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如何應(yīng)對(duì)木材干燥產(chǎn)生的應(yīng)力?

在木材干燥過(guò)程中,如果木材內(nèi)存在比較大的含水率梯度,干燥速度過(guò)快時(shí),就會(huì)使木材產(chǎn)生應(yīng)力和變形。含水率分布不均勻會(huì)引起木材產(chǎn)生暫時(shí)的應(yīng)力和變形,等含水率均勻后,其應(yīng)力和變形隨之消失,這個(gè)應(yīng)力叫做含水率應(yīng)力,變形叫做含水率變形或彈性變形。


這說(shuō)明木材具有彈性,除此而外木材還具有塑性。在含水率應(yīng)力與變形持續(xù)的期間,由于熱濕的作用,木材的外層或內(nèi)層發(fā)生塑性變形,使得在含水率分布均勻后,塑性變形的部分不能恢復(fù)到原來(lái)尺寸,也不能減少到應(yīng)當(dāng)干縮的尺寸,并且保持著一部分應(yīng)力,這種變形叫做殘余變形,這種應(yīng)力叫做殘余應(yīng)力。


應(yīng)力木生長(zhǎng)缺陷


含水率應(yīng)力與殘余應(yīng)力之和等于全應(yīng)力


在木材干燥過(guò)程中,全應(yīng)力影響木材的質(zhì)量。干燥過(guò)程結(jié)束后,繼續(xù)影響木材質(zhì)量的是殘余應(yīng)力。為此,殘余應(yīng)力越小越好。


應(yīng)力在木材干燥過(guò)程中的變化可分為四個(gè)階段,即干燥剛開(kāi)始階段、干燥初期階段、干燥中間階段及干燥終了階段。
 


(1)干燥剛開(kāi)始階段

此時(shí)木材內(nèi)外各部分都還沒(méi)有發(fā)生干縮,木材內(nèi)不存在含水率應(yīng)力和殘余應(yīng)力。
 


(2)干燥初期階段

此時(shí)木材的心層還保持著比較高的含水率,而木材表層的自由水在迅速蒸發(fā),隨著水分蒸發(fā)的深入,吸著水也在逐步排出,與此同時(shí),木材表層開(kāi)始干縮,心層還沒(méi)有干縮。心層受到表層的壓縮,表層受到拉伸。


所以,木材干燥初期階段的內(nèi)應(yīng)力是表層受到拉應(yīng)力、心層受到壓應(yīng)力,這種應(yīng)力是由木材的含水率梯度造成的。雖然木材內(nèi)部的水分移動(dòng)要借助于含水率梯度,允許這種應(yīng)力在一定時(shí)間內(nèi)存在,但它不宜過(guò)大和時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng),否則將引起木材的表面干裂。在這個(gè)階段要充分利用木材的含水率梯度,但不能使木材應(yīng)力過(guò)大。
 


(3)干燥中期階段

此時(shí)木材內(nèi)部的含水率已下降到纖維飽和點(diǎn)以下。假如在干燥初期階段對(duì)被干木材沒(méi)有進(jìn)行熱濕處理,則木材表層已失去正常的干縮條件而固定于伸張狀態(tài)。


此時(shí)盡管木材心層的含水率高于表層的含水率,但是心層木材干縮的程度類似于表層木材在塑化固定前所產(chǎn)生的不完全干縮。木材的內(nèi)部尺寸與外部尺寸暫時(shí)平衡,因此木材的內(nèi)應(yīng)力也暫時(shí)處于平衡狀態(tài)。


在這個(gè)階段,木材內(nèi)部的水分向表面移動(dòng)的距離加長(zhǎng),木材干燥更困難、更緩慢。如果木材的表層干燥過(guò)快,心層的水分來(lái)不及移動(dòng)到表層,就會(huì)造成木材外部很干、內(nèi)部很濕的所謂“濕心”。


木材的表層由于含水率極低又處于固定的拉伸變形狀態(tài),成為一層硬殼。它不僅使木材內(nèi)部的水分難以通過(guò)木材的表面向外排出,而且還影響木材內(nèi)部的干縮,這種現(xiàn)象稱為“表面硬化”。如果不及時(shí)解除表面硬化,木材干燥將難以繼續(xù)進(jìn)行并產(chǎn)生嚴(yán)重的干燥缺陷。因此在這個(gè)干燥階段,對(duì)被干木材必須進(jìn)行熱濕處理,用高溫、高濕的方法把已塑化固定的木材表層重新吸濕軟化,以此來(lái)解除木材的表面硬化。
 


(4)干燥終了階段

這個(gè)階段木材的含水率沿著木材斷面各層已分布得比較均勻,從內(nèi)到外的含水率梯度比較小。


如果在上個(gè)階段沒(méi)有進(jìn)行熱濕處理,由于表層木材塑化變形的固定并已經(jīng)停止干縮,它限制了心層木材隨著吸著水的排出而應(yīng)當(dāng)形成的正常干縮,就產(chǎn)生了心層受拉伸、表層受壓縮的應(yīng)力,這個(gè)內(nèi)應(yīng)力的情況與干燥初期階段相反。這個(gè)階段的含水率梯度雖然不大,但是隨著干燥的繼續(xù)進(jìn)行,內(nèi)應(yīng)力隨之增加。


如果不及時(shí)消除,當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過(guò)心層木材的強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)裂,即心層木材的拉應(yīng)力超過(guò)心層木材的抗拉強(qiáng)度極限使之遭到破壞。產(chǎn)生內(nèi)裂的木材將失去使用價(jià)值,造成嚴(yán)重的浪費(fèi),因此這個(gè)階段的應(yīng)力是很危險(xiǎn)的,要及時(shí)消除。


一般采用的方法仍是對(duì)被干木材進(jìn)行熱濕處理,使表層的木材在高溫、高濕條件的作用下,重新濕潤(rùn)和軟化并得到補(bǔ)充的干縮,從而使表層木材能與心層木材一起干縮,減少內(nèi)層受拉和外層受壓的應(yīng)力。在整個(gè)木材干燥過(guò)程結(jié)束之后,木材內(nèi)部還可能有殘余應(yīng)力。為消除這些殘余應(yīng)力,使木材在以后的加工和使用過(guò)程中不會(huì)發(fā)生開(kāi)裂和變形等缺陷,還必須對(duì)被干木材進(jìn)行熱濕處理,才能保證最終的木材干燥質(zhì)量。

 


總而言之,木材在干燥過(guò)程中的各個(gè)階段始終存在著應(yīng)力,這是不可避免的,它是造成木材干燥缺陷的主要原因。因此,為了保證干燥質(zhì)量。在木材干燥過(guò)程中,要隨時(shí)掌握木材的應(yīng)力變化情況,并采取有效措施使它降低到安全程度。


應(yīng)力不可避免,那么在一切事項(xiàng)準(zhǔn)備完畢,木材投入生產(chǎn)使用前,需要進(jìn)行木材的應(yīng)力測(cè)試,判斷到底能否應(yīng)用生產(chǎn),具體步驟如下:
 


(1)取木材試驗(yàn)切片,方法如上圖所示。

 


(2)制作試驗(yàn)試塊,方法如上圖所示。

 


(3) 觀察12小時(shí)后,測(cè)量A、B、C,方法如上圖所示。

 


(4)木材如果有外應(yīng)力,可能如上圖所示。
 


(5)木材如果是內(nèi)應(yīng)力,可能如上圖所示。


(6)木材應(yīng)力系數(shù)計(jì)算公式如下:


(7)計(jì)算木材應(yīng)力系數(shù),是判斷木材是否可以使用的重要依據(jù)。

① 當(dāng)應(yīng)力系數(shù) < 3%時(shí),該木材可以正常使用。

② 當(dāng)應(yīng)力系數(shù) ≥ 3%時(shí),該木材應(yīng)力不合格,不能投入生產(chǎn)使用。


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