15年生香樟人工林木材物理力學(xué)性質(zhì)研究

王軍鋒，譚桂菲，宋戀環(huán)，李開祥，吳際友，安家成

（1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 廣西木材資源培育質(zhì)量控制工程技術(shù)研究中心廣西木本香料工程技術(shù)研究中心，廣西南寧 530002；2.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南長沙 410004）

香樟（Cinnamomum camphora）是樟科（Laurace?ae）樟屬中栽培較多的樹種之一，屬常綠大喬木，在我國主要分布于長江流域以南，以江西、浙江、臺灣、廣東和福建等地最多，是我國亞熱帶地區(qū)常綠闊葉林的重要樹種[1]。香樟生長快，木材材質(zhì)細(xì)膩、結(jié)構(gòu)均勻細(xì)致、色澤明亮、紋理交錯、較少變形開裂、有香味、防蛀耐腐，廣泛用于家具、裝飾和雕刻等[2]。對香樟的開發(fā)，主要以油用型香樟為主，提取其枝葉中的精油[3]。近年來，隨著香樟選育和經(jīng)營模式的深入研究，逐步推廣油材兩用型香樟，枝葉提取精油、主干木材用作家具材等。香樟兼具經(jīng)濟(jì)林樹種和用材林樹種的特點，是單位產(chǎn)值較大的珍貴造林樹種，具有較好的市場前景。

隨著木質(zhì)家具對珍貴木材的用量逐年增加、國際市場對珍貴木材出口的限制及我國天保工程的實施，木材資源結(jié)構(gòu)需求正在發(fā)生變化[4]，香樟人工林發(fā)展迎來了機(jī)遇。目前，香樟人工林研究主要集中在選育、繁育、營林和枝葉加工利用等方面[5]，對材用型香樟人工林的材性及加工利用研究較少。本文以香樟人工林木材為研究對象，對其物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，提供基本材性數(shù)據(jù)，為香樟人工林木材加工與利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與試驗材料

試材采自湖南省株洲市攸縣黃豐橋國有林場（113°04′～113°43′E，27°06′～27°04′N），海 拔1 150～1 270 m，坡度25°～35°，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫17.8℃，最低氣溫-11.9℃，最高氣溫40℃，年均無霜期292 d，年均日照時長1 612 h，年均降水量1 410.8 mm。母巖類型為板頁巖，土壤類型為黃壤，造林時間為2003年，造林密度為2 m×2 m。試材采集參照GB/T 1927-2009[6]，選擇和采伐生長良好、均勻的試材5株，平均胸徑20.8 cm，平均樹高14.2 m，為15年生香樟（表1）。

表1 試材基本情況Tab.1 Basic situation of sample trees

1.2 試驗設(shè)備及方法

1.2.1 試驗設(shè)備

萬能力學(xué)試驗機(jī)（型號UTM5504，三思縱橫科技股份有限公司）；人造板擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)（型號JB-M100，時代集團(tuán)濟(jì)南時代試金儀器有限公司）；恒溫恒濕試驗箱（型號WSS-1000F，天津泰斯特儀器有限公司）。

1.2.2 試驗方法

試材砍伐后運(yùn)回實驗室，立即對其進(jìn)行鋸解，堆垛氣干。參照GB/T 1928-2009[7]的規(guī)定制作試樣，調(diào)整木材含水率為12%左右，然后進(jìn)行性能測試。每個指標(biāo)的有效樣本數(shù)不少于50。木材密度參照GB/T 1933-2009[8]進(jìn)行測定，沖擊韌性、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度和硬度的試驗方法分別參照 GB/T 1940-2009[9]、GB/T 1936.1-2009[10]、GB/T 1936.2-2009[11]、GB/T 1935-2009[12]和 GB/T 1941-2009[13]進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 香樟人工林木材物理性質(zhì)

2.1.1 密度

木材密度分為基本密度、生材密度、氣干密度和絕干密度，其中基本密度和氣干密度最為常用?；久芏冗m用于材性比較，在木材干燥和防腐處理等工藝中有實用意義；我國規(guī)定含水率12%為木材氣干密度，可作為材性比較和生產(chǎn)應(yīng)用的依據(jù)。

香樟人工林木材氣干密度、基本密度和絕干密度分別為0.51、0.41和0.48 g/cm3，根據(jù)木材物理力學(xué)性質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)[14]，氣干密度屬于II級（表2）。

表2 香樟人工林木材密度Tab.2 Wood density of C.camphora plantation

2.1.2 干縮性

木材作為家具用材，其干縮性是加工利用的重要性質(zhì)指標(biāo)之一，不僅影響木材的尺寸和體積，還會因干縮不均及干縮各向異性造成木材干裂和翹曲變形等缺陷[15]。在實際使用中可用干縮系數(shù)表示木材的干縮性，通過干縮系數(shù)可計算濕材干燥至纖維飽和點以下任一含水率的木材干縮值，進(jìn)而確定干燥前木材加工干縮余量[16]。根據(jù)木材物理力學(xué)性質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)[14]，香樟人工林木材的徑向和弦向氣干干縮率（4.10%和6.80%）均為V級，徑向和弦向全干干縮率（6.00%和9.40%）均為IV級；體積干縮系數(shù)為0.48，根據(jù)木材材性分級規(guī)定[17]，屬于中等（表3）。

差異干縮是指木材弦向干縮和徑向干縮的比值，差異干縮越小，木材尺寸穩(wěn)定性越好。差異干縮分3級，＜1.5為小，1.5～2為中，≥2為大[18]，香樟人工林木材的差異干縮（1.77）屬于中等。總體來說，香樟人工林木材尺寸穩(wěn)定性相對較差，應(yīng)選擇合適的干燥基準(zhǔn)，加工時應(yīng)充分考慮木材干縮對其制品的影響。

表3 香樟人工林木材干縮性Tab.3 Wood shrinkage of C.camphora plantation

2.2 木材力學(xué)性質(zhì)

2.2.1 硬度

木材硬度是指木材抵抗剛體壓入的能力，與密度呈正相關(guān)。香樟人工林木材的端面硬度平均值為2 909 N，弦面硬度平均值為2 353 N，徑面硬度平均值為2403N，根據(jù)木材物理力學(xué)性質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)[14]，屬于II級，硬度偏小（表4）。在木材加工利用過程中，可適當(dāng)考慮表面密實化，提高木材表面密度以增大表面硬度，擴(kuò)大其加工利用范圍。

2.2.2 順紋抗壓強(qiáng)度

木材順紋抗壓強(qiáng)度是指在短時間內(nèi)沿木材順紋方向緩緩施加壓縮載荷，木材能承受的最大能力，其變化較小且易測定，在研究與木材強(qiáng)度有密切關(guān)系的因子時，如含水率和密度等與強(qiáng)度的關(guān)系，均采用此項試驗。香樟人工林木材的順紋抗壓強(qiáng)度為33.40 MPa，根據(jù)木材物理力學(xué)性質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)[14]，屬于II級（表4）。

2.2.3 抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量

木材抗彎強(qiáng)度表征的是木材承受橫向荷載的能力。木材抗彎彈性模量代表木材的剛度或彈性，是木材產(chǎn)生一致正應(yīng)變需要的正應(yīng)力，也是比例極限內(nèi)抵抗彎曲變形的能力；木材彈性模量越大，越剛硬，反之則彈性較大，柔性越好。木材的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量對建筑或室內(nèi)家具彎曲構(gòu)建及木梁的設(shè)計有重要的參考價值。香樟人工林木材的抗彎強(qiáng)度為79.00 MPa，根據(jù)木材物理力學(xué)性質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)[14]，屬于II級；抗彎彈性模量為1.25 GPa，屬于III級，木材彈性相對較好，可作為彎曲家具構(gòu)件（表4）。

2.2.4 沖擊韌性

木材沖擊韌性是指木材在短時間內(nèi)受沖擊荷載作用而產(chǎn)生破壞時，試樣單位面積所吸收的能量，吸收的能量越大，木材韌性越高，脆性越低。在生產(chǎn)上常以此作為球棒及運(yùn)動器材等用材的檢驗指標(biāo)。香樟人工林木材的沖擊韌性為53.00 kJ/m2，根據(jù)木材物理力學(xué)性質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)[14]，屬于中等（表4）。

表4 香樟人工林木材力學(xué)性質(zhì)Tab.4 Wood mechanical properties of C.camphora plantation

2.3 香樟人工林木材綜合強(qiáng)度及品質(zhì)系數(shù)評價

木材作為承重構(gòu)件，其綜合強(qiáng)度是最重要的強(qiáng)度指標(biāo)[19]，木材綜合強(qiáng)度為抗彎強(qiáng)度及順紋抗壓強(qiáng)度之和。香樟人工林木材的綜合強(qiáng)度為112.4 MPa，根據(jù)木材材性分級規(guī)定[17]，綜合強(qiáng)度低，可作為非承重構(gòu)件原料。

木材的品質(zhì)系數(shù)是指木材的力學(xué)強(qiáng)度和基本密度之比[20]。根據(jù)抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度2項品質(zhì)系數(shù)之和，將木材品質(zhì)系數(shù)分為3類，＜196.1 MPa為低，196.1～215.6 MPa為中等，＞215.6 MPa為高[21]。香樟人工林木材品質(zhì)系數(shù)為274 MPa，屬于品質(zhì)系數(shù)高的木材。

3 討論

從樹齡來看，15年生香樟人工林與26年生香樟人工林[22]的木材物理力學(xué)性能差異不顯著，可見15年生香樟人工林木材材性已相對穩(wěn)定，大部分力學(xué)性能屬中低等，可用作對力學(xué)性能要求不高的家具材。香樟人工林木材密度低于天然林木材[23]，干縮性比天然林大，應(yīng)選擇合適的干燥基準(zhǔn)，以減少木材在干燥和使用過程中出現(xiàn)變形和開裂等問題。