木材干燥学：木材干燥应力与应变

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1、木材干燥学建筑之家第六讲木材干燥应力与应变∑木材干燥应力产生的原因及分类∑木材内外层干缩不一致引起的应力与变形的产生与发展过程∑由木材各向异性引起的变形∑木材干燥应力的消除∑木材干燥应力与变形的测试方法∑应变理论的新发展•一、木材干燥应力产生的原因及分类1.原因：厚度方向上含水率不均匀木材是弹塑性体、各向异性体2.分类：含水率应力(或弹性应力)、残余应力、附加应力含水率应力：由于含水率分布不均匀而引起板材断面上各个区域的不均匀干缩所引起的应力和变形，含水率均匀（平衡）后，应力和变形随着消失，这种应力叫含水率应力；这种变形叫含水率变形。残余

2、应力：木材具有塑性，在含水率应力与变形持续期间，在热湿作用下，木材的外层或内层发生塑化变形，使得在含水率分布均匀后，塑化变形的部分不能恢复原来的尺寸，也不能达到应当干缩的尺寸，并且保持着一部分应力。这种应力叫残余应力，这种变形叫残余应力残余变形。残余变形附加应力：木材由于构造上的各向异性，弦向干缩与径向干缩的不同而引起的应力。•二、木材内外层干缩不一致引起的应力与变形的产生与发展过程1.关于应力产生与发展描述的几个假设：a.含水率梯度只在厚度方向上存在，即水分只沿着垂直树木轴线方向移动；b.同一厚度层面上含水率相同。2.应力的产生发展过程

3、•⑴干燥的第一阶段（前期），W＜W，而表层FSPW＞W。内层FSP此阶段含水率的分布和试件收缩如下图：wwHwfb4b3b2b1b0wpw=0S•在干燥的第一阶段（前期），∵W＜W，表层FSP而W＞W∴木材的表层收缩，内层不收内层FSP，缩，这样内层受到表层的压缩而产生压应力；表层受内层的扩张而产生张应力。•由于木材的横纹抗拉强度最弱，因此，当表层的张应力超过横纹抗拉极限强度时，就产生表裂。•在应力的作用下，表层和内层均产生塑性变形。表层即使没有内层的作用，也不能收缩到其自由收缩的位置。而内层也一样，若没有表层的作用，也不能恢复到原始的尺

4、寸。⑵干燥第二阶段(中期)，W＜W，表层FSPW＜W，W趋于W。内层FSP表层EMC•此阶段含水率的分布和试件收缩如下图：wwHwfb0b3wpw=0S•在干燥第二阶段（中期），由于表层的含水率向EMC趋近，水分蒸发速度降低，所以表层的收缩减小。•在含水率梯度的作用下，内部的水分向表层移动，使内部的含水率也降到FSP以下，内层也开始收缩，这样内外层之间的相互作用减弱。•随着内层含水率的降低，收缩加剧，内外层之间的作用逐渐减小，直到某一时刻，内外层之间的作用为零，即内应力为零。•但此时木材总体的含水率仍然高于要求的终含水率，仍然存在含水率梯

5、度，存在湿应力。⑶木材干燥的第三阶段（后期），W已接表层近W，W也向W趋近。EMC内层EMC此阶段木材断面含水率分布及收缩如图：wwHwfb1b0b3b2wpw=0S•在干燥第三阶段（后期），表层含水率几乎与EMC相等，而内层含水率也接近EMC。•表层的收缩基本结束，由于含水率的降低以及在前一阶段内层的作用使得表层的塑性变形在此被固定，即表面硬化（塑化固定），而内层却仍然在收缩。•这样，表层不收缩反而受到内层收缩而导致的压缩，产生了压应力；而内层要收缩，却受到表层的牵制，产生了张应力。•当内层的张应力超过横纹抗拉极限强度时，会产生内裂。齿

6、向外弯齿保持不变齿向内弯外层存在拉伸应力，内层存在拉伸应力，木材内部不存在应力内层存在压缩应力外层存在压缩应力⒊应力形成过程在干燥曲线上的表示•干燥曲线及对应的表层应力曲线如下图：wwc：中心层含水率wcws：表层含水率wswfww：平均吸湿含水率△wwp△w：含水率梯度0123a4压应力σ0σ0：残余应力σnσn：总应力拉应力σB：湿应力σB4.木材干燥应力的消除方法是在适当的时候进行适当的调湿处理。根据处理阶段和处理作用的不同，调湿处理可分为预热处理、中间处理、平衡处理和终了处理四种。¾预热处理(初期处理):过程：首先使介质温度升高到

7、45～55℃，并维持0.5～1h，使干燥室内的壳体表面和主要设备部件及木材表面加热，避免在后续的高温、高湿的工作状态下在这些固体表面上产生冷凝水。然后通过喷蒸，或喷蒸与加热相结合，使温、湿度同时升高到要求的介质状态，并保持一定的时间，让木材热透。工艺：温度：硬阔叶树材预热温度可高5℃；软阔叶树材及厚度60mm以上的针叶树材，预热温度可高8℃；厚度60mm以下的针叶树锯材，预热温度可高10℃。湿度：一般W＞25%时，φ=98～100﹪；W＜25%，初初φ=90～92%，或介质EMC略高于W。初时间：应使木材中心温度不低于规定的介质温度3℃为

8、准。¾中间处理工艺：温度：干球温度比当时干燥阶段的温度高8～10℃，但干球温度最高不超过100℃。湿度：近似地控制干湿球温度差为2～3℃。时间：因锯材的树种、厚度和应力的严重程度而异，可参考相