伯樂樹木材物理力學(xué)性質(zhì)的研究

陳奕良，林 鵬，葉朝坤，俞友明*，黃華宏，駱文堅(jiān)

（1. 浙江省慶元縣慶元林場，浙江 慶元 323805；2. 浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 臨安 311300；3. 浙江省慶元縣林業(yè)局，浙江 慶元 323800；4. 浙江省林業(yè)種苗管理總站，浙江 杭州 310020）

伯樂樹（Bretschneidera sinensis），屬南華木科南華木屬樹種，又名鐘萼木，是我國Ⅱ級珍稀瀕危保護(hù)植物[1]，系第三紀(jì)孑遺植物及東亞植物區(qū)系的特有成分，對研究被子植物的系統(tǒng)發(fā)育及古地理、古氣候等方面均有重要科學(xué)價(jià)值。伯樂樹材質(zhì)優(yōu)良，花形大，色艷麗，是既可用材又可觀賞的珍貴樹種；其適應(yīng)性強(qiáng)，根系發(fā)達(dá)，可選作低山營造混交林和進(jìn)行四旁綠化；樹干通直，紋理直，色紋美觀，為優(yōu)良家具用材。迄今為止，對伯樂樹的材性研究尚未見報(bào)道。本文對伯樂樹的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測試與分析，為更好地利用其木材和培育資源提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料取自浙江慶元林場人工林，共采集3株，每株分別在樹干的1.3、3.3、5.3和7.3 m高度處截取2 cm的圓盤一個(gè)，標(biāo)注試驗(yàn)號及南北方向，用于木材生長輪寬度試驗(yàn)；鋸截胸高（1.3 m）以上2 m長木段各一段作為試材，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室待測。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 木材物理力學(xué)性質(zhì)測試方法 將試材鋸成22 mm厚的板坯，放置于室內(nèi)進(jìn)行氣干，然后，按照GB1927 ~1943-91《木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》進(jìn)行加工試驗(yàn)用的無疵試樣及完成試驗(yàn)步驟，測定其木材的各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)均在MWD-10木材萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上測定，有效樣本數(shù)均在20個(gè)以上[2]。

1.2.2 木材生長輪寬度測試方法 圓盤經(jīng)兩面刨光后，在試樣斷面上，按照南北方向畫一條通過髓心的直線，進(jìn)行木材生長輪寬度測試。

表1 伯樂樹木材物理性質(zhì)均值及變異統(tǒng)計(jì)Table 1 The average value and variance of physical properties of B. sinensis wood

圖1 伯樂樹木材生長輪寬度的徑向及縱向變異Figure 1 Radial and longitudinal variation in growth ring width of B. sinensis wood

2 結(jié)果與分析

2.1 木材物理性質(zhì)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出伯樂樹木材各項(xiàng)物理性質(zhì)指標(biāo)均值和變異統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，見表1。

2.1.1 木材生長輪寬度 生長輪的寬度或者從樹干的筒狀結(jié)構(gòu)來理解為厚度，反映了樹木的生長速度，它的變化也是測量樹木材積的年生長量和木材性質(zhì)優(yōu)劣的一項(xiàng)依據(jù)。生長輪寬度或厚度，在樹木高度生長和直徑生長過程中都有明顯變化[3]。通過圖1可以看出，伯樂樹生長輪寬度由髓部向外有先增大后減小的變化趨勢，而隨著樹干高生長的增加，在主干不同高度的生長輪寬度變化也是明顯的，主要取決于類型細(xì)胞的體積大小的變化和細(xì)胞壁的改變。

2.1.2 木材密度 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。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)有著密切的關(guān)系[3]。伯樂樹木材的氣干密度0.636 g/cm3，全干密度0.609 g/cm3，屬中等（0.55 ~ 0.75 g/cm3），有利于旋切。

2.1.3 木材干縮性 木材的干縮是木材加工、利用上的一大問題，它不僅因木材干縮而發(fā)生尺寸和體積的縮小，且因干縮不均而引起木材開裂、翹曲變形等缺陷，同時(shí)干燥后的木材尺寸和體積并非永久不變，它隨著周圍空氣濕度的變動(dòng)而繼續(xù)發(fā)生變化。了解木材的干縮性及干縮規(guī)律，在木材加工、利用上有很重要的意義[3]。伯樂樹木材的體積干縮系數(shù)為0.65%，屬大（0.56% ~0.65%）[4]。

2.1.4 木材濕脹性 木材濕脹不僅增大尺寸，同時(shí)改變形狀，強(qiáng)度也隨之下降，一般是木材利用上的不良性質(zhì)。綜合木材密度、干縮濕脹性可知，伯樂樹木材密度中等、干縮濕脹性大、尺寸不穩(wěn)定。

2.2 木材力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算整理出伯樂樹木材的各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)均值和變異統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，見表2。

表2 伯樂樹木材力學(xué)性質(zhì)均值及變異統(tǒng)計(jì)Table 2 The average value and variance of mechanical properties of B. sinensis wood

伯樂樹木材的力學(xué)性質(zhì)（彈性模量、抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗剪強(qiáng)度、沖擊韌性與抗劈力）與其他闊葉樹材力學(xué)性質(zhì)比較見表3。

表3 伯樂樹與其他闊葉樹種的力學(xué)性質(zhì)比較Table 3 Comparison of the mechanical properties between B. sinensis wood and other hardwood

2.2.1 木材彈性模量 從表2的測定結(jié)果中可以看出，伯樂樹木材的彈性模量為14 410 MPa，從表3中可知，僅小于黃檀（Dalbergia hupeana），比光皮樺（Betula luminifera）、鵝掌楸（Liriodendron chinense）、水青岡（Fagus longipetiolata）、水曲柳（Fraxinus mandschurica）、核桃（Juglans regia）、楓香（Liquidambar formosana）、柞木（Xylosma racemosum）的彈性模量都大。

2.2.2 木材弦向抗彎強(qiáng)度 由表3可以看出，伯樂樹木材的抗彎強(qiáng)度介于順紋抗壓強(qiáng)度與順紋抗拉強(qiáng)度之間，為108.1 MPa，小于光皮樺、水青岡、黃檀、柞木，大于鵝掌楸、楓香，與水曲柳、核桃相近。我國一般樹種的平均值在90 MPa左右[5]，可以發(fā)現(xiàn)，伯樂樹木材的抗彎強(qiáng)度屬中等水平。

2.2.3 木材順紋抗壓強(qiáng)度 伯樂樹木材的順紋抗壓強(qiáng)度為57.3 MPa，比鵝掌楸、水曲柳、水青岡、楓香、核桃、柞木大，小于黃檀，與光皮樺的順紋抗壓強(qiáng)度相似。根據(jù)《木材物理力學(xué)性質(zhì)分級表》[6]可知，伯樂樹木材的順紋抗壓強(qiáng)度為中等。

2.2.4 木材順紋抗拉強(qiáng)度 木材順紋抗拉強(qiáng)度決定于木材纖維或管胞的強(qiáng)度、長度和方位，纖維或管胞的長度是左右木材強(qiáng)度的主要因子，木材順紋抗拉強(qiáng)度與順紋抗壓強(qiáng)度之比同木材韌性的關(guān)系密切，并為判斷木材對彎曲適應(yīng)性的依據(jù)[3]。伯樂樹的順紋抗拉強(qiáng)度與順紋抗壓強(qiáng)度之比為 2.26，均小于表3中的其他闊葉樹種，表明伯樂樹木材的彎曲適應(yīng)性一般。

2.2.5 木材順紋抗剪強(qiáng)度 伯樂樹木材的徑向和弦向順紋抗剪強(qiáng)度均為12.4 MPa，與柞木、水青岡相似，比鵝掌楸、水曲柳、楓香大，小于光皮樺、黃檀。

2.2.6 木材抗劈力 伯樂樹木材的徑向和弦向抗劈力分別為47.1 N/mm和50.2 N/mm，均大于表3中的其他闊葉樹種，表明伯樂樹木材的抗劈力最為突出。

2.2.7 木材沖擊韌性 木材的沖擊韌性，多半是順紋抗拉強(qiáng)度對破壞的影響[3]。伯樂樹木材的沖擊韌性為 46.5 kJ/m2，均小于表3中的其他闊葉樹種，與其順紋抗拉強(qiáng)度與順紋抗壓強(qiáng)度之比有密切關(guān)系，根據(jù)《木材物理力學(xué)性質(zhì)分級表》[6]可知，伯樂樹木材的沖擊韌性為中等。

2.2.8 木材力學(xué)性質(zhì)總體分析 木材的力學(xué)性質(zhì)是木材合理利用的一個(gè)重要依據(jù)，根據(jù)《木材物理力學(xué)性質(zhì)分級表》可知，伯樂樹木材的順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度為中等，沖擊韌性為中等。由于木材順紋抗壓強(qiáng)度又與其他力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)存在相關(guān)關(guān)系，是最重要的指標(biāo)[7~10]。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，所以通常用順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度之和來表示木材的綜合強(qiáng)度，伯樂樹木材的綜合強(qiáng)度為165.4 MPa，根據(jù)《木材材性分級規(guī)定》[4]可知，它的綜合強(qiáng)度為中等[11]。

通過表3計(jì)算其他闊葉樹種的木材綜合強(qiáng)度分別為：光皮樺186.2 MPa、鵝掌楸117.7MPa、水青岡164.9 MPa、水曲柳154.8 MPa、核桃150.8 MPa、黃檀215.2 MPa、楓香122.7 MPa、柞木169.7 MPa，可以看出黃檀的綜合強(qiáng)度最大，說明其材性最好，而伯樂樹的材性較好，在相比較的樹種中，伯樂樹的木材力學(xué)強(qiáng)度處于中等水平。

3 小結(jié)

（1）伯樂樹木材的物理性質(zhì)，其氣干密度0.636 g/cm3，全干密度0.609 g/cm3，屬中等；體積干縮系數(shù)0.65%，屬大。

（2）伯樂樹木材的力學(xué)性質(zhì)，其順紋抗壓強(qiáng)度為57.3 MPa，弦向抗彎強(qiáng)度為108.1 MPa，綜合強(qiáng)度為165.4 MPa，材性屬中等；沖擊韌性46.5 kJ/m2，屬中等。紋理直，色紋美觀，為實(shí)木地板、膠合板、家具的理想用材。大力營造南華木林可以保護(hù)當(dāng)前珍貴木材，對保護(hù)生物基因、促進(jìn)生物多樣性及生態(tài)的良好循環(huán)和林業(yè)可持續(xù)發(fā)展、造福子孫后代具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

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