宋濤雲(yún) 付宗營(yíng) 蔡英春

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，具有天然、低碳環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)的木結(jié)構(gòu)建筑備受青睞，大斷面鋸材的需求量逐年遞增[1]。然而大斷面含髓心方材由于干縮異向性、含水率梯度和溫度梯度等影響，在干燥過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的干燥應(yīng)力并導(dǎo)致開(kāi)裂、變形等干燥缺陷，嚴(yán)重制約著其在木建筑行業(yè)的應(yīng)用。為解決大斷面含髓心方材干燥難、易開(kāi)裂等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)不斷努力，取得了一定研究成果。

涂登云等運(yùn)用高溫水供熱系統(tǒng)干燥速生杉木方材。生產(chǎn)性試驗(yàn)表明，6 d內(nèi)初含水率為55.5%的杉木方材干至終含水率5.4%，干燥質(zhì)量符合細(xì)木工板的要求[2]。Andi Hermawan et al.研究表明隨著高溫低濕預(yù)處理溫度和時(shí)間的增加，杉木方材表裂面積逐漸減小[3]。李曉玲等以日本柳杉髓心方材為試材進(jìn)行高頻真空干燥試驗(yàn)。結(jié)果表明，干燥前對(duì)木材進(jìn)行合理的處理，可有效地提高干燥質(zhì)量，尤其可減少開(kāi)裂的產(chǎn)生[4]。Piao et al.研究了高頻-對(duì)流聯(lián)合干燥高頻加熱介入的時(shí)機(jī)。試驗(yàn)表明：在含水率降至20%之前采用常規(guī)對(duì)流干燥，之后采用雙熱源干燥，既能縮短干燥時(shí)間、降低能耗，又能有效減少柳杉方材表裂的產(chǎn)生，提高干燥質(zhì)量[5]。綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在大斷面方材的干燥研究上雖取得了一定成果，但干燥過(guò)程中木材溫度梯度對(duì)干燥速率、質(zhì)量等的影響卻鮮有涉及。

鑒于以上，本研究對(duì)斷面120 mm×120 mm的落葉松含髓心方材進(jìn)行高頻-對(duì)流聯(lián)合加熱干燥，通過(guò)控制雙熱源匹配獲得木材橫斷面上的不同溫度梯度，檢測(cè)不同溫度梯度的干燥過(guò)程中木材的干燥速率、干燥開(kāi)裂、含水率分布、應(yīng)變等變化。通過(guò)分析這些參數(shù)的變化，解析溫度梯度對(duì)干燥速率、應(yīng)力及質(zhì)量等的影響，進(jìn)而確定適宜的干燥梯度，以期為確定適宜的雙熱源干燥工藝提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

試材選自黑龍江興安落葉松小徑原木鋸制4 000 mm×120 mm×120 mm含髓心方材，初含水率為34.1%～40.7%。氣干密度0.669 g/cm3，基本密度0.528 g/cm3，徑向干縮系數(shù)0.178%，弦向干縮系數(shù)0.403%。由其加工成900 mm×120 mm×120 mm的試材24根，用酸性硅酮玻璃膠進(jìn)行單端封閉處理，以保證水分自側(cè)面和1端口遷出，對(duì)于水分遷移，相當(dāng)于將試材延長(zhǎng)至2倍。由一根方材鋸制成的3根試材，分別置于1#和2#材堆(圖1)和另一批實(shí)驗(yàn)的2#材堆。

實(shí)驗(yàn)型雙熱源干燥設(shè)備，對(duì)流干燥裝置委托哈爾濱華意干燥設(shè)備有限公司生產(chǎn)，內(nèi)部可堆放4個(gè)0.5 m3高頻加熱單元材堆；JYC型高頻發(fā)生器委托石家莊紀(jì)元電氣有限公司制造，本實(shí)驗(yàn)參照夏興華等的研究結(jié)果[6]，選定輸出功率為4 kW。

1.2 方法

本研究進(jìn)行了2批實(shí)驗(yàn)，干燥工藝按表1和表2執(zhí)行。每批實(shí)驗(yàn)在干燥室內(nèi)擺放2個(gè)材堆，每個(gè)材堆擺放試材8塊。第1批實(shí)驗(yàn)，干燥工藝為表2中S1，2個(gè)材堆對(duì)應(yīng)位置試材由同一根方材鋸得。1#進(jìn)行對(duì)流加熱干燥，2#進(jìn)行高頻對(duì)流聯(lián)合加熱干燥。1′為溫度檢驗(yàn)試材；2和2′為含水率檢驗(yàn)試材，用于檢測(cè)干燥速度，同時(shí)觀察其開(kāi)裂情況(寬度小于2 mm或長(zhǎng)度小于10 mm的開(kāi)裂忽略不計(jì))；3和3′為應(yīng)變和含水率分布檢驗(yàn)試材。第2批實(shí)驗(yàn)，干燥工藝為表2中S2，2#材堆中各位置試材與第1批實(shí)驗(yàn)2個(gè)材堆對(duì)應(yīng)位置試材由同一根方材鋸得，1#材堆中試材與前述3個(gè)材堆中對(duì)應(yīng)位置試材材性難以一致，所以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)僅用于參考。

圖1 試材堆放方式

2批實(shí)驗(yàn)干燥工藝的對(duì)流加熱均采用表1所示干燥基準(zhǔn)，干燥前首先進(jìn)行36 h的預(yù)熱升溫，之后干球溫度恒定，始終設(shè)定為70 ℃，濕球溫度每隔48 h降低2 ℃；高頻加熱、停歇，從正式干燥開(kāi)始直至干燥結(jié)束，按表2實(shí)施：S1，高頻加熱30 s，停歇600 s；S2，高頻加熱90 s，停歇1 200 s。每批試驗(yàn)的干燥進(jìn)程以雙熱源加熱的材堆為準(zhǔn)，即當(dāng)2#材堆到達(dá)目標(biāo)含水率時(shí)，該批試驗(yàn)結(jié)束。設(shè)定木材預(yù)熱升溫階段為干燥初期，MC(含水率)≥30%為干燥前期，30%>MC≥20%為干燥中期，20%>MC≥15%為干燥后期。

本實(shí)驗(yàn)選取靠近接地極板一側(cè)的試材埋入測(cè)溫范圍為-40～350 ℃的T型銅-銅鎳熱電偶，埋入部位如圖2所示。采用XJY-160智能快速溫度巡檢儀，在高頻加熱停歇期間讀取溫度數(shù)據(jù)。

表1 對(duì)流加熱干燥基準(zhǔn)

表2 高頻對(duì)流聯(lián)合加熱干燥工藝

圖2 試材溫度檢測(cè)部位(圖中數(shù)據(jù)單位為mm)

含水率試片規(guī)格為10 mm×120 mm×120 mm，由材堆中的3號(hào)試材干燥至規(guī)定時(shí)刻取出在靠近膠封端截取，之后封端放回材堆中原處。試片再按圖3分解并標(biāo)號(hào)成25塊規(guī)格約為10 mm×24 mm×24 mm的小試件，令1～16號(hào)為表層，17～24號(hào)為中間層，25號(hào)為芯層，用稱重法測(cè)算每塊的含水率。芯表層含水率差(Δu)用下式計(jì)算：

(1)

式中：mi是編號(hào)為i的試件即時(shí)稱重時(shí)的質(zhì)量(g)；m0i是編號(hào)為i的試件的絕干質(zhì)量(g)。

按圖4分解應(yīng)變切片規(guī)格約為5 mm×10 mm×120 mm，分別用來(lái)測(cè)算木材上表層(A)、側(cè)表面(B)、中間層(C)和芯層(D)的瞬時(shí)彈性應(yīng)變。

瞬時(shí)彈性應(yīng)變(εe)=(L1-L2)/L0。

式中：L0為應(yīng)變?cè)嚻稍锴俺叽?mm)；L1為應(yīng)變?cè)嚻纸馇俺叽?mm)；L2為應(yīng)變?cè)嚻瑒偡纸夂蟮乃矔r(shí)尺寸(mm)。

圖3 含水率分布試片分解示意圖

a.為應(yīng)力切片在應(yīng)力試片厚度方向上的分解位置;b.為應(yīng)力切片在應(yīng)力試片上寬度方向上的分解位置;c.為應(yīng)力切片在不同狀態(tài)時(shí)的尺寸。

2 結(jié)果與分析

2.1 高頻加熱與木材溫度梯度及其變化的關(guān)系

由圖5可知，高頻加熱30 s木材獲得最大芯表層溫度差(Δtcs=tc-ts)為5 ℃(溫度梯度0.11 ℃/mm)，約10 min后降至3 ℃(溫度梯度0.07 ℃/mm)。高頻加熱90 s木材獲得最大芯表層溫度差(Δtcs)為6 ℃(溫度梯度0.13 ℃/mm)，約20 min后降至4 ℃(溫度梯度0.09 ℃/mm)；木材表層溫度與環(huán)境溫度的差值(Δtsf)，高頻加熱30 s、停歇10 min時(shí)為9～5 ℃，高頻加熱90 s、停歇10 min時(shí)為10～2 ℃。由上述結(jié)果亦知，高頻停歇時(shí)間縮短，木材溫度梯度的變化范圍及木材表層溫度與環(huán)境溫度差的變化范圍縮小。

2.2 木材溫度梯度對(duì)其干燥質(zhì)量及干燥速度的影響

表3概括了2批實(shí)驗(yàn)4個(gè)材堆按基準(zhǔn)S1、S2干燥的速度、質(zhì)量等結(jié)果。為證明溫度梯度對(duì)干燥質(zhì)量的影響，另做一組補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，采用相同干燥基準(zhǔn)，觀察每組實(shí)驗(yàn)所有試材的開(kāi)裂情況。因?yàn)槁淙~松含髓心方材即使在溫度較低，濕度較高的條件下干燥，也會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂，因此出現(xiàn)了表3所示開(kāi)裂結(jié)果，即，對(duì)流加熱的1#-S1和1#-S2兩個(gè)材堆均出現(xiàn)較嚴(yán)重開(kāi)裂。經(jīng)高頻-對(duì)流聯(lián)合加熱的材堆，在2.1項(xiàng)所示芯表層溫度梯度作用下，開(kāi)裂數(shù)量和開(kāi)裂程度均減小。將芯表層溫度差由5～3 ℃(2#-S1材堆)提升至6～4 ℃(2#-S2材堆)，表裂數(shù)量由10～13條減少到5～10條，最大表裂寬度由2.4～4.7 mm減小到1.3～2.1 mm。

a.高頻加熱30 s后停歇期內(nèi)木材芯、表層溫度在兩個(gè)加熱周期內(nèi)的變化曲線；b.高頻加熱90 s后停歇期內(nèi)木材芯、表層溫度在兩個(gè)加熱周期內(nèi)的變化曲線。

表3 部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 試材開(kāi)裂情況

圖6是4個(gè)材堆試材在不同工藝下的干燥曲線，干燥初期木材含水率增大是因?yàn)轭A(yù)熱升溫階段木材表面產(chǎn)生少量吸濕。

圖6 4個(gè)材堆中試材的干燥過(guò)程曲線

由圖6和表3可知，高頻加熱使木材產(chǎn)生內(nèi)高外低的正向溫度梯度，對(duì)其含水率變化有非常明顯的作用。相同干燥時(shí)間內(nèi)，雙熱源加熱的木材含水率下降速度顯著提高，率先降至目標(biāo)含水率15%。2#-S1和2#-S2相比可知，增加高頻發(fā)振時(shí)間，芯表層溫度差(正向溫度梯度)增大，木材干燥速率增大，總干燥時(shí)間縮短。由此可知，木材溫度梯度是其內(nèi)部水分遷移的驅(qū)動(dòng)力之一，水分遷出速度隨著正向溫度梯度的增大而增大。

2.3 木材溫度梯度對(duì)其含水率分布的影響

圖7示出了4組材堆試材在不同溫度梯度干燥工藝下芯表層含水率差(厚度上含水率偏差，Δu)的變化，圖8描述了4組材堆試材橫斷面上的初含水率分布及其在不同溫度梯度干燥工藝下的終含水率分布。由圖7可知，對(duì)流加熱的1#-S1和1#S2兩組材堆的Δu在進(jìn)入正式干燥階段開(kāi)始后持續(xù)增加，干燥后期Δu略有下降。高頻加熱30 s的2#-S1材堆，正向溫度梯度0.11～0.07 ℃/mm，Δu雖然與單獨(dú)對(duì)流加熱干燥過(guò)程中的變化趨勢(shì)基本相同，但全過(guò)程都較前二者低得多。經(jīng)高頻加熱90 s的2#-S2材堆，正向溫度梯度0.13～0.09 ℃/mm，Δu先增大，24 h之前，與單獨(dú)對(duì)流加熱干燥過(guò)程中1#-S1的變化相近，之后開(kāi)始下降，約79.5 h后，低于高頻加熱30 s的2#-S1材堆。由上述結(jié)果可知，高頻加熱產(chǎn)生木材正向溫度梯度對(duì)減小木材芯表層含水率差的作用，主要體現(xiàn)在干燥的中后期，且作用效果隨溫度梯度增大而增強(qiáng)；而干燥前期，較大正向溫度梯度并不能減小厚度上含水率梯度。圖8亦表明了這一結(jié)果，即，試材橫截面上終含水率分布隨其溫度梯度增大而趨于均勻。原因?yàn)楦稍锴捌?、纖維飽和點(diǎn)之上，木材內(nèi)部自由水在毛細(xì)管張力和加熱引起的水蒸汽壓力差作用下向移動(dòng)蒸發(fā)界面遷移，在該處蒸發(fā)后以水蒸汽形式向材外遷出。90 s高頻與對(duì)流聯(lián)合加熱干燥，盡管使試材產(chǎn)生了較大正向溫度梯度，使水蒸汽分壓增大、自由水黏度降低，促進(jìn)了自由水向移動(dòng)蒸發(fā)界面的流動(dòng)；但蒸發(fā)面溫度高、水分蒸發(fā)強(qiáng)度大，移動(dòng)蒸發(fā)界面與試材周圍干燥介質(zhì)溫度差大，兩者間結(jié)合水向材外擴(kuò)散強(qiáng)度亦增大。所以，干燥速度加快而芯表層含水率差較單獨(dú)對(duì)流加熱干燥時(shí)無(wú)多大變化。試材干燥中后期、纖維飽和點(diǎn)之下，結(jié)合水主要在擴(kuò)散勢(shì)下向材外擴(kuò)散，高頻加熱時(shí)間增長(zhǎng)，試材溫度梯度增大，擴(kuò)散強(qiáng)度增大，因而含水率分布更趨于均勻。

圖7 不同工藝下試材芯表層含水率差隨干燥時(shí)間變化

a.1#-S1的初含水率分布；b.1#-S1的終含水率分布；c.2#-S1初含水率分布；d.2#-S1的終含水率分布；e.1#-S2初含水率分布；f.1#-S2的終含水率分布；g.2#-S2初含水率分布；h.2#-S2的終含水率分布。

2.4 干燥過(guò)程中木材表層應(yīng)變的變化

圖9為不同溫度梯度的雙熱源干燥過(guò)程中圖4所示試材上表層、側(cè)表面、中間層和芯層的彈性應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線。干燥應(yīng)力等于彈性應(yīng)變與彈性模量的乘積，因此該圖可以在定性的角度上反應(yīng)出木材厚度方向上干燥應(yīng)力的發(fā)展和釋放趨勢(shì)[7]。正數(shù)為伸彈性拉應(yīng)變，負(fù)數(shù)為縮彈性壓應(yīng)變。

可知：①不同溫度梯度的雙熱源干燥過(guò)程中，試材上表層與側(cè)表面彈性應(yīng)變的變化趨勢(shì)基本相同。即，干燥前期呈拉伸應(yīng)變，后期為壓縮應(yīng)變，溫度梯度大的2#-S2，均大于梯度小的2#-S1。然而，前期除僅對(duì)流加熱的1#-S1側(cè)表層較上表層彈性應(yīng)變大之外，溫度梯度較大的2#-S1、2#-S2，側(cè)表層較上表層明顯要小。其原因是，試材髓心并不在橫斷面的中心，上表層較次表層更接近弦向，干縮異向性使得前者較后者在相同含水率變化時(shí)收縮大，產(chǎn)生較大附加拉應(yīng)力，致使干燥前期上表層較側(cè)表層拉應(yīng)變大；而僅對(duì)流加熱時(shí)，試材上表層在含水率梯度及干縮異向性作用下產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，進(jìn)而很快產(chǎn)生某種程度表裂，應(yīng)力釋放，致使1#-S1表層A彈性應(yīng)變較小。②干燥前期，隨著溫度梯度增大，不僅上表層拉伸應(yīng)變?cè)龃?，中間層及芯層的壓應(yīng)變亦然(2#-S2大于2#-S1)。原因如2.3所述，較大正向溫度梯度不能減小厚度上含水率梯度，致使表層產(chǎn)生較大伸張應(yīng)力，但由于溫度較高，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生蠕變和應(yīng)力松弛，減少了表面開(kāi)裂(表3所示)；而僅對(duì)流加熱時(shí)，若無(wú)表裂和應(yīng)力釋放，推測(cè)應(yīng)變將與有較大正向溫度梯度時(shí)相近。③隨著干燥的進(jìn)行，低于纖維飽和點(diǎn)、干縮受外層(已產(chǎn)生拉伸蠕變)及高含水率的內(nèi)層抑制而產(chǎn)生拉伸應(yīng)變的區(qū)域，由中間層向芯層依次遞進(jìn)，且中間層的拉應(yīng)變隨溫度梯度增大而減小。④干燥中后期，中間層由于此前在拉伸應(yīng)力下產(chǎn)生了某種程度的拉伸蠕變，致使該階段其抑制相鄰部位干縮而產(chǎn)生壓應(yīng)變，其隨溫度梯度的增大而增大。芯層應(yīng)變，溫度梯度最大的2#-S2，因干燥前期表層產(chǎn)生了較大拉伸機(jī)械吸附蠕變抑制了其干縮，而產(chǎn)生了較大拉應(yīng)力；而前期未產(chǎn)生機(jī)械吸附蠕變的2#-S1，由于其抑制著含水率較其低的表層、中間層干縮而而產(chǎn)生壓應(yīng)變。⑤干燥后期，溫度梯度對(duì)試材各層應(yīng)變的影響不大。

a.應(yīng)力切片上表層的瞬時(shí)彈性應(yīng)變；b.應(yīng)力切片側(cè)表層的瞬時(shí)彈性應(yīng)變；c.應(yīng)力切片中間層的瞬時(shí)彈性應(yīng)變；d.應(yīng)力切片芯層的瞬時(shí)彈性應(yīng)變。

綜合上述和表3的開(kāi)裂統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可知，對(duì)于含髓心大斷面方材，由于較大的差異干縮系數(shù)，致使以最軟的對(duì)流加熱干燥基準(zhǔn)干燥亦難以抑制前期的表層拉應(yīng)力和開(kāi)裂。所以，對(duì)木材進(jìn)行適當(dāng)汽蒸軟化處理后，以較大正向溫度梯度干燥，前期可使其表層產(chǎn)生蠕變、抑制表裂，結(jié)合中期恢復(fù)蠕變的汽蒸處理，后期可使其內(nèi)部減小拉應(yīng)力和開(kāi)裂(內(nèi)裂)，即能保證干燥質(zhì)量，又能明顯提高干燥速度；對(duì)于不含髓心方材或其它規(guī)格大斷面鋸材，中后期施加高頻，以較大正向溫度梯度干燥為宜。

3 結(jié)論

高頻加熱30 s木材獲得最大芯表層溫度差(Δtcs=tc-ts)為5 ℃；加熱90 s，Δtcs為6 ℃。通過(guò)調(diào)節(jié)高頻-對(duì)流雙熱源的匹配(高頻加熱和停歇的時(shí)間)，可控制試材干燥過(guò)程中的正向(內(nèi)高外低)溫度梯度。正向溫度梯度增大，試材干燥速度加快，終含水率分布均勻。將芯表層溫度差由5～3 ℃(2#-S1材堆)提升至6～4 ℃(2#-S2材堆)，表裂數(shù)量由10～13條減少到5～10條，最大表裂寬度由2.4～4.7 mm減小到1.3～2.1 mm。正向溫度梯度對(duì)減小木材芯表層含水率差的作用，體現(xiàn)在干燥過(guò)程的中后期，且作用效果隨溫度梯度增大而增強(qiáng)。干燥過(guò)程中試材彈性應(yīng)變及正向溫度梯度對(duì)其影響：干燥前期，表層產(chǎn)生較大拉應(yīng)變，中間及芯層則產(chǎn)生壓應(yīng)變，且拉、壓應(yīng)變皆隨溫度梯度增大而增大。溫度梯度大時(shí)，盡管表層拉應(yīng)力很大，但由于溫度較高、蠕變?cè)龃?，表裂卻較其它溫度梯度時(shí)減少并減輕；干燥中期，中間層由前期的壓應(yīng)變轉(zhuǎn)為拉應(yīng)變，應(yīng)變隨溫度梯度的增大而減小；干燥中后期，表層及中間層產(chǎn)生壓應(yīng)變，芯層產(chǎn)生拉應(yīng)變，應(yīng)變均隨溫度梯度的增大而增大；干燥后期，溫度梯度對(duì)試材各層應(yīng)變的影響不大。