不同樹齡尾巨桉無性系木材物理與力學(xué)性能評價

黃騰華 王軍鋒 欒潔 宋戀環(huán) 雷福娟

(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 廣西南寧530002)

尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E.grandis）是尾葉桉和巨桉雜交的無性系，在我國南方大量種植，具有生長快、樹干通直勻稱、抗性強(qiáng)等優(yōu)點，但其木材在加工和使用中易開裂變形，影響其作為實木家具、地板等方面的使用，目前主要作為造紙、刨花板、纖維板和膠合板等的原材料，具有較高的經(jīng)濟(jì)價值［1-4］，為廣西人造板加工行業(yè)作出了巨大貢獻(xiàn)。研究其不同樹齡木材的主要物理力學(xué)特性及變異規(guī)律，了解其材性特點，可為科學(xué)開展尾巨桉定向培育、材性改良、實木加工利用等提供重要參考［5］。本文以5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材為對象，對其主要物理性質(zhì)（基本密度、氣干密度、全干密度、氣干干縮率及干縮系數(shù)、全干干縮率及干縮系數(shù)、差異干縮）和力學(xué)性質(zhì)（順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、硬度、沖擊韌性）等指標(biāo)進(jìn)行檢測、分析及評價，研究不同樹齡尾巨桉木材主要物理力學(xué)性質(zhì)的變異規(guī)律，為尾巨桉定向培育及其木材高質(zhì)量加工利用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

試材采集于廣西國營維都林場龍鳳山分場［1］，參照GB/T1927—2009［6］《木材物理力學(xué)性質(zhì)試材采集方法》，分別采集5年生和7年生2種不同樹齡人工林尾巨桉無性系試材，每個樹齡采集5株，試材的基本情況見表1。

表1 試材的基本情況

1.2 方法

每株試材分別取1.3～3.3、5.3～7.3、9.3～11.3 m三個不同高度木段作為物理力學(xué)性能測定試材，將原木段鋸成厚度為60 mm 的中心板和厚度為22 mm 毛邊鋸材，同時對中心板和毛邊鋸材兩端頭進(jìn)行涂蠟處理和鐵線捆綁處理以防止試樣氣干過程中端裂，并將試樣交叉堆垛在室內(nèi)陰涼通風(fēng)處進(jìn)行氣干，根據(jù)國標(biāo)GB/T1929—2009［7］制備標(biāo)準(zhǔn)測定試樣并置于溫度（20±2）℃、相對濕度（65±3）%的恒溫恒濕箱內(nèi)進(jìn)行含水率的調(diào)整。采用JBM100擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)、UTM5504電子萬能力學(xué)試驗機(jī)、恒溫干燥箱、千分尺、電子天平等儀器設(shè)備，按照國標(biāo)GB/T1930～1943—2009［8］對尾巨桉木材物理力學(xué)性質(zhì)的各項指標(biāo)進(jìn)行測定。試驗結(jié)果均換算成含水率為12%時的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析各項指標(biāo)值及規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材物理性質(zhì)

5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的主要物理性質(zhì)結(jié)果見表2，木材基本密度、全干密度和氣干密度的方差分析結(jié)果見表3。

2.1.1 密度

木材密度是指單位體積內(nèi)胞壁物質(zhì)的數(shù)量，與木材的干縮濕漲、強(qiáng)度、加工等性能具有非常大的相關(guān)性，對木材加工利用和林木培育具有重要的指導(dǎo)意義，是衡量木材性能的重要指標(biāo)［9］。由表2 可知，5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的基本密度分別為0.424、0.437 g/cm3，全干密度分別為0.498、0.506 g/cm3，氣干密度分別為0.533、0.543 g/cm3；根據(jù)我國木材氣干密度5 級分級情況［10］，5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的氣干密度均為2 級（0.351～0.550 g/cm3），屬于中等偏低密度木材。尾巨桉基本密度、全干密度和氣干密度與小徑柚木（Tectona grandisL.f）相近［11］。

表2 尾巨桉木材主要物理性質(zhì)

表3 不同樹齡尾巨桉主要物理性質(zhì)的方差分析結(jié)果

2.1.2 干縮特性

干縮是木材的固有特性，在環(huán)境濕度較低時會導(dǎo)致木材或木制品尺寸收縮而產(chǎn)生縫隙、翹曲變形與開裂現(xiàn)象，是影響木材加工和利用的主要因素［12］。弦向干縮與徑向干縮的比值稱為差異干縮，是反映木材干燥時，是否易翹曲和開裂的重要指標(biāo)，根據(jù)木材差異干縮的大小，大致可決定木材對特殊用材的適應(yīng)性。干縮系數(shù)是指吸著水每變化1%時木材的干縮率變化值。差異干縮和干縮系數(shù)是反映木材尺寸穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，其值較大時，尺寸穩(wěn)定性相對比較差，易發(fā)生變形和開裂［13］。由表2可知，5年生尾巨桉無性系木材的弦向、徑向和體積氣干干縮率平均值分別是6.52%、3.01%和10.05%，差異干縮為2.35；其弦向、徑向和體積全干干縮率平均值分別為9.49%、4.81%和14.74%；木材的弦向、徑向和體積干縮系數(shù)平均值分別為0.254%、0.157%和0.425%。7 年生尾巨桉無性系木材的弦向、徑向和體積氣干干縮率平均值分別是5.68%、2.19% 和8.93%，差異干縮為2.78；其弦向、徑向和體積全干干縮率平均值分別為9.19%、4.11%和13.64%；木材的弦向、徑向和體積干縮系數(shù)平均值分別為0.297%、0.154% 和 0.474%；對照木材性質(zhì) 5 級分級表［10］，5年生和7 年生尾巨桉木材的體積干縮系數(shù)均屬于3級（0.401%～0.500%）；5 年生尾巨桉木材差異干縮屬4級（2.11%～2.60%），7年生尾巨桉木材差異干縮屬5 級（≥2.61%）；說明5 和7 年生尾巨桉無性系木材內(nèi)部各方向干縮不均勻，尺寸穩(wěn)定性差，干燥過程中容易開裂變形。

2.1.3 不同樹齡尾巨桉木材主要物理性質(zhì)方差分析

由表3 可知，5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的基本密度差異均極顯著，全干密度差異不顯著，氣干密度差異顯著。

2.2 木材力學(xué)性質(zhì)

5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材主要力學(xué)性質(zhì)結(jié)果見表4，方差分析結(jié)果見表5。

2.2.1 順紋抗壓強(qiáng)度

木材順紋抗壓強(qiáng)度是指木材沿紋理方向承受壓力荷載的最大能力，主要用于選擇和計算結(jié)構(gòu)材和建筑材的受壓構(gòu)件的容許工作應(yīng)力，如木結(jié)構(gòu)支柱、礦柱和家具中的腿構(gòu)件所承受的壓力［9］。是重要的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)之一，常用以研究不同處理條件對木材強(qiáng)度的影響。5 年生和7 年生尾巨桉木材的順紋抗壓強(qiáng)度平均值分別為44.8、46.3 MPa（表 3），根據(jù)我國木材性質(zhì)5 級分級情況［10］，5 年生和7年生尾巨桉無性系木材順紋抗壓強(qiáng)度分別屬于 2 級 （30.1～45.0 MPa） 和 3 級 （45.1～60.0 MPa），說明5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材承受順紋方向載荷的能力中等，木材順紋抗壓強(qiáng)度隨樹齡增加而增大。尾巨桉木材順紋抗壓強(qiáng)度與小徑柚木相近［11］。

2.2.2 抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量

表4 尾巨桉木材主要力學(xué)性質(zhì)

表5 不同樹齡尾巨桉主要力學(xué)性質(zhì)的方差分析結(jié)果

木材抗彎強(qiáng)度是指木材承受逐漸施加彎曲荷載的最大能力。與樹種、樹齡、部位、含水率和溫度等相關(guān)，是重要的木材力學(xué)性質(zhì)之一，主要用于家具中各種柜體的橫梁、建筑物的桁架、地板和橋梁等易于彎曲構(gòu)件的設(shè)計。木材抗彎彈性模量是指木材受力彎曲時，在比例極限內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之比，用于計算梁及桁架等彎曲荷載下的變形以及計算安全荷載。木材的抗彎彈性模量代表木材的剛性或彈性，也即表示梁抵抗彎曲或變形的能力。梁在承受荷載時，其變形與彈性模量成反比，彈性模量大，變形小，其木材剛度也大［9-10］。由表3可知，5年生和7年生尾巨桉無性系木材的抗彎強(qiáng)度平均值分別為80.3 和83.8 MPa，抗彎彈性模量分別為10 032 和10 805 MPa，根據(jù)木材性質(zhì)分級情況［10］，5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材抗彎強(qiáng)度均屬于2 級（55.1～90.0 MPa）；抗彎彈性模量分別屬于2 級（7 600～10 500 MPa）和3 級 （10 600～13 500 MPa），說明5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材承受橫向載荷的能力中等略偏低。尾巨桉抗彎強(qiáng)度與橡膠木（Hevea brasiliensis）接近（為88.4 MPa），但抗彎彈性模量高于橡膠木（為 8 335 MPa）［14］。

2.2.3 硬度

木材硬度是指木材抵抗其它剛體壓入的能力。木材的硬度與木材的密度密切相關(guān)，密度大其硬度則高，反之則低［13］。5年生尾巨桉無性系木材的端面、弦面、徑面硬度分別為4 128、3 175、2 759（表3），7 年生尾巨桉無性系木材的端面、弦面、徑面硬度分別為4 494、3 388、2 951 N（表3），對照木材性質(zhì)分級情況表［10］，5 年和7 年生尾巨桉無性系木材均屬于3 級（4 010～6 500 N），為中等硬度木材。尾巨桉木材硬度與觀光木（Tsoongiodendron odorum）相近（端面、弦面、徑面硬度分別為4 366、3 062、2 748 N）［15］。

2.2.4 沖擊韌性

木材的沖擊韌性是指木材受沖擊力而彎曲折斷時，試樣單位面積所吸收的能量。吸收的能量越大，表明木材的韌性越高而脆性越低，因此，沖擊韌性是檢驗?zāi)静牡捻g性或脆性的指標(biāo)。在生產(chǎn)上常以此作為槍托、飛機(jī)、車船、木梭、木桶、球棒及運動器械等用材的檢驗指標(biāo)［13-14］。5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的沖擊韌性平均值分別為44.2和46.6 kJ/m2（表3），根據(jù)木材沖擊韌性4 級分級情況［10］可知，5年生和7年生尾巨桉無性系木材的沖擊韌性均屬于2 級（25.1～85.0 kJ/m2），說明5年生和7 年生尾巨桉無性系木材韌性較低、脆性較高。其沖擊韌性與澳洲堅果（Macadamia ternifolia）木材相近（為46 kJ/m2）［16］。

2.2.5 不同樹齡間主要力學(xué)性質(zhì)方差分析

5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、沖擊韌性和硬度的方差分析結(jié)果見表5。表明：不同樹齡間，尾巨桉木材的順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎彈性模量和端面硬度差異極顯著，弦面硬度和徑面硬度差異顯著，抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性差異不顯著。

2.3 綜合強(qiáng)度及品質(zhì)系數(shù)

木材的綜合強(qiáng)度是指順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度之和，常用來評價木材能否作為承重構(gòu)件的性能指標(biāo)［17］。木材品質(zhì)系數(shù)是木材極限強(qiáng)度與基本密度的比值［18］。對于一些要求輕質(zhì)高強(qiáng)的構(gòu)件，如在航天航空和高空建筑等領(lǐng)域，品質(zhì)系數(shù)是評價材料優(yōu)劣的重要指標(biāo)［19］。5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的綜合強(qiáng)度分別為125.1、130.1 MPa，依據(jù)木材順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù)計算得出綜合品質(zhì)系數(shù)（表6）。

表6 尾巨桉木材品質(zhì)系數(shù)

根據(jù)木材綜合品質(zhì)系數(shù)的大小，可將其分為低 等 級 材 （＜19.6×107Pa）、 中 等 等 級 材（19.61×107～21.56×107Pa） 和高等級材 （＞21.56×107Pa）3類［17］。從表6中可知，5年生和7年生尾巨桉無性系木材的綜合品質(zhì)系數(shù)分別為29.5×107和29.7×107Pa，均屬于高等級材。

3 結(jié)論與建議

5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的基本密度分別為0.424、0.437 g/cm3，全干密度分別為0.498、0.506 g/cm3，氣干密度分別為0.533、0.543 g/cm3；氣干密度均為2 級，屬于低密度木材。5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的體積干縮系數(shù)分別為0.425%和0.474%，均屬于3 級；5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材差異干縮分別為2.35、2.78，屬4、5級；說明5和7年生尾巨桉無性系木材屬于干縮性大的速生材，其木材內(nèi)部各方向干縮不均勻，尺寸穩(wěn)定性差，干燥過程中易開裂變形。

5 年生尾巨桉無性系木材的順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量分別為44.8、80.3、10 032 MPa，沖擊韌性、端面硬度、弦面硬度和徑面硬度分別為44.2 kJ/m2、4 128、3 175、2 759 N，根據(jù)木材性質(zhì)分級情況，順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量和沖擊韌性均屬于2級，端面硬度屬于3 級；7 年生尾巨桉無性系木材順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量分別為46.3、83.8、10 805 MPa，沖擊韌性、端面硬度、弦面硬度和徑面硬度分別為46.6 kJ/m2、4 494、3 388、2 951 N，根據(jù)木材性質(zhì)分級情況，7 年生尾巨桉無性系木材的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性均屬于2 級，順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎彈性模量和端面硬度均屬于3 級。說明5年生和7年生尾巨桉無性系木材較軟、承受橫向載荷的能力中等略偏低、承受順紋方向載荷的能力中等，且木材韌性較低、脆性較高。7 年生尾巨桉木材的各項力學(xué)強(qiáng)度較5 年生大。說明5～7 年生人工林尾巨桉無性系木材還不適宜直接使用作為承重構(gòu)件、彎曲構(gòu)件、實木家具等方面用材。

5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的綜合強(qiáng)度分別為125.1 和130.1 MPa，依據(jù)木材順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù)計算得出綜合品質(zhì)系數(shù)分別為29.5×107和 29.7×107Pa 均屬于高等級材。5 年和7 年生尾巨桉無性系木材密度較小，干縮率較大、尺寸穩(wěn)定性差，易變形開裂，針對這些特性，當(dāng)前尾巨桉應(yīng)用于膠合板等人造板制造仍為較好的選擇。如果要進(jìn)行實木利用，可以考慮對其進(jìn)行改良處理，如將納米碳酸鈣、二氧化硅等無機(jī)化合物注入木材中，或采用低分子樹脂等浸漬處理，增強(qiáng)木材強(qiáng)度，提高木材尺寸穩(wěn)定性，擴(kuò)展其用途。從兩個樹齡木材的物理力學(xué)性能對比看，7 年生木材均較5年生的指標(biāo)高，因此針對高強(qiáng)度木材培育方面，可適當(dāng)培育一批輪伐期長的尾巨桉，以適應(yīng)市場的需要。