不同年齡刺槐枝、干和根的物理力學(xué)性質(zhì)對比*

楊茂林 冀曉東 孫 恒 叢 旭 楊 光 侯 凱 任一凡

(1. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院 北京市水土保持工程技術(shù)研究中心 北京 100083； 2. 河南省電力勘測設(shè)計院海外事業(yè)部 鄭州 450007)

當(dāng)前，我國已成為全球第二大木材消耗國，年消耗木材量多達6億m3，然而我國是一個缺林少綠、生態(tài)脆弱的國家，森林資源總量相對不足，木材需求與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾日益突出(田明華等， 2016)。為了有效緩解木材供應(yīng)緊缺的現(xiàn)狀，滿足經(jīng)濟快速發(fā)展和人民生活水平不斷提高對森林和木制品的大量需求，一方面應(yīng)采取“開源”措施，大力植樹造林，加速森林資源培育，擴大森林資源面積； 另一方面應(yīng)采取“節(jié)流”措施，從全方位角度大力發(fā)展包括森林采伐剩余物等方面的木材節(jié)約利用，提高森林資源利用率(鄧長春等， 2016)。

在采伐造材中，所得原木材積一般僅占立木蓄積量的65%左右，其余包括枝和根等均作為剩余物，利用潛力巨大(李靜等， 2010； 徐有明， 2006； Okaietal.， 2004； Gurauetal.， 2008； Dadzieetal.， 2016)。研究表明，枝密度通常大于干(Fegel， 1941； Kollmannetal.， 1968； Tsoumis， 1968)，力學(xué)強度略低于干，直徑50～100 mm的枝與干的順紋抗壓強度和沖擊韌性相似，但塑性更強(Vanin， 1953)。粗根生物量是森林總生物量的重要組成部分(李寧等， 2013)，但由于根形態(tài)體積以及挖掘成本限制，目前對根物理力學(xué)性質(zhì)的研究主要集中在木材密度和細根抗拉強度性能(Ali， 2010； 蔣坤云等， 2013)，而粗根抗壓和抗彎強度等力學(xué)性質(zhì)研究較少。大多數(shù)硬木根的密度和力學(xué)強度小于枝和干(Fegel， 1941)，但部分非洲硬木根的密度和力學(xué)強度要大于枝和干(Amoahetal.， 2013)。木材物理力學(xué)性質(zhì)決定其經(jīng)濟價值(李明寶， 2007)，研究根和枝的材性特征，對其全樹利用具有指導(dǎo)意義。

刺槐(Robiniapseudoacacia)1900年前后引入我國，目前我國刺槐面積約1 000萬hm2(趙蓬暉等， 2017)。刺槐木材呈黃色，堅硬強韌，耐腐朽，可作為煤礦礦柱、枕木、車輛、農(nóng)具、建筑等用材(李永明， 2017)。刺槐干通直向上，枝生物量約為干的25%，粗根生物量約為干的5%(韓玉潔， 2003)。本研究以刺槐為研究對象，對不同年齡刺槐枝、干和根的密度、順紋抗壓強度、抗彎強度和抗彎彈性模量進行研究，并分析其差異，以期為提升刺槐枝、干和根的附加價值及其資源綜合利用率提供理論支持和試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試材采集

試材采集于山東省東營市河口區(qū)孤島鎮(zhèn)軍馬五分場人工刺槐沿海防護林，采集地地理坐標(biāo)為118°41′E，37°47′ N，海拔8 m，屬半干旱暖溫帶東亞季風(fēng)區(qū)大陸性氣候。年平均氣溫12.3 ℃，最高氣溫12.9 ℃，最低氣溫10.9 ℃，年降水量347.0～813.2 mm，年光照2 600～2 800 h。土壤為濱海巖土，沙地棕壤，土層深厚。

依據(jù)《木材物理力學(xué)試材采集方法》(GB/T 1927—2009)，分散選取長勢良好、干通直的4株刺槐作為樣木，年齡分別為10、15、20和25年(利用生長錐測定)。在離地650～1 300 mm之間截取高度650 mm的圓盤作為干試材，從每株樣木中選取長度約650 mm的二級分枝4枝作為枝試材，選取根徑最粗、長度約650 mm的根4根作為根試材。刺槐采集木情況見表1，枝、干和根的取樣關(guān)系見圖1。

表1 刺槐采集木情況Tab.1 Basic parameters of R. pseudoacacia

圖1 刺槐枝、干和根取樣關(guān)系Fig.1 Sampling relationship diagram of branches, stems and roots of R. pseudoacacia

1.2 試樣制作

按照《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》(GB/T 1929—2009)對刺槐枝、干和根試材進行初步加工，加工后的試樣毛坯置于陰涼通風(fēng)處堆垛氣干。依據(jù)《木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法》(GB/T 1933、1935和1936—2009)加工成試驗所用密度、順紋抗壓強度、抗彎強度和抗彎彈性模量試樣。試樣數(shù)量見表2。

1.3 力學(xué)強度試驗方法

測定前將試樣置于恒溫恒濕箱(LHS-150SC)內(nèi)平衡1周，溫度設(shè)為(20±2)℃，相對濕度設(shè)為65%±3%，確保試驗時試樣含水率在9%～15%之間。采用微機控制電子式萬能試驗機(WDW-100E)進行力學(xué)強度試驗，儀器試驗力范圍為0.4～100 kN，加載采用位移控制，加載速度為2 mm·min-1。試驗結(jié)束后測定試樣含水率，按照《木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法》(GB/T 1933、1935和1936—2009)將所測強度換算成含水率12%時的數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)取各項平均值，并進行方差分析。

表2 刺槐枝、干和根物理力學(xué)強度試樣數(shù)量Tab.2 Number of physical and mechanical strength samples of branches, stems and roots of R. pseudoacacia

1.4 解剖構(gòu)造

從枝、干和根試樣中切取3 mm×3 mm×3 mm立方體試塊，置于具有回流冷凝器的燒瓶中煮沸約24 h，確保立方體試塊飽和柔軟。采用超薄切片機(Bright 8000)將試塊橫向、弦向和徑向截面切平。切平后的試塊100 ℃烘干，表面噴金后置于場發(fā)射電子顯微鏡(Hitachi S-3400NⅡ)下觀察，拍攝試塊橫向、徑向和弦向截面微觀SEM。

1.5 化學(xué)成分含量測定

枝、干和根力學(xué)強度測定試驗結(jié)束后，將試件粉碎用于化學(xué)成分分析。采用意大利VELP公司產(chǎn)粗纖維含量測定儀FIWE6，按照我國木材化學(xué)成分分析標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2677.7～10—95進行。試驗數(shù)據(jù)取各項平均值，并進行方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 刺槐枝、干和根密度

按照國內(nèi)針闊葉材力學(xué)性能分級標(biāo)準(zhǔn)(中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所， 1982)，氣干密度在0.551～0.750 g·cm-3之間為中等。由圖2可知，10～25年生刺槐枝氣干密度為0.752 0～0.785 9 g·cm-3，略高于中等； 干和根氣干密度為0.626 5～0.751 7 g·cm-3，屬于中等。

刺槐同一部位的密度按照分類從大到小依次為氣干密度>全干密度>基本密度。對氣干密度、全干密度和基本密度兩兩進行一元線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，相關(guān)系數(shù)(R2)均接近1，說明氣干密度、全干密度和基本密度三者之間密切正相關(guān)。

同一株刺槐中，枝密度>干密度>根密度。以20年生刺槐為例，枝、干和根氣干密度分別為0.777 6、0.741 5和0.642 2 g·cm-3，全干密度分別為0.718 6、0.682 5和0.601 5 g·cm-3，基本密度分別為0.642 8、0.615 2和0.529 8 g·cm-3，枝氣干密度比干高4.87%，干氣干密度比根高15.46%。刺槐屬于闊葉材，一般認(rèn)為，闊葉材導(dǎo)管比率和密度之間關(guān)系密切，木材導(dǎo)管比率越大，其密度越小(Santosetal.， 2013)。仍以20年生刺槐為例，由圖3可知，根管孔數(shù)量多且密集，干管孔數(shù)量與枝相差不多。利用Image-pro Plus軟件進行圖像分析發(fā)現(xiàn)，相同面積橫向截面上，根管孔面積占比68%，干管孔面積占比45%，枝管孔面積占比42%，這在一定程度上解釋了枝、干和根密度差異的原因。

圖2 刺槐枝、干和根密度測定結(jié)果Fig.2 Experimental results for density of branches, stems and roots of R. pseudoacacia

圖3 20年生刺槐枝(a)、干(b)和根(c)橫向截面SEMFig.3 Cross sectional SEM of branchs(a)，stems(b)and roots(c)of 20 years old R. pseudoacacia

隨年齡增大，刺槐枝、干和根密度呈增大趨勢，但增大幅度減小。以枝氣干密度為例，10、15、20和25年生分別為0.752 0、0.766 2、0.777 2和0.785 9 g·cm-3，增大幅度分別為1.89%、1.44%和1.12%。生長輪寬度和木材氣干密度是反映二者之間內(nèi)在聯(lián)系的較好指標(biāo)，刺槐屬于闊葉環(huán)孔材，生長輪越窄，密度越大。隨年齡增加，樹木開始緩慢生長，當(dāng)生長速度趨于穩(wěn)定并下降時，生長輪會越來越窄，密度會逐漸增大。

2.2 刺槐枝、干和根力學(xué)性能

順紋抗壓強度是設(shè)計和選擇各種支柱、樁木、坑木等受壓木材構(gòu)件的重要依據(jù)，是評估木材質(zhì)量的重要指標(biāo)。按照國內(nèi)針闊葉材力學(xué)性能分級標(biāo)準(zhǔn)(中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所， 1982)，順紋抗壓強度在29.1～44.2 MPa之間為小，在44.2～58.8 MPa之間為中等。由圖4可知，10～25年生刺槐枝順紋抗壓強度為46.28～54.62 MPa，干順紋抗壓強度為49.20～58.32 MPa，均為中等； 根順紋抗壓強度為40.58～42.34 MPa，為小。

同一株刺槐中，枝、干和根順紋抗壓強度從大到小依次為干>枝>根。方差分析表明，枝和干順紋抗壓強度差異顯著(F=14.32，P<0.05)，枝和根順紋抗壓強度差異極顯著(F=25.69，P<0.01)。以20年生刺槐為例，枝、干和根順紋抗壓強度分別為52.31、55.76和41.83 MPa，枝順紋抗壓強度比干小6.60%，根順紋抗壓強度大幅小于枝和干，幅度分別為25.05%和33.30%。

闊葉材氣干密度與順紋抗壓強度呈線性正相關(guān)(林大新， 1988)，但刺槐枝氣干密度大于干，順紋抗壓強度卻小于干，與Vanin(1953)的研究一致。這是因為木射線數(shù)量增多會降低木材順紋抗壓強度(Hakkila， 1989)，對比20年生刺槐枝和干徑切面(圖5)，枝單位面積木射線數(shù)量相較于干更多，可能使得枝順紋抗壓強度小于干。

圖4 刺槐枝、干和根力學(xué)性能測定結(jié)果Fig.4 Experimental results for mechanical property of branches, stems and roots of R. pseudoacacia

圖5 20年生刺槐枝(a)和干(b)徑向截面SEMFig.5 Radial sectional SEM of branches(a)and stems(b)of 20-years-old R. pseudoacacia

按照國內(nèi)針闊葉材力學(xué)性能分級標(biāo)準(zhǔn)(中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所， 1982)，抗彎強度在54.1～88.3 MPa之間為小，在88.3～117.6 MPa之間為中等，在117.6～142.0 MPa時為大； 抗彎彈性模量小于7.5 GPa時為很小，在7.5～10.4 GPa之間為小，在10.4～13.3 GPa之間為中等。由圖4可知，刺槐枝抗彎強度為89.42～123.86 MPa，其中10～20年生枝屬中等抗彎強度，25年生枝屬大抗彎強度； 干抗彎強度為96.58～136.25 MPa，其中10～15年生干屬中等抗彎強度， 20～25年生干屬大抗彎強度； 根抗彎強度為76.96～86.49 MPa，屬小抗彎強度。10～25年生刺槐枝和干抗彎彈性模量分別為10.45～12.84 GPa和10.92～13.11 GPa，均為中等抗彎彈性模量； 10年生根抗彎彈性模量為7.00 GPa，屬很小抗彎彈性模量，15～25年生根彈性模量為7.93～8.82 GPa，屬小抗彎彈性模量。

根據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50005—2003)中承重結(jié)構(gòu)用材強度檢驗標(biāo)準(zhǔn)，檢驗結(jié)果的最低強度(抗彎強度)TB13為68 MPa、TB15為81 MPa、TB17為92 MPa。本研究10～25年生刺槐枝最低抗彎強度為89.42 MPa，滿足TB15強度要求； 干最低抗彎強度為96.58 MPa，滿足TB17強度要求； 根最低抗彎強度為76.96 MPa，滿足TB13強度要求。10年生以上刺槐，干可作為承重木結(jié)構(gòu)原木用材； 枝在滿足用材尺寸要求的前提下可作為一般結(jié)構(gòu)用材； 根可作為小尺寸的裝飾結(jié)構(gòu)性用材。

同一株刺槐中，枝、干和根抗彎強度和抗彎彈性模量從大到小依次均為干>枝>根。方差分析表明，枝和干抗彎強度差異顯著(F=11.54，P<0.05)，枝和根抗彎強度差異極顯著(F=29.81，P<0.01)； 枝和干抗彎彈性模量差異不顯著(F=3.12，P>0.05)，枝和根抗彎彈性模量差異極顯著(F=34.55，P<0.01)。以20年生刺槐為例，枝、干和根抗彎強度分別為116.38、126.86和83.21 MPa，抗彎彈性模量分別為12.49、12.64和8.46 GPa，干抗彎強度高于枝9.00%，枝抗彎強度高于根39.86%， 干抗彎彈性模量高于枝1.20%，枝抗彎彈性模量高于根47.64%。

影響木材抗彎強度和抗彎彈性模量的主要因子是木材細胞的解剖構(gòu)造(Adamopoulosetal.， 2007)。刺槐木纖維約占細胞總量的50%(孫述濤等， 1994)，以20年生刺槐為例，枝纖維雙壁厚約(4.6±0.6)μm，干纖維雙壁厚約(5.7±0.7)μm，根纖維雙壁厚約(3.8±0.4)μm； 枝纖維直徑約(13.3±1.2)μm，干纖維直徑約(16.1±1.4)μm，根纖維直徑約(23.5±2.1)μm(圖6)。相比枝和干，根纖維壁薄且纖維直徑大，抵抗彎曲變形的能力弱于枝和干，因此抗彎強度和抗彎彈性模量小于枝和干； 枝纖維直徑小于干，但抗彎強度和抗彎彈性模量略小于干，這可能是因為干細胞壁厚于枝，且單位面積木射線數(shù)量少于枝，能更好地抵抗彎曲變形。

圖6 20年生刺槐枝(a)、干(b)和根(c)橫向截面SEMFig.6 Cross sectional SEM of branches(a)，stems(b)and roots(c)20-years-old R. pseudoacacia

圖7 刺槐枝、干和根化學(xué)成分測定結(jié)果Fig.7 Experimental results for chemical composition of branches, stems and roots of R. pseudoacacia

隨年齡增加，刺槐枝、干和根力學(xué)強度呈增大趨勢，但增大幅度減小。以枝為例，10、15、20和25年生順紋抗壓強度分別為46.28、50.27、52.81和54.62 MPa，每隔5年增大幅度分別為8.62%、5.05%和3.43%； 抗彎強度分別為89.42、105.20、116.38和123.86 MPa，每隔5年增大幅度分別為17.65%、10.63%和6.43%； 抗彎彈性模量分別為10.45、11.61、12.49和12.84 GPa，每隔5年增大幅度分別為11.10%、7.58%和2.80%。

2.3 刺槐枝、干和根的主要化學(xué)成分

刺槐枝、干和根的主要化學(xué)成分包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。纖維素是細胞壁強度的主要來源，木質(zhì)素填充于纖維素構(gòu)架中以增強細胞壁的機械強度，半纖維素以無定形狀態(tài)滲透在骨架物質(zhì)中起基體黏結(jié)作用，以增強眾多纖維整體的強度(張雙燕， 2011)。

由圖7可知，同一株刺槐中，根纖維素含量大于枝和干，可用于制作中密度纖維板，枝纖維素含量略高于干，隨年齡增大，枝、干和根纖維素含量均呈增大趨勢。對枝順紋抗壓強度、抗彎強度和抗彎彈性模量分別與枝纖維素含量進行回歸分析，R2分別為0.785、0.683、0.712，呈正相關(guān)； 同理，對干和根力學(xué)強度與纖維素含量進行回歸分析，也均呈正相關(guān)。

同一株刺槐中，干木質(zhì)素含量高于枝，枝木質(zhì)素含量高于根，隨年齡增大，枝、干和根木質(zhì)素含量均呈增大趨勢。對枝、干和根力學(xué)強度與木質(zhì)素含量分別進行回歸分析，均呈負(fù)相關(guān)。枝半纖維素含量高于干，干半纖維素含量高于干，隨年齡增大，枝、干和根半纖維素含量保持穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1) 刺槐纖維素含量與力學(xué)強度呈正相關(guān)，木質(zhì)素含量與力學(xué)強度呈負(fù)相關(guān)。根纖維素含量大于枝和干，可用于中密度纖維板制作。

2) 10年生以上刺槐，干可作為承重木結(jié)構(gòu)原木用材； 枝力學(xué)強度略低于干，在滿足用材尺寸要求的前提下可作為一般結(jié)構(gòu)用材； 根可作為小尺寸的裝飾結(jié)構(gòu)性用材。