15年生巨尾桉人工林木材物理力学性质的研究

施福军，唐 庆，韦鹏练

(1.广西壮族自治区南宁树木园,南宁 530200；2.广西大学 林学院，南宁 530004)

巨尾桉(Eucalyptusgrandis×E.urophylla)是由巨桉和尾叶桉杂交选育而来的速生树种，常绿乔木，具有生长快、纸浆得率高、对低海拔干旱土壤适应性和抗溃疡病能力强的特点。我国栽培的巨尾桉由澳大利亚引入，该树种用途单一，主要用来制造人造板，没有实木利用。目前市场以采伐的5～7 a生速生桉木为主，为了培育桉木大径材，减少桉树采伐周期过短对土壤和环境的影响,响应国家可持续发展战略号召，大力发掘和培养较长生长年限的桉木材，我们进行了15 a生巨尾桉材性研究，以明确其木材物理力学性质，并与传统按木材相比较，判断其是否适于作为实木材利用。

1 材料与方法

1.1 材料

试材采自广西壮族自治区南宁市树木园连山管区11林班，采集日期：2016年9月28日。根据林木的生长情况，分散选取5株生长正常要、树干通直、没有明显缺陷、具有代表性的植株作为样木，树龄15年石材基本情况如表1。桉树试样的采集按GB/T 1927-2009《木材物理力学试材采集方法》[1]进行。样木倒伐之后，在0、1.3、3.3、5.3、7.3、9.3、11.3 m(至树干直径小于6 cm止)处各锯取2个厚约5 cm的圆盘，用以测定巨尾桉人工林木材的生长轮宽度、生材密度、生材含水率、树皮率等各项解剖指标。在1.3～3.3、5.3～7.3、9.3～11. 3 m处各锯取2 m长的木段作为标准木段用以测定巨尾桉人工林木材的物理力学性质。

表1 试材基本情况

1.2 试件制作以及测试方法

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》[13]制取试样。各项物理力学指标依据国家标准GB/T1932～1942-2009《木材物理力学试验方法》[3]测定。物理性质测定指标包括生长轮宽度、基本密度、气干密度、全干密度、湿胀率、干缩性和吸水性;力学性能测试指标主要有抗弯强度、木材硬度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度和冲击韧性，其中冲击韧性利用摆锤式冲击试验机测量，其余指标用SANS万能试验机测量。

图1 15 a生巨尾桉和其他5 a生桉树密度比较

2 结果与分析

2.1 木材物理性质

2.1.1 木材密度 木材密度是一项重要的物理指标，通过密度值可以初步判断木材材性好坏，同等含水率的不同种木材，密度越大，则其质量越重，强度也越大，从表2可以看出30组巨尾桉的基本密度、气干密度、全干密度平均值分别为0.670、0.720、0.690 g·cm-3，变异系数分别为7.74%、6.77%和7.31%，变异性较小。根据《木材的主要物理力学性质分级表》[4]标准判定，巨尾桉属于第3级，木材密度较小，这与巨尾桉生长速度较快有关，所以其加工时产生的阻力较小，易于加工，将15 a生巨尾桉人工林木材平均密度与其它短周期轮伐的桉树进行比较，其结果如图1所示。从图中可以看出，15 a生巨尾桉所有密度指标，都比其它生长年限更短的桉树高，说明延长种植年限，可以增大桉树木材密度。

表2 15 a生巨尾桉密度

2.1.2 吸水性 木材的吸水性是商品用木材材性判定的重要指标之一[4]。15 a生巨尾桉人工林木材吸水率随时间的变化如图2所示。从图中可以看出，巨尾桉前2天的吸水率变化很大，质量变化明显，含水率升高迅速，这是由于前2天木材细胞含水率相对较低，木材横向和轴向的吸水速度都比较快，吸水率呈线性增长。吸水速度在第3天的时候开始变缓，第3天到第8天木材吸水率变化非常缓慢， 此时细胞腔和细胞间隙中的水分已经逐渐饱和。第10天到第12天吸水率差值小于5%，可认为其吸水率在第12天的时候达到最大值，为151.4%。这反映了巨尾桉具有良好的浸注性。

图2 15年生巨尾桉的吸水率

2.1.3 干缩性 干缩湿胀是木材的固有性质，也是它的一大缺陷，会引起木材尺寸的变化，当木材各个方向的干缩湿胀不均衡时，就会开裂和变形，影响木材的利用。干缩率反映的是木材干缩的大小程度，15 a生巨尾桉人工林木材平均干缩性测定结果如表3所示，由表3知，15 a生巨尾桉弦向平均干缩率为8.9%，径向平均干缩率为5.5%，体积干缩率平均值为14.6%，根据《木材的主要物理力学性质分级表》标准判定，15 a生巨尾桉人工林木材体积干缩属于一级材干缩范围。从3个干缩率指标来看径向干缩率最小，所以径切材的材性最稳定，实验或者生产优良产品时应优先使用径切材。

表3 15年生巨尾桉干缩性的测定

图3 15 a生巨尾桉全干时的干缩率与其他树种的比较情况

15 a生巨尾桉人工林木材全干干缩率与其它短周期轮伐的桉树比较结果如图3所示。从图中可以看出，巨尾桉的各项全干干缩率与其它短周期轮伐的桉树差异不显著,15 a生巨尾桉和巨桉径向干缩率最小，只有5.4%，比5 a生蓝桉小2.2%，比5年生大叶桉的径向干缩率小0.5%。四种桉树的弦向干缩率最大的是5 a生蓝桉，最大值是10.0%，弦向干缩率最小的是5年生巨桉，最小值是8.4%，极差为1.6%，5 a生大叶桉的弦向干缩率是8.9%，四种桉树的弦向干缩率差异不显著。这几个树种的径向和体积干缩率也相差不大，由此可以看出桉树的干缩性与生长时间相关性不大。

15 a生巨尾桉木材力学性质测定结果如表4所示，从表中可以看出，15 a生巨尾桉的端面硬度、弦面硬度、径面硬度分别为5 408.7 N(68.9 MPa)、4 657.3 N(51.3 MPa)和3 161.0 N(55.1 MPa)，三个方向硬度的比值为1∶0.745∶0.8，根据《木材的主要物理力学性质分级表》[4]，15 a生巨尾桉的弦面和径面硬度达到了3级标准，端面硬度达到了4级标准。15 a生巨尾桉的抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性和顺纹抗压强度分别为83.9 MPa、12 790 MPa、65 KJ·m-2、44.2 MPa，对应的强度等级分别为2级、3级、2级、1级)。

木材的顺纹抗压强度是判断木材是否可以作为建筑和结构材料的主要力学性质之一[9]，是指在平行木材纤维方向对试件加压面全部施加载荷时的强度[10]。木材作为称重构件使用时一般需要考虑它抗弯强度和顺纹抗压强度，通常用它们之和表示木材的综合强度， 并以此判断木材承重

表4 15 a生巨尾桉力学特性

性能。计算得知15 a生巨尾桉的综合强度为128.1 MPa，属于高强度树种(107.9～166.6 MPa)[8]。衡量木材性质的优劣不仅需要根据各项极限强度值，在一些特殊场合还要求木材具备较高的力学强度和较轻的自身重量，也就是要求其具备较高的强重比，即品质系数。顺压品质系数和静曲品质系数是最重要的两项品质系数，二者之和称作综合品质系数。根据此系数的大小可以把木材分为3个等级[8]，第1类为低等级材，综合品质系数<1 960×105Pa;第2类为中等级材，综合品质系数1 961×105～2 156×105Pa;第3类为高等级材，综合品质系数>2 156×105Pa。计算得知15 a生巨尾桉的综合品质系数为191.2 GPa,属于低等级材。

2.3 比较分析

15 a生巨尾桉和几种常用桉树的力学性质对比结果如表5所示,可看出，除了抗弯强度之外，其他三项力学指标都是5种树种里面最高的，由此可以看出桉树的生长年限越长，其大部分力学性能就越高。

表5 几种桉树木材力学性质

3 结论与讨论

15 a生巨尾桉属于密度小、干缩性小的一类木材，其基本密度、气干密度、全干密度分别为0.67、0.72、0.69 g·cm-3，这跟它较快的生长速度有关；弦向、径向和体积干缩率分别为8.9%、5.5%、14.6%。除了顺纹抗压强度之外，15 a生巨尾桉的各项主要力学指标只达到中等甚至低下水平，综合品质系数低，综合强度只有191.2 GPa。

15 a生巨尾桉力学性能普遍高于生长周期较短的桉木，较长的生长年限对桉木的材性具有提高作用，从主要物理力学性质来看，15 a生巨尾桉是一种速生优质树种，适合种植人工林，可以替代部分生长缓慢、个体数量越来越少的树种。