四川蓝桉幼龄材物理力学性质研究

罗　浩，齐锦秋，谢九龙，吴秉岭，黄兴彦

(四川农业大学 林学院，四川 雅安 625014)



四川蓝桉幼龄材物理力学性质研究

罗浩，齐锦秋，谢九龙，吴秉岭，黄兴彦

(四川农业大学 林学院，四川 雅安 625014)

[摘要]【目的】 分析四川产蓝桉幼龄材的物理力学性质及密度变异规律，为提高其利用效率、扩展其利用方式提供参考。【方法】 参照木材物理力学性质测试国家标准，对5年生蓝桉的物理力学性质(气干径向干缩率、弦向干缩率、体积干缩率，全干径向干缩率、弦向干缩率、体积干缩率，气干密度、绝干密度和基本密度，顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗剪强度和端面、径面和弦面硬度等)进行了测定，并分析了其木材密度变异特性。【结果】 5年幼龄四川蓝桉用材的气干径向、弦向、体积干缩率分别为2.38%，4.01%，6.75%；全干径向、弦向、体积干缩率分别为3.71%，5.65%，9.14%；气干密度、全干密度和基本密度分别为0.46，0.41，0.38 g/cm3，3种密度在径向上均呈现出先减小后增大的变异规律，而在在轴向上，从基部到2 m处基本保持不变，到4 m处下降到最小，且下降幅度较大，4 m以上随着树高的增加而增加；木材顺纹抗压强度为24.80 MPa，抗弯强度为58.26 MPa，抗弯弹性模量为6 444.24 MPa，顺纹抗剪强度为2.31 MPa，端面、径面和弦面硬度平均值分别为3.10，2.20，1.96 kN。四川蓝桉5年幼龄材的综合强度为83.06 MPa，综合强度较小。【结论】 蓝桉幼龄材物理力学性质较小，密度变异规律显著。

[关键词]蓝桉；幼龄材；物理性质；力学性质；密度变异；四川

蓝桉(EucalyptusglobulusLabill)为桃金娘科桉属植物，原产澳大利亚，从19世纪末期开始作为观赏性树种引入我国[1]。从20世纪50年代以来，蓝桉生长快、适应能力强、产量大、经济价值高等优点被广泛认可，并逐步在华南和西南地区推广开来，成为主要栽培树种之一，尤其在四川、云南两省生长良好[2]。在昆明立地条件较好的地方，10年生蓝桉可达到20 m高，胸径30～40 cm[3]。由此，蓝桉在四川和云南得到进一步的发展，至20世纪70年代形成一定规模的人工林，且“四旁”栽培也达到5亿株。目前，关于蓝桉的研究主要集中在造林、栽培、引种驯化、遗传育种、木材构造、化学成分等方面，并在大量的研究基础上将其应用于纸浆、木片、人造纤维生产[4-6]。木材物理力学性质对木材加工处理和利用都具有重要的实际意义，许多木材加工处理工艺的制定以及用材部门对木材的选择，都有赖于木材物理力学性质的测定数据。另外，随着人造板行业的快速发展，桉树类速生树种均被广泛应用于中密度纤维板、刨花板、细木工板及单板层积材等的生产。因此，关于蓝桉物理力学性质和密度变异规律的研究，对补充理论基础、提高利用效率、扩展利用方式具有重要的意义。为此，本研究以四川产蓝桉为材料，对其主要物理力学性质进行了研究，并分析了其木材密度变异特性，以期为蓝桉材质预测及其高效加工利用提供科学的理论指导。

1材料与方法

1.1试验材料

试验材料采自四川省雅安市雨城区四川农业大学实验林场，该区为四川盆地与青藏高原的结合过渡地带，属亚热带湿润季风气候，平均海拔660 m，年平均气温16.2 ℃，年平均降水量1 732 mm，年均温16.2 ℃，无霜期298 d，年平均日照时数1 019 h，土壤以白垩纪灌口组紫色砂页岩风化的坡堆积物形成的紫色土为主。按照国家标准GB 1927-91《木材物理力学试材采集方法》在蓝桉人工林中选取A、B、C、D、E 5株样树，标明北向记号并测定记录胸径、树高等，具体情况见表1。自基部伐倒后，剔除枝桠，随后进行树干解析，从基部起每隔2 m截取一个圆盘，并且在1.3 m高处截取1个圆盘，对截取的圆盘进行标号并装袋，将木段和圆盘运回实验室备用。

表 1　四川蓝桉物理力学性能测试材料的基本情况

1.2试验方法

将上述木段运回实验室后，锯解成板坯，然后放置于实验室自然干燥。待其达到平衡含水率后按照国家标准GB 1928-2009《木材物理力学实验方法》进行试件加工，并对气干径向干缩率、弦向干缩率、体积干缩率，全干径向干缩率、弦向干缩率、体积干缩率，气干密度、全干密度和基本密度，顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗剪强度和端面、径面和弦面硬度等指标进行测定。从不同高度圆盘上截取试件进行密度轴向变异数据的测定，密度径向上的变异是以1.3 m处圆盘按生长轮截取试件来测定的。各项力学指标测试均在深圳瑞格尔万能力学试验机上进行，每株样木有效测定样本数均为30个，每个指标试件个数共计150个。

2结果与分析

2.1蓝桉木材的主要物理性质

2.1.1木材的干缩性木材水分在空气中逐步蒸发会导致其含水率变小，同时也会引起体积的缩小，称为干缩。木材之所以干缩，主要是由于当木材干燥时，水分向外蒸发，细胞壁纤丝之间、微纤丝之间和微晶之间的吸着水减少，其间的水层减薄，纤丝、微纤丝、微晶之间彼此靠拢，以致细胞壁乃至整个木材的尺寸随之缩小[7]。由于木材各向的不均匀性，其干缩值也不相同，因干缩不均匀所产生的内应力会使木材及其制品发生干裂、翘曲变形等缺陷，严重影响木材及其制品的使用[8]。木材因树种不同，干缩率也不同，一般径向干缩率在3%～6%，弦向干缩率在6%～12%。从表2可以看出，蓝桉木材气干径向、弦向、体积干缩率分别为2.38%，4.01%，6.75%；全干径向、弦向、体积干缩率分别为 3.71%，5.65%，9.14%，差异干缩(弦向干缩与径向干缩之比)为1.41～1.80，使用时具有不易产生瓦弯变形和开裂等优点。蓝桉气干干缩率小于同属的巨桉[9]、尾叶桉[10]、尾巨桉[11]，表明蓝桉尺寸稳定性较好，在作为用材时具有变形小的优点。

2.1.2木材密度木材密度是众多性状中至关重要的一个指标，直接影响着木材的抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等力学指标[12]。一般认为，木材作为称重结构材料，它的主要品质取决于木材密度[13]，也是木材作为人造板原料必须考虑的重要指标[14]。从表2可以看出，蓝桉基本密度为0.38 g/cm3，变化范围0.33～0.42 g/cm3；气干密度为0.46 g/cm3，变化范围0.41～0.52 g/cm3；全干密度为0.41 g/cm3，变化范围0.36～0.47 g/cm3；根据《木材材性分级规定》[15]，属于小密度木材。蓝桉基本密度、气干密度、全干密度均小于同属的柳桉、柠檬桉和巨桉，其相差幅度最高达到50%左右。有关研究认为，一般用于生产纤维板和纸浆的木材气干密度以0.4～0.6 g/cm3较好[16]。所以，5年生蓝桉人工林不仅胸径已经接近20 cm，而且从密度角度来讲其还是较好的纤维板生产和纸浆原料用材。

表 2　蓝桉木材主要物理性质及变异统计

2.1.3密度变异规律(1)径向变异。一般认为，蓝桉密度的径向变异规律为：从髓心到树皮木材密度逐渐增大，不过也存在过渡区的密度高于靠近髓心和靠近树皮部位的现象，而Geoffrey等[17]总结大量研究结果发现，在速生材中，木材密度沿径向随着离髓心距离的增大而减小。Panshin等[18]在总结大量变异规律的基础上，将密度径向变异划分为3种类型:Ⅰ为自髓心向外，密度递增；Ⅱ为自髓心向外，密度最初递减，然后向外层逐渐增加；Ⅲ为髓心附近密度高于树皮附近密度，密度自髓心到树皮以直线或曲线形式降低。从图1可以看出，蓝桉木材密度在径向上的变异规律表现为：从髓心到树皮先降低再上升，即基本密度、气干密度、全干密度在1～3年树龄之间呈减小趋势，3～5年树龄之间呈现增加趋势，属于PanshinⅡ型变异模式，而且基本密度、气干密度和全干密度变异规律表现出较强的一致性。这与尾叶桉[19]、油松[20]基本密度的径向变异规律是一致的，但是与Geoffrey等[17]的研究结果不相符。一般认为，木材的基本密度与林木生长程度有密切关系，生长速度越快，木材密度越小，反过来木材密度越大，生长速度就越慢[21]。这是因为生长率高，输导组织空隙较大，以致木材质地较为疏松，木材密度相应地就比较小，随着树龄增大，生长率降低，这时形成的木材细胞分子粗、长且壁厚，质地致密，老的干材部分填充物增加，木材密度增大[4]。蓝桉密度在第3年达到最小，其原因有可能是在栽植后第3年起其生长速率达到最快而导致木材密度最小，还有可能是髓心附近的第一、第二生长轮相比第三生长轮生长速率更低，但是拥有较高含量的浸提物等原因而呈现出靠近髓心部分木材密度高于第3年，髓心附近木材密度高可能是应力木存在，浸提物含量、管胞径向和弦向直径、管胞胞壁厚度等因子共同作用的结果[20]。

图 1　蓝桉木材密度的径向变异规律

(2) 轴向变异。日本学者渡道治人[22]研究认为，沿着树干方向，树干横截面密度变化趋势有3种：Ⅰ.从下向上密度逐渐变大；Ⅱ.从下向上密度逐渐变小；Ⅲ.从下向上密度逐渐变小，中间大致不变，而上部又逐渐变大。从图2可以看出，蓝桉基本密度在轴向的变异规律表现为：从基部到2 m处基本保持不变；从2 m到4 m减小，减小幅度颇为明显；4 m以后，随着高度的增加基本密度呈逐渐增加趋势，并且逐渐趋于稳定。气干密度与全干密度在轴向上的变异规律和基本密度表现出较强的一致性，较大的区别在于高度达12 m以上，基本密度趋于稳定，而气干密度和全干密度还呈现出增加趋势。总体而言，基本密度、气干密度和基本密度均在4 m高度处出现极小值，在轴向上的变异规律为从下往上先减小，然后有个小范围的不变过渡，紧接着随着树高的增高而增加，并逐渐趋于稳定。这与渡道治人[22]所归纳的密度在轴向的变异规律Ⅲ吻合，还与Callister[23]和Raymond等[24]以澳大利亚产蓝桉为材料得出的变异规律一致。

2.2蓝桉木材的主要力学性质

木材力学性质是度量木材抵抗外力的能力，是结构用材的主要材性指标，也是木材合理利用的一个重要依据。蓝桉木材的主要力学性质见表3。

表 3　蓝桉木材主要力学性质及变异统计

注：同列数据后标不同大写字母和小写字母分别代表在P<0.01、P<0.05水平差异显著。

Note：Capital and small letters in each column represent significant difference atP<0.01 andP<0.05,respectively.

从表3可知，5年生蓝桉顺纹抗压强度为24.80 MPa，抗弯弹性模量为6 444.24 MPa，抗弯强度为58.26 MPa，顺纹抗剪强度为2.31 MPa，端面、径面、弦面的硬度分别为3.10，2.20，1.96 kN。而且方差分析表明，端面硬度极显著大于径面(P<0.01)，径面硬度极显著大于弦面(P<0.01)。在所测指标中，木材顺纹抗压强度指平行于木材纤维方向，对试件全部加压面施加载荷时的强度，是木材作为结构和建筑材料中至关重要的力学性质[25]，其大小是选择作为坑木、支柱、桩木及轮辐等类似应用的重要依据[26]，但是我国木材的顺纹抗压强度平均值为45 MPa，高于本研究中蓝桉的平均值，所以，在选择支柱等承重构件时不建议考虑5年生蓝桉。木材抗弯强度和抗弯弹性模量是木材最重要的力学指标，常用来推测木材的容许应力和计算构件在荷载下的变形，说明5年生蓝桉比例极限内抵抗弯曲变形的能力较弱。5年生蓝桉综合强度为83.06 MPa，根据《木材物理力学性质分级表》[27]，属于低水平范围。这是因为5年生的蓝桉处于幼龄阶段，形成层细胞为了满足植株高生长和直径生长的要求，分裂速度较快，发育的细胞腔大壁薄；细胞壁的物质积累速度相对较慢，加上较高比例的木质素和高聚糖，就导致木材密度和力学强度较小。所以，5年生蓝桉力学强度较小，在实际生产应用中应充分考虑其能否满足需要，避免因力学强度不满足而造成的相关损失。

2.3蓝桉基本密度与主要力学性质的相关性

蓝桉基本密度和主要力学性质的相关性分析结果见表4。从表4可以看出，各项力学指标均与基本密度显著或极显著相关，其中顺纹抗剪强度与基本密度呈显著负相关关系，其余力学指标与基本密度呈极显著正相关关系；各项力学指标间，除顺纹抗剪强度外，其余力学指标间相关性显著或极显著；顺纹抗剪强度与抗弯弹性模量、抗弯强度、顺纹抗压强度、端面硬度、径面硬度相关性不显著。

表 4　蓝桉基本密度与主要力学性质相关性

注：*、**分别代表在P<0.05、P<0.01水平显著相关。

Note：* and ** represent significant correlation atP<0.05 andP<0.01,respectively.

3结论

1)5年生蓝桉相对含水率和绝对含水率分别为13.51%，15.63%；蓝桉木材气干密度、全干密度和基本密度分别为0.46，0.41，0.38 g/cm3；蓝桉木材气干径向、弦向、体积干缩率分别为2.38%，4.01%，6.75%。全干径向、弦向、体积干缩率分别为3.71%，5.65%，9.14%，差异干缩处于1.41～1.80。

2)5年生蓝桉木材密度在径向上的变异规律表现为从髓心到树皮先降低再上升，轴向的变异规律表现为从基部到2 m处基本保持不变，从2 m到4 m减小，4 m以后，随着高度增加基本密度呈逐渐增加趋势。

3)5年生蓝桉顺纹抗压强度为24.80 MPa；抗弯强度为58.26 MPa，抗弯弹性模量6 444.24 MPa；顺纹抗剪强度为2.31 MPa；木材端面、径面和弦面硬度平均值分别为3.10，2.20，1.96 kN。方差分析表明，3个面硬度差异极显著。5年生蓝桉综合强度较小，为83.06 MPa。各项力学指标与基本密度的相关性均达显著或极显著水平。

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Physical-mechanical properties ofEucalyptusglobulusjuvenile wood from Sichuan

LUO Hao，QI Jin-qiu，XIE Jiu-long，WU Bing-ling，HUANG Xing-yan

(CollegeofForestry，SichuanAgriculturalUniversity，Ya’an，Sichuan625014，China)

Abstract:【Objective】 This study analyzed physical and mechanical properties and variation in density of Eucalyptus globulus from Sichuan to provide reference for improving efficiency and expanding use patterns.【Method】 The physical-mechanical properties (radial air-dried shrinkage,tangential air-dried shrinkage,volume air-dried shrinkage,radial over-dried shrinkage ratio,tangential over-dried shrinkage ratio,volume over-dried shrinkage ratio,air-dried density,dried density,basic density,compressive strength parallel to grain,bend elastic modulus,compressive strength,shear strength parallel to grain,end section hardness,radial section hardness,and tangential section hardness) of 5-year-old Eucalyptus globulus were tested based on National Standards and the variation in density was analyzed.【Result】 The air-dried shrinkages of radial,tangential and volume were 2.38%,4.01%,and 6.75%.The over-dried shrinkages were 3.71%,5.65%,and 9.14%,respectively.The air-dried density,dried density and basic density were 0.46,0.41,and 0.38 g/cm3 and all three densities showed similar variation of first decrease followed by increase from pith to bark.In the axial direction,they were unchanged from the base to 2 m and dropped to the smallest at 4 m height before increasing as the increase of stem height above 4 m.The compressive strength parallel to grain was 24.80 MPa,the bending strength was 58.26 MPa,the bending elastic modulus was 6 444.24 MPa,and the shear strength parallel to grain was 2.31 MPa.The hardnesses in end,radial and tangential sections were 3.10 kN,2.20 kN,and 1.96 kN,respectively.The composite strength of Sichuan 5-year-old Eucalyptus globulus was 83.06 MPa,belonging to low level.【Conclusion】 Eucalyptus globulus juvenile wood had low physical and mechanical properties and significant density variation.

Key words:Eucalyptus globulus;juvenile wood;physical properties;mechanical properties;density variation; Sichuan

DOI：网络出版时间:2016-01-0810:2210.13207/j.cnki.jnwafu.2016.02.013

[收稿日期]2014-06-13

[基金项目]四川省高等学校重点实验室项目“木材工业与家具工程”

[作者简介]罗浩(1989-)，男，四川威远人，在读硕士，主要从事木材材性研究。E-mail:sumiorbo@163.com[通信作者]齐锦秋(1972-)，女，辽宁阜新人，副教授，博士，主要从事木/竹材材性研究。E-mail:qijinqiu2005@aliyun.com

[中图分类号]S792.39

[文献标志码]A

[文章编号]1671-9387(2016)02-0090-07