粗殼澳洲堅果木材物理力學性質的研究

雷福娟，馬錦林，王軍鋒，黃騰華，宋戀環

（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）

隨著國民經濟的快速發展，木材需求量日益增大，而我國木材資源有限，自給能力嚴重不足，對外依賴度達50%，特別是我國全面停止天然林商業性采伐后，木材資源更加短缺，培育和尋找新的木材資源是解決木材供需的根本途徑。粗殼澳洲堅果（Macadamia ternifolia）為山龍眼科（Proteaceae）澳洲堅果屬多年生常綠果樹，木材堅硬，呈紅褐色，宜做家具和工藝品，具有優良的用材價值。目前澳洲堅果的研究主要集中在栽培技術和果實精深加工等方面[1-3]，對其木材性質缺乏基本的認識和了解，其木材未能得到高效的加工與利用。近年來，澳洲堅果種植面積快速增長，目前廣西區內澳洲堅果種植總面積已超過1.4萬hm2，位居全國第2[4]。在集約化栽培進程中，對間伐和更新砍伐下來的木材加以利用，可有效減少資源浪費，增加經濟收入，大大提高澳洲堅果產業的綜合效益。因此開展澳洲堅果木材相關材性研究，了解并掌握其木材解剖、物理和力學等主要材性數據，可為澳洲堅果的定向培育和木材綜合利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試材由廣西扶綏夏果種植有限責任公司提供，該批木材為2018年1月粗殼澳洲堅果果樹更新時采伐，樹齡30年。選取10 根直徑20 ～25 cm、樹干通直、無明顯缺陷且具有代表性的原木作為試材。

1.2 試驗方法

將試材分別鋸成65 mm厚的中心板和22 mm厚的毛邊鋸材，放置室內進行氣干，根據GB/T 1929-2009[5]制備標準試樣并置于溫度（20±2）℃、相對濕度為（65±3）%的環境中進行含水率處理平衡。利用UTM5504 電子萬能力學試驗機和JB-M100 擺錘式沖擊試驗機等設備，根據GB/T 1928-2009[6]對木材物理力學性質的各項指標進行測定。試驗結果均換算為含水率12%時的數據。

2 結果與分析

2.1 木材物理性質

2.1.1 密度

木材密度反映了單位體積內胞壁物質的數量[7]，對木材加工利用和林木培育有重要的指導意義，是判斷木材強度的最佳指標[8]。粗殼澳洲堅果木材基本密度、氣干密度和全干密度分別為0.628、0.786和0.751 g/cm3（表1）。根據我國木材氣干密度5 級分級情況[9]，粗殼澳洲堅果木材的氣干密度為4級，屬于中高等密度木材。

2.1.2 干縮濕脹性

干縮濕脹使木制品尺寸發生變化，是木材主要缺點，不利于木材的加工利用[10]。木材含水率隨著周圍環境溫度和相對濕度的變化而不斷發生改變，易使木材產生濕脹與干縮，木材膨脹和收縮時產生的應力變化導致木材表面粗糙，紋理隆起，產生微細裂紋以致明顯開裂[11]。弦向與徑向干縮的比值為差異干縮，木材的差異干縮若偏大，其內部各方向的干縮濕脹則不均勻，容易發生開裂變形。差異干縮和干縮系數是反映木材尺寸穩定性的重要指標，其值較大時，尺寸穩定性相對較差，容易產生開裂變形。粗殼澳洲堅果木材的徑向、弦向和體積氣干干縮率分別為2.28%、7.55%和10.19%，差異干縮為3.31；徑向、弦向和體積全干干縮率分別為3.96%、12.09%和16.28%，差異干縮為3.05；徑向、弦向和體積干縮系數分別為0.14%、0.41%和0.57%。木材從全干到氣干時，徑向、弦向和體積濕脹率分別為1.54%、4.40%和6.11%，差異濕脹為2.86；從全干到吸水飽和狀態，徑向、弦向和體積濕脹率分別為3.26%、11.61%和15.48%，差異濕脹為3.56（表1）。根據木材性質5級分級表[9]，粗殼澳洲堅果木材的體積干縮系數屬于4 級；差異干縮屬于5 級；差異濕脹值較大，與干縮反應的結果一致，說明粗殼澳洲堅果木材內部各方向干縮、濕脹不均勻，尺寸穩定性差，干燥過程中容易開裂變形，在窯干時需注意控制前期干燥速度，避免產生嚴重的干燥缺陷[12]。

表1 澳洲堅果木材主要物理性質Tab.1 Main physical properties of M.ternifolia wood

續表1 Continued

2.2 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，與木材的加工性能有密切關系，硬度低的木材易于加工，硬度太高則不利于切削加工[13]；木材硬度與其木制品的耐磨性和漆膜硬度有直接關系，當木材硬度較高時，其耐磨性大，漆膜硬度也會提高，若木材硬度較低，其木制品表面容易出現劃痕和壓痕等痕跡[11]，影響產品外觀和使用性。粗殼澳洲堅果木材的端面、徑面和弦面硬度分別為9 630、8 030 和7 590 N（表2）。對照木材性質分級情況表[9]，粗殼澳洲堅果木材屬于高硬度木材，可用于制作沙發、桌椅和地板等常與硬物接觸的木制品，耐磨且不易出現表面劃痕和壓痕等外觀缺陷。

2.2.2 抗彎強度和抗彎彈性模量

木材抗彎強度反映木材承受橫向載荷的能力，主要作為易于彎曲的構件及木橋的梁和桁條的設計依據。抗彎強度是重要的力學性質，常用以推導木材的容許應力。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[11]。粗殼澳洲堅果木材的抗彎強度為82.9 MPa，抗彎彈性模量為11 300 MPa（表2）。根據木材性質分級情況[9]，粗殼澳洲堅果木材抗彎強度屬于2 級；抗彎彈性模量屬于3 級，說明木材較剛硬，承受橫向載荷的能力中等略偏低。

2.2.3 順紋抗壓強度

在短時間內沿木材順紋方向緩緩施加壓縮載荷，木材能承受的最大的能力稱為順紋抗壓強度，根據木材順紋抗壓強度可求得設計應力，用于設計各種受壓構件，作為選擇受壓木材構件的重要依據，木材順紋抗壓強度是木材最具有代表性的力學特性指標之一[11]。粗殼澳洲堅果木材順紋抗壓強度為48.4 MPa（表2）。根據我國木材性質5 級分級情況[9]，粗殼澳洲堅果木材順紋抗壓強度屬于3 級，說明木材承受順紋方向載荷的能力中等。

2.2.4 沖擊韌性

沖擊韌性用以評價木材的韌性或脆性。通常，木梁、枕木、槍托、坑木、木梭和船槳等部件用材均需具有較好的沖擊韌性[11]。粗殼澳洲堅果木材沖擊韌性為46 kJ/m2（表2）。根據木材沖擊韌性4級分級情況[9]，粗殼澳洲堅果木材沖擊韌性屬于2 級，說明木材韌性中等。

表2 粗殼澳洲堅果木材主要力學性質Tab.2 Main mechanical properties of M.ternifolia wood

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[14]。對于一些要求輕質高強構件的領域，如航天航空和高空建筑等，品質系數是評價材料優劣的重要指標[15]。依據木材順紋抗壓強度和抗彎強度數據，計算得出綜合品質系數。根據木材綜合品質系數的大小，可將其分為低等級材（＜1960×105Pa）、中等級材（1 961 × 105～2 156 × 105Pa）和高等級材（＞2 156 × 105Pa）[13]。粗殼澳洲堅果木材的綜合品質系數為2 090.8×105Pa，為中等級材（表3）。

表3 粗殼澳洲堅果木材品質系數Tab.3 Quality coefficients of M.interifolia wood（×105 Pa）

2.3 粗殼澳洲堅果木材與其氣干密度相近樹種木材物理力學性質的比較

粗殼澳洲堅果木材的硬度比其他16個樹種高，抗彎強度和沖擊韌性最低；順紋抗壓強度高于葡萄桉（Eucalyptus botryoides）等4 個樹種，與黑荊（Aca-cia mearnsii）一樣，低于其他10 個樹種；抗彎彈性模量高于紅豆樹（Ormosia hosiei）等4 個樹種，低于其他11 個樹種（表4）。粗殼澳洲堅果木材屬于硬度高、脆性較大、抗順紋載荷能力中等、抗橫紋載荷能力中等稍偏低的木材。

表4 澳洲堅果木材和與其氣干密度相近樹種木材的物理力學性質比較Tab.4 Comparison on physical and mechanical properties of M.ternifolia wood and other woods with similar air-dry density

續表4 Continued

3 結論與討論

本研究結果表明，粗殼澳洲堅果木材尺寸穩定性較差，有較高的硬度和密度、中等的強度和韌性、中等的品質系數，經過尺寸穩定性改性處理后，可作為房屋建筑、交通、地板和家具等方面的用材。其沖擊韌性相對較低，硬度較高，耐磨且不易出現表面劃痕和壓痕等外觀缺陷。

我國自20世紀70年代開始引種粗殼澳洲堅果，現已成為世界上粗殼澳洲堅果發展最快、種植面積最大的國家[17]。粗殼澳洲堅果可作為“果木兩用”樹種進行定向培育，通過嫁接技術進行優勢互補，可使材用和果用均達到較佳效果，既可獲得優質堅果，還能產生大批優質木材資源，提高粗殼澳洲堅果產業的綜合效益。