国内外木材干燥应力研究现状及发展趋势

李大纲教授
（南京林业大学，江苏 南京 210037）
摘要：木材干燥应力是木材产生开裂、翘曲和皱缩的主要因素，研究木材干燥应力是探索木材干燥机理、制定合理木材干燥工艺、保证干燥质量的重要参数和依据。本文综述了国内外木材干燥应力研究现状、测试方法及发展方向。
关键词：木材干燥；干燥应力；测定
中图分类号：TS652 文献标识码：A

1 木材干燥应力的研究背景
    木材干燥应力是探索木材干燥机理，制定合理木材干燥工艺基准，保证干燥质量的重要参数和依据。因此木材干燥应力的研究是木材干燥工作中的重大课题之一，在木材干燥工作中占有重要地位。自30年代以来，国内外许多学者致力于这一课题的研究，至今人们对木材干燥应力的广泛研究，出现了不少关于木材干燥应力的理论和测试方法。木材干燥应力是造成木材开裂翘曲和皱缩的主要原因，通过对干燥应力的研究不但能进一步揭示木材干燥中的物理本质，丰富木材干燥理论，而且可为制定木材干燥基准，制定消除木材干燥应力的技术措施提供依据。
    我们知道，木材干燥过程中存在含水率干燥应力，干燥结束后存在残余干燥应力。应力产生的原因是由于干燥中的含水率梯度和木材的各向异性引起的，因此在讨论木材含水率时应同时分析木材应力的变化。
2 关于木材干燥应力的研究现状
    木材干燥应力是产生木材干燥缺陷的主要因素，因此成为研究和制定木材干燥工艺基准一个主要参数和依据。自三十年代以来，国内外许多学者致力于这一课题的研究，使得木材干燥应力的理论和方法不断完善和发展。Tokumoto Morihiko（1989）在对山毛榉干燥中的表面硬化和残余变形进行研究后指出，在干燥初期木材表层处于拉伸变形状态，内层处于压缩变形状态；并用小样试验进行了拉伸蠕变与干燥速度的相关分析。西尾茂（1981）提出用瓦弯法测定木材干燥应力方法。Nobuo Sobue（1985）用小样拉伸断裂试验方法研究了干燥中木材断裂韧性系数 后认为，随着干燥的进行， 下降，下降的原因是在干燥中试件表面附近产生干燥应力使靠裂纹部分的应力集中增大。Takanori Arima（1979）对木材进行小样拉伸和弯曲蠕变试验后，指 出干燥过程中的蠕变比水分平衡时蠕变大，干燥温度和干燥速度对蠕变影响大，蠕变的大部分为残余变形。Shuichi Kawai（1979）用数值方法研究了含水率梯度与形成干燥应力的关系后，指出干燥应力的大小取决于干燥期间表面含水率梯度对干燥全过程干燥应力的影响。Tang（1975）根据木材收缩各向异性的原理，指出了弦高法（瓦弯法）测定木材干燥的数学模型。Zuoxin Wang（1994）在利用木材收缩各向异性原理的基础上采用单边涂层迫使木材产生弯曲的方法研究了预蒸对干燥应力的影响。Salin（1994）提出了分析机械吸附蠕变的新模型，并提出在研究干燥应力时应将机械吸附蠕变考虑到模型中。Moren（1993）对Scots松进行了木材表面3mm的厚薄片应变分析，结果表明，表面薄层分析技术可以成功地分析横纹干燥应力，也表明机械吸附是引起表面硬化的主要原因。纯粘弹性蠕变对板子外层总蠕变的影响不重要，木材的热湿空气中干燥会产生表面硬化，是由于在干燥初期木材表层产生拉伸变形。干燥过程中表现出来的蠕变与温度水平，应力和含水率变化有关，这种与水分吸附有关的蠕变现象，称为机械吸附蠕变。Rice（1990）对红栎干燥早期弹性变形，机械吸附蠕变和粘弹性蠕变变形与含水率和应力水平的关系进行研究后，认为弹性蠕变和粘弹性蠕变很小并且是载荷的函数，机械吸附蠕变是弹性蠕变和粘弹性蠕变的20倍。蠕变的大小是含水率的线性函数，并随含水率增加而减少。
3 国内外关于木材干燥应力的研究现状
    李维拮（1983）在木材弹性分析的基础上，应用热弹性理论指导了干燥应力结构方程和平面应力问题的有限元计算公式，采用切片法测定了木材的弹性应力，分析干燥初期木材内部的应力和变形后认为，木材在干燥初期主要表现为线弹性材料，在干燥初期是木材发生开裂的危险期，而在这一期间木材表现出弹性体。到干燥中期，木材内部的粘性流动已成为变形的主要形式，木材表现为粘弹性材料。周宝华（1982）按照前苏联学者乌戈列夫的试验方法，根据在弹性范围内，木材的应力与应变成正比的原理，对红松、水曲柳、落叶松和色木等木材进行了木材在干燥过程中和终了处理过程中全应力及窑干后剩余应力的定量研究，初步探索出木材在窑干过程中内应力发展和变化的规律。刘应安（1991）提出用圆弧法测定木材的干燥应力，通过测定切片的外层弦长和厚度来计算木材的弹性干燥应力。廖元强（1991）提出用应力指数即试样弯曲变形量除以弦长测定干燥应力的方法，认为木材干燥过程中一旦外层含水率降到FSP以下，即横断面上有含水率梯度，则木材断面便存在大小和性质不同的内应力。刁秀明（1994）采用切片法对大青杨，白桦和柞木测定了不同干燥温度下干燥应力的变化规律，认为干燥温度越高，产生大拉伸应变的时间越短，应变值有随温度增高而增大的趋势。常建民（1997）针对常规方法不能连续在线测定木材干燥过程中应力发生发展变化规律的问题，根据弹性理论，用小试样进行了非接触式探头测量试验片干燥变形，然后用试样的弹性模量来计算木材应力的研究。
    木材干燥应力是造成木材开裂、翘曲和皱缩的主要原因，通过对木材干燥应力的研究可以揭示木材干燥过程中的物理性质，为制定干燥基准，质量分等的应力规范提供理论依据。
    木材在干燥过程中，由于水分的减少引起体积收缩，称为干缩。木材干缩后长度的相对改变量称为干缩率（干缩应变）。由于木材内部各结构单元在干燥过程中不是自由收缩，而是受到外部约束，干缩不能自由进行，即产生干燥应力。木材干燥过程就是含水率变化的过程，含水率场不但是坐标的函数，也是时间的函数，是非隐态过程，因此产生的应力场也是一种随时间变化的应力场。
    木材在短时、低应力水平、低温和低含水率下表现出弹性，其应力应变关系满足虎克定律，但木材在长时间，高应力水平，高温高湿的联合作用下又表现出既有弹性，又有塑性，以及界于弹性和塑性之间的粘弹性。高温干燥使木材经历了从弹性、粘弹性和塑性反复若干次的交替过程（如：升温干燥--中间喷蒸处理--升温干燥--再中间喷蒸处理--再升温干燥--终了处理），在这一过程中木材经历了从表层受拉伸、内层受压缩，到表层受压缩、内层受拉伸的应力转换过程。
4 木材干燥应力测试技术
    由于木材的多变性和结构复杂性给木材干燥应力的研究测定造成许多困难，到目前为止，尚没有一种方法很好解决木材干燥过程中干燥应力的测定问题。为此，长期以来人们在对各种木材干燥应力进行大量研究的同时，也对木材干燥应力的测定方法开展了较为深入的探索，提出和建立了多种方法，如切片法、薄片法、瓦弯法、声发射法、计算法等。尽管这些方法还不十分完善，但在研究木材干燥应力，制定干燥工艺基准方面都发挥了一定作用。
4.1 切片法
    切片法是由McMillen（1955）在50年代提出和应用的。根据试片切割前后薄片长度的变化情况来判断和确定木材内部承受的应力状态。具体方 法是：在被干材上沿纤维方向截取厚度1～2cm的试验片，然后再将此试验片沿宽度方向劈成5～10个薄片，并测量每个薄片的长度，按照切割前后试片长度的增缩情况确定木材内部应力的类型和变形量。该方法具有容易掌握，有一定测量精度，可用于生产实践等优点，自50年代推广以来，一直是木材干燥工作者测试干燥应力的一种主要基本方法。
4 .2 瓦弯法
    由日本学者西尾茂（1981）首先提出来的，试验方法是（1）从正在进行干燥的窑中取一块宽20cm的标准板，两端各切除10cm，再在距端面10cm处连续切取厚3cm的试样。（2）将试样在板厚方向上切成相同的两块，立即放入塑料袋中。（3）将铝箔切成所需长度，涂上胶合剂。（4）将一块试样从塑料袋中取出，除原来板材表面以外，将其余切割出来的表面涂上胶合剂。（5）待胶干至不粘手为止。（6）胶合剂干后，将试样放到铝箔上，将不与板面接触的地方去掉。（7）将瓦弯试样未有铝箔覆盖的一面朝上放置，随着干燥的进行，瓦弯试样发生变形。变形量测定方法是把试样的两端用直线连起来，以直线为基准，测定试样中间的弦高，所得值就是变形量。弯向表面一侧，数值为负，弯向表背一侧，数值为正。负值表示拉应力，正值表示压应力。
4.3 非接触法
    常建民（1997）针对常规方法不能连续在线测定木材干燥过程中应力发生发展变化规律的问题，提出了用非接触式探头测量试验片干燥变形，用小试样进行了非接触式探头测量试验片干燥变形，然后根据弹性理论用试样的弹性模量来计算木材应力的方法。试验方法是将尺寸为229.2mm×31.6mm×15.8mm的试片放入热风干燥试验装置中，用WD型电涡流位移传感中的两个敏感金属片分别固定在试片的两端。根据试片的长度调整传感器探头与敏感金属片之间的距离，并使传感器轴线与被测表面相垂直。探头与试片端面之间的距离不超过20mm。利用金属材料对电磁场的不同位置而引起电磁场强度的变化来测量微小的形变，测定干燥阶段各个时刻试片长度及拱高的变化计算位移。
    综上所述，可将现行的研究干燥应力方法概括为如下几类：
（a）板方材实际干燥中的应力测定
    用切片法、瓦弯法、切片法与瓦弯法组合而成的圆弧法均是将干燥过程中的大板方材从干燥窑中定时取出进行锯切分析。由于切片法操作简便，适应性广，试验结果能从某个角度反映干燥中的应力变化，有普遍性，从50年代发明到现在一直被国内外学者沿用至今。瓦弯法测定木材干燥应力时，不能反映木材内各层次之间的应力情况，因为瓦弯量的变化不能反映表层应力与内层应力的变化，表层与内层的应力变化近于相同，但用此方法可以对同一试样进行连续监测，推断内应力的连续变化。
（b）小样试验法
    包括小样的非接触在线测定，小样拉伸和压缩（顺纹或横纹）等一系列非板方材的干燥应力测试。这一类方法因测定的对象是小试样，其试验结果不能直接用于分析板方材在干燥中的应力和应变的变化情况，因此尽管这类方法测定内容较多，数据准确，但只能认为是在干燥条件下探索干燥应力应变关系试验研究，可作为分析干燥应力的参考，只有在试验结果与实际干燥中产生的应力之间建立一定的关系后方可用于实际生产。
（c）小样与大样结合的方法
    这一类方法一般是针对所建立的应力应变模型中的部分参数，在用大样试验无法测定时，利用小样试验方法进测定，然后再将两将两种方法测定的数据代入公式进行分析。很明显尽管大样和小样的试验条件可能相同，但由于木材结构的差异，木材含水率梯度带来的应力梯度差异，使得两组试验结果直接可比性的置信度降低。
（d）现代技术
    这类方法主要是利用超声波法、激光法、耐高温高湿传感器法（耐高温高湿应变片法）、声发射法、数字图像技术等现代高科技测定木材干燥应力。这类方法一般是通过各测定参数的变化来对板方材干燥过程中的应力和应变进行间接分析。但由于木材干燥是在高温高湿长时间的过程中进行的，木材中含水率、温度和应力相互影响，并随作用时间的变化而变化，试验设备的成本较高，因此在现阶段这些方法在技术推广上还有一定困难。随着科学技术水平的不断提高，在其它相关行业已推广的非破坏测定技术，现代探伤和激光扫描等现代技术的不断发展，一定会有一种测定方法能同时测定木材干燥过程中木材内部各层次之间的含水率分布、温度分布和应力应变变化规律，从而实现在不施加外力、不破坏木材的情况下对木材干燥应力进行在线测定。
5 木材干燥应力研究的发展方向
    50年代学者为了简单起见，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相应提高，80年代以来，弹塑性理论引入木材科学界中用于分析木材干燥应力，用高分子物理中的流变学理论分析木材干燥应变的流变特性，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含水率关系密切机械吸附蠕变应变，这样一来就把木材干燥应力由含水率应力和残余应力组成的干燥应力理论推向了一个新水平。
    由于准确测定木材干燥应力对于木材干燥的研究和生产实践起着关键作用，因此国内外学者都在这一领域进行懈努力，在完善改进现有试验方法的同时，将自动、适时、在线、连续和具有实际应用价值等研究方向作为研究。通过研究干燥过程中应力的连续发展变化，为制定切实可行的干燥基准提供理论指导，同时木材干燥过程中也可采用应力作为监控参数，即在目前仅用含水率作为监控参数的干燥基准中加入干燥应力指标来控制干燥制品的质量。因为从根上看，木材含水率发生变化后，产生木材干燥缺陷的主要原因是木材干燥的内应力，因此在深入开展干燥中木材含水率在线控制的同时，应大力开展干燥应力在线测定和控制理论及设备的开发和利用，在此基础上制定不仅有先进性而且有可操作性的木材干燥基准。
    注意将木材科学基础理论的研究与木材干燥应用技术相结合。由于木材干燥是一个非常复杂的物理过程及化学过程，干燥中水分传导及干燥应力的发展变化受到多种因素影响，除了介质温度、相对温度、堆积方式、干燥设备类型等因素影响以外，还与板材厚度、木材初含水率、径弦切板以及树种等木材本身的细胞结构、高分子结构有关。国内过去研究多放在难干天然林木材的干燥机理研究方面，对于近期发展的速生人工林木材的干燥机理研究尚处于起步阶段。
    随着测量科学、计算机应用和数值方法等相关学科的发展，木材干燥机理研究应突破传统的研究思路、研究方法及研究模式，把木材科学中的静态研究木材中水分特性、应力应变与木材干燥中动态水分传导、干燥应力结合起来。在理论上进一步弄清木材的渗透性、扩散性、粘弹性等与木材干燥有关的物理特性的基础上，结合木材干燥实际开展干燥中木材脱水时细胞腔尺寸变化及水分迁移通道变化等对木材干燥应力的影响。利用相关学科的现代测试技术进行不施加外载荷情况的非接触式、非破坏性、连续在线干燥应力变化的研究，逐步从小样试验过渡到生产实际应用。