筆羅子木材物理力學(xué)性質(zhì)的研究

曹 文，俞友明*，童再康，駱文堅

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 臨安 311300；2. 浙江省林業(yè)種苗管理總站，浙江 杭州 310020）

筆羅子木材物理力學(xué)性質(zhì)的研究

曹 文1，俞友明1*，童再康1，駱文堅2

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 臨安 311300；2. 浙江省林業(yè)種苗管理總站，浙江 杭州 310020）

對筆羅子（Meliosma rigida）木材的物理力學(xué)性質(zhì)的各項指標(biāo)進行測定。結(jié)果表明：筆羅子木材氣干密度為0.677 g/cm3，為中級，密度分散程度比較均勻，有利于旋切；其體積干縮系數(shù)為0.27%，其干縮性較小，尺寸穩(wěn)定性較好；抗彎彈性模量為6.35 GPa，抗彎強度為79.95 MPa，均低于其他密度相近的樹種；順紋抗拉強度為153.97 MPa，順紋抗壓強度為48.02 MPa，屬于中級；與其他密度相近的木材相比，筆羅子干縮性較小，軟硬適中，具有一定的沖擊韌性，是一種比較適合加工利用的樹種。

筆羅子；木材；物理力學(xué)性質(zhì)

筆羅子（Meliosma rigida）又名野枇杷、粗糠柴，清風(fēng)藤科（Sabiaceae）植物，產(chǎn)地分布在浙江、福建、臺灣等地，生長在海拔1 500 m以下的山坡、溪邊、林緣、闊葉雜木林及灌木叢內(nèi)。研究木材的物理力學(xué)性質(zhì)是把握木材質(zhì)量和使用性能的一個重要依據(jù)。周侃侃等[1]通過對不同樹齡木荷木材的解剖和測試，研究了木荷的重要物理力學(xué)性質(zhì)以及加工適應(yīng)性，掌握了其綜合利用指標(biāo)；俞友明等[2]對不同地位級不同年齡的雷竹的物理力學(xué)性能進行了測定和比較，為其定向培育和科學(xué)利用提供了理論依據(jù)；俞友明等[3]還對人工林竹材紅殼竹進行了測試，發(fā)現(xiàn)竹齡對其物理力學(xué)性能有顯著影響。目前，國內(nèi)外對筆羅子木材物理力學(xué)性質(zhì)的研究并不多，本文通過分析筆羅子木材的物理力學(xué)性能，得到其各項物理力學(xué)指標(biāo)，同時采用對比文獻[4]的試驗方法，以確定其適用性，同時為今后該木材改性提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料采集于浙江慶元林場，原木平均樹齡7 a，平均胸徑13.6 cm，平均樹高7.3 m，在其胸高處截取2 m長木段作為試驗材料，共3株，編號后運回實驗室進行氣干待測。

1.2 設(shè)備與方法

試驗試件的加工和步驟按照國家標(biāo)準(zhǔn)木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法[5]，利用SND-50電子萬能試驗機、JB-M100擺錘式?jīng)_擊試驗機等對筆羅子木材物理力學(xué)性質(zhì)的各項指標(biāo)進行測定。因為木材含水率對其物理力學(xué)性質(zhì)有較大影響，因此所有試件均在高低交變濕熱試驗箱中調(diào)整至12%含水率后進行測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 筆羅子木材物理性質(zhì)

2.1.1 筆羅子木材的氣干密度 木材是多孔性材料，不同樹種、不同生長環(huán)境的立木，其胞壁物質(zhì)、孔隙率、內(nèi)含物等也各不相同，相應(yīng)的木材密度也就有所差異。木材密度是木材物理性質(zhì)的一項重要指標(biāo)，不僅可以揭示不同生長條件下木材材質(zhì)的變異規(guī)律，為相關(guān)學(xué)科提供研究方法，更有利于把握木材后續(xù)的加工利用，為改善立木條件、提高木材性能和使用價值提供重要的質(zhì)量參數(shù)[6]。

氣干密度是指木材在一定大氣狀態(tài)下達到平衡含水率時重量和體積之比，能夠比較準(zhǔn)確的反映木材使用性質(zhì)的指標(biāo)。由表1可知，筆羅子木材氣干密度均值為0.677 g/cm3，根據(jù)木材材性分級規(guī)定[7]可知，其密度屬中級（0.55 ~ 0.75 g/cm3）。筆羅子的氣干密度變異系數(shù)?。?.44%），說明該木材密度分散程度比較均勻。

2.1.2 筆羅子木材的干縮特性 木材是各向異性材料，其尺寸變化與木材內(nèi)部水分的含量有著重要的關(guān)系。當(dāng)木材中的含水率低于纖維飽和點時，木材的尺寸便隨著含水率的升降而增減。木材在絕干狀態(tài)至纖維飽和點的含水率區(qū)域內(nèi)，水分的解吸使木材細胞壁變薄，體積變小的現(xiàn)象就是木材干縮。木材干縮容易引起木制品產(chǎn)生縫隙、開裂、翹曲變形等缺陷，因此，了解木材的干縮特性對于木材的加工及使用具有重要意義。由表1可知，筆羅子木材的弦徑向干縮系數(shù)分別是0.23%和0.11%，體積干縮系數(shù)為0.27%，屬?。ā?.45%），表明筆羅子的尺寸穩(wěn)定性比較好，不易產(chǎn)生開裂翹曲等缺陷，有利于加工利用。

表1 筆羅子木材的氣干密度和干縮特性Table 1 Air-dry density and shrinkage rate of M. rigida wood

2.2 筆羅子木材的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及其與其他密度相近樹種的力學(xué)性質(zhì)比較

筆羅子木材力學(xué)性質(zhì)均值和變異情況見表2。

通過與其他樹種相關(guān)力學(xué)性質(zhì)的比較，能夠得出適合該木材材性的加工方案及改性方法，這對于提高木材的利用率有著重要作用。表3為筆羅子木材與其他密度相近樹種的力學(xué)性質(zhì)比較。

作為建筑和結(jié)構(gòu)用材，木材的抗壓強度是重要的力學(xué)性能之一，而順紋抗壓強度通常作為選擇受壓木材構(gòu)件的依據(jù)[6]。由表2可知筆羅子木材的平均順紋抗壓強度為48.02 MPa，與表3其他樹種對比，筆羅子木材的順紋抗壓強度與紅樺（Betula albosinensis）相近，低于西樺（B. alnoides）、華南樺（B. austrosinensis）、亮葉樺（B. luminifera）、白樺（B. platyphylla）、水曲柳（Fraxinus mandschurica），而高于側(cè)柏（Platycladus orientalis）、楓香（Liquidambar formosana）和云南樸樹（Celtis kunmingensis）。

表2 筆羅子的主要力學(xué)性質(zhì)Table 2 Main mechanical properties of M. rigida wood

表3 筆羅子與其他密度相近樹種的力學(xué)性質(zhì)比較Table 3 Comparison of mechanical properties of M. rigida wood and other wood with similar density

木材抗彎強度和抗彎彈性模量是最重要的力學(xué)性質(zhì)。由表2可以看出，筆羅子木材的抗彎強度為79.97 MPa，根據(jù)我國木材物理力學(xué)性質(zhì)分級表[8]可得，筆羅子木材抗彎強度為低級，其平均抗彎彈性模量為 6.35 GPa，亦屬低級。作為承重構(gòu)件，通常采用順紋抗壓強度與抗彎強度之和來表示木材的綜合強度，筆羅子木材的綜合強度為127.99 MPa，根據(jù)木材材性分級規(guī)定可知，筆羅子木材的綜合強度為低級，說明其抵抗外力使其變形（特別是彎曲變形）的能力較低。與表3中其他密度相近的樹種相比，筆羅子木材的抗彎彈性模量為十種木材中最低，其抗彎強度僅高于側(cè)柏，而低于其他樹種。

筆羅子木材的順紋抗拉強度取決于其木纖維的強度、長度和方位，是其最大的力學(xué)強度，它和順紋抗壓強度之比同木材的韌性密切相關(guān)，決定了靜力載荷下木材抗彎的特性[9]。筆羅子木材的平均順紋抗拉強度為153.97 MPa，與順紋抗壓強度之比為3.21，均高于表3中其他密度相近的樹種。

在木材的剪切強度中，順紋剪切強度一般只有順紋抗壓強度的20%，因此在試驗中只測試它的順紋剪切強度來評估其剪切性能。從表2可以看出，筆羅子木材的徑向抗剪強度為9.13 MPa，弦向抗剪強度為12.81 MPa，弦向高于徑向40%，順紋剪切強度在弦面和徑面上有較大的差異。相較于表3中其他密度相近的樹種，筆羅子的順紋抗剪強度小于華南樺、亮葉樺、云南樸樹、紅樺，大于側(cè)柏、楓香，與西樺、水曲柳、白樺接近。

筆羅子木材的徑向和弦向抗劈力分別為49.78 N/mm和59.50 N/mm，徑向略低于弦向，但其弦徑面抗劈力明顯高于表3中其他樹種，表明筆羅子的弦徑面抗劈性能良好，這與木材構(gòu)造不均勻，紋理走向不一致有關(guān)。

沖擊韌性是木材在沖擊載荷條件下對破壞的抵抗能力，也可作為評價木材韌性或脆性的指標(biāo)，沖擊破壞消耗的能量越大木材的脆性越小[10]。筆羅子木材的平均沖擊韌性值為78.83 kJ/m2，根據(jù)木材材性分級規(guī)定可知，筆羅子木材的沖擊韌性為中級。通過表3可以看到，筆羅子木材的沖擊韌性大于西樺、水曲柳、楓香、云南樸樹，小于白樺、亮葉樺。

木材硬度反映的是其加工的難易程度和耐磨損能力。硬度越大，木材的切削加工就越困難。由表2可知，筆羅子木材的端面、弦面和徑面硬度分別是5 279.24、3 189.46和2 746.34 N，各面硬度大小的比較順序為端面> 弦面 > 徑面，三者比例為1.92：1.16：1。

3 結(jié)論

通過對筆羅子木材物理力學(xué)性質(zhì)的測定和分析可知，筆羅子木材密度中等，體積干縮性較小，在板材運輸與干燥過程中不易發(fā)生翹曲和開裂，尺寸穩(wěn)定性較高；其抗彎強度和抗彎彈性模量均低于其他密度相近的樹種，表明當(dāng)筆羅子受外力作用時，木材容易發(fā)生變形；筆羅子的硬度適中、沖擊韌性也較好，適于加工生產(chǎn)，除此之外，其順紋抗劈力明顯大于其他密度相近樹種，說明筆羅子木材的構(gòu)造具有不均一性，木材紋理等較其他樹種復(fù)雜。

[1]周侃侃，徐漫平，郭飛燕，等. 木荷木材物理力學(xué)性質(zhì)及其加工性能研究[J]. 浙江林業(yè)科技，2009，3（5）：19-23.

[2]俞友明，張宏，嚴建明，等. 不同地位級雷竹竹材的物理力學(xué)性質(zhì)比較[J]. 浙江林業(yè)科技，2004，3（5）：27-29.

[3]俞友明，楊云芳，方偉，等. 紅殼竹人工林竹材物理力學(xué)性質(zhì)的研究[J]. 竹子研究匯刊，2001，4（10）：42-46.

[4]駱嘉言，林金國，李大岔，等. 香椿人工林和天然林木材材性的比較研究[J]. 西北林學(xué)院學(xué)報，2003，18（2）：77-79.

[5]GB1927 ~ 1943-91，木材物理力學(xué)實驗性質(zhì)方法[S].

[6]李堅. 木材科學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2002.

[7]成俊卿，楊家駒，劉鵬. 中國木材志[M]. 北京：中國林業(yè)出版社，1992.

[8]中國林業(yè)科學(xué)院木材工業(yè)研究所. 中國主要樹種的木材物理力學(xué)性質(zhì)[M]. 北京：中國林業(yè)出版社, 1982.

[9]成俊卿. 木材學(xué)[M]. 北京：中國林業(yè)出版社，1985.

[10]梁善慶，羅建舉. 人工林米老排木材的物理力學(xué)性質(zhì)[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2007，27（5）：97-100.

Physico-mechanical Properties of Meliosma rigida Wood

CAO Wen1，YU You-ming1*，TONG Zai-kang1，LUO Wen-jian2
（1. Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, China; 2. Zhejiang Forestry Seed and Seedling Administration, Hangzhou 310020, China）

Determinations were conducted on physical and mechanical properties of Meliosma rigida timber from Qingyuan Forest Farm of Zhejiang province. The result showed that mean air-dry density was 0.677g/cm3, with 9.44% of variable coefficient, indicating easy for rotary-cut. It had volume shrinkage coefficient of 0.27%, leading good dimension stability. The bending modulus of elasticity was 6.35 GPa, and bending strength 79.95 MPa, lower than those of other species with similar density. Tensile strength parallel to grain was 153.97 MPa, compressive strength parallel to grain 48.02 MPa. Determinations concluded that M. rigida timber could be easy processed.

Meliosma rigida; timber; physico-mechanical properties

S781.2

B

1001-3776（2015）04-0077-04

2014-10-26；

：2015-01-14

浙江省重大科技專項“浙江省珍稀瀕危林木種質(zhì)資源收集保存與利用關(guān)鍵技術(shù)研究及基因庫建設(shè)”（2006C12059-4）；浙江省重點科技項目“浙江珍稀瀕危樹種現(xiàn)代保育關(guān)鍵技術(shù)研究“（2006C22064）

曹文（1989-），男，山西聞喜人，碩士生，從事木材科學(xué)與材質(zhì)改良研究；*通訊作者。