意杨已被广泛种植,由于该树种生长迅速,材质好,已成为木材加工利用的主要原料。尽管国家“八五”科技攻关对毛白杨等速生树种的木材进行了较为深入的干燥研究,但对意杨木材的高温干燥研究尚不深入,为此作者将通过一系列的高温干燥研究为今后合理利用这一树种提供理论依据。
木材干燥应力是产生木材干燥缺陷的主要原因,它的发生发展和变化与木材中含水率的变化密切相关,由此也成为研究和制定木材干燥工艺基准的主要参数和依据。
早在50年代Mc Millen(1955) [1]就提出了测定木材干燥应力的分层切片法,由于该方法操作简便易行,对测定仪器设备的要求不高,故被沿用至今。以后Mc Millen(1963) [2]又发表了关于木材干燥应力的专题论述,讨论了木材干燥中所表现出的表面硬化和塑化变定的形成机理。Ugeolev在1959年提出用相对变形测定木材干燥应力的方法,之后又发表了一系列关于木材干燥应力应变模型理论和测定方法的研究论文[3]。Mc Millen和Ugeolev的工作为木材干燥应力研究奠定了理论基础和试验方法。R. Tan(1972) [4]根据木材径弦向收缩各向异性的原理提出了用弦高法分析木材干燥应力。近10年来,随着木材科学和木材干燥技术的发展以及现代高新测试仪器和技术引入木材干燥的研究领域,出现了声发射法、应变片法和非接触法等诸多方法用于测定木材干燥应力。木材干燥的过程就是木材在高温高湿和长时间作用下由于木材内部水分变化而引起木材内应力发生发展和变化的过程,在这过程中当木材的内应力超过木材的横纹抗拉强度木材就会发生开裂。随着研究的深入,流变力学和断裂力学理论被用于分析干燥中的应力应变。Erickson(1989, 1994) [5, 6]采用切片法分析了红栎干燥中干燥温度对机械吸附蠕变的影响。Morihiko (1985) [7]进行了干燥速率对木材蠕变特性影响的研究。Nobuo (1989) [8]用小样拉伸断裂试验方法研究了干燥中木材的断裂特性。Rice (1990) [9]分析了红栎干燥中蠕变变化的数学模型。Salin (1992) [10]用数值分析方法提出了机械吸附蠕变的力学模型。Q. Wu (1994, 1995) [11, 12]发表了一系列文章讨论木材干燥中的流变行为并用小样试验方法进行验证。我国学者,周宝华等[13~24]均对木材干燥应力进行了研究。
图1
图1
从板材上锯解的厚度为3 mm的表层试样
Fig.1
Slice with a 3 mm thick surface wafer cut from a drying board
1 试验材料及试验方法
1.1 试验材料
试材取自南京林业大学杨树组杨树试验基地的美洲黑杨(Populus deltoides Bartr.),树龄8年生,平均胸径26 cm,树干圆满通直,无偏心。试材经四面刨光后的规格为2000 mm ×120 mm ×30 mm。存入干燥实验室的水池中备用。
1.2 试验方法
试验在试验室的小型金属壳体电加热干燥机内进行,为了比较高温干燥与常规干燥的差异性,选择了四种干球温度即85 ℃、105 ℃、115 ℃和125 ℃,在整个干燥过程中干湿球温度保持恒定,保持恒定的风速为1.0 m/s。
为了尽可能减少端部的水分蒸发,试样每次锯切后均在两端用SI LICONE 338耐高温胶封涂。试验从湿材一直干燥到平均含水率低于16 %,以便分析整个干燥过程中的水分变化规律。其中85 ℃用于模拟常规干燥,其它各温度用于分析高温干燥。在进行预备试验时,曾设定Td =135 ℃的高温干燥试验,但因温度太高,木材在干燥7 h后表面开裂,在15 h后产生皱缩和内裂,故取消该温度水平试验。
2 木材干燥应变的流变模型
2.1 流变模型理论的提出
50年代国外学者为了简单起见,一般把木材干燥中的应力看成是线弹性应力,并建立了一套应力模型, 60年代以后我国学者参照国外的经验在线弹性模型的基础上分析了木材的干燥应力。随着现代科学技术的不断发展,木材干燥应力分析也得到相应提高, 80年代以来,流变力学理论引入木材科学界并用于分析木材干燥过程中的流变特性,该理论将木材干燥中的弹性、弹塑性和塑性细分为木材固有的干缩应变;满足虎克定律的瞬间弹性应变;与温度关系密切的粘弹性蠕变应变和与含水率关系密切的机械吸附蠕变应变。
针对建立干燥应力模型理论,既要简便可行,又能用于生产实际,并且还有一定测定精度的原则,作者采用改进的切片法来测定木材干燥中的应变变化。即为了能在同一块板方材上同时测定所建模型的各流变参数,对前人提出的试验方法进行了适当改进和补充,这样有利于实现试验数据的完整性和统一性,不仅数据之间有可比性,而且可以用来分析实际干燥过程中应变发展的实际情况。
2.2 模型的建立与求解
图2
图2
测定各应变分量的示意图
Fig.2
The components of strain illustrated by a 3 mm thick surface wafer
式中: εT为总应变, εS为干缩应变, εE为弹性应变, εC为粘弹性蠕变应变, εM为机械吸附蠕变应变。
干燥中变形的测定方法:先测定湿材表层的板宽即初始长度L0;干燥过程中定时将样板取出并锯下小试样,测量表层劈开前的长度L1;将表层劈下,测定其劈开后的长度L2;再将该试样放在室内气干,至含水率稳定后测定长度L3;基本收缩试样长度L4是干燥前,在同一块样板上制取表层试片经缓慢气干最后缓慢烘至全干时测得。所测应变中负值为拉伸应变;正值为压缩应变。
图3中L1 -L2部分是试样在时刻T1应力释放后产生的瞬间弹性变形,用(δE表示; L2-L3部分是试样切开后至充分回恢到T2时刻的变形,反映木材粘弹性的延迟弹性变形,用δC表示粘弹性蠕变变形; L3-L4是恢复变形与基本收缩变形的差值,是木材经干燥后不可恢复的永久变形,用δM表示机械吸附蠕变变形。因此若不考虑各树种干缩产生的变形,仅分析干燥过程中产生的纯变形,有下式
图3
式中:δT为总变形, δS为干缩变形。将(6)转换为应变,则可变为:
式中: εNET为纯应变。由此可见,本文中提到的弹性应变相当于木材干燥教材[24]中的含水率应变,粘弹性应变与机械吸附蠕变应变之和相当于残余应变。
3 结果与分析
3.1 木材含水率的变化
图4
图4
四种干燥条件下含水率、干缩应变、弹性应变、粘弹性蠕变应变、机械吸附应蠕变应变和纯应变随干燥时间的变化
Fig.4
Shows the moisture content, shrinkage, elastic, visco-elastic creep, mechano-sorptive creep and net strains as the function of drying time for four drying schedules
在FSP以上干燥速度较高,而FSP以下干燥速度较低的现象表明,在含水率较高的干燥初期,水分迁移的阻力在木材表面,水分迁移主要靠毛细管张力作用,传热对水分排除起主导作用;在含水率较低的干燥后期,水分迁移的阻力主要在木材内部,水分迁移主要以扩散方式进行,传热对水分排除降为次要地位。
3.2 干缩应变的变化特点
从图4(b)中的曲线可见,高温干燥作用使木材中水分受热产生热膨胀,从而导致木材横纹线膨胀系数增大,木材不仅没有收缩反而产生热膨胀。干燥温度为85 ℃的常规干燥因木材内温度相对较低,没有出现膨胀,而是干燥一开始就出现收缩。随着干燥继续进行,尽管平均含水率仍较高,但表层含水率已降至FSP以下,木材由膨胀转为收缩,并且干缩应变值随干燥时间的增加而增加。
在FSP以上时,表层含水率降低速度很快,干缩应变变化不大,在115 ℃和125 ℃的情况下,木材不仅没有收缩反而膨胀,到FSP以后木材急剧收缩,直到干燥结束。85 ℃和105 ℃因干燥温度相对较低,含水率高于FSP以前,随着木材含水率的减少木材缓慢干缩,到FSP以后木材急剧收缩。
3.3 弹性应变的变化特点
图4(c)的弹性变化过程遵循弹性应变的一般规律,即干燥开始,木材表层处于拉伸应变状态,在干燥前期,随着干燥的进行表层拉伸应变数值逐渐增加,一直达到最大后逐渐减少;进入干燥后期,表层拉伸弹性应变值继续减少至0后转向,由拉伸弹性应变向压缩弹性应变发展,随着干燥的继续进行,压缩弹性应变值逐渐增加至干燥结束。
干燥初期尽管木材平均含水率高于FSP,但由于不均匀干缩的原因,表层要收缩而受到内部各层的拉伸使表层处于拉伸应变状态,随着干燥的进行当含水率在FSP左右,出现最大拉伸应变,以后应变转向由拉伸向压缩转变,并在干燥结束时出现最大压缩弹性应变。从图中数据可见,杨木的表层拉伸应变不大,而压缩应变远大于拉伸应变,这就是杨木干燥初期没有表裂,而干燥后期出现内裂和皱缩的原因,尤其是高温干燥在后期会出现内裂和皱缩。
3.4 粘弹性蠕变应变的变化特点
在干燥初期的1.5 ~ 7 h,粘弹性蠕变应变很快由0上升到拉伸应变的最大值,以后随干燥的进行,拉伸应变逐渐减少,并向压缩应变状态转变,如图4(d)所示。
3.5 机械吸附蠕变应变的变化特点
表4 表层机械吸附蠕变应变的最大值
Table 4
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高温干燥使得木材表层产生较大的塑化变定,并形成表面硬化。木材干燥中以及干燥结束后机械吸附蠕变应变的数值最大,是影响木材干燥应力的主要因素。机械吸附蠕变应变属于永久应变,在干燥试验过程中和干燥结束后均存在于木材中。
从表层机械吸附蠕变应变的变化特点可以认为,尽管干燥初期没有发现木材表裂,但由于它达最大值后趋于稳定,产生的塑化变定会对干燥后期木材内层的正常收缩造成阻碍而有可能产生内裂,机械吸附蠕变应变的数值越大,内裂的危险也越大,因此机械吸附蠕变应变的最大值可以作为工艺上进行高温高湿中间处理的依据。
3.6 纯应变的变化特点
从图4(f)可知,由干燥而引起的纯应变是除去木材自身干缩而产生的全部应变的代数和,前面的分析结果表明,对于杨木来说,干燥过程中以及干燥结束后存在于木材中的主要应变是机械吸附蠕变应变,纯应变的大小主要取决于机械吸附蠕变应变的大小。因此我们也可以用纯应变判断木材干燥应力的大小,并根据纯应变来决定何时需进行何种干燥工艺处理。
4 结论
干燥开始阶段,高温干燥使木材横纹线膨胀系数增大,木材不仅没有收缩反而产生热膨胀。常规干燥因木材内温度相对较低,没有出现膨胀,而是干燥一开始就出现收缩。
杨木的表层拉伸应变不大,而压缩应变远大于拉伸应变,这就是为什么杨木干燥初期没有表裂,而干燥后期出现内裂和皱缩的原因,尤其是高温干燥在后期会出现内裂和皱缩。作者在进行干燥温度为135 ℃的高温试验时,就出现了由于应力转向产生的内裂和皱缩,因此在用高温干燥工艺快速干燥杨木这一类软阔叶树材时,在干燥后期应注意由于干燥应力转向而引起的干燥缺陷。
粘弹性蠕变应变随干燥温度的增加而减少,比较各应变分量在整个干燥过程中所起作用来看,粘弹性蠕变应变大于弹性应变,小于机械吸附蠕变应变对干燥应力的影响。
高温干燥使得木材表层产生较大的塑化变定,并形成表面硬化。尽管干燥初期没有发现木材表裂,但产生的塑化变定会对干燥后期木材内层的正常收缩造成阻碍而有可能产生内裂,机械吸附蠕变应变的数值越大,内裂的危险也越大,因此机械吸附蠕变应变的最大值可以作为工艺上进行高温高湿中间处理的依据。
*作者博士论文中的一部分。
参考文献
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Effect of drying stress on the fracture toughness of wood
Numerical prediction of checking during timber drying and a new mechano-sorptive creep model
DOI:10.1007/BF02663286 [本文引用: 2]
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