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    廣東瓊楠木材物理力學(xué)性能研究

    2022-02-11 07:46:32韋鵬練賴欽昌符韻林
    關(guān)鍵詞:順紋沖擊韌性木材

    韋鵬練 賴欽昌 劉 衡 符韻林

    (1. 廣西大學(xué)林學(xué)院,廣西 南寧 530004;2. 廣西壯族自治區(qū)南寧樹木園,廣西 南寧 530031)

    廣東瓊楠(Beilschmiedia fordii), 樟科(Lauraceae)瓊楠屬(Beilschmiedia)常綠喬木,主要分布于我國廣東、廣西、四川等地,其生長迅速、樹干通直、木材材質(zhì)細密,是潛在的優(yōu)良用材樹種[1-2],種植推廣價值較高。目前,關(guān)于廣東瓊楠的研究,主要集中于其分類識別[3-6]、種群結(jié)構(gòu)特征[7-9]以及植物生理[10-11]等方面,此外還對其人工林生長規(guī)律和木材生材性質(zhì)進行了研究[12-13],極大促進了廣東瓊楠的森林培育和種植推廣。但在有關(guān)木材工程應(yīng)用方面,關(guān)于廣東瓊楠木材物理力學(xué)性質(zhì)和木材利用的研究尚未見報道;而木材物理力學(xué)性能是木材性能的基礎(chǔ)指標(biāo),對木材的合理利用具有重要的指導(dǎo)意義。鑒于此,為了使廣東瓊楠木材得到合理利用,本研究依據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)對其物理力學(xué)性能進行測定、分析及評價,為廣東瓊楠木材的合理利用提供理論支撐。

    1 材料與方法

    1.1 實驗材料

    試樣采于南寧市良鳳江國家森林公園(東經(jīng)108°15′14″~108°22′22″,北緯22°34′31″~22°46′51″),樹齡33 a。海拔為80~220 m,年平均氣溫21.6 ℃,最熱月為7 月,最冷月為1 月,極端最高溫40.2 ℃,極端最低溫-2.1 ℃,年平均降水量為1 300 mm,屬南亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。

    試樣采集依據(jù)GB/T 1927—2009[14]進行,在林地內(nèi)選取生長正常、具有代表性的樣木6 株,測定胸徑、標(biāo)明北向后伐倒,在樣木距地面1.3~3.3 、5.3 ~7.3 、9.3 ~11.3 m 處各截取2 m 長原木作為標(biāo)準(zhǔn)段,標(biāo)明編號及北向,氣干。試樣采集記錄表如表1 所示。

    表1 試樣采集情況Table 1 Collection of tested samples

    1.2 實驗儀器

    CMT5504 型萬能試驗機(深圳新三思材料檢測有限公司,中國)、螺旋測微器(韋度電子,中國,精確到0.001 mm)、游標(biāo)卡尺(韋度電子,中國,精確到0.01 mm)、PRACTUM213-1CN 型電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器有限公司,德國,精確到1 mg)、干燥器(比克曼生物,中國)、202 型烘箱(北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司,中國)、ZBC3000 型擺錘式?jīng)_擊試驗機(MTS 公司,德國)等。

    1.3 實驗方法

    物理性質(zhì)主要測定木材的密度和干縮性,力學(xué)性質(zhì)主要測定木材的順紋抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量、硬度及沖擊韌性。測試前,先根據(jù)GB/T 1929—2009[15]制作加工試樣,然后將試樣置于干燥的實驗室自然通風(fēng)氣干,再按照GB/T 1928—2009[16]中各項性能指標(biāo)相應(yīng)的檢測方法分別進行測試。數(shù)據(jù)使用Excel 軟件進行數(shù)據(jù)處理及分析。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 木材物理性能

    廣東瓊楠木材物理性能測定結(jié)果見表2。

    表2 廣東瓊楠木材的主要物理性能Table 2 The main physical properties of B. fordii wood

    2.1.1 木材密度

    由表2 可知,廣東瓊楠木材的基本密度、氣干密度和全干密度分別為0.649、0.738、0.700 g/cm3,顯著大于云南松(Pinus yunnanensis)[17]、擎天樹(Parashorea chinensis)[18]等木材。根據(jù)我國對木材氣干密度的分級標(biāo)準(zhǔn)[19],廣西瓊楠木材的氣干密度屬于中等密度(0.551~0.750 g/cm3),接近重等密度(0.751~0.950 g/cm3)。

    2.1.2 木材干縮性

    由表2 可知,廣東瓊楠木材的徑向、弦向和體積氣干干縮率分別為2.982%、4.239%和7.242%,和閩楠天然林木材接近[20]。廣東瓊楠木材的差異干縮為1.421,根據(jù)我國對木材差異干縮的分級標(biāo)準(zhǔn)[19],廣東瓊楠木材的差異干縮屬于?。?.21~1.60),干燥時不易發(fā)生翹曲、干裂,尺寸穩(wěn)定性較好。

    2.2 木材力學(xué)性能

    廣東瓊楠木材力學(xué)性能測定結(jié)果見表3。

    表3 廣東瓊楠木材的主要力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of B. fordii wood

    2.2.1 木材硬度

    由表3 可知,廣東瓊楠木材的端面、弦面及徑面硬度分別為7 110、5 010 N 及4 770 N,三者的比例為1.000∶0.705∶0.671。根據(jù)我國對木材硬度的分級標(biāo)準(zhǔn)[19],廣西瓊楠木材的端面硬度屬于硬,弦面硬度和徑面硬度屬于中(3 930~6 370 N),具有較好的耐磨損性能。

    2.2.2 木材順紋抗壓強度

    由表3 可知,廣東瓊楠木材的順紋抗壓強度為58.9 MPa。根據(jù)我國對木材順紋抗壓強度的分級標(biāo)準(zhǔn)[19],廣西瓊楠木材的順紋抗壓強度等級為高等(55~82.3 MPa),高于市場上大部分木材[21],是制作樁木、支柱的優(yōu)良用材。

    2.2.3 木材抗彎性能

    由表3 可知,廣東瓊楠木材的抗彎彈性模量為12.81 GPa。根據(jù)我國對木材抗彎彈性模量的分級標(biāo)準(zhǔn)[19],廣西瓊楠木材的抗彎彈性模量等級為中。廣東瓊楠木材的抗彎強度為127.1 MPa,優(yōu)于櫸木(Zelkova schneideriana)[22]、柚木(Tectona grandis)[22]、橡膠木(Hevea brasiliensis)[22]、湖南鐵心杉(Cunninghamia lanceolata)[23]等木材。根據(jù)我國對木材抗彎強度的分級標(biāo)準(zhǔn)[19],廣西瓊楠木材的抗彎強度等級為高等(117.7~166.6 MPa),具有較強的抗彎強度,適合作為橫梁、橋梁等用材。

    2.2.4 木材沖擊韌性

    由表3 可知,廣東瓊楠木材的沖擊韌性為100 kJ/m2。根據(jù)我國對木材沖擊韌性的分級標(biāo)準(zhǔn)[19],廣西瓊楠木材的沖擊韌性等級為甚高等(>58.8 kJ/m2),高于輻射松(Pinus radiata)[24]、火力楠(Michelia macclurei)[25]等樹種,是制作木梁、枕木、運動器械及船舶的理想材料。

    2.3 廣東瓊楠木材品質(zhì)系數(shù)及綜合強度評價

    2.3.1 廣東瓊楠木材品質(zhì)系數(shù)評價

    廣東瓊楠木材的順紋抗壓強度品質(zhì)系數(shù)為798×105Pa,抗彎強度品質(zhì)系數(shù)為1 722×105Pa,木材綜合品質(zhì)系數(shù)為2 520×105Pa,屬于高等級材[26]。

    2.3.2 廣東瓊楠木材綜合強度評價

    木材綜合強度通常用木材順紋抗壓強度與抗彎強度之和來表示,用來評價木材作為承重構(gòu)件性能的優(yōu)劣。廣東瓊楠木材的順紋抗壓強度為58.9 MPa,抗彎強度為127.1 MPa,木材綜合強度為186 MPa,屬于綜合強度等級為高[27]。

    3 結(jié)論

    廣東瓊楠木材的氣干密度為0.738 g/cm3,屬于中等密度木材;徑向、弦向和體積氣干干縮率分別為2.982%、4.239% 和7.242%,差異干縮為1.421,木材尺寸穩(wěn)定性較好,干燥時不易發(fā)生翹曲和干裂。木材的端面硬度屬于硬,弦面硬度和徑面硬度屬于中,硬度較大;順紋抗壓強度和抗彎強度等級為高;抗彎彈性模量等級為中;沖擊韌性等級為甚高。廣東瓊楠木材的綜合品質(zhì)系數(shù)為2 520×105Pa,屬于高等級材;綜合強度為186 MPa,屬于綜合強度等級為高。

    綜上所述,廣東瓊楠木材的綜合強度較高,可以考慮作為強度要求較高的承重構(gòu)件使用;沖擊韌性性能優(yōu)異,可以用于制作木梁、枕木、運動器械及船舶等;對硬度要求較高的場合亦可考慮使用該木材。

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