全 文 :人工林灰木莲木材物理力学性质研究
陈松武1,梁炜文2,许彩娟1,黄 婷1,陈晓斌1,符韵林1*
(1.广西大学林学院,广西南宁 530004;2. 广西国有高峰林场,广西南宁 530001)
摘要 研究了灰木莲木材的密度、干缩性、弯曲强度、冲击韧性、硬度等主要物理力学性质。结果表明:基本密度、气干密度(含水率为
12%)和全干密度分别为 0. 408、0. 463和 0. 435 g /cm3,气干密度属于国产木材的轻等级水平。全干差异干缩和气干差异干缩分别为
1. 714和 1. 900,弦向和径向干缩湿胀差异较大。抗弯强度 81. 2 MPa,顺纹抗压强度 43. 7 MPa,冲击韧性 17 kJ /m2,端面、弦面和径面硬度
分别为 4 200. 1、2 984. 8和 2 589. 7 N。灰木莲木材的综合强度为 124. 9 MPa,属低等材。
关键词 灰木莲;物理性质;力学性质
中图分类号 S792 文献标识码 A 文章编号 0517 -6611(2012)16 -08993 -04
Study on the Physical and Mechanical Properties of Manglietia glauca Woods
CHEN Song-wu et al (Forestry College,Guangxi University,Nanning,Guangxi 530004)
Abstract The main physical properties of M. glauca woods,including the density,dry-shrinkage,bending strength,imapct toughness,
hardness,etc.,were studied. As indicated by the results,the basic density,air-dry density (moisture content of wood is 12% )and oven-
dry density were respectively 0. 408,0. 463 and 0. 435 g /cm3,the air-dry density belonged to the light grade level. The values of differential
shrinkage of oven-dried and air-dried wood were 1. 714 and 1. 900 respectively,indicating that the difference of drying shrinkage and the wet-
ting swelling in radial and tangential directions were significant. The values of bending strength and compressive strength parallel to grain of
Manglietia glauca were 81. 2 MPa and 43. 7 MPa. The toughness was 17 kJ /m2,the values of hardness on cross,tangential and radial surfaces
were respectively 4 200. 1 N,2 984. 8 N and 2 589. 7 N. The general strength of Manglietia glauca was 124. 9 MPa,thus illustrating that the
wood was of low quality.
Key words Manglietia glauca;Physical properties;Mechanical properties
基金项目 国家自然科学基金(31160144) ;广西林业科技项目“高峰林
场珍贵及优良乡土树种科研项目”。
作者简介 陈松武(1977 -) ,男,广西陆川人,工程师,硕士,从事木材
及人造板检测工作,E-mail:csw. ily@ 163. com。* 通讯作
者,教授,博士,从事木材及其功能改良研究,E-mail:fylin@
126. com。
收稿日期 2012-03-26
灰木莲(Manglietia glauca)属木兰科(Magnoliaceae Juss)
木莲属常绿阔叶大乔木树种,原产越南、印度尼西亚爪哇等
地,泰国、缅甸、马来西亚也有分布[1]。灰木莲树高可达 30 m
以上,胸径 50 ~ 70 cm,树干通直,高大挺拔,树姿优美,抗性
强、生长较快、材质优良。灰木莲在我国无自然分布,我国广
东、广西、福建、云南等地于 1960 年开始相继成功开展了灰
木莲的引种栽培[2 -4]工作,其生长表现良好,并能自然结实。
灰木莲四季常绿,枝繁叶茂,生长快,适应性强,花多且周期
长,花大而洁白,并能散发清香,既是优良的用材树种,也是
优良的观赏绿化树种。此外,灰木莲还具有较强的杀菌保健
能力,适于在城镇市区街道、公园、庭院、路旁、草坪等地种
植[5]。经引种实验表明,灰木莲在广东、广西、海南、福建等
地速生且能正常开花结实[6]。
灰木莲作为广西地方特色珍贵树种之一,备受重视。自
引种以来,关于灰木莲的生物学生态学特性,种苗繁殖和造
林技术方面的研究取得了丰硕的成果,但在材性方面的研究
还比较少。为明确人工林灰木莲木材性质,为其木材利用提
供建议,以指导灰木莲的种植与发展,笔者系统研究了灰木
莲木材物理力学性质,为人工林灰木莲的加工利用提供理论
依据。
1 材料与方法
1. 1 试材采集 人工林灰木莲木材试材采集于广西国有
高峰林场界牌分场,树龄为 46年,试材采集方法依据国家标
准 GB /T1927—2009《木材物理力学试材采集方法》[7]进行。
选取长势良好、树干通直、节疤少、无病虫害、胸径中等的样
木 8株,标出北向。样木伐倒后,量全树高与枝下高,在 0、
1. 3、3. 3、5. 3、7. 3、9. 3、11. 3、13. 3 、15. 3 、17. 3 、19. 3、21. 3、
23. 3 m等处各锯取厚度为 5 cm的圆盘 2 个。圆盘锯取后,
将其中 1个带回实验室气干,供测定年轮宽度、木材解剖分
子特性等使用;另 1 个立即装入保鲜袋中密封,供测定生材
含水率、生材密度、基本密度及树皮率使用。在树干高度方
向锯取 1. 3 ~3. 3 m、5. 3 ~7. 3 m、9. 3 ~11. 3 m范围内的木段
作木材物理力学性质测定用。采集情况见表 1。
1. 2 试样制作 将试材按照国家标准 GB /T 1929 - 2009
《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》[8]进行初步加工,
加工后的试样毛坯在实验室阴凉通风处进行堆垛气干放置,
直到试材达到气干。再按照国家标准 GB /T 1930 ~ 1941 -
2009《木材物理力学性质试验方法》[9]加工成试验用的试样。
1. 3 测定方法 灰木莲木材物理力学性质指标的测定方
法依据 GB /T 1930 ~1941 - 2009《木材物理力学性质试验方
法》[9]的相关规定进行。各项力学性质在万能力学试验机和
摆锤式冲击试验机上测定,测定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。完成测定后,分别计
算各项指标的平均值、标准差、标准误差、变异系数和准确
指数。
2 结果与分析
2. 1 灰木莲木材的物理性质 根据试验结果,计算灰木莲
木材各项物理性质指标均值和变异统计数据,如表 2所示。
安徽农业科学,Journal of Anhui Agri. Sci. 2012,40(16):8993 - 8996 责任编辑 高菲 责任校对 卢瑶
DOI:10.13989/j.cnki.0517-6611.2012.16.132
表 1 灰木莲样木采集情况
样木编号
径阶
cm
树高∥m
全高 枝下高
圆盘截取高度∥m
试材
编号 高度∥m 长度∥m 小头直径∥cm
1 18 20. 5 14. 3 0、1. 3、3. 3、5. 3、7. 3、9. 3、11. 3、13. 3、15. 3、
17. 3
1 ~1 1. 3 ~3. 3 2 14. 7
1 ~2 5. 3 ~7. 3 2 13. 2
1 ~3 9. 3 ~11. 3 2 10. 6
2 20 23. 2 15. 5 0、1. 3、3. 3、5. 3、7. 3、9. 3、11. 3、13. 3、15. 3、
17. 3、19. 3、21. 3
1 ~1 1. 3 ~3. 3 2 17. 1
1 ~2 5. 3 ~7. 3 2 15. 6
1 ~3 9. 3 ~11. 3 2 12. 8
3 22 17. 8 10. 3 0、1. 3、3. 3、5. 3、7. 3、9. 3、11. 3、13. 3、15. 3 1 ~1 1. 3 ~3. 3 2 18. 1
1 ~2 5. 3 ~7. 3 2 15. 4
1 ~3 9. 3 ~11. 3 2 12. 6
4 24 24. 5 19. 4 0、1. 3、3. 3、5. 3、7. 3、9. 3、11. 3、13. 3、15. 3、
17. 3、19. 3、21. 3
1 ~1 1. 3 ~3. 3 2 20. 0
1 ~2 5. 3 ~7. 3 2 18. 6
1 ~3 9. 3 ~11. 3 2 15. 0
5 26 24. 2 15. 5 0、1. 3、3. 3、5. 3、7. 3、9. 3、11. 3、13. 3、15. 3、
17. 3、19. 3、21. 3、23. 3
1 ~1 1. 3 ~3. 3 2 21. 0
1 ~2 5. 3 ~7. 3 2 20. 0
1 ~3 9. 3 ~11. 3 2 17. 7
6 28 25. 0 15. 8 0、1. 3、3. 3、5. 3、7. 3、9. 3、11. 3、13. 3、15. 3、
17. 3、19. 3、21. 3、23. 3
1 ~1 1. 3 ~3. 3 2 24. 5
1 ~2 5. 3 ~7. 3 2 22. 4
1 ~3 9. 3 ~11. 3 2 20. 4
7 30 25. 2 18. 0 0、1. 3、3. 3、5. 3、7. 3、9. 3、11. 3、13. 3、15. 3、
17. 3、19. 3、21. 3、23. 3
1 ~1 1. 3 ~3. 3 2 24. 8
1 ~2 5. 3 ~7. 3 2 22. 1
1 ~3 9. 3 ~11. 3 2 18. 9
1 ~4 13. 3 ~15. 3 2 16. 1
8 32 25 15. 2 0、1. 3、3. 3、5. 3、7. 3、9. 3、11. 3、13. 3、15. 3、
17. 3、19. 3、21. 3、23. 3
1 ~1 1. 3 ~3. 3 2 27. 1
1 ~2 5. 3 ~7. 3 2 23. 9
1 ~3 9. 3 ~11. 3 2 21. 5
1 ~4 13. 5 ~15. 5 2 17. 1
表 2 灰木莲木材物理性质结果
指标
年轮
宽度
mm
气干
含水率
%
基本
密度
g /cm3
气干
密度
g /cm3
全干
密度
g /cm3
从全干到气干
时湿胀率∥%
弦向 径向 体积
从全干到饱水
时湿胀率∥%
弦向 径向 体积
全干干缩率∥%
径向 弦向 体积
试样数 95 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150
平均值 3. 1 14. 2 0. 408 0. 463 0. 435 2. 3 1. 5 4. 2 7. 1 4. 0 12. 2 3. 454 5. 809 9. 382
标准差 0. 090 0. 514 0. 003 1. 049 0. 047 0. 663 0. 301 0. 874 0. 963 0. 783 1. 612 0. 737 1. 325 1. 843
标准误差 0. 009 0. 042 0. 0003 1. 004 0. 004 0. 054 0. 025 0. 071 0. 079 0. 064 0. 132 0. 06 0. 108 0. 15
变异系数∥% 2. 865 3. 62 0. 852 10. 609 10. 899 28. 826 19. 571 20. 944 13. 619 19. 536 13. 187 21. 348 22. 813 19. 643
准确指数∥% 0. 576 0. 579 0. 136 1. 698 1. 744 4. 613 3. 132 3. 352 2. 179 3. 126 2. 11 3. 416 3. 651 3. 144
指标 差异干缩
全干干缩系数
径向 弦向 体积
气干干缩率∥%
径向 弦向 体积
差异
干缩
气干干缩系数
径向 弦向 体积
试样数 / 150 150 150 150 150 150 / 150 150 150
平均值 1. 714 0. 028 0. 048 0. 077 1. 761 3. 323 5. 171 1. 900 0. 016 0. 030 0. 047
标准差 / 0. 004 0. 006 0. 010 0. 375 0. 414 0. 672 / 0. 003 0. 006 0. 010
标准误差 / 0. 000 0. 001 0. 001 0. 031 0. 034 0. 055 / 0. 000 0. 001 0. 001
变异系数∥% / 13. 536 13. 536 13. 536 21. 29 12. 452 12. 992 / 20. 544 20. 544 20. 544
准确指数∥% / 2. 166 2. 166 2. 166 3. 407 1. 993 2. 079 / 3. 288 3. 288 3. 288
2. 1. 1 年轮宽度。年轮宽度是树木径向生长量的一个重要
指标,年轮宽度的大小变化,反映了树木的生长情况,在营
林、材性等方面常以生长轮的变化作为一项重要指标。年轮
宽度影响木材密度,一般来说,年轮宽度越大,木材密度越
小。一般认为,树木幼龄时期生长迅速而年轮宽度较宽,壮
龄时期就逐渐减缓,而到老龄时期生长量就很少,年轮宽度
变得狭窄。从表 2可知,灰木莲的平均年轮宽度为 3. 1 mm,
可见灰木莲的生长速度较慢,年轮宽度在径向上的变化波动
较小,其相邻年间的差异一般不超过 1 mm,说明其相邻年间
的生长速度差异不大,如图 1所示。 图 1 年轮宽度径向变异曲线
4998 安徽农业科学 2012 年
2. 1. 2 密度。木材密度作为重要的品质因子,是判断木材
的工艺性质和物理力学性质的重要指标[10]。木材密度被广
泛应用于各种树种木材性质的变异研究[11]。从表 2可知,灰
木莲木材气干密度、全干密度和基本密度分别为 0. 463、
0. 435、0. 408 g /cm3。根据我国木材气干密度[12]的分级情况
可知,密度在 0. 36 ~ 0. 55 g /cm3 的木材属于轻等密度范畴,
所以灰木莲属于轻等级密度的树种。有关研究认为,一般用
于生产纤维板和纸浆的木材以密度为 0. 4 ~ 0. 6 g /cm3 较
好[13]。故从密度方面来讲,灰木莲木材是纤维板和纸浆的较
好材料。
2. 1. 3 吸水性。木材浸入水中吸取水分的能力称为吸水
性,它与树种、密度、解剖构造及化学性质有关[14]。木材吸收
液态水分的性能高低以吸水至饱和状态时的含水率即吸水
率表示。该研究测定了人工林灰木莲的全干材浸水 40 d的
吸水性,不同时间段的吸水性结果见表 3。灰木莲的吸水性
在初始阶段是增长最快的,在 0 ~ 6 h内,木材从绝干状态吸
水达到 34%,1 d后达到 62%;在 0 ~4 d增长比较快,吸水率
达到 90%,之后吸水性增长较稳定,减缓迹象不明显;30 d时
的吸水率为 139%,40 d达到 143%,相差小于 5%,吸水率趋
于稳定。灰木莲木材水容量较大,与其自身木材密度小及其
他各种因素有关。
表 3 灰木莲木材吸水性变异
浸泡时间
d
平均吸
水率∥%
标准差
S
标准误差
St
变异系
数∥%
准确指
数∥%
0. 25 34 9. 69 0. 79 28. 88 4. 62
1 62 14. 14 1. 15 22. 85 3. 66
2 75 14. 04 1. 15 18. 73 3. 00
4 90 13. 51 1. 10 15. 07 2. 41
8 104 16. 00 1. 31 15. 44 2. 47
12 113 15. 00 1. 22 13. 31 2. 13
20 125 16. 84 1. 38 13. 42 2. 15
30 139 17. 96 1. 47 12. 94 2. 07
40 143 19. 97 1. 63 12. 96 2. 07
2. 1. 4 湿胀干缩性。湿胀和干缩是木材的固有性质,常给木
材利用带来不利影响,掌握其发生原因及发生规律对木材加
工利用具有重要意义。湿胀不仅使木材尺寸增大,其形状也
会改变,强度会下降。木材的湿胀具有各向异性,通常表现
为纵向线湿胀率较少,弦向线湿胀率较大,一般是径向线湿
胀率的 1. 5 ~ 2. 0 倍[15]。从表 2 可见,灰木莲试材从全干到
气干,弦向线和径向线湿胀率分别 2. 3%和 1. 5%,体积湿胀
率为 4. 2%;而从全干到饱水时,试材的弦向线和径向线湿胀
率分别为7. 1%和4. 0%,体积湿胀率为12. 2%。试材从全干
到气干时,弦向湿胀率与径向湿胀率的比值(即差异湿胀)为
1. 533;从全干到饱水时差异湿胀值为 1. 775。
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[10]。木材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加工利用价值的一项重要指
标。差异干缩(弦向干缩与径向干缩之比)是判断木材开裂
以及变形的依据。若木材的差异干缩数值偏大,木材干燥时
往往容易发生翘曲和开裂;木材各方向的干缩比较均匀,说
明木材的尺寸稳定性较好[16]。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。从表 2 可知,引种的灰
木莲从湿材到全干状态,径向、弦向、体积干缩率分别为
3. 454%、5. 809%、9. 382%,干缩系数分别为 0. 028、0. 048、
0. 077,差异干缩为 1. 714;从湿材到气干状态,径向、弦向、体
积干缩率分别为 1. 761%、3. 323%、5. 171%,干缩系数分别为
0. 016、0. 030、0. 047,差异干缩为 1. 900。其差异干缩略大,因
此在加工利用灰木莲用材时应充分考虑干缩性对产品尺寸
的影响。
2. 2 灰木莲木材的力学性质 木材力学性质是木材抵抗
使其改变大小和形状的外力的能力,即木材适应外力作用的
能力[17]。灰木莲木材主要力学性质结果见表 4。
表 4 灰木莲木材力学性质结果
指标
抗弯
强度
MPa
顺纹抗
压强度
MPa
冲击
韧性
kJ /m2
硬度∥N
端面 弦面 径面
试样数 143 120 160 150 150 150
平均值 81. 2 43. 7 17. 0 4 200. 1 2 984. 8 2 589. 7
标准差 9. 9 5. 1 6. 6 647. 8 1 345. 4 625. 7
标准误差 0. 8 0. 5 0. 5 37. 4 77. 7 36. 1
变异系数∥% 12. 2 11. 8 38. 7 15. 4 45. 1 24. 2
准确指数∥% 2. 0 2. 1 6. 0 1. 7 5. 1 2. 7
2. 2. 1 抗弯强度。木材抗弯强度亦称静曲强度,或弯曲强
度,为木材承受逐渐施加弯曲荷载的最大能力[10]。抗弯强度
作为木材重要的力学性质指标,是建筑物的屋架、横条、木
桥、承重地板等弯曲构件选材时应首先考虑的因素[17]。由表
4可见,灰木莲的平均抗弯强度为 81. 2 MPa。对照木材抗弯
强度五档分级标准[18],其强度属低级(55. 1 ~90. 0 MPa)。
2. 2. 2 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,主要用于诱导结构材和建筑
材的榫接合类似用途的容许工作应力计算和柱材的选择
等[17]。因为顺纹抗压强度测定简单、准确,又与其他强度指
标存在相关关系,所以其在世界各实验室进行的木材强度试
验中,被认为是最重要的[19]。灰木莲的顺纹抗压强度为43. 7
MPa,按等级划分属于低等材,但非常接近中等。
2. 2. 3 冲击韧性。冲击韧性是检验木材的韧性或脆性的指
标,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[17]。冲击韧性常用于评定车辆和建筑结构用材的品质,也
是载重汽车锯材、枕木、工具柄、枪托、运动器械和农机部件
等用材的依据[20]。当木材的脆性越大时,冲击韧性破坏消耗
的能量越小。由表 4 可见,灰木莲的冲击韧性平均值 17
kJ /m2,说明灰木莲是脆性较大的木材,宜用作贴面试材及室
内装修用材或者工艺品用材。
2. 2. 4 硬度。木材硬度是指木材抵抗其他刚体压入的能
力[17]。木材的硬度跟木材的密度密切相关,密度越大则硬度
越高,反之则低。表 4数据表明,灰木莲硬度在端面、弦面和
径面分别是 4 200. 1、2 984. 8和 2 589. 7 N,端面硬度最大,径
599840卷 16期 陈松武等 人工林灰木莲木材物理力学性质研究
面最小。端面、弦面和径面硬度的比例为 1. 00∶0. 71∶0. 62。
2. 2. 5 综合强度。木材作为承重构件时,要考虑其顺纹抗
压强度和抗弯强度,所以通常采用顺纹抗压强度和抗弯强度
之和来表示木材的综合强度[12]。灰木莲的综合强度为124. 9
MPa,根据《木材材性分级规定》[21]可知,其综合强度属于低
等(85. 1 ~135. 0 MPa) ,这说明了灰木莲木材不宜用作一些
强度要求较高的承重结构构件。
3 结论
人工林灰木莲木材的基本密度、气干密度(含水率为
12% )和全干密度分别为 0. 408、0. 463、0. 435 g /cm3,气干密
度属于国产木材的轻等级水平;全干差异干缩和气干差异干
缩分别为 1. 714和 1. 900,弦向和径向干缩湿胀差异较大;抗
弯强度 81. 2 MPa,顺纹抗压强度 43. 7 MPa,冲击韧性 17
kJ /m2,端面、弦面和径面硬度分别为 4 200. 1、2 984. 8 和
2 589. 7 N;灰木莲木材的综合强度为 124. 9 MPa,属低等材。
参考文献
[1]刘鹏,杨家驹,卢鸿俊.东南亚热带木材[M]. 2版.北京:中国林业出版
社,2008.
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