田蜜, 董曉娜, 曾祥全, 陳飛飛
海南省林業(yè)科學(xué)研究院(海南省紅樹林研究院), 海南 ???571100
黑黃檀(Dalbergia fusca),又名版納黑檀,屬蝶形花科黃檀屬喬木,近危種[1],國家二級保護(hù)植物[2],特有珍稀樹種,在我國主要分布于云南西南部的西雙版納、普洱,越南、緬甸也有分布。其心材黑褐色、黑中帶紅,材質(zhì)堅重致密,入水即沉,光滑油潤,不翹不裂,心材的硬度極高,耐腐蝕,抗蟲性強(qiáng),耐久性好,木材紋理斜或交錯,結(jié)構(gòu)細(xì),美觀、耐磨,是制作高級家具、高級工藝品、高級樂器和高級室內(nèi)裝修的優(yōu)質(zhì)材料[3]。
作為珍貴紅木樹種,木材的基礎(chǔ)材性對于其加工利用具有重要意義。但目前黑黃檀的研究主要集中在利用價值、種群保護(hù)、資源培育和引種適應(yīng)性等方面[4],關(guān)于黑黃檀木材材性的研究相對較少。通過測定黑黃檀木材的主要物理和力學(xué)性能指標(biāo),摸清其木材基礎(chǔ)材性數(shù)據(jù),為黑黃檀木材的合理開發(fā)和高效利用提供依據(jù)。
黑黃檀試材于2022 年5 月采自云南省西雙版納景洪市,為40 年生黑黃檀林,根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1927-2009《木材物理力學(xué)試材采集方法》采集樣木5 株,樣木平均胸徑17.2 cm,平均樹高18 m,每株樣木截取標(biāo)準(zhǔn)原木段作為試材,測定木材物理和力學(xué)性質(zhì)。
按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1929-2009《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》制備試樣。試樣初步加工后,依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1932、1933、1 934.2、1935、1 936.1、1940、1941-2009《木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法》,測定黑黃檀木材的各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)。物理性質(zhì)測定指標(biāo)主要包括基本密度、氣干密度、全干密度、干縮性、濕脹性;采用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測試木材順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度等力學(xué)性能指標(biāo)。計算各指標(biāo)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù),將實(shí)測數(shù)據(jù)換算為12%含水率時的數(shù)值。各測試指標(biāo)、試件規(guī)格與數(shù)量見表1。
表1 物理力學(xué)性能測試試樣規(guī)格與數(shù)量Tab. 1 Specification and quantity of physical and mechanical properties tests samples
2.1.1 木材密度
木材密度是木材的一項(xiàng)重要物理性質(zhì)指標(biāo),可反映木材的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等力學(xué)性能[5~6]。在含水率相同的條件下,密度越大,其硬度及強(qiáng)度也越大。經(jīng)測定,黑黃檀木材的基本密度、氣干密度、全干密度分別為0.742 g·cm-3、0.963 g·cm-3、0.933 g·cm-3,變異系數(shù)分別為3.50%、5.41%和5.36%,變異性較?。ū?)。參照《木材的主要物理力學(xué)性質(zhì)分級表》[7],黑黃檀木材密度處于第5 級(氣干密度≥0.951 g·cm-3),屬于高密度木材。從密度來看,黑黃檀木材密度較大,切削時阻力也比較大。
表2 黑黃檀木材的物理性能Tab. 2 Physical properties of Dalbergia fusca wood samples
2.1.2 干縮濕脹性
干縮性直接影響木材及其木制品的尺寸、性狀和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等[8]。木材的差異干縮是評價木材干縮性質(zhì)的重要指標(biāo)。木材干縮時,會沿著木材弦向、徑向收縮,差異干縮越小,干縮均勻,木材抗開裂能力越強(qiáng)[9]。根據(jù)木材的干縮差異值,將木材分為5 個等級[7],由表2 可以看出,黑黃檀的氣干差異干縮為1.502,全干差異干縮為1.271,差異干縮均處于第2 級(1.21~1.60),差異干縮小,不容易引起開裂和變形。
木材干縮系數(shù)是評價木材干縮性質(zhì)的另一個重要指標(biāo)之一,由表2 測定結(jié)果可以看出,黑黃檀木材全干體積干縮率18.739%,氣干體積干縮率為11.380%,干縮系數(shù)分別為0.625%、0.739%。根據(jù)分級表[7],其體積干縮系數(shù)為5 級(>0.601%),干縮系數(shù)甚高。干縮系數(shù)高,加工時要預(yù)留加工余量。
木材濕脹與干縮相反,是體現(xiàn)木材從干到濕的一個變化濕脹會使木材強(qiáng)度下降。由表2 可以看出,黑黃檀的弦向濕脹率較大,是徑向濕脹率的1~1.2 倍,與干縮略有差異。
木材力學(xué)性能作為木材合理利用的重要依據(jù),可體現(xiàn)木材抵抗外力的能力。黑黃檀木木材試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果見表3。
表3 黑黃檀木材的力學(xué)性能Tab. 3 Mechanical properties of Dalbergia fusca wood samples
2.2.1 順紋抗壓強(qiáng)度
木材的順紋抗壓強(qiáng)度是木材各種力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)中的基本指標(biāo),表示木材在順紋受力狀態(tài)下單位面積承受壓力荷載的最大內(nèi)力,是判斷木材對彎曲適應(yīng)性的重要依據(jù)[9~10]。經(jīng)計算,黑黃檀木材的順紋抗壓強(qiáng)度為60.13 Mpa,屬第4 級(60.1~75 Mpa)[7],為高等級,高于我國闊葉散孔材類木材順紋抗壓強(qiáng)度平均值(46.7 MPa)。
2.2.2 抗彎強(qiáng)度
抗彎強(qiáng)度反映的是木材承受靜力彎曲荷載的最大能力[6,10]。從表3 可以看出,黑黃檀木材的抗彎強(qiáng)度為126.4 Mpa,根據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn),屬第4 級(120.1~145.0 Mpa)。說明黑黃檀木材剛性高,不易彎曲變形,承受橫向載荷的能力高。
2.2.3 沖擊韌性
沖擊韌性是評價木材韌性或脆性的指標(biāo),表征木材內(nèi)部的細(xì)微缺陷和抗沖擊性能[11~12]。黑黃檀木材沖擊韌性為80.82 KJ/m2,屬于第2 級(25.1~85.0 KJ/m2),為中等。
2.2.4 硬度
木材硬度與密度成正相關(guān),表示木材抵抗其他剛體壓入的能力[6,10]。測試結(jié)果表明,黑黃檀木材的三個切面(端面、弦面和徑面)的硬度分別為105.38 Mpa、85.12 Mpa、87.15 Mpa,硬度達(dá)V 級(>100.1 Mpa),屬于高硬度木材。其中端面硬度平均值最大,標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)最小。黑黃檀木材耐磨性好且不易出現(xiàn)外觀缺陷,是建筑材料、制作家具、地板等的優(yōu)質(zhì)用材。
黑黃檀多用于制作紅木家具、高級樂器、工藝品、室內(nèi)裝修等,衡量其木材品質(zhì)的優(yōu)劣并不僅需考量各項(xiàng)極限強(qiáng)度,還需具備良好的綜合品質(zhì)。
木材綜合強(qiáng)度是木材用作承重構(gòu)件等時的主要參考指標(biāo),為順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度二者之和[13~15]。經(jīng)計算,黑黃檀的木材綜合強(qiáng)度為186.53 MPa,屬強(qiáng)度很高等級(>166.6 MPa)[15]。
木材的品質(zhì)系數(shù)又稱強(qiáng)重比,主要用于評價木材品質(zhì),為木材某項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)極限強(qiáng)度與基本密度的比值[13]。一般用順紋抗壓與抗彎強(qiáng)度比之和來區(qū)分木材品質(zhì)系數(shù)的等級[14]。計算得出黑黃檀木材的綜合品質(zhì)系數(shù)為277.83 MPa(表4),屬很高等級(>215.6 MPa)[14],為高等級材。
表4 木材品質(zhì)系數(shù)Tab. 4 Wood quality coefficient
黑黃檀木材屬于密度大、干縮性小的一類木材,其基本密度、氣干密度和全干密度分別為0.742 g·cm-3、0.963 g·cm-3、0.933 g·cm-3,屬高密度木材;體積全干、氣干干縮率分別為18.739%、11.380%,對應(yīng)的干縮系數(shù)分別為0.625%、0.739%,干縮系數(shù)大,達(dá)到5 級,木材加工余量需預(yù)留充足。黑黃檀木材的主要力學(xué)指標(biāo)中,順紋抗壓和抗彎強(qiáng)度等級為高,沖擊韌性等級為中等,硬度為V 級,材質(zhì)堅硬;木材綜合強(qiáng)度為186.53 Mpa,綜合品質(zhì)系數(shù)為277.83 Mpa,強(qiáng)度和強(qiáng)重比均達(dá)到高等級水平。這與鄒壽青等[15]對黑黃檀木材性質(zhì)的研究結(jié)論存在一定差別,各項(xiàng)指標(biāo)值均低于其測定結(jié)果,但與王達(dá)明等[16]研究結(jié)果基本一致,這可能與試材年齡、取材地點(diǎn)及測試方法等影響有關(guān),造成測定結(jié)果存在一定的差異性??傮w來看,黑黃檀為木質(zhì)硬重、韌性強(qiáng)、品質(zhì)優(yōu)良的珍貴硬材樹種。
在木材利用方面,黑黃檀木材屬紅木中上品,是制作明清家具、高級樂器、工藝品及室內(nèi)裝飾等的優(yōu)質(zhì)材料,但由于黑黃檀生長緩慢,且缺乏加工工具和技術(shù),一直未能很好地開發(fā)利用,要進(jìn)一步開展黑黃檀木材機(jī)械加工性能等的測試,為其充分挖掘其高附加值潛力提供參考依據(jù)。