Dự đoán khối lượng riêng và một số tính chất cơ học chủ yếu gỗ keo lá tràm (Acacia auriculiformis) bằng công nghệ sóng ứng suất

Bài viết Dự đoán khối lượng riêng và một số tính chất cơ học chủ yếu gỗ keo lá tràm (Acacia auriculiformis) bằng công nghệ sóng ứng suất trình bày đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ sóng ứng suất để dự đoán nhanh giá trị khối lượng riêng và các tính chất cơ học (MOE và MOR) của gỗ Keo lá tràm.

Cơng nghiệp rừng DỰ ĐỐN KHỐI LƯỢNG RIÊNG VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CHỦ YẾU GỖ KEO LÁ TRÀM (Acacia auriculiformis) BẰNG CƠNG NGHỆ SĨNG ỨNG SUẤT Dương Văn Đồn1*, Vàng A Chua1 Trường Đại học Nơng Lâm Thái Ngun TĨM TẮT Ứng dụng cơng nghệ khơng phá hủy để dự đốn nhanh tính chất gỗ quan tâm năm gần Nghiên cứu tiến hành kiểm tra khả dự đốn khối lượng riêng tính chất học gỗ Keo tràm tuổi trồng tỉnh Quảng Trị, Việt Nam cơng nghệ sóng ứng suất Giá trị trung bình khối lượng riêng (AD), mơ đun đàn hồi uốn tĩnh (MOE), độ bền uốn tĩnh (MOR) 0,57 g/cm3, 7,39 GPa, 84,30 MPa Kết nghiên cứu vận tốc truyền sóng ứng suất (SWV) có tương quan nghịch với giá trị AD gỗ Keo tràm SWV có tương quan thuận thấp với giá trị MOE (r = 0,32, P < 0,05) tương quan có ý nghĩa thống kê với giá trị MOR Do sử dụng giá trị SWV khơng hiệu dự đốn tính chất học gỗ Keo tràm Mức độ xác tăng lên đáng kể kết hợp hai giá trị SWV AD để dự đoán MOE với hệ số tương quan mô đun đàn hồi uốn tĩnh động lực học (MOEd) MOE 0,87 (P < 0,001) Từ khóa: Keo tràm, khối lượng riêng, MOE, MOR, sóng ứng suất ĐẶT VẤN ĐỀ Đánh giá tính chất vật lý học vật liệu công nghệ không phá hủy phương pháp đại nhận quan tâm nhà khoa học giới năm gần Trong lĩnh vực khoa học gỗ, có nhiều phương pháp đánh giá khơng phá hủy nghiên cứu phương pháp sử dụng sóng ứng suất (stress wave), sóng siêu âm (ultrasonic wave), phương pháp quang phổ cận hồng ngoại (near infrared spectroscopy) (Schimleck et al., 2006; Hasegawa et al., 2015; Duong and RidleyEllis, 2021) Các phương pháp áp dụng đứng, khúc gỗ gỗ xẻ để dự đốn nhanh tính chất gỗ So với phương pháp truyền thống, phương pháp khơng phá hủy có nhiều ưu điểm thời gian đánh giá nhanh, mẫu không bị phá hủy sau đánh giá, đặc biệt áp dụng lên nhiều loại mẫu có kích thước khác Tuy nhiên, gỗ loại vật liệu sinh học nên có biến đổi tính chất lồi điều kiện mơi trường sống khác Do cần có nghiên cứu khả ứng dụng công nghệ khơng phá hủy cho lồi cụ thể *Corresponding author: duongvandoan@tuaf.edu.vn Keo tràm (Acacia auriculiformis) loài thuộc nhóm sinh trưởng nhanh, có đường kính thân mức nhỏ - trung bình, chiều cao từ – 20 m Tuy nhiên, nơi có điều kiện mơi trường phù hợp, Keo tràm đạt chiều cao tới 30 m đường kính thân 80 cm (Pinyopusarerk, 1990) Keo tràm có khối lượng riêng từ 0,5 – 0,8 g/cm3, sợi gỗ có chiều dài khoảng 1,1 mm đường kính khoảng 20,6 μm Giá trị độ bền uốn tĩnh mô đun đàn hồi uốn tĩnh Keo tràm so sánh với gỗ Tếch (Tectona grandis) (Hai, 2009) Do gỗ Keo tràm có tiềm lớn sử dụng sản phẩm cho mục đích cấu trúc Mục tiêu nghiên cứu đánh giá khả ứng dụng cơng nghệ sóng ứng suất để dự đoán nhanh giá trị khối lượng riêng tính chất học (MOE MOR) gỗ Keo tràm Kết nghiên cứu làm sở khoa học tham khảo để xem xét khả ứng dụng công nghệ không phá hủy vào đánh giá tính chất học gỗ Việt Nam PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 05 mẫu Keo tràm sử dụng nghiên cứu thu thập Trung tâm Khoa học Lâm nghiệp vùng Bắc Trung Bộ, tỉnh Quảng Trị Nguồn gốc Keo TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2021 151 Công nghiệp rừng tràm thí nghiệm từ dịng Clt43 trồng từ tháng 12/2015 với mật độ 1.100 cây/ha Các mẫu thu thập vào tháng 12/2020 dựa số đặc điểm thân thẳng, biểu sâu bệnh, khuyết tật Đường kính 1,3m tính từ mặt đất (đường kính ngang ngực) chiều cao vút đo cho trình bày Bảng Một khúc gỗ dài 1m (từ 0,5 đến 1,5 m) tính từ mặt đất cắt từ mẫu Sau để khô, mẫu gỗ có kích thước 20 (Xun tâm) × 20 (Tiếp tuyến) × 300 (Dọc thớ) mm3 từ khúc gỗ để phòng giữ mẫu nhiệt độ 20oC độ ẩm 60% đến đạt khối lượng không đổi Bảng Thông tin đường kính ngang ngực chiều cao mẫu Cây D1,3 (cm) Chiều cao (m) 10,48 13,05 11,62 13,22 12,23 13,70 12,71 13,87 11,34 12,15 Khối lượng riêng (AD) mẫu xác định theo phương pháp cân (cân OHaus SPX222) đo thể tích (thước cặp Panme) Thời gian truyền sóng ứng suất theo hướng dọc thớ mẫu đo thiết bị Fakopp (Fakopp Microsecond Timer, Fakopp Enterprise) Thiết bị đo thời gian truyền sóng mẫu gỗ theo hướng dọc thớ Tín hiệu truyền tạo cách sử dụng búa để tác dụng lực vào đầu truyền Thời gian truyền sóng hiển thị thiết bị đo (Hình 1) Mơ đun đàn hồi uốn tĩnh động lực học (MOEd) tính cơng thức: MOEd = AD × SWV2 (1) Trong MOEd mô đun đàn hồi uốn tĩnh động lực học (GPa); AD khối lượng riêng gỗ (kg/m3); SWV vận tốc sóng ứng suất (m/s) Hình Q trình đo vận tốc sóng ứng suất Viện Nghiên cứu Phát triển Lâm nghiệp, Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên Sau đo sóng ứng suất, giá trị mô đun đàn hồi uốn tĩnh (MOE) độ bền uốn tĩnh (MOR) mẫu gỗ đo thiết bị Autograph AG-G (Shimazu, Kyoto, Japan) Đại học Kyushu, Nhật Bản theo tiêu chuẩn JIS Z2101-1994 (2000) Khoảng cách hai gối 152 đỡ đo 260 mm với lực tác dụng vào mẫu gỗ theo chiều tiếp tuyến giá trị vận tốc không đổi (5 mm/phút) Một số mẫu lựa chọn ngẫu nhiên để kiểm tra độ ẩm phương pháp cân – sấy Giá trị trung bình mẫu đo có độ ẩm sấp xỉ 12% TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2021 Cơng nghiệp rừng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Vận tốc truyền sóng ứng suất tính chất gỗ Keo tràm Bảng trình bày giá trị trung bình vận tốc truyền sóng ứng suất, khối lượng riêng, tính chất học phân tích thống kê liên quan Giá trị trung bình vận tốc sóng ứng suất nghiên cứu 4075 m/s với hệ số biến thiên 4,80% So với kết nghiên cứu Dương Hà (2020) giá trị trung bình vận tốc truyền sóng ứng suất gỗ Keo tai tượng tuổi 4320 m/s giá trị trung bình vận tốc sóng ứng suất truyền theo hướng dọc thớ mẫu gỗ nhỏ, không chứa khuyết tật độ ẩm khoảng 12% gỗ Keo tràm nghiên cứu thấp Bảng Vận tốc sóng ứng suất, khối lượng riêng tính chất học Keo tràm Giá trị Tính chất Trung bình Minimum Maximun SD CV (%) SWV (m/s) 4075 3726 4462 196 4,80 AD (g/cm ) 0,57 0,39 0,68 0,07 12,28 MOEd (GPa) 9,40 6,57 11,13 1,10 11,70 MOE (GPa) 7,39 5,13 8,98 0,94 12,72 MOR (MPa) 84,30 49,89 109,43 13,13 15,58 Chú thích: Minimum giá trị nhỏ nhất; Maximum giá trị lớn nhất; SD độ lệch chuẩn; CV hệ số biến thiên Giá trị trung bình khối lượng riêng gỗ Keo tràm nghiên cứu 0,57 g/cm3, biến động từ 0,39 đến 0,68 g/cm3 Kết phù hợp với báo cáo trước khối lượng riêng gỗ Keo tràm, nằm khoảng biến động nghiên cứu này, cụ thể: Lê et al (2011) báo cáo giá trị khối lượng riêng Keo tràm 0,59 g/cm3 Tonouewa et al (2020) giá trị khối lượng riêng gỗ Keo tràm tuổi trồng Đơng Phi 0,61 g/cm3 Giá trị trung bình MOE MOR gỗ Keo tràm nghiên cứu 7,39 GPa 84,30 MPa Kết thấp so với kết đạt Tonouewa et al (2020) tác giả giá trị MOE MOR gỗ Keo tràm 11,48 GPa 109 MPa Sự biến động tính chất gỗ lồi đóng góp yếu tố điều kiện sinh thái nơi lồi trồng Giá trị trung bình mơ đun đàn hồi uốn tĩnh động lực học (MOEd) xác định dựa vận tốc truyền sóng ứng suất khối lượng riêng (cơng thức 1) gỗ Keo tràm 9,40 GPa biến động từ 6,57 GPa đến 11,13 GPa Trong nghiên cứu này, giá trị MOEd cao giá trị MOE 21,38% Kết nghiên cứu phù hợp với nghiên cứu giới giá trị mô đun đàn hồi uốn tĩnh động lực học cao giá trị mô đun đàn hồi uốn tĩnh đo phương pháp phá hủy truyền thống Duong and Ridley-Ellis (2021) báo cáo giá trị MOEd cao MOE khoảng 15% gỗ Xoan ta (Melia azedarach) Tương tự vậy, Wang et al (2001) giá trị MOEd cao MOE 20,74% loài Western hemlock 28,78% loài Sitka spruce Nguyên nhân dẫn đến tượng phương pháp đo phá hủy có chứa lực trượt đo, phương pháp khơng phá hủy không chịu ảnh hưởng lực 3.2 Tương quan tính chất Bảng trình bày hệ số tương quan cấp độ ý nghĩa thống kê vận tốc truyền sóng ứng suất tính chất gỗ Keo tràm kiểm tra nghiên cứu Hệ số tương quan SWV AD – 0,41 (P < 0,01) Kết nghiên cứu giá trị SWV có xu hướng tăng lên giá trị khối lượng riêng Keo tràm giảm xuống (Hình 2) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2021 153 Cơng nghiệp rừng Bảng Phân tích tương quan giá trị vận tốc truyền sóng tính chất gỗ Tính chất AD SWV MOEd MOE SWV - 0,41** MOEd 0,66*** 0,41* MOE 0,60*** 0,32* 0,87*** *** ns MOR 0,71 -0,05 0,67*** 0,76*** Chú ý: * P < 0,05; ** P < 0,01; *** P < 0,001; nsKhơng có ý nghĩa thống kê 1,0 AD (g/cm3) 0,8 0,6 0,4 y = -0,0001x + 1,12 r = -0,41** 0,2 0,0 3000 3500 4000 4500 5000 SWV (m/s) Hình Tương quan vận tốc sóng ứng suất giá trị khối lượng riêng Dự đốn nhanh tính chất học mà không phá hủy mẫu sau đo nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Kết nghiên cứu vận tốc truyền sóng ứng suất dọc thớ gỗ Keo tràm có tương quan dương với giá trị MOE, nhiên mức độ tương quan thấp (r = 0,32, P < 0,05) (Hình 3a) Khơng có mối liên hệ có ý nghĩa 120 (a) 10 100 80 MOR (MPa) MOE (GPa) 12 thống kê tìm thấy giá trị vận tốc sóng ứng suất độ bền uốn tĩnh gỗ Keo tràm (Bảng Hình 3b) Kết nghiên cứu sử dụng giá trị vận tốc truyền sóng ứng suất khả dự đốn nhanh tính chất học gỗ Keo tràm thấp 3000 y = 0,0015x + 1,26 r = 0,32* 3500 4000 4500 5000 SWV (m/s) (b) 60 40 20 3000 3500 4000 4500 5000 SWV (m/s) Hình Tương quan vận tốc sóng ứng suất tính chất học (MOE MOR) Cùng với AD MOE xem số quan trọng để dự đoán giá trị MOR Nghiên cứu MOE có mối tương quan dương cao với MOR gỗ Keo tràm với hệ số tương quan 0,76 (P < 0,001) (Hình 4a) MOR có mối tương quan dương với giá trị mô đun đàn hồi 154 uốn tĩnh động lực học (r = 0,67, P < 0,001) (Hình 4b) Kết nghiên cứu thống với kết nghiên cứu trước mối liên hệ mơ đun đàn hồi uốn tĩnh độ bền uốn tĩnh Duong Matsumura (2018) báo cáo hệ số tương quan MOR với MOE; MOR với MOEd 0,81 0,84 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2021 Công nghiệp rừng 120 (a) 100 100 80 80 MOR (MPa) MOR (MPa) 120 60 y = 10,71x + 5,19 r = 0,76*** 40 20 (b) 60 40 y = 7,97x + 9,43 r = 0,67*** 20 2,0 4,5 7,0 9,5 12,0 3,0 5,5 MOE (GPa) 8,0 10,5 13,0 MOEd (GPa) Hình Tương quan giá trị MOR với MOE MOEd Các nghiên cứu giới liên quan đến sử dụng công nghệ không phá hủy giá trị vận tốc truyền sóng kết hợp với giá trị khối lượng riêng (cơng thức 1) có khả dự đốn tốt giá trị mơ đun đàn hồi uốn tĩnh (Wang et at., 2001; Hassan et al., 2013; Baar et al., 2015) Kết nghiên cứu phù hợp với nghiên cứu trước giá trị MOEd có hệ số tương quan dương mạnh với giá trị MOE đo phương pháp phá hủy truyền thống Hệ số tương quan MOEd MOE tìm thấy nghiên cứu cho gỗ Keo tràm 0,87 (P < 0,001) (Hình 5) Duong Ha (2020) hệ số tương quan MOE MOEd 0,90 gỗ Keo tai tượng Posta et al (2016) báo cáo hệ số tương quan cao giá trị MOE MOEd (r = 0,95) loài Picea abies Mức độ tương quan giá trị mô đun đàn hồi uốn tĩnh đo phương pháp không phá hủy phương pháp truyền thống phụ thuộc vào loài Trong nghiên cứu này, mức độ xác để dự đoán giá trị MOE gỗ Keo tràm có kết hợp giá trị SWV AD cao hẳn so với sử dụng AD Hệ số tương quan AD MOE 0,60 (P < 0,001) Kết nghiên cứu biết khối lượng riêng cơng nghệ sóng ứng suất có khả dự đốn tốt giá trị mơ đun đàn hồi uốn tĩnh gỗ Keo tràm 12 MOE (GPa) 10 y = 0,74x + 0,47 r = 0,87*** 3,0 5,5 8,0 10,5 13,0 MOEd (GPa) Hình Tương quan giá trị MOE MOEd KẾT LUẬN Giá trị trung bình AD, MOE, MOR đo phương pháp truyền thống gỗ Keo tràm tuổi trồng Quảng Trị, Việt Nam 0,57 g/cm3, 7,39 GPa, 84,30 MPa Giá trị SWV MOEd nghiên cứu 4075 m/s 9,40 GPa Mô đun đàn hồi uốn tĩnh đo phương pháp sóng ứng suất cao 21,38% so với giá trị đo phương pháp truyền thống Nếu sử dụng sóng ứng suất khả dự đốn tính chất học gỗ Keo tràm thấp Một hệ số tương quan mạnh tìm thấy MOEd MOE (r = 0,87, P < 0,001) gợi ý cơng nghệ sóng ứng suất có tiềm để dự đốn giá trị MOE gỗ Keo tràm có kết hợp với khối lượng riêng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2021 155 Công nghiệp rừng ultrasonic wave velocity in fast-growing trees Wood Fiber Sci 47(3): 313-318 Hassan KTS, Horacek P, Tippner (2013) Evaluation of stiffness and strength of Scots Pine wood using resonance frequency and ultrasonic techniques Bioresources 8(2): 1634-1645 Lê TH, Đỗ VB, Nguyễn TK (2011) Tính chất vật lý, học hướng sử dụng gỗ số loài cho trồng rừng sản xuất vùng Đông Nam Bộ Báo cáo tổng kết Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam, Hà Nội Pinyopusarerk K (1990) Acacia auriculiformis: an annotated bibliography Bangkok, Thailand: Winrock International-F/FRED and ACIAR, 154p 10 Posta J, Ptacek P, Jara R, Terebesyova M, Kuklik P, Dolejs J (2016) Correlations and differences between methods for non-destructive evaluation of timber elements Wood Res 61(1):129-140 11 Schimleck LR., Downes GM, Evans R (2006) Estimation of Eucalyptus nitens wood properties by near infrared spectroscopy Appita J 59: 136-141 12 Tonouewa JFMF, Langbour P, Biaou SSH, Assede ESP, Guibal D, Kouchade CA, Kounouhewa BB (2020) Anatomical and physico-mechanical properties of Acacia auriculiformis wood in relation to age and soil in Benin, West Africa Eur J Wood Wood Prod 78: 745-756 13 Wang X, Ross RJ, McClellan M, Barbour RJ, Erickson JR, Forsman JW, McGinnis GD (2001) Nondestructive evaluation of standing trees with a stress wave method Wood Fiber Sci 33(4): 522-533 Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) Đề tài mã số 106.06-2019.319 Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên Đề tài mã số SV2021-60 Chúng chân thành cảm ơn TS Trần Lâm Đồng (Viện Khoa học Lâm Nghiệp Việt Nam) hỗ trợ để thu thập mẫu nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO Baar J, Tippner J, Rademacher P (2015) Prediction of mechanical properties – modulus of rupture and modulus of elasticity – of five tropical species by nondestructive methods Maderas Cienc Tecnol 17(2): 239-252 Duong DV, Ridley-Ellis D (2021) Estimating mechanical properties of clear wood from ten-year-old Melia azedarach trees using the stress wave method Eur J Wood Wood Prod 79(4): 941-949 Dương DV, Hà TQL (2020) Đánh giá tính chất học gỗ Keo tai tượng (Acacia mangium) phương pháp không phá hủy Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Lâm nghiệp 5: 126-133 Duong DV, Matsumura J (2018) Within-stem variations in mechanical properties of Melia azedarach planted in northern Vietnam J Wood Sci 64:329-337 Hai PH (2009) Genetic improvement of plantation-grown Acacia auriculiformis for sawn timber production Doctoral thesis Swedish University of Agricultural Sciences, Swedish Hasegawa M, Mori M, Matsumura J (2015) Relations of fiber length to within-tree variation of ESTIMATING WOOD DENSITY AND MECHANICAL PROPERTIES OF Acacia auriculiformis USING STRESS WAVE METHOD Duong Van Doan1*, Vang A Chua1 Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry SUMMARY Using nondestructive evaluation technology to rapidly estimate wood properties is a strong interest in near the years This study was conducted to exam the possibility of using the stress wave method for estimating wood density and mechanical properties of 5-year-old Acacia auriculiformis planted in Quang Tri, Vietnam The mean values of wood density (AD), modulus of elasticity (MOE), and modulus of rupture (MOR) were 0.57 g/cm3, 7.39 GPa, and 84.30 MPa, respectively The results of this study showed that stress wave velocity (SWV) had a negative correlation with AD of A auriculiformis wood SWV had a positive statistically significant (P < 0.05), but weak (r = 0.32) correlation with MOE, and no correlation with MOR Therefore, it would not be possible to effectively assess the mechanical properties of A auriculiformis wood by using only the stress wave velocity The possibility of prediction MOE increased considerably when SWV and AD were used together through calculation dynamic modulus of elasticity (MOEd) with a correlation coefficient between MOEd and MOE was 0.87 (P < 0.001) Keywords: Acacia auriculiformis, MOE, MOR, stress wave, wood density Ngày nhận Ngày phản biện Ngày định đăng 156 : 15/8/2021 : 16/9/2021 : 06/10/2021 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2021 ... dụng sóng ứng suất khả dự đốn tính chất học gỗ Keo tràm thấp Một hệ số tương quan mạnh tìm thấy MOEd MOE (r = 0,87, P < 0,001) gợi ý cơng nghệ sóng ứng suất có tiềm để dự đốn giá trị MOE gỗ Keo tràm. .. tốc sóng ứng suất giá trị khối lượng riêng Dự đoán nhanh tính chất học mà khơng phá hủy mẫu sau đo nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Kết nghiên cứu vận tốc truyền sóng ứng suất dọc thớ gỗ Keo tràm. .. KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2021 Công nghiệp rừng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Vận tốc truyền sóng ứng suất tính chất gỗ Keo tràm Bảng trình bày giá trị trung bình vận tốc truyền sóng ứng suất,