Mật độ gỗ là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa mật độ gỗ

Mật độ gỗ là tỉ số khối lượng gỗ khô trong lò (oven‐dry mass) và thể tích gỗ ban đầu (green volume) hoặc thể tích khô tùy định nghĩa, phản ánh mật độ vật chất trong cấu trúc mạch gỗ. Khi đo ở trạng thái khô, hàm ẩm về 0%, gỗ co lại khiến thể tích giảm, vì thế phân loại mật độ thường được chia thành:

• Mật độ khô trong lò (oven‐dry density): khối lượng khô/​thể tích khô;
• Mật độ cơ bản (basic density): khối lượng khô/​thể tích trạng thái xanh;
• Mật độ không khí khô (air‐dry density): khối lượng ở 12% ẩm/​thể tích tương ứng.

Mật độ gỗ là chỉ số cơ bản và phổ biến nhất trong đánh giá chất lượng gỗ, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chịu lực, độ bền uốn, độ cứng và khả năng chống mục nát. Các giá trị mật độ gỗ dao động rộng, từ ~200 kg/m³ ở loài gỗ mềm nhanh trưởng thành đến >1.000 kg/m³ ở loài gỗ cứng hiếm gặp như gụ đen hoặc trắc.

Các ứng dụng chính của mật độ gỗ bao gồm:

• Thiết kế kết cấu gỗ: xác định khả năng chịu nén, uốn;
• Chọn vật liệu đồ nội thất: độ bền, độ ổn định kích thước;
• Quản lý rừng: ước tính khối lượng sinh khối và tính toán carbon stock.

Các loại mật độ gỗ

Mật độ gỗ được phân loại theo điều kiện mẫu gỗ và độ ẩm khi đo:

• Mật độ khô trong lò (oven‐dry density): mẫu gỗ sấy ở 103 ± 2 °C đến khối lượng không đổi, sau đó đo thể tích bằng phương pháp Archimedes hoặc đo trực tiếp kích thước;
• Mật độ không khí khô (air‐dry density): mẫu gỗ để tự nhiên trong phòng ẩm 65 ± 5% và nhiệt độ 20 ± 2 °C đến cân bằng ẩm ~12%, sau đó đo khối lượng và thể tích;
• Mật độ cơ bản (basic density): khối lượng khô trong lò so với thể tích nguyên mẫu khi mới lấy từ cây (green volume), thể tích lớn hơn thể tích khô do hơi ẩm trong mạch gỗ.

Việc lựa chọn loại mật độ phụ thuộc mục đích nghiên cứu và tiêu chuẩn áp dụng. Ví dụ, trong đánh giá carbon stock, mật độ cơ bản giúp ước tính tổng khối lượng sinh khối trên diện tích rừng; trong thiết kế gỗ công nghiệp, mật độ khô trong lò dùng để so sánh tính cơ học giữa các loài gỗ.

Bảng tổng hợp đặc điểm các loại mật độ gỗ:

Công thức tính và đơn vị

Công thức cơ bản tính mật độ gỗ là:

$\rho = \frac{m}{V}$

Trong đó:

• \(\rho\) là mật độ gỗ (kg/m³ hoặc g/cm³);
• \(m\) là khối lượng mẫu gỗ (kg hoặc g) tại trạng thái xác định (oven‐dry hoặc air‐dry);
• \(V\) là thể tích mẫu gỗ (m³ hoặc cm³) tại cùng trạng thái hoặc thể tích xanh tùy loại mật độ.

Đơn vị SI tiêu chuẩn là kg/m³. Trong ngành gỗ, g/cm³ cũng thường được sử dụng, 1 g/cm³ = 1.000 kg/m³. Việc thống nhất đơn vị rất quan trọng để đối sánh dữ liệu nghiệm thu và đảm bảo tính chính xác trong thiết kế.

Công thức phụ trợ dùng trong tính toán mật độ cơ bản:

$\rho_b = \frac{m_{\text{dry}}}{V_{\text{green}}}$

Trong đó \(m_{\text{dry}}\) là khối lượng khô và \(V_{\text{green}}\) là thể tích xanh ngay sau khi lấy từ cây. Phương pháp này giúp giảm sai số do co ngót khi sấy khô.

Phương pháp đo mật độ

Hai phương pháp đo mật độ gỗ phổ biến được quy chuẩn bởi ASTM D2395 và ISO 13061:

• Phương pháp Archimedes: đo thể tích mẫu bằng cách cân trong không khí và cân trong nước, áp dụng công thức đẩy; phương pháp nhanh, độ chính xác cao cho mẫu hình lập phương hoặc trụ;
• Phương pháp đo kích thước: đo trực tiếp kích thước mẫu (chiều dài, rộng, cao) bằng thước chính xác và tính thể tích; thích hợp mẫu vuông vức, yêu cầu độ chính xác đo cao.

Quy trình đo:

1. Chuẩn bị mẫu: kích thước đồng nhất, bề mặt nhẵn, không rạn nứt;
2. Sấy khô trong lò ở 103 ± 2 °C đến khối lượng không đổi;
3. Đo khối lượng khô (\(m\));

4. Đo thể tích:\n

   • Archimedes: cân mẫu trong nước và không khí;\n
   • Kích thước: đo kích thước và tính thể tích.

   \n

5. Tính mật độ bằng công thức \(\rho = m/V\).

Kết quả đo được so sánh với tiêu chuẩn ASTM D2395-17 hoặc ISO 13061 để đảm bảo độ tin cậy, từ đó áp dụng trong báo cáo kỹ thuật và nghiên cứu khoa học.

Yếu tố ảnh hưởng đến mật độ gỗ

Loài cây là yếu tố chính quyết định mật độ gỗ: các loài gỗ cứng (hardwood) như gụ, trắc, mun thường có giá trị mật độ từ 600–1.200 kg/m³, trong khi gỗ mềm (softwood) như thông, phi lao dao động 350–600 kg/m³. Sự khác biệt này phản ánh cấu trúc tế bào mạch gỗ, tỷ lệ mạch (vessel) và tế bào libe (fiber) trong lõi gỗ.

Vị trí trong thân cây cũng dẫn đến biến thiên mật độ: tâm gỗ (heartwood) già có mật độ cao hơn gỗ sát vỏ (sapwood) do hàm lượng phenolic và nhựa cao, đồng thời tế bào libe dày thành hơn. Gỗ sát vỏ chứa nhiều nước và có mạch dẫn thức ăn nên thể tích lớn hơn, mật độ cơ bản thấp hơn.

Điều kiện sinh trưởng ảnh hưởng rõ rệt: tăng trưởng nhanh trong điều kiện ẩm ướt, đất giàu dinh dưỡng thường tạo vân rộng (wide rings) và mật độ thấp hơn so với vân hẹp (narrow rings) ở điều kiện khô hạn. Biểu đồ dưới đây mô tả mối tương quan giữa tốc độ tăng trưởng (ring width) và mật độ gỗ:

Liên hệ với tính chất cơ học

Mật độ gỗ tỷ lệ thuận với các chỉ số cơ học: độ bền uốn (modulus of rupture – MOR) và mô đun đàn hồi (modulus of elasticity – MOE). Mật độ càng cao, khả năng chịu uốn càng lớn, theo hàm mũ đơn giản:

$MOR \propto \rho^{1.5},\quad MOE \propto \rho^{2}$

Kết quả thử nghiệm trên gỗ thông và gỗ trắc cho thấy MOR của gỗ trắc (~1.000 kg/m³) đạt 120 MPa, trong khi gỗ thông (~450 kg/m³) chỉ đạt 60 MPa. MOE tương ứng 15 GPa và 8 GPa.

Mật độ cũng ảnh hưởng đến độ cứng (hardness) và khả năng chống mài mòn: gỗ có mật độ >700 kg/m³ thường đạt Janka hardness trên 6.000 N, thích hợp làm sàn và đồ nội thất chịu lực.

Ứng dụng trong công nghiệp gỗ

Dựa trên mật độ, gỗ được phân loại thành nhóm sử dụng khác nhau. Nhóm mật độ thấp (<500 kg/m³) thường dùng làm ván ép, ván MDF, khung tranh, do dễ gia công và trọng lượng nhẹ. Nhóm mật độ trung bình (500–700 kg/m³) phù hợp làm đồ nội thất, cửa, sàn dân dụng.

Gỗ mật độ cao (>700 kg/m³) như căm xe, trắc, gụ được dùng cho sàn chịu lực, nội thất cao cấp và kết cấu cầu đường. Mật độ cao đồng nghĩa với ổn định kích thước, ít biến dạng khi thay đổi độ ẩm, độ bền mối nối và độ bám đinh vít tốt.

• Ván ép & MDF: gỗ mật độ thấp, tiết kiệm chi phí.
• Nội thất & sàn: mật độ trung bình, cân bằng độ bền và trọng lượng.
• Kết cấu cầu đường: gỗ cứng, mật độ cao, chịu tải trọng lớn.
• Trang thiết bị hàng hải: gỗ teak (mật độ ~650 kg/m³) kháng nước và mài mòn.

Trong quản lý rừng bền vững, mật độ cơ bản là tham số quan trọng để tính toán trữ lượng carbon. Theo FAO Forestry, trữ lượng gỗ (ton carbon/ha) = diện tích rừng (ha) × mật độ cơ bản (g/m³) × sinh khối (m³/ha) × 0.5.

Tiêu chuẩn và mã số

Trong đo lường mật độ gỗ, các tiêu chuẩn quốc tế đảm bảo tính nhất quán:

• ASTM D2395-17: hướng dẫn phương pháp xác định density và specific gravity;
• ISO 13061 series: quy định đo các tính chất vật lý cơ bản của gỗ, bao gồm density;
• USDA Wood Handbook: cung cấp bảng mật độ gỗ các loài tại Mỹ (fs.usda.gov).

Việc tuân thủ tiêu chuẩn giúp so sánh dữ liệu nghiên cứu và ứng dụng trên toàn cầu, đồng thời đáp ứng yêu cầu kỹ thuật trong thiết kế kết cấu và thương mại hóa sản phẩm gỗ.

Hướng nghiên cứu và phát triển

Công nghệ không phá hủy (NDT) như X‑ray densitometry và CT scan cho phép đo mật độ gỗ trong khối lớn mà không cần cắt mẫu. Phương pháp này hỗ trợ phân tích đồng đều mật độ theo chiều dày, phát hiện khuyết tật nội tại như lỗ rỗng và nứt bên trong.

Mô hình sinh trưởng cây (growth modeling) kết hợp dữ liệu vệ tinh LiDAR và photogrammetry cho phép ước tính mật độ cơ bản và trữ lượng sinh khối trên diện tích rộng. Hướng nghiên cứu tập trung vào tích hợp AI/ML để dự đoán mật độ từ ảnh phổ đa chiều (hyperspectral imaging).

• X‑ray & CT scan: đo mật độ không phá hủy;
• LiDAR & photogrammetry: ước tính trữ lượng rừng;
• AI/ML & hyperspectral: dự đoán mật độ từ khoảng cách xa;
• Vật liệu composite gỗ kỹ thuật: tối ưu mật độ cơ học và khả năng chống cháy.

Tài liệu tham khảo

• ASTM International. (2018). ASTM D2395 – Standard Test Methods for Density and Specific Gravity of Wood.
• International Organization for Standardization. (2014). ISO 13061 Series – Physical and mechanical properties of wood.
• USDA Forest Service. (n.d.). Wood Handbook: Wood as an Engineering Material. Retrieved from fs.usda.gov.
• Food and Agriculture Organization. (n.d.). Global Forest Resources Assessment. Retrieved from fao.org.
• Wang, X., et al. (2019). Non‐destructive evaluation of wood density using X‐ray densitometry. Wood Science and Technology, 53(2), 345–359. doi:10.1007/s00226-019-01134-4