夏炳鈺 姚 燁 沈哲源 黃旭茂 陳梓琪 云 虹

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510642）

黑木相思（Acacia melanoxylonR.Br.）是含羞草亞科金合歡屬的高大喬木，原產(chǎn)自澳大利亞東南部，于上世紀(jì)90 年代引入我國，其具有較強(qiáng)的耐寒、耐貧瘠性能以及較高的生態(tài)價值與經(jīng)濟(jì)價值[1]，目前主要分布在廣東、廣西南部、福建南部以及海南等地[2]。黑木相思根部有固氮作用，枯落物豐富[3]，可促進(jìn)土壤改良和物種生長[4]，是優(yōu)良的綠化樹種[5]。黑木相思木材紋理美觀,具有雨點(diǎn)狀、斑點(diǎn)狀、鳥眼狀和提琴狀的美麗圖案[6]，在家具制造與人造板飾面等方面具有很高的應(yīng)用價值。其聲學(xué)性能也極佳，常用作小提琴背板和其他樂器用材[7]。

2003 年福建省把相思類樹種的引種栽培列為種苗科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目，大量引進(jìn)并篩選出一些優(yōu)良種質(zhì)資源[8]。廣東省自1992 年開始引種黑木相思并取得成功，現(xiàn)已經(jīng)在全省推廣。在多數(shù)地區(qū)，黑木相思生長速度較快，表現(xiàn)良好。經(jīng)過多年的品種選育，我國本土的黑木相思材性材質(zhì)和樹干結(jié)構(gòu)有了較大的改進(jìn)，且生長速度快，環(huán)境適應(yīng)性好，具有取代速生桉木的潛質(zhì)。但其與現(xiàn)有的速生樹種如楊木、桉木相比，在生長速度、力學(xué)性能等方面究竟有哪些優(yōu)勢，以及如何根據(jù)不同的樹齡和材性對黑木相思進(jìn)行最有效的采伐和最高效的利用，從而使得經(jīng)濟(jì)效益最大化，還需要進(jìn)一步研究。本文分別對6 組不同樹齡的黑木相思木材物理力學(xué)性能進(jìn)行測試分析，研究了樹齡對黑木相思材質(zhì)的影響，并與速生桉、速生楊進(jìn)行對比，以期為實(shí)現(xiàn)黑木相思的優(yōu)化利用，推動黑木相思的種植發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

黑木相思試驗(yàn)用材分別取自廣東省河源市和清遠(yuǎn)市，地理位置分別為東經(jīng)114°14′～北緯24°47′和東經(jīng)111°55′～北緯25°01′，年平均氣溫為21.0 ℃，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。根據(jù)GB/T 1927—2009《木材物理力學(xué)試材采集方法》進(jìn)行采樣。采樣地點(diǎn)的緯度相同，所采樣本的生長條件基本相似，因此采樣地點(diǎn)的不同對材性的影響可忽略不計，具體采樣情況如表1所示。尾細(xì)桉（Eucalyptus urophylla×E.tereticornis）取自廣東省湛江市遂溪縣嶺北鎮(zhèn)，樹齡為6年生，平均胸徑為13.70 cm，所處地理位置為東經(jīng)111°38′～北緯21°30′N，年平均氣溫23.6℃，屬熱帶北緣季風(fēng)氣候；毛白楊（Populus tomentosa）取自山西省臨汾市襄汾縣，樹齡為8年生，所處地理位置為北緯35°23′～36°57′、東經(jīng)110°22′～112°34′之間，年平均氣溫12.2 ℃，屬大陸性季風(fēng)氣候。

表1 6 組黑木相思采樣信息Tab.1 Sampling information of 6 groups of Acacia melanoxylon R.Br.

1.2 設(shè)備

試驗(yàn)主要設(shè)備: 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(101-2) ,上海一恒科學(xué)儀器有限公司; 高鐵檢測力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(CMT5504), 深圳三思公司; 型材切割鋸(1609415W) ,費(fèi)斯托（中國）有限公司; 木工帶鋸機(jī)(JBS-315A), 上海寧乾實(shí)業(yè)有限公司; 單面木工壓刨床(TH630), 青島沃富特機(jī)械制造有限公司; 金諾電子天平, 余姚市金諾天平儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

物理力學(xué)性能測試分別參考GB/T 1928—2009《木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法總則》、GB/T 1931—2009《木材含水率測定方法》、GB/T 1933—2009《木材密度測定方法》、GB/T 1932—2009《木材干縮性測定方法》、GB/T 1934.2—2009《木材濕脹性測定方法》、GB/T 1941—2009《木材硬度試驗(yàn)方法》、GB/T 1935—2009《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、GB/T 1936.1—2009《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》和GB/T 1936.2—2009《木材抗彎彈性模量測定方法》進(jìn)行。測試主要內(nèi)容為基本密度、氣干密度、絕干密度、干縮濕脹率、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度和硬度。各項(xiàng)測試試件為20個，并在實(shí)驗(yàn)前平衡試件含水率至12%。數(shù)據(jù)處理使用Excel軟件，取各項(xiàng)數(shù)據(jù)平均值為測試結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 物理性能

試驗(yàn)測得的黑木相思材物理性能如表2 所示。

表2 不同樹齡黑木相思物理性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Physical properties of Acacia melanoxylon R.Br. at different ages

2.1.1 木材密度

木材密度是木材性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，與其加工工藝和力學(xué)特性緊密相關(guān)[9]。一般情況下，木材密度越大，其力學(xué)性能也就越強(qiáng)[10]。

生產(chǎn)中最常采用的密度指標(biāo)為氣干密度。由圖1 可知，黑木相思的氣干密度隨樹齡的增加整體呈增加趨勢，其中9 年生木材密度較7 年生木材密度略低，但仍在正常的波動范圍內(nèi)，這是由制樣的隨機(jī)性造成的。按照木材物理力學(xué)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)可知[11]，3 年生和5 年生黑木相思的基本密度和氣干密度等級為Ⅱ級，7 年生、9 年生、11 年生和13 年生黑木相思的基本密度和氣干密度等級為Ⅲ級。

圖1 不同樹齡黑木相思?xì)飧擅芏炔町怓ig.1 The variation of air-dry density of Acacia melanoxylon R.Br. at different ages

2.1.2 干縮濕脹性

木材干縮濕脹特性會影響尺寸穩(wěn)定性，對木材加工與木制零部件的接合方式有較大影響,是木制品質(zhì)量的重要評價指標(biāo)[12]。

由表2、圖2 可知，不同樹齡黑木相思材的氣干干縮率分布范圍分別為：徑向0.7%～1.6%、弦向1.2%～2.5%、體積2.1%～5.4%；全干干縮率的分布范圍分別為：徑向2.1%～3.6%、弦向3.9%～6.7%、體積6.2%～10.6%。干縮率分布范圍總的表現(xiàn)為體積＞弦向＞徑向。

圖2 不同樹齡黑木相思?xì)飧筛煽s率差異Fig.2 The variation of air-dry shrinkage rate of Acacia melanoxylon R.Br. at different ages

黑木相思材干縮率總體表現(xiàn)為全干干縮率大于氣干干縮率，不同干縮率在徑向、弦向和體積上均表現(xiàn)為徑向＜弦向＜體積。根據(jù)木材物理力學(xué)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)可知，3 年生、7 年生黑木相思干縮率屬于Ⅰ～Ⅱ級，5 年生、9 年生、13 年生黑木相思干縮率屬于Ⅰ級，11 年生黑木相思干縮率屬于Ⅰ～Ⅲ級。

木材的濕脹性分為兩種，分別為線性濕脹和體積濕脹，線性濕脹又分為弦向濕脹、徑向濕脹和縱向濕脹，其中縱向濕脹變化不大，可忽略不計[13]。

由表2、圖3 可知，不同樹齡黑木相思從全干到氣干的濕脹率分布范圍分別為：徑向0.7%～3.3%，弦向1.5%～5.9%，體積1.3%～9.5%；從全干到濕材的濕脹率分布范圍分別為：徑向2.9%～4.2%，弦向1.5%～8.4%，體積10.0%～14.0%。濕脹率分布范圍總的表現(xiàn)為體積＞弦向＞徑向。

圖3 不同樹齡黑木相思濕脹率差異Fig.3 The variation of wet-swelling rate from absolutedry to air-dry of Acacia melanoxylon R.Br. at different ages

2.2 力學(xué)性能分析

2.2.1 硬度

考慮數(shù)據(jù)可得性，并且交通運(yùn)輸、倉儲、郵電業(yè)一直是我國物流業(yè)的主要構(gòu)成，因此，本研究所需數(shù)據(jù)由上述三個行業(yè)數(shù)據(jù)構(gòu)成，以2005—2016為研究觀察期，以北京、天津、河北這三個緊密結(jié)合的省市為研究對象?；A(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源于國家統(tǒng)計局網(wǎng)站、《中國統(tǒng)計年鑒》《中國能源統(tǒng)計年鑒》、各地市統(tǒng)計信息網(wǎng)等。產(chǎn)業(yè)增加值指標(biāo)以2005年為基準(zhǔn)進(jìn)行平減計算，能源消耗選取煤炭、汽油、柴油、煤油等物流業(yè)四種常用能源為基礎(chǔ)進(jìn)行計算。

木材硬度用于表征木材抵抗其他剛體壓入的能力，是選擇建筑材料、家具用材等的主要依據(jù)。了解和掌握木材的硬度屬性，對于木材的合理加工利用具有重要意義[14]。

由表3 可知，相同樹齡的黑木相思弦面硬度、徑面硬度和端面硬度差距較大，并且硬度隨樹齡以及心材率的提高而增大[15]。11 年生黑木相思的心材率僅為27.3%，導(dǎo)致其硬度偏低。其中13 年生黑木相思的弦面硬度相對11 年生、9 年生、7 年生、5 年生和3 年生黑木相思的弦面硬度分別提高了5.4%、49.6%、19.4%、3.5%和116.3%，徑面硬度分別提高了17.0%、54.2%、20.4%、20.7%和110.7%，端面硬度分別提高了7.6%、47.9%、10.5%、5.7%和80.1%，其中端面硬度＞徑面硬度＞弦面硬度。按照木材物理力學(xué)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)可知，3 年生黑木相思木端面硬度等級為Ⅱ級，5 年生、7 年生、9 年生和11 年生黑木相思木端面硬度等級均為Ⅲ級，13 年生黑木相思木端面硬度等級為Ⅳ級。

2.2.2 抗彎強(qiáng)度和彈性模量

木材抗彎強(qiáng)度又稱靜曲強(qiáng)度或彎曲強(qiáng)度，木材的抗彎彈性模量是指木材抵抗彎曲或變形的能力[16]，是制作家具橫梁與建筑桁架時主要考慮的力學(xué)性能[17]。

由表3 可知，抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量隨著樹齡的增加而增加。按照木材物理力學(xué)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)可知，3 年生和5 年生黑木相思抗彎強(qiáng)度等級為Ⅲ級，7年生、9 年生黑木相思等級為Ⅳ級，11 年生和13 年生黑木相思等級為Ⅴ級。

抗彎彈性模量由大到小排序?yàn)椋?3 年生＞11 年生＞9 年生＞7 年生＞3 年生＞5 年生。按照木材物理力學(xué)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)可知，3 年生、5 年生和7 年生黑木相思的抗彎彈性模量均為Ⅱ級，9 年生、11 年生和13年生黑木相思的抗彎彈性模量均為Ⅲ級，基本呈隨樹齡不斷增長的趨勢。

2.2.3 順紋抗壓強(qiáng)度

由表3 可知，6 種不同樹齡黑木相思順紋抗壓強(qiáng)度由大到小排序結(jié)果為：13 年生＞9 年生＞11 年生＞5年生＞7 年生＞3 年生?？梢钥闯? 年生黑木相思的順紋抗壓強(qiáng)度最低，13 年生黑木相思的順紋抗壓強(qiáng)度最高。這說明樹齡對于順紋抗壓強(qiáng)度有一定影響，基本為樹齡越大的木材順紋抗壓強(qiáng)度越高。按照木材物理力學(xué)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)可知，3 年生、5 年生、7 年生和11 年生黑木相思的順紋抗壓強(qiáng)度均為Ⅱ級，9 年生和13 年生黑木相思的順紋抗壓強(qiáng)度均為Ⅲ級。

表3 不同樹齡的黑木相思力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experiment results of mechanical properties of Acacia melanoxylon R.Br. at different ages

2.3 不同樹齡黑木相思力學(xué)性能對比分析

選取3 年生和5 年生黑木相思材物理力學(xué)性能與速生桉和速生楊進(jìn)行比較[19-20]，結(jié)果如表4 所示。

由表4 可看出，3 年生黑木相思的密度低于6 年生尾細(xì)桉，略低于8 年生毛白楊。但其弦向干縮率遠(yuǎn)低于尾細(xì)桉，并且略低于8 年生的毛白楊，尺寸穩(wěn)定性較好。此外，3 年生黑木相思抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量均高于6 年生尾細(xì)桉與8 年生毛白楊，順紋抗壓強(qiáng)度和徑面硬度均低于尾細(xì)桉與毛白楊。

表4 幾種速生材主要物理力學(xué)性能對照Tab.4 Comparison of main physical and mechanical properties of several fast-growing tree species

5 年生黑木相思密度適中，基本密度和氣干密度略低于6 年生尾細(xì)桉，高于8 年生毛白楊；尺寸穩(wěn)定性較好，弦向干縮率低于尾細(xì)桉和毛白楊；抗彎強(qiáng)度遠(yuǎn)高于6 年生尾細(xì)桉和8 年生毛白楊，抗彎彈性模量略低；強(qiáng)度適中，順紋抗壓強(qiáng)度低于尾細(xì)桉，但高于毛白楊；硬度中等，徑面硬度高于尾細(xì)桉及毛白楊。

黑木相思輪伐期較短，一般6～8 年就可以主伐[5]，其基本密度和氣干密度高于6 年生尾細(xì)桉和8 年生毛白楊，弦向干縮率低于尾細(xì)桉和毛白楊，密度適中，尺寸穩(wěn)定性較好。7～13 年生黑木相思已經(jīng)成材，抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量均遠(yuǎn)高于6 年生尾細(xì)桉和8 年生毛白楊，順紋抗壓強(qiáng)度同樣低于尾細(xì)桉，但高于毛白楊，強(qiáng)度適中。9 年生黑木相思徑面硬度介于毛白楊和尾細(xì)桉之間；3 年生黑木相思硬度低于毛白楊和尾細(xì)桉，其余4 種樹齡的黑木相思硬度均高于毛白楊和尾細(xì)桉，總體硬度中等，并受心材率影響較大[21]。

2.4 黑木相思優(yōu)化利用

綜上所述，黑木相思材干縮率低，有較高的尺寸穩(wěn)定性；抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量高，受負(fù)載彎曲變形小，剛性較大；硬度適中，易于切削加工，對刀具磨損較小。

3 年生黑木相思屬于小徑材，去皮胸徑約為11.8 cm，尺寸穩(wěn)定性好且抗彎強(qiáng)度較好，不易出現(xiàn)彎曲、變形以及開裂等現(xiàn)象，已經(jīng)達(dá)到原木的整體使用要求，用于生產(chǎn)單板層積材或重組木可以降低小徑材缺陷的影響[22]。

5 年生黑木相思與尾細(xì)桉以及毛白楊的力學(xué)性能差異不大，硬度較低，易于切削加工，但胸徑較小，去皮胸徑約為14.5 cm，不適用于膠合板生產(chǎn)。其密度適中、尺寸穩(wěn)定性好、且滲透性較差，可用于生產(chǎn)人造薄木，用作貼面材料，也可用于生產(chǎn)細(xì)木工板芯板條[23]。

7～9 年生黑木相思密度適中，胸徑較大，試驗(yàn)中可觀察到板材表面缺陷較少，具有較高的抗彎強(qiáng)度和較低的干縮率，可用于生產(chǎn)膠合板，生產(chǎn)的膠合板質(zhì)量優(yōu)于速生桉和速生楊木膠合板。樹齡大于7 年生黑木相思纖維形態(tài)較好，具有的化學(xué)成分也比較適合于制漿[24]，可用于造紙工業(yè)。13 年生的黑木相思已經(jīng)非常成熟，平均胸徑在22.9 cm左右，平均樹高約16 m，心材率較高。根據(jù)木材力學(xué)性能指標(biāo)等級建議，其弦向干縮率為優(yōu)等、徑面硬度良好、抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量均為優(yōu)等，可用作實(shí)木家具主要連接型構(gòu)件[25]。黑木相思的心材呈深棕色，且木材紋理美觀，還可用于中高檔家具的生產(chǎn)。

3 結(jié)論

對6 組不同樹齡的黑木相思木材物理力學(xué)性能進(jìn)行了測試分析，并與速生桉、速生楊進(jìn)行對比，得出以下主要結(jié)論：黑木相思材干縮率低，有較高的尺寸穩(wěn)定性；抗彎強(qiáng)度以及抗彎彈性模量高，硬度適中，易于切削加工，可根據(jù)不同樹齡的黑木相思材性材質(zhì)應(yīng)用于不同領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)該材種的優(yōu)化利用和經(jīng)濟(jì)效益最大化。3 年生黑木相思小徑材可用于生產(chǎn)重組木與單板層積材，5 年生黑木相思可用于制造人造薄木，7～11年生黑木相思可用于生產(chǎn)膠合板，13 年及以上生黑木相思可用于中高檔實(shí)木家具制造。未來，黑木相思有望成為替代速生桉木和速生楊木的速生材種。