黃金榕枝干物理力學(xué)特性參數(shù)研究

李俊平， 王 悅， 賀 平， 劉 江， 張德暉,2， 鄭文鑫,2， 何金成,2

（1.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002； 2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002）

0 引言

榕屬植物具備景觀、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是城市綠化美化的“明星”[1]。黃金榕（Ficus microcarpa 'Golden Leaves'）隸屬桑科、榕屬常綠小喬木，樹干多分枝，分布于熱帶、亞熱帶地區(qū)，滯塵能力高于鵝掌藤、對葉榕、龍船花等園林植物，生命力頑強(qiáng)被廣泛應(yīng)用于綠籬[2-4]。黃金榕常應(yīng)用于公路綠化隔離帶，不僅美化環(huán)境，而且能夠有效阻擋對向駛來車輛的前照燈所帶來的炫光，隔離帶需定期修剪，修剪下來的枝葉可進(jìn)一步粉碎再資源化利用[5]。在設(shè)計(jì)黃金榕修剪或粉碎刀具時(shí)，研究其力學(xué)性能參數(shù)具有重要意義。近年來，園林植物枝干的力學(xué)特性研究受到普遍重視。米強(qiáng)[6]對紅棗殘枝試驗(yàn)表明，紅棗殘枝順紋、橫紋壓縮功與抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)。全朋坤等[7]、李艷聰?shù)萚8]對蘋果樹枝進(jìn)行研究，得出了蘋果樹枝抗拉、抗壓彈性模量。吳良軍等[9]對荔枝的枝干進(jìn)行試驗(yàn)，得到峰值剪切力、剪切功都與樹枝橫截面的面積呈線性正相關(guān)。王淑娟等[10]對初冬時(shí)期油松、欒樹等7 種樹枝的彎曲性能進(jìn)行了分析。趙林峰等[11]對不同林齡的杉木進(jìn)行了物理力學(xué)特性研究。目前沒有針對黃金榕枝干的力學(xué)特性參數(shù)研究，借鑒紅棗枝條、蘋果樹枝等枝干的力學(xué)特性研究方法，針對黃金榕枝干中部、上部和稍部的物理力學(xué)性能進(jìn)行測定。該結(jié)果為黃金榕切割及粉碎裝置的研究設(shè)計(jì)提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與制作

試驗(yàn)材料采自福州市倉山區(qū)某公路綠化帶，選擇生長良好、表面無破損開裂的黃金榕植株，去除枝干多余的枝條后并對試樣的取材部位做了規(guī)定，如圖1 所示，試樣的截取參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1929-2009《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》，其中壓縮試樣長度為20 mm，彎曲試樣長度為70 mm，剪切試樣長度為70 mm[12]。

圖1 試樣截取部位示意Fig.1 Schematic diagram of sample cutting site

按照GB/T 1929-2009 測得黃金榕枝干平均含水率，徑向壓縮試樣的稍部、上部、中部的平均含水率分別為59.29%、61.09%和64.23%；軸向壓縮試樣的稍部、上部、中部的平均含水率分別為58.86%、61.25%和64.96%；三點(diǎn)抗彎試樣的稍部、上部、中部的平均含水率分別為58.68%、61.48%和63.71%；抗剪試樣中部平均含水率為64.45%[13]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備包括AG-Xplus 系列立式電子萬能試驗(yàn)機(jī)、DHG-9140A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、手工鋸、電子天平和游標(biāo)卡尺等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 徑向壓縮試驗(yàn)

采用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，通過上部平板壓頭對試樣施加載荷。調(diào)整平板壓頭接近枝干試樣并進(jìn)行軟件系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，初始載荷為0 N，試驗(yàn)加載速度為10 mm/min，設(shè)置行程保證試樣被破壞，分別對枝干中部、上部和稍部進(jìn)行徑向壓縮試驗(yàn)，得到它們的載荷-位移關(guān)系。徑向壓縮試驗(yàn)如圖2 和圖3 所示，試驗(yàn)后的試樣如圖4 所示。

圖2 徑向壓縮示意Fig.2 Schematic diagram of radial compression

圖3 徑向壓縮試驗(yàn)Fig.3 Radial compression test

圖4 徑向壓縮破壞后試樣Fig.4 Specimen after radial compression

根據(jù)式（1）、式（2）和式（3）可以求得黃金榕枝干徑向壓縮彈性模量。

式中 σ-抗壓強(qiáng)度，MPa

F-壓縮載荷，N

A1-徑向壓縮試樣橫截面積，mm2

式中l(wèi)1-壓縮試樣長度，mm

D1、D2、D3-3 次測量的試樣直徑，mm

式中 E-彈性模量，MPa

ε-應(yīng)變

1.3.2 軸向壓縮試驗(yàn)

軸向壓縮試樣應(yīng)通直并且兩端必須保持平齊，試驗(yàn)方法與徑向壓縮試驗(yàn)一樣。軸向壓縮試驗(yàn)如圖5 和圖6所示，試樣被軸向壓縮破壞后，如圖7 所示。

圖5 軸向壓縮示意Fig.5 Schematic diagram of axial compression

圖6 軸向壓縮試驗(yàn)Fig.6 Axial compression test

圖7 軸向壓縮破壞后試樣Fig.7 Specimen after axial compression failure

利用式（1）、式（3）和式（4）可求得黃金榕枝干軸向壓縮強(qiáng)度及彈性模量。

式中A2-軸向壓縮試樣橫截面積，mm2

1.3.3 抗彎試驗(yàn)

依據(jù)木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)（GB/T 1936.1-2009）和木材抗彎彈性模量的測試方法（GB/T 1936.2-2009）進(jìn)行3 點(diǎn)抗彎試驗(yàn)[14-15]。將黃金榕枝干試樣置于3 點(diǎn)抗彎支撐輔具上，支撐輔具間距調(diào)為40 mm，試驗(yàn)加載速度設(shè)置為10 mm/min，設(shè)置行程保證枝干被破壞，分別對枝干中部、上部和稍部進(jìn)行試驗(yàn)，得到載荷-位移關(guān)系。3 點(diǎn)抗彎試驗(yàn)如圖8 所示，試驗(yàn)后的枝干如圖9 所示。

圖8 3 點(diǎn)抗彎試驗(yàn)Fig.8 Three-point bending test

圖9 3 點(diǎn)彎曲破壞后試樣Fig.9 Specimen after three-point bending failure

利用式（5）和式（6）可求得黃金榕枝干抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量。

式中 σ-抗彎強(qiáng)度，MPa

Fmax-最大彎曲力，N

D-試樣直徑，mm

l2-兩支撐輔具間距，mm

式中E-抗彎彈性模量，MPa

y-試樣中點(diǎn)彎曲撓度，mm

I-試樣橫截面慣性矩，m4

1.3.4 抗剪試驗(yàn)

將抗剪支撐輔具固定于萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)底座，抗剪刀具安裝于萬能試驗(yàn)機(jī)上部壓頭處，試驗(yàn)加載速度設(shè)置為10 mm/min，設(shè)置行程保證枝干被破壞，對截取的枝干中部試樣進(jìn)行20 次試驗(yàn)，得到其載荷-位移關(guān)系?？辜粼囼?yàn)如圖10 所示，試驗(yàn)后的試樣如圖11 所示。

圖10 抗剪試驗(yàn)Fig.10 Shear test

圖11 剪切破壞后試樣Fig.11 Specimen after shear failure

利用式（7）可求得黃金榕枝干中部抗剪強(qiáng)度。

式中A3-抗剪試樣橫截面積，mm2

τ-抗剪強(qiáng)度，MPaF-剪切力，N

2 結(jié)果與分析

2.1 徑向壓縮試驗(yàn)

黃金榕枝干各部位徑向壓縮載荷-位移曲線如圖12所示。黃金榕枝干受到徑向壓縮時(shí)，所受載荷隨著其徑向形變位移變大而增大，經(jīng)過屈服階段后，載荷繼續(xù)增大，試樣隨著壓縮載荷的增大逐漸變形，直至破裂。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，試樣有液體流出，主要是因?yàn)樵嚇雍瘦^大。

圖12 徑向壓縮試驗(yàn)載荷-位移曲線Fig.12 Load-displacement curve of radial compression test

由圖12 可知，同一部位的枝干所能承受的最大載荷隨著含水率增加而減小，與羅強(qiáng)軍等[16]對小麥秸稈的研究結(jié)果相似。由圖13 可知，徑向壓縮試驗(yàn)中枝干稍部（含水率59.52%）、上部（含水率61.09%）、中部（含水率64.23%）平均彈性模量分別為65.27、80.01 和118.30 MPa，呈以下關(guān)系：稍部＜上部＜中部。

圖13 枝干各部位徑向壓縮彈性模量Fig.13 Radial compression elastic modulus of each branch

2.2 軸向壓縮試驗(yàn)

黃金榕枝干各部位軸向壓縮載荷-位移曲線如圖14所示。軸向試驗(yàn)開始階段，黃金榕枝干受到軸向壓力產(chǎn)生軸向變形，載荷前期基本呈線性關(guān)系，稍部和上部試樣在載荷達(dá)到峰值后被破壞，隨后載荷開始急劇減小。由于中部試樣的直徑和密度大，木質(zhì)素含量比稍部和上部的試樣高，因此在載荷達(dá)到峰值后經(jīng)歷較長的屈服階段，隨后載荷開始急劇減小。

圖14 軸向壓縮試驗(yàn)載荷-位移曲線Fig.14 Load-displacement curve of axial compression test

由圖14 可知，同一部位的枝干所能承受的最大載荷隨著含水率增加而減小，與秦翠蘭[17]對棉花秸稈的研究結(jié)果類似。由圖15 可知，軸向壓縮試驗(yàn)中枝干稍部（含水率58.86%）、上部（含水率61.25%）、中部（含水率64.96%）平均彈性模量分別為20.64、22.78和26.72 MPa，呈以下關(guān)系：稍部＜上部＜中部。

圖15 枝干各部位軸向壓縮彈性模量Fig.15 Axial compression elastic modulus of each branch

2.3 抗彎試驗(yàn)

黃金榕枝干各部位抗彎載荷-位移曲線如圖16 所示，試樣隨著載荷的增大逐漸變形，當(dāng)超過試樣本身的抗彎強(qiáng)度極限時(shí)，試樣在與壓頭接觸地方斷裂，載荷迅速下降。

由圖16 可知，同一部位的枝干所能承受的最大載荷隨著含水率增加而減小，與米強(qiáng)[6]對紅棗殘枝的研究結(jié)果相似。由圖17、圖18 可知，3 點(diǎn)抗彎試驗(yàn)中枝干稍部（含水率58.68%）、上部（含水率61.48%）、中部（含水率63.71%）平均彈性模量分別為120.10、180.34 和221.56 MPa，呈以下關(guān)系：稍部＜上部＜中部，平均抗彎強(qiáng)度分別為37.73、38.16 和37.76 MPa，各部位抗彎強(qiáng)度無明顯區(qū)別。

圖16 3 點(diǎn)彎曲試驗(yàn)載荷-位移曲線Fig.16 Load-displacement curve of three-point bending test

圖17 枝干各部位抗彎彈性模量Fig.17 Bending elastic modulus of each part of branch

圖18 枝干各部位抗彎強(qiáng)度Fig.18 Bending strength of each part of branch

2.4 中部抗剪試驗(yàn)

黃金榕枝干中部抗剪試驗(yàn)載荷-位移曲線如圖19 所示，枝干一開始處于預(yù)壓變形階段，隨著載荷逐步上升，枝干韌皮部被破壞，載荷有所下降，但枝干木質(zhì)纖維也被壓實(shí)，使得載荷再次上升，當(dāng)木質(zhì)纖維被迅速逐步切斷時(shí)，載荷快速下降。

圖19 枝干中部抗剪試驗(yàn)載荷-位移曲線Fig.19 Load-displacement curve of middle branch shear test

由圖19 可知，同一部位的枝干所需的剪切力隨著含水率增加而減小，與梅方煒等[18]對菌草莖稈的研究結(jié)果相似。黃金榕枝干中部（含水64.45%）最小抗剪強(qiáng)度為5.60 MPa，最大抗剪強(qiáng)度為16.95 MPa，平均值為10.40 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為1.21 MPa，變異系數(shù)為11.34%，數(shù)值較為穩(wěn)定。

3 討論與結(jié)論

通過對黃金榕枝干進(jìn)行試驗(yàn)，測量其含水率，得到各部位含水率趨勢為稍部＜上部＜中部，其原因可能是水分由根部攝取，枝干越往上含水率越小，稍部具有較多葉片，由于蒸騰作用，導(dǎo)致枝條含水率降低。

測量枝干稍部、上部、中部的各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)，得到：稍部、上部和中部的平均徑向抗壓彈性模量依次為65.27、80.01 和118.30 MPa；平均軸向抗壓彈性模量依次為20.64、22.78 和26.72 MPa；平均抗彎彈性模量依次為120.10、108.34 和221.56 MPa；平均抗彎強(qiáng)度依次為37.73、38.16 和37.76 MPa，無明顯區(qū)別；黃金榕枝干的中部平均抗剪強(qiáng)度為10.40 MPa。結(jié)合文中測量的含水率可知，枝干各部位所能承受的最大載荷隨著含水率的增加而減小，其原因可能是隨著含水率的增加，越多的水分進(jìn)入細(xì)胞壁后，破壞原有的氫鍵，隨后與游離的羥基結(jié)合成新的氫鍵，導(dǎo)致鍵能降低。

試驗(yàn)結(jié)果為建立黃金榕枝干的有限元力學(xué)模型提供了參數(shù)，對黃金榕枝干切割、粉碎刀具的設(shè)計(jì)具有一定的理論指導(dǎo)意義。