顶果木人工林木材物理力学性质1)

许彩娟 符韵林 孙 静

(广西大学，南宁，530004)

顶果木人工林木材物理力学性质1)

许彩娟 符韵林 孙 静

(广西大学，南宁，530004)

以36年生人工林顶果木材为试验研究材料,对其木材物理力学性质进行了测定与分析。结果表明：顶果木人工林木材基本密度、气干密度、全干密度分别为：0.463、0.553、0.513 g/cm3，属中等级别；抗弯强度90.46 MPa、抗弯弹性模量7 189.06 MPa、冲击韧性55.81 kJ/m2、端面硬度5 487.80 N、顺纹抗压强度42.47 MPa、横纹径向全部抗压比例极限应力6.58 MPa、横纹弦向全部抗压比例极限应力6.02 MPa、横纹径向局部抗压比例极限应力9.68 MPa、横纹弦向局部抗压比例极限应力7.99 MPa。木材抗弯强度、冲击韧性、端面硬度、顺纹抗压强度、横纹抗压强度，均属中等级别；抗弯弹性模量属低级别；综合品质系数2 871×105Pa，属高等级材。

顶果木；木材物理性质；木材力学性质

顶果木(AcrocarpusfraxinifoliusWight et Arn.)别名格郎央(瑶语)，咪央(壮语)，为苏木科(Caesalpiniaceae)顶果木属，落叶大乔木[1]151，分布于我国贵州、云南、广西西部的龙州、隆林、田林、都安、平果等，生长于海拔200～1 500 m处的山地林中[2]。

谢福惠[3]在广西顶果木初步研究中得出，22年生的广西顶果木树高达25.61 m,胸径35.8 cm,材积1.189 5 m3。顶果木木纤维细长而壁薄，是纤维工业的好原料；材质轻韧，花纹美丽，心材淡红褐色，少开裂，较耐腐，是上等家具的用材[4]。

顶果木作为广西“十二五规划”发展的珍贵乡土树种之一，其研究与发展日益受到人们的关注，其市场前景广阔，有望发展成为我国南方地区继速丰桉之后的重要速生丰产林阔叶树种[2]。但目前有关顶果木木材材性方面的研究仍比较少，系统报道也甚少，笔者对其开展了木材物理力学性质的研究。

1 材料与方法

1.1 试材采集

顶果木试材采自广西来宾市维都林场。试材采集按照国家标准GB/T 1927—2009《木材物理力学试材采集方法》的规定进行。根据林分生长情况，选取生长良好，具代表性的树株作为样木，共3株，树龄36 a，胸径35～48 cm，树高26.0～32.7 m，枝下高11.0～14.8 m。

1.2 试材加工与试验方法

参照国家标准GB/T 1929—2009《木材物理力学试件锯解及试样截取方法》制取试样,试件测定按照国家标准GB/T1927～1943—2009《木材物理力学性质试验方法》要求进行。测定指标包括树皮率，心材率，生材含水率，基本密度，气干密度，全干密度，生材密度，木材径向、弦向和体积气干干缩率、全干缩率及干缩系数，从全干至气干的湿胀率和从全干至饱水的湿胀率，吸水率，顺纹抗压强度，横纹全部抗压强度，横纹局部抗压强度，抗弯强度，抗弯弹性模量，冲击韧性，硬度等。

运用101-2型电热恒温鼓风干燥箱、万能力学试验机和摆锤式冲击试验机进行试验，试验前将试件置于温度为(20±2)℃，相对湿度为(65±3)%的环境下进行含水率平衡，试验结果均换算成含水率为12%时的数据[5]。

2 结果与分析

2.1 木材物理性质

2.1.1 密度

木材密度是判断木材的工艺性质和物理力学性质的重要指标，它与木材的其它性能都有密切关系。其变异性的研究，对木材的加工、利用及林木育种优良品种筛选都具有重要意义。木材密度包括基本密度、气干密度和全干密度。基本密度是衡量木材密实程度的一个标志，最适于作材性比较之用，在木材干燥和防腐工业中具有实用意义。气干密度是影响木材最终产品质量的重要因子，我国以它作为材性比较和生产应用的基本依据[6]143，生产中通常用气干密度估算木材质量。由表1可知，顶果木木材的基本密度平均为0.463 g/cm3；气干密度平均为0.553 g/cm3，根据《木材的主要物理力学性质分级表》[7]163，属中等(0.551～0.750 g/cm3)；全干密度平均为0.513 g/cm3。

2.1.2 干缩性

了解木材的干缩性及干缩规律，对于木材的加工与利用有很重要的意义[6]158。木材的干缩性质常用干缩率、干缩系数和差异干缩表达。

①干缩率。木材干缩的大小以干缩率表示，干燥过程中产生的线性和体积干缩率的大小及均匀性是判定其实木加工利用价值的一项重要指标。可知，顶果木木材从湿材至气干材时，弦向、径向和体积干缩率分别为2.2%、1.2%和3.7%；从湿材至全干材时，其弦向、径向和体积干缩率分别为5.8%、3.4%和9.5%。

②干缩系数。干缩系数是指吸着水每变化1%时木材的干缩率变化值，它是衡量木材干缩特性的一项重要指标[8]138。以干缩系数指标计算确定出木材加工过程中板材尺寸和湿单板剪切时应留出的干缩余量。顶果木木材的弦向、径向和体积干缩系数分别为0.300%、0.180%和0.503%。根据《木材的主要物理力学性质分级表》[7]163可知，顶果木木材的体积干缩系数达到高等级别(0.501%～0.600%)。

③差异干缩。木材弦向干缩与径向干缩之比值称为差异干缩，它是判断木材开裂以及变形的依据[8]139。顶果木木材的差异干缩为2.446，根据《木材的主要物理力学性质分级表》可知，顶果木木材的差异干缩达到高等级别(2.11～2.60)，差异干缩数值偏大，说明其开裂趋势大，木材干燥时容易发生翘曲和开裂。

表1 顶果木木材物理性质均值及变异统计

数值类型干缩率气干干缩率/%弦向径向体积全干缩率/%弦向径向体积干缩系数/%弦向径向体积差异干缩平均值2.2000.6253.7005.8003.4009.5000.3000.1800.5032.446标准差0.7460.0491.6280.9390.9011.5670.0450.0500.0702.600标准误0.05952.4970.1280.0740.0710.1230.0040.0040.0050.223变异系数/%34.5478.24944.24616.27926.38916.50814.87127.72313.871106.277准确指数/%5.4286.9532.5584.1472.5942.3374.3562.18018.226

数值类型全干到气干湿胀率/%弦向径向体积差异湿胀全干到饱水湿胀率/%弦向径向体积差异湿胀平均值2.3001.6004.2001.5036.2003.70011.0001.798标准差0.6620.5340.9040.4700.8430.9971.8150.458标准误0.0780.0630.1070.0550.0990.1180.2140.054变异系数/%28.86733.04821.53831.28813.56627.11216.48225.458准确指数/%8.8047.7895.0777.3753.1986.3903.8856.000

注：树皮体积分数、树皮质量分数、心材率样本数量为40个；生材含水率、生材密度样本数量为33个；基本密度、气干密度、全干密度样本数量为36个；干缩率样本数量为162个；湿胀率样本数量为72个。

2.1.3 吸水性

测定了顶果木全干材浸水的吸水质量变化，时间为38 d，各段浸泡时间的吸水性结果见表2。可知，顶果木木材在10 d前增加比较快，在前6 h内，木材从全干吸水至42.60%，在1 d间增至85.20%，在2 d间增至108.27%，第10天吸水率135.64%，10 d后吸水率继续增加，增加趋势缓慢；木材浸泡38 d时吸水率为146.34%，仍有缓慢上升趋势。由此看出顶果木木材吸水性强。

表2 顶果木木材吸水性变异

2.2 木材力学性质

顶果木木材各项主要力学性质平均值和变异统计数据(表3)。

2.2.1 顺纹抗压强度

顺纹抗压强度与其它强度指标存在相关关系，是最重要的木材力学性质指标[9]。可知，顶果木木材的顺纹抗压强度平均为42.47 MPa，对照木材顺纹抗压强度5档分级标准[6]218，其顺纹抗压强度属中下级(30.1～45.0 MPa)。

2.2.2 抗弯强度

抗弯强度作为木材另一重要的力学性质指标，是建筑物的屋架、横条、木桥、承重地板等弯曲的构件选材时应首先考虑的因素[8]186。可知，顶果木木材的抗弯强度平均为90.46 MPa，对照木材抗弯强度5档分级标准[7]163，其强度属中等(90.1～120.0 MPa)。

表3 顶果木木材力学性质

注：端面、弦面、径面的硬度样本数量为91个；冲击韧性样本数量为174个；抗弯强度、抗弯弹性模量样本数量为72个；弦向横纹全部抗压比例极限应力样本数量为39个，径向横纹全部抗压比例极限应力样本数量为40个；弦向、径向横纹局部抗压比例极限应力样本数量为36个；顺纹抗压强度样本数量为42个。

2.2.3 冲击韧性

冲击韧性常用于评定车辆和建筑结构用材的品质[9]。可知，顶果木木材的冲击韧性平均为55.81 kJ/m2，对照木材冲击韧性4档分级标准[7]163，为中等(25.1～85.0 kJ/m2)。

2.2.4 品质系数

木材作为承重构件必须考虑它的顺纹抗压强度和抗弯强度这两项重要强度指标，所以通常用顺纹抗压强度和抗弯强度之和来表示木材的综合强度，以此表明木材强度品质等级[5]。从上述试验结果可以看出，顶果木木材各项力学强度性质均属中等偏高，其综合强度为132.93 MPa，根据《木材材性分级规定》[7]163可知，其综合强度为中等级(132.398～176.4 MPa)，这说明了顶果木木材可以用作一些强度要求不是极高的承重结构构件。

木材品质系数或称比强度或强重比，是某项力学强度极限与基本密度之比值，是评价木材品质的一个重要参数。在木材领域，根据木材综合品质系数的大小，可将木材分为3类，综合品质系数小于1 960×105Pa者为低等级材，1 961×105～2 156×105Pa者为中等级材，大于2 156×105Pa者为高等级材[7]163，[10]。根据前面试验分析得到的基本密度数据(见表1)和力学强度(见表3)，分析计算顶果木木材的品质系数。结果为：顶果木木材的顺压品质系数为917×105Pa，静曲品质系数为1 945×105Pa，综合品质系数达到2 871×105Pa。由此可见顶果木木材的品质系数非常高，为高等级材。

2.3 木材气干密度与力学性质的关系

木材的力学性质，与构成木材物质的数量及构造有关，且以木材物质的数量为最主要，而木材密度是单位体积内木材物质数量的标志，因此与力学性质有密切的关系[11-13]，通过非线性分析进行拟合，得到其关系如表4所示。

2.4 天然林和人工林的比较

由表5可以看出，顶果木木材的主要物理力学性质中，天然林木材除干缩系数、端面硬度比人工林小之外，天然林：径向干缩系数0.164%，弦向干缩系数0.299%，体积干缩系数0.490%，端面硬度4 993.29 N；人工林：径向干缩系数0.180%，弦向干缩系数0.300%，体积干缩系数0.503%，端面硬度5 487.80 N；数据表明人工林木材与天然林木材没有太大差别。其它主要物理力学性质的平均值均比人工林的大。

表4 顶果木木材气干密度与力学性质之间相关分析

表5 顶果木木材天然林和人工林主要物理力学性质比较

注：引用的天然林顶果木木材的主要物理力学性质来源于广西大学林学院木材标本室。

3 结论

顶果木木材体积干缩系数、差异干缩均属高等级别；气干密度属中等级别；顺纹抗压强度、横纹抗压强度、冲击韧性、端面硬度、抗弯强度属中等级别；综合强度属高等级别；抗弯弹性模量属低等级；而其品质系数非常高，评为高等级材。

从力学性质来看，顶果木木材各项力学性能均属中等级别，可适用于受力要求不高的构件，通常可用于房屋建筑方面；防腐处理后可作木桩；工业制造方面亦可用作胶合板的饰面、薄木贴面和家具用材等。

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[3] 谢福惠,莫新礼.速生优良树种：广西顶果木初步研究[J].广西植物,1981,1(1):31-33.

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Wood Physical-mechanical Properties ofAcrocarpusfraxinifoliusWight et Arn./

Xu Caijuan, Fu Yunlin, Sun Jing

(Guangxi University, Nanning 530004, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-86～89

We studied the physical and mechanical properties of the wood with a 36-year-oldAcrocarpusfraxinifoliusWight et Arn. The average densities of basic wood, air-dried and oven-dried were 0.463, 0.553, and 0.513 g/cm3, respectively, belonging to the middle level. The mechanical properties ofA.fraxinifoliusWight et Arn. were with the bending strength of 90.46 MPa, the bending elastic modulus of 7 189.06 MPa, the impact toughness of 55.81 kJ/m2, the hardness of cross radial direction of 5 487.80 MPa, compressive strength parallel to grain of 42.47 MPa, the horizontal all compressive proportional limit stress of radial direction and tangential direction of 6.58 and 6.02 MPa, and the horizontal local compressive proportional limit stress of radial direction and tangential direction of 9.68 and 7.99 MPa, respectively. Compressive strength parallel to grain, the hardness on cross surface, bending strength, impact toughness, and horizontal compressive strength were medium. Volume shrinkage coefficient and differential shrinkage were in the high level, and the bending elastic modulus was in the low level. The quality factor is 2.871×108Pa, belonging to high-grade material.

AcrocarpusfraxinifoliusWight et Arn.; Physical properties of wood; Mechanical properties of wood

许彩娟，女，1990年12月生，广西大学林学院，硕士研究生。

孙静，广西大学林学院，讲师，E-mail：sunjing413@126.com。

2013年11月4日。

S781.29

1) 广西自然科学基金重点项目(2010GXNSFD013024)、南宁市科学研究与技术开发项目(201102094G)。

责任编辑：戴芳天。