長白落葉松子代林木材物理力學(xué)性能研究

李艷霞，廉 毅

(1.黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081；2.白河林業(yè)局，吉林 延邊 133613)

長白落葉松子代林木材物理力學(xué)性能研究

李艷霞1，廉 毅2

(1.黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081；2.白河林業(yè)局，吉林 延邊 133613)

以24年生長白落葉松子代測定林為研究材料，對(duì)其木材物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測定與分析。結(jié)果表明：木材氣干密度和基本密度分別為0.57 g/cm3和0.54 g/cm3，屬中等級(jí)別。氣干差異干縮和全干差異干縮分別為2.01和1.97，木材干縮率較大。徑面和弦面抗劈力分別為13.42和10.18 N/mm，抗彎強(qiáng)度為89.12MPa，弦面和徑面順紋抗剪強(qiáng)度分別為11.85 MPa和12.35 MPa，抗壓強(qiáng)度為54.27 MPa，端面、弦面和徑面的硬度分別為3973N、1703N和1783N。長白落葉松子代木材的綜合強(qiáng)度為143.39MPa，屬中等級(jí)材。

長白落葉松；子代林；木材物理力學(xué)性狀；木材密度；干縮特性；抗劈力；抗彎強(qiáng)度；抗壓強(qiáng)度

木材物理和力學(xué)性質(zhì)是主要材性性狀，在木材應(yīng)用中具有實(shí)際參考價(jià)值[1-2]。目前，針對(duì)用材樹種開展的物理力學(xué)性質(zhì)研究，測定和評(píng)價(jià)的指標(biāo)主要包括物理性狀(木材密度、纖絲角、晚材率、干縮性)和力學(xué)性狀(抗彎強(qiáng)度、彈性模量、抗劈力、順紋抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和硬度)[3-8]，對(duì)于木材的評(píng)價(jià)和應(yīng)用具有重要意義。

長白落葉松(Larixolgensi)是我國北方的主要造林樹種之一，其木材在房屋結(jié)構(gòu)和建筑、紙袋紙、箱板紙生產(chǎn)上應(yīng)用較多。以往對(duì)長白落葉松開展了廣泛的研究工作，在基因資源收集、種源試驗(yàn)、種子園營建和管理技術(shù)、子代測定、雜交育種以及生長和材質(zhì)聯(lián)合選擇等方面做了很多工作，建立起一批國家級(jí)落葉松良種基地，并取得了顯著成效[9-13]。目前，木材材性改良已經(jīng)成為林木遺傳改良的主要研究方向之一。為全面弄清長白落葉松子代林的木材材性，對(duì)木材的密度、纖絲角、晚材率、干縮特性、抗劈力、強(qiáng)度(抗彎、抗壓、抗剪)和硬度等主要物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測試，為長白落葉松子代木材資源培育與開發(fā)利用提供參考，也為今后育種工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用材料(56株樣木)采自24年生長白落葉松優(yōu)樹子代測定林(黑龍江省林業(yè)科學(xué)院江山嬌實(shí)驗(yàn)林場)，平均木伐倒取樣，分別從胸高處(1.3 m)向上截取2 m長的木段待測。

1.2 測試方法

測試的物理性狀包括：木材基本密度、氣干密度、纖絲角、晚材率、氣干干縮率(徑向、弦向、體積)、全干干縮率(徑向、弦向、體積)等指標(biāo)；測試的力學(xué)性狀包括：抗劈力、抗彎強(qiáng)度、順紋抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和硬度等指標(biāo)，這些指標(biāo)的測試均按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行[14]。用碘化鉀染色法測定纖絲角。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用DPS林業(yè)專業(yè)統(tǒng)計(jì)V 11.50軟件和SPSS 21.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 長白落葉松子代林木材物理性質(zhì)分析

木材是由木材實(shí)質(zhì)、水分及空氣組成的多孔性材料。木材密度與木材的許多物理性質(zhì)都有密切的關(guān)系。木材密度有生材、氣干、基本和絕干密度4種，其中氣干密度和基本密度是木材密度中涉及最多的[16]。由表1可知，木材氣干密度和基本密度分別為0.57 g/cm3和0.54 g/cm3。根據(jù)我國木材氣干密度的分級(jí)可知[17]，長白落葉松子代木材密度屬于中等(0.55～0.75 g/cm3)。纖絲角平均值為16.67°，晚材率為34.06%。

表1 木材基本密度、纖絲角與晚材率的統(tǒng)計(jì)分析

2.2 長白落葉松子代林木材干縮特性分析

木材的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其在性質(zhì)上具有較強(qiáng)的各向異性。干燥過程中，木材的尺寸和體積會(huì)產(chǎn)生干縮，容易引起木制品產(chǎn)生縫隙、開裂、翹曲變形等缺陷。

長白落葉松子代木材的干縮特性見表2。

表2 木材干縮特性的統(tǒng)計(jì)分析

從濕材狀態(tài)至氣干狀態(tài)時(shí)，徑向干縮率﹤弦向干縮率﹤體積干縮率，分別為2.90%、5.82%和9.02%，差異干縮為2.01；從濕材狀態(tài)至全干狀態(tài)時(shí)，徑向干縮率﹤弦向干縮率﹤體積干縮率，分別為4.62%、9.08%和13.85%，差異干縮為1.97。長白落葉松半同胞子代木材差異干縮較大，在加工利用時(shí)應(yīng)充分考慮干縮性這個(gè)因素。

2.3 長白落葉松子代林木材力學(xué)性質(zhì)分析

2.3.1 抗劈力

木材纖維方向具有易開裂的特性，抗劈力是木材抵抗在尖楔作用下順紋劈開的力。長白落葉松子代木材的徑面和弦面平均抗劈力分別為13.42和10.18 N/mm。

2.3.2 抗彎強(qiáng)度

木材抗彎強(qiáng)度由于測試容易以及在實(shí)際應(yīng)用上的重要性，是材質(zhì)評(píng)估中使用最多的指標(biāo)。在屋架、橫條、木橋、承重地板等彎曲構(gòu)件選材時(shí)，也應(yīng)首先考慮抗彎強(qiáng)度。長白落葉松子代木材的平均抗彎強(qiáng)度為89.12MPa(表3)。對(duì)照木材抗彎強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其強(qiáng)度屬低等材(55.1～90.0 MPa)[18]。

2.3.3 抗剪強(qiáng)度

木材用作結(jié)構(gòu)材時(shí)，常常承受剪切力，也是木材材性測試的主要性狀之一。長白落葉松子代木材的弦面和徑面順紋抗剪強(qiáng)度分別為11.85 MPa和12.35 MPa，徑面抗剪強(qiáng)度大于弦面。

2.3.4 抗壓強(qiáng)度

順紋抗壓強(qiáng)度是判定和評(píng)價(jià)材質(zhì)的基本數(shù)據(jù)，常常用于誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)材和建筑材的榫接合類似用途的容許工作應(yīng)力計(jì)算以及柱材的選擇。長白落葉松子代木材的平均抗壓強(qiáng)度為54.27 MPa(表3)，按木材等級(jí)劃分屬于中等材[18](45.1～60.0 MPa)。

2.3.5 硬度

長白落葉松子代木材的硬度測試結(jié)果顯示(表3)，端面硬度﹥徑面硬度﹥弦面硬度，分別為3973N、1783N和1703N。按照木材端面硬度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，屬于中等水平(3929.8～6370N)[17]。

表3 木材力學(xué)性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)分析

2.3.6 綜合強(qiáng)度

順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的和可代表木材綜合強(qiáng)度。長白落葉松子代木材的綜合強(qiáng)度為143.39MPa(表3)與《木材材性分級(jí)規(guī)定》對(duì)比可知，其木材綜合強(qiáng)度屬于中等水平(132.398～176.4 MPa)[19]。

3 結(jié)論

長白落葉松子代木材氣干密度屬中等級(jí)別；木材體積干縮性、差異干縮均較大，干燥過程中易發(fā)生翹曲和開裂，尺寸穩(wěn)定性較差，加工利用時(shí)注意這個(gè)特性；順紋抗壓強(qiáng)度、端面硬度屬中等級(jí)別；抗彎強(qiáng)度屬低等級(jí)；綜合強(qiáng)度屬中等級(jí)別。通過對(duì)木材物理力學(xué)性質(zhì)的測定，對(duì)于長白落葉松木材科學(xué)合理地利用和加工具有重要的參考價(jià)值。

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Physical and Mechanical Properties ofLarixolgensisProgeny Forest

LI Yanxia1,LIAN Yi2

(1.Heilongjiang Research Institute of Forestry, Harbin 150081, China;2. Baihe Forestry Bureau, Yanbian, Jilin 133613, China)

This paper studied 24-year-oldLarixolgensisprogeny forest to analyze the physical and mechanical properties of wood. The results showed that air-dry density and basic density of wood were 0.57 g/cm3and 0.54 g/cm3, belonging to the medium level. With high shrinkage rate, air-dry difference shrinkage and oven-dry difference shrinkage were 2.01 and 1.97 respectively. Cleavage resistance of radical surface and tangential surface were 13.42 and 10.18 N/mm, and bending resistance was 89.12MPa.The shear strength with parallel grain of tangential surface and radical surface were 11.85 MPa and 12.35 MPa respectively and the compressive strength was 54.27 MP. The hardness of end surface, tangential surface and radical surface were 3973N, 1703N and 1783N.The comprehensive strength ofLarixolgensisprogeny forest was 143.39MPa,belonging to the medium level.

Larix olgensis; progeny forest; physical and mechanical properties of wood; wood density; shrinkage property; cleavage resistance; bending resistance; compressive strength

10.3969/j.issn.1671-3168.2017.04.006

S791.22；S781.29

A

1671-3168(2017)04-0028-03

2017-01-06；

2017-04-14.

“雜種落葉松用材林定向培育技術(shù)研究”(sgzjY2014002);省屬科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)“長白落葉松紙漿材材質(zhì)材性分析及評(píng)價(jià)”.

李艷霞(1980-)，女，黑龍江哈爾濱人，博士，副研究員.主要從事林木遺傳育種研究.