毛紅椿木材物理力學(xué)性質(zhì)研究

葉忠華，葉友章，劉曉輝，楊淑寶

(1.福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 350012；2.福建省森林培育與林產(chǎn)品加工利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350012；3.福建省國有來舟林業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)，福建 南平 353004)

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毛紅椿木材物理力學(xué)性質(zhì)研究

葉忠華1，2*，葉友章1，2，劉曉輝1，2，楊淑寶3

(1.福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 350012；2.福建省森林培育與林產(chǎn)品加工利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350012；3.福建省國有來舟林業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)，福建 南平 353004)

本文對(duì)9年生、15年生、22年生的毛紅椿木材物理力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明：樹齡對(duì)毛紅椿木材物理力學(xué)性能影響顯著，毛紅椿幼齡材木材密度、力學(xué)強(qiáng)度均較低，隨著樹齡增加，密度、力學(xué)性能指標(biāo)均有較大幅度提高，體積干縮系數(shù)逐漸減小。毛紅椿木材差異干縮均較大，弦向干縮比徑向干縮差異顯著，但體積濕脹率變化不大。

毛紅椿；物理性質(zhì)；力學(xué)性質(zhì)

毛紅椿(Toona ciliate var.pubescens)為楝科香椿屬紅椿的變種，是南方地區(qū)珍貴的速生鄉(xiāng)土用材樹種，其心材紅色，素有“中國的桃花心木”之美稱，毛紅椿樹干通直圓滿，生長(zhǎng)較迅速，也是我國第一批二級(jí)保護(hù)的珍貴闊葉樹種[1]。作為南方地區(qū)珍貴的速生鄉(xiāng)土用材樹種，因其速生性好、適應(yīng)性強(qiáng)，是很好的造林樹種，在山區(qū)造林有很大潛力。福建省國有來舟林業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)毛紅椿進(jìn)行扦插育苗試驗(yàn)[2]，并進(jìn)行了多年造林培育。目前國內(nèi)對(duì)毛紅椿育苗、資源保護(hù)和培育方面作了較多研究[3-5]，但有關(guān)毛紅椿木材材性方面的研究尚未見報(bào)道，本文通過對(duì)毛紅椿木材物理力學(xué)性能的研究，為毛紅椿人工林培育及木材的加工利用提供技術(shù)參數(shù)，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采集地位于福建省國有來舟林業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)，地處南平市延平區(qū)，土壤類型為山地紅壤，土層較厚。在3塊不同造林時(shí)間的樣地上采集毛紅椿木材，試材采集方法按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1927-2009《木材物理力學(xué)試材采集方法》進(jìn)行，在樣地內(nèi)進(jìn)行每木檢尺，測(cè)定胸徑和樹高，選取平均木作為樣木進(jìn)行采集，每一樣地內(nèi)分別選伐樣木3株，采集木具體情況見表1。

表1　毛紅椿采集木情況

1.2試驗(yàn)方法

自胸高以上截取2 m長(zhǎng)的木段作為試材，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。按照GB/T1929-2009《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》進(jìn)行初步加工，加工后的試樣毛坯在實(shí)驗(yàn)室陰涼通風(fēng)處進(jìn)行堆垛氣干放置，直到試材達(dá)到氣干。再按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1930～ 1941—2009《木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》加工成試驗(yàn)用的無瑕疵試樣。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1928-2009《木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法總則》進(jìn)行各項(xiàng)物理力學(xué)性能測(cè)定。各項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)在全數(shù)字電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)和擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定，測(cè)定的有效樣本數(shù)為32個(gè)。

2　結(jié)果與分析

2.1不同樹齡毛紅椿木材物理性質(zhì)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同樹齡毛紅椿木材密度、干縮、濕脹性指標(biāo)均值和變異統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(見表2、表3)。

2.1.1密度

木材密度是木材單一性質(zhì)中的最重要指標(biāo)，對(duì)木材的力學(xué)性能等用材指標(biāo)有重要影響，對(duì)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[6]。根據(jù)《木材材性分級(jí)規(guī)定》，表2數(shù)據(jù)表明，毛紅椿木材密度屬于“輕”一級(jí)，樹齡對(duì)毛紅椿木材密度影響較大，樹齡增長(zhǎng)毛紅椿木材密度也增大，15年生、22年生木材密度分別比9年生高16.0%、35.4%，這是由于早期毛紅椿木材生長(zhǎng)迅速，晚材率較低，而隨著樹齡增長(zhǎng)，毛紅椿木材晚材率提高，木材密度也隨之增長(zhǎng)。22年生毛紅椿木材氣干密度與杉木、福建柏相當(dāng)[7]，說明樹齡20年以上毛紅椿木材用于加工利用較適宜。

表2　不同樹齡毛紅椿木材密度

2.1.2干縮性

在木材利用上，木材的干縮主要引起木材尺寸上的變化，導(dǎo)致加工好的構(gòu)件變形開裂，因此，木材干縮性是衡量木材優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一[6]。干縮系數(shù)是指吸著水每變化1%時(shí)木材的干縮率變化值，它是衡量木材干縮特性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，以干縮系數(shù)指標(biāo)計(jì)算確定出木材加工過程中板材尺寸和濕單板剪切時(shí)應(yīng)留出的干縮余量[8]。根據(jù)《木材材性分級(jí)規(guī)定》，體積干縮系數(shù)可分為5個(gè)等級(jí)。從表3可見，毛紅椿木材體積干縮系數(shù)均小于0.45%，木材干縮性屬于“小”，隨著樹齡增長(zhǎng)，木材干縮系數(shù)逐漸降低，15年生和22年生毛紅椿木材體積干縮系數(shù)差異不顯著，9年生毛紅椿木材體積干縮系數(shù)較顯著，表明樹齡較低的毛紅椿木材收縮程度較大。從差異干縮來看，3種樹齡的毛紅椿木材差異干縮均較大，弦向干縮大于徑向干縮，說明其木材各方向的干縮不均勻，其原因有待進(jìn)一步深入研究。

2.1.3濕脹性

木材濕脹性反映了木材吸水后的尺寸變化，從表3可以看出，3種樹齡毛紅椿木材吸濕后體積濕脹率分別為19.6%、19.7%、19.2%，差異濕脹分別為3.40、3.32、3.70，吸水后尺寸變化顯著，在加工利用時(shí)應(yīng)充分考慮濕脹性對(duì)產(chǎn)品尺寸的影響。

2.2不同樹齡毛紅椿木材力學(xué)性質(zhì)

木材力學(xué)性質(zhì)是木材抵抗外力改變大小和形狀的能力，即木材適應(yīng)外力作用的能力。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同樹齡毛紅椿木材各種力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)均值和變異統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(見表4)。

表3　不同樹齡毛紅椿木材干縮濕脹性

2.2.1順紋抗壓強(qiáng)度

木材的順紋抗壓強(qiáng)度體現(xiàn)了木材沿紋理方向承受壓力荷載的最大能力[6]，在木材作為結(jié)構(gòu)和建筑材料中是至關(guān)重要的力學(xué)性質(zhì)，用于建筑材的榫結(jié)合等用途要求順紋抗壓強(qiáng)度要較大。3種樹齡的毛紅椿木材順紋抗壓強(qiáng)度分別為21.3 MPa、27.3 MPa、32.8 MPa，抗壓強(qiáng)度上屬于“低”，樹齡增長(zhǎng)對(duì)順紋抗壓強(qiáng)度影響明顯，15年生、22年生木材抗壓強(qiáng)度分別比9年生高28.2%、54.0%。

2.2.2抗彎強(qiáng)度和彈性模量

木材的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量體現(xiàn)了木材承受靜力彎曲荷載的最大能力[6]，3種樹齡的毛紅椿木材抗彎強(qiáng)度分別為34.6 MPa、50.1 MPa、64.0 MPa，彈性模量分別為4017.2 MPa、5711.7 MPa、6504.4 MPa，樹齡增長(zhǎng)對(duì)抗彎強(qiáng)度和彈性模量影響明顯，15年生、22年生木材抗彎強(qiáng)度分別比9年生高44.8%、85.0%，15年生、22年生木材彈性模量分別比9年生高42.2%、61.9%，22年生毛紅椿木材抗彎強(qiáng)度和彈性模量低于同齡杉木、福建柏[7]。

2.2.3順紋抗拉強(qiáng)度

順紋抗拉強(qiáng)度體現(xiàn)了木材沿紋理方向承受拉力荷載的最大能力，3種樹齡的毛紅椿木材順紋抗拉強(qiáng)度分別為46.9 MPa、66.2 MPa、84.3MPa，樹齡增長(zhǎng)對(duì)順紋抗拉強(qiáng)度影響明顯，15年生、22年生木材抗拉強(qiáng)度分別比9年生高41.2%、79.7%，抗拉強(qiáng)度與同齡杉木、福建柏木材接近[7]。

2.3.4沖擊韌性

沖擊韌性是檢驗(yàn)?zāi)静牡捻g性或脆性的指標(biāo)，常用于評(píng)定車輛和建筑結(jié)構(gòu)用材的品質(zhì)依據(jù)[6]。3種樹齡的毛紅椿木材沖擊韌性分別為27 kj/m2、41 kj/m2、58 kj/m2，根據(jù)《木材材性分級(jí)規(guī)定》分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)屬于“中等”， 15年生、22年生木材沖擊韌性分別比9年生高51.9%、114.8%。

2.3.5硬度

木材硬度是指木材抵抗其他剛體壓入的能力[6]。木材的硬度跟木材的密度密切相關(guān)，密度越大則硬度越高，反之則低。15年生木材端面硬度、弦面硬度、徑面硬度分別比9年生高39.2%、36.4%、54.1%，22年生木材端面硬度、弦面硬度、徑面硬度分別比9年生高84.1%、120.8%、131.6%，毛紅椿幼齡材硬度過小，22年生毛紅椿木材硬度與同齡杉木、福建柏木材接近[7]。

2.3.6綜合強(qiáng)度

木材作為承重構(gòu)件時(shí)，要考慮其順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，所以通常采用順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度之和來表示木材的綜合強(qiáng)度[6]。根據(jù)《木材材性分級(jí)規(guī)定》可知，毛紅椿木材綜合強(qiáng)度屬于“低”一級(jí)，說明了毛紅椿木材只適合用作一些強(qiáng)度要求不太高的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

表4　不同樹齡毛紅椿木材力學(xué)性能

3　結(jié)論與討論

(1)對(duì)不同造樹齡毛紅椿木材材性的測(cè)定和比較分析表明，樹齡對(duì)毛紅椿木材密度影響較大，樹齡增加毛紅椿木材密度也增大，幼齡材密度較小，15年生、22年生木材密度分別比9年生高16.0%、35.4%。

(2)毛紅椿木材干縮性屬于“小”，隨著樹齡增長(zhǎng)，木材干縮系數(shù)逐漸降低，樹齡較低的毛紅椿木材收縮程度較大。毛紅椿木材差異干縮均較大，弦向干縮比徑向干縮差異顯著。毛紅椿木材吸濕后尺寸變化顯著，在加工利用時(shí)應(yīng)充分考慮濕脹性對(duì)產(chǎn)品尺寸的影響。

(3)毛紅椿木材各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)中除了沖擊韌性屬于“中等”以外，其他力學(xué)指標(biāo)和綜合強(qiáng)度均屬于“低”一級(jí)，樹齡對(duì)毛紅椿木材各項(xiàng)力學(xué)性能影響顯著，木材綜合強(qiáng)度屬于“低”一級(jí)，幼齡材各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)較低，說明了毛紅椿木材只適合用作一些強(qiáng)度要求不太高的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

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Analysis onPhysical and Mechanical Properties ofToonaciliataTimber

YEZhong-hua1，2,YEYou-zhang1，2,LIUXiao-hui1，2,YANGShu-bao3

(1.FujianAcademyofForestry,Fuzhou,Fujian350012,China; 2.FujianProvincialKeyLabofForestSilvicultureandForestProductProcessingUtilization,Fuzhou,Fujian350012,China; 3.TheStateownedForestryExperimentFarminLaizhou,Nanping,Fujian353004,China)

The physical and mechanical properties of 9-year-old, 15-year-old and 22-year-old ofToonaciliatawood were measured in the present study. The results showed that the trees ages had significant effect on the timber physical and mechanical properties ofToonaciliata. Juvenile wood characterized in lower density and mechanical strength. These two indicators remarkably increased with the increment of age, while volume shrinkage coefficients decreased gradually with age. The wood shrinkage ratio demonstrated higher differences inToonaciliata, and tangential shrinkage was more significant than radial shrinkage, but swelling ratio showed little changed.

ToonaciliataToonaciliata; Physical properties; Mechanical properties

1008-0457(2016)03-0072-04國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2016.03.014

2016-01-17；修回日期：2016-03-19

福建省省屬公益類科研院所科研項(xiàng)目“毛紅椿木材加工特性及其復(fù)合材技術(shù)研究”(閩林研201338)。

葉忠華(1969-)，男，福建永泰人，碩士，教授級(jí)高工，主要從事木材科學(xué)與技術(shù)、人造板工藝技術(shù)研究；E-mail:793227098@qq.com。

S781.3;S781.2

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