15年生香樟人工林木材物理力學性質研究

王軍鋒，譚桂菲，宋戀環，李開祥，吳際友，安家成

（1.廣西壯族自治區林業科學研究院 廣西木材資源培育質量控制工程技術研究中心廣西木本香料工程技術研究中心，廣西南寧 530002；2.湖南省林業科學院，湖南長沙 410004）

香樟（Cinnamomum camphora）是樟科（Laurace?ae）樟屬中栽培較多的樹種之一，屬常綠大喬木，在我國主要分布于長江流域以南，以江西、浙江、臺灣、廣東和福建等地最多，是我國亞熱帶地區常綠闊葉林的重要樹種[1]。香樟生長快，木材材質細膩、結構均勻細致、色澤明亮、紋理交錯、較少變形開裂、有香味、防蛀耐腐，廣泛用于家具、裝飾和雕刻等[2]。對香樟的開發，主要以油用型香樟為主，提取其枝葉中的精油[3]。近年來，隨著香樟選育和經營模式的深入研究，逐步推廣油材兩用型香樟，枝葉提取精油、主干木材用作家具材等。香樟兼具經濟林樹種和用材林樹種的特點，是單位產值較大的珍貴造林樹種，具有較好的市場前景。

隨著木質家具對珍貴木材的用量逐年增加、國際市場對珍貴木材出口的限制及我國天保工程的實施，木材資源結構需求正在發生變化[4]，香樟人工林發展迎來了機遇。目前，香樟人工林研究主要集中在選育、繁育、營林和枝葉加工利用等方面[5]，對材用型香樟人工林的材性及加工利用研究較少。本文以香樟人工林木材為研究對象，對其物理力學性質進行研究，提供基本材性數據，為香樟人工林木材加工與利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與試驗材料

試材采自湖南省株洲市攸縣黃豐橋國有林場（113°04′～113°43′E，27°06′～27°04′N），海 拔1 150～1 270 m，坡度25°～35°，屬中亞熱帶季風氣候，年均氣溫17.8℃，最低氣溫-11.9℃，最高氣溫40℃，年均無霜期292 d，年均日照時長1 612 h，年均降水量1 410.8 mm。母巖類型為板頁巖，土壤類型為黃壤，造林時間為2003年，造林密度為2 m×2 m。試材采集參照GB/T 1927-2009[6]，選擇和采伐生長良好、均勻的試材5株，平均胸徑20.8 cm，平均樹高14.2 m，為15年生香樟（表1）。

表1 試材基本情況Tab.1 Basic situation of sample trees

1.2 試驗設備及方法

1.2.1 試驗設備

萬能力學試驗機（型號UTM5504，三思縱橫科技股份有限公司）；人造板擺錘式沖擊試驗機（型號JB-M100，時代集團濟南時代試金儀器有限公司）；恒溫恒濕試驗箱（型號WSS-1000F，天津泰斯特儀器有限公司）。

1.2.2 試驗方法

試材砍伐后運回實驗室，立即對其進行鋸解，堆垛氣干。參照GB/T 1928-2009[7]的規定制作試樣，調整木材含水率為12%左右，然后進行性能測試。每個指標的有效樣本數不少于50。木材密度參照GB/T 1933-2009[8]進行測定，沖擊韌性、抗彎強度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強度和硬度的試驗方法分別參照 GB/T 1940-2009[9]、GB/T 1936.1-2009[10]、GB/T 1936.2-2009[11]、GB/T 1935-2009[12]和 GB/T 1941-2009[13]進行測定。

2 結果與分析

2.1 香樟人工林木材物理性質

2.1.1 密度

木材密度分為基本密度、生材密度、氣干密度和絕干密度，其中基本密度和氣干密度最為常用。基本密度適用于材性比較，在木材干燥和防腐處理等工藝中有實用意義；我國規定含水率12%為木材氣干密度，可作為材性比較和生產應用的依據。

香樟人工林木材氣干密度、基本密度和絕干密度分別為0.51、0.41和0.48 g/cm3，根據木材物理力學性質分級標準[14]，氣干密度屬于II級（表2）。

表2 香樟人工林木材密度Tab.2 Wood density of C.camphora plantation

2.1.2 干縮性

木材作為家具用材，其干縮性是加工利用的重要性質指標之一，不僅影響木材的尺寸和體積，還會因干縮不均及干縮各向異性造成木材干裂和翹曲變形等缺陷[15]。在實際使用中可用干縮系數表示木材的干縮性，通過干縮系數可計算濕材干燥至纖維飽和點以下任一含水率的木材干縮值，進而確定干燥前木材加工干縮余量[16]。根據木材物理力學性質分級標準[14]，香樟人工林木材的徑向和弦向氣干干縮率（4.10%和6.80%）均為V級，徑向和弦向全干干縮率（6.00%和9.40%）均為IV級；體積干縮系數為0.48，根據木材材性分級規定[17]，屬于中等（表3）。

差異干縮是指木材弦向干縮和徑向干縮的比值，差異干縮越小，木材尺寸穩定性越好。差異干縮分3級，＜1.5為小，1.5～2為中，≥2為大[18]，香樟人工林木材的差異干縮（1.77）屬于中等。總體來說，香樟人工林木材尺寸穩定性相對較差，應選擇合適的干燥基準，加工時應充分考慮木材干縮對其制品的影響。

表3 香樟人工林木材干縮性Tab.3 Wood shrinkage of C.camphora plantation

2.2 木材力學性質

2.2.1 硬度

木材硬度是指木材抵抗剛體壓入的能力，與密度呈正相關。香樟人工林木材的端面硬度平均值為2 909 N，弦面硬度平均值為2 353 N，徑面硬度平均值為2403N，根據木材物理力學性質分級標準[14]，屬于II級，硬度偏小（表4）。在木材加工利用過程中，可適當考慮表面密實化，提高木材表面密度以增大表面硬度，擴大其加工利用范圍。

2.2.2 順紋抗壓強度

木材順紋抗壓強度是指在短時間內沿木材順紋方向緩緩施加壓縮載荷，木材能承受的最大能力，其變化較小且易測定，在研究與木材強度有密切關系的因子時，如含水率和密度等與強度的關系，均采用此項試驗。香樟人工林木材的順紋抗壓強度為33.40 MPa，根據木材物理力學性質分級標準[14]，屬于II級（表4）。

2.2.3 抗彎強度和抗彎彈性模量

木材抗彎強度表征的是木材承受橫向荷載的能力。木材抗彎彈性模量代表木材的剛度或彈性，是木材產生一致正應變需要的正應力，也是比例極限內抵抗彎曲變形的能力；木材彈性模量越大，越剛硬，反之則彈性較大，柔性越好。木材的抗彎強度和抗彎彈性模量對建筑或室內家具彎曲構建及木梁的設計有重要的參考價值。香樟人工林木材的抗彎強度為79.00 MPa，根據木材物理力學性質分級標準[14]，屬于II級；抗彎彈性模量為1.25 GPa，屬于III級，木材彈性相對較好，可作為彎曲家具構件（表4）。

2.2.4 沖擊韌性

木材沖擊韌性是指木材在短時間內受沖擊荷載作用而產生破壞時，試樣單位面積所吸收的能量，吸收的能量越大，木材韌性越高，脆性越低。在生產上常以此作為球棒及運動器材等用材的檢驗指標。香樟人工林木材的沖擊韌性為53.00 kJ/m2，根據木材物理力學性質分級標準[14]，屬于中等（表4）。

表4 香樟人工林木材力學性質Tab.4 Wood mechanical properties of C.camphora plantation

2.3 香樟人工林木材綜合強度及品質系數評價

木材作為承重構件，其綜合強度是最重要的強度指標[19]，木材綜合強度為抗彎強度及順紋抗壓強度之和。香樟人工林木材的綜合強度為112.4 MPa，根據木材材性分級規定[17]，綜合強度低，可作為非承重構件原料。

木材的品質系數是指木材的力學強度和基本密度之比[20]。根據抗彎強度和順紋抗壓強度2項品質系數之和，將木材品質系數分為3類，＜196.1 MPa為低，196.1～215.6 MPa為中等，＞215.6 MPa為高[21]。香樟人工林木材品質系數為274 MPa，屬于品質系數高的木材。

3 討論

從樹齡來看，15年生香樟人工林與26年生香樟人工林[22]的木材物理力學性能差異不顯著，可見15年生香樟人工林木材材性已相對穩定，大部分力學性能屬中低等，可用作對力學性能要求不高的家具材。香樟人工林木材密度低于天然林木材[23]，干縮性比天然林大，應選擇合適的干燥基準，以減少木材在干燥和使用過程中出現變形和開裂等問題。