毛红椿木材物理力学性质研究

叶忠华，叶友章，刘晓辉，杨淑宝

(1.福建省林业科学研究院，福建 福州 350012；2.福建省森林培育与林产品加工利用重点实验室，福建 福州 350012；3.福建省国有来舟林业试验场，福建 南平 353004)



毛红椿木材物理力学性质研究

叶忠华1，2*，叶友章1，2，刘晓辉1，2，杨淑宝3

(1.福建省林业科学研究院，福建 福州 350012；2.福建省森林培育与林产品加工利用重点实验室，福建 福州 350012；3.福建省国有来舟林业试验场，福建 南平 353004)

本文对9年生、15年生、22年生的毛红椿木材物理力学性能进行测定，结果表明：树龄对毛红椿木材物理力学性能影响显著，毛红椿幼龄材木材密度、力学强度均较低，随着树龄增加，密度、力学性能指标均有较大幅度提高，体积干缩系数逐渐减小。毛红椿木材差异干缩均较大，弦向干缩比径向干缩差异显著，但体积湿胀率变化不大。

毛红椿；物理性质；力学性质

毛红椿(Toona ciliate var.pubescens)为楝科香椿属红椿的变种，是南方地区珍贵的速生乡土用材树种，其心材红色，素有“中国的桃花心木”之美称，毛红椿树干通直圆满，生长较迅速，也是我国第一批二级保护的珍贵阔叶树种[1]。作为南方地区珍贵的速生乡土用材树种，因其速生性好、适应性强，是很好的造林树种，在山区造林有很大潜力。福建省国有来舟林业试验场对毛红椿进行扦插育苗试验[2]，并进行了多年造林培育。目前国内对毛红椿育苗、资源保护和培育方面作了较多研究[3-5]，但有关毛红椿木材材性方面的研究尚未见报道，本文通过对毛红椿木材物理力学性能的研究，为毛红椿人工林培育及木材的加工利用提供技术参数，具有实际应用价值。

1　材料与方法

1.1试验材料

试验材料采集地位于福建省国有来舟林业试验场，地处南平市延平区，土壤类型为山地红壤，土层较厚。在3块不同造林时间的样地上采集毛红椿木材，试材采集方法按照国家标准GB/T1927-2009《木材物理力学试材采集方法》进行，在样地内进行每木检尺，测定胸径和树高，选取平均木作为样木进行采集，每一样地内分别选伐样木3株，采集木具体情况见表1。

表1　毛红椿采集木情况

1.2试验方法

自胸高以上截取2 m长的木段作为试材，运回实验室。按照GB/T1929-2009《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》进行初步加工，加工后的试样毛坯在实验室阴凉通风处进行堆垛气干放置，直到试材达到气干。再按照国家标准GB/T1930～ 1941—2009《木材物理力学性质试验方法》加工成试验用的无瑕疵试样。依据国家标准GB/T1928-2009《木材物理力学试验方法总则》进行各项物理力学性能测定。各项力学强度指标在全数字电子万能材料试验机和摆锤式冲击试验机上测定，测定的有效样本数为32个。

2　结果与分析

2.1不同树龄毛红椿木材物理性质

根据试验数据，计算出不同树龄毛红椿木材密度、干缩、湿胀性指标均值和变异统计数据(见表2、表3)。

2.1.1密度

木材密度是木材单一性质中的最重要指标，对木材的力学性能等用材指标有重要影响，对木材的加工、利用及林木育种优良品种筛选都具有重要意义[6]。根据《木材材性分级规定》，表2数据表明，毛红椿木材密度属于“轻”一级，树龄对毛红椿木材密度影响较大，树龄增长毛红椿木材密度也增大，15年生、22年生木材密度分别比9年生高16.0%、35.4%，这是由于早期毛红椿木材生长迅速，晚材率较低，而随着树龄增长，毛红椿木材晚材率提高，木材密度也随之增长。22年生毛红椿木材气干密度与杉木、福建柏相当[7]，说明树龄20年以上毛红椿木材用于加工利用较适宜。

表2　不同树龄毛红椿木材密度

2.1.2干缩性

在木材利用上，木材的干缩主要引起木材尺寸上的变化，导致加工好的构件变形开裂，因此，木材干缩性是衡量木材优劣的重要指标之一[6]。干缩系数是指吸着水每变化1%时木材的干缩率变化值，它是衡量木材干缩特性的一项重要指标，以干缩系数指标计算确定出木材加工过程中板材尺寸和湿单板剪切时应留出的干缩余量[8]。根据《木材材性分级规定》，体积干缩系数可分为5个等级。从表3可见，毛红椿木材体积干缩系数均小于0.45%，木材干缩性属于“小”，随着树龄增长，木材干缩系数逐渐降低，15年生和22年生毛红椿木材体积干缩系数差异不显著，9年生毛红椿木材体积干缩系数较显著，表明树龄较低的毛红椿木材收缩程度较大。从差异干缩来看，3种树龄的毛红椿木材差异干缩均较大，弦向干缩大于径向干缩，说明其木材各方向的干缩不均匀，其原因有待进一步深入研究。

2.1.3湿胀性

木材湿胀性反映了木材吸水后的尺寸变化，从表3可以看出，3种树龄毛红椿木材吸湿后体积湿胀率分别为19.6%、19.7%、19.2%，差异湿胀分别为3.40、3.32、3.70，吸水后尺寸变化显著，在加工利用时应充分考虑湿胀性对产品尺寸的影响。

2.2不同树龄毛红椿木材力学性质

木材力学性质是木材抵抗外力改变大小和形状的能力，即木材适应外力作用的能力。根据试验数据，计算出不同树龄毛红椿木材各种力学性质指标均值和变异统计数据(见表4)。

表3　不同树龄毛红椿木材干缩湿胀性

2.2.1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[6]，在木材作为结构和建筑材料中是至关重要的力学性质，用于建筑材的榫结合等用途要求顺纹抗压强度要较大。3种树龄的毛红椿木材顺纹抗压强度分别为21.3 MPa、27.3 MPa、32.8 MPa，抗压强度上属于“低”，树龄增长对顺纹抗压强度影响明显，15年生、22年生木材抗压强度分别比9年生高28.2%、54.0%。

2.2.2抗弯强度和弹性模量

木材的抗弯强度和抗弯弹性模量体现了木材承受静力弯曲荷载的最大能力[6]，3种树龄的毛红椿木材抗弯强度分别为34.6 MPa、50.1 MPa、64.0 MPa，弹性模量分别为4017.2 MPa、5711.7 MPa、6504.4 MPa，树龄增长对抗弯强度和弹性模量影响明显，15年生、22年生木材抗弯强度分别比9年生高44.8%、85.0%，15年生、22年生木材弹性模量分别比9年生高42.2%、61.9%，22年生毛红椿木材抗弯强度和弹性模量低于同龄杉木、福建柏[7]。

2.2.3顺纹抗拉强度

顺纹抗拉强度体现了木材沿纹理方向承受拉力荷载的最大能力，3种树龄的毛红椿木材顺纹抗拉强度分别为46.9 MPa、66.2 MPa、84.3MPa，树龄增长对顺纹抗拉强度影响明显，15年生、22年生木材抗拉强度分别比9年生高41.2%、79.7%，抗拉强度与同龄杉木、福建柏木材接近[7]。

2.3.4冲击韧性

冲击韧性是检验木材的韧性或脆性的指标，常用于评定车辆和建筑结构用材的品质依据[6]。3种树龄的毛红椿木材冲击韧性分别为27 kj/m2、41 kj/m2、58 kj/m2，根据《木材材性分级规定》分级标准属于“中等”， 15年生、22年生木材冲击韧性分别比9年生高51.9%、114.8%。

2.3.5硬度

木材硬度是指木材抵抗其他刚体压入的能力[6]。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。15年生木材端面硬度、弦面硬度、径面硬度分别比9年生高39.2%、36.4%、54.1%，22年生木材端面硬度、弦面硬度、径面硬度分别比9年生高84.1%、120.8%、131.6%，毛红椿幼龄材硬度过小，22年生毛红椿木材硬度与同龄杉木、福建柏木材接近[7]。

2.3.6综合强度

木材作为承重构件时，要考虑其顺纹抗压强度和抗弯强度，所以通常采用顺纹抗压强度和抗弯强度之和来表示木材的综合强度[6]。根据《木材材性分级规定》可知，毛红椿木材综合强度属于“低”一级，说明了毛红椿木材只适合用作一些强度要求不太高的结构构件。

表4　不同树龄毛红椿木材力学性能

3　结论与讨论

(1)对不同造树龄毛红椿木材材性的测定和比较分析表明，树龄对毛红椿木材密度影响较大，树龄增加毛红椿木材密度也增大，幼龄材密度较小，15年生、22年生木材密度分别比9年生高16.0%、35.4%。

(2)毛红椿木材干缩性属于“小”，随着树龄增长，木材干缩系数逐渐降低，树龄较低的毛红椿木材收缩程度较大。毛红椿木材差异干缩均较大，弦向干缩比径向干缩差异显著。毛红椿木材吸湿后尺寸变化显著，在加工利用时应充分考虑湿胀性对产品尺寸的影响。

(3)毛红椿木材各项力学性能指标中除了冲击韧性属于“中等”以外，其他力学指标和综合强度均属于“低”一级，树龄对毛红椿木材各项力学性能影响显著，木材综合强度属于“低”一级，幼龄材各项力学性能指标较低，说明了毛红椿木材只适合用作一些强度要求不太高的非结构构件。

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Analysis onPhysical and Mechanical Properties ofToonaciliataTimber

YEZhong-hua1，2,YEYou-zhang1，2,LIUXiao-hui1，2,YANGShu-bao3

(1.FujianAcademyofForestry,Fuzhou,Fujian350012,China; 2.FujianProvincialKeyLabofForestSilvicultureandForestProductProcessingUtilization,Fuzhou,Fujian350012,China; 3.TheStateownedForestryExperimentFarminLaizhou,Nanping,Fujian353004,China)

The physical and mechanical properties of 9-year-old, 15-year-old and 22-year-old ofToonaciliatawood were measured in the present study. The results showed that the trees ages had significant effect on the timber physical and mechanical properties ofToonaciliata. Juvenile wood characterized in lower density and mechanical strength. These two indicators remarkably increased with the increment of age, while volume shrinkage coefficients decreased gradually with age. The wood shrinkage ratio demonstrated higher differences inToonaciliata, and tangential shrinkage was more significant than radial shrinkage, but swelling ratio showed little changed.

ToonaciliataToonaciliata; Physical properties; Mechanical properties

1008-0457(2016)03-0072-04国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2016.03.014

2016-01-17；修回日期：2016-03-19

福建省省属公益类科研院所科研项目“毛红椿木材加工特性及其复合材技术研究”(闽林研201338)。

叶忠华(1969-)，男，福建永泰人，硕士，教授级高工，主要从事木材科学与技术、人造板工艺技术研究；E-mail:793227098@qq.com。

S781.3;S781.2

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