6个桉树大径材树种木材力学性质差异分析

欧阳林男，栾洁，陈少雄，林家纯，王建忠，胡婵，熊涛，冷少华

6个桉树大径材树种木材力学性质差异分析

欧阳林男1，栾洁2，陈少雄1＊，林家纯2，王建忠3，胡婵2，熊涛3，冷少华2

(1.国家林业和草原局桉树研究开发中心，广东湛江 524022；2.广西林业科学研究院，广西南宁 530002；3.广西国有东门林场，广西扶绥 532108)

本文分析比较了细叶桉、赤桉、巨桉、尾叶桉、粗皮桉、大花序桉6个桉树大径材树种木材的抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、冲击韧性、硬度5种力学性质差异。结果表明：6个桉树大径材树种的抗弯强度(116.38 ~ 183.99 Mpa)从高到低依次为尾叶桉>大花序桉>细叶桉>粗皮桉>巨桉>赤桉，抗弯弹性模量(13 975 ~ 30 442 Mpa)从高到低依次为大花序桉>尾叶桉>细叶桉>粗皮桉>赤桉>巨桉，顺纹抗压强度(64.93 ~ 86.75 Mpa)从高到低依次为大花序桉>细叶桉>粗皮桉>赤桉>尾叶桉>巨桉，冲击韧性(65.05 ~ 134.06 KJ·m-2)从高到低依次为大花序桉>细叶桉>粗皮桉>赤桉>巨桉>尾叶桉，硬度(69.03 ~ 107.65 Mpa)从高到低依次为大花序桉>细叶桉>赤桉>尾叶桉>粗皮桉>巨桉。对6个树种不同部位力学性质进行方差分析，结果表明，大花序桉的抗弯强度、顺纹抗压强度在不同高度差异显著，巨桉的抗弯弹性模量差异显著，尾叶桉、粗皮桉的顺纹抗压强度差异显著，赤桉的端面硬度差异显著，细叶桉的弦面硬度差异显著；隶属函数法分析结果表明，6个树种中大花序桉的木材综合材性最优，其余依次为细叶桉>赤桉>尾叶桉>粗皮桉>巨桉。

桉树；大径材；材性；力学性质

由于我国木材市场的条件发生了变化，对大径材木材的需求矛盾日益突出。大径材培育是人工林定向培育的一个重要方向，也是解决目前木材资源紧张的有效途径之一。桉树()作为重要的人工林速生树种之一，在我国广泛栽培种植。截至目前，我国桉树人工林培育目标仍以短轮伐期的纤维材居多，以大径材为目标的大规模桉树人工林培育较少。

木材是不可或缺的重要生物质资源，木材力学性能是影响木材加工利用的重要指标之一。木材力学性质又称木材的机械性质，是木材抵抗使其改变大小和形状的外部机械力作用的能力，即木材适应外力作用的能力[1]，主要包括顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性、硬度等，能够反映木材作为大径材使用的潜力。

造林树种选择是大径材人工林营建最重要的一项基本工作，树种适当与否是大径材造林工作成败的关键。桉树是姚金娘(Myrtaceae科桉属(、杯果木属()、伞房属()3个属种的总称，共1 039个树种[2]，而我国桉树传统经营培育过程中相关的树种选择缺乏引导，桉树大径材人工林培育过程中的树种选择依据更是欠缺。

针对上述问题，本研究选取细叶桉()、赤桉(、巨桉()、尾叶桉()、粗皮桉()、大花序桉() 6个桉树树种为对象，以木材抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、冲击韧性、硬度五个力学性质为测试指标，比较桉树种间以及同一树种不同高度的力学性质差异，以期为桉树大径材人工林营建和提高桉树木材加工利用率提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广西崇左市扶绥县东门镇广西国有东门林场雷卡分场，属亚热带季风气候，年均温为 22℃，极端最低温-3℃，极端最高温40℃；年均降雨量1 250 mm，地势平缓，海拔 135 ~ 156 m，土壤为砖红壤性红壤，pH值范围为 4.5 ~ 6.0。

1.2 试样采集

细叶桉、赤桉、巨桉、尾叶桉、粗皮桉、大花序桉6个桉树树种样木于2017年下旬取自桉树大径材试验林，样木信息和生长情况见表1。

6个树种分别选取长势适中的5株作为标准样木，全株伐倒，于1.3 ~ 3.3、5.3 ~ 7.3、9.3 ~ 11.3和13.3 ~ 15.3 m处各锯取2 m长的原木段作为标准木段，置于温度为(20±2)℃，相对湿度(65±5)%环境中进行含水率平衡，调整木材含水率至12%，参照国家标准 GB 1929-2009《木材物理力学试件锯解及试样截取方法》制取试件，初步加工为试验用标准试件[3]，用以测定桉树木材的力学性质。

1.3 试样测定

木材抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、冲击韧性、硬度分别参照GB/T 1936.1-2009《木材抗弯强度试验方法》[4]、GB/T 1936.2-2009《木材抗弯弹性模量测定方法》[5]、GB/T 1935-2009《木材顺纹抗压强度试验方法》[6]、GB/T 1940-2009《木材冲击韧性试验方法》[7]、按国家标准GB/T 1941-2009《木材硬度试验方法》[8]进行测定。

表1 样木的基本情况

1.4 数据统计与分析

使用Excel进行数据整理和统计，采用SPSS 20.0和Origin 8.5软件进行方差分析和图像制作。参照孙晓梅等[9]的方法计算隶属值，计算公式：

隶属值=(-min)/(max-min)×100% (1)

若某指标与材性性质呈反向关系，可通过反隶属函数计算隶属值：

隶属值= [1-(-min)/(max-min)]×100% (2)

式中：为某树种某指标的测定值；max为所有树种该木材指标测定值的最大值；min为所有树种木材指标测定值的最小值。

2 结果与分析

2.1 6个桉树树种木材力学性质

表2展示了6个桉树树种的木材抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度。其中，尾叶桉的抗弯强度最大，平均值为183.99 MPa；赤桉的抗弯强度最小，平均值为116.38 MPa。对照木材主要物理力学性质分级表[10]，尾叶桉的抗弯强度达到5级(>145.1 MPa)，赤桉的对应值达3级(90.1 ~ 120.0 MPa)。大花序桉的抗弯弹性模量最大，平均值为30 442 MPa，巨桉的弹性模量最小，平均值为13 975 MPa。对照木材主要物理力学性质分级表[10]，大花序桉和巨桉的抗弯弹性模量分别达5级(>16 600 MPa)和4级(13 600 ~ 16 500 MPa)，6个桉树树种木材的抗弯弹性模量均达到高等级以上。大花序桉的顺纹抗压强度最大，平均值86.75 MPa；巨桉的顺纹抗压强度最小，平均值64.93 MPa。对照木材主要物理力学性质分级表[10]，大花序桉和巨桉的顺纹抗压强度分别为5级(>75.1 MPa)和4级(60.1 ~ 75.0 MPa)。6个桉树树种的顺纹抗压强度由大到小依次为大花序桉>细叶桉>粗皮桉>赤桉>尾叶桉>巨桉。

表2 6个桉树树种的抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度 Mpa

表3展示了6个桉树树种木材的冲击韧性和硬度，其中大花序桉的冲击韧性最大，平均值134.06 KJ·m-2，对照木材主要物理力学性质分级表[10]，达到3级(85.1 ~ 145.0 KJ·m-2)，冲击韧性大；尾叶桉的冲击韧性最小，平均值为65.05 KJ·m-2，达到2级(25.1 ~ 85.0 KJ·m-2)，冲击韧性中等。大花序桉的端面硬度和弦面硬度均为最大，端面硬度和弦面硬度平均值分别为107.65 MPa和103.87 MPa，对照木材主要物理力学性质分级表[10]，端面硬度和弦面硬度均达到5级；巨桉的端面硬度和弦面硬度均最小，端面硬度和弦面硬度平均值分别为78.13 MPa和69.03 MPa，端面硬度和弦面硬度均达到4级。这6个桉树树种木材的硬度均为端面硬度>径面硬度>弦面硬度。

表3 6个桉树树种的冲击韧性和硬度

2.2 桉树树种间以及不同高度力学性质方差分析

根据6个桉树树种之间的力学性质方差分析结果，抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、冲击韧性、硬度5个指标在不同桉树树种间的差异均达极显著水平(表4)。

表4 6个桉树树种之间不同力学性质的方差分析

根据6个桉树树种不同高度力学性质方差分析结果(表5)，不同力学性质在树体不同高度之间的差异显著性因树种不同各异。大花序桉在不同高度的抗弯强度值差异显著，其余树种不显著；巨桉在不同高度的抗弯弹性模量测试值差异显著，其余树种均不显著；尾叶桉、粗皮桉、大花序桉在不同高度的顺纹抗压强度值差异显著，其余树种未达到显著差异水平；6个树种的冲击韧性在不同高度的差异均不显著；除细叶桉在不同高度的弦面硬度，以及赤桉在不同高度的端面硬度差异显著外，其余树种不同高度的硬度差异均不显著。

表5 6个桉树树种不同高度木材力学性质的方差分析

注：*表示差异显著(<0.05)

2.3 桉树大径材树种木材物理力学性质间的相关性分析

表6显示了桉树大径材树种木材物理力学性质的相关性结果。可以看出，木材的抗弯强度与抗弯弹性模量呈极显著相关，与顺纹抗压强度呈显著相关，与冲击韧性、硬度的相关性不显著；抗弯弹性模量与顺纹抗压强度、冲击韧性的相关性不显著，与硬度呈显著相关；顺纹抗压强度与冲击韧性、硬度呈极显著相关；冲击韧性与硬度呈极显著相关；木材端面、弦面、径面之间的硬度呈极显著相关。

表6 6个桉树树种木材力学性质的相关性

注：*表示差异显著(<0.05)，**表示差异极显著(<0.01)

2.4 桉树大径材树种木材的物理力学性质评价

通过对6个桉树大径材树种物理力学性质的方差分析与变异统计可知，不同树种间木材之间的抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、冲击韧性、硬度均有显著差异，为综合评价6个桉树树种的材性状况，采取模糊数学中的隶属函数法对不同家系间的木材材性进行综合比较，各指标隶属值见表7，隶属值最高为大花序桉，其次从高到低依次为细叶桉、赤桉、尾叶桉、粗皮桉，巨桉的木材力学性质最低。

表7 6个桉树树种木材力学性质的隶属函数值与排名

3 讨论与结论

木材弯曲性能主要由抗弯强度和抗弯弹性模量综合体现，木材抗弯强度是指木材承受逐渐施加弯曲荷载的最大能力，抗弯弹性模量则用于度量木材在荷载下的变形和能承受的最大荷载，弯曲性能高的木材可用于屋架、横条、木条和承重地板[10]。大花序桉的抗弯性最强，其余树种除赤桉的抗弯强度属于中等材外，其余都属于高强度木材。本研究中，木材抗弯强度由高到低排序为尾叶桉>大花序桉>细叶桉>粗皮桉>巨桉>赤桉；抗弯弹性模量由高到低排序为大花序桉>尾叶桉>细叶桉>粗皮桉>赤桉>巨桉。

木材顺纹抗压强度是指木材沿纹理方向承受压力荷载的最大能力，是木材作为结构和建筑材料中至关重要的力学性质，其大小是其能否作为坑木、支柱、桩木等应用材料的重要依据[10,12]。我国木材的顺纹抗压强度平均值为45 MPa[11,13]，而这6个桉树树种的木材顺纹抗压强度均高于45 MPa，均属高强度的木材，6个测试树种均可用于结构材和建筑材。本研究顺纹抗压强度排序为大花序桉>细叶桉>粗皮桉>赤桉>尾叶桉>巨桉；此外，6个测试桉树树种木材的冲击韧性均达到中等以上，适于用作车辆、运动器械和农机部件用材，大花序桉为6个测试树种中木材硬度最大者，抵抗刚体压入的能力也最强。本研究中，冲击韧性排序为大花序桉>细叶桉>粗皮桉>赤桉>巨桉>尾叶桉；硬度大小排序为大花序桉>细叶桉>赤桉>尾叶桉>粗皮桉>巨桉。

本研究发现，6个桉树树种之间木材力学性状差异极显著，除冲击韧性在6个树种不同高度的差异均不显著外，其余材性指标均出现在某一或某几个树种不同高度上有所差异。这与前人报道的树种间，甚至树种内木材物理理学特性存在较大差异的结果一致[14-15]。6个桉树大径材树种木材力学性质指标两两之间存在复杂的相关性，应依据材性需求对树种进行评价筛选。

本研究使用隶属函数法，选择抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、冲击韧性、硬度5个指标对6个桉树大径材树种木材进行综合评价，其中综合排名第1的为大花序桉，其木材材性最优，可作为承重结构构件用材，其次为细叶桉，赤桉、尾叶桉、粗皮桉，巨桉的材性综合得分相对靠后。

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[3] 中国木材标准化技术委员会.木材物理力学试材采集方法: GB/T1927-2009 [S].北京:中国标准出版社,2009.

[4] 中国木材标准化技术委员会.木材抗弯强度试验方法: GB/T1936.1-2009 [S].北京:中国标准出版社,2009.

[5] 中国木材标准化技术委员会.木材抗弯弹性模量测定方法:GB/T1936.2-2009 [S].北京:中国标准出版社,2009.

[6] 中国木材标准化技术委员会.木材顺纹抗压强度试验方法: GB/T1935-2009 [S].北京:中国标准出版社,2009.

[7] 中国木材标准化技术委员会.木材冲击韧性试验方法: GB/T1940-2009 [S].北京:中国标准出版社,2009.

[8] 中国木材标准化技术委员会.木材硬度试验方法: GB/T1941-2009 [S].北京:中国标准出版,2009.

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Mechanical Properties of Wood from SixSpecies

OUYANG Linnan1, LUAN Jie2, CHEN Shaoxiong1, LIN Jiachun2, WANG Jianzhong3, HU Chan2, XIONG Tao3, LENG Shaohua2

()

Mechanical properties including bending strength, modulus of elasticity, compression strength parallel to grain, toughness and hardness of wood were analyzed for sixspecies(and), and the differences were evaluated comprehensively using a membership function based on Fuzzy mathematics. The results showed that the order of species by their bending strength (116.38 ~ 183.99 Mpa), arranged from high to low, was:,,,and. For modulus of elasticity (13 975 ~ 30 442 Mpa) the order of the species, arranged from high to low, was:,,,,and. For compression strength parallel to grain (64.93 ~ 86.75 Mpa), the order of the sixspecies, arranged from high to low, was,,,,, and. By toughness (65.05 ~ 134.06 Mpa) the order of the sixspecies, arranged from high to low, was:,,,,and. And, by hardness (69.03 ~ 107.65 Mpa) the order of the sixspecies, arranged from high to low, was:,andAnalyses of variance showed that the bending strength and compression strength parallel to grain indiffered significantly at different heights, as did modulus of elasticity in. Similarly, the compression strength parallel to grain ofanddiffered significantly at different heights, as did end surfacehardness inand tangential section hardness in. The results of membership function analysis showed that the comprehensive wood properties ofwere best, with the species following in the order ofand then.

; hardwood; wood property; mechanical property

S781.2

A

10.13987/j.cnki.askj.2019.04.002

国家重点研发计划课题“桉树大径材定向培育技术”(2016YFD0600502)；广东省林业科技创新项目“桉树大径材与林下经济培育技术研究与示范”(2016KJCX005)

欧阳林男(1990— )，女，博士，助理研究员，主要从事桉树人工林培育研究，E-mail: ouyanglinnan0208@163.com

陈少雄(1965— )，男，博士，研究员，主要从事桉树人工林培育研究，E-mail:sxchen01@163.com