異葉南洋杉木材的物理力學(xué)性質(zhì)研究

張振林，黃松殿，劉 勇，唐 慶，符韻林

(1.廣西良鳳江國家森林公園，南寧 530031；2. 廣西大學(xué)林學(xué)院，南寧 530004)

異葉南洋杉(Araucariaheterophylla)又名小葉南洋杉、諾克和南洋杉、塔形南洋杉，為南洋杉科南洋杉屬常綠喬木，原產(chǎn)大洋洲諾克和島，是當?shù)氐闹饕貌臉浞N，我國廣東、海南、福建諸省均有引種，而且生長良好，很受人們歡迎，也是世界五大觀賞樹種之一。喜溫暖、潮濕的環(huán)境，在陽光充足的地方生長良好，有一定的耐陰力，但要避免夏季強光曝曬。不耐寒冷和干旱，適合于排水良好富含腐殖質(zhì)的微酸性砂質(zhì)壤土。作為引進的樹種，具有生長速度快，外觀挺拔通直等特點，是我國南方用于園林綠化、制作盆栽的優(yōu)良樹種[1-3]。本研究旨在對異葉南洋杉木材物理力學(xué)性質(zhì)進行測定分析，為其加工利用提供依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 取材地概況

本研究樣木均采伐于廣西壯族自治區(qū)南寧市良鳳江國家森林公園，該森林公園位于南寧市南郊，距市區(qū)7 km，地處北回歸線以南，屬南亞熱帶季風氣候，冬短夏長。年平均氣溫21.6 ℃，年平均降水量1 300 mm，屬丘陵盆地地貌，十分適合異葉南洋杉的生長。

1.2 樣木采集情況

參照GB/T1927-2009《木材物理力學(xué)試材采集方法》[4]進行樣木甄選采集。為了保證試驗的準確性，本次采樣根據(jù)樹木的生長情況，共伐三株具有代表性的樣木，標記好樹木南北向之后倒伐樹木，在被伐倒的樹木上標記枝下高，測量其全高，從樹高1.3 m處開始下鋸標記為第0段，之后每隔2 m鋸一次，依次標記第1段、第2段……第n段。本試驗采用的是第1段、第3段、第5段等奇數(shù)標準段作為試材。

1.3 試驗方法

參照GB/T1929-2009《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》對試材進行初步加工，待加工完成的試件自然氣干后再依據(jù)《木材物理力學(xué)試驗方法》[5]及步驟，測量試材的各項物理力學(xué)指標。

2 結(jié)果與分析

2.1 異葉南洋杉的物理性質(zhì)

2.1.1 密度 木材密度是木材的一項非常重要的物理量，依據(jù)密度的大小，可以大致看出木材整體性質(zhì)的優(yōu)劣程度。試驗測得異葉南洋杉的南向、北向的氣干密度、基本密度、絕干密度分別為0.480、0.466、0.457 6 g·cm-3。表明針葉材異葉南洋杉樹木日曬時間長的一面(南面)要比日曬時間短的一面(北面)密度小，且隨著樹段高度的增高呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，木材密度在樹干的頂部達到最大。

2.1.2 干縮率 木材干縮率反映的是木材尺寸的穩(wěn)定性，試驗對異葉南洋杉不同高度、不同部位進行了測試，結(jié)果表明，異葉南洋杉的徑向、弦向和體積干縮率平均值分別為2.73%、2.5%和11.25%；干縮系數(shù)分別為0.116%、0.095%和0.46%。由此可知異葉南洋杉的體積干縮比較大，試件尺寸穩(wěn)定性比較差。因此對這種木材的干燥處理和加工利用的要求就需要比較嚴格的把關(guān)。

2.2 異葉南洋杉的力學(xué)性質(zhì)

2.2.1 硬度 木材硬度體現(xiàn)的是木材抵抗其它物體壓進它內(nèi)部的能力。由表1可看出，異葉南洋杉三個面的硬度平均值大小依次為端面、徑面、弦面，北面的硬度均高于南面。且三個面的硬度都隨著樹高的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。在第三段(9.3～11.3 m)處取得最大值，異葉南洋杉端面、徑面、弦面三個面的硬度分別為2 793.94、1 487.81和1 418.65N。

2.2.2 順紋抗壓強度 木材的順紋抗壓強度是決定一種木材是否可以作為結(jié)構(gòu)材料的重要指標之一，反映的是對木材垂直于纖維方向的整個面施加載荷時木材單位面積上所能承受的最大內(nèi)力。由表1可知，異葉南洋杉的順紋抗壓強度南北向平均值為36.9 MPa。

2.2.3 抗彎彈性模量 木材的抗彎彈性模量是表示木材剛性的指標。異葉南洋杉的南向、北向和平均抗彎彈性模量分別為9 264.73、9 403.98、9 334.36 MPa。

2.2.4 抗彎強度 木材的抗彎強度反映的是木材不被破壞的容許應(yīng)力。由表1可知，異葉南洋杉的南向、北向和平均抗彎強度分別為66.28、71.60、68.94 MPa，我國樹種木材的抗彎強度平均值(90 MPa左右)[14]，由此可見異葉南洋杉的抗彎強度水平處于中下水平。

2.2.5 沖擊韌性 木材沖擊韌性指的是木材在沖擊載荷的作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，反映的是木材內(nèi)部的細微缺陷和對外來沖擊負荷的抵抗能力。本實驗該指標測定所用的試件較多，得到的結(jié)果數(shù)值波動也比較大，平均值為14.47 kJ·m-2。盡管該指標數(shù)據(jù)波動幅度較大，但是大致規(guī)律還是北向試材沖擊韌性強度高于南向，與密度變化趨勢一致。

2.3 強度等級評定

根據(jù)試驗所測得的異葉南洋杉的物理力學(xué)指標和《木材主要物理力學(xué)性質(zhì)分級表》[6]進行分級，結(jié)果如表2。

表2 異葉南洋杉物理力學(xué)性質(zhì)分級

由表2可知，異葉南洋杉的物理力學(xué)性質(zhì)除了體積干縮系數(shù)、沖擊韌性之外的所有指標都處于第2級，體積干縮系數(shù)和沖擊韌性分別處于第3級和第1級；在評價木材的綜合性能的時候，通常會以順紋抗壓強度和抗彎強度之和即綜合強度來表示。根據(jù)《木材物理力學(xué)性質(zhì)分級表》[6]，南洋杉的綜合強度為第1類(107.8 MPa以下)，表明南洋杉抵御外力的能力較弱。在一些特殊的場合，不僅需要木材具有很好的力學(xué)性能，還要求它的質(zhì)量不能太高，也就是強重比要高，品質(zhì)系數(shù)就是衡量木材強重比的一個指標。試驗測得異葉南洋杉的順壓品質(zhì)系數(shù)為768.75×105Pa，靜曲品質(zhì)系數(shù)1 436.25×105Pa，綜合品質(zhì)系數(shù)為2 204.7×105Pa，大于2 156×105Pa[7]，所以異葉南洋杉都屬于品質(zhì)系數(shù)很高的樹種。

3 結(jié)論

綜上可知，異葉南洋杉各項物理力學(xué)指標都跟它的密度變化存在密切關(guān)系，并且在樹干的中部密度最大；干縮性比較差，所以異葉南洋杉木材的尺寸穩(wěn)定性也比較差，各項物理力學(xué)性質(zhì)較差，但其強重比卻高，具有很高的品質(zhì)系數(shù)，這得益于它較小的質(zhì)量。南洋杉的優(yōu)點不僅表現(xiàn)為樹干通直、生長迅速，而且價格較低，因此，可作為公共設(shè)施的建造材料(如果是露天場合，還需經(jīng)過一些相應(yīng)的功能性改良處理)，諸如公共場合家具、木樁、簡易橋梁等，具有較高的經(jīng)濟價值和生態(tài)價值，值得推廣。