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        粗殼澳洲堅(jiān)果木材物理力學(xué)性質(zhì)的研究

        2020-11-03 06:39:10雷福娟馬錦林王軍鋒黃騰華宋戀環(huán)
        廣西林業(yè)科學(xué) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:順紋沖擊韌性堅(jiān)果

        雷福娟,馬錦林,王軍鋒,黃騰華,宋戀環(huán)

        (廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 廣西木材資源培育質(zhì)量控制工程技術(shù)研究中心,廣西南寧 530002)

        隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,木材需求量日益增大,而我國(guó)木材資源有限,自給能力嚴(yán)重不足,對(duì)外依賴(lài)度達(dá)50%,特別是我國(guó)全面停止天然林商業(yè)性采伐后,木材資源更加短缺,培育和尋找新的木材資源是解決木材供需的根本途徑。粗殼澳洲堅(jiān)果(Macadamia ternifolia)為山龍眼科(Proteaceae)澳洲堅(jiān)果屬多年生常綠果樹(shù),木材堅(jiān)硬,呈紅褐色,宜做家具和工藝品,具有優(yōu)良的用材價(jià)值。目前澳洲堅(jiān)果的研究主要集中在栽培技術(shù)和果實(shí)精深加工等方面[1-3],對(duì)其木材性質(zhì)缺乏基本的認(rèn)識(shí)和了解,其木材未能得到高效的加工與利用。近年來(lái),澳洲堅(jiān)果種植面積快速增長(zhǎng),目前廣西區(qū)內(nèi)澳洲堅(jiān)果種植總面積已超過(guò)1.4萬(wàn)hm2,位居全國(guó)第2[4]。在集約化栽培進(jìn)程中,對(duì)間伐和更新砍伐下來(lái)的木材加以利用,可有效減少資源浪費(fèi),增加經(jīng)濟(jì)收入,大大提高澳洲堅(jiān)果產(chǎn)業(yè)的綜合效益。因此開(kāi)展澳洲堅(jiān)果木材相關(guān)材性研究,了解并掌握其木材解剖、物理和力學(xué)等主要材性數(shù)據(jù),可為澳洲堅(jiān)果的定向培育和木材綜合利用提供理論參考。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        試材由廣西扶綏夏果種植有限責(zé)任公司提供,該批木材為2018年1月粗殼澳洲堅(jiān)果果樹(shù)更新時(shí)采伐,樹(shù)齡30年。選取10 根直徑20 ~25 cm、樹(shù)干通直、無(wú)明顯缺陷且具有代表性的原木作為試材。

        1.2 試驗(yàn)方法

        將試材分別鋸成65 mm厚的中心板和22 mm厚的毛邊鋸材,放置室內(nèi)進(jìn)行氣干,根據(jù)GB/T 1929-2009[5]制備標(biāo)準(zhǔn)試樣并置于溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度為(65±3)%的環(huán)境中進(jìn)行含水率處理平衡。利用UTM5504 電子萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)和JB-M100 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備,根據(jù)GB/T 1928-2009[6]對(duì)木材物理力學(xué)性質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果均換算為含水率12%時(shí)的數(shù)據(jù)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 木材物理性質(zhì)

        2.1.1 密度

        木材密度反映了單位體積內(nèi)胞壁物質(zhì)的數(shù)量[7],對(duì)木材加工利用和林木培育有重要的指導(dǎo)意義,是判斷木材強(qiáng)度的最佳指標(biāo)[8]。粗殼澳洲堅(jiān)果木材基本密度、氣干密度和全干密度分別為0.628、0.786和0.751 g/cm3(表1)。根據(jù)我國(guó)木材氣干密度5 級(jí)分級(jí)情況[9],粗殼澳洲堅(jiān)果木材的氣干密度為4級(jí),屬于中高等密度木材。

        2.1.2 干縮濕脹性

        干縮濕脹使木制品尺寸發(fā)生變化,是木材主要缺點(diǎn),不利于木材的加工利用[10]。木材含水率隨著周?chē)h(huán)境溫度和相對(duì)濕度的變化而不斷發(fā)生改變,易使木材產(chǎn)生濕脹與干縮,木材膨脹和收縮時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力變化導(dǎo)致木材表面粗糙,紋理隆起,產(chǎn)生微細(xì)裂紋以致明顯開(kāi)裂[11]。弦向與徑向干縮的比值為差異干縮,木材的差異干縮若偏大,其內(nèi)部各方向的干縮濕脹則不均勻,容易發(fā)生開(kāi)裂變形。差異干縮和干縮系數(shù)是反映木材尺寸穩(wěn)定性的重要指標(biāo),其值較大時(shí),尺寸穩(wěn)定性相對(duì)較差,容易產(chǎn)生開(kāi)裂變形。粗殼澳洲堅(jiān)果木材的徑向、弦向和體積氣干干縮率分別為2.28%、7.55%和10.19%,差異干縮為3.31;徑向、弦向和體積全干干縮率分別為3.96%、12.09%和16.28%,差異干縮為3.05;徑向、弦向和體積干縮系數(shù)分別為0.14%、0.41%和0.57%。木材從全干到氣干時(shí),徑向、弦向和體積濕脹率分別為1.54%、4.40%和6.11%,差異濕脹為2.86;從全干到吸水飽和狀態(tài),徑向、弦向和體積濕脹率分別為3.26%、11.61%和15.48%,差異濕脹為3.56(表1)。根據(jù)木材性質(zhì)5級(jí)分級(jí)表[9],粗殼澳洲堅(jiān)果木材的體積干縮系數(shù)屬于4 級(jí);差異干縮屬于5 級(jí);差異濕脹值較大,與干縮反應(yīng)的結(jié)果一致,說(shuō)明粗殼澳洲堅(jiān)果木材內(nèi)部各方向干縮、濕脹不均勻,尺寸穩(wěn)定性差,干燥過(guò)程中容易開(kāi)裂變形,在窯干時(shí)需注意控制前期干燥速度,避免產(chǎn)生嚴(yán)重的干燥缺陷[12]。

        表1 澳洲堅(jiān)果木材主要物理性質(zhì)Tab.1 Main physical properties of M.ternifolia wood

        續(xù)表1 Continued

        2.2 木材力學(xué)性質(zhì)

        2.2.1 硬度

        木材硬度表示木材抵抗其他剛體壓入木材的能力,與木材的加工性能有密切關(guān)系,硬度低的木材易于加工,硬度太高則不利于切削加工[13];木材硬度與其木制品的耐磨性和漆膜硬度有直接關(guān)系,當(dāng)木材硬度較高時(shí),其耐磨性大,漆膜硬度也會(huì)提高,若木材硬度較低,其木制品表面容易出現(xiàn)劃痕和壓痕等痕跡[11],影響產(chǎn)品外觀和使用性。粗殼澳洲堅(jiān)果木材的端面、徑面和弦面硬度分別為9 630、8 030 和7 590 N(表2)。對(duì)照木材性質(zhì)分級(jí)情況表[9],粗殼澳洲堅(jiān)果木材屬于高硬度木材,可用于制作沙發(fā)、桌椅和地板等常與硬物接觸的木制品,耐磨且不易出現(xiàn)表面劃痕和壓痕等外觀缺陷。

        2.2.2 抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量

        木材抗彎強(qiáng)度反映木材承受橫向載荷的能力,主要作為易于彎曲的構(gòu)件及木橋的梁和桁條的設(shè)計(jì)依據(jù)??箯潖?qiáng)度是重要的力學(xué)性質(zhì),常用以推導(dǎo)木材的容許應(yīng)力??箯潖椥阅A看砟静牡膭哦然驈椥?,常用于計(jì)算構(gòu)件在載荷下的變形,彈性模量越大,則越剛硬,反之,則較柔曲[11]。粗殼澳洲堅(jiān)果木材的抗彎強(qiáng)度為82.9 MPa,抗彎彈性模量為11 300 MPa(表2)。根據(jù)木材性質(zhì)分級(jí)情況[9],粗殼澳洲堅(jiān)果木材抗彎強(qiáng)度屬于2 級(jí);抗彎彈性模量屬于3 級(jí),說(shuō)明木材較剛硬,承受橫向載荷的能力中等略偏低。

        2.2.3 順紋抗壓強(qiáng)度

        在短時(shí)間內(nèi)沿木材順紋方向緩緩施加壓縮載荷,木材能承受的最大的能力稱(chēng)為順紋抗壓強(qiáng)度,根據(jù)木材順紋抗壓強(qiáng)度可求得設(shè)計(jì)應(yīng)力,用于設(shè)計(jì)各種受壓構(gòu)件,作為選擇受壓木材構(gòu)件的重要依據(jù),木材順紋抗壓強(qiáng)度是木材最具有代表性的力學(xué)特性指標(biāo)之一[11]。粗殼澳洲堅(jiān)果木材順紋抗壓強(qiáng)度為48.4 MPa(表2)。根據(jù)我國(guó)木材性質(zhì)5 級(jí)分級(jí)情況[9],粗殼澳洲堅(jiān)果木材順紋抗壓強(qiáng)度屬于3 級(jí),說(shuō)明木材承受順紋方向載荷的能力中等。

        2.2.4 沖擊韌性

        沖擊韌性用以評(píng)價(jià)木材的韌性或脆性。通常,木梁、枕木、槍托、坑木、木梭和船槳等部件用材均需具有較好的沖擊韌性[11]。粗殼澳洲堅(jiān)果木材沖擊韌性為46 kJ/m2(表2)。根據(jù)木材沖擊韌性4級(jí)分級(jí)情況[9],粗殼澳洲堅(jiān)果木材沖擊韌性屬于2 級(jí),說(shuō)明木材韌性中等。

        表2 粗殼澳洲堅(jiān)果木材主要力學(xué)性質(zhì)Tab.2 Main mechanical properties of M.ternifolia wood

        2.2.5 品質(zhì)系數(shù)

        木材品質(zhì)系數(shù)是木材極限強(qiáng)度與密度的比值[14]。對(duì)于一些要求輕質(zhì)高強(qiáng)構(gòu)件的領(lǐng)域,如航天航空和高空建筑等,品質(zhì)系數(shù)是評(píng)價(jià)材料優(yōu)劣的重要指標(biāo)[15]。依據(jù)木材順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù),計(jì)算得出綜合品質(zhì)系數(shù)。根據(jù)木材綜合品質(zhì)系數(shù)的大小,可將其分為低等級(jí)材(<1960×105Pa)、中等級(jí)材(1 961 × 105~2 156 × 105Pa)和高等級(jí)材(>2 156 × 105Pa)[13]。粗殼澳洲堅(jiān)果木材的綜合品質(zhì)系數(shù)為2 090.8×105Pa,為中等級(jí)材(表3)。

        表3 粗殼澳洲堅(jiān)果木材品質(zhì)系數(shù)Tab.3 Quality coefficients of M.interifolia wood(×105 Pa)

        2.3 粗殼澳洲堅(jiān)果木材與其氣干密度相近樹(shù)種木材物理力學(xué)性質(zhì)的比較

        粗殼澳洲堅(jiān)果木材的硬度比其他16個(gè)樹(shù)種高,抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性最低;順紋抗壓強(qiáng)度高于葡萄桉(Eucalyptus botryoides)等4 個(gè)樹(shù)種,與黑荊(Aca-cia mearnsii)一樣,低于其他10 個(gè)樹(shù)種;抗彎彈性模量高于紅豆樹(shù)(Ormosia hosiei)等4 個(gè)樹(shù)種,低于其他11 個(gè)樹(shù)種(表4)。粗殼澳洲堅(jiān)果木材屬于硬度高、脆性較大、抗順紋載荷能力中等、抗橫紋載荷能力中等稍偏低的木材。

        表4 澳洲堅(jiān)果木材和與其氣干密度相近樹(shù)種木材的物理力學(xué)性質(zhì)比較Tab.4 Comparison on physical and mechanical properties of M.ternifolia wood and other woods with similar air-dry density

        續(xù)表4 Continued

        3 結(jié)論與討論

        本研究結(jié)果表明,粗殼澳洲堅(jiān)果木材尺寸穩(wěn)定性較差,有較高的硬度和密度、中等的強(qiáng)度和韌性、中等的品質(zhì)系數(shù),經(jīng)過(guò)尺寸穩(wěn)定性改性處理后,可作為房屋建筑、交通、地板和家具等方面的用材。其沖擊韌性相對(duì)較低,硬度較高,耐磨且不易出現(xiàn)表面劃痕和壓痕等外觀缺陷。

        我國(guó)自20世紀(jì)70年代開(kāi)始引種粗殼澳洲堅(jiān)果,現(xiàn)已成為世界上粗殼澳洲堅(jiān)果發(fā)展最快、種植面積最大的國(guó)家[17]。粗殼澳洲堅(jiān)果可作為“果木兩用”樹(shù)種進(jìn)行定向培育,通過(guò)嫁接技術(shù)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),可使材用和果用均達(dá)到較佳效果,既可獲得優(yōu)質(zhì)堅(jiān)果,還能產(chǎn)生大批優(yōu)質(zhì)木材資源,提高粗殼澳洲堅(jiān)果產(chǎn)業(yè)的綜合效益。

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