笔罗子木材物理力学性质的研究

曹 文，俞友明*，童再康，骆文坚

（1. 浙江农林大学，浙江 临安 311300；2. 浙江省林业种苗管理总站，浙江 杭州 310020）

笔罗子木材物理力学性质的研究

曹 文1，俞友明1*，童再康1，骆文坚2

（1. 浙江农林大学，浙江 临安 311300；2. 浙江省林业种苗管理总站，浙江 杭州 310020）

对笔罗子（Meliosma rigida）木材的物理力学性质的各项指标进行测定。结果表明：笔罗子木材气干密度为0.677 g/cm3，为中级，密度分散程度比较均匀，有利于旋切；其体积干缩系数为0.27%，其干缩性较小，尺寸稳定性较好；抗弯弹性模量为6.35 GPa，抗弯强度为79.95 MPa，均低于其他密度相近的树种；顺纹抗拉强度为153.97 MPa，顺纹抗压强度为48.02 MPa，属于中级；与其他密度相近的木材相比，笔罗子干缩性较小，软硬适中，具有一定的冲击韧性，是一种比较适合加工利用的树种。

笔罗子；木材；物理力学性质

笔罗子（Meliosma rigida）又名野枇杷、粗糠柴，清风藤科（Sabiaceae）植物，产地分布在浙江、福建、台湾等地，生长在海拔1 500 m以下的山坡、溪边、林缘、阔叶杂木林及灌木丛内。研究木材的物理力学性质是把握木材质量和使用性能的一个重要依据。周侃侃等[1]通过对不同树龄木荷木材的解剖和测试，研究了木荷的重要物理力学性质以及加工适应性，掌握了其综合利用指标；俞友明等[2]对不同地位级不同年龄的雷竹的物理力学性能进行了测定和比较，为其定向培育和科学利用提供了理论依据；俞友明等[3]还对人工林竹材红壳竹进行了测试，发现竹龄对其物理力学性能有显著影响。目前，国内外对笔罗子木材物理力学性质的研究并不多，本文通过分析笔罗子木材的物理力学性能，得到其各项物理力学指标，同时采用对比文献[4]的试验方法，以确定其适用性，同时为今后该木材改性提供重要的科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料采集于浙江庆元林场，原木平均树龄7 a，平均胸径13.6 cm，平均树高7.3 m，在其胸高处截取2 m长木段作为试验材料，共3株，编号后运回实验室进行气干待测。

1.2 设备与方法

试验试件的加工和步骤按照国家标准木材物理力学性质试验方法[5]，利用SND-50电子万能试验机、JB-M100摆锤式冲击试验机等对笔罗子木材物理力学性质的各项指标进行测定。因为木材含水率对其物理力学性质有较大影响，因此所有试件均在高低交变湿热试验箱中调整至12%含水率后进行测试。

2 结果与分析

2.1 笔罗子木材物理性质

2.1.1 笔罗子木材的气干密度 木材是多孔性材料，不同树种、不同生长环境的立木，其胞壁物质、孔隙率、内含物等也各不相同，相应的木材密度也就有所差异。木材密度是木材物理性质的一项重要指标，不仅可以揭示不同生长条件下木材材质的变异规律，为相关学科提供研究方法，更有利于把握木材后续的加工利用，为改善立木条件、提高木材性能和使用价值提供重要的质量参数[6]。

气干密度是指木材在一定大气状态下达到平衡含水率时重量和体积之比，能够比较准确的反映木材使用性质的指标。由表1可知，笔罗子木材气干密度均值为0.677 g/cm3，根据木材材性分级规定[7]可知，其密度属中级（0.55 ~ 0.75 g/cm3）。笔罗子的气干密度变异系数小（9.44%），说明该木材密度分散程度比较均匀。

2.1.2 笔罗子木材的干缩特性 木材是各向异性材料，其尺寸变化与木材内部水分的含量有着重要的关系。当木材中的含水率低于纤维饱和点时，木材的尺寸便随着含水率的升降而增减。木材在绝干状态至纤维饱和点的含水率区域内，水分的解吸使木材细胞壁变薄，体积变小的现象就是木材干缩。木材干缩容易引起木制品产生缝隙、开裂、翘曲变形等缺陷，因此，了解木材的干缩特性对于木材的加工及使用具有重要意义。由表1可知，笔罗子木材的弦径向干缩系数分别是0.23%和0.11%，体积干缩系数为0.27%，属小（≤0.45%），表明笔罗子的尺寸稳定性比较好，不易产生开裂翘曲等缺陷，有利于加工利用。

表1 笔罗子木材的气干密度和干缩特性Table 1 Air-dry density and shrinkage rate of M. rigida wood

2.2 笔罗子木材的力学性质指标及其与其他密度相近树种的力学性质比较

笔罗子木材力学性质均值和变异情况见表2。

通过与其他树种相关力学性质的比较，能够得出适合该木材材性的加工方案及改性方法，这对于提高木材的利用率有着重要作用。表3为笔罗子木材与其他密度相近树种的力学性质比较。

作为建筑和结构用材，木材的抗压强度是重要的力学性能之一，而顺纹抗压强度通常作为选择受压木材构件的依据[6]。由表2可知笔罗子木材的平均顺纹抗压强度为48.02 MPa，与表3其他树种对比，笔罗子木材的顺纹抗压强度与红桦（Betula albosinensis）相近，低于西桦（B. alnoides）、华南桦（B. austrosinensis）、亮叶桦（B. luminifera）、白桦（B. platyphylla）、水曲柳（Fraxinus mandschurica），而高于侧柏（Platycladus orientalis）、枫香（Liquidambar formosana）和云南朴树（Celtis kunmingensis）。

表2 笔罗子的主要力学性质Table 2 Main mechanical properties of M. rigida wood

表3 笔罗子与其他密度相近树种的力学性质比较Table 3 Comparison of mechanical properties of M. rigida wood and other wood with similar density

木材抗弯强度和抗弯弹性模量是最重要的力学性质。由表2可以看出，笔罗子木材的抗弯强度为79.97 MPa，根据我国木材物理力学性质分级表[8]可得，笔罗子木材抗弯强度为低级，其平均抗弯弹性模量为 6.35 GPa，亦属低级。作为承重构件，通常采用顺纹抗压强度与抗弯强度之和来表示木材的综合强度，笔罗子木材的综合强度为127.99 MPa，根据木材材性分级规定可知，笔罗子木材的综合强度为低级，说明其抵抗外力使其变形（特别是弯曲变形）的能力较低。与表3中其他密度相近的树种相比，笔罗子木材的抗弯弹性模量为十种木材中最低，其抗弯强度仅高于侧柏，而低于其他树种。

笔罗子木材的顺纹抗拉强度取决于其木纤维的强度、长度和方位，是其最大的力学强度，它和顺纹抗压强度之比同木材的韧性密切相关，决定了静力载荷下木材抗弯的特性[9]。笔罗子木材的平均顺纹抗拉强度为153.97 MPa，与顺纹抗压强度之比为3.21，均高于表3中其他密度相近的树种。

在木材的剪切强度中，顺纹剪切强度一般只有顺纹抗压强度的20%，因此在试验中只测试它的顺纹剪切强度来评估其剪切性能。从表2可以看出，笔罗子木材的径向抗剪强度为9.13 MPa，弦向抗剪强度为12.81 MPa，弦向高于径向40%，顺纹剪切强度在弦面和径面上有较大的差异。相较于表3中其他密度相近的树种，笔罗子的顺纹抗剪强度小于华南桦、亮叶桦、云南朴树、红桦，大于侧柏、枫香，与西桦、水曲柳、白桦接近。

笔罗子木材的径向和弦向抗劈力分别为49.78 N/mm和59.50 N/mm，径向略低于弦向，但其弦径面抗劈力明显高于表3中其他树种，表明笔罗子的弦径面抗劈性能良好，这与木材构造不均匀，纹理走向不一致有关。

冲击韧性是木材在冲击载荷条件下对破坏的抵抗能力，也可作为评价木材韧性或脆性的指标，冲击破坏消耗的能量越大木材的脆性越小[10]。笔罗子木材的平均冲击韧性值为78.83 kJ/m2，根据木材材性分级规定可知，笔罗子木材的冲击韧性为中级。通过表3可以看到，笔罗子木材的冲击韧性大于西桦、水曲柳、枫香、云南朴树，小于白桦、亮叶桦。

木材硬度反映的是其加工的难易程度和耐磨损能力。硬度越大，木材的切削加工就越困难。由表2可知，笔罗子木材的端面、弦面和径面硬度分别是5 279.24、3 189.46和2 746.34 N，各面硬度大小的比较顺序为端面> 弦面 > 径面，三者比例为1.92：1.16：1。

3 结论

通过对笔罗子木材物理力学性质的测定和分析可知，笔罗子木材密度中等，体积干缩性较小，在板材运输与干燥过程中不易发生翘曲和开裂，尺寸稳定性较高；其抗弯强度和抗弯弹性模量均低于其他密度相近的树种，表明当笔罗子受外力作用时，木材容易发生变形；笔罗子的硬度适中、冲击韧性也较好，适于加工生产，除此之外，其顺纹抗劈力明显大于其他密度相近树种，说明笔罗子木材的构造具有不均一性，木材纹理等较其他树种复杂。

[1]周侃侃，徐漫平，郭飞燕，等. 木荷木材物理力学性质及其加工性能研究[J]. 浙江林业科技，2009，3（5）：19-23.

[2]俞友明，张宏，严建明，等. 不同地位级雷竹竹材的物理力学性质比较[J]. 浙江林业科技，2004，3（5）：27-29.

[3]俞友明，杨云芳，方伟，等. 红壳竹人工林竹材物理力学性质的研究[J]. 竹子研究汇刊，2001，4（10）：42-46.

[4]骆嘉言，林金国，李大岔，等. 香椿人工林和天然林木材材性的比较研究[J]. 西北林学院学报，2003，18（2）：77-79.

[5]GB1927 ~ 1943-91，木材物理力学实验性质方法[S].

[6]李坚. 木材科学[M]. 北京：高等教育出版社，2002.

[7]成俊卿，杨家驹，刘鹏. 中国木材志[M]. 北京：中国林业出版社，1992.

[8]中国林业科学院木材工业研究所. 中国主要树种的木材物理力学性质[M]. 北京：中国林业出版社, 1982.

[9]成俊卿. 木材学[M]. 北京：中国林业出版社，1985.

[10]梁善庆，罗建举. 人工林米老排木材的物理力学性质[J]. 中南林业科技大学学报，2007，27（5）：97-100.

Physico-mechanical Properties of Meliosma rigida Wood

CAO Wen1，YU You-ming1*，TONG Zai-kang1，LUO Wen-jian2
（1. Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, China; 2. Zhejiang Forestry Seed and Seedling Administration, Hangzhou 310020, China）

Determinations were conducted on physical and mechanical properties of Meliosma rigida timber from Qingyuan Forest Farm of Zhejiang province. The result showed that mean air-dry density was 0.677g/cm3, with 9.44% of variable coefficient, indicating easy for rotary-cut. It had volume shrinkage coefficient of 0.27%, leading good dimension stability. The bending modulus of elasticity was 6.35 GPa, and bending strength 79.95 MPa, lower than those of other species with similar density. Tensile strength parallel to grain was 153.97 MPa, compressive strength parallel to grain 48.02 MPa. Determinations concluded that M. rigida timber could be easy processed.

Meliosma rigida; timber; physico-mechanical properties

S781.2

B

1001-3776（2015）04-0077-04

2014-10-26；

：2015-01-14

浙江省重大科技专项“浙江省珍稀濒危林木种质资源收集保存与利用关键技术研究及基因库建设”（2006C12059-4）；浙江省重点科技项目“浙江珍稀濒危树种现代保育关键技术研究“（2006C22064）

曹文（1989-），男，山西闻喜人，硕士生，从事木材科学与材质改良研究；*通讯作者。