歐陽(yáng)林男，欒潔，陳少雄，林家純，王建忠，胡嬋，熊濤，冷少華

6個(gè)桉樹(shù)大徑材樹(shù)種木材力學(xué)性質(zhì)差異分析

歐陽(yáng)林男1，欒潔2，陳少雄1＊，林家純2，王建忠3，胡嬋2，熊濤3，冷少華2

(1.國(guó)家林業(yè)和草原局桉樹(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，廣東湛江 524022；2.廣西林業(yè)科學(xué)研究院，廣西南寧 530002；3.廣西國(guó)有東門林場(chǎng)，廣西扶綏 532108)

本文分析比較了細(xì)葉桉、赤桉、巨桉、尾葉桉、粗皮桉、大花序桉6個(gè)桉樹(shù)大徑材樹(shù)種木材的抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度5種力學(xué)性質(zhì)差異。結(jié)果表明：6個(gè)桉樹(shù)大徑材樹(shù)種的抗彎強(qiáng)度(116.38 ~ 183.99 Mpa)從高到低依次為尾葉桉>大花序桉>細(xì)葉桉>粗皮桉>巨桉>赤桉，抗彎彈性模量(13 975 ~ 30 442 Mpa)從高到低依次為大花序桉>尾葉桉>細(xì)葉桉>粗皮桉>赤桉>巨桉，順紋抗壓強(qiáng)度(64.93 ~ 86.75 Mpa)從高到低依次為大花序桉>細(xì)葉桉>粗皮桉>赤桉>尾葉桉>巨桉，沖擊韌性(65.05 ~ 134.06 KJ·m-2)從高到低依次為大花序桉>細(xì)葉桉>粗皮桉>赤桉>巨桉>尾葉桉，硬度(69.03 ~ 107.65 Mpa)從高到低依次為大花序桉>細(xì)葉桉>赤桉>尾葉桉>粗皮桉>巨桉。對(duì)6個(gè)樹(shù)種不同部位力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，大花序桉的抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度在不同高度差異顯著，巨桉的抗彎彈性模量差異顯著，尾葉桉、粗皮桉的順紋抗壓強(qiáng)度差異顯著，赤桉的端面硬度差異顯著，細(xì)葉桉的弦面硬度差異顯著；隸屬函數(shù)法分析結(jié)果表明，6個(gè)樹(shù)種中大花序桉的木材綜合材性最優(yōu)，其余依次為細(xì)葉桉>赤桉>尾葉桉>粗皮桉>巨桉。

桉樹(shù)；大徑材；材性；力學(xué)性質(zhì)

由于我國(guó)木材市場(chǎng)的條件發(fā)生了變化，對(duì)大徑材木材的需求矛盾日益突出。大徑材培育是人工林定向培育的一個(gè)重要方向，也是解決目前木材資源緊張的有效途徑之一。桉樹(shù)()作為重要的人工林速生樹(shù)種之一，在我國(guó)廣泛栽培種植。截至目前，我國(guó)桉樹(shù)人工林培育目標(biāo)仍以短輪伐期的纖維材居多，以大徑材為目標(biāo)的大規(guī)模桉樹(shù)人工林培育較少。

木材是不可或缺的重要生物質(zhì)資源，木材力學(xué)性能是影響木材加工利用的重要指標(biāo)之一。木材力學(xué)性質(zhì)又稱木材的機(jī)械性質(zhì)，是木材抵抗使其改變大小和形狀的外部機(jī)械力作用的能力，即木材適應(yīng)外力作用的能力[1]，主要包括順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、沖擊韌性、硬度等，能夠反映木材作為大徑材使用的潛力。

造林樹(shù)種選擇是大徑材人工林營(yíng)建最重要的一項(xiàng)基本工作，樹(shù)種適當(dāng)與否是大徑材造林工作成敗的關(guān)鍵。桉樹(shù)是姚金娘(Myrtaceae科桉屬(、杯果木屬()、傘房屬()3個(gè)屬種的總稱，共1 039個(gè)樹(shù)種[2]，而我國(guó)桉樹(shù)傳統(tǒng)經(jīng)營(yíng)培育過(guò)程中相關(guān)的樹(shù)種選擇缺乏引導(dǎo)，桉樹(shù)大徑材人工林培育過(guò)程中的樹(shù)種選擇依據(jù)更是欠缺。

針對(duì)上述問(wèn)題，本研究選取細(xì)葉桉()、赤桉(、巨桉()、尾葉桉()、粗皮桉()、大花序桉() 6個(gè)桉樹(shù)樹(shù)種為對(duì)象，以木材抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度五個(gè)力學(xué)性質(zhì)為測(cè)試指標(biāo)，比較桉樹(shù)種間以及同一樹(shù)種不同高度的力學(xué)性質(zhì)差異，以期為桉樹(shù)大徑材人工林營(yíng)建和提高桉樹(shù)木材加工利用率提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于廣西崇左市扶綏縣東門鎮(zhèn)廣西國(guó)有東門林場(chǎng)雷卡分場(chǎng)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫為 22℃，極端最低溫-3℃，極端最高溫40℃；年均降雨量1 250 mm，地勢(shì)平緩，海拔 135 ~ 156 m，土壤為磚紅壤性紅壤，pH值范圍為 4.5 ~ 6.0。

1.2 試樣采集

細(xì)葉桉、赤桉、巨桉、尾葉桉、粗皮桉、大花序桉6個(gè)桉樹(shù)樹(shù)種樣木于2017年下旬取自桉樹(shù)大徑材試驗(yàn)林，樣木信息和生長(zhǎng)情況見(jiàn)表1。

6個(gè)樹(shù)種分別選取長(zhǎng)勢(shì)適中的5株作為標(biāo)準(zhǔn)樣木，全株伐倒，于1.3 ~ 3.3、5.3 ~ 7.3、9.3 ~ 11.3和13.3 ~ 15.3 m處各鋸取2 m長(zhǎng)的原木段作為標(biāo)準(zhǔn)木段，置于溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度(65±5)%環(huán)境中進(jìn)行含水率平衡，調(diào)整木材含水率至12%，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 1929-2009《木材物理力學(xué)試件鋸解及試樣截取方法》制取試件，初步加工為試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)試件[3]，用以測(cè)定桉樹(shù)木材的力學(xué)性質(zhì)。

1.3 試樣測(cè)定

木材抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度分別參照GB/T 1936.1-2009《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》[4]、GB/T 1936.2-2009《木材抗彎彈性模量測(cè)定方法》[5]、GB/T 1935-2009《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》[6]、GB/T 1940-2009《木材沖擊韌性試驗(yàn)方法》[7]、按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1941-2009《木材硬度試驗(yàn)方法》[8]進(jìn)行測(cè)定。

表1 樣木的基本情況

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

使用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)，采用SPSS 20.0和Origin 8.5軟件進(jìn)行方差分析和圖像制作。參照孫曉梅等[9]的方法計(jì)算隸屬值，計(jì)算公式：

隸屬值=(-min)/(max-min)×100% (1)

若某指標(biāo)與材性性質(zhì)呈反向關(guān)系，可通過(guò)反隸屬函數(shù)計(jì)算隸屬值：

隸屬值= [1-(-min)/(max-min)]×100% (2)

式中：為某樹(shù)種某指標(biāo)的測(cè)定值；max為所有樹(shù)種該木材指標(biāo)測(cè)定值的最大值；min為所有樹(shù)種木材指標(biāo)測(cè)定值的最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 6個(gè)桉樹(shù)樹(shù)種木材力學(xué)性質(zhì)

表2展示了6個(gè)桉樹(shù)樹(shù)種的木材抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度。其中，尾葉桉的抗彎強(qiáng)度最大，平均值為183.99 MPa；赤桉的抗彎強(qiáng)度最小，平均值為116.38 MPa。對(duì)照木材主要物理力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表[10]，尾葉桉的抗彎強(qiáng)度達(dá)到5級(jí)(>145.1 MPa)，赤桉的對(duì)應(yīng)值達(dá)3級(jí)(90.1 ~ 120.0 MPa)。大花序桉的抗彎彈性模量最大，平均值為30 442 MPa，巨桉的彈性模量最小，平均值為13 975 MPa。對(duì)照木材主要物理力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表[10]，大花序桉和巨桉的抗彎彈性模量分別達(dá)5級(jí)(>16 600 MPa)和4級(jí)(13 600 ~ 16 500 MPa)，6個(gè)桉樹(shù)樹(shù)種木材的抗彎彈性模量均達(dá)到高等級(jí)以上。大花序桉的順紋抗壓強(qiáng)度最大，平均值86.75 MPa；巨桉的順紋抗壓強(qiáng)度最小，平均值64.93 MPa。對(duì)照木材主要物理力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表[10]，大花序桉和巨桉的順紋抗壓強(qiáng)度分別為5級(jí)(>75.1 MPa)和4級(jí)(60.1 ~ 75.0 MPa)。6個(gè)桉樹(shù)樹(shù)種的順紋抗壓強(qiáng)度由大到小依次為大花序桉>細(xì)葉桉>粗皮桉>赤桉>尾葉桉>巨桉。

表2 6個(gè)桉樹(shù)樹(shù)種的抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量和順紋抗壓強(qiáng)度 Mpa

表3展示了6個(gè)桉樹(shù)樹(shù)種木材的沖擊韌性和硬度，其中大花序桉的沖擊韌性最大，平均值134.06 KJ·m-2，對(duì)照木材主要物理力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表[10]，達(dá)到3級(jí)(85.1 ~ 145.0 KJ·m-2)，沖擊韌性大；尾葉桉的沖擊韌性最小，平均值為65.05 KJ·m-2，達(dá)到2級(jí)(25.1 ~ 85.0 KJ·m-2)，沖擊韌性中等。大花序桉的端面硬度和弦面硬度均為最大，端面硬度和弦面硬度平均值分別為107.65 MPa和103.87 MPa，對(duì)照木材主要物理力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表[10]，端面硬度和弦面硬度均達(dá)到5級(jí)；巨桉的端面硬度和弦面硬度均最小，端面硬度和弦面硬度平均值分別為78.13 MPa和69.03 MPa，端面硬度和弦面硬度均達(dá)到4級(jí)。這6個(gè)桉樹(shù)樹(shù)種木材的硬度均為端面硬度>徑面硬度>弦面硬度。

表3 6個(gè)桉樹(shù)樹(shù)種的沖擊韌性和硬度

2.2 桉樹(shù)樹(shù)種間以及不同高度力學(xué)性質(zhì)方差分析

根據(jù)6個(gè)桉樹(shù)樹(shù)種之間的力學(xué)性質(zhì)方差分析結(jié)果，抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度5個(gè)指標(biāo)在不同桉樹(shù)樹(shù)種間的差異均達(dá)極顯著水平(表4)。

表4 6個(gè)桉樹(shù)樹(shù)種之間不同力學(xué)性質(zhì)的方差分析

根據(jù)6個(gè)桉樹(shù)樹(shù)種不同高度力學(xué)性質(zhì)方差分析結(jié)果(表5)，不同力學(xué)性質(zhì)在樹(shù)體不同高度之間的差異顯著性因樹(shù)種不同各異。大花序桉在不同高度的抗彎強(qiáng)度值差異顯著，其余樹(shù)種不顯著；巨桉在不同高度的抗彎彈性模量測(cè)試值差異顯著，其余樹(shù)種均不顯著；尾葉桉、粗皮桉、大花序桉在不同高度的順紋抗壓強(qiáng)度值差異顯著，其余樹(shù)種未達(dá)到顯著差異水平；6個(gè)樹(shù)種的沖擊韌性在不同高度的差異均不顯著；除細(xì)葉桉在不同高度的弦面硬度，以及赤桉在不同高度的端面硬度差異顯著外，其余樹(shù)種不同高度的硬度差異均不顯著。

表5 6個(gè)桉樹(shù)樹(shù)種不同高度木材力學(xué)性質(zhì)的方差分析

注：*表示差異顯著(<0.05)

2.3 桉樹(shù)大徑材樹(shù)種木材物理力學(xué)性質(zhì)間的相關(guān)性分析

表6顯示了桉樹(shù)大徑材樹(shù)種木材物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性結(jié)果?？梢钥闯?，木材的抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量呈極顯著相關(guān)，與順紋抗壓強(qiáng)度呈顯著相關(guān)，與沖擊韌性、硬度的相關(guān)性不顯著；抗彎彈性模量與順紋抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性的相關(guān)性不顯著，與硬度呈顯著相關(guān)；順紋抗壓強(qiáng)度與沖擊韌性、硬度呈極顯著相關(guān)；沖擊韌性與硬度呈極顯著相關(guān)；木材端面、弦面、徑面之間的硬度呈極顯著相關(guān)。

表6 6個(gè)桉樹(shù)樹(shù)種木材力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性

注：*表示差異顯著(<0.05)，**表示差異極顯著(<0.01)

2.4 桉樹(shù)大徑材樹(shù)種木材的物理力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)6個(gè)桉樹(shù)大徑材樹(shù)種物理力學(xué)性質(zhì)的方差分析與變異統(tǒng)計(jì)可知，不同樹(shù)種間木材之間的抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度均有顯著差異，為綜合評(píng)價(jià)6個(gè)桉樹(shù)樹(shù)種的材性狀況，采取模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法對(duì)不同家系間的木材材性進(jìn)行綜合比較，各指標(biāo)隸屬值見(jiàn)表7，隸屬值最高為大花序桉，其次從高到低依次為細(xì)葉桉、赤桉、尾葉桉、粗皮桉，巨桉的木材力學(xué)性質(zhì)最低。

表7 6個(gè)桉樹(shù)樹(shù)種木材力學(xué)性質(zhì)的隸屬函數(shù)值與排名

3 討論與結(jié)論

木材彎曲性能主要由抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量綜合體現(xiàn)，木材抗彎強(qiáng)度是指木材承受逐漸施加彎曲荷載的最大能力，抗彎彈性模量則用于度量木材在荷載下的變形和能承受的最大荷載，彎曲性能高的木材可用于屋架、橫條、木條和承重地板[10]。大花序桉的抗彎性最強(qiáng)，其余樹(shù)種除赤桉的抗彎強(qiáng)度屬于中等材外，其余都屬于高強(qiáng)度木材。本研究中，木材抗彎強(qiáng)度由高到低排序?yàn)槲踩~桉>大花序桉>細(xì)葉桉>粗皮桉>巨桉>赤桉；抗彎彈性模量由高到低排序?yàn)榇蠡ㄐ蜩?尾葉桉>細(xì)葉桉>粗皮桉>赤桉>巨桉。

木材順紋抗壓強(qiáng)度是指木材沿紋理方向承受壓力荷載的最大能力，是木材作為結(jié)構(gòu)和建筑材料中至關(guān)重要的力學(xué)性質(zhì)，其大小是其能否作為坑木、支柱、樁木等應(yīng)用材料的重要依據(jù)[10,12]。我國(guó)木材的順紋抗壓強(qiáng)度平均值為45 MPa[11,13]，而這6個(gè)桉樹(shù)樹(shù)種的木材順紋抗壓強(qiáng)度均高于45 MPa，均屬高強(qiáng)度的木材，6個(gè)測(cè)試樹(shù)種均可用于結(jié)構(gòu)材和建筑材。本研究順紋抗壓強(qiáng)度排序?yàn)榇蠡ㄐ蜩?細(xì)葉桉>粗皮桉>赤桉>尾葉桉>巨桉；此外，6個(gè)測(cè)試桉樹(shù)樹(shù)種木材的沖擊韌性均達(dá)到中等以上，適于用作車輛、運(yùn)動(dòng)器械和農(nóng)機(jī)部件用材，大花序桉為6個(gè)測(cè)試樹(shù)種中木材硬度最大者，抵抗剛體壓入的能力也最強(qiáng)。本研究中，沖擊韌性排序?yàn)榇蠡ㄐ蜩?細(xì)葉桉>粗皮桉>赤桉>巨桉>尾葉桉；硬度大小排序?yàn)榇蠡ㄐ蜩?細(xì)葉桉>赤桉>尾葉桉>粗皮桉>巨桉。

本研究發(fā)現(xiàn)，6個(gè)桉樹(shù)樹(shù)種之間木材力學(xué)性狀差異極顯著，除沖擊韌性在6個(gè)樹(shù)種不同高度的差異均不顯著外，其余材性指標(biāo)均出現(xiàn)在某一或某幾個(gè)樹(shù)種不同高度上有所差異。這與前人報(bào)道的樹(shù)種間，甚至樹(shù)種內(nèi)木材物理理學(xué)特性存在較大差異的結(jié)果一致[14-15]。6個(gè)桉樹(shù)大徑材樹(shù)種木材力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)兩兩之間存在復(fù)雜的相關(guān)性，應(yīng)依據(jù)材性需求對(duì)樹(shù)種進(jìn)行評(píng)價(jià)篩選。

本研究使用隸屬函數(shù)法，選擇抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度5個(gè)指標(biāo)對(duì)6個(gè)桉樹(shù)大徑材樹(shù)種木材進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其中綜合排名第1的為大花序桉，其木材材性最優(yōu)，可作為承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件用材，其次為細(xì)葉桉，赤桉、尾葉桉、粗皮桉，巨桉的材性綜合得分相對(duì)靠后。

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[4] 中國(guó)木材標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法: GB/T1936.1-2009 [S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[5] 中國(guó)木材標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).木材抗彎彈性模量測(cè)定方法:GB/T1936.2-2009 [S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[6] 中國(guó)木材標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法: GB/T1935-2009 [S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

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Mechanical Properties of Wood from SixSpecies

OUYANG Linnan1, LUAN Jie2, CHEN Shaoxiong1, LIN Jiachun2, WANG Jianzhong3, HU Chan2, XIONG Tao3, LENG Shaohua2

()

Mechanical properties including bending strength, modulus of elasticity, compression strength parallel to grain, toughness and hardness of wood were analyzed for sixspecies(and), and the differences were evaluated comprehensively using a membership function based on Fuzzy mathematics. The results showed that the order of species by their bending strength (116.38 ~ 183.99 Mpa), arranged from high to low, was:,,,and. For modulus of elasticity (13 975 ~ 30 442 Mpa) the order of the species, arranged from high to low, was:,,,,and. For compression strength parallel to grain (64.93 ~ 86.75 Mpa), the order of the sixspecies, arranged from high to low, was,,,,, and. By toughness (65.05 ~ 134.06 Mpa) the order of the sixspecies, arranged from high to low, was:,,,,and. And, by hardness (69.03 ~ 107.65 Mpa) the order of the sixspecies, arranged from high to low, was:,andAnalyses of variance showed that the bending strength and compression strength parallel to grain indiffered significantly at different heights, as did modulus of elasticity in. Similarly, the compression strength parallel to grain ofanddiffered significantly at different heights, as did end surfacehardness inand tangential section hardness in. The results of membership function analysis showed that the comprehensive wood properties ofwere best, with the species following in the order ofand then.

; hardwood; wood property; mechanical property

S781.2

A

10.13987/j.cnki.askj.2019.04.002

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“桉樹(shù)大徑材定向培育技術(shù)”(2016YFD0600502)；廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目“桉樹(shù)大徑材與林下經(jīng)濟(jì)培育技術(shù)研究與示范”(2016KJCX005)

歐陽(yáng)林男(1990— )，女，博士，助理研究員，主要從事桉樹(shù)人工林培育研究，E-mail: ouyanglinnan0208@163.com

陳少雄(1965— )，男，博士，研究員，主要從事桉樹(shù)人工林培育研究，E-mail:sxchen01@163.com