提高烘干法检测木材含水率精度的方法1)

张肖凯 王箫笛 赵明阳 唐斌 万川 刘洪海

(南京林业大学,南京,210037) (玛格家居股份有限公司) (南京林业大学)

随着经济的发展和生活水平的提高,人们对木材的需求量不断增加,而优质木材资源日趋匮乏,木材供需矛盾日渐突出[1-2]。砍伐后的木材含水率较高,容易产生腐朽、变形、开裂,需要通过干燥来提高其尺寸稳定性、力学强度及耐久性[3]。

木材含水率是衡量木材干燥质量以及木制品稳定性的重要指标,也是干燥过程的重要测量、控制参数,其精准检测与评估至关重要[4]。目前的含水率测量方法有烘干法、电阻法、电磁法等。电阻法、电磁法因其测量速度快、破坏性小等优点而被广泛应用于工业生产,但无法准确测量纤维饱和点以上的含水率[5-6]。烘干法是目前实验研究的常用方法,虽然其操作繁琐,具有破坏性,但准确性、稳定性高,因此,烘干法常被用于确定木材真实含水率及分布规律、分层含水率差异等[7]。此外,烘干法多被学者作为含水率的检测、预测方法的对照检验标准[8-10],例如使用测试仪[11]、电磁波系统[12]检测含水率以及通过Luikov模型[13]预测木材含水率等。但有时使用烘干法并不能获得最精确的含水率数值,除了大量的人工操作及测量仪器的精密度所带来的不确定性[14],含水率计算公式也会对结果的准确性产生一定的影响,例如试片体积的大小对计算多片试片平均含水率的影响[15]。木材常规干燥生产及试验研究中要评估检验板的含水率,通常要在检验板两侧锯截较薄的试片,通过烘干法测量试片的初含水率,以此作为检验板的初含水率,这对于干燥过程的控制具有重要意义。但是,关于其估算值与真实值的差异大小、含水率试片的位置及数量、含水率的分布情况对估算值影响的研究报道较少。

本研究采用烘干法测量了楸木试件两端试片的初含水率及分布,探讨了初含水率在木材顺纹及横纹方向的分布规律,分析了不同含水率计算公式对计算结果的影响,比较了试件的含水率估算值与实际测量值的差异,并提出了减少该差异的建议。本研究将为木材含水率的纵向及横向的分布、提高试件含水率计算结果的精确性、试件初含水率的估算精度等相关研究提供参考。

1 材料与方法

试验材料为胡桃楸木(JuglansmandshuricaMaxim.),树龄35 a,胸径34 cm,采自辽宁省丹东市。原木砍伐后锯截成1 000 mm木段,塑料薄膜密封包裹后运至南京林业大学。然后将其制备成(顺纹、弦向、径向)1 000 mm×30 mm×30 mm的木条,再次利用塑料薄膜密封包裹,冷藏后备用。

木材绝干试验方法:木材烘干试验前,将1 000 mm木条(心材)两端各锯掉200 mm,剩余部分锯截为15 mm厚(顺纹)的9个试片以及长度为105、80 mm的2个试件。将每个试片劈切成25个小木块后,立即放入密封袋内。然后利用天平逐个测量小木块及长度为105 mm、80 mm试件的质量,测量完毕后放入烘箱,温度设为103 ℃,按GB/T 1927.4-2021《无疵小试样木材物理力学性质试验方法第四部分:含水率测定》要求将试件烘至绝干。

木材含水率的计算方法:通过多个小木块计算试片的平均含水率有两种方法。一种是通过各小木块的初质量总和、绝干质量总和分别作为试片的初质量、绝干质量。

(1)

式中:W为木材含水率(%);i为小木块数量;m1为小木块初质量(g);m0为小木块绝干质量(g)。另一种是计算各小木块含水率的算术平均值。

(2)

式中:W为木材含水率(%);i为小木块数量;Wi为第i个小木块的含水率(%)。

式(1)和(2)是通过求25个小木块的算术平均值来计算试片的平均含水率,但实际上由于切割不均匀,小木块有不同大小的质量及体积,因此不能通过简单的算术平均值来计算含水率。蔡英春等[15]提出了一个采用体积作为权重的加权平均公式,但由于体积难以计算并未采用。

(3)

式中:W为木材含水率(%);i为小木块数量;Wi为第i个小木块的含水率(%);Vi为第i个小木块的体积(cm3)。

在此基础上,根据密度公式ρ=M/V,总结了一种以质量为权重的计算公式。为简化模型,假设试片的整体密度均匀,即密度(ρ)为常量。因此体积(V)与质量(M)之间呈线性关系,即V=(1/ρ)·M。由于每个小木块的质量比体积更容易测得,因此在这里可将质量(M)作为权重。

(4)

式中:W为木材含水率(%);i为小木块数量;Wi为第i个小木块的含水率(%);Mi表示第i个小木块的质量(g)。

顺纹理木材含水率的分布规律:试片平均含水率由式(4)计算,长度为105、80 mm的2个试件的含水率由其两端试片的含水率来估算。测得所有试片初含水率后,使用SPSS软件的单因素方差检验(ANOVA)分析相邻试片(图1a的X1、X2、X3)及相隔试片(图1a的X1、Y1、Z1)之间含水率的差异性,即分析木条顺纹方向不同锯截位置含水率的关系。

横纹理木材含水率的分布规律:试件横向的含水率分布以及含水率梯度差异,可通过各试片劈切的小木块初含水率来研究。采用SPSS软件的单因素方差检验(ANOVA)分析各小木块间含水率的差异性,即分析小木块含水率与劈切位置的关系。以径向(R)为木材厚度方向,将试片分为5个试片层,每层含有5个小木块(图1c)。根据GB/T 6491-2012《锯材干燥质量》将试材分为表层、中间层、心层三部分,由各层之间含水率的差值计算含水率梯度(Δw,%)。对比观察木材横向不同层之间含水率梯度的差异性来研究含水率分布规律。

2 结果与分析

2.1 顺纹理方向的试片含水率分布

由表1的X、Y、Z各处相邻试片的平均含水率可知,木条顺纹方向的X、Y、Z三处相邻试片间的含水率均无显著性差异,主要原因是试片间隔距离过短。

表1 木材顺纹方向不同位置的含水率

由表1的X、Y、Z处相隔试片间的含水率显著性分析结果可知,X与Y,X与Z,Y与Z之间均存在显著性差异。通过对含水率和锯截位置进行相关性检验(r=-0.758,P<0.05),证明试片间距越大,含水率差异越显著。对比相邻试片的分析结果,相隔试片由于距离增大,含水率差异更显著。因此,在使用试片估算长度为105、80 mm试件的初含水率时,应该考虑木材顺纹方向含水率差异的问题。

2.2 横纹理方向的试片含水率分布

2.2.1 横向含水率的分布差异

图2为不同锯截位置试片含水率分布的等高线图,图3a为各小木块含水率变化趋势及显著性差异分析结果。由图可知各试片的含水率分布与小木块含水率的曲线变化具有相同规律,即木材含水率在径向从左至右、在弦向从下至上均呈现递减趋势。横向仅部分小木块间的含水率存在显著性差异。以5,16号小木块为例进行分析,其中除了10、15号的小木块外,5号与其余小木块之间存在显著性差异;除了11、17、21、22号的小木块外,16号与其余小木块之间均存在显著性差异。图3b为试片划线位置在含水率等高线图中的映射,由图可知,5号与10、15号相邻,16号与11、12、21、22号相邻,这些小木块间无显著性差异,原因是其所处位置距离较近。从近木材髓心位置(图3b,编号21)沿对角线取每个试片对应的小木块(编号为5、9、13、17、21号),计算其含水率平均值。对小木块含水率及其劈切位置进行相关性检验,结果呈显著相关性(r=0.976,P<0.05),即横向上小木块距离越远,含水率差异越大。

图2 不同截锯位置的试片含水率等高线图

(a)为各小木块的含水率变化及显著性差异;(b) 为试片划线位置与等高线对比;(c)为试片划线照片。

通过试片X1横向纹理与其含水率等高线图的对比可知,该试片近髓心处(图4左下角)的含水率最高。此外,该试片并非弦径向完全分明,含水率等高线与试片年轮的走向大体一致。因此,含水率沿弦向分布更有规律。

图4 试片X1横纹理与等高线对比

2.2.2 初含水率梯度差异

表2为试片表层-中间层、中间层-心层、表层-心层的初含水率梯度方差分析结果。其中,中间层-心层的初含水率与表层-中间层、表层-心层之间存在显著性差异,中间层-心层的初含水率为负值,即中间层含水率相较心层更高。木材储存过程由于表层水分挥发[16-17]导致边缘含水率较低。此外,试材为心材,细胞腔含有沉积物且纹孔闭塞,使得水分传导受阻[18]。不同树种其本身构造不同,在其生长过程中会产生变异,从而造成含水率梯度的不对称分布。因此,上述各种因素的耦合作用导致试材中间层含水率较高。

表2 试片的含水率梯度方差分析结果

2.3 木材初含水率的计算及估算

2.3.1 含水率计算方法对结果的影响

采用不同的含水率计算方法得到的含水率值几乎没有差异。以试片Z1为例,使用式(1)、式(2)计算的含水率分别为52.839 9%、52.844 1%,计算结果并无差异;利用式(4)以质量作为权重,求得含水率的加权平均值为52.906 6%,与式(1)、式(2)得到的结果相差约0.1%,亦无明显差异。其原因是本次试验材料尺寸较小且含水率分布均匀(表1),使用权重对结果影响较小。木材含水率计算时将试片视为密度均匀,但实际上同一年轮中存在早晚材及边心材的差异,每个小木块的密度不同,对计算结果会产生影响。因此,可使用式(1)计算木材含水率,其计算过程最简单、精度较高,但在试验材料尺寸较大、试件水分分布不均匀且需要精度更高时,可考虑使用加权平均计算含水率。

2.3.2 试件含水率估算值与实测值的比较

长度为105、80 mm试件的含水率可以通过其两端的试片估算。其中,长度为105 mm试片的含水率由试片X1和Y3的平均含水率确定,长度为80 mm试片的含水率由试片Y1和Z3的平均含水率确定。长度为105、80 mm试件的含水率估算值分别为55.79%、53.77%;而105、80 mm试件通过烘干法测量的含水率为52.44%、51.49%,分别比估算值小3.35%、2.28%。其原因是,由于在估算试件含水率时使用的是其两端试片含水率的平均值,将木材看作匀质材料[19],而木材本身为多孔各向异性材料,存在变异性,试件顺纹方向的含水率非均匀分布;在试验材料的制备过程中,锯切试片时摩擦热量导致部分水分蒸发[20]、劈切小木块时会产生木屑,这意味着试件的实测数据并不能完全代表锯切前试材的真实数据;由于105、80 mm试件的体积远大于小木块,干燥时间更长,103 ℃高温环境时试件中的挥发性有机物(醛类、萜烯类等)相比小木块更难挥发及降解[21],这会导致小木块绝干质量偏低,含水率计算结果偏高;试验操作问题,虽然每次将105、80 mm试件取出测量后及时放入密封袋中保存,但其难免会与空气接触后吸湿,进而影响测量精度。

为了提高测量精度和准确性,可在切割试件时选择锋利或切割速度较慢的工具来减少摩擦产生的热量;干燥含水率试片时应降低干燥温度以减少其他挥发性有机物的挥发;优化试验操作,试件从烘箱中取出后,应尽快称质量或及时放入带有干燥剂的密封袋中保存,防止试件重新吸湿,还可采用在线检测设备称质量,以避免试件与空气的直接接触。

3 结论

本研究使用烘箱对楸木试材进行干燥试验,对木材含水率在顺纹和横纹方向上的分布规律、试片平均含水率的计算公式、试件含水率估算值与真实值的差异进行了讨论。

在木材顺纹方向,试片的含水率与锯截位置之间具有显著相关性,试片间隔越远含水率差异越明显。

在木材横纹方向,不同锯截位置的试片含水率分布规律一致,含水率由髓心沿木材弦向、径向降低。木材含水率分布的等高线与试件年轮走向大体一致。各小木块的含水率与其所在截面位置具有显著相关性,距髓心越近的含水率越高。

因试件截面较小且含水率分布均匀,以小木块质量作为权重求试片含水率的加权平均值与普通的加权平均得到的结果仅差0.1%左右。

长度为105、80 mm试件的含水率估算值比实际值大3%左右,在实验研究与生产上应引起关注。可以使用锋利的切割工具、降低试片干燥温度以及在线测量质量等优化试验操作来减小误差。