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油杉木材物理力学性质探讨

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摘要:对油杉Keteleeriafortunei木材的物理与力学性质进行测定与比较,结果表明,油杉木材的气干密度为0.576g•cm-3,全干密度为0.544g•cm-3,属中密度木材。油杉木材的气干径向、弦向和体积干缩系数分别为4.408%、3.272%和7.892%,气干差异干缩为1.347,油杉木材具有不易开裂和变形的特征。油杉木材的抗弯强度、顺纹抗压强度分别为92.701、57.217Mpa,端面、弦面和径面硬度分别为4635.9、3420.8和3606.8N,其抗弯强度、顺纹抗压强度和硬度均属中等。50年生油杉木材的物理力学性质优于22年生马尾松Pinusmassoniana、湿地松Pinuselliottii和28年生杉木Cunninghamialanceolata、秃杉Taiwaniacryptomerioides。

关键词:油杉;木材;物理性质;力学性质;差异比较

油杉Keteleeriafortunei为松科大乔木,喜光树种,根系粗壮、发达,对土壤的适应性较广,适宜干旱环境。其树干端直,木材黄褐色,材质重,纹理直,耐水湿,抗腐性强,是珍贵的用材树种[1—2]。目前关于油杉的研究主要集中在生物学和生态学特性以及育苗和造林等方面[3],未见对油杉木材材性研究的报道。本文对取自福建省永春县的油杉试材进行物理力学性质测定,并与马尾松Pinusmassoniana、湿地松P.elliottii、杉木Cunninghamialanceolata、秃杉Taiwaniacryptomerioides木材进行比较,为油杉木材的加工利用提供技术参数。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验地在福建省永春县桃城镇大坪村湖内,海拔490~590m,地理坐标为东经118°17′44″,北纬25°21′05″。土壤类型为山地红壤,土层深厚,立地质量等级为II级,林下植被主要为亚热带常绿阔叶树种和蕨类植物。属南亚热带季风气候区,气候温暖湿润,雨量充沛,年均降水量1676.3mm,极端最高温39.2℃,极端最低温–3.2℃,年均气温20.4℃,≥10℃年均积温6984℃,年无霜期310d。群落面积约2hm2,2000年划为自然保护小区[1—3]。

1.2试材采集

在试验山场的上坡、中坡和下坡三处各设1个10m×10m样地,在各样地选择标准木1株,共选取标准木3株。标准木树龄50年,平均树高22.66m,平均胸径23.81cm。标准木伐倒后,在0m、1.3m、1.5m及以上按2m区分段,分别取5cm厚圆盘;在1.3m以上部位截取2m试材各一段,将每个圆盘和每段试材分别编号。

1.3方法

按照GB/T1929-2009《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》对油杉试材初步加工,加工的试材进行自然气干后,再按照《木材物理力学性质试验方法》(GB/T1932、1933、1934.2、1935、1936.1、1941-2009)进行各项物理力学性能测定。采用全数字电子万能材料试验机和摆锤式冲击试验机对各项力学强度指标进行测定。测定的有效样本数为30个。将50年生油杉木材的物理力学性质与22年生马尾松和湿地松[4]、28年生杉木和秃杉[5]木材的物理力学性质进行比较。

2结果与分析

2.1油杉木材物理性质

2.1.1木材密度

木材密度是直接反映木材性质的重要指标,影响着木材的抗压强度和抗弯强度等木材力学指标,木材密度与力学强度呈正相关关系[6]。从表2可以看出,油杉木材的气干密度为0.576g•cm-3,全干密度为0.544g•cm-3。根据《木材的主要物理力学性质分级表》[7],油杉木材属于中密度木材(气干密度0.551~0.750g•cm-3)。

2.1.2干缩性

干缩性能是木材性质的重要指标,直接影响木材和木制品的尺寸、性状和结构的稳定性以及使用性能的美观等[8]。油杉木材全干径向、弦向和体积干缩率分别为7.363%、5.397%和12.855%,木材气干径向、弦向和体积干缩率分别为4.408%、3.272%和7.892%(表2)。油杉木材干缩率较小,表明油杉作为用材时,具有尺寸稳定性好、变形小的优点。差异干缩(弦向干缩与径向干缩之比)是判断木材是否容易开裂及变形的重要依据。差异干缩数值偏大,说明木材干燥时容易发生翘曲和开裂;木材各方向的干缩较均匀,说明木材尺寸稳定性较好[9]。根据木材差异干缩的大小,可以大致判断木材对特殊用材的适应性[10]。油杉木材从湿材到全干状态,差异干缩为1.364,从湿材到气干状态,差异干缩为1.347,均小于2,说明油杉木材不易开裂和变形。

2.1.3湿胀性

木材湿胀性反映木材吸水后的尺寸变化。沿各方向的尺寸变化不均匀会导致木材开裂和变形,从而影响木材制品的利用[11]。油杉木材的径向、弦向、体积气干湿胀率分别为3.195%、2.250%和5.708%,径向、弦向、体积饱水湿胀率分别为7.963%、5.715%和14.794%,差异湿胀分别为2.492、2.540和2.592(表2)。油杉木材湿涨率和差异湿胀较小,表明油杉木材尺寸稳定性较好。

2.2油杉木材力学性质

2.2.1抗弯强度

木材的抗弯强度体现了木材承受静力弯曲荷载的最大能力[12]。油杉木材的抗弯强度为92.701Mpa,根据《木材物理力学性质分级表》,油杉木材的抗弯强度属于中等(88.1~118.0Mpa)。

2.2.2木材顺纹抗压强度

木材的顺纹抗压强度体现了木材沿纹理方向承受压力荷载的最大能力[10]。油杉木材的顺纹抗压强度为57.217Mpa,根据《木材物理力学性质分级表》,油杉木材的顺纹抗压强度属于中等(44.1~59.0Mpa)。

2.2.3硬度

木材硬度是指木材抵抗其他刚体压入的能力[10]。木材的硬度跟木材的密度密切相关,密度越大则硬度越高,反之则低[13]。油杉木材的端面硬度、弦面硬度和径面硬度分别为4635.9、3420.8、3606.8N,根据《木材物理力学性质分级表》,油杉木材的硬度属于中等(端面硬度4010~6500N)(表3)。

2.3油杉与其他树种木材物理力学性质比较

将油杉木材物理力学性质与福建省主要造林树种马尾松[4]、湿地松[4]、杉木[5]和秃杉[5]等进行比较(表4)。油杉木材的气干密度和全干密度最大,分别是马尾松、湿地松、杉木、秃杉的1.11、1.09、1.51、1.61倍和1.25、1.22、1.66、1.86倍。油杉木材的抗弯强度仅次于湿地松,分别是马尾松、杉木、秃杉的1.03、0.96、1.48、1.47倍。油杉木材的木材顺纹抗压强度最大,分别是马尾松、湿地松、杉木、秃杉的1.68、1.56、1.65、1.75倍。油杉木材的端面硬度、弦面硬度和径面硬度均为最大。油杉木材径向气干干缩率、弦向气干干缩率和体积气干干缩率最大,分别是马尾松、湿地松、杉木、秃杉的1.53、1.51、3.22、3.36倍、1.70、1.66、1.14、1.20倍和1.61、1.59、1.83、1.91倍,但油杉木材的差异干缩最小,油杉各个方向的干缩比较均匀。采用加权法综合评价木材物理力学性质(其中气干密度、全干密度、抗弯强度、木材顺纹抗压强度、端面硬度、弦面硬度和径面硬度的比重分别为1/7),50年生油杉木材物理力学性质优于福建省主要造林树种22年生马尾松和湿地松、28年生杉木和秃杉。

3结论

油杉木材的气干密度为0.576g•cm-3,全干密度为0.544g•cm-3,属中密度木材。木材气干径向、弦向和体积干缩系数分别为4.408%、3.272%和7.892%,气干差异干缩为1.347,木材具有不易开裂和变形的特征。油杉木材的抗弯强度、顺纹抗压强度、端面硬度、弦面硬度和径面硬度分别为92.701Mpa、57.217Mpa、4635.9N、3420.8N和3606.8N,油杉木材的抗弯强度、顺纹抗压强度和端面硬度均属于中等。综合比较,50年生油杉木材的物理力学性质优于22年生马尾松湿地松和28年生杉木、秃杉。根据对油杉生长规律的研究[1],在快速生长期时,油杉树高年均生长0.55m,胸径年均生长0.61cm。目前,马尾松的松材线虫病害严重,而同为松科的油杉具有木材好、生长较快,抗病害性强和抗瘠薄等优点。因此,从木材利用和林木生长速度方面以丰富造林树种的角度考虑,油杉推广种植意义重大,具有较高经济价值和生态价值。

参考文献:

[1]高楠,肖祥希,何文广,郭福泰,陈金章,王丽琴,连细春,黄声集,黄学敏.50年生油杉人工林生长规律研究[J].广西林业科学,2015,44(3):219—224.

[2]高楠,肖祥希,何文广,陈金章,连细春,黄声集,黄学敏.50年油杉人工林生态系统养分分配格局[J].广西林业科学,2015,44(4):352—357.

[3]王丽琴.福建永春油杉人工林生物量结构特征[J].亚热带植物科学,2015,44(3):228—230.

[4]庄奇.湿地松与马尾松人工林木材物理力学性质的比较研究[J].中南林业调查规划,2004,23(2):58—59.

[5]梁宏温,黄恒川,黄承标,黄海仲,梁欣,蒙跃环.不同树龄秃杉与杉木人工林木材物理力学性质的比较[J].浙江林学院学报,2008,25(2):137—142.

[6]林同龙.乐东拟单性木兰木材物理力学性质的研究[J].福建林学院学报,2011,31(4):381—384.

[7]李坚.木材科学研究[M].北京:科学出版社,2009.

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[10]陈松武,梁炜文,许彩娟,黄婷,陈晓斌,符韵林.人工林灰木莲木材物理力学性质研究[J].安徽农业科学,2012,40(16):8993—8996.

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作者:曾华浩1,2;肖祥希2;高楠2;刘晓辉2;陈金章3;王丽琴3;何文广2;连细春4;黄声集4;黄学敏5 单位:1.中南林业科技大学,2.福建省林业科学研究院,3.泉州市林业局,4.福建省永春碧卿国有林场,5.永春县林业局

炼油技术与工程杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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