为制造业增值的小直径木材评价

1、为制造业增值的小直径木材评价/评估应力波法摘要：这项研究/调查的目的是探讨（研究/调查）应力波在评价小直径木材在砍伐前的结构质量上的使用。我们从俄勒冈州西南部的四个林区伐了129棵道格拉斯冷杉和北美黄杉作为试样树，并在野外/实地/现场做了应力波测试试验。（我们又）伐了12棵树，其中6棵道格拉斯冷杉和6棵北美黄松，并把它们锯成原木和板材。之后在实验室里通过使用应力波和静态弯曲技术对木材的力学性能进行评估/评价。这些研究结果表明应力波传播时间在道格拉斯冷杉和北美黄松之间以及每个树种的两个林区/林木之间存在显著/明显的区别/差别。应力波在道格拉斯冷杉上的传播时间随着树木的胸径的增加而缓慢增加；然而，

2、应力波在北美黄松上的传播时间随着胸径的增加而明显/显著减少。统计分析也同样表明了/揭露了应力波在树木上的传播时间与由两个混合树种的树木所生产的原木和板材的弹性模量之间存在良好的相关性。但是/然而，由于小试样的尺寸和狭窄的性能/特性范围，这种关联性/相关性/关系的强度在树种内部有所减小/减弱。简介纵观全美国，过去/以往所采用的管理方法/措施已经培育出数千亩密集贮存/贮藏小直径树木的森林/树林。这些林区/林木遭受害虫的风险和疾病的侵袭的几率增加，同时还存在引发灾难性火灾的可能。随着森林管理越来越强调森林健康和生物多样性，这也迫使土地管理者们去寻找一种经济可行的林木管理方法/措施，例如，采取/采用稀

3、疏性种植以提高林地/林区/林木条件。由使用移除小直径木材的方法所产生的经济效益和增值/附加价值效益能够帮助补偿/抵消森林管理/经营成本，为许多依赖于森林的小群体/团体们提供获利的机会，并且能够避免将来因火灾而造成的损失。然而，由于活立木的强度和刚度的差异性/变异性/可变性/和不可预见性，造成了在实际工程的应用中出现了许多的问题。为了能够对这种材料的潜在性结构质量进行评价/评估，我们有必要发展一种兼备低成本和有效性的技术。传统的原木生产流程/过程/程序/步骤并没有认识到木材的全部价值。这些流程包括一系列几乎全部独立的步骤（从树木到原木，从原木到板材，再从板材到其他），每个步骤都尽量使自己的产能/

4、产量最大化。在（产品）加工中间阶段几乎很少考虑到产品的最终用途。在采伐木材之前，通过确定最终产品（成品）的潜在特性/性能，我们希望：1）提高资源利用率，2）使二次木制品生产商利用小直径木材在经济上可行，以及3）通过识别/鉴定/辨认/认出/确定小直径木材的价值来促进/帮助/助长/使容易/使便利林区/林木管理/经营活动。这项/这个研究是“为制造业增值的小直径木材评价：综合办法/整体法”项目的一部分，该项目由俄勒冈州立大学，美国农业部林务局林产品实验室，以及美国农业部林业局太平洋西北研究所共同承办的。该项目的总体目标是设计，构建并且提出一个系统/制度/体系/方法/规则，通过该系统/制度能够让生产商/

5、制造商团体/群体和森林产业/工业/行业可以有效地识别小直径树木作为木材制品的潜在附加价值。本研究的具体目标是研究如何使用应力波无损检测技术来评估小直径木材在采伐前的潜在结构质量/品质。材料和方法在俄勒冈州西南的四个不同的林区采伐了总共192棵道格拉斯冷杉（黄杉木）和北美黄松（美国黄松）作为应力波评价的试样（树）。林区位于苹果游侠区上的罗格河国家森林公园。林区A是一个树龄均为70年的老林区，主要是道格拉斯冷杉，含一些乔（杜）鹃木，还有一小部分的北美黄松。立木的平均直径为6.4英寸（即16.3cm），二次平均直径为7.4英寸（即18.8cm）。林区B包括/包含树龄为90年的稀疏立木（主要是北美黄松

6、），含树龄为65年的道格拉斯冷杉，小北美黄松，乔鹃木和可能会有的香柏木。立木的平均直径为6.0英寸（15.2cm），二次平均直径为7.8英寸（19.8cm）。林区A和林区B中的立木都是缓慢生长的或者已经停止生长了的。稀疏种植和用于测试的树木有一些小树枝。林区C是一个树龄均为40年的北美黄松，含一小部分的道格拉斯冷杉。这些树木都很旺盛，处于快速成长阶段，有大的树冠和大的树枝直径。立木的平均直径为8.7英寸（22.1cm），二次平均直径为9.4英寸（23.9cm）。林区D是一个道格拉斯冷杉和北美黄松的混合林区，含一些乔鹃木。树龄的范围是从35年到40年。立木的平均直径为7.2英寸（18.3cm），

7、二次平均直径为8.0英寸（20.3cm）。 在野外/现场/实地对所有的试样树进行应力波测试实验。对林区A和林区B中的道格拉斯冷杉进行评价，对林区C和林区D中的北美黄松进行评价。每个林区的实验树按照六个直径等级进行分类，六个直径等级按照胸径的大小分别为5,6,7,8,9和10英寸（12.7,15.2,17.8,20.3,22.9,和25.4cm）。每个直径等级选取8棵树作为一个随机样本，并对4个林区的每个随机样本进行应力波测试。图1 野外测试所使用的实验设备/仪器简图/示意图（L为测试范围）将近年发展起来的应力波技术用于进行试样树的原地测试实验（1999年，Wang；2001年，Wang等人）。

8、该测试系统包括两个加速度计，两个长钉/大钉，一个手持式锤子和便携式示波表（如图1所示）。两个长钉以与树干表面成45°角插入树干中，两个长钉之间的跨度/长度为4英尺（1.2m）。连续敲打长钉，使其插入树干约1英寸（2.5cm），这个深度足够使长钉的尖端刺入树皮并到达心材。通过使用两个专门设计的夹具/夹子将加速度传感器安装在长钉上。通过手持式锤子在位于低处的长钉上敲击/施加冲击，将应力波在纵向上引入树内。所产生的信号通过启动/开始和停止/制动传感器来接收，并在示波表上记录下波形。应力波传播时间（SWT，为应力波在两个长钉之间的距离的传播时间）是通过示波表所记录波形确定的两个主峰值来确定的

9、（2001年，Wang等人）。在树的两侧进行测量，每侧各获得3个测量值，所以每棵树上获得6个测量值。 野外现场实验完成之后，在林区B和林区C，每个直径等级选各取一棵树，将其伐下，制成胸径变化范围从5到10英寸（12.7-25.4cm）的6个道格拉斯冷杉试样和6个北美黄松试样。这些伐下的树木之后将会被锯成10英尺（3.0m）的原木，并运送到位于密歇根州，霍顿的密歇根理工大学的实验室进行实验。对于每一个原木，我们需要测定生材的重量和直径（原木的两端和中部），之后就能确定生材的密度。之后，所有的原木都通过使用纵向应力波和静态弯曲方法进行评价以获得应力波传播时间和原木的静态弹性模量。关于仪器/设备的详

10、细描述和分析步骤/过程见Wang等人在2002年所做的原木测试实验。为了证明/证实/验证树木和原木应力波分析的有效性，根据/按照它们的结构质量/性能，将所有的原木置于便携卧式带锯木机上，锯成尺寸大小为2x4英寸（51x102mm）和2x6英寸（51x152mm）的板材并对它们做进一步的评价/评估。每个原木所锯成的形状/图案/式样都要用简图/示意图/图形表示出来，这样就可以确定出由各个原木所制成的每个板材的位置。每一块板材都有一个跟其来自树木和原木所锯的位置有唯一/特殊/独特/特有关系的编号。将每个板材贴上标签，并将它们进行气干处理，直至含水率大约/近似为15%。在干燥时，将板材刨光至行业标准的

11、厚度和宽度。对生板材和绝干板材都进行纵向应力波和静态弯曲测试实验。结果和讨论应力波在活立木上的传播时间应力波在每个活立木上的传播时间是取六次测量值的平均值，并将其记录在每个长度单位上（时间/长度）。更小的应力波传播时间对应更快的应力波传播速度（长度/时间）。所有试样树的测量值的描述统计见表1,。图2显示了四种不同活立木的应力波传播时间的分布直方图。道格拉斯冷杉和北美黄松之间的不同/差异可以通过/根据/按照应力波的传播时间很容易区分。北美黄松的平均应力波传播时间比道格拉斯冷杉的应力波传播时间高出27%。通常情况下/在一般情况下，这个结果和木材手册中给出的两个树种的刚度和硬度之间的差异/区别相一致

12、，这表明/说明北美黄松的断裂模量和弹性模量比道格拉斯冷杉的断裂模量和弹性模量小大概/大约34%（生材状态下）。研究还表明/显示应力波在北美黄松上的传播时间和在道格拉斯冷杉上的传播时间有很大的不同/差异。道格拉斯冷杉（结合了/综合林区A和林区B的）的应力波传播时间的标准差/标准偏差为4.5微秒/英尺（14.8微秒/米），而北美黄松（结合了林区C和林区D的）的应力波传播时间的标准差为16.17微秒/英尺（53.0微秒/米）。这可能暗示/表明/说明与道格拉斯冷杉相比北美黄松的强度和刚度/硬度特性/性能具有更大的差异性/变化性/变动性。统计对比分析表明了两个林区的各个树种之间显著的应力波传播时间的差异

13、性，这意味着各林区之间在强度和刚度上存在一个潜在的差异性/不同。但是，由于缺乏所有被测活立木的力学性能数据，因此无法证实这个说法。活立木的胸径和应力波传播时间之间的关系如图3所示。为了更好地进行说明，应力波在树木上的传播时间根据/按照直径等级进行分析。所得到的数据点是取自各个等级的8棵树的应力波传播时间的平均值，并且用误差条表示标准差/标准偏差（±1个标准差）。应力波在道格拉斯冷杉上的传播时间随着树木胸径的增加略有增加。这个趋势在林区A中比在林区B中表现的更加明显。林区A的应力波传播时间随着胸径从5英寸变化到10英寸（12.7cm到25.4cm）增加了约12%。北美黄松的应力波传播时

14、间与胸径之间的关系和道格拉斯冷杉的有很大的不同。如图3（b）所示，北美黄松的应力波传播时间随着树木胸径的增加显著减小，特别/尤其是在林区C中，随着胸径从5英寸变化到10英寸（12.7cm到25.4cm）应力波传播时间下降了24%。造成道格拉斯冷杉和北美黄松的应力波传播时间和胸径之间不同的函数关系的原因尚不完全清楚。Huang的研究指出，对于树龄相同的树木，应力波在具有较低生长速率或较窄年轮的树木上的传播时间更小。这也许就能能够解释在道格拉斯冷杉上发现的应力波时间和胸径之间的变化趋势。对于北美黄松来说，其相反的应力波时间胸径趋势可能与其他因素（更加）相关/有关，例如树木外形的特点/特性/特征（尺

15、寸大小和树枝的分布频率），在截面处的成熟材和幼龄材的比例以及含水率等。图2道格拉斯冷杉和北美黄松的应力波时间分布直方图 图3应力波传播时间和树木胸径之间的关系树木应力波传播时间和原木特性/性能之间的关系活立木的应力波传播时间测量是在树干的低端，它是树木经过采伐和加工后的原木的末端。在这项研究中，从12棵伐下的树中，总共获得了42棵10英尺（3.0m）长的原木。对于道格拉斯冷杉，每棵树能够加工成原木的数量在3-5个之间变化，而对于北美黄松则是1-4个，这是由于树的高度不同造成的。对于道格拉斯冷杉来说，其原木的直径（取两端和中部位置的测量值的平均值）变化范围为4.3英寸-10英寸（10.9cm-2

16、5.4cm），而对于北美黄松而言，其原木的直径变化范围为4.4英寸-9.8英寸（11.2cm-24.5cm）。原木的物理和力学性能（密度，应力波传播时间，静态弹性模量）列于表2。注意到所有这些特性都是在生的和未去皮的原木上确定的/决定的。图4表明/显示了从树上锯下的原木的应力波传播时间和树木应力波传播时间之间的关系。线性回归分析表明当将两个树种视为一个单一的种群/群落/群体时，两者存在很强的相关性（R2=0.95）。当将这两个树种分开单独考虑时，两者的相关性的强度减弱/降低（道格拉斯冷杉的相关性R2=0.61，北美黄松的相关性R2=0.85）。这大概是由于小的试样尺寸（小试样的尺寸）（n=6）

17、和各个树种试样的有限性能/性质/特性造成的。实验研究发现，在道格拉斯冷杉和北美黄松的活立木上测得应力波传播时间比在各自的原木上测得的应力波传播时间小大约10%和22%。这可能是由于不同的应力波方法造成的系统误差/差异。以往的研究指出在树木上测得的应力波速度可能主要取决于成熟材（横截面处的外层材），因为波的生成和检测都是发生在树干的表面（1999年Wang，2000年Huang，2000年Ikeda等人和2000年Wang等人）。然而/而/但是，在原木上，我们从原木一个末端引入应力波，在另一末端检测（2002年Wang等人）。图5显示了树木应力波时间和原木弹性模量的平均值之间的关系/相关性。回归

18、分析表明/说明当将所有试样综合起来时，树木的应力波传播时间和原木的弹性模量之间存在线性关系。我们发现其决定系数（R2）为0.74。再次，将两个树种分开分析时，相关性的强度显著减小/降低。图4树木应力波传播时间和原木应力波传播时间之间的关系图5树木应力波传播时间和原木弹性模量平均值的关系树木应力波传播时间和板材弹性模量之间的关系将原木进行加工得到总共81块板材，其中道格拉斯冷杉有49块，北美黄松有32块。在粗加工和干燥条件下（空气干燥和4个边的表面）的板材上都要进行应力波和静态弯曲测试实验。粗加工的道格拉斯冷杉板材（指生板材）的含水率范围为19%-26%，平均值为24%。而北美黄松板材的含水率范

19、围为30%-42%，平均值为36%。两个树种的干燥板材的含水率范围均为8%-10%，平均值为9%，这实际上比目标含水量率要低。板材的应力波的均值/平均值和变动系数以及静态弯曲特性列于表3.平均值的比较结果表明/说明应力波在树木上的传播时间与在板材上的传播时间之间具有显著差异/不同。对于道格拉斯冷杉而言，跟应力波在树木上传播时间的平均值相比应力波在粗加工和干燥板材上的平均应力波传播时间各自减小约7%和17%。板材的低应力波传播时间主要是由于低含水率（粗加工和干燥的板材的含水率均在纤维饱和点以下）造成的。然而，对于北美黄松而言，跟树木平均应力波传播时间相比，生板材（粗加工）的平均应力波传播时间增加

20、了约19%。这可能是由于在树木和板材测量时所采用测试方法的不同的波传播机理/理论/机制造成的。正如前面所提到的那样，跟原木应力波传播时间相比，在树木上所测得的应力波传播时间主要取决于成熟材。我们可以用同样的道理来解释在板材中出现类似的其情况。我们预期得到的结论是，在给定相同含水率的条件下（在相同的水分条件下），树木的应力波传播时间低于板材的应力波传播时间。由于/因为北美黄松的生板材的含水率远高于纤维饱和点，根据/按照水分的影响，跟道格拉斯冷杉板材相比，水分对北美黄松板材的应力波传播时间的影响更小。因此，北美黄松生板材的高应力波传播时间可能主要是由于不同的波传播机理造成的。就北美黄松的干燥板材（含水率远低于纤维饱和点），跟北美黄松树木相比，其应力波传播时间的平均值下降了/降低了/减少了约19%，这是因为跟波传播机理相比，水分影响在这里显得具有更加重要的作用。树木应力波传播时间和板材的平均弹性模量之间的关系如图6所示。就道格拉斯冷杉来说/而言，树木和板材的特性/性能范围都是非常小的，并且树木应力波传播时间和板材平均弹性模量之间没有发现统计关系。至于北美黄松，数据点有一个更宽的特性/性能/属性范围（包括树木和板材），并且树