6個桉樹大徑材樹種木材力學性質差異分析

歐陽林男，欒潔，陳少雄，林家純，王建忠，胡嬋，熊濤，冷少華

6個桉樹大徑材樹種木材力學性質差異分析

歐陽林男1，欒潔2，陳少雄1＊，林家純2，王建忠3，胡嬋2，熊濤3，冷少華2

(1.國家林業和草原局桉樹研究開發中心，廣東湛江 524022；2.廣西林業科學研究院，廣西南寧 530002；3.廣西國有東門林場，廣西扶綏 532108)

本文分析比較了細葉桉、赤桉、巨桉、尾葉桉、粗皮桉、大花序桉6個桉樹大徑材樹種木材的抗彎強度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強度、沖擊韌性、硬度5種力學性質差異。結果表明：6個桉樹大徑材樹種的抗彎強度(116.38 ~ 183.99 Mpa)從高到低依次為尾葉桉>大花序桉>細葉桉>粗皮桉>巨桉>赤桉，抗彎彈性模量(13 975 ~ 30 442 Mpa)從高到低依次為大花序桉>尾葉桉>細葉桉>粗皮桉>赤桉>巨桉，順紋抗壓強度(64.93 ~ 86.75 Mpa)從高到低依次為大花序桉>細葉桉>粗皮桉>赤桉>尾葉桉>巨桉，沖擊韌性(65.05 ~ 134.06 KJ·m-2)從高到低依次為大花序桉>細葉桉>粗皮桉>赤桉>巨桉>尾葉桉，硬度(69.03 ~ 107.65 Mpa)從高到低依次為大花序桉>細葉桉>赤桉>尾葉桉>粗皮桉>巨桉。對6個樹種不同部位力學性質進行方差分析，結果表明，大花序桉的抗彎強度、順紋抗壓強度在不同高度差異顯著，巨桉的抗彎彈性模量差異顯著，尾葉桉、粗皮桉的順紋抗壓強度差異顯著，赤桉的端面硬度差異顯著，細葉桉的弦面硬度差異顯著；隸屬函數法分析結果表明，6個樹種中大花序桉的木材綜合材性最優，其余依次為細葉桉>赤桉>尾葉桉>粗皮桉>巨桉。

桉樹；大徑材；材性；力學性質

由于我國木材市場的條件發生了變化，對大徑材木材的需求矛盾日益突出。大徑材培育是人工林定向培育的一個重要方向，也是解決目前木材資源緊張的有效途徑之一。桉樹()作為重要的人工林速生樹種之一，在我國廣泛栽培種植。截至目前，我國桉樹人工林培育目標仍以短輪伐期的纖維材居多，以大徑材為目標的大規模桉樹人工林培育較少。

木材是不可或缺的重要生物質資源，木材力學性能是影響木材加工利用的重要指標之一。木材力學性質又稱木材的機械性質，是木材抵抗使其改變大小和形狀的外部機械力作用的能力，即木材適應外力作用的能力[1]，主要包括順紋抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量、沖擊韌性、硬度等，能夠反映木材作為大徑材使用的潛力。

造林樹種選擇是大徑材人工林營建最重要的一項基本工作，樹種適當與否是大徑材造林工作成敗的關鍵。桉樹是姚金娘(Myrtaceae科桉屬(、杯果木屬()、傘房屬()3個屬種的總稱，共1 039個樹種[2]，而我國桉樹傳統經營培育過程中相關的樹種選擇缺乏引導，桉樹大徑材人工林培育過程中的樹種選擇依據更是欠缺。

針對上述問題，本研究選取細葉桉()、赤桉(、巨桉()、尾葉桉()、粗皮桉()、大花序桉() 6個桉樹樹種為對象，以木材抗彎強度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強度、沖擊韌性、硬度五個力學性質為測試指標，比較桉樹種間以及同一樹種不同高度的力學性質差異，以期為桉樹大徑材人工林營建和提高桉樹木材加工利用率提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣西崇左市扶綏縣東門鎮廣西國有東門林場雷卡分場，屬亞熱帶季風氣候，年均溫為 22℃，極端最低溫-3℃，極端最高溫40℃；年均降雨量1 250 mm，地勢平緩，海拔 135 ~ 156 m，土壤為磚紅壤性紅壤，pH值范圍為 4.5 ~ 6.0。

1.2 試樣采集

細葉桉、赤桉、巨桉、尾葉桉、粗皮桉、大花序桉6個桉樹樹種樣木于2017年下旬取自桉樹大徑材試驗林，樣木信息和生長情況見表1。

6個樹種分別選取長勢適中的5株作為標準樣木，全株伐倒，于1.3 ~ 3.3、5.3 ~ 7.3、9.3 ~ 11.3和13.3 ~ 15.3 m處各鋸取2 m長的原木段作為標準木段，置于溫度為(20±2)℃，相對濕度(65±5)%環境中進行含水率平衡，調整木材含水率至12%，參照國家標準 GB 1929-2009《木材物理力學試件鋸解及試樣截取方法》制取試件，初步加工為試驗用標準試件[3]，用以測定桉樹木材的力學性質。

1.3 試樣測定

木材抗彎強度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強度、沖擊韌性、硬度分別參照GB/T 1936.1-2009《木材抗彎強度試驗方法》[4]、GB/T 1936.2-2009《木材抗彎彈性模量測定方法》[5]、GB/T 1935-2009《木材順紋抗壓強度試驗方法》[6]、GB/T 1940-2009《木材沖擊韌性試驗方法》[7]、按國家標準GB/T 1941-2009《木材硬度試驗方法》[8]進行測定。

表1 樣木的基本情況

1.4 數據統計與分析

使用Excel進行數據整理和統計，采用SPSS 20.0和Origin 8.5軟件進行方差分析和圖像制作。參照孫曉梅等[9]的方法計算隸屬值，計算公式：

隸屬值=(-min)/(max-min)×100% (1)

若某指標與材性性質呈反向關系，可通過反隸屬函數計算隸屬值：

隸屬值= [1-(-min)/(max-min)]×100% (2)

式中：為某樹種某指標的測定值；max為所有樹種該木材指標測定值的最大值；min為所有樹種木材指標測定值的最小值。

2 結果與分析

2.1 6個桉樹樹種木材力學性質

表2展示了6個桉樹樹種的木材抗彎強度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強度。其中，尾葉桉的抗彎強度最大，平均值為183.99 MPa；赤桉的抗彎強度最小，平均值為116.38 MPa。對照木材主要物理力學性質分級表[10]，尾葉桉的抗彎強度達到5級(>145.1 MPa)，赤桉的對應值達3級(90.1 ~ 120.0 MPa)。大花序桉的抗彎彈性模量最大，平均值為30 442 MPa，巨桉的彈性模量最小，平均值為13 975 MPa。對照木材主要物理力學性質分級表[10]，大花序桉和巨桉的抗彎彈性模量分別達5級(>16 600 MPa)和4級(13 600 ~ 16 500 MPa)，6個桉樹樹種木材的抗彎彈性模量均達到高等級以上。大花序桉的順紋抗壓強度最大，平均值86.75 MPa；巨桉的順紋抗壓強度最小，平均值64.93 MPa。對照木材主要物理力學性質分級表[10]，大花序桉和巨桉的順紋抗壓強度分別為5級(>75.1 MPa)和4級(60.1 ~ 75.0 MPa)。6個桉樹樹種的順紋抗壓強度由大到小依次為大花序桉>細葉桉>粗皮桉>赤桉>尾葉桉>巨桉。

表2 6個桉樹樹種的抗彎強度、抗彎彈性模量和順紋抗壓強度 Mpa

表3展示了6個桉樹樹種木材的沖擊韌性和硬度，其中大花序桉的沖擊韌性最大，平均值134.06 KJ·m-2，對照木材主要物理力學性質分級表[10]，達到3級(85.1 ~ 145.0 KJ·m-2)，沖擊韌性大；尾葉桉的沖擊韌性最小，平均值為65.05 KJ·m-2，達到2級(25.1 ~ 85.0 KJ·m-2)，沖擊韌性中等。大花序桉的端面硬度和弦面硬度均為最大，端面硬度和弦面硬度平均值分別為107.65 MPa和103.87 MPa，對照木材主要物理力學性質分級表[10]，端面硬度和弦面硬度均達到5級；巨桉的端面硬度和弦面硬度均最小，端面硬度和弦面硬度平均值分別為78.13 MPa和69.03 MPa，端面硬度和弦面硬度均達到4級。這6個桉樹樹種木材的硬度均為端面硬度>徑面硬度>弦面硬度。

表3 6個桉樹樹種的沖擊韌性和硬度

2.2 桉樹樹種間以及不同高度力學性質方差分析

根據6個桉樹樹種之間的力學性質方差分析結果，抗彎強度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強度、沖擊韌性、硬度5個指標在不同桉樹樹種間的差異均達極顯著水平(表4)。

表4 6個桉樹樹種之間不同力學性質的方差分析

根據6個桉樹樹種不同高度力學性質方差分析結果(表5)，不同力學性質在樹體不同高度之間的差異顯著性因樹種不同各異。大花序桉在不同高度的抗彎強度值差異顯著，其余樹種不顯著；巨桉在不同高度的抗彎彈性模量測試值差異顯著，其余樹種均不顯著；尾葉桉、粗皮桉、大花序桉在不同高度的順紋抗壓強度值差異顯著，其余樹種未達到顯著差異水平；6個樹種的沖擊韌性在不同高度的差異均不顯著；除細葉桉在不同高度的弦面硬度，以及赤桉在不同高度的端面硬度差異顯著外，其余樹種不同高度的硬度差異均不顯著。

表5 6個桉樹樹種不同高度木材力學性質的方差分析

注：*表示差異顯著(<0.05)

2.3 桉樹大徑材樹種木材物理力學性質間的相關性分析

表6顯示了桉樹大徑材樹種木材物理力學性質的相關性結果。可以看出，木材的抗彎強度與抗彎彈性模量呈極顯著相關，與順紋抗壓強度呈顯著相關，與沖擊韌性、硬度的相關性不顯著；抗彎彈性模量與順紋抗壓強度、沖擊韌性的相關性不顯著，與硬度呈顯著相關；順紋抗壓強度與沖擊韌性、硬度呈極顯著相關；沖擊韌性與硬度呈極顯著相關；木材端面、弦面、徑面之間的硬度呈極顯著相關。

表6 6個桉樹樹種木材力學性質的相關性

注：*表示差異顯著(<0.05)，**表示差異極顯著(<0.01)

2.4 桉樹大徑材樹種木材的物理力學性質評價

通過對6個桉樹大徑材樹種物理力學性質的方差分析與變異統計可知，不同樹種間木材之間的抗彎強度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強度、沖擊韌性、硬度均有顯著差異，為綜合評價6個桉樹樹種的材性狀況，采取模糊數學中的隸屬函數法對不同家系間的木材材性進行綜合比較，各指標隸屬值見表7，隸屬值最高為大花序桉，其次從高到低依次為細葉桉、赤桉、尾葉桉、粗皮桉，巨桉的木材力學性質最低。

表7 6個桉樹樹種木材力學性質的隸屬函數值與排名

3 討論與結論

木材彎曲性能主要由抗彎強度和抗彎彈性模量綜合體現，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，抗彎彈性模量則用于度量木材在荷載下的變形和能承受的最大荷載，彎曲性能高的木材可用于屋架、橫條、木條和承重地板[10]。大花序桉的抗彎性最強，其余樹種除赤桉的抗彎強度屬于中等材外，其余都屬于高強度木材。本研究中，木材抗彎強度由高到低排序為尾葉桉>大花序桉>細葉桉>粗皮桉>巨桉>赤桉；抗彎彈性模量由高到低排序為大花序桉>尾葉桉>細葉桉>粗皮桉>赤桉>巨桉。

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，是木材作為結構和建筑材料中至關重要的力學性質，其大小是其能否作為坑木、支柱、樁木等應用材料的重要依據[10,12]。我國木材的順紋抗壓強度平均值為45 MPa[11,13]，而這6個桉樹樹種的木材順紋抗壓強度均高于45 MPa，均屬高強度的木材，6個測試樹種均可用于結構材和建筑材。本研究順紋抗壓強度排序為大花序桉>細葉桉>粗皮桉>赤桉>尾葉桉>巨桉；此外，6個測試桉樹樹種木材的沖擊韌性均達到中等以上，適于用作車輛、運動器械和農機部件用材，大花序桉為6個測試樹種中木材硬度最大者，抵抗剛體壓入的能力也最強。本研究中，沖擊韌性排序為大花序桉>細葉桉>粗皮桉>赤桉>巨桉>尾葉桉；硬度大小排序為大花序桉>細葉桉>赤桉>尾葉桉>粗皮桉>巨桉。

本研究發現，6個桉樹樹種之間木材力學性狀差異極顯著，除沖擊韌性在6個樹種不同高度的差異均不顯著外，其余材性指標均出現在某一或某幾個樹種不同高度上有所差異。這與前人報道的樹種間，甚至樹種內木材物理理學特性存在較大差異的結果一致[14-15]。6個桉樹大徑材樹種木材力學性質指標兩兩之間存在復雜的相關性，應依據材性需求對樹種進行評價篩選。

本研究使用隸屬函數法，選擇抗彎強度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強度、沖擊韌性、硬度5個指標對6個桉樹大徑材樹種木材進行綜合評價，其中綜合排名第1的為大花序桉，其木材材性最優，可作為承重結構構件用材，其次為細葉桉，赤桉、尾葉桉、粗皮桉，巨桉的材性綜合得分相對靠后。

[1] 鐘利軍,劉繼廣.木材力學性能對木材加工利用影響的評價研究[J].白城師范學院學報,2016,30(5):65-70.

[2] 謝耀堅.我國桉樹種質資源現狀及育種目標探討[J].桉樹科技,2012,29(2):33-39.

[3] 中國木材標準化技術委員會.木材物理力學試材采集方法: GB/T1927-2009 [S].北京:中國標準出版社,2009.

[4] 中國木材標準化技術委員會.木材抗彎強度試驗方法: GB/T1936.1-2009 [S].北京:中國標準出版社,2009.

[5] 中國木材標準化技術委員會.木材抗彎彈性模量測定方法:GB/T1936.2-2009 [S].北京:中國標準出版社,2009.

[6] 中國木材標準化技術委員會.木材順紋抗壓強度試驗方法: GB/T1935-2009 [S].北京:中國標準出版社,2009.

[7] 中國木材標準化技術委員會.木材沖擊韌性試驗方法: GB/T1940-2009 [S].北京:中國標準出版社,2009.

[8] 中國木材標準化技術委員會.木材硬度試驗方法: GB/T1941-2009 [S].北京:中國標準出版,2009.

[9] 孫曉梅,楚秀麗,張守攻,等.落葉松種間及其雜種木材物理力學性質評價[J].林業科學,2012,48(12):153-159.

[10] 李堅.木材科學研究[M].北京:科學出版社,2009.

[11] 羅浩,齊錦秋,謝九龍,等.四川藍桉幼齡材物理力學性質研究[J].西北農林科技大學學報,2016,44(2):90-96.

[12] 黃騰華,符韻林,李寧.擎天樹木材物理力學性質研究[J].西北林學院學報,2013,2(5):160-163.

[13] 尹思慈.木材品質與缺陷[M].北京:中國林業出版社,1991.

[14] 尚秀華,張沛健,羅建中,等.赤桉幼齡材物理力學性質研究[J].西北農林科技大學學報,2019,47(5):32-41.

[15] 李因剛,柳新紅,應光明,等.15個五金工具柄用材樹種幼齡材物理力學性質的比較與綜合評價[J].林業科學,2010,46(12):182-187.

Mechanical Properties of Wood from SixSpecies

OUYANG Linnan1, LUAN Jie2, CHEN Shaoxiong1, LIN Jiachun2, WANG Jianzhong3, HU Chan2, XIONG Tao3, LENG Shaohua2

()

Mechanical properties including bending strength, modulus of elasticity, compression strength parallel to grain, toughness and hardness of wood were analyzed for sixspecies(and), and the differences were evaluated comprehensively using a membership function based on Fuzzy mathematics. The results showed that the order of species by their bending strength (116.38 ~ 183.99 Mpa), arranged from high to low, was:,,,and. For modulus of elasticity (13 975 ~ 30 442 Mpa) the order of the species, arranged from high to low, was:,,,,and. For compression strength parallel to grain (64.93 ~ 86.75 Mpa), the order of the sixspecies, arranged from high to low, was,,,,, and. By toughness (65.05 ~ 134.06 Mpa) the order of the sixspecies, arranged from high to low, was:,,,,and. And, by hardness (69.03 ~ 107.65 Mpa) the order of the sixspecies, arranged from high to low, was:,andAnalyses of variance showed that the bending strength and compression strength parallel to grain indiffered significantly at different heights, as did modulus of elasticity in. Similarly, the compression strength parallel to grain ofanddiffered significantly at different heights, as did end surfacehardness inand tangential section hardness in. The results of membership function analysis showed that the comprehensive wood properties ofwere best, with the species following in the order ofand then.

; hardwood; wood property; mechanical property

S781.2

A

10.13987/j.cnki.askj.2019.04.002

國家重點研發計劃課題“桉樹大徑材定向培育技術”(2016YFD0600502)；廣東省林業科技創新項目“桉樹大徑材與林下經濟培育技術研究與示范”(2016KJCX005)

歐陽林男(1990— )，女，博士，助理研究員，主要從事桉樹人工林培育研究，E-mail: ouyanglinnan0208@163.com

陳少雄(1965— )，男，博士，研究員，主要從事桉樹人工林培育研究，E-mail:sxchen01@163.com