15年生巨尾桉人工林木材物理力學性質的研究

施福軍，唐 慶，韋鵬練

(1.廣西壯族自治區(qū)南寧樹木園,南寧 530200；2.廣西大學 林學院，南寧 530004)

巨尾桉(Eucalyptusgrandis×E.urophylla)是由巨桉和尾葉桉雜交選育而來的速生樹種，常綠喬木，具有生長快、紙漿得率高、對低海拔干旱土壤適應性和抗?jié)儾∧芰姷奶攸c。我國栽培的巨尾桉由澳大利亞引入，該樹種用途單一，主要用來制造人造板，沒有實木利用。目前市場以采伐的5～7 a生速生桉木為主，為了培育桉木大徑材，減少桉樹采伐周期過短對土壤和環(huán)境的影響,響應國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略號召，大力發(fā)掘和培養(yǎng)較長生長年限的桉木材，我們進行了15 a生巨尾桉材性研究，以明確其木材物理力學性質，并與傳統按木材相比較，判斷其是否適于作為實木材利用。

1 材料與方法

1.1 材料

試材采自廣西壯族自治區(qū)南寧市樹木園連山管區(qū)11林班，采集日期：2016年9月28日。根據林木的生長情況，分散選取5株生長正常要、樹干通直、沒有明顯缺陷、具有代表性的植株作為樣木，樹齡15年石材基本情況如表1。桉樹試樣的采集按GB/T 1927-2009《木材物理力學試材采集方法》[1]進行。樣木倒伐之后，在0、1.3、3.3、5.3、7.3、9.3、11.3 m(至樹干直徑小于6 cm止)處各鋸取2個厚約5 cm的圓盤，用以測定巨尾桉人工林木材的生長輪寬度、生材密度、生材含水率、樹皮率等各項解剖指標。在1.3～3.3、5.3～7.3、9.3～11. 3 m處各鋸取2 m長的木段作為標準木段用以測定巨尾桉人工林木材的物理力學性質。

表1 試材基本情況

1.2 試件制作以及測試方法

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》[13]制取試樣。各項物理力學指標依據國家標準GB/T1932～1942-2009《木材物理力學試驗方法》[3]測定。物理性質測定指標包括生長輪寬度、基本密度、氣干密度、全干密度、濕脹率、干縮性和吸水性;力學性能測試指標主要有抗彎強度、木材硬度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強度和沖擊韌性，其中沖擊韌性利用擺錘式沖擊試驗機測量，其余指標用SANS萬能試驗機測量。

圖1 15 a生巨尾桉和其他5 a生桉樹密度比較

2 結果與分析

2.1 木材物理性質

2.1.1 木材密度 木材密度是一項重要的物理指標，通過密度值可以初步判斷木材材性好壞，同等含水率的不同種木材，密度越大，則其質量越重，強度也越大，從表2可以看出30組巨尾桉的基本密度、氣干密度、全干密度平均值分別為0.670、0.720、0.690 g·cm-3，變異系數分別為7.74%、6.77%和7.31%，變異性較小。根據《木材的主要物理力學性質分級表》[4]標準判定，巨尾桉屬于第3級，木材密度較小，這與巨尾桉生長速度較快有關，所以其加工時產生的阻力較小，易于加工，將15 a生巨尾桉人工林木材平均密度與其它短周期輪伐的桉樹進行比較，其結果如圖1所示。從圖中可以看出，15 a生巨尾桉所有密度指標，都比其它生長年限更短的桉樹高，說明延長種植年限，可以增大桉樹木材密度。

表2 15 a生巨尾桉密度

2.1.2 吸水性 木材的吸水性是商品用木材材性判定的重要指標之一[4]。15 a生巨尾桉人工林木材吸水率隨時間的變化如圖2所示。從圖中可以看出，巨尾桉前2天的吸水率變化很大，質量變化明顯，含水率升高迅速，這是由于前2天木材細胞含水率相對較低，木材橫向和軸向的吸水速度都比較快，吸水率呈線性增長。吸水速度在第3天的時候開始變緩，第3天到第8天木材吸水率變化非常緩慢， 此時細胞腔和細胞間隙中的水分已經逐漸飽和。第10天到第12天吸水率差值小于5%，可認為其吸水率在第12天的時候達到最大值，為151.4%。這反映了巨尾桉具有良好的浸注性。

圖2 15年生巨尾桉的吸水率

2.1.3 干縮性 干縮濕脹是木材的固有性質，也是它的一大缺陷，會引起木材尺寸的變化，當木材各個方向的干縮濕脹不均衡時，就會開裂和變形，影響木材的利用。干縮率反映的是木材干縮的大小程度，15 a生巨尾桉人工林木材平均干縮性測定結果如表3所示，由表3知，15 a生巨尾桉弦向平均干縮率為8.9%，徑向平均干縮率為5.5%，體積干縮率平均值為14.6%，根據《木材的主要物理力學性質分級表》標準判定，15 a生巨尾桉人工林木材體積干縮屬于一級材干縮范圍。從3個干縮率指標來看徑向干縮率最小，所以徑切材的材性最穩(wěn)定，實驗或者生產優(yōu)良產品時應優(yōu)先使用徑切材。

表3 15年生巨尾桉干縮性的測定

圖3 15 a生巨尾桉全干時的干縮率與其他樹種的比較情況

15 a生巨尾桉人工林木材全干干縮率與其它短周期輪伐的桉樹比較結果如圖3所示。從圖中可以看出，巨尾桉的各項全干干縮率與其它短周期輪伐的桉樹差異不顯著,15 a生巨尾桉和巨桉徑向干縮率最小，只有5.4%，比5 a生藍桉小2.2%，比5年生大葉桉的徑向干縮率小0.5%。四種桉樹的弦向干縮率最大的是5 a生藍桉，最大值是10.0%，弦向干縮率最小的是5年生巨桉，最小值是8.4%，極差為1.6%，5 a生大葉桉的弦向干縮率是8.9%，四種桉樹的弦向干縮率差異不顯著。這幾個樹種的徑向和體積干縮率也相差不大，由此可以看出桉樹的干縮性與生長時間相關性不大。

15 a生巨尾桉木材力學性質測定結果如表4所示，從表中可以看出，15 a生巨尾桉的端面硬度、弦面硬度、徑面硬度分別為5 408.7 N(68.9 MPa)、4 657.3 N(51.3 MPa)和3 161.0 N(55.1 MPa)，三個方向硬度的比值為1∶0.745∶0.8，根據《木材的主要物理力學性質分級表》[4]，15 a生巨尾桉的弦面和徑面硬度達到了3級標準，端面硬度達到了4級標準。15 a生巨尾桉的抗彎強度、抗彎彈性模量、沖擊韌性和順紋抗壓強度分別為83.9 MPa、12 790 MPa、65 KJ·m-2、44.2 MPa，對應的強度等級分別為2級、3級、2級、1級)。

木材的順紋抗壓強度是判斷木材是否可以作為建筑和結構材料的主要力學性質之一[9]，是指在平行木材纖維方向對試件加壓面全部施加載荷時的強度[10]。木材作為稱重構件使用時一般需要考慮它抗彎強度和順紋抗壓強度，通常用它們之和表示木材的綜合強度， 并以此判斷木材承重

表4 15 a生巨尾桉力學特性

性能。計算得知15 a生巨尾桉的綜合強度為128.1 MPa，屬于高強度樹種(107.9～166.6 MPa)[8]。衡量木材性質的優(yōu)劣不僅需要根據各項極限強度值，在一些特殊場合還要求木材具備較高的力學強度和較輕的自身重量，也就是要求其具備較高的強重比，即品質系數。順壓品質系數和靜曲品質系數是最重要的兩項品質系數，二者之和稱作綜合品質系數。根據此系數的大小可以把木材分為3個等級[8]，第1類為低等級材，綜合品質系數<1 960×105Pa;第2類為中等級材，綜合品質系數1 961×105～2 156×105Pa;第3類為高等級材，綜合品質系數>2 156×105Pa。計算得知15 a生巨尾桉的綜合品質系數為191.2 GPa,屬于低等級材。

2.3 比較分析

15 a生巨尾桉和幾種常用桉樹的力學性質對比結果如表5所示,可看出，除了抗彎強度之外，其他三項力學指標都是5種樹種里面最高的，由此可以看出桉樹的生長年限越長，其大部分力學性能就越高。

表5 幾種桉樹木材力學性質

3 結論與討論

15 a生巨尾桉屬于密度小、干縮性小的一類木材，其基本密度、氣干密度、全干密度分別為0.67、0.72、0.69 g·cm-3，這跟它較快的生長速度有關；弦向、徑向和體積干縮率分別為8.9%、5.5%、14.6%。除了順紋抗壓強度之外，15 a生巨尾桉的各項主要力學指標只達到中等甚至低下水平，綜合品質系數低，綜合強度只有191.2 GPa。

15 a生巨尾桉力學性能普遍高于生長周期較短的桉木，較長的生長年限對桉木的材性具有提高作用，從主要物理力學性質來看，15 a生巨尾桉是一種速生優(yōu)質樹種，適合種植人工林，可以替代部分生長緩慢、個體數量越來越少的樹種。