机械处理对落叶松原木干燥与力学性能的影响*

褚江依 王斯栋 惠建平 张凤毫 江京辉

（1.中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091；2.内蒙古赤峰市喀喇沁旗旺业甸实验林场，内蒙古 赤峰 024423）

落叶松（Larixspp.）是东北和华北林区的主要树种[1]。第九次森林资源清查结果显示，我国落叶松的蓄积量达9.36亿m3[2]。落叶松力学强度高，天然耐腐性好，纹理美观，能调节室内湿度平衡[3]，因此常作为室内装饰和家具制作材料，或作为制浆造纸原料等[4-5]。松木在我国的应用由来已久，如用于廊桥、栈道及木结构建筑，在故宫等古建筑的木构件中，落叶松、硬木松（Pinusspp.）、云杉（Piceaspp.）等为常见树种[6-8]。落叶松的缺点是节子较多、树脂含量高、油漆胶合性能差、防腐处理困难等[9]，因此其应用受到一定限制。如何提高木材利用率、延长其使用寿命值得探究。

干燥是木材加工利用的关键，但原木直接干燥较为困难且容易开裂。裂纹会导致木材物理力学性能下降，而且在使用过程中，裂纹会促进吸水，招致害虫产卵，从而对木材造成进一步的破坏，影响其使用年限[10]。原木多采用大气干燥，该干燥方式节能环保，但干燥速率慢，气干2～3年的木料，其含水率仍有30%～40%，远高于我国古建筑维修规范要求的20%。原木含水率高于25%会影响防腐处理和涂饰，容易出现闷腐和开裂等现象[11]。目前以对流换热带走木材水分为原理的常规干燥技术已较为成熟[12]，常规干燥前，通常对原木做机械处理，如切割、钻孔、辊压等，以增大其与干燥介质的接触面积，有效释放应力，从而提升干燥质量。董晓璐等[13]对蒙古栎(Quercus mongolicaFisch. ex Ledeb）板材进行辊压预处理，发现弦向压缩径切板和径向压缩弦切板的干燥时间分别缩短了6.67%～23.64%和4.55%～13.02%。涂登云等[14]研究在原木外壁上开深度为3～5 mm的槽，并在常规干燥后采用干球温度60～65 ℃，湿球温度50～54 ℃调湿处理1～2 d，发现该方法可有效减少端裂和表裂，适用于小径速生原木。赵学峰等[15]研究常规干燥落叶松原木得出，中心钻孔处理使空心率达85%以上，可减缓干燥结束时的表裂。王喜明等[16-17]对钻孔后的木材作进一步的研究，在通孔内放入加热棒进行加热，干燥效果较佳,干燥后木材成分基本不变，但抗弯强度下降。Yeo[18]采用常规干燥方式干燥日本落叶松[Larix kaempferi(Lamb.)Carr.]原木，在长度方向进行中心钻孔，并作深度为直径1/3的单切口处理，发现原木干燥后横截面的含水率分布较对照材均匀，且机械性能未降低。有研究表明，外表面密封处理中心钻孔材可降低拉应力的影响和表裂的发生[19]。中心钻孔去除了部分幼龄材，因此对木材力学强度的影响较小。Park等[20]采用高温干燥和中心钻孔的方式处理沥青松原木和方材，结果表明：中心钻孔材干燥能耗大于板材，而CO2排放量小于板材。胡慕任等[21]研究了原木弯曲度与顺纹抗压强度的关系，认为原木的顺纹抗压临界应力与弯曲度和长细比呈负相关。Lim等[22]对中心钻孔圆木梁在中心点弯曲试验中的性能进行研究，发现钻孔后原木的弯曲性能基本无变化，但其承载力变得更差。

本研究以华北落叶松为对象，采用中心钻孔、钻小孔、切口处理三类10种机械预处理方式，进行常规干燥试验，探讨机械处理对原木干燥质量与力学强度的影响，以期为原木干燥利用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

华北落叶松（Larix principis-rupprechtiiMayr），采自内蒙古旺业甸林场。取22 根原木，去皮加工成直径为14 cm、长为90 cm的试样，初含水率约46.4%。另取一根原木锯解成厚6 cm的板材，气干至含水率约12.0%，用于顺纹抗压强度测试。

1.2 设备

小型高温干燥试验机（HD74/TAII），ヒFI（Ⅷ）（Ⅴ）fflasド株式会，日本；电阻式木材含水率测定仪（ST-85），上海木材工业研究所；烘箱（101-2A），绍兴市苏珀仪器有限公司；AG-X型电子万能试验机（SHIMADZU），岛津仪器有限公司；电子秤（MTW120），美乐有限责任公司。其中，高温干燥试验机最高温度可达125 ℃，最大风速5 m/s，锅炉蒸汽压力0.6 MPa。

1.3 试验方法

1.3.1 机械处理

对试样进行10种机械处理方式，设置1组对照，重复样均为2个。机械处理分为中心钻孔、钻小孔处理和切口处理。

如图1所示，中心钻孔处理是沿着原木的长度方向，钻孔去除髓心部分木材，设置3个梯度的钻孔直径，分别为50、35 mm和25 mm。对于切口处理，单切口处理深度分别为35、50 mm，双切口处理深度为25 mm，四切口处理深度为12 mm。钻小孔处理是用直径为3 mm的手钻沿径向钻孔，一圈打8个孔，钻孔圈层间隔分别为5、10 cm和15 cm。加工后用石蜡封端处理。

图1 机械处理示意图Fig.1 Schematic diagram of mechanical treatment

1.3.2 力学性能测试

原木气干后加工成长900 mm、直径50 mm的4 根小圆柱体，选取无疵的部分锯截成高75 mm的小试样30个。采取9 种处理方式，分别为单切口深10、15 mm和20 mm；双切口深5、7.5 mm和10 mm；四切口深5 mm，切口宽度3 mm；中心钻孔直径7、12 mm。每种3 个重复量，并设置未处理的对照组，参照ISO 13061-17《木材的物理和机械性能小型透明木材试样的试验方法第17 部分:平行于纹理压缩极限应力的测定》进行测试，并根据公式（1）和（2）计算试样的顺纹抗压强度。

图2 顺纹抗压试验Fig. 2 Compression test along the grain

式中：W为试样的含水率，%；σW为试样含水率W时的顺纹抗压强度，MPa；σ12为试样含水率12%时的顺纹抗压强度，MPa；Pmax为破坏载荷，N；S为试样的底面积，mm2。S包括两个面积，去除机械处理部分的实际面积S1和名义面积S2。

1.3.3 干燥基准

根据前人研究并在已有试验基础上，进一步完善并拟定了原木的常规干燥基准，如表1 所示。

表1 干燥基准Tab.1 Drying reference

1.3.4 干燥速率计算

干燥速率表示木材在干燥过程中单位时间的含水率变化值[23]。每种处理方式的试样制作: 在距离原木端头10 cm处锯切2 cm厚的含水率锯片2 个。称重后放入（103±2） ℃的烘箱中至绝干，称取绝干质量，计算得到初含水率。对检测的11 根试样称重，计算得到其绝干质量，通过公式（4）计算出终含水率，用差值除以干燥的时间即得到试样干燥速率，结果取平均值,用于分析比较。

式中：m绝为试样的绝干质量，g；M0为试样的初始含水率，%；m初为试样初始质量，g；Mx为试样的过程含水率，%；mx为试样质量，g；V为木材的干燥速率，%/h；M1为木材在干燥初期的含水率，%；M2为干燥结束的含水率，%；ΔT为干燥时间，h。

2 结果与分析

2.1 切口对顺纹抗压强度的影响

切口数量和深度是重要的变量，Evans等[24]研究了单一和双重切口对CCA-C（铜铬砷合剂）处理的辐射松（Pinus radiataD. Don）木材干燥质量的影响，发现双切口比单切口能更有效减少开裂。如图3 所示，去除机械处理部分表面积计算得到实际顺纹抗压强度1，并与不去除该部分面积的理论值进行对比。整体而言，实际值略高于理论值，而双切口优于单切口和四切口处理。

图3 顺纹抗压强度Fig.3 Compression strength along the grain

从表2 中顺纹抗压强度1 数据可知，当切口深度总和一定，为10 mm时，双切口相较单切口抗压强度提高了17.7%；随着深度和的增加，当达到15 mm时，其抗压强度增加趋势减弱，较单切口提高了5.6%。深度和进一步增加到20 mm时，双切口每个切口的深度接近半径的一半，此时双切口的破坏程度过高，较单切口的抗压强度减少了4.8%。这与前人的研究结果吻合。

表2 顺纹抗压测试结果Tab.2 Results of compression strength parallel to grain of wood

切口数量一定，随着切口深度的增加，应力得到进一步的释放，抗压强度呈现先提高再下降的趋势。对比单双切口发现，该趋势在两种处理方式上表达一致。单切口从10 mm增加到15 mm时，抗压强度提高了14.8%；而切口深20 mm的抗压强度相较于切口深15mm提高了0.5%。双切口的变化则更缓和，切口深从5 mm增大到7.5 mm时，抗压强度只增加了3%。当切口深度继续从7.5 mm增加到10 mm时，抗压强度降低了9.2%。中心钻孔处理时，其抗压强度相较于对照组略有降低，但仍是4 种处理方式中最优的。对比中心钻孔直径7、12 mm两组，发现两者的顺纹抗压强度差异较小，可忽略不计。

2.2 常规干燥速率

检测干燥过程中的含水率变化，并计算得出不同机械处理方式的干燥速率。当试样从初含水率46.4%干燥到13.8%时，整体而言，钻孔处理干燥速率大于切口处理，其中中心钻孔的干燥速率最大，平均为0.039 %/h。这可能是因为中心钻孔去除了较多的原木组织，使得原木与干燥介质的接触面积增大，水分移动路径缩短。为进一步探究风向对原木干燥的影响，中心钻孔50 mm处理的原木平行于风向码放，风直接通过钻孔，可以迅速带走水分，干燥速率得到有效提升，相较于中心钻孔组均值提高了41%，相较对照组提高了27.9%。对于切口处理，切口总深度一定，增加切口数量能提高干燥速率。切口总深度为60 mm，四切口干燥速率为0.033 %/h，较双切口提高了32%，较单切口提高了65%。切口数量的增加提高了水分散失的均匀度，因而对干燥速率的提高有促进作用。钻小孔处理的干燥速率略高于切口处理，由于孔的数量最多，孔层间距5 cm处理的原木干燥速率最快，为0.036%/h，这可能是因为该处理方式下的钻孔量最大。

2.3 常规干燥质量

干燥过程中，原木直径方向存在内高外低的含水率梯度差，会产生干燥缺陷[25]。 从表3 可知，切口处理的原木干燥质量最佳，钻小孔处理的最差。根据木结构工程施工质量验收规范，以裂缝对原木分等，其中单切口60 mm、双切口、四切口和中心钻孔35 mm处理方式的原木干燥端裂较少，符合一等材的要求。双切口和四切口具有对称性，水分向四周移动较为稳定，干燥后切口进一步加深，但无端、表裂现象。由于应力的释放较为集中，单切口处理的原木出现了不同程度的开裂，表裂总长随切口深度增加而减小，单切口60 mm试样的表裂总长为对照组的39%，这可能是切口的加深让应力释放更充分。中心钻孔处理方式，表裂总长与孔径大小成正比，孔径50 mm的原木其表裂总长约是孔径25、35 mm原木的1.3倍。钻小孔处理由于钻孔小、数量多，对原木结构破坏较大，干燥后出现了较多的长表裂，孔层间距10 cm时的开裂总长略高于对照组。

表3 干燥速率及缺陷Tab.3 The drying rate and defects

3 结论

本研究探讨了中心钻孔、钻小孔、切口处理三类10种机械预处理方法对华北落叶松干燥质量的影响，得出以下结论：

1）适当增加切口深度能有效提高木材的力学强度，但深度不宜超过原木半径。双切口的抗压强度优于单切口。当切口总深度一定，为10、15 和20 mm时，双切口的抗压强度较单切口分别提高17.7%、5.6%和降低4.8%。

2）中心钻孔类干燥速率最大，切口处理类干燥速率最小。切口深度一定，干燥速率随切口数量的增加而提高；当切口总深度为60 mm，四切口干燥速率分别较双切口和单切口提高了32%和65%。

3）切口处理的原木干燥质量最佳，钻小孔处理的质量最差。中心钻孔处理表裂总长与孔径大小成正比。

机械预处理去除了原木的部分组织，能有效节约运输成本，且对原木抗压强度的影响较小，为木结构建筑用料的加工提供了技术支撑。后续将进一步加大取样量，并选用不同的树种对研究结论进行进一步的验证。