細(xì)柄阿丁楓的物理力學(xué)性質(zhì)研究

云朝光，唐 慶，韋鵬練

(1.南寧樹(shù)木園，南寧 530000；2.廣西大學(xué) 林學(xué)院，南寧 530004)

細(xì)柄阿丁楓(ChineseAltingia)，別名細(xì)葉楓、細(xì)柄蕈樹(shù)，金縷梅科蕈樹(shù)屬AltingiaNor. 植物，它色彩紋理美觀、干形通直、材質(zhì)優(yōu)良，是優(yōu)質(zhì)的綠化、材用、菌用常綠樹(shù)種。其花單性同株，無(wú)花瓣，組成頭狀花序或再呈總狀花序式排列，第3年就開(kāi)花結(jié)實(shí)，早花簇生金黃，葉片厚革質(zhì)，樹(shù)形豐滿婆娑，贛南是該品種分布的主產(chǎn)區(qū)，它是一種優(yōu)良的鄉(xiāng)土速生闊葉樹(shù)種，性喜溫暖濕潤(rùn)，對(duì)土壤要求并不十分嚴(yán)格，只要濕度相宜，即使在巖石裸露、土壤較淺薄的山坡地生長(zhǎng)也很正常，還能扎根于石隙中。幼樹(shù)耐庇蔭，林冠下常有天然幼樹(shù)生長(zhǎng)[1]。目前市面上，阿丁楓木材主要用作家具裝飾，對(duì)于其物理力學(xué)性能的學(xué)術(shù)研究卻較少。本研究對(duì)細(xì)柄阿丁楓的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究與分析，旨在為細(xì)柄阿丁楓的進(jìn)一步研究與推廣提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所用的樣木采伐于廣西南寧市良鳳江國(guó)家森林公園，公園的前身是南寧樹(shù)木園，1992年經(jīng)原林業(yè)部批準(zhǔn)建立良鳳江國(guó)家森林公園。它位于廣西南寧市南郊，坐標(biāo) 108°28′79″ E， 22°72′88″ N，距市區(qū)7 km，公園內(nèi)山環(huán)水繞，林木繁茂，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候。年平均氣溫21.6 ℃，年平均降水量1 300 mm，十分適合細(xì)柄阿丁楓的生長(zhǎng)。將采集到的樣木截取距樹(shù)干基部1.3～3.3 m高的樹(shù)段，記為第0段，之后每隔2 m截取一段，依次記為第1、2、3.....段，試驗(yàn)選取第1、3、5段木材作為試驗(yàn)樣本段，樣木段將按照GB/T1929-2009《木材物理力學(xué)試材鋸解及式樣截取方法》加工成標(biāo)準(zhǔn)試件。

1.2 研究方法

經(jīng)過(guò)干燥處理合格后的標(biāo)準(zhǔn)試件，將根據(jù)《木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法》中的方法依次測(cè)量木材的各個(gè)物理力學(xué)指標(biāo)，指標(biāo)的測(cè)量在萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)和擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上面完成，為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)指標(biāo)的有效測(cè)量樣本均在90個(gè)以上。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材的物理性質(zhì)

2.1.1 木材密度 木材的密度直接與它的各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)存在著密切的聯(lián)系，研究木材的密度對(duì)了解木材的材性及可利用性意義重大[2]。經(jīng)測(cè)試，細(xì)柄阿丁楓的氣干密度、基本密度、絕干密度的平均值分別為0.730、0.710、0.667 g·cm-3，根據(jù)《木材物理力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表》[3]可知，細(xì)柄阿丁楓的的密度屬于中等偏高的范疇(0. 55～0. 75 g·cm-3)。

2.1.2 木材干縮性 木材的干縮性與其含水率有著直接的聯(lián)系，木材的干縮濕漲會(huì)引起木材尺寸的變化，而木材穩(wěn)定性的好壞將直接影響到木制品的使用性能，在家具制造中，常常要在木材連接處預(yù)留縫隙，因此了解木材的干縮性，對(duì)家具制造者具有很大的意義。研究表明細(xì)柄阿丁楓的徑向、弦向和體積干縮率平均值分別為2.61%、2.57%和13.1%，干縮系數(shù)分別為0.101%、0.103%和0.524%；由此可知細(xì)柄阿丁楓體積干縮比較大，試件尺寸穩(wěn)定性差。

2.2 木材的力學(xué)性質(zhì)

2.2.1 硬度 木材的硬度指的是木材抵御其他物體壓入的能力，試驗(yàn)結(jié)果(表1)表明細(xì)柄阿丁楓端面、徑面、弦面三個(gè)面的硬度分別為4 902.63、3 025.02和2 942.16 N；轉(zhuǎn)換為MPa的形式就是61.3、37.8和36.7 MPa，比值接近為1∶0.62∶0.60，此數(shù)據(jù)還參考了張東北[4]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果也存在略微差異。推測(cè)是由于木材產(chǎn)地不同導(dǎo)致的差異，木材的性質(zhì)會(huì)受到木材產(chǎn)地、自身缺陷和生長(zhǎng)情況的影響，所以測(cè)驗(yàn)得到的結(jié)果也不盡相同。

2.2.2 順紋抗壓強(qiáng)度 木材的順紋抗壓強(qiáng)度指的是木材沿著紋理方向上承受壓力的最大能力，木材順紋抗壓強(qiáng)度的測(cè)定簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確并且與其它的物理力學(xué)指標(biāo)存在著非常密切的正關(guān)聯(lián)性，所以木材順紋抗壓強(qiáng)度的測(cè)定被普遍認(rèn)為是各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)中最為重要的一項(xiàng)。細(xì)柄阿丁楓順紋抗壓強(qiáng)度平均值為55.5 MPa。試驗(yàn)表明細(xì)柄阿丁楓順紋抗壓強(qiáng)度在樹(shù)干的下部達(dá)到最大，然后隨著樹(shù)干的上升呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)(表1)。

表1 細(xì)柄阿丁楓的力學(xué)性質(zhì)

2.2.3 抗彎彈性模量 木材的抗彎彈性模量是木材的重要力學(xué)性質(zhì)，它是用以反映木材剛性的指標(biāo)。細(xì)柄阿丁楓的南向抗彎彈性模量的平均值為14 405.2 MPa，由此可以看出，細(xì)柄阿丁楓的剛性較強(qiáng)，反之，也可證明它的韌性較弱(表1)。

2.2.4 抗彎強(qiáng)度 抗彎強(qiáng)度也叫做靜曲強(qiáng)度或彎曲強(qiáng)度，它反映的是木材承受彎曲應(yīng)力的最大能力，這項(xiàng)指標(biāo)是材料被用作承重構(gòu)件時(shí)應(yīng)首先考慮的因素，由表 1可知細(xì)柄阿丁楓的平均抗彎強(qiáng)度為111.81 MPa，我國(guó)樹(shù)種木材的抗彎強(qiáng)度平均值在90 MPa左右[5 ]，由此可見(jiàn)細(xì)柄阿丁楓的抗彎強(qiáng)度水平處于國(guó)內(nèi)所有木材中的中上游。

2.2.5 沖擊韌性 沖擊韌性是用于檢驗(yàn)?zāi)静拇嘈曰蛘唔g性的一項(xiàng)指標(biāo)，指的是木材在受到?jīng)_擊力折斷或者彎曲時(shí)，單位面積上所吸收的能量，吸收的能量越多，則表示木材的韌性越高。細(xì)柄阿丁楓的沖擊韌性數(shù)據(jù)如表1所示，由于這項(xiàng)指標(biāo)所用的試件比較多，得到的結(jié)果數(shù)值波動(dòng)也比較大，本試驗(yàn)測(cè)得細(xì)柄阿丁楓的沖擊韌性大小94.06 kg·m-2與張東北[3]試驗(yàn)所測(cè)得的結(jié)果189.0 kg·m-2相差甚遠(yuǎn)。由此可見(jiàn)測(cè)量這項(xiàng)數(shù)據(jù)使用的木材地區(qū)和試驗(yàn)試件數(shù)量不同，得到的結(jié)果也相差很大。

為了更有利于人們對(duì)細(xì)柄阿丁楓的認(rèn)識(shí)，試驗(yàn)還選取了幾種常被用于制作家具的樹(shù)種來(lái)進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 幾種木材力學(xué)性質(zhì)的對(duì)比

從表2中可以看出細(xì)柄阿丁楓的順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度基本可以持平水曲柳、降香黃檀、樺木等木材，所以如果不考慮木材紋理、色澤等因素的話，細(xì)柄阿丁楓也可以是一種非常優(yōu)良的家具材。細(xì)柄阿丁楓力學(xué)性質(zhì)最突出的地方在于它的抗彎彈性模量非常高，可以適用于一些對(duì)彈性模量要求高的用途，比如制作樂(lè)器等。

3 結(jié)論

細(xì)柄阿丁楓的氣干密度、基本密度、絕干密度的平均值分別為0.730、0.710、0.667 g·cm-3；徑向、弦向和體積干縮率平均值分別為2.61%、和13.1%，干縮系數(shù)分別為0.101、0.103和0.524；端面、徑面、弦面三個(gè)面的硬度平均值分別為61.3、37.8和36.7 MPa；順紋抗壓強(qiáng)度平均值為55.5 MPa；抗彎彈性模量為14 490.6 MPa；抗彎強(qiáng)度為111.81 MPa；沖擊韌性大小94.06 kg·m-2，綜合強(qiáng)度為167.9 MPa，根據(jù)《木材主要物理力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表》[4]，細(xì)柄阿丁楓的物理力學(xué)性質(zhì)除了體積干縮系數(shù)和抗彎彈性模量處于第4級(jí)外、其他的所有指標(biāo)都分別處于第2級(jí)和第3級(jí)，綜合強(qiáng)度屬于第2級(jí)(大于107.9～166.6 MPa)；細(xì)葉阿丁楓的優(yōu)點(diǎn)在于它的比彈性模量很高，即擁有較小的密度和較大的彈性模量，比彈性模量是表征木材共振性的一個(gè)重要指標(biāo)，所以阿丁楓是用來(lái)制作樂(lè)器的優(yōu)良材料，另外它的各項(xiàng)力學(xué)性能也不遜色于水曲柳、降香黃檀、樺木這些常用來(lái)制作家具的木材，所以用來(lái)制作家具也是它的可選用途之一。