許彩娟 符韻林 孫 靜

(廣西大學(xué)，南寧，530004)

頂果木人工林木材物理力學(xué)性質(zhì)1)

許彩娟 符韻林 孫 靜

(廣西大學(xué)，南寧，530004)

以36年生人工林頂果木材為試驗(yàn)研究材料,對(duì)其木材物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)定與分析。結(jié)果表明：頂果木人工林木材基本密度、氣干密度、全干密度分別為：0.463、0.553、0.513 g/cm3，屬中等級(jí)別；抗彎強(qiáng)度90.46 MPa、抗彎彈性模量7 189.06 MPa、沖擊韌性55.81 kJ/m2、端面硬度5 487.80 N、順紋抗壓強(qiáng)度42.47 MPa、橫紋徑向全部抗壓比例極限應(yīng)力6.58 MPa、橫紋弦向全部抗壓比例極限應(yīng)力6.02 MPa、橫紋徑向局部抗壓比例極限應(yīng)力9.68 MPa、橫紋弦向局部抗壓比例極限應(yīng)力7.99 MPa。木材抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性、端面硬度、順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋抗壓強(qiáng)度，均屬中等級(jí)別；抗彎彈性模量屬低級(jí)別；綜合品質(zhì)系數(shù)2 871×105Pa，屬高等級(jí)材。

頂果木；木材物理性質(zhì)；木材力學(xué)性質(zhì)

頂果木(AcrocarpusfraxinifoliusWight et Arn.)別名格郎央(瑤語(yǔ))，咪央(壯語(yǔ))，為蘇木科(Caesalpiniaceae)頂果木屬，落葉大喬木[1]151，分布于我國(guó)貴州、云南、廣西西部的龍州、隆林、田林、都安、平果等，生長(zhǎng)于海拔200～1 500 m處的山地林中[2]。

謝?；輀3]在廣西頂果木初步研究中得出，22年生的廣西頂果木樹(shù)高達(dá)25.61 m,胸徑35.8 cm,材積1.189 5 m3。頂果木木纖維細(xì)長(zhǎng)而壁薄，是纖維工業(yè)的好原料；材質(zhì)輕韌，花紋美麗，心材淡紅褐色，少開(kāi)裂，較耐腐，是上等家具的用材[4]。

頂果木作為廣西“十二五規(guī)劃”發(fā)展的珍貴鄉(xiāng)土樹(shù)種之一，其研究與發(fā)展日益受到人們的關(guān)注，其市場(chǎng)前景廣闊，有望發(fā)展成為我國(guó)南方地區(qū)繼速豐桉之后的重要速生豐產(chǎn)林闊葉樹(shù)種[2]。但目前有關(guān)頂果木木材材性方面的研究仍比較少，系統(tǒng)報(bào)道也甚少，筆者對(duì)其開(kāi)展了木材物理力學(xué)性質(zhì)的研究。

1 材料與方法

1.1 試材采集

頂果木試材采自廣西來(lái)賓市維都林場(chǎng)。試材采集按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1927—2009《木材物理力學(xué)試材采集方法》的規(guī)定進(jìn)行。根據(jù)林分生長(zhǎng)情況，選取生長(zhǎng)良好，具代表性的樹(shù)株作為樣木，共3株，樹(shù)齡36 a，胸徑35～48 cm，樹(shù)高26.0～32.7 m，枝下高11.0～14.8 m。

1.2 試材加工與試驗(yàn)方法

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1929—2009《木材物理力學(xué)試件鋸解及試樣截取方法》制取試樣,試件測(cè)定按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1927～1943—2009《木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》要求進(jìn)行。測(cè)定指標(biāo)包括樹(shù)皮率，心材率，生材含水率，基本密度，氣干密度，全干密度，生材密度，木材徑向、弦向和體積氣干干縮率、全干縮率及干縮系數(shù)，從全干至氣干的濕脹率和從全干至飽水的濕脹率，吸水率，順紋抗壓強(qiáng)度，橫紋全部抗壓強(qiáng)度，橫紋局部抗壓強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度，抗彎彈性模量，沖擊韌性，硬度等。

運(yùn)用101-2型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)和擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前將試件置于溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度為(65±3)%的環(huán)境下進(jìn)行含水率平衡，試驗(yàn)結(jié)果均換算成含水率為12%時(shí)的數(shù)據(jù)[5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材物理性質(zhì)

2.1.1 密度

木材密度是判斷木材的工藝性質(zhì)和物理力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)，它與木材的其它性能都有密切關(guān)系。其變異性的研究，對(duì)木材的加工、利用及林木育種優(yōu)良品種篩選都具有重要意義。木材密度包括基本密度、氣干密度和全干密度?；久芏仁呛饬磕静拿軐?shí)程度的一個(gè)標(biāo)志，最適于作材性比較之用，在木材干燥和防腐工業(yè)中具有實(shí)用意義。氣干密度是影響木材最終產(chǎn)品質(zhì)量的重要因子，我國(guó)以它作為材性比較和生產(chǎn)應(yīng)用的基本依據(jù)[6]143，生產(chǎn)中通常用氣干密度估算木材質(zhì)量。由表1可知，頂果木木材的基本密度平均為0.463 g/cm3；氣干密度平均為0.553 g/cm3，根據(jù)《木材的主要物理力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表》[7]163，屬中等(0.551～0.750 g/cm3)；全干密度平均為0.513 g/cm3。

2.1.2 干縮性

了解木材的干縮性及干縮規(guī)律，對(duì)于木材的加工與利用有很重要的意義[6]158。木材的干縮性質(zhì)常用干縮率、干縮系數(shù)和差異干縮表達(dá)。

①干縮率。木材干縮的大小以干縮率表示，干燥過(guò)程中產(chǎn)生的線(xiàn)性和體積干縮率的大小及均勻性是判定其實(shí)木加工利用價(jià)值的一項(xiàng)重要指標(biāo)?？芍?，頂果木木材從濕材至氣干材時(shí)，弦向、徑向和體積干縮率分別為2.2%、1.2%和3.7%；從濕材至全干材時(shí)，其弦向、徑向和體積干縮率分別為5.8%、3.4%和9.5%。

②干縮系數(shù)。干縮系數(shù)是指吸著水每變化1%時(shí)木材的干縮率變化值，它是衡量木材干縮特性的一項(xiàng)重要指標(biāo)[8]138。以干縮系數(shù)指標(biāo)計(jì)算確定出木材加工過(guò)程中板材尺寸和濕單板剪切時(shí)應(yīng)留出的干縮余量。頂果木木材的弦向、徑向和體積干縮系數(shù)分別為0.300%、0.180%和0.503%。根據(jù)《木材的主要物理力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表》[7]163可知，頂果木木材的體積干縮系數(shù)達(dá)到高等級(jí)別(0.501%～0.600%)。

③差異干縮。木材弦向干縮與徑向干縮之比值稱(chēng)為差異干縮，它是判斷木材開(kāi)裂以及變形的依據(jù)[8]139。頂果木木材的差異干縮為2.446，根據(jù)《木材的主要物理力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表》可知，頂果木木材的差異干縮達(dá)到高等級(jí)別(2.11～2.60)，差異干縮數(shù)值偏大，說(shuō)明其開(kāi)裂趨勢(shì)大，木材干燥時(shí)容易發(fā)生翹曲和開(kāi)裂。

表1 頂果木木材物理性質(zhì)均值及變異統(tǒng)計(jì)

數(shù)值類(lèi)型干縮率氣干干縮率/%弦向徑向體積全干縮率/%弦向徑向體積干縮系數(shù)/%弦向徑向體積差異干縮平均值2.2000.6253.7005.8003.4009.5000.3000.1800.5032.446標(biāo)準(zhǔn)差0.7460.0491.6280.9390.9011.5670.0450.0500.0702.600標(biāo)準(zhǔn)誤0.05952.4970.1280.0740.0710.1230.0040.0040.0050.223變異系數(shù)/%34.5478.24944.24616.27926.38916.50814.87127.72313.871106.277準(zhǔn)確指數(shù)/%5.4286.9532.5584.1472.5942.3374.3562.18018.226

數(shù)值類(lèi)型全干到氣干濕脹率/%弦向徑向體積差異濕脹全干到飽水濕脹率/%弦向徑向體積差異濕脹平均值2.3001.6004.2001.5036.2003.70011.0001.798標(biāo)準(zhǔn)差0.6620.5340.9040.4700.8430.9971.8150.458標(biāo)準(zhǔn)誤0.0780.0630.1070.0550.0990.1180.2140.054變異系數(shù)/%28.86733.04821.53831.28813.56627.11216.48225.458準(zhǔn)確指數(shù)/%8.8047.7895.0777.3753.1986.3903.8856.000

注：樹(shù)皮體積分?jǐn)?shù)、樹(shù)皮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、心材率樣本數(shù)量為40個(gè)；生材含水率、生材密度樣本數(shù)量為33個(gè)；基本密度、氣干密度、全干密度樣本數(shù)量為36個(gè)；干縮率樣本數(shù)量為162個(gè)；濕脹率樣本數(shù)量為72個(gè)。

2.1.3 吸水性

測(cè)定了頂果木全干材浸水的吸水質(zhì)量變化，時(shí)間為38 d，各段浸泡時(shí)間的吸水性結(jié)果見(jiàn)表2?？芍?，頂果木木材在10 d前增加比較快，在前6 h內(nèi)，木材從全干吸水至42.60%，在1 d間增至85.20%，在2 d間增至108.27%，第10天吸水率135.64%，10 d后吸水率繼續(xù)增加，增加趨勢(shì)緩慢；木材浸泡38 d時(shí)吸水率為146.34%，仍有緩慢上升趨勢(shì)。由此看出頂果木木材吸水性強(qiáng)。

表2 頂果木木材吸水性變異

2.2 木材力學(xué)性質(zhì)

頂果木木材各項(xiàng)主要力學(xué)性質(zhì)平均值和變異統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(表3)。

2.2.1 順紋抗壓強(qiáng)度

順紋抗壓強(qiáng)度與其它強(qiáng)度指標(biāo)存在相關(guān)關(guān)系，是最重要的木材力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)[9]。可知，頂果木木材的順紋抗壓強(qiáng)度平均為42.47 MPa，對(duì)照木材順紋抗壓強(qiáng)度5檔分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[6]218，其順紋抗壓強(qiáng)度屬中下級(jí)(30.1～45.0 MPa)。

2.2.2 抗彎強(qiáng)度

抗彎強(qiáng)度作為木材另一重要的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，是建筑物的屋架、橫條、木橋、承重地板等彎曲的構(gòu)件選材時(shí)應(yīng)首先考慮的因素[8]186?？芍敼灸静牡目箯潖?qiáng)度平均為90.46 MPa，對(duì)照木材抗彎強(qiáng)度5檔分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[7]163，其強(qiáng)度屬中等(90.1～120.0 MPa)。

表3 頂果木木材力學(xué)性質(zhì)

注：端面、弦面、徑面的硬度樣本數(shù)量為91個(gè)；沖擊韌性樣本數(shù)量為174個(gè)；抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量樣本數(shù)量為72個(gè)；弦向橫紋全部抗壓比例極限應(yīng)力樣本數(shù)量為39個(gè)，徑向橫紋全部抗壓比例極限應(yīng)力樣本數(shù)量為40個(gè)；弦向、徑向橫紋局部抗壓比例極限應(yīng)力樣本數(shù)量為36個(gè)；順紋抗壓強(qiáng)度樣本數(shù)量為42個(gè)。

2.2.3 沖擊韌性

沖擊韌性常用于評(píng)定車(chē)輛和建筑結(jié)構(gòu)用材的品質(zhì)[9]?？芍?，頂果木木材的沖擊韌性平均為55.81 kJ/m2，對(duì)照木材沖擊韌性4檔分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[7]163，為中等(25.1～85.0 kJ/m2)。

2.2.4 品質(zhì)系數(shù)

木材作為承重構(gòu)件必須考慮它的順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度這兩項(xiàng)重要強(qiáng)度指標(biāo)，所以通常用順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度之和來(lái)表示木材的綜合強(qiáng)度，以此表明木材強(qiáng)度品質(zhì)等級(jí)[5]。從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，頂果木木材各項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度性質(zhì)均屬中等偏高，其綜合強(qiáng)度為132.93 MPa，根據(jù)《木材材性分級(jí)規(guī)定》[7]163可知，其綜合強(qiáng)度為中等級(jí)(132.398～176.4 MPa)，這說(shuō)明了頂果木木材可以用作一些強(qiáng)度要求不是極高的承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

木材品質(zhì)系數(shù)或稱(chēng)比強(qiáng)度或強(qiáng)重比，是某項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度極限與基本密度之比值，是評(píng)價(jià)木材品質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)。在木材領(lǐng)域，根據(jù)木材綜合品質(zhì)系數(shù)的大小，可將木材分為3類(lèi)，綜合品質(zhì)系數(shù)小于1 960×105Pa者為低等級(jí)材，1 961×105～2 156×105Pa者為中等級(jí)材，大于2 156×105Pa者為高等級(jí)材[7]163，[10]。根據(jù)前面試驗(yàn)分析得到的基本密度數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)和力學(xué)強(qiáng)度(見(jiàn)表3)，分析計(jì)算頂果木木材的品質(zhì)系數(shù)。結(jié)果為：頂果木木材的順壓品質(zhì)系數(shù)為917×105Pa，靜曲品質(zhì)系數(shù)為1 945×105Pa，綜合品質(zhì)系數(shù)達(dá)到2 871×105Pa。由此可見(jiàn)頂果木木材的品質(zhì)系數(shù)非常高，為高等級(jí)材。

2.3 木材氣干密度與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

木材的力學(xué)性質(zhì)，與構(gòu)成木材物質(zhì)的數(shù)量及構(gòu)造有關(guān)，且以木材物質(zhì)的數(shù)量為最主要，而木材密度是單位體積內(nèi)木材物質(zhì)數(shù)量的標(biāo)志，因此與力學(xué)性質(zhì)有密切的關(guān)系[11-13]，通過(guò)非線(xiàn)性分析進(jìn)行擬合，得到其關(guān)系如表4所示。

2.4 天然林和人工林的比較

由表5可以看出，頂果木木材的主要物理力學(xué)性質(zhì)中，天然林木材除干縮系數(shù)、端面硬度比人工林小之外，天然林：徑向干縮系數(shù)0.164%，弦向干縮系數(shù)0.299%，體積干縮系數(shù)0.490%，端面硬度4 993.29 N；人工林：徑向干縮系數(shù)0.180%，弦向干縮系數(shù)0.300%，體積干縮系數(shù)0.503%，端面硬度5 487.80 N；數(shù)據(jù)表明人工林木材與天然林木材沒(méi)有太大差別。其它主要物理力學(xué)性質(zhì)的平均值均比人工林的大。

表4 頂果木木材氣干密度與力學(xué)性質(zhì)之間相關(guān)分析

表5 頂果木木材天然林和人工林主要物理力學(xué)性質(zhì)比較

注：引用的天然林頂果木木材的主要物理力學(xué)性質(zhì)來(lái)源于廣西大學(xué)林學(xué)院木材標(biāo)本室。

3 結(jié)論

頂果木木材體積干縮系數(shù)、差異干縮均屬高等級(jí)別；氣干密度屬中等級(jí)別；順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性、端面硬度、抗彎強(qiáng)度屬中等級(jí)別；綜合強(qiáng)度屬高等級(jí)別；抗彎彈性模量屬低等級(jí)；而其品質(zhì)系數(shù)非常高，評(píng)為高等級(jí)材。

從力學(xué)性質(zhì)來(lái)看，頂果木木材各項(xiàng)力學(xué)性能均屬中等級(jí)別，可適用于受力要求不高的構(gòu)件，通?？捎糜诜课萁ㄖ矫?；防腐處理后可作木樁；工業(yè)制造方面亦可用作膠合板的飾面、薄木貼面和家具用材等。

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Wood Physical-mechanical Properties ofAcrocarpusfraxinifoliusWight et Arn./

Xu Caijuan, Fu Yunlin, Sun Jing

(Guangxi University, Nanning 530004, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-86～89

We studied the physical and mechanical properties of the wood with a 36-year-oldAcrocarpusfraxinifoliusWight et Arn. The average densities of basic wood, air-dried and oven-dried were 0.463, 0.553, and 0.513 g/cm3, respectively, belonging to the middle level. The mechanical properties ofA.fraxinifoliusWight et Arn. were with the bending strength of 90.46 MPa, the bending elastic modulus of 7 189.06 MPa, the impact toughness of 55.81 kJ/m2, the hardness of cross radial direction of 5 487.80 MPa, compressive strength parallel to grain of 42.47 MPa, the horizontal all compressive proportional limit stress of radial direction and tangential direction of 6.58 and 6.02 MPa, and the horizontal local compressive proportional limit stress of radial direction and tangential direction of 9.68 and 7.99 MPa, respectively. Compressive strength parallel to grain, the hardness on cross surface, bending strength, impact toughness, and horizontal compressive strength were medium. Volume shrinkage coefficient and differential shrinkage were in the high level, and the bending elastic modulus was in the low level. The quality factor is 2.871×108Pa, belonging to high-grade material.

AcrocarpusfraxinifoliusWight et Arn.; Physical properties of wood; Mechanical properties of wood

許彩娟，女，1990年12月生，廣西大學(xué)林學(xué)院，碩士研究生。

孫靜，廣西大學(xué)林學(xué)院，講師，E-mail：sunjing413@126.com。

2013年11月4日。

S781.29

1) 廣西自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2010GXNSFD013024)、南寧市科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(201102094G)。

責(zé)任編輯：戴芳天。