頂果木人工林木材物理力學性質(zhì)1)

許彩娟 符韻林 孫 靜

(廣西大學，南寧，530004)

頂果木人工林木材物理力學性質(zhì)1)

許彩娟 符韻林 孫 靜

(廣西大學，南寧，530004)

以36年生人工林頂果木材為試驗研究材料,對其木材物理力學性質(zhì)進行了測定與分析。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，屬中等級別；抗彎強度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、順紋抗壓強度42.47 MPa、橫紋徑向全部抗壓比例極限應力6.58 MPa、橫紋弦向全部抗壓比例極限應力6.02 MPa、橫紋徑向局部抗壓比例極限應力9.68 MPa、橫紋弦向局部抗壓比例極限應力7.99 MPa。木材抗彎強度、沖擊韌性、端面硬度、順紋抗壓強度、橫紋抗壓強度，均屬中等級別；抗彎彈性模量屬低級別；綜合品質(zhì)系數(shù)2 871×105Pa，屬高等級材。

頂果木；木材物理性質(zhì)；木材力學性質(zhì)

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

謝福惠[3]在廣西頂果木初步研究中得出，22年生的廣西頂果木樹高達25.61 m,胸徑35.8 cm,材積1.189 5 m3。頂果木木纖維細長而壁薄，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)土樹種之一，其研究與發(fā)展日益受到人們的關(guān)注，其市場前景廣闊，有望發(fā)展成為我國南方地區(qū)繼速豐桉之后的重要速生豐產(chǎn)林闊葉樹種[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)報道也甚少，筆者對其開展了木材物理力學性質(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賓市維都林場。試材采集按照國家標準GB/T 1927—2009《木材物理力學試材采集方法》的規(guī)定進行。根據(jù)林分生長情況，選取生長良好，具代表性的樹株作為樣木，共3株，樹齡36 a，胸徑35～48 cm，樹高26.0～32.7 m，枝下高11.0～14.8 m。

1.2 試材加工與試驗方法

參照國家標準GB/T 1929—2009《木材物理力學試件鋸解及試樣截取方法》制取試樣,試件測定按照國家標準GB/T1927～1943—2009《木材物理力學性質(zhì)試驗方法》要求進行。測定指標包括樹皮率，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，順紋抗壓強度，橫紋全部抗壓強度，橫紋局部抗壓強度，抗彎強度，抗彎彈性模量，沖擊韌性，硬度等。

運用101-2型電熱恒溫鼓風干燥箱、萬能力學試驗機和擺錘式?jīng)_擊試驗機進行試驗，試驗前將試件置于溫度為(20±2)℃，相對濕度為(65±3)%的環(huán)境下進行含水率平衡，試驗結(jié)果均換算成含水率為12%時的數(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)和物理力學性質(zhì)的重要指標，它與木材的其它性能都有密切關(guān)系。其變異性的研究，對木材的加工、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嵆潭鹊囊粋€標志，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，我國以它作為材性比較和生產(chǎn)應用的基本依據(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性質(zhì)分級表》[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。

①干縮率。木材干縮的大小以干縮率表示，干燥過程中產(chǎn)生的線性和體積干縮率的大小及均勻性是判定其實木加工利用價值的一項重要指標?？芍敼灸静膹臐癫闹翚飧刹臅r，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，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%時木材的干縮率變化值，它是衡量木材干縮特性的一項重要指標[8]138。以干縮系數(shù)指標計算確定出木材加工過程中板材尺寸和濕單板剪切時應留出的干縮余量。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性質(zhì)分級表》[7]163可知，頂果木木材的體積干縮系數(shù)達到高等級別(0.501%～0.600%)。

③差異干縮。木材弦向干縮與徑向干縮之比值稱為差異干縮，它是判斷木材開裂以及變形的依據(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性質(zhì)分級表》可知，頂果木木材的差異干縮達到高等級別(2.11～2.60)，差異干縮數(shù)值偏大，說明其開裂趨勢大，木材干燥時容易發(fā)生翹曲和開裂。

表1 頂果木木材物理性質(zhì)均值及變異統(tǒng)計

數(shù)值類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標準差0.7460.0491.6280.9390.9011.5670.0450.0500.0702.600標準誤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準確指數(shù)/%5.4286.9532.5584.1472.5942.3374.3562.18018.226

數(shù)值類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標準差0.6620.5340.9040.4700.8430.9971.8150.458標準誤0.0780.0630.1070.0550.0990.1180.2140.054變異系數(shù)/%28.86733.04821.53831.28813.56627.11216.48225.458準確指數(shù)/%8.8047.7895.0777.3753.1986.3903.8856.000

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

2.1.3 吸水性

測定了頂果木全干材浸水的吸水質(zhì)量變化，時間為38 d，各段浸泡時間的吸水性結(jié)果見表2?？芍敼灸静脑?0 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，增加趨勢緩慢；木材浸泡38 d時吸水率為146.34%，仍有緩慢上升趨勢。由此看出頂果木木材吸水性強。

表2 頂果木木材吸水性變異

2.2 木材力學性質(zhì)

頂果木木材各項主要力學性質(zhì)平均值和變異統(tǒng)計數(shù)據(jù)(表3)。

2.2.1 順紋抗壓強度

順紋抗壓強度與其它強度指標存在相關(guān)關(guān)系，是最重要的木材力學性質(zhì)指標[9]。可知，頂果木木材的順紋抗壓強度平均為42.47 MPa，對照木材順紋抗壓強度5檔分級標準[6]218，其順紋抗壓強度屬中下級(30.1～45.0 MPa)。

2.2.2 抗彎強度

抗彎強度作為木材另一重要的力學性質(zhì)指標，是建筑物的屋架、橫條、木橋、承重地板等彎曲的構(gòu)件選材時應首先考慮的因素[8]186?？芍敼灸静牡目箯潖姸绕骄鶠?0.46 MPa，對照木材抗彎強度5檔分級標準[7]163，其強度屬中等(90.1～120.0 MPa)。

表3 頂果木木材力學性質(zhì)

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

2.2.3 沖擊韌性

沖擊韌性常用于評定車輛和建筑結(jié)構(gòu)用材的品質(zhì)[9]?？芍敼灸静牡臎_擊韌性平均為55.81 kJ/m2，對照木材沖擊韌性4檔分級標準[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度和抗彎強度這兩項重要強度指標，所以通常用順紋抗壓強度和抗彎強度之和來表示木材的綜合強度，以此表明木材強度品質(zhì)等級[5]。從上述試驗結(jié)果可以看出，頂果木木材各項力學強度性質(zhì)均屬中等偏高，其綜合強度為132.93 MPa，根據(jù)《木材材性分級規(guī)定》[7]163可知，其綜合強度為中等級(132.398～176.4 MPa)，這說明了頂果木木材可以用作一些強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)或稱比強度或強重比，是某項力學強度極限與基本密度之比值，是評價木材品質(zhì)的一個重要參數(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，綜合品質(zhì)系數(shù)小于1 960×105Pa者為低等級材，1 961×105～2 156×105Pa者為中等級材，大于2 156×105Pa者為高等級材[7]163，[10]。根據(jù)前面試驗分析得到的基本密度數(shù)據(jù)(見表1)和力學強度(見表3)，分析計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)達到2 871×105Pa。由此可見頂果木木材的品質(zhì)系數(shù)非常高，為高等級材。

2.3 木材氣干密度與力學性質(zhì)的關(guān)系

木材的力學性質(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)量的標志，因此與力學性質(zhì)有密切的關(guān)系[11-13]，通過非線性分析進行擬合，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有太大差別。其它主要物理力學性質(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性質(zhì)比較

注：引用的天然林頂果木木材的主要物理力學性質(zhì)來源于廣西大學林學院木材標本室。

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別；氣干密度屬中等級別；順紋抗壓強度、橫紋抗壓強度、沖擊韌性、端面硬度、抗彎強度屬中等級別；綜合強度屬高等級別；抗彎彈性模量屬低等級；而其品質(zhì)系數(shù)非常高，評為高等級材。

從力學性質(zhì)來看，頂果木木材各項力學性能均屬中等級別，可適用于受力要求不高的構(gòu)件，通常可用于房屋建筑方面；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，廣西大學林學院，碩士研究生。

孫靜，廣西大學林學院，講師，E-mail：sunjing413@126.com。

2013年11月4日。

S781.29

1) 廣西自然科學基金重點項目(2010GXNSFD013024)、南寧市科學研究與技術(shù)開發(fā)項目(201102094G)。

責任編輯：戴芳天。