不同樹齡尾巨桉無性系木材物理與力學性能評價

黃騰華 王軍鋒 欒潔 宋戀環 雷福娟

(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 廣西南寧530002)

尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E.grandis）是尾葉桉和巨桉雜交的無性系，在我國南方大量種植，具有生長快、樹干通直勻稱、抗性強等優點，但其木材在加工和使用中易開裂變形，影響其作為實木家具、地板等方面的使用，目前主要作為造紙、刨花板、纖維板和膠合板等的原材料，具有較高的經濟價值［1-4］，為廣西人造板加工行業作出了巨大貢獻。研究其不同樹齡木材的主要物理力學特性及變異規律，了解其材性特點，可為科學開展尾巨桉定向培育、材性改良、實木加工利用等提供重要參考［5］。本文以5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材為對象，對其主要物理性質（基本密度、氣干密度、全干密度、氣干干縮率及干縮系數、全干干縮率及干縮系數、差異干縮）和力學性質（順紋抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量、硬度、沖擊韌性）等指標進行檢測、分析及評價，研究不同樹齡尾巨桉木材主要物理力學性質的變異規律，為尾巨桉定向培育及其木材高質量加工利用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料

試材采集于廣西國營維都林場龍鳳山分場［1］，參照GB/T1927—2009［6］《木材物理力學性質試材采集方法》，分別采集5年生和7年生2種不同樹齡人工林尾巨桉無性系試材，每個樹齡采集5株，試材的基本情況見表1。

表1 試材的基本情況

1.2 方法

每株試材分別取1.3～3.3、5.3～7.3、9.3～11.3 m三個不同高度木段作為物理力學性能測定試材，將原木段鋸成厚度為60 mm 的中心板和厚度為22 mm 毛邊鋸材，同時對中心板和毛邊鋸材兩端頭進行涂蠟處理和鐵線捆綁處理以防止試樣氣干過程中端裂，并將試樣交叉堆垛在室內陰涼通風處進行氣干，根據國標GB/T1929—2009［7］制備標準測定試樣并置于溫度（20±2）℃、相對濕度（65±3）%的恒溫恒濕箱內進行含水率的調整。采用JBM100擺錘式沖擊試驗機、UTM5504電子萬能力學試驗機、恒溫干燥箱、千分尺、電子天平等儀器設備，按照國標GB/T1930～1943—2009［8］對尾巨桉木材物理力學性質的各項指標進行測定。試驗結果均換算成含水率為12%時的數據，統計分析各項指標值及規律。

2 結果與分析

2.1 木材物理性質

5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的主要物理性質結果見表2，木材基本密度、全干密度和氣干密度的方差分析結果見表3。

2.1.1 密度

木材密度是指單位體積內胞壁物質的數量，與木材的干縮濕漲、強度、加工等性能具有非常大的相關性，對木材加工利用和林木培育具有重要的指導意義，是衡量木材性能的重要指標［9］。由表2 可知，5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的基本密度分別為0.424、0.437 g/cm3，全干密度分別為0.498、0.506 g/cm3，氣干密度分別為0.533、0.543 g/cm3；根據我國木材氣干密度5 級分級情況［10］，5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的氣干密度均為2 級（0.351～0.550 g/cm3），屬于中等偏低密度木材。尾巨桉基本密度、全干密度和氣干密度與小徑柚木（Tectona grandisL.f）相近［11］。

表2 尾巨桉木材主要物理性質

表3 不同樹齡尾巨桉主要物理性質的方差分析結果

2.1.2 干縮特性

干縮是木材的固有特性，在環境濕度較低時會導致木材或木制品尺寸收縮而產生縫隙、翹曲變形與開裂現象，是影響木材加工和利用的主要因素［12］。弦向干縮與徑向干縮的比值稱為差異干縮，是反映木材干燥時，是否易翹曲和開裂的重要指標，根據木材差異干縮的大小，大致可決定木材對特殊用材的適應性。干縮系數是指吸著水每變化1%時木材的干縮率變化值。差異干縮和干縮系數是反映木材尺寸穩定性的重要指標，其值較大時，尺寸穩定性相對比較差，易發生變形和開裂［13］。由表2可知，5年生尾巨桉無性系木材的弦向、徑向和體積氣干干縮率平均值分別是6.52%、3.01%和10.05%，差異干縮為2.35；其弦向、徑向和體積全干干縮率平均值分別為9.49%、4.81%和14.74%；木材的弦向、徑向和體積干縮系數平均值分別為0.254%、0.157%和0.425%。7 年生尾巨桉無性系木材的弦向、徑向和體積氣干干縮率平均值分別是5.68%、2.19% 和8.93%，差異干縮為2.78；其弦向、徑向和體積全干干縮率平均值分別為9.19%、4.11%和13.64%；木材的弦向、徑向和體積干縮系數平均值分別為0.297%、0.154% 和 0.474%；對照木材性質 5 級分級表［10］，5年生和7 年生尾巨桉木材的體積干縮系數均屬于3級（0.401%～0.500%）；5 年生尾巨桉木材差異干縮屬4級（2.11%～2.60%），7年生尾巨桉木材差異干縮屬5 級（≥2.61%）；說明5 和7 年生尾巨桉無性系木材內部各方向干縮不均勻，尺寸穩定性差，干燥過程中容易開裂變形。

2.1.3 不同樹齡尾巨桉木材主要物理性質方差分析

由表3 可知，5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的基本密度差異均極顯著，全干密度差異不顯著，氣干密度差異顯著。

2.2 木材力學性質

5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材主要力學性質結果見表4，方差分析結果見表5。

2.2.1 順紋抗壓強度

木材順紋抗壓強度是指木材沿紋理方向承受壓力荷載的最大能力，主要用于選擇和計算結構材和建筑材的受壓構件的容許工作應力，如木結構支柱、礦柱和家具中的腿構件所承受的壓力［9］。是重要的力學性質指標之一，常用以研究不同處理條件對木材強度的影響。5 年生和7 年生尾巨桉木材的順紋抗壓強度平均值分別為44.8、46.3 MPa（表 3），根據我國木材性質5 級分級情況［10］，5 年生和7年生尾巨桉無性系木材順紋抗壓強度分別屬于 2 級 （30.1～45.0 MPa） 和 3 級 （45.1～60.0 MPa），說明5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材承受順紋方向載荷的能力中等，木材順紋抗壓強度隨樹齡增加而增大。尾巨桉木材順紋抗壓強度與小徑柚木相近［11］。

2.2.2 抗彎強度和抗彎彈性模量

表4 尾巨桉木材主要力學性質

表5 不同樹齡尾巨桉主要力學性質的方差分析結果

木材抗彎強度是指木材承受逐漸施加彎曲荷載的最大能力。與樹種、樹齡、部位、含水率和溫度等相關，是重要的木材力學性質之一，主要用于家具中各種柜體的橫梁、建筑物的桁架、地板和橋梁等易于彎曲構件的設計。木材抗彎彈性模量是指木材受力彎曲時，在比例極限內應力與應變之比，用于計算梁及桁架等彎曲荷載下的變形以及計算安全荷載。木材的抗彎彈性模量代表木材的剛性或彈性，也即表示梁抵抗彎曲或變形的能力。梁在承受荷載時，其變形與彈性模量成反比，彈性模量大，變形小，其木材剛度也大［9-10］。由表3可知，5年生和7年生尾巨桉無性系木材的抗彎強度平均值分別為80.3 和83.8 MPa，抗彎彈性模量分別為10 032 和10 805 MPa，根據木材性質分級情況［10］，5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材抗彎強度均屬于2 級（55.1～90.0 MPa）；抗彎彈性模量分別屬于2 級（7 600～10 500 MPa）和3 級 （10 600～13 500 MPa），說明5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材承受橫向載荷的能力中等略偏低。尾巨桉抗彎強度與橡膠木（Hevea brasiliensis）接近（為88.4 MPa），但抗彎彈性模量高于橡膠木（為 8 335 MPa）［14］。

2.2.3 硬度

木材硬度是指木材抵抗其它剛體壓入的能力。木材的硬度與木材的密度密切相關，密度大其硬度則高，反之則低［13］。5年生尾巨桉無性系木材的端面、弦面、徑面硬度分別為4 128、3 175、2 759（表3），7 年生尾巨桉無性系木材的端面、弦面、徑面硬度分別為4 494、3 388、2 951 N（表3），對照木材性質分級情況表［10］，5 年和7 年生尾巨桉無性系木材均屬于3 級（4 010～6 500 N），為中等硬度木材。尾巨桉木材硬度與觀光木（Tsoongiodendron odorum）相近（端面、弦面、徑面硬度分別為4 366、3 062、2 748 N）［15］。

2.2.4 沖擊韌性

木材的沖擊韌性是指木材受沖擊力而彎曲折斷時，試樣單位面積所吸收的能量。吸收的能量越大，表明木材的韌性越高而脆性越低，因此，沖擊韌性是檢驗木材的韌性或脆性的指標。在生產上常以此作為槍托、飛機、車船、木梭、木桶、球棒及運動器械等用材的檢驗指標［13-14］。5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的沖擊韌性平均值分別為44.2和46.6 kJ/m2（表3），根據木材沖擊韌性4 級分級情況［10］可知，5年生和7年生尾巨桉無性系木材的沖擊韌性均屬于2 級（25.1～85.0 kJ/m2），說明5年生和7 年生尾巨桉無性系木材韌性較低、脆性較高。其沖擊韌性與澳洲堅果（Macadamia ternifolia）木材相近（為46 kJ/m2）［16］。

2.2.5 不同樹齡間主要力學性質方差分析

5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的順紋抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量、沖擊韌性和硬度的方差分析結果見表5。表明：不同樹齡間，尾巨桉木材的順紋抗壓強度、抗彎彈性模量和端面硬度差異極顯著，弦面硬度和徑面硬度差異顯著，抗彎強度和沖擊韌性差異不顯著。

2.3 綜合強度及品質系數

木材的綜合強度是指順紋抗壓強度和抗彎強度之和，常用來評價木材能否作為承重構件的性能指標［17］。木材品質系數是木材極限強度與基本密度的比值［18］。對于一些要求輕質高強的構件，如在航天航空和高空建筑等領域，品質系數是評價材料優劣的重要指標［19］。5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的綜合強度分別為125.1、130.1 MPa，依據木材順紋抗壓強度、抗彎強度數據計算得出綜合品質系數（表6）。

表6 尾巨桉木材品質系數

根據木材綜合品質系數的大小，可將其分為低 等 級 材 （＜19.6×107Pa）、 中 等 等 級 材（19.61×107～21.56×107Pa） 和高等級材 （＞21.56×107Pa）3類［17］。從表6中可知，5年生和7年生尾巨桉無性系木材的綜合品質系數分別為29.5×107和29.7×107Pa，均屬于高等級材。

3 結論與建議

5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的基本密度分別為0.424、0.437 g/cm3，全干密度分別為0.498、0.506 g/cm3，氣干密度分別為0.533、0.543 g/cm3；氣干密度均為2 級，屬于低密度木材。5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的體積干縮系數分別為0.425%和0.474%，均屬于3 級；5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材差異干縮分別為2.35、2.78，屬4、5級；說明5和7年生尾巨桉無性系木材屬于干縮性大的速生材，其木材內部各方向干縮不均勻，尺寸穩定性差，干燥過程中易開裂變形。

5 年生尾巨桉無性系木材的順紋抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量分別為44.8、80.3、10 032 MPa，沖擊韌性、端面硬度、弦面硬度和徑面硬度分別為44.2 kJ/m2、4 128、3 175、2 759 N，根據木材性質分級情況，順紋抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量和沖擊韌性均屬于2級，端面硬度屬于3 級；7 年生尾巨桉無性系木材順紋抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量分別為46.3、83.8、10 805 MPa，沖擊韌性、端面硬度、弦面硬度和徑面硬度分別為46.6 kJ/m2、4 494、3 388、2 951 N，根據木材性質分級情況，7 年生尾巨桉無性系木材的抗彎強度和沖擊韌性均屬于2 級，順紋抗壓強度、抗彎彈性模量和端面硬度均屬于3 級。說明5年生和7年生尾巨桉無性系木材較軟、承受橫向載荷的能力中等略偏低、承受順紋方向載荷的能力中等，且木材韌性較低、脆性較高。7 年生尾巨桉木材的各項力學強度較5 年生大。說明5～7 年生人工林尾巨桉無性系木材還不適宜直接使用作為承重構件、彎曲構件、實木家具等方面用材。

5 年生和7 年生尾巨桉無性系木材的綜合強度分別為125.1 和130.1 MPa，依據木材順紋抗壓強度、抗彎強度數據計算得出綜合品質系數分別為29.5×107和 29.7×107Pa 均屬于高等級材。5 年和7 年生尾巨桉無性系木材密度較小，干縮率較大、尺寸穩定性差，易變形開裂，針對這些特性，當前尾巨桉應用于膠合板等人造板制造仍為較好的選擇。如果要進行實木利用，可以考慮對其進行改良處理，如將納米碳酸鈣、二氧化硅等無機化合物注入木材中，或采用低分子樹脂等浸漬處理，增強木材強度，提高木材尺寸穩定性，擴展其用途。從兩個樹齡木材的物理力學性能對比看，7 年生木材均較5年生的指標高，因此針對高強度木材培育方面，可適當培育一批輪伐期長的尾巨桉，以適應市場的需要。