毛紅椿木材物理力學性質研究

葉忠華，葉友章，劉曉輝，楊淑寶

(1.福建省林業科學研究院，福建 福州 350012；2.福建省森林培育與林產品加工利用重點實驗室，福建 福州 350012；3.福建省國有來舟林業試驗場，福建 南平 353004)

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毛紅椿木材物理力學性質研究

葉忠華1，2*，葉友章1，2，劉曉輝1，2，楊淑寶3

(1.福建省林業科學研究院，福建 福州 350012；2.福建省森林培育與林產品加工利用重點實驗室，福建 福州 350012；3.福建省國有來舟林業試驗場，福建 南平 353004)

本文對9年生、15年生、22年生的毛紅椿木材物理力學性能進行測定，結果表明：樹齡對毛紅椿木材物理力學性能影響顯著，毛紅椿幼齡材木材密度、力學強度均較低，隨著樹齡增加，密度、力學性能指標均有較大幅度提高，體積干縮系數逐漸減小。毛紅椿木材差異干縮均較大，弦向干縮比徑向干縮差異顯著，但體積濕脹率變化不大。

毛紅椿；物理性質；力學性質

毛紅椿(Toona ciliate var.pubescens)為楝科香椿屬紅椿的變種，是南方地區珍貴的速生鄉土用材樹種，其心材紅色，素有“中國的桃花心木”之美稱，毛紅椿樹干通直圓滿，生長較迅速，也是我國第一批二級保護的珍貴闊葉樹種[1]。作為南方地區珍貴的速生鄉土用材樹種，因其速生性好、適應性強，是很好的造林樹種，在山區造林有很大潛力。福建省國有來舟林業試驗場對毛紅椿進行扦插育苗試驗[2]，并進行了多年造林培育。目前國內對毛紅椿育苗、資源保護和培育方面作了較多研究[3-5]，但有關毛紅椿木材材性方面的研究尚未見報道，本文通過對毛紅椿木材物理力學性能的研究，為毛紅椿人工林培育及木材的加工利用提供技術參數，具有實際應用價值。

1　材料與方法

1.1試驗材料

試驗材料采集地位于福建省國有來舟林業試驗場，地處南平市延平區，土壤類型為山地紅壤，土層較厚。在3塊不同造林時間的樣地上采集毛紅椿木材，試材采集方法按照國家標準GB/T1927-2009《木材物理力學試材采集方法》進行，在樣地內進行每木檢尺，測定胸徑和樹高，選取平均木作為樣木進行采集，每一樣地內分別選伐樣木3株，采集木具體情況見表1。

表1　毛紅椿采集木情況

1.2試驗方法

自胸高以上截取2 m長的木段作為試材，運回實驗室。按照GB/T1929-2009《木材物理力學試材鋸解及試樣截取方法》進行初步加工，加工后的試樣毛坯在實驗室陰涼通風處進行堆垛氣干放置，直到試材達到氣干。再按照國家標準GB/T1930～ 1941—2009《木材物理力學性質試驗方法》加工成試驗用的無瑕疵試樣。依據國家標準GB/T1928-2009《木材物理力學試驗方法總則》進行各項物理力學性能測定。各項力學強度指標在全數字電子萬能材料試驗機和擺錘式沖擊試驗機上測定，測定的有效樣本數為32個。

2　結果與分析

2.1不同樹齡毛紅椿木材物理性質

根據試驗數據，計算出不同樹齡毛紅椿木材密度、干縮、濕脹性指標均值和變異統計數據(見表2、表3)。

2.1.1密度

木材密度是木材單一性質中的最重要指標，對木材的力學性能等用材指標有重要影響，對木材的加工、利用及林木育種優良品種篩選都具有重要意義[6]。根據《木材材性分級規定》，表2數據表明，毛紅椿木材密度屬于“輕”一級，樹齡對毛紅椿木材密度影響較大，樹齡增長毛紅椿木材密度也增大，15年生、22年生木材密度分別比9年生高16.0%、35.4%，這是由于早期毛紅椿木材生長迅速，晚材率較低，而隨著樹齡增長，毛紅椿木材晚材率提高，木材密度也隨之增長。22年生毛紅椿木材氣干密度與杉木、福建柏相當[7]，說明樹齡20年以上毛紅椿木材用于加工利用較適宜。

表2　不同樹齡毛紅椿木材密度

2.1.2干縮性

在木材利用上，木材的干縮主要引起木材尺寸上的變化，導致加工好的構件變形開裂，因此，木材干縮性是衡量木材優劣的重要指標之一[6]。干縮系數是指吸著水每變化1%時木材的干縮率變化值，它是衡量木材干縮特性的一項重要指標，以干縮系數指標計算確定出木材加工過程中板材尺寸和濕單板剪切時應留出的干縮余量[8]。根據《木材材性分級規定》，體積干縮系數可分為5個等級。從表3可見，毛紅椿木材體積干縮系數均小于0.45%，木材干縮性屬于“小”，隨著樹齡增長，木材干縮系數逐漸降低，15年生和22年生毛紅椿木材體積干縮系數差異不顯著，9年生毛紅椿木材體積干縮系數較顯著，表明樹齡較低的毛紅椿木材收縮程度較大。從差異干縮來看，3種樹齡的毛紅椿木材差異干縮均較大，弦向干縮大于徑向干縮，說明其木材各方向的干縮不均勻，其原因有待進一步深入研究。

2.1.3濕脹性

木材濕脹性反映了木材吸水后的尺寸變化，從表3可以看出，3種樹齡毛紅椿木材吸濕后體積濕脹率分別為19.6%、19.7%、19.2%，差異濕脹分別為3.40、3.32、3.70，吸水后尺寸變化顯著，在加工利用時應充分考慮濕脹性對產品尺寸的影響。

2.2不同樹齡毛紅椿木材力學性質

木材力學性質是木材抵抗外力改變大小和形狀的能力，即木材適應外力作用的能力。根據試驗數據，計算出不同樹齡毛紅椿木材各種力學性質指標均值和變異統計數據(見表4)。

表3　不同樹齡毛紅椿木材干縮濕脹性

2.2.1順紋抗壓強度

木材的順紋抗壓強度體現了木材沿紋理方向承受壓力荷載的最大能力[6]，在木材作為結構和建筑材料中是至關重要的力學性質，用于建筑材的榫結合等用途要求順紋抗壓強度要較大。3種樹齡的毛紅椿木材順紋抗壓強度分別為21.3 MPa、27.3 MPa、32.8 MPa，抗壓強度上屬于“低”，樹齡增長對順紋抗壓強度影響明顯，15年生、22年生木材抗壓強度分別比9年生高28.2%、54.0%。

2.2.2抗彎強度和彈性模量

木材的抗彎強度和抗彎彈性模量體現了木材承受靜力彎曲荷載的最大能力[6]，3種樹齡的毛紅椿木材抗彎強度分別為34.6 MPa、50.1 MPa、64.0 MPa，彈性模量分別為4017.2 MPa、5711.7 MPa、6504.4 MPa，樹齡增長對抗彎強度和彈性模量影響明顯，15年生、22年生木材抗彎強度分別比9年生高44.8%、85.0%，15年生、22年生木材彈性模量分別比9年生高42.2%、61.9%，22年生毛紅椿木材抗彎強度和彈性模量低于同齡杉木、福建柏[7]。

2.2.3順紋抗拉強度

順紋抗拉強度體現了木材沿紋理方向承受拉力荷載的最大能力，3種樹齡的毛紅椿木材順紋抗拉強度分別為46.9 MPa、66.2 MPa、84.3MPa，樹齡增長對順紋抗拉強度影響明顯，15年生、22年生木材抗拉強度分別比9年生高41.2%、79.7%，抗拉強度與同齡杉木、福建柏木材接近[7]。

2.3.4沖擊韌性

沖擊韌性是檢驗木材的韌性或脆性的指標，常用于評定車輛和建筑結構用材的品質依據[6]。3種樹齡的毛紅椿木材沖擊韌性分別為27 kj/m2、41 kj/m2、58 kj/m2，根據《木材材性分級規定》分級標準屬于“中等”， 15年生、22年生木材沖擊韌性分別比9年生高51.9%、114.8%。

2.3.5硬度

木材硬度是指木材抵抗其他剛體壓入的能力[6]。木材的硬度跟木材的密度密切相關，密度越大則硬度越高，反之則低。15年生木材端面硬度、弦面硬度、徑面硬度分別比9年生高39.2%、36.4%、54.1%，22年生木材端面硬度、弦面硬度、徑面硬度分別比9年生高84.1%、120.8%、131.6%，毛紅椿幼齡材硬度過小，22年生毛紅椿木材硬度與同齡杉木、福建柏木材接近[7]。

2.3.6綜合強度

木材作為承重構件時，要考慮其順紋抗壓強度和抗彎強度，所以通常采用順紋抗壓強度和抗彎強度之和來表示木材的綜合強度[6]。根據《木材材性分級規定》可知，毛紅椿木材綜合強度屬于“低”一級，說明了毛紅椿木材只適合用作一些強度要求不太高的結構構件。

表4　不同樹齡毛紅椿木材力學性能

3　結論與討論

(1)對不同造樹齡毛紅椿木材材性的測定和比較分析表明，樹齡對毛紅椿木材密度影響較大，樹齡增加毛紅椿木材密度也增大，幼齡材密度較小，15年生、22年生木材密度分別比9年生高16.0%、35.4%。

(2)毛紅椿木材干縮性屬于“小”，隨著樹齡增長，木材干縮系數逐漸降低，樹齡較低的毛紅椿木材收縮程度較大。毛紅椿木材差異干縮均較大，弦向干縮比徑向干縮差異顯著。毛紅椿木材吸濕后尺寸變化顯著，在加工利用時應充分考慮濕脹性對產品尺寸的影響。

(3)毛紅椿木材各項力學性能指標中除了沖擊韌性屬于“中等”以外，其他力學指標和綜合強度均屬于“低”一級，樹齡對毛紅椿木材各項力學性能影響顯著，木材綜合強度屬于“低”一級，幼齡材各項力學性能指標較低，說明了毛紅椿木材只適合用作一些強度要求不太高的非結構構件。

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Analysis onPhysical and Mechanical Properties ofToonaciliataTimber

YEZhong-hua1，2,YEYou-zhang1，2,LIUXiao-hui1，2,YANGShu-bao3

(1.FujianAcademyofForestry,Fuzhou,Fujian350012,China; 2.FujianProvincialKeyLabofForestSilvicultureandForestProductProcessingUtilization,Fuzhou,Fujian350012,China; 3.TheStateownedForestryExperimentFarminLaizhou,Nanping,Fujian353004,China)

The physical and mechanical properties of 9-year-old, 15-year-old and 22-year-old ofToonaciliatawood were measured in the present study. The results showed that the trees ages had significant effect on the timber physical and mechanical properties ofToonaciliata. Juvenile wood characterized in lower density and mechanical strength. These two indicators remarkably increased with the increment of age, while volume shrinkage coefficients decreased gradually with age. The wood shrinkage ratio demonstrated higher differences inToonaciliata, and tangential shrinkage was more significant than radial shrinkage, but swelling ratio showed little changed.

ToonaciliataToonaciliata; Physical properties; Mechanical properties

1008-0457(2016)03-0072-04國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2016.03.014

2016-01-17；修回日期：2016-03-19

福建省省屬公益類科研院所科研項目“毛紅椿木材加工特性及其復合材技術研究”(閩林研201338)。

葉忠華(1969-)，男，福建永泰人，碩士，教授級高工，主要從事木材科學與技術、人造板工藝技術研究；E-mail:793227098@qq.com。

S781.3;S781.2

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