油茶木材物理力學性質分析

雷福娟，王軍鋒，黃騰華，葉航，馬錦林

（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）

油茶（Camellia oleifera）為山茶科（Theaceae）山茶屬經濟林樹種，是世界四大名優木本食用油樹種之一，也是我國栽培范圍較廣的木本油料樹種[1]。目前，我國油茶種植面積已超過437萬hm2，湖南、江西和廣西的種植面積占全國總面積的75%[2]。油茶抗逆和抗病性強，種植油茶能綠化荒山、涵養水源、改善生態和增加農民收入。油茶產業已成為廣西貧困山區群眾脫貧致富的支柱產業。截至2017年，廣西油茶種植面積已達45.3萬hm2[3]。從2018年開始，廣西實施油茶產業“雙千計劃”，計劃5年內改造33.3萬hm2低產林，其中約9.1萬hm2為老齡樹更新改造；計劃新造林21.4萬hm2，到2022年，全區油茶種植面積將突破66.7萬hm2[4]。在油茶林改造過程中，會產生大量木材資源。油茶木材堅硬且細膩，是優良的用材樹種。王軍鋒等[5]對25年生的普通油茶和小果油茶（C.meiocarpa）木材的物理性質和解剖特性進行測定與分析，結果表明兩種油茶木材均有較高的密度和纖維結晶度以及較小的微纖絲角，其樹木主干部分可用于實木加工利用，其枝丫材可用于造紙或纖維板生產。目前，油茶的研究主要集中在栽培技術和油料精深加工等方面[6-13]，對其木材性質的研究較少。本研究開展油茶木材相關材性研究，獲得油茶木材物理和力學等主要材性數據，了解并掌握木材的優缺點，有利于有針對性地挖掘油茶木材的優勢、合理利用木材資源、提高木材的綜合利用率和產品附加值、減少資源浪費和增加經濟收益，可提高油茶種植產業的綜合效益。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試材為2019年3月茶樹更新時采伐的油茶木材，采于廣西柳州市三江縣（108°53′～109°52′E，25°22′～26°20′N），樹齡37年。選取10根胸徑12～16 cm干型通直、無明顯缺陷且具有代表性的原木作為試驗用材。將原木制成鋸材，放于室內進行氣干；依據GB/T 1929-2009[14]將鋸材制成標準試樣，置于溫度（20±2）℃和相對濕度（65±3）%的環境下進行含水率平衡。

1.2 試驗儀器

UTM5504電子萬能力學試驗機（深圳三思縱橫科技股份有限公司，中國）、B-M100擺錘式沖擊試驗機（濟南時代試金儀器有限公司，中國）、恒溫恒濕箱（天津泰斯特儀器有限公司，中國）、電熱鼓風干燥箱（美墨爾特（上海）貿易有限公司，德國）、電子天平（梅特勒－托利多儀器（上海）有限公司，中國，精度0.001 g）和千分尺（三量量具，中國，精度0.001 mm）。

1.3 試驗方法

依據GB/T 1932-2009[15]對木材的干縮性進行測定，有效試樣74個；依據GB/T 1933-2009[16]對木材的密度進行測定，有效試樣74個；依據GB/T 1935-2009[17]對木材的順紋抗壓強度進行測定，有效試樣35個；依據GB/T 1936.1-2009[18]對木材的抗彎強度進行測定，有效試樣56個；依據GB/T 1936.2-2009[19]對木材的抗彎彈性模量進行測定，有效試樣56個；依據GB/T 1940-2009[20]對木材的沖擊韌性進行測定，有效試樣67個；依據GB/T 1941-2009[21]對木材的硬度進行測定，有效試樣35個。試驗結果均換算成含水率為12%時的數據，依據GB/T 1928-2009[22]分別計算各指標的平均值、標準差、標準誤差、變異系數和準確指數。

2 結果與分析

2.1 物理性質

2.1.1 密度

木材密度對木材加工利用和林木培育有重要指導意義，是判斷木材強度的最佳指標[23]。油茶木材的基本、氣干和全干密度分別為0.669、0.870和0.839 g/cm3；根據我國木材性質5級分級情況[24]，其氣干密度為4級（0.751～0.950 g/cm3），屬中高等級密度木材（表1）。

表1 油茶木材主要物理性質Tab.1 Main physical properties of C.oleifera wood

續表1 Continued

2.1.2 干縮性

油茶木材的弦向、徑向和體積氣干干縮率分別為9.30%、4.80%和14.10%，弦向、徑向和體積全干干縮率分別為13.30%、7.20%和20.20%，氣干和全干差異干縮分別為1.94和1. 85；弦向、徑向和體積干縮系數分別為0.339%、0.226%和0.667%（表1）。根據我國木材性質5級分級情況[24]，其體積干縮系數為5級（>0.601%），差異干縮為3級（1.61～2.10）。

2.2 油茶木材力學性質

2.2.1 硬度

木材硬度表示木材抵抗其他剛體壓入木材的能力，與木材的加工性能密切關系，硬度低的木材易于加工，硬度高則不利于切削加工[25]。木材硬度與木制品的耐磨性和漆膜硬度有直接關系，木材硬度較高時，木制品耐磨性高，漆膜硬度也會提高；木材硬度較低時，木制品表面容易出現劃痕和壓痕等[24]，影響產品外觀和使用性。油茶木材的端面、弦面和徑面硬度分別為11 100、9 470和9 280 N，端面硬度達到V級（>10 000 N）[26]，屬高硬度木材，可用于制作沙發、桌椅和地板等常與硬物接觸的木制品，耐磨且不易出現外觀缺陷（表2）。

2.2.2 抗彎強度和抗彎彈性模量

木材抗彎強度可反映木材承受橫向載荷的能力，可作為易于彎曲構件及木橋的梁和桁條的設計依據。抗彎彈性模量代表木材的勁度或彈性，常用于計算構件在載荷下的變形，彈性模量越大，則越剛硬，反之，則較柔曲，易曲性大[27]。油茶木材的抗彎強度為118.0 MPa，抗彎彈性模量為8 910 MPa，根據我國木材性質5級分級情況[24]，分別屬于3級（90.1～120.0 MPa）和2級（7 600～10 500 MPa），說明油茶木材剛性稍低，易曲性稍大，承受橫向載荷的能力中等（表2）。

2.2.3 順紋抗壓強度

木材順紋抗壓強度是選擇受壓木材構件的重要依據，可根據木材順紋抗壓強度求得設計應力，用于設計各種受壓構件[27]。油茶木材順紋抗壓強度為49.2 MPa，根據我國木材性質5級分級情況[24]，屬于3級（45.1～60.0 MPa），說明油茶木材承受順紋方向載荷的能力中等（表2）。

2.2.4 沖擊韌性

沖擊韌性可用于評價木材的韌性或脆性。木梁、枕木、坑木、工具柄、槍托、木梭、運動器械、農業機械和船槳等部件用材通常需具有較好的沖擊韌性[28]。油茶木材的沖擊韌性為208.0 kJ/m2，根據我國木材沖擊韌性4級分級情況[24]，屬于4級（>145.1 kJ/m2），說明油茶木材韌性非常好（表2）。

表2 油茶木材主要力學性質Tab.2 Main mechanical properties of C.oleifera wood

續表2 Continued

2.2.5 品質系數

木材品質系數是木材極限強度與密度的比值[29]。在一些要求材料輕質高強的領域，品質系數是評價材料優劣的重要指標[30]。根據木材順紋抗壓強度和抗彎強度，計算得出綜合品質系數。根據綜合品質系數，可將木材分為低等級材（＜1 960×105Pa）、中等級材（1 961×105～2 156×105Pa）和高等級材（>2 156×105Pa）[25]。油茶木材的綜合品質系數為2 499.2×105Pa，品質系數較高，為高等級材（表3）。

表3 油茶木材品質系數Tab.3 Quality coefficients of C.oleifera wood (×105 Pa)

2.3 相近氣干密度木材間力學性質比較

油茶木材的沖擊韌性高于其他7種木材；硬度與青岡（Cyclobalanopsis glauca）、加卜（Heritiera par?vifolia）和多核木（Pyrenocarpa hainanensis）相近，低于黃檀（Dalbergia hupeana），高于木麻黃（Casuarina cunninghamiana）、細葉桉（Eucalyptus umbellata）和槲櫟（Quercus aliena）；順紋抗壓強度、抗彎強度和抗彎彈性模量均最低（表4）。綜合分析，油茶木材較柔曲，剛性低，承受順紋和橫紋載荷的能力和剛性稍差，在硬度和韌性方面表現較好。

表4 相近氣干密度木材間力學性質比較Tab.4 Comparison on mechanical properties among woods with similar air-dry density

續表4 Continued

3 結論與討論

油茶木材的體積干縮系數達到5級，差異干縮為3級；干縮系數較大，在木材加工過程中應注意留夠加工余量；差異干縮中等，說明木材干縮均勻性中等，尺寸穩定性中等。

油茶木材的氣干密度達到中高水平；抗彎和順紋抗壓強度為3級，屬于中等；抗彎彈性模量為2級，屬于中等偏低；沖擊韌性為4級，硬度為V級，屬于高韌性和高硬度木材；品質系數2 499.2×105Pa，為高等級材。油茶為小喬木，其木材短小，但有較高的密度、硬度、韌性和品質系數以及中等的抗彎和順紋抗壓強度，可采用指接和拼接等方式將短、窄的木條拼接成集成板材，加以利用。

將油茶木材與其他近密度樹種進行比較，結果顯示油茶木材較柔曲，剛性低，承受順紋和橫紋載荷的能力和剛性稍差，在硬度和韌性方面表現較好。油茶木材的柔韌性非常好，在彎曲成型方面有顯著優勢，適用于制作彎曲構件或彎曲木家具，可采用木材彎曲成型技術將彎曲的油茶木材制成家具或將油茶木集成材整體彎曲制成家具。彎曲木家具有獨特的彎曲弧形及優雅的造型，具有一定的藝術美感，更符合人體工程學，深受大眾喜愛，有較廣泛的市場需求。