不同树龄尾巨桉无性系木材物理与力学性能评价

黄腾华 王军锋 栾洁 宋恋环 雷福娟

(广西壮族自治区林业科学研究院∕广西木材资源培育质量控制工程技术研究中心 广西南宁530002)

尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E.grandis）是尾叶桉和巨桉杂交的无性系，在我国南方大量种植，具有生长快、树干通直匀称、抗性强等优点，但其木材在加工和使用中易开裂变形，影响其作为实木家具、地板等方面的使用，目前主要作为造纸、刨花板、纤维板和胶合板等的原材料，具有较高的经济价值［1-4］，为广西人造板加工行业作出了巨大贡献。研究其不同树龄木材的主要物理力学特性及变异规律，了解其材性特点，可为科学开展尾巨桉定向培育、材性改良、实木加工利用等提供重要参考［5］。本文以5 年生和7 年生尾巨桉无性系木材为对象，对其主要物理性质（基本密度、气干密度、全干密度、气干干缩率及干缩系数、全干干缩率及干缩系数、差异干缩）和力学性质（顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、硬度、冲击韧性）等指标进行检测、分析及评价，研究不同树龄尾巨桉木材主要物理力学性质的变异规律，为尾巨桉定向培育及其木材高质量加工利用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料

试材采集于广西国营维都林场龙凤山分场［1］，参照GB/T1927—2009［6］《木材物理力学性质试材采集方法》，分别采集5年生和7年生2种不同树龄人工林尾巨桉无性系试材，每个树龄采集5株，试材的基本情况见表1。

表1 试材的基本情况

1.2 方法

每株试材分别取1.3～3.3、5.3～7.3、9.3～11.3 m三个不同高度木段作为物理力学性能测定试材，将原木段锯成厚度为60 mm 的中心板和厚度为22 mm 毛边锯材，同时对中心板和毛边锯材两端头进行涂蜡处理和铁线捆绑处理以防止试样气干过程中端裂，并将试样交叉堆垛在室内阴凉通风处进行气干，根据国标GB/T1929—2009［7］制备标准测定试样并置于温度（20±2）℃、相对湿度（65±3）%的恒温恒湿箱内进行含水率的调整。采用JBM100摆锤式冲击试验机、UTM5504电子万能力学试验机、恒温干燥箱、千分尺、电子天平等仪器设备，按照国标GB/T1930～1943—2009［8］对尾巨桉木材物理力学性质的各项指标进行测定。试验结果均换算成含水率为12%时的数据，统计分析各项指标值及规律。

2 结果与分析

2.1 木材物理性质

5 年生和7 年生尾巨桉无性系木材的主要物理性质结果见表2，木材基本密度、全干密度和气干密度的方差分析结果见表3。

2.1.1 密度

木材密度是指单位体积内胞壁物质的数量，与木材的干缩湿涨、强度、加工等性能具有非常大的相关性，对木材加工利用和林木培育具有重要的指导意义，是衡量木材性能的重要指标［9］。由表2 可知，5 年生和7 年生尾巨桉无性系木材的基本密度分别为0.424、0.437 g/cm3，全干密度分别为0.498、0.506 g/cm3，气干密度分别为0.533、0.543 g/cm3；根据我国木材气干密度5 级分级情况［10］，5 年生和7 年生尾巨桉无性系木材的气干密度均为2 级（0.351～0.550 g/cm3），属于中等偏低密度木材。尾巨桉基本密度、全干密度和气干密度与小径柚木（Tectona grandisL.f）相近［11］。

表2 尾巨桉木材主要物理性质

表3 不同树龄尾巨桉主要物理性质的方差分析结果

2.1.2 干缩特性

干缩是木材的固有特性，在环境湿度较低时会导致木材或木制品尺寸收缩而产生缝隙、翘曲变形与开裂现象，是影响木材加工和利用的主要因素［12］。弦向干缩与径向干缩的比值称为差异干缩，是反映木材干燥时，是否易翘曲和开裂的重要指标，根据木材差异干缩的大小，大致可决定木材对特殊用材的适应性。干缩系数是指吸着水每变化1%时木材的干缩率变化值。差异干缩和干缩系数是反映木材尺寸稳定性的重要指标，其值较大时，尺寸稳定性相对比较差，易发生变形和开裂［13］。由表2可知，5年生尾巨桉无性系木材的弦向、径向和体积气干干缩率平均值分别是6.52%、3.01%和10.05%，差异干缩为2.35；其弦向、径向和体积全干干缩率平均值分别为9.49%、4.81%和14.74%；木材的弦向、径向和体积干缩系数平均值分别为0.254%、0.157%和0.425%。7 年生尾巨桉无性系木材的弦向、径向和体积气干干缩率平均值分别是5.68%、2.19% 和8.93%，差异干缩为2.78；其弦向、径向和体积全干干缩率平均值分别为9.19%、4.11%和13.64%；木材的弦向、径向和体积干缩系数平均值分别为0.297%、0.154% 和 0.474%；对照木材性质 5 级分级表［10］，5年生和7 年生尾巨桉木材的体积干缩系数均属于3级（0.401%～0.500%）；5 年生尾巨桉木材差异干缩属4级（2.11%～2.60%），7年生尾巨桉木材差异干缩属5 级（≥2.61%）；说明5 和7 年生尾巨桉无性系木材内部各方向干缩不均匀，尺寸稳定性差，干燥过程中容易开裂变形。

2.1.3 不同树龄尾巨桉木材主要物理性质方差分析

由表3 可知，5 年生和7 年生尾巨桉无性系木材的基本密度差异均极显著，全干密度差异不显著，气干密度差异显著。

2.2 木材力学性质

5 年生和7 年生尾巨桉无性系木材主要力学性质结果见表4，方差分析结果见表5。

2.2.1 顺纹抗压强度

木材顺纹抗压强度是指木材沿纹理方向承受压力荷载的最大能力，主要用于选择和计算结构材和建筑材的受压构件的容许工作应力，如木结构支柱、矿柱和家具中的腿构件所承受的压力［9］。是重要的力学性质指标之一，常用以研究不同处理条件对木材强度的影响。5 年生和7 年生尾巨桉木材的顺纹抗压强度平均值分别为44.8、46.3 MPa（表 3），根据我国木材性质5 级分级情况［10］，5 年生和7年生尾巨桉无性系木材顺纹抗压强度分别属于 2 级 （30.1～45.0 MPa） 和 3 级 （45.1～60.0 MPa），说明5 年生和7 年生尾巨桉无性系木材承受顺纹方向载荷的能力中等，木材顺纹抗压强度随树龄增加而增大。尾巨桉木材顺纹抗压强度与小径柚木相近［11］。

2.2.2 抗弯强度和抗弯弹性模量

表4 尾巨桉木材主要力学性质

表5 不同树龄尾巨桉主要力学性质的方差分析结果

木材抗弯强度是指木材承受逐渐施加弯曲荷载的最大能力。与树种、树龄、部位、含水率和温度等相关，是重要的木材力学性质之一，主要用于家具中各种柜体的横梁、建筑物的桁架、地板和桥梁等易于弯曲构件的设计。木材抗弯弹性模量是指木材受力弯曲时，在比例极限内应力与应变之比，用于计算梁及桁架等弯曲荷载下的变形以及计算安全荷载。木材的抗弯弹性模量代表木材的刚性或弹性，也即表示梁抵抗弯曲或变形的能力。梁在承受荷载时，其变形与弹性模量成反比，弹性模量大，变形小，其木材刚度也大［9-10］。由表3可知，5年生和7年生尾巨桉无性系木材的抗弯强度平均值分别为80.3 和83.8 MPa，抗弯弹性模量分别为10 032 和10 805 MPa，根据木材性质分级情况［10］，5 年生和7 年生尾巨桉无性系木材抗弯强度均属于2 级（55.1～90.0 MPa）；抗弯弹性模量分别属于2 级（7 600～10 500 MPa）和3 级 （10 600～13 500 MPa），说明5 年生和7 年生尾巨桉无性系木材承受横向载荷的能力中等略偏低。尾巨桉抗弯强度与橡胶木（Hevea brasiliensis）接近（为88.4 MPa），但抗弯弹性模量高于橡胶木（为 8 335 MPa）［14］。

2.2.3 硬度

木材硬度是指木材抵抗其它刚体压入的能力。木材的硬度与木材的密度密切相关，密度大其硬度则高，反之则低［13］。5年生尾巨桉无性系木材的端面、弦面、径面硬度分别为4 128、3 175、2 759（表3），7 年生尾巨桉无性系木材的端面、弦面、径面硬度分别为4 494、3 388、2 951 N（表3），对照木材性质分级情况表［10］，5 年和7 年生尾巨桉无性系木材均属于3 级（4 010～6 500 N），为中等硬度木材。尾巨桉木材硬度与观光木（Tsoongiodendron odorum）相近（端面、弦面、径面硬度分别为4 366、3 062、2 748 N）［15］。

2.2.4 冲击韧性

木材的冲击韧性是指木材受冲击力而弯曲折断时，试样单位面积所吸收的能量。吸收的能量越大，表明木材的韧性越高而脆性越低，因此，冲击韧性是检验木材的韧性或脆性的指标。在生产上常以此作为枪托、飞机、车船、木梭、木桶、球棒及运动器械等用材的检验指标［13-14］。5 年生和7 年生尾巨桉无性系木材的冲击韧性平均值分别为44.2和46.6 kJ/m2（表3），根据木材冲击韧性4 级分级情况［10］可知，5年生和7年生尾巨桉无性系木材的冲击韧性均属于2 级（25.1～85.0 kJ/m2），说明5年生和7 年生尾巨桉无性系木材韧性较低、脆性较高。其冲击韧性与澳洲坚果（Macadamia ternifolia）木材相近（为46 kJ/m2）［16］。

2.2.5 不同树龄间主要力学性质方差分析

5 年生和7 年生尾巨桉无性系木材的顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性和硬度的方差分析结果见表5。表明：不同树龄间，尾巨桉木材的顺纹抗压强度、抗弯弹性模量和端面硬度差异极显著，弦面硬度和径面硬度差异显著，抗弯强度和冲击韧性差异不显著。

2.3 综合强度及品质系数

木材的综合强度是指顺纹抗压强度和抗弯强度之和，常用来评价木材能否作为承重构件的性能指标［17］。木材品质系数是木材极限强度与基本密度的比值［18］。对于一些要求轻质高强的构件，如在航天航空和高空建筑等领域，品质系数是评价材料优劣的重要指标［19］。5 年生和7 年生尾巨桉无性系木材的综合强度分别为125.1、130.1 MPa，依据木材顺纹抗压强度、抗弯强度数据计算得出综合品质系数（表6）。

表6 尾巨桉木材品质系数

根据木材综合品质系数的大小，可将其分为低 等 级 材 （＜19.6×107Pa）、 中 等 等 级 材（19.61×107～21.56×107Pa） 和高等级材 （＞21.56×107Pa）3类［17］。从表6中可知，5年生和7年生尾巨桉无性系木材的综合品质系数分别为29.5×107和29.7×107Pa，均属于高等级材。

3 结论与建议

5 年生和7 年生尾巨桉无性系木材的基本密度分别为0.424、0.437 g/cm3，全干密度分别为0.498、0.506 g/cm3，气干密度分别为0.533、0.543 g/cm3；气干密度均为2 级，属于低密度木材。5 年生和7 年生尾巨桉无性系木材的体积干缩系数分别为0.425%和0.474%，均属于3 级；5 年生和7 年生尾巨桉无性系木材差异干缩分别为2.35、2.78，属4、5级；说明5和7年生尾巨桉无性系木材属于干缩性大的速生材，其木材内部各方向干缩不均匀，尺寸稳定性差，干燥过程中易开裂变形。

5 年生尾巨桉无性系木材的顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量分别为44.8、80.3、10 032 MPa，冲击韧性、端面硬度、弦面硬度和径面硬度分别为44.2 kJ/m2、4 128、3 175、2 759 N，根据木材性质分级情况，顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量和冲击韧性均属于2级，端面硬度属于3 级；7 年生尾巨桉无性系木材顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量分别为46.3、83.8、10 805 MPa，冲击韧性、端面硬度、弦面硬度和径面硬度分别为46.6 kJ/m2、4 494、3 388、2 951 N，根据木材性质分级情况，7 年生尾巨桉无性系木材的抗弯强度和冲击韧性均属于2 级，顺纹抗压强度、抗弯弹性模量和端面硬度均属于3 级。说明5年生和7年生尾巨桉无性系木材较软、承受横向载荷的能力中等略偏低、承受顺纹方向载荷的能力中等，且木材韧性较低、脆性较高。7 年生尾巨桉木材的各项力学强度较5 年生大。说明5～7 年生人工林尾巨桉无性系木材还不适宜直接使用作为承重构件、弯曲构件、实木家具等方面用材。

5 年生和7 年生尾巨桉无性系木材的综合强度分别为125.1 和130.1 MPa，依据木材顺纹抗压强度、抗弯强度数据计算得出综合品质系数分别为29.5×107和 29.7×107Pa 均属于高等级材。5 年和7 年生尾巨桉无性系木材密度较小，干缩率较大、尺寸稳定性差，易变形开裂，针对这些特性，当前尾巨桉应用于胶合板等人造板制造仍为较好的选择。如果要进行实木利用，可以考虑对其进行改良处理，如将纳米碳酸钙、二氧化硅等无机化合物注入木材中，或采用低分子树脂等浸渍处理，增强木材强度，提高木材尺寸稳定性，扩展其用途。从两个树龄木材的物理力学性能对比看，7 年生木材均较5年生的指标高，因此针对高强度木材培育方面，可适当培育一批轮伐期长的尾巨桉，以适应市场的需要。