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观光木人工林木材物理力学性质的研究



全 文 :西北林学院学报 2014,29(6):221~225
Journal of Northwest Forestry University
  doi:10.3969/j.issn.1001-7461.2014.06.42
观光木人工林木材物理力学性质的研究
 收稿日期:2014-03-04 修回日期:2014-03-17
 基金项目:广西自然科学基金重点项目(2010GXNSFD013024);“十一五”广西林业科技项目(桂林科字[2009]第22号)。
 作者简介:韦鹏练,男,在读博士,研究方向:木材科学与技术。E-mail:ztzxwpl@163.com
*通信作者:符韵林,男,博士,教授,研究方向:木材材性及其功能改良。E-mail:fylin@126.com
韦鹏练1,黄腾华2,符韵林2*
(1.国际竹藤中心,北京100102;2.广西大学 林学院,广西 南宁530004)
摘 要:为了摸清观光木人工林木材的基础材性,对其进行合理的开发和利用,测定和分析了27年
生观光木人工林木材的主要物理力学性质。结果表明,观光木人工林木材属轻密度等级材;体积干
缩系数属小,差异干缩属中等。抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度和冲击韧性分别为79.79、
6 517.88、42.38MPa和26.01kJ·m-2,对应的强度等级分别为2级、1级、2级和2级;端面、弦面
和径面的硬度分别为43.66、30.62MPa和27.48MPa,其中端面和弦面硬度均达到了中等硬度水
平。木材的综合强度为122.17MPa,属高强度树种;木材的综合品质系数达到2 929.7×105 Pa,
属于高等级材。
关键词:观光木;人工林;物理性质;力学性质
中图分类号:S781.3   文献标志码:A   文章编号:1001-7461(2014)06-0221-05
Physical and Mechanical Properties of Tsoongiodendron odorum Woods
WEI Peng-lian1,HUANG Teng-hua2,FU Yun-lin2*
(1.International Center for Bamboo and Rattan,Beijing100102,China;
2.College of Forestry,Guangxi University,Nanning,Guangxi 530004,China)
Abstract:Physical and mechanical properties of the woods colected from a 27-year old Tsoongiodendron
odorumplantation were analyzed to provide scientific evidence for the rational development and application
of the wood.The results showed that the wood belonged to low density grade wood.The oven-dried volu-
metric shrinkage coefficient was smal,and the difference of oven-dried shrinkage was belonging to middle
category.The values of bending strength,modulus of elasticity,compressive strength paralel to grain and
impact toughness were 79.79MPa,6 517.88MPa,42.38MPa and 26.01kJ·m-2,respectively.The
grade of bending strength,compressive strength paralel to grain and impact toughness were of the second
level and modulus of elasticity was of the first level.The values of hardness on cross,tangential and radial
surfaces were 43.66MPa,30.62MPa and 27.48MPa,respectively.The hardness of cross and tangential
surfaces were medium.The comprehensive strength was 122.17MPa,belonging to high strength species.
The comprehensive quality coefficient was 2 929.7×105 Pa,belonging to high quality wood.
Key words:Tsoongiodendron odorum;plantation wood;wood physical property;wood mechanical property
  观光木(Tsoongiodendron odorum)又名香花
木、观光木兰、宿轴木兰、香花楠,属木兰科常绿乔
木,古老孑遗树植物,国家二级保护植物,主要分布
在贵州、湖南、广东、广西、福建、海南、云南东南部、
江西南部及台湾等地,在越南北部也有分布[1-2]。该
树种树形优美,树干通直,高可达20多m,胸径可达
1m以上[3];生长速度快,20年生的观光木人工林
年均胸径生长达1.04cm,年均树高生长量达0.83
m[1]。自1963年被发现以来,对观光木的研究已引
起了越来越多的关注。在过去的几十年里,科研人
员对其生理生态[4-6]、生长规律[7]、驯化栽培技术[8]、
种苗繁育[9]、DNA提取[10]、病虫害防治[11]等方面进
行了广泛研究,取得了很多成果,这些研究对观光木
的种植、培育、保护和开发都起到了极大的促进作
用。2010年,广西林业厅将观光木列为了广西重点
发展的珍贵乡土树种。但在观光木人工林木材材性
及加工利用方面的研究还鲜见报道。木材材性决定
了木材的利用,其中物理力学性质是木材材性的主
要组成部分,在决定木材的利用途径及加工工艺方
面有重要的参考价值。因此,对观光木人工林木材
的物理力学性质展开研究,以获取观光木人工林木
材的基础材性,让人们认识和掌握其木材性质,为观
光木的保护和合理利用提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 材料
试材采自广西壮族自治区南宁市梁凤江国家森
林公园试验林区(22°34′31″N-22°46′51″N,108°15′
14″E-108°22′22″E)。根据林分的生长情况,选取6
株生长正常,具代表性的植株作为样木,分别编号
(G1、G2、G3、G4、G5、G6)。样木的基本情况见表
1,树龄27a。采集方法参照GB/T1927-2009《木材
物理力学试材采集方法》[12]规定的方法进行。样木
伐倒后,在0、1.3、3.3、5.3、7.3、9.3、11.3m(至树
干直径小于6cm止)处各锯取2个厚约5cm的圆
盘,用以测定观光木人工林木材的生长轮宽度、生材
密度、生材含水率、树皮率及各项解剖性质。在
1.3~3.3、5.3~7.3m与9.3~11.3m处各锯取
2m长的木段作为标准木段用来测定观光木人工林
木材的物理力学性质。
表1 样木的基本情况
Table 1 The basic situation of the sample trees
样木编号 胸径/cm 树高/m 枝下高/m
G1  23.9  23.5  13.8
G2  17.2  20.7  9.4
G3  11.8  17.0  11.1
G4  21.2  20.6  15.5
G5  27.6  24.1  13.4
G6  15.6  8.5  8.5
平均值 19.6  19.1  12.0
1.2 试样制作及测试方法
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]中的规定制取试样。
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》[14]进行测定。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
试指标主要有木材硬度、抗弯强度、抗弯弹性模量、
冲击韧性和顺纹抗压强度。其中抗弯强度、抗弯弹
性模量和硬度测试是在SANS万能试验机上进行,
冲击韧性测试是在摆锤式冲击试验机上进行。
2 结果与分析
2.1 木材物理性质
2.1.1 生长轮宽度 宽度是生长轮组成的基本特
征,直接反应了树木生长的快慢,是林木生长量的重
要指标,对树木的年生长量和木材材积有重要影响,
同时也是引起树木材性变化的重要因素之一。由表
2看出,观光木人工林木材生长轮的平均宽度为
4.25mm,反映了其较快的生长速度。其径向变异
表现出自髓心向外先增大后减小的变化趋势(图
1)。在树木生长前6a,生长轮的宽度是一个迅速增
大的过程,最大值达10.24mm;7~10a时,生长轮
宽度减小很快,10a后下降变得平缓,15~18a变化
比较稳定,而18a后又开始出现明显的波动变化,
这可能与其生长环境的变化有关。
2.1.2 木材密度 木材密度是木材的一项重要物
理性质指标,通过密度的大小可以大致判断木材的
各项力学性质。在相同含水率条件下,密度越大,木
材的硬度及强度也越大。由表2看出,观光木人工
林木材的基本密度、气干密度和全干密度分别为
0.417、0.463g·m-3和0.426g·m-3,变异系数分
别为7.74%、6.77%和7.31%,变异性较小。根据
木材材性5级分级标准[15]判定,观光木木材的密度
处于第2级,属轻,这与观光木的速生性有一定关
系。从密度来看,观光木人工林木材密度较小,切削
时阻力也相对较小,因此易于进行旋切或刨切等机
械加工。
2.1.3 干缩湿胀性 干缩湿胀是木材的固有性质,
是木材利用的中一大缺陷。干缩湿胀的发生会引起
木材尺寸的变化,而当沿各方向的干缩或湿胀不均
匀时,就会引起开裂和变形的产生,从而影响木材制
品的利用。木材干缩湿胀的大小一般通过干缩率和
湿胀率来表示。对于木材的干缩性质,干缩系数和
弦径向的干缩差异是2项重要的指标。从表2来
看,观光木人工林木材的弦向、径向和体积全干干缩
率分别为5.92%、3.06%和10.21%,对应的干缩系
数分别为0.197%、0.102%和0.34%,差异干缩为
1.935。根据体积干缩系数5级分级标准判定,观光
木人工林木材的干缩性处于第2级水平(0.301%~
0.400%)[15],属小。从差异干缩分级规定来看,观
光木人工林木材的全干差异干缩处于第3级(1.61
~2.1)[15],属中等水平。观光木人工林木材的弦
222 西北林学院学报 29卷 
向、径向和体积气干干缩率分别为2.02%、0.82%
和3.02%,对应的干缩系数分别为0.124%、0.05%
和0.185%,差异干缩为2.463。从干缩率和干缩系
数来比较,气干材各项指标均较全干材为小,但是从
差异干缩来看,气干差异干缩要比全干差异干缩要
大得多,说明气干时木材干缩的不均匀性很大,容易
引起开裂和变形,因此,在气干或窑干前期要注意控
制干燥速度,以避免产生严重的干燥缺陷。
表2 观光木人工林木材物理性质测定结果
Table 2 Wood physical property of T.odorumtimber
试验项目 试样数 平均值 标准差 标准误 变异系数/% 准确指数/%
生长轮宽度/mm / 4.250  2.170  0.160  51.03  7.61
基本密度/(g·m-3) 356  0.417  0.032  0.002  7.74  1.15
气干密度/(g·m-3) 174  0.463  0.030  0.002  6.77  1.04
全干密度/(g·m-3) 174  0.426  0.030  0.002  7.31  1.13
全干到气干湿胀率/% 弦向 183  1.670  0.290  0.022  17.62  2.61
径向 183  1.070  0.190  0.014  17.340  2.57
体积 183  2.960  0.520  0.039  17.56  2.60
全干到饱水湿胀率/% 弦向 183  6.370  0.770  0.057  12.16  1.80
径向 183  3.100  0.590  0.044  19.04  2.82
体积 183  10.420  1.380  0.102  13.28  1.96
气干干缩率/% 弦向 174  2.020  0.340  0.026  16.85  2.56
径向 174  0.820  0.170  0.013  20.21  3.06
体积 174  3.020  0.500  0.038  16.39  2.49
气干干缩系数 弦向 174  0.124  0.021  0.002  16.81  2.55
径向 174  0.050  0.010  0.001  20.26  3.07
体积 174  0.185  0.031  0.002  16.46  2.50
气干差异干缩 2.463
全干干缩率/% 弦向 174  5.920  0.650  0.049  10.99  1.67
径向 174  3.060  0.490  0.037  16.02  2.43
体积 174  10.210  1.230  0.093  12.05  1.83
全干干缩系数 弦向 174  0.197  0.022  0.002  10.99  1.67
径向 174  0.102  0.016  0.001  16.02  2.43
体积 174  0.340  0.041  0.003  12.05  1.83
全干差异干缩 1.935
图1 观光木生长轮宽度的径向变异
Fig.1 Radial variation for annual ring width of T.odorumtimber
  从全干状态到气干状态,观光木木材的弦向、径
向和体积湿胀率分别为1.67%、1.07%和2.96%;
从全干状态到饱水状态,观光木人工林木材的弦向、
径向 和 体 积 湿 胀 率 分 别 为 6.37%、3.1% 和
10.42%。表明尺寸稳定性在从全干状态到气干状
态时表现较好,但从全干至饱水状态则较差。
2.1.4 木材吸水性 木材的吸水性能对木材的药
剂浸注有重要影响。不同高度位置的观光木人工林
木材的吸水性能变化见图2。随着树高的增加,木
材的吸水性减小,这可能是由于树干方向木材的化
学组成发生变化而造成。在前12昼夜,木材的吸水
率增加比较快,其平均吸水率在前6h内就从全干
322第6期 韦鹏练 等:观光木人工林木材物理力学性质的研究
吸水至30.2%,1昼夜后增至47.39%;12昼夜之
后,吸水率的增加变缓,24昼夜以后就趋于稳定了。
从平均吸水率来看,其在 12 昼夜时就达到了
123.44%,最大值为145.51%,这反映了观光木人
工林木材良好的浸注性。
图2 不同高度木材吸水率随时间的变化曲线
Fig.2 The variation of water absorption at different height with time
2.2 木材力学性质
观光木人工林木材的力学性质测定结果(表3)
可以看出,观光木木材的端面硬度、弦面硬度和径面
硬度分别为43.66、30.62MPa和27.48MPa,三者
的比例为1∶0.7∶0.63,端面与弦面和径面的硬度
差别较大,弦面与径面相差较小。根据木材材性5
级分级标准,观光木木材的弦面硬度达到3级水平
(30.1~500MPa)[15],端面硬度达到3级(40.1~65
MPa)[15]硬度水平。观光木人工林木材的抗弯强
度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度分别为79.79、
6 517.88MPa和42.38MPa,对应的强度等级分别
为2级(55.1~90.0MPa)、1级(≤7.5GPa)和2级
(30.1~45.0MPa)[15]。其木材冲击韧性为26.01
kJ·m-2,处于第2级(25.1~85.0kJ·m-2)[15]。
木材作承重构件使用时一般主要考虑木材的抗
弯强度和顺纹抗压强度,通常以这2项指标之和表
示木材的综合强度,以此来判定该种木材承重性能
的优劣。根据测定结果计算可得观光木人工林木材
的综合强度为122.17MPa,属高强度树种(107.9~
166.6MPa)[16]。衡量木材品质的优劣并不仅仅只
看它的各项极限强度。在一些特殊的应用场合,既
要求木材具有高的力学强度,也要求其具有较轻的
自身重量,也就是它的强重比或比强度,称之为品质
系数。其中最为重要的2项指标为顺压品质系数和
静曲品质系数,两者之和又称为木材的综合品质系
数。根据综合品质系数的大小可以将木材分为3个
等级[16],第1类为低等级材,综合品质系数<1 960
×105 Pa;第2类为中等级材,综合品质系数在1 961
×105~2 156×105 Pa之间;第3类为高等级材,综
合品质系数>2 156×105 Pa。计算得出观光木人工
林木材的综合品质系数达到2 929.7×105 Pa,属于
高等级材。
表3 观光木人工林木材力学性质测定结果
Table 3 Wood mechanical property of T.odorumtimber
试验项目 试样数 平均值 标准差 标准误差 变异系数/% 准确指数/%
抗弯强度/MPa  89  79.79  9.63  1.02  12.07  2.56
抗弯弹性模量/MPa  89  6 517.88  1 261.82  133.75  19.36  4.10
顺纹抗压强度/MPa  89  42.38  4.31  0.46  10.16  2.15
冲击韧性/(kJ·m-2) 122  26.01  11.71  1.06  45.01  8.15
硬度/MPa 端面 78  43.66  21.16  2.40  48.46  10.97
弦面 78  30.62  3.33  0.38  10.89  2.47
径面 78  27.48  4.14  0.47  15.06  3.41
3 结论与讨论
观光木人工林木材具有较快的生长速度,其平
均生长轮宽度为4.25mm,最大达10.24mm。观
光木人工林木材属于密度轻、干缩性小的一类木材,
其基本密度、气干密度和全干密度分别为0.417g·
422 西北林学院学报 29卷 
m-3、0.463g·m-3和0.426g·m-3;弦向、径向和
体积全干干缩率分别为5.92%、3.06%和10.21%,
对应 的 干 缩 系 数 分 别 为 0.197%、0.102% 和
0.34%。
除抗弯弹性模量较低外,观光木人工林木材的
主要力学指标均达到或接近中等强度水平,综合品
质系数高,综合强度达到高强度树种要求,属于高等
级材。其抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度和
冲击韧性分别为79.79,6 517.88、42.38MPa和
26.01kJ·m-2,端面、弦面和径面的硬度分别为
43.66、30.62 MPa和 27.48 MPa,综合强度为
122.17MPa,综合品质系数为2 929.7×105Pa。
从主要物理力学性质来看,观光木是一种速生
优质树种,适合发展人工林种植。另外其木材心材
呈淡绿褐色,具清晰美观的花纹,同时还具有一股清
香气味,很适合用于制造中高档实木家具,或是进行
刨切作珍贵装饰薄木利用,可以替代一部分生长缓
慢,资源越来越稀缺的珍贵树种,是具有发展潜力的
珍贵人工林树种。
进一步研究应对观光木人工林木材的锯、刨、砂
光、车削等机械加工性能以及涂饰性能进行测试,为
其高附加值利用途径的选择提供参考依据,充分发
挥观光木人工林木材的利用价值。
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