火力楠心材與邊材顏色和物理力學(xué)性質(zhì)

周 凡，高 鑫，付宗營(yíng)，江京輝，周永東

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091)

火力楠(Micheliamacclurei)是我國(guó)南方地區(qū)重要優(yōu)良鄉(xiāng)土闊葉樹種，其生長(zhǎng)迅速、適應(yīng)性強(qiáng)、樹干通直、出材率高，木材材質(zhì)均勻、結(jié)構(gòu)細(xì)膩、紋理通直有光澤，可作為家具、實(shí)木地板、工藝品、膠合板和建筑等行業(yè)用材[1-5]。材性研究對(duì)決定木材利用途徑及加工工藝具有重要的參考意義。樹木心材和邊材通常具有不同性質(zhì)，心材比例對(duì)木材利用有重要影響[6]。闊葉樹木材通常因具有美麗顏色而商業(yè)價(jià)值較高，其心材和邊材的顏色差異，直接影響木材的利用[7]?；鹆﹂牟穆瘦^低，文獻(xiàn)報(bào)道火力楠樹干根部心材率最大為43.0%[8]?？梢?，對(duì)火力楠木材進(jìn)行充分利用，需綜合考慮其心材和邊材的材性進(jìn)行。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)火力楠材性方面的研究較少，有個(gè)別研究測(cè)定了火力楠木材的主要物理力學(xué)性質(zhì)[2,5]，但有關(guān)心材與邊材材性的對(duì)比報(bào)道仍然缺乏。因此，本研究對(duì)火力楠心材和邊材的顏色、物理性質(zhì)(密度、干縮濕脹、滲透性)和力學(xué)性質(zhì)(抗壓特性、抗彎特性、抗剪特性、硬度、沖擊韌性、抗拉特性、抗劈力、握釘力)進(jìn)行測(cè)定和比較，以期為火力楠木材的合理開發(fā)利用和高效加工生產(chǎn)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

火力楠采自廣東省茂名市高州市。選取樣木3株(平均胸徑38 cm)。每株樣木在樹干1.3 m處向上截取約1.2 m原木段，用于木材力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定。在樹干1.3 m(H1)、中部(H2)和尾徑約18 cm處(H3)分別鋸取約15 cm厚樹盤。本研究試驗(yàn)用樹盤的心材率均值為55.9%(直徑比)。將樹盤沿中心鋸制寬20 mm的中心板，然后連續(xù)鋸制規(guī)格為20 mm×20 mm×20 mm(T×R×L)的試件直到取不到止，用于木材物理性質(zhì)的測(cè)定；并在氣干(20℃和65%相對(duì)濕度環(huán)境平衡)試件的弦切面上進(jìn)行木材顏色參數(shù)的測(cè)定。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 木材顏色表征 利用色彩色差計(jì)(CR-400，日本柯尼卡美能達(dá)控股公司)測(cè)試木材的明度指數(shù)L*(0～100，黑～白)、紅綠軸色品指數(shù)a*(正值越大代表顏色越偏向紅色，負(fù)值越大代表顏色越偏向綠色)和黃藍(lán)軸色品指數(shù)b*(正值越大代表顏色越偏向黃色，負(fù)值越大代表顏色越偏向藍(lán)色)，并計(jì)算木材的色飽和度C*和色差ΔE*[9]。

1.2.2 木材物理性質(zhì)測(cè)定 木材的密度、干縮性和濕脹性測(cè)定分別參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1933-2009、GB/T 1932-2009和GB/T 1934.2-2009進(jìn)行。木材的滲透性采用吸水增重率進(jìn)行評(píng)定[10]，將氣干(20℃和65%相對(duì)濕度環(huán)境平衡)試件浸入水中，間隔取出測(cè)量質(zhì)量，為使水分只沿弦面或徑面進(jìn)入木材，浸水前采用環(huán)氧樹脂膠對(duì)試件的其他表面進(jìn)行密封。

1.2.3 木材力學(xué)性質(zhì)測(cè)定 依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)木材的順紋抗壓強(qiáng)度(GB/T 1935-2009)，抗彎強(qiáng)度(GB/T 1936.1-2009)，抗彎彈性模量(GB/T 1936.2-2009)，弦面、徑面順紋抗剪強(qiáng)度(GB/T 1937-2009)，弦面、徑面順紋抗拉強(qiáng)度(GB/T 1938-2009)，弦面、徑面橫紋全部抗壓強(qiáng)度(GB/T 1939-2009)，沖擊韌性(GB/T 1940-2009)，弦面、徑面和端面硬度(GB/T 1941-2009)，弦面、徑面抗劈力(GB/T 1942-2009)，弦面、徑面和端面握釘力(GB/T 14018-2009)進(jìn)行測(cè)定。木材的握釘力指標(biāo)參照文獻(xiàn)[11]，其他力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)參照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，將實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)換算為12%含水率時(shí)的數(shù)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 火力楠木材顏色

火力楠樹干不同縱向位置心材和邊材的各顏色參數(shù)差異不明顯(圖1)。心材的L*、a*、b*和C*均值分別為73.6、3.1、23.4和23.6，相對(duì)應(yīng)邊材的分別為75.8、4.3、24.3和24.7?？梢姡啾扔谶叢?，心材的L*更小，表示其對(duì)可見光的反射較少，顏色更偏向黑色；a*正值更小，表明其偏向紅色的程度更?。籦*正值更小，表明其偏向黃色的程度更??；C*更小，表示其顏色飽和度更小，且更加暗深?；鹆﹂男牟恼w呈現(xiàn)為黃綠色，邊材為淺黃褐色(圖2)。火力楠樹干不同縱向位置心材的總色差0.3～0.9，邊材的總色差0.2～1.9，心材與邊材的總色差為2.7?？梢?，火力楠木材的顏色差異主要是心材與邊材的差異引起，根據(jù)色差值與人視覺感覺的對(duì)應(yīng)關(guān)系[9]，火力楠心材與邊才的顏色差異屬“可察覺”(1.5～3.0)。

圖1 火力楠心材和邊材顏色參數(shù)

圖2 火力楠心材(左)和邊材(右)

2.2 火力楠木材物理性質(zhì)

2.2.1 木材密度 火力楠木材密度整體沿樹干縱向向上呈降低趨勢(shì)(圖3)?；鹆﹂牟牡幕?、氣干和全干密度均值分別為0.545、0.637 g·cm-3和0.603 g·cm-3，相對(duì)應(yīng)邊材的分別為0.562、0.659 g·cm-3和0.624 g·cm-3(表1)?；鹆﹂牟牡拿芏刃∮谛牟?，心材與邊材密度的變異系數(shù)均較低，說明火力楠木材的密度分散程度較小，均勻性較大，這有利于木材的加工利用。計(jì)算火力楠心材和邊材在含水率15%時(shí)的密度分別為0.649 g·cm-3和0.671 g·cm-3。根據(jù)我國(guó)國(guó)產(chǎn)木材密度的劃分級(jí)別[12]，二者均屬中等(0.551～0.750 g·cm-3)。

圖3 火力楠心材和邊材密度

2.2.2 木材干縮濕脹特性 木材干縮濕脹的大小一般通過干縮率和濕脹率表示?；鹆﹂静牡臍飧筛煽s率和濕脹率整體沿樹干縱向向上呈降低趨勢(shì)(圖4)，這與其密度的變異趨勢(shì)相似。火力楠心材的徑向、弦向和體積氣干干縮率均值分別為1.32%、2.14%和3.46%，相對(duì)應(yīng)邊材的分別為1.47%、2.26%和3.78%。心材的徑向、弦向和體積全干干縮率分別為3.81%、5.58%和9.49%，相對(duì)應(yīng)邊材的分別為4.32%、5.76%和9.97%。心材的徑向、弦向和體積氣干濕脹率均值分別為1.70%、2.09%和4.03%，相對(duì)應(yīng)邊材分別為1.88%、2.18%和4.29%(表1)?？梢?，火力楠心材的干縮率和濕脹率均小于邊材，表明在同一環(huán)境下，心材經(jīng)歷干縮濕脹的尺寸穩(wěn)定性要優(yōu)于邊材?；鹆﹂牟牡臍飧珊腿审w積干縮系數(shù)分別為0.22%和0.32%，相對(duì)應(yīng)邊材的分別為0.24%和0.33%(表1)；根據(jù)我國(guó)木材干縮性的分級(jí)，心材和邊材的干縮性均屬很小(<0.35%)[12]，說明火力楠木材的干縮尺寸穩(wěn)定性較好?；鹆﹂牟牡臍飧珊腿刹町惛煽s分別為1.60和1.44，相對(duì)應(yīng)邊材的分別為1.54和1.34(表1)；根據(jù)我國(guó)木材干縮的不均勻性分級(jí)，心材和邊材的氣干差異干縮均屬小(1.41～1.80)[12]，說明火力楠木材各方向的干縮比較均勻。邊材的差異干縮小于心材，邊材的干縮較心材更加均勻。

2.2.3 木材滲透性 火力楠心材和邊材的吸水增重率和增重速率見圖5。隨著浸水時(shí)間的增加，火力楠心材和邊材沿弦向和徑向的吸水增重率均逐漸增加，吸水增重速率逐漸降低，這表明木材的滲透性隨含水率的增加而降低。浸水時(shí)間為90 h時(shí)，心材沿徑向和弦向的增重率分別為17.1%和16.5%，平均增重速率0.187 %·h-1；相對(duì)應(yīng)邊材的分別為25.8%和23.6%，平均增重速率0.272 %·h-1?？梢娺叢牡奈鲋厮俾蚀笥谛牟?，導(dǎo)致相同時(shí)間邊材的增重率大于心材，表明邊材的滲透性好于心材。滲透性是木材的一項(xiàng)重要物理指標(biāo)，木材防腐、阻燃、干燥等加工利用過程都與其滲透性密切相關(guān)[13]?；鹆﹂牟暮瓦叢臐B透性存在的差異與木材本身的構(gòu)造和含有的抽出物等有關(guān)。

圖4 火力楠心材和邊材氣干干縮濕脹特性

表1 火力楠心材和邊材物理性質(zhì)

2.3 火力楠木材力學(xué)性質(zhì)

火力楠心材和邊材的力學(xué)性質(zhì)(抗壓特性、抗彎特性、抗剪特性、硬度、沖擊韌性、抗拉特性、抗劈力和握釘力)測(cè)試結(jié)果見表2。

2.3.1 木材抗壓特性 木材順紋抗壓強(qiáng)度是選擇受壓構(gòu)件的重要依據(jù)[14]?；鹆﹂牟暮瓦叢牡捻樇y抗壓強(qiáng)度分別為51.31 MPa和49.11 MPa，二者接近，均屬中等(34.4～54.9 MPa)[12]。心材的弦向和徑向橫紋全部抗壓強(qiáng)度分別為9.91 MPa和11.13 MPa，相對(duì)應(yīng)邊材的分別為8.72 MPa和11.16 MPa。這和文獻(xiàn)報(bào)道木材的橫紋抗壓強(qiáng)度的在徑向大于弦向相一致[15]。

2.3.2 木材抗彎特性 火力楠心材和邊材的抗彎強(qiáng)度分別為107.57 MPa和87.09 MPa，均屬中等(78.5～117.6 MPa)[12]。心材和邊材的抗彎彈性模量分別為11.17 GPa和9.56 GPa，分別屬中等(11.0～14.7 GPa)和低(8.9～11.8 GPa)[12]?；鹆﹂叢目箯澢阅艿?，不宜作為彎曲構(gòu)建用材。

表2 火力楠心材和邊材力學(xué)性質(zhì)

圖5 火力楠心材和邊材吸水特性

2.3.3 木材抗剪特性 火力楠心材的徑向和弦向順紋抗剪強(qiáng)度分別為14.37 MPa和14.55 MPa，相對(duì)應(yīng)邊材的分別為12.86 MPa和12.96 MPa，二者均屬中等(9.9～14.7 MPa)[12]。

2.3.4 木材硬度 硬度表征木材抵抗其他剛體壓入木材的能力?；鹆﹂牟牡南颐妗矫婧投嗣嬗捕确謩e為4.53、4.21 kN和6.10 kN，相對(duì)應(yīng)邊材的分別為5.35、5.04 kN和7.26 kN。這和文獻(xiàn)報(bào)道木材硬度均是端面比側(cè)面高相一致[16]。計(jì)算火力楠心材和邊材在端面上可承受的壓入荷載分別為61.1 MPa和72.7 MPa，分別屬中(49.1～68.6 MPa)和高(68.7～98.0 MPa)[12]，說明火力楠屬于中高硬等級(jí)木材?；鹆﹂叢牡挠捕雀哂谛牟?，這可能是由于木材硬度與密度密切相關(guān)，密度越大硬度越高[17]。

2.3.5 木材沖擊韌性 沖擊韌性是檢驗(yàn)?zāi)静捻g性的指標(biāo)?；鹆﹂牟暮瓦叢牡臎_擊韌性分別為36.38 kJ·m-2和46.06 kJ·m-2，分別屬中等(30.4～44.1 kJ·m-2)和高等(45.1～58.8 kJ·m-2)[12]，說明火力楠木材韌性較好，可作為房屋建筑、膠合板和家具等方面用材[18]。

2.3.6 木材抗拉特性 順紋抗拉強(qiáng)度是木材沿纖維方向承受拉伸載荷的最大能力?；鹆﹂牟暮瓦叢牡捻樇y抗拉強(qiáng)度分別為121.19 MPa和99.89 MPa，表明心材承受拉伸載荷的能力更高。

2.3.7 木材抗劈力 火力楠心材的徑向和弦向抗劈力分別為32.44 N·mm-1和40.82 N·mm-1，相對(duì)應(yīng)邊材的分別為32.75 N·mm-1和42.52 N·mm-1。心材與邊材的抗劈力差別不大，且二者在弦向大于徑向。木材在弦面木射線呈軸向受拉，增強(qiáng)抗劈效果，導(dǎo)致木材的抗劈力通常是弦面大于徑面。

2.3.8 木材握釘力 火力楠心材的弦面、徑面和端面握釘力分別為25.53、27.80 N·mm-1和22.94 N·mm-1，相對(duì)應(yīng)邊材的分別為32.00、34.23 N·mm-1和29.36 N·mm-1。火力楠邊材的握釘力大于心材，表示邊材對(duì)釘入的釘?shù)膴A持能力更強(qiáng)。火力楠心材和邊材的握釘力在端面均小于側(cè)面，這是由于握釘力在端面木纖維間的擠壓力遠(yuǎn)小于在側(cè)面的木纖維的抗斷裂性能[19]。

2.3.9 木材綜合力學(xué)品質(zhì) 綜合強(qiáng)度(順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度之和)常用于未定具體用途木材力學(xué)強(qiáng)度品質(zhì)等級(jí)的綜合評(píng)定?；鹆﹂牟暮瓦叢牡木C合強(qiáng)度分別為158.88 MPa和136.20 MPa，對(duì)照木材綜合強(qiáng)度的劃分等級(jí)[12]，二者均屬高強(qiáng)度(107.9～166.6 MPa)。綜合品質(zhì)系數(shù)為綜合強(qiáng)度與基本密度的比值，反映強(qiáng)度與密度之間的關(guān)系，適用于對(duì)木材既要求強(qiáng)度又限制質(zhì)量的應(yīng)用場(chǎng)合[20]?；鹆﹂牟暮瓦叢牡木C合品質(zhì)系數(shù)分別為291.52和242.34，對(duì)照木材綜合品質(zhì)系數(shù)的劃分等級(jí)[12]，二者均屬?gòu)?qiáng)重比很高(>215.6)。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

火力楠心材L*、a*和b*分別為73.6、3.1和23.4，相對(duì)應(yīng)邊材的分別為75.8、4.3和24.3。相比于邊材，心材顏色偏向黑色的程度更大，而偏向紅色和黃色的程度更小，顏色更加暗深?；鹆﹂牟呐c邊材的總體色差為2.7，屬人視覺感覺差異“可察覺”。

火力楠心材和邊材在含水率15%時(shí)的密度分別為0.649 g·cm-3和0.671 g·cm-3，氣干體積干縮系數(shù)分別為0.22%和0.24%，氣干差異干縮分別為1.60和1.54。相比于心材，邊材的密度更大，差異干縮更小，但干縮率更大。邊材的吸水增重率大于心材，表明邊材的滲透性好于心材?；鹆﹂牟暮瓦叢木鶠槊芏戎械?、干縮性很小、氣干干縮的不均勻性小的木材。

火力楠邊材的硬度、沖擊韌性、抗劈力和握釘力大于心材，其余力學(xué)指標(biāo)小于心材?；鹆﹂牟暮瓦叢牡捻樇y抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、順紋抗剪強(qiáng)度、端面硬度和沖擊韌性，均居于我國(guó)木材各項(xiàng)力學(xué)品質(zhì)的中等及以上水平?；鹆﹂牟暮瓦叢牡木C合強(qiáng)度分別為158.88 MPa和136.20 MPa，均屬高強(qiáng)度；綜合品質(zhì)系數(shù)分別為291.52和242.34，均屬?gòu)?qiáng)重比很高。

從火力楠木材主要物理力學(xué)性質(zhì)看，可開發(fā)其為家具和一般建筑用材。火力楠心材和邊材的顏色和物理力學(xué)性質(zhì)存在差異。對(duì)火力楠木材進(jìn)行實(shí)木利用，可根據(jù)木材用途對(duì)材性的具體要求，對(duì)火力楠心材和邊材進(jìn)行分別加工，以達(dá)到適材適用。

3.2 討論

變異性是木材材性的重要特征，其涉及種間、種內(nèi)、株間和株內(nèi)，并與遺傳和生長(zhǎng)環(huán)境等因素有關(guān)?；鹁嫠赡静拿芏葟较蛴衫锵蛲庵饾u上升并趨于穩(wěn)定，縱向向上逐漸降低[21]。巨桉木材密度徑向上穩(wěn)定，縱向向上呈下降趨勢(shì)[22]。泡桐木材密度徑向由里向外呈拋物線型變化，縱向向上不斷增大[23]。輻射松邊材密度和干縮率大于心材，差異干縮小于心材[24]。木材力學(xué)性質(zhì)的徑向變異規(guī)律及變異程度也隨樹種和具體指標(biāo)而變[25-26]?？梢?，不同樹種木材物理性質(zhì)的株內(nèi)變異規(guī)律不同，有關(guān)心材和邊材物理力學(xué)性質(zhì)的對(duì)比尚無統(tǒng)一定論。

已有火力楠材性相關(guān)的文獻(xiàn)表明火力楠木材密度株內(nèi)最大值分布于樹干基部近樹皮的邊材部分[5]；火力楠木材的密度適中、干縮性小，主要力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)到中等級(jí)別以上，木材的綜合強(qiáng)度高[2,5]。這些文獻(xiàn)結(jié)果均與本研究結(jié)果相符合。木材材性變異性大，本研究只分析了一種生長(zhǎng)條件的試樣，限于試驗(yàn)和取樣規(guī)模。進(jìn)一步研究需結(jié)合生長(zhǎng)條件等更多因素對(duì)火力楠木材性進(jìn)行系統(tǒng)研究。