15年生香樟人工林木材物理力学性质研究

王军锋，谭桂菲，宋恋环，李开祥，吴际友，安家成

（1.广西壮族自治区林业科学研究院 广西木材资源培育质量控制工程技术研究中心广西木本香料工程技术研究中心，广西南宁 530002；2.湖南省林业科学院，湖南长沙 410004）

香樟（Cinnamomum camphora）是樟科（Laurace⁃ae）樟属中栽培较多的树种之一，属常绿大乔木，在我国主要分布于长江流域以南，以江西、浙江、台湾、广东和福建等地最多，是我国亚热带地区常绿阔叶林的重要树种[1]。香樟生长快，木材材质细腻、结构均匀细致、色泽明亮、纹理交错、较少变形开裂、有香味、防蛀耐腐，广泛用于家具、装饰和雕刻等[2]。对香樟的开发，主要以油用型香樟为主，提取其枝叶中的精油[3]。近年来，随着香樟选育和经营模式的深入研究，逐步推广油材两用型香樟，枝叶提取精油、主干木材用作家具材等。香樟兼具经济林树种和用材林树种的特点，是单位产值较大的珍贵造林树种，具有较好的市场前景。

随着木质家具对珍贵木材的用量逐年增加、国际市场对珍贵木材出口的限制及我国天保工程的实施，木材资源结构需求正在发生变化[4]，香樟人工林发展迎来了机遇。目前，香樟人工林研究主要集中在选育、繁育、营林和枝叶加工利用等方面[5]，对材用型香樟人工林的材性及加工利用研究较少。本文以香樟人工林木材为研究对象，对其物理力学性质进行研究，提供基本材性数据，为香樟人工林木材加工与利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验材料

试材采自湖南省株洲市攸县黄丰桥国有林场（113°04′～113°43′E，27°06′～27°04′N），海 拔1 150～1 270 m，坡度25°～35°，属中亚热带季风气候，年均气温17.8℃，最低气温-11.9℃，最高气温40℃，年均无霜期292 d，年均日照时长1 612 h，年均降水量1 410.8 mm。母岩类型为板页岩，土壤类型为黄壤，造林时间为2003年，造林密度为2 m×2 m。试材采集参照GB/T 1927-2009[6]，选择和采伐生长良好、均匀的试材5株，平均胸径20.8 cm，平均树高14.2 m，为15年生香樟（表1）。

表1 试材基本情况Tab.1 Basic situation of sample trees

1.2 试验设备及方法

1.2.1 试验设备

万能力学试验机（型号UTM5504，三思纵横科技股份有限公司）；人造板摆锤式冲击试验机（型号JB-M100，时代集团济南时代试金仪器有限公司）；恒温恒湿试验箱（型号WSS-1000F，天津泰斯特仪器有限公司）。

1.2.2 试验方法

试材砍伐后运回实验室，立即对其进行锯解，堆垛气干。参照GB/T 1928-2009[7]的规定制作试样，调整木材含水率为12%左右，然后进行性能测试。每个指标的有效样本数不少于50。木材密度参照GB/T 1933-2009[8]进行测定，冲击韧性、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度和硬度的试验方法分别参照 GB/T 1940-2009[9]、GB/T 1936.1-2009[10]、GB/T 1936.2-2009[11]、GB/T 1935-2009[12]和 GB/T 1941-2009[13]进行测定。

2 结果与分析

2.1 香樟人工林木材物理性质

2.1.1 密度

木材密度分为基本密度、生材密度、气干密度和绝干密度，其中基本密度和气干密度最为常用。基本密度适用于材性比较，在木材干燥和防腐处理等工艺中有实用意义；我国规定含水率12%为木材气干密度，可作为材性比较和生产应用的依据。

香樟人工林木材气干密度、基本密度和绝干密度分别为0.51、0.41和0.48 g/cm3，根据木材物理力学性质分级标准[14]，气干密度属于II级（表2）。

表2 香樟人工林木材密度Tab.2 Wood density of C.camphora plantation

2.1.2 干缩性

木材作为家具用材，其干缩性是加工利用的重要性质指标之一，不仅影响木材的尺寸和体积，还会因干缩不均及干缩各向异性造成木材干裂和翘曲变形等缺陷[15]。在实际使用中可用干缩系数表示木材的干缩性，通过干缩系数可计算湿材干燥至纤维饱和点以下任一含水率的木材干缩值，进而确定干燥前木材加工干缩余量[16]。根据木材物理力学性质分级标准[14]，香樟人工林木材的径向和弦向气干干缩率（4.10%和6.80%）均为V级，径向和弦向全干干缩率（6.00%和9.40%）均为IV级；体积干缩系数为0.48，根据木材材性分级规定[17]，属于中等（表3）。

差异干缩是指木材弦向干缩和径向干缩的比值，差异干缩越小，木材尺寸稳定性越好。差异干缩分3级，＜1.5为小，1.5～2为中，≥2为大[18]，香樟人工林木材的差异干缩（1.77）属于中等。总体来说，香樟人工林木材尺寸稳定性相对较差，应选择合适的干燥基准，加工时应充分考虑木材干缩对其制品的影响。

表3 香樟人工林木材干缩性Tab.3 Wood shrinkage of C.camphora plantation

2.2 木材力学性质

2.2.1 硬度

木材硬度是指木材抵抗刚体压入的能力，与密度呈正相关。香樟人工林木材的端面硬度平均值为2 909 N，弦面硬度平均值为2 353 N，径面硬度平均值为2403N，根据木材物理力学性质分级标准[14]，属于II级，硬度偏小（表4）。在木材加工利用过程中，可适当考虑表面密实化，提高木材表面密度以增大表面硬度，扩大其加工利用范围。

2.2.2 顺纹抗压强度

木材顺纹抗压强度是指在短时间内沿木材顺纹方向缓缓施加压缩载荷，木材能承受的最大能力，其变化较小且易测定，在研究与木材强度有密切关系的因子时，如含水率和密度等与强度的关系，均采用此项试验。香樟人工林木材的顺纹抗压强度为33.40 MPa，根据木材物理力学性质分级标准[14]，属于II级（表4）。

2.2.3 抗弯强度和抗弯弹性模量

木材抗弯强度表征的是木材承受横向荷载的能力。木材抗弯弹性模量代表木材的刚度或弹性，是木材产生一致正应变需要的正应力，也是比例极限内抵抗弯曲变形的能力；木材弹性模量越大，越刚硬，反之则弹性较大，柔性越好。木材的抗弯强度和抗弯弹性模量对建筑或室内家具弯曲构建及木梁的设计有重要的参考价值。香樟人工林木材的抗弯强度为79.00 MPa，根据木材物理力学性质分级标准[14]，属于II级；抗弯弹性模量为1.25 GPa，属于III级，木材弹性相对较好，可作为弯曲家具构件（表4）。

2.2.4 冲击韧性

木材冲击韧性是指木材在短时间内受冲击荷载作用而产生破坏时，试样单位面积所吸收的能量，吸收的能量越大，木材韧性越高，脆性越低。在生产上常以此作为球棒及运动器材等用材的检验指标。香樟人工林木材的冲击韧性为53.00 kJ/m2，根据木材物理力学性质分级标准[14]，属于中等（表4）。

表4 香樟人工林木材力学性质Tab.4 Wood mechanical properties of C.camphora plantation

2.3 香樟人工林木材综合强度及品质系数评价

木材作为承重构件，其综合强度是最重要的强度指标[19]，木材综合强度为抗弯强度及顺纹抗压强度之和。香樟人工林木材的综合强度为112.4 MPa，根据木材材性分级规定[17]，综合强度低，可作为非承重构件原料。

木材的品质系数是指木材的力学强度和基本密度之比[20]。根据抗弯强度和顺纹抗压强度2项品质系数之和，将木材品质系数分为3类，＜196.1 MPa为低，196.1～215.6 MPa为中等，＞215.6 MPa为高[21]。香樟人工林木材品质系数为274 MPa，属于品质系数高的木材。

3 讨论

从树龄来看，15年生香樟人工林与26年生香樟人工林[22]的木材物理力学性能差异不显著，可见15年生香樟人工林木材材性已相对稳定，大部分力学性能属中低等，可用作对力学性能要求不高的家具材。香樟人工林木材密度低于天然林木材[23]，干缩性比天然林大，应选择合适的干燥基准，以减少木材在干燥和使用过程中出现变形和开裂等问题。