伯乐树木材物理力学性质的研究

陈奕良，林 鹏，叶朝坤，俞友明*，黄华宏，骆文坚

（1. 浙江省庆元县庆元林场，浙江 庆元 323805；2. 浙江农林大学，浙江 临安 311300；3. 浙江省庆元县林业局，浙江 庆元 323800；4. 浙江省林业种苗管理总站，浙江 杭州 310020）

伯乐树（Bretschneidera sinensis），属南华木科南华木属树种，又名钟萼木，是我国Ⅱ级珍稀濒危保护植物[1]，系第三纪孑遗植物及东亚植物区系的特有成分，对研究被子植物的系统发育及古地理、古气候等方面均有重要科学价值。伯乐树材质优良，花形大，色艳丽，是既可用材又可观赏的珍贵树种；其适应性强，根系发达，可选作低山营造混交林和进行四旁绿化；树干通直，纹理直，色纹美观，为优良家具用材。迄今为止，对伯乐树的材性研究尚未见报道。本文对伯乐树的物理力学性质进行了测试与分析，为更好地利用其木材和培育资源提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料取自浙江庆元林场人工林，共采集3株，每株分别在树干的1.3、3.3、5.3和7.3 m高度处截取2 cm的圆盘一个，标注试验号及南北方向，用于木材生长轮宽度试验；锯截胸高（1.3 m）以上2 m长木段各一段作为试材，运回实验室待测。

1.2 试验方法

1.2.1 木材物理力学性质测试方法 将试材锯成22 mm厚的板坯，放置于室内进行气干，然后，按照GB1927 ~1943-91《木材物理力学性质试验方法》进行加工试验用的无疵试样及完成试验步骤，测定其木材的各项物理力学性质指标。各项力学性质均在MWD-10木材万能力学试验机上测定，有效样本数均在20个以上[2]。

1.2.2 木材生长轮宽度测试方法 圆盘经两面刨光后，在试样断面上，按照南北方向画一条通过髓心的直线，进行木材生长轮宽度测试。

表1 伯乐树木材物理性质均值及变异统计Table 1 The average value and variance of physical properties of B. sinensis wood

图1 伯乐树木材生长轮宽度的径向及纵向变异Figure 1 Radial and longitudinal variation in growth ring width of B. sinensis wood

2 结果与分析

2.1 木材物理性质

根据试验结果，计算出伯乐树木材各项物理性质指标均值和变异统计数据，见表1。

2.1.1 木材生长轮宽度 生长轮的宽度或者从树干的筒状结构来理解为厚度，反映了树木的生长速度，它的变化也是测量树木材积的年生长量和木材性质优劣的一项依据。生长轮宽度或厚度，在树木高度生长和直径生长过程中都有明显变化[3]。通过图1可以看出，伯乐树生长轮宽度由髓部向外有先增大后减小的变化趋势，而随着树干高生长的增加，在主干不同高度的生长轮宽度变化也是明显的，主要取决于类型细胞的体积大小的变化和细胞壁的改变。

2.1.2 木材密度 木材的力学性质与构成木材物质的数量及构造有关，且以木材物质的数量为最主要。木材密度是单位体积内木材物质数量的标志，因此与力学性质有着密切的关系[3]。伯乐树木材的气干密度0.636 g/cm3，全干密度0.609 g/cm3，属中等（0.55 ~ 0.75 g/cm3），有利于旋切。

2.1.3 木材干缩性 木材的干缩是木材加工、利用上的一大问题，它不仅因木材干缩而发生尺寸和体积的缩小，且因干缩不均而引起木材开裂、翘曲变形等缺陷，同时干燥后的木材尺寸和体积并非永久不变，它随着周围空气湿度的变动而继续发生变化。了解木材的干缩性及干缩规律，在木材加工、利用上有很重要的意义[3]。伯乐树木材的体积干缩系数为0.65%，属大（0.56% ~0.65%）[4]。

2.1.4 木材湿胀性 木材湿胀不仅增大尺寸，同时改变形状，强度也随之下降，一般是木材利用上的不良性质。综合木材密度、干缩湿胀性可知，伯乐树木材密度中等、干缩湿胀性大、尺寸不稳定。

2.2 木材力学性质

根据试验结果，计算整理出伯乐树木材的各项力学性质均值和变异统计数据，见表2。

表2 伯乐树木材力学性质均值及变异统计Table 2 The average value and variance of mechanical properties of B. sinensis wood

伯乐树木材的力学性质（弹性模量、抗弯强度、顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度、顺纹抗剪强度、冲击韧性与抗劈力）与其他阔叶树材力学性质比较见表3。

表3 伯乐树与其他阔叶树种的力学性质比较Table 3 Comparison of the mechanical properties between B. sinensis wood and other hardwood

2.2.1 木材弹性模量 从表2的测定结果中可以看出，伯乐树木材的弹性模量为14 410 MPa，从表3中可知，仅小于黄檀（Dalbergia hupeana），比光皮桦（Betula luminifera）、鹅掌楸（Liriodendron chinense）、水青冈（Fagus longipetiolata）、水曲柳（Fraxinus mandschurica）、核桃（Juglans regia）、枫香（Liquidambar formosana）、柞木（Xylosma racemosum）的弹性模量都大。

2.2.2 木材弦向抗弯强度 由表3可以看出，伯乐树木材的抗弯强度介于顺纹抗压强度与顺纹抗拉强度之间，为108.1 MPa，小于光皮桦、水青冈、黄檀、柞木，大于鹅掌楸、枫香，与水曲柳、核桃相近。我国一般树种的平均值在90 MPa左右[5]，可以发现，伯乐树木材的抗弯强度属中等水平。

2.2.3 木材顺纹抗压强度 伯乐树木材的顺纹抗压强度为57.3 MPa，比鹅掌楸、水曲柳、水青冈、枫香、核桃、柞木大，小于黄檀，与光皮桦的顺纹抗压强度相似。根据《木材物理力学性质分级表》[6]可知，伯乐树木材的顺纹抗压强度为中等。

2.2.4 木材顺纹抗拉强度 木材顺纹抗拉强度决定于木材纤维或管胞的强度、长度和方位，纤维或管胞的长度是左右木材强度的主要因子，木材顺纹抗拉强度与顺纹抗压强度之比同木材韧性的关系密切，并为判断木材对弯曲适应性的依据[3]。伯乐树的顺纹抗拉强度与顺纹抗压强度之比为 2.26，均小于表3中的其他阔叶树种，表明伯乐树木材的弯曲适应性一般。

2.2.5 木材顺纹抗剪强度 伯乐树木材的径向和弦向顺纹抗剪强度均为12.4 MPa，与柞木、水青冈相似，比鹅掌楸、水曲柳、枫香大，小于光皮桦、黄檀。

2.2.6 木材抗劈力 伯乐树木材的径向和弦向抗劈力分别为47.1 N/mm和50.2 N/mm，均大于表3中的其他阔叶树种，表明伯乐树木材的抗劈力最为突出。

2.2.7 木材冲击韧性 木材的冲击韧性，多半是顺纹抗拉强度对破坏的影响[3]。伯乐树木材的冲击韧性为 46.5 kJ/m2，均小于表3中的其他阔叶树种，与其顺纹抗拉强度与顺纹抗压强度之比有密切关系，根据《木材物理力学性质分级表》[6]可知，伯乐树木材的冲击韧性为中等。

2.2.8 木材力学性质总体分析 木材的力学性质是木材合理利用的一个重要依据，根据《木材物理力学性质分级表》可知，伯乐树木材的顺纹抗压强度和抗弯强度为中等，冲击韧性为中等。由于木材顺纹抗压强度又与其他力学强度指标存在相关关系，是最重要的指标[7~10]。木材作为承重构件必须考虑它的顺纹抗压强度和抗弯强度，所以通常用顺纹抗压强度和抗弯强度之和来表示木材的综合强度，伯乐树木材的综合强度为165.4 MPa，根据《木材材性分级规定》[4]可知，它的综合强度为中等[11]。

通过表3计算其他阔叶树种的木材综合强度分别为：光皮桦186.2 MPa、鹅掌楸117.7MPa、水青冈164.9 MPa、水曲柳154.8 MPa、核桃150.8 MPa、黄檀215.2 MPa、枫香122.7 MPa、柞木169.7 MPa，可以看出黄檀的综合强度最大，说明其材性最好，而伯乐树的材性较好，在相比较的树种中，伯乐树的木材力学强度处于中等水平。

3 小结

（1）伯乐树木材的物理性质，其气干密度0.636 g/cm3，全干密度0.609 g/cm3，属中等；体积干缩系数0.65%，属大。

（2）伯乐树木材的力学性质，其顺纹抗压强度为57.3 MPa，弦向抗弯强度为108.1 MPa，综合强度为165.4 MPa，材性属中等；冲击韧性46.5 kJ/m2，属中等。纹理直，色纹美观，为实木地板、胶合板、家具的理想用材。大力营造南华木林可以保护当前珍贵木材，对保护生物基因、促进生物多样性及生态的良好循环和林业可持续发展、造福子孙后代具有重要的现实意义和深远的历史意义。

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