients for silver birch (Betula pendula Roth)[D]. SYLWAN . AUG, 2011, 155(8):535-545.

[9] 廖 立,涂登云,云 虹,等. 20 mm厚尾赤桉锯材2种干燥工艺对比研究[J]. 中南林业科技大学学报,2014,34(9):128-130.

Inf l uence of water immersion ageing on properties ofCastanopsis hystrix

DIAO Hai-lin1, CAI Dao-xiong2, TANG Ji-xin2, LI Kai-cheng1, LUO Jian-ju1
(1. School of Forestry, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, China; 2. Experimental Center of Tropical Forestry, CAF,Pingxiang 532600, Guangxi, China)

In order to improve the bad mechanical properties ofCastanopsis hystrixsawn timber, such as：being easy to crack and deform, poor dimensional stability, the processing tests on the sawn timbers were carried out by adopting method of water immersion ageing, then the improvements of warping and mechanical properties ofC. hystrixafter being treated were observed. The results show that after water immersion aging treatments, the quality indexes ofC. hystrixsawn timbers such as curvature parallel to grain and longitudinal crack degree were improved greatly; as the time of water immersion aging went on, the bow camber and crack camber quality indexes values ofC.hystrixwere decreased gradually, while the mechanical properties indexes ofC.hystrixsuch as elastic modulus, bending strength and compressive strength parallel to grain ofC.hystrixwood showed a trend that fi rst increased then dropped;The variation coeff i cients of the mechanical properties ofC.hystrixwood have declined. These show that the differences of mechanical properties ofC. hystrixbetween different trees gradually tended to be the same as the increase of water immersion aging time. Therefore,it could be concluded that in the actual production, it could be achieved through rational water immersion aging treatment to improve deformation, cracking and mechanical properties ofC.hystrix, and to improve the utilization value of sawn timber ofC.hystrix.

Castanopsis hystrix; sawn timber; water immersion ageing; wood properties

S781.71

A

1673-923X(2015)06-0103-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.06.019

2013-10-13

国家科技支撑项目“西南大径级珍贵树种定向培育和多目标经营技术与模式”（2012BAD22B0105）

刁海林，副教授；E-mail：diaohailin@sina.com

刁海林,蔡道雄,唐继新,等. 水浸时效对红锥锯材性能的影响[J].中南林业科技大学学报,2015,35(6):103-106,113.

[本文编校：吴 彬]