四川藍(lán)桉幼齡材物理力學(xué)性質(zhì)研究

羅　浩，齊錦秋，謝九龍，吳秉嶺，黃興彥

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，四川 雅安 625014)

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四川藍(lán)桉幼齡材物理力學(xué)性質(zhì)研究

羅浩，齊錦秋，謝九龍，吳秉嶺，黃興彥

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，四川 雅安 625014)

[摘要]【目的】 分析四川產(chǎn)藍(lán)桉幼齡材的物理力學(xué)性質(zhì)及密度變異規(guī)律，為提高其利用效率、擴(kuò)展其利用方式提供參考?！痉椒ā?參照木材物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)5年生藍(lán)桉的物理力學(xué)性質(zhì)(氣干徑向干縮率、弦向干縮率、體積干縮率，全干徑向干縮率、弦向干縮率、體積干縮率，氣干密度、絕干密度和基本密度，順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗剪強(qiáng)度和端面、徑面和弦面硬度等)進(jìn)行了測(cè)定，并分析了其木材密度變異特性?！窘Y(jié)果】 5年幼齡四川藍(lán)桉用材的氣干徑向、弦向、體積干縮率分別為2.38%，4.01%，6.75%；全干徑向、弦向、體積干縮率分別為3.71%，5.65%，9.14%；氣干密度、全干密度和基本密度分別為0.46，0.41，0.38 g/cm3，3種密度在徑向上均呈現(xiàn)出先減小后增大的變異規(guī)律，而在在軸向上，從基部到2 m處基本保持不變，到4 m處下降到最小，且下降幅度較大，4 m以上隨著樹(shù)高的增加而增加；木材順紋抗壓強(qiáng)度為24.80 MPa，抗彎強(qiáng)度為58.26 MPa，抗彎彈性模量為6 444.24 MPa，順紋抗剪強(qiáng)度為2.31 MPa，端面、徑面和弦面硬度平均值分別為3.10，2.20，1.96 kN。四川藍(lán)桉5年幼齡材的綜合強(qiáng)度為83.06 MPa，綜合強(qiáng)度較小。【結(jié)論】 藍(lán)桉幼齡材物理力學(xué)性質(zhì)較小，密度變異規(guī)律顯著。

[關(guān)鍵詞]藍(lán)桉；幼齡材；物理性質(zhì)；力學(xué)性質(zhì)；密度變異；四川

藍(lán)桉(EucalyptusglobulusLabill)為桃金娘科桉屬植物，原產(chǎn)澳大利亞，從19世紀(jì)末期開(kāi)始作為觀賞性樹(shù)種引入我國(guó)[1]。從20世紀(jì)50年代以來(lái)，藍(lán)桉生長(zhǎng)快、適應(yīng)能力強(qiáng)、產(chǎn)量大、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛認(rèn)可，并逐步在華南和西南地區(qū)推廣開(kāi)來(lái)，成為主要栽培樹(shù)種之一，尤其在四川、云南兩省生長(zhǎng)良好[2]。在昆明立地條件較好的地方，10年生藍(lán)桉可達(dá)到20 m高，胸徑30～40 cm[3]。由此，藍(lán)桉在四川和云南得到進(jìn)一步的發(fā)展，至20世紀(jì)70年代形成一定規(guī)模的人工林，且“四旁”栽培也達(dá)到5億株。目前，關(guān)于藍(lán)桉的研究主要集中在造林、栽培、引種馴化、遺傳育種、木材構(gòu)造、化學(xué)成分等方面，并在大量的研究基礎(chǔ)上將其應(yīng)用于紙漿、木片、人造纖維生產(chǎn)[4-6]。木材物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)木材加工處理和利用都具有重要的實(shí)際意義，許多木材加工處理工藝的制定以及用材部門(mén)對(duì)木材的選擇，都有賴于木材物理力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定數(shù)據(jù)。另外，隨著人造板行業(yè)的快速發(fā)展，桉樹(shù)類(lèi)速生樹(shù)種均被廣泛應(yīng)用于中密度纖維板、刨花板、細(xì)木工板及單板層積材等的生產(chǎn)。因此，關(guān)于藍(lán)桉物理力學(xué)性質(zhì)和密度變異規(guī)律的研究，對(duì)補(bǔ)充理論基礎(chǔ)、提高利用效率、擴(kuò)展利用方式具有重要的意義。為此，本研究以四川產(chǎn)藍(lán)桉為材料，對(duì)其主要物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，并分析了其木材密度變異特性，以期為藍(lán)桉材質(zhì)預(yù)測(cè)及其高效加工利用提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采自四川省雅安市雨城區(qū)四川農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)，該區(qū)為四川盆地與青藏高原的結(jié)合過(guò)渡地帶，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，平均海拔660 m，年平均氣溫16.2 ℃，年平均降水量1 732 mm，年均溫16.2 ℃，無(wú)霜期298 d，年平均日照時(shí)數(shù)1 019 h，土壤以白堊紀(jì)灌口組紫色砂頁(yè)巖風(fēng)化的坡堆積物形成的紫色土為主。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 1927-91《木材物理力學(xué)試材采集方法》在藍(lán)桉人工林中選取A、B、C、D、E 5株樣樹(shù)，標(biāo)明北向記號(hào)并測(cè)定記錄胸徑、樹(shù)高等，具體情況見(jiàn)表1。自基部伐倒后，剔除枝椏，隨后進(jìn)行樹(shù)干解析，從基部起每隔2 m截取一個(gè)圓盤(pán)，并且在1.3 m高處截取1個(gè)圓盤(pán)，對(duì)截取的圓盤(pán)進(jìn)行標(biāo)號(hào)并裝袋，將木段和圓盤(pán)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室備用。

表 1　四川藍(lán)桉物理力學(xué)性能測(cè)試材料的基本情況

1.2試驗(yàn)方法

將上述木段運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，鋸解成板坯，然后放置于實(shí)驗(yàn)室自然干燥。待其達(dá)到平衡含水率后按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 1928-2009《木材物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行試件加工，并對(duì)氣干徑向干縮率、弦向干縮率、體積干縮率，全干徑向干縮率、弦向干縮率、體積干縮率，氣干密度、全干密度和基本密度，順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗剪強(qiáng)度和端面、徑面和弦面硬度等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。從不同高度圓盤(pán)上截取試件進(jìn)行密度軸向變異數(shù)據(jù)的測(cè)定，密度徑向上的變異是以1.3 m處圓盤(pán)按生長(zhǎng)輪截取試件來(lái)測(cè)定的。各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)測(cè)試均在深圳瑞格爾萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，每株樣木有效測(cè)定樣本數(shù)均為30個(gè)，每個(gè)指標(biāo)試件個(gè)數(shù)共計(jì)150個(gè)。

2結(jié)果與分析

2.1藍(lán)桉木材的主要物理性質(zhì)

2.1.1木材的干縮性木材水分在空氣中逐步蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致其含水率變小，同時(shí)也會(huì)引起體積的縮小，稱(chēng)為干縮。木材之所以干縮，主要是由于當(dāng)木材干燥時(shí)，水分向外蒸發(fā)，細(xì)胞壁纖絲之間、微纖絲之間和微晶之間的吸著水減少，其間的水層減薄，纖絲、微纖絲、微晶之間彼此靠攏，以致細(xì)胞壁乃至整個(gè)木材的尺寸隨之縮小[7]。由于木材各向的不均勻性，其干縮值也不相同，因干縮不均勻所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)使木材及其制品發(fā)生干裂、翹曲變形等缺陷，嚴(yán)重影響木材及其制品的使用[8]。木材因樹(shù)種不同，干縮率也不同，一般徑向干縮率在3%～6%，弦向干縮率在6%～12%。從表2可以看出，藍(lán)桉木材氣干徑向、弦向、體積干縮率分別為2.38%，4.01%，6.75%；全干徑向、弦向、體積干縮率分別為 3.71%，5.65%，9.14%，差異干縮(弦向干縮與徑向干縮之比)為1.41～1.80，使用時(shí)具有不易產(chǎn)生瓦彎變形和開(kāi)裂等優(yōu)點(diǎn)。藍(lán)桉氣干干縮率小于同屬的巨桉[9]、尾葉桉[10]、尾巨桉[11]，表明藍(lán)桉尺寸穩(wěn)定性較好，在作為用材時(shí)具有變形小的優(yōu)點(diǎn)。

2.1.2木材密度木材密度是眾多性狀中至關(guān)重要的一個(gè)指標(biāo)，直接影響著木材的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)[12]。一般認(rèn)為，木材作為稱(chēng)重結(jié)構(gòu)材料，它的主要品質(zhì)取決于木材密度[13]，也是木材作為人造板原料必須考慮的重要指標(biāo)[14]。從表2可以看出，藍(lán)桉基本密度為0.38 g/cm3，變化范圍0.33～0.42 g/cm3；氣干密度為0.46 g/cm3，變化范圍0.41～0.52 g/cm3；全干密度為0.41 g/cm3，變化范圍0.36～0.47 g/cm3；根據(jù)《木材材性分級(jí)規(guī)定》[15]，屬于小密度木材。藍(lán)桉基本密度、氣干密度、全干密度均小于同屬的柳桉、檸檬桉和巨桉，其相差幅度最高達(dá)到50%左右。有關(guān)研究認(rèn)為，一般用于生產(chǎn)纖維板和紙漿的木材氣干密度以0.4～0.6 g/cm3較好[16]。所以，5年生藍(lán)桉人工林不僅胸徑已經(jīng)接近20 cm，而且從密度角度來(lái)講其還是較好的纖維板生產(chǎn)和紙漿原料用材。

表 2　藍(lán)桉木材主要物理性質(zhì)及變異統(tǒng)計(jì)

2.1.3密度變異規(guī)律(1)徑向變異。一般認(rèn)為，藍(lán)桉密度的徑向變異規(guī)律為：從髓心到樹(shù)皮木材密度逐漸增大，不過(guò)也存在過(guò)渡區(qū)的密度高于靠近髓心和靠近樹(shù)皮部位的現(xiàn)象，而Geoffrey等[17]總結(jié)大量研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在速生材中，木材密度沿徑向隨著離髓心距離的增大而減小。Panshin等[18]在總結(jié)大量變異規(guī)律的基礎(chǔ)上，將密度徑向變異劃分為3種類(lèi)型:Ⅰ為自髓心向外，密度遞增；Ⅱ?yàn)樽运栊南蛲?，密度最初遞減，然后向外層逐漸增加；Ⅲ為髓心附近密度高于樹(shù)皮附近密度，密度自髓心到樹(shù)皮以直線或曲線形式降低。從圖1可以看出，藍(lán)桉木材密度在徑向上的變異規(guī)律表現(xiàn)為：從髓心到樹(shù)皮先降低再上升，即基本密度、氣干密度、全干密度在1～3年樹(shù)齡之間呈減小趨勢(shì)，3～5年樹(shù)齡之間呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，屬于PanshinⅡ型變異模式，而且基本密度、氣干密度和全干密度變異規(guī)律表現(xiàn)出較強(qiáng)的一致性。這與尾葉桉[19]、油松[20]基本密度的徑向變異規(guī)律是一致的，但是與Geoffrey等[17]的研究結(jié)果不相符。一般認(rèn)為，木材的基本密度與林木生長(zhǎng)程度有密切關(guān)系，生長(zhǎng)速度越快，木材密度越小，反過(guò)來(lái)木材密度越大，生長(zhǎng)速度就越慢[21]。這是因?yàn)樯L(zhǎng)率高，輸導(dǎo)組織空隙較大，以致木材質(zhì)地較為疏松，木材密度相應(yīng)地就比較小，隨著樹(shù)齡增大，生長(zhǎng)率降低，這時(shí)形成的木材細(xì)胞分子粗、長(zhǎng)且壁厚，質(zhì)地致密，老的干材部分填充物增加，木材密度增大[4]。藍(lán)桉密度在第3年達(dá)到最小，其原因有可能是在栽植后第3年起其生長(zhǎng)速率達(dá)到最快而導(dǎo)致木材密度最小，還有可能是髓心附近的第一、第二生長(zhǎng)輪相比第三生長(zhǎng)輪生長(zhǎng)速率更低，但是擁有較高含量的浸提物等原因而呈現(xiàn)出靠近髓心部分木材密度高于第3年，髓心附近木材密度高可能是應(yīng)力木存在，浸提物含量、管胞徑向和弦向直徑、管胞胞壁厚度等因子共同作用的結(jié)果[20]。

圖 1　藍(lán)桉木材密度的徑向變異規(guī)律

(2) 軸向變異。日本學(xué)者渡道治人[22]研究認(rèn)為，沿著樹(shù)干方向，樹(shù)干橫截面密度變化趨勢(shì)有3種：Ⅰ.從下向上密度逐漸變大；Ⅱ.從下向上密度逐漸變?。虎?從下向上密度逐漸變小，中間大致不變，而上部又逐漸變大。從圖2可以看出，藍(lán)桉基本密度在軸向的變異規(guī)律表現(xiàn)為：從基部到2 m處基本保持不變；從2 m到4 m減小，減小幅度頗為明顯；4 m以后，隨著高度的增加基本密度呈逐漸增加趨勢(shì)，并且逐漸趨于穩(wěn)定。氣干密度與全干密度在軸向上的變異規(guī)律和基本密度表現(xiàn)出較強(qiáng)的一致性，較大的區(qū)別在于高度達(dá)12 m以上，基本密度趨于穩(wěn)定，而氣干密度和全干密度還呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)?？傮w而言，基本密度、氣干密度和基本密度均在4 m高度處出現(xiàn)極小值，在軸向上的變異規(guī)律為從下往上先減小，然后有個(gè)小范圍的不變過(guò)渡，緊接著隨著樹(shù)高的增高而增加，并逐漸趨于穩(wěn)定。這與渡道治人[22]所歸納的密度在軸向的變異規(guī)律Ⅲ吻合，還與Callister[23]和Raymond等[24]以澳大利亞產(chǎn)藍(lán)桉為材料得出的變異規(guī)律一致。

2.2藍(lán)桉木材的主要力學(xué)性質(zhì)

木材力學(xué)性質(zhì)是度量木材抵抗外力的能力，是結(jié)構(gòu)用材的主要材性指標(biāo)，也是木材合理利用的一個(gè)重要依據(jù)。藍(lán)桉木材的主要力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表3。

表 3　藍(lán)桉木材主要力學(xué)性質(zhì)及變異統(tǒng)計(jì)

注：同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同大寫(xiě)字母和小寫(xiě)字母分別代表在P<0.01、P<0.05水平差異顯著。

Note：Capital and small letters in each column represent significant difference atP<0.01 andP<0.05,respectively.

從表3可知，5年生藍(lán)桉順紋抗壓強(qiáng)度為24.80 MPa，抗彎彈性模量為6 444.24 MPa，抗彎強(qiáng)度為58.26 MPa，順紋抗剪強(qiáng)度為2.31 MPa，端面、徑面、弦面的硬度分別為3.10，2.20，1.96 kN。而且方差分析表明，端面硬度極顯著大于徑面(P<0.01)，徑面硬度極顯著大于弦面(P<0.01)。在所測(cè)指標(biāo)中，木材順紋抗壓強(qiáng)度指平行于木材纖維方向，對(duì)試件全部加壓面施加載荷時(shí)的強(qiáng)度，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)[25]，其大小是選擇作為坑木、支柱、樁木及輪輻等類(lèi)似應(yīng)用的重要依據(jù)[26]，但是我國(guó)木材的順紋抗壓強(qiáng)度平均值為45 MPa，高于本研究中藍(lán)桉的平均值，所以，在選擇支柱等承重構(gòu)件時(shí)不建議考慮5年生藍(lán)桉。木材抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量是木材最重要的力學(xué)指標(biāo)，常用來(lái)推測(cè)木材的容許應(yīng)力和計(jì)算構(gòu)件在荷載下的變形，說(shuō)明5年生藍(lán)桉比例極限內(nèi)抵抗彎曲變形的能力較弱。5年生藍(lán)桉綜合強(qiáng)度為83.06 MPa，根據(jù)《木材物理力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表》[27]，屬于低水平范圍。這是因?yàn)?年生的藍(lán)桉處于幼齡階段，形成層細(xì)胞為了滿足植株高生長(zhǎng)和直徑生長(zhǎng)的要求，分裂速度較快，發(fā)育的細(xì)胞腔大壁薄；細(xì)胞壁的物質(zhì)積累速度相對(duì)較慢，加上較高比例的木質(zhì)素和高聚糖，就導(dǎo)致木材密度和力學(xué)強(qiáng)度較小。所以，5年生藍(lán)桉力學(xué)強(qiáng)度較小，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中應(yīng)充分考慮其能否滿足需要，避免因力學(xué)強(qiáng)度不滿足而造成的相關(guān)損失。

2.3藍(lán)桉基本密度與主要力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性

藍(lán)桉基本密度和主要力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出，各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)均與基本密度顯著或極顯著相關(guān)，其中順紋抗剪強(qiáng)度與基本密度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，其余力學(xué)指標(biāo)與基本密度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)間，除順紋抗剪強(qiáng)度外，其余力學(xué)指標(biāo)間相關(guān)性顯著或極顯著；順紋抗剪強(qiáng)度與抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、端面硬度、徑面硬度相關(guān)性不顯著。

表 4　藍(lán)桉基本密度與主要力學(xué)性質(zhì)相關(guān)性

注：*、**分別代表在P<0.05、P<0.01水平顯著相關(guān)。

Note：* and ** represent significant correlation atP<0.05 andP<0.01,respectively.

3結(jié)論

1)5年生藍(lán)桉相對(duì)含水率和絕對(duì)含水率分別為13.51%，15.63%；藍(lán)桉木材氣干密度、全干密度和基本密度分別為0.46，0.41，0.38 g/cm3；藍(lán)桉木材氣干徑向、弦向、體積干縮率分別為2.38%，4.01%，6.75%。全干徑向、弦向、體積干縮率分別為3.71%，5.65%，9.14%，差異干縮處于1.41～1.80。

2)5年生藍(lán)桉木材密度在徑向上的變異規(guī)律表現(xiàn)為從髓心到樹(shù)皮先降低再上升，軸向的變異規(guī)律表現(xiàn)為從基部到2 m處基本保持不變，從2 m到4 m減小，4 m以后，隨著高度增加基本密度呈逐漸增加趨勢(shì)。

3)5年生藍(lán)桉順紋抗壓強(qiáng)度為24.80 MPa；抗彎強(qiáng)度為58.26 MPa，抗彎彈性模量6 444.24 MPa；順紋抗剪強(qiáng)度為2.31 MPa；木材端面、徑面和弦面硬度平均值分別為3.10，2.20，1.96 kN。方差分析表明，3個(gè)面硬度差異極顯著。5年生藍(lán)桉綜合強(qiáng)度較小，為83.06 MPa。各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)與基本密度的相關(guān)性均達(dá)顯著或極顯著水平。

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Physical-mechanical properties ofEucalyptusglobulusjuvenile wood from Sichuan

LUO Hao，QI Jin-qiu，XIE Jiu-long，WU Bing-ling，HUANG Xing-yan

(CollegeofForestry，SichuanAgriculturalUniversity，Ya’an，Sichuan625014，China)

Abstract:【Objective】 This study analyzed physical and mechanical properties and variation in density of Eucalyptus globulus from Sichuan to provide reference for improving efficiency and expanding use patterns.【Method】 The physical-mechanical properties (radial air-dried shrinkage,tangential air-dried shrinkage,volume air-dried shrinkage,radial over-dried shrinkage ratio,tangential over-dried shrinkage ratio,volume over-dried shrinkage ratio,air-dried density,dried density,basic density,compressive strength parallel to grain,bend elastic modulus,compressive strength,shear strength parallel to grain,end section hardness,radial section hardness,and tangential section hardness) of 5-year-old Eucalyptus globulus were tested based on National Standards and the variation in density was analyzed.【Result】 The air-dried shrinkages of radial,tangential and volume were 2.38%,4.01%,and 6.75%.The over-dried shrinkages were 3.71%,5.65%,and 9.14%,respectively.The air-dried density,dried density and basic density were 0.46,0.41,and 0.38 g/cm3 and all three densities showed similar variation of first decrease followed by increase from pith to bark.In the axial direction,they were unchanged from the base to 2 m and dropped to the smallest at 4 m height before increasing as the increase of stem height above 4 m.The compressive strength parallel to grain was 24.80 MPa,the bending strength was 58.26 MPa,the bending elastic modulus was 6 444.24 MPa,and the shear strength parallel to grain was 2.31 MPa.The hardnesses in end,radial and tangential sections were 3.10 kN,2.20 kN,and 1.96 kN,respectively.The composite strength of Sichuan 5-year-old Eucalyptus globulus was 83.06 MPa,belonging to low level.【Conclusion】 Eucalyptus globulus juvenile wood had low physical and mechanical properties and significant density variation.

Key words:Eucalyptus globulus;juvenile wood;physical properties;mechanical properties;density variation; Sichuan

DOI：網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2016-01-0810:2210.13207/j.cnki.jnwafu.2016.02.013

[收稿日期]2014-06-13

[基金項(xiàng)目]四川省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目“木材工業(yè)與家具工程”

[作者簡(jiǎn)介]羅浩(1989-)，男，四川威遠(yuǎn)人，在讀碩士，主要從事木材材性研究。E-mail:sumiorbo@163.com[通信作者]齊錦秋(1972-)，女，遼寧阜新人，副教授，博士，主要從事木/竹材材性研究。E-mail:qijinqiu2005@aliyun.com

[中圖分類(lèi)號(hào)]S792.39

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1671-9387(2016)02-0090-07