油茶木材物理力学性质分析

雷福娟，王军锋，黄腾华，叶航，马锦林

（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，广西南宁 530002）

油茶（Camellia oleifera）为山茶科（Theaceae）山茶属经济林树种，是世界四大名优木本食用油树种之一，也是我国栽培范围较广的木本油料树种[1]。目前，我国油茶种植面积已超过437万hm2，湖南、江西和广西的种植面积占全国总面积的75%[2]。油茶抗逆和抗病性强，种植油茶能绿化荒山、涵养水源、改善生态和增加农民收入。油茶产业已成为广西贫困山区群众脱贫致富的支柱产业。截至2017年，广西油茶种植面积已达45.3万hm2[3]。从2018年开始，广西实施油茶产业“双千计划”，计划5年内改造33.3万hm2低产林，其中约9.1万hm2为老龄树更新改造；计划新造林21.4万hm2，到2022年，全区油茶种植面积将突破66.7万hm2[4]。在油茶林改造过程中，会产生大量木材资源。油茶木材坚硬且细腻，是优良的用材树种。王军锋等[5]对25年生的普通油茶和小果油茶（C.meiocarpa）木材的物理性质和解剖特性进行测定与分析，结果表明两种油茶木材均有较高的密度和纤维结晶度以及较小的微纤丝角，其树木主干部分可用于实木加工利用，其枝丫材可用于造纸或纤维板生产。目前，油茶的研究主要集中在栽培技术和油料精深加工等方面[6-13]，对其木材性质的研究较少。本研究开展油茶木材相关材性研究，获得油茶木材物理和力学等主要材性数据，了解并掌握木材的优缺点，有利于有针对性地挖掘油茶木材的优势、合理利用木材资源、提高木材的综合利用率和产品附加值、减少资源浪费和增加经济收益，可提高油茶种植产业的综合效益。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试材为2019年3月茶树更新时采伐的油茶木材，采于广西柳州市三江县（108°53´～109°52´E，25°22´～26°20´N），树龄37年。选取10根胸径12～16 cm干型通直、无明显缺陷且具有代表性的原木作为试验用材。将原木制成锯材，放于室内进行气干；依据GB/T 1929-2009[14]将锯材制成标准试样，置于温度（20±2）℃和相对湿度（65±3）%的环境下进行含水率平衡。

1.2 试验仪器

UTM5504电子万能力学试验机（深圳三思纵横科技股份有限公司，中国）、B-M100摆锤式冲击试验机（济南时代试金仪器有限公司，中国）、恒温恒湿箱（天津泰斯特仪器有限公司，中国）、电热鼓风干燥箱（美墨尔特（上海）贸易有限公司，德国）、电子天平（梅特勒－托利多仪器（上海）有限公司，中国，精度0.001 g）和千分尺（三量量具，中国，精度0.001 mm）。

1.3 试验方法

依据GB/T 1932-2009[15]对木材的干缩性进行测定，有效试样74个；依据GB/T 1933-2009[16]对木材的密度进行测定，有效试样74个；依据GB/T 1935-2009[17]对木材的顺纹抗压强度进行测定，有效试样35个；依据GB/T 1936.1-2009[18]对木材的抗弯强度进行测定，有效试样56个；依据GB/T 1936.2-2009[19]对木材的抗弯弹性模量进行测定，有效试样56个；依据GB/T 1940-2009[20]对木材的冲击韧性进行测定，有效试样67个；依据GB/T 1941-2009[21]对木材的硬度进行测定，有效试样35个。试验结果均换算成含水率为12%时的数据，依据GB/T 1928-2009[22]分别计算各指标的平均值、标准差、标准误差、变异系数和准确指数。

2 结果与分析

2.1 物理性质

2.1.1 密度

木材密度对木材加工利用和林木培育有重要指导意义，是判断木材强度的最佳指标[23]。油茶木材的基本、气干和全干密度分别为0.669、0.870和0.839 g/cm3；根据我国木材性质5级分级情况[24]，其气干密度为4级（0.751～0.950 g/cm3），属中高等级密度木材（表1）。

表1 油茶木材主要物理性质Tab.1 Main physical properties of C.oleifera wood

续表1 Continued

2.1.2 干缩性

油茶木材的弦向、径向和体积气干干缩率分别为9.30%、4.80%和14.10%，弦向、径向和体积全干干缩率分别为13.30%、7.20%和20.20%，气干和全干差异干缩分别为1.94和1. 85；弦向、径向和体积干缩系数分别为0.339%、0.226%和0.667%（表1）。根据我国木材性质5级分级情况[24]，其体积干缩系数为5级（>0.601%），差异干缩为3级（1.61～2.10）。

2.2 油茶木材力学性质

2.2.1 硬度

木材硬度表示木材抵抗其他刚体压入木材的能力，与木材的加工性能密切关系，硬度低的木材易于加工，硬度高则不利于切削加工[25]。木材硬度与木制品的耐磨性和漆膜硬度有直接关系，木材硬度较高时，木制品耐磨性高，漆膜硬度也会提高；木材硬度较低时，木制品表面容易出现划痕和压痕等[24]，影响产品外观和使用性。油茶木材的端面、弦面和径面硬度分别为11 100、9 470和9 280 N，端面硬度达到V级（>10 000 N）[26]，属高硬度木材，可用于制作沙发、桌椅和地板等常与硬物接触的木制品，耐磨且不易出现外观缺陷（表2）。

2.2.2 抗弯强度和抗弯弹性模量

木材抗弯强度可反映木材承受横向载荷的能力，可作为易于弯曲构件及木桥的梁和桁条的设计依据。抗弯弹性模量代表木材的劲度或弹性，常用于计算构件在载荷下的变形，弹性模量越大，则越刚硬，反之，则较柔曲，易曲性大[27]。油茶木材的抗弯强度为118.0 MPa，抗弯弹性模量为8 910 MPa，根据我国木材性质5级分级情况[24]，分别属于3级（90.1～120.0 MPa）和2级（7 600～10 500 MPa），说明油茶木材刚性稍低，易曲性稍大，承受横向载荷的能力中等（表2）。

2.2.3 顺纹抗压强度

木材顺纹抗压强度是选择受压木材构件的重要依据，可根据木材顺纹抗压强度求得设计应力，用于设计各种受压构件[27]。油茶木材顺纹抗压强度为49.2 MPa，根据我国木材性质5级分级情况[24]，属于3级（45.1～60.0 MPa），说明油茶木材承受顺纹方向载荷的能力中等（表2）。

2.2.4 冲击韧性

冲击韧性可用于评价木材的韧性或脆性。木梁、枕木、坑木、工具柄、枪托、木梭、运动器械、农业机械和船桨等部件用材通常需具有较好的冲击韧性[28]。油茶木材的冲击韧性为208.0 kJ/m2，根据我国木材冲击韧性4级分级情况[24]，属于4级（>145.1 kJ/m2），说明油茶木材韧性非常好（表2）。

表2 油茶木材主要力学性质Tab.2 Main mechanical properties of C.oleifera wood

续表2 Continued

2.2.5 品质系数

木材品质系数是木材极限强度与密度的比值[29]。在一些要求材料轻质高强的领域，品质系数是评价材料优劣的重要指标[30]。根据木材顺纹抗压强度和抗弯强度，计算得出综合品质系数。根据综合品质系数，可将木材分为低等级材（＜1 960×105Pa）、中等级材（1 961×105～2 156×105Pa）和高等级材（>2 156×105Pa）[25]。油茶木材的综合品质系数为2 499.2×105Pa，品质系数较高，为高等级材（表3）。

表3 油茶木材品质系数Tab.3 Quality coefficients of C.oleifera wood (×105 Pa)

2.3 相近气干密度木材间力学性质比较

油茶木材的冲击韧性高于其他7种木材；硬度与青冈（Cyclobalanopsis glauca）、加卜（Heritiera par⁃vifolia）和多核木（Pyrenocarpa hainanensis）相近，低于黄檀（Dalbergia hupeana），高于木麻黄（Casuarina cunninghamiana）、细叶桉（Eucalyptus umbellata）和槲栎（Quercus aliena）；顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量均最低（表4）。综合分析，油茶木材较柔曲，刚性低，承受顺纹和横纹载荷的能力和刚性稍差，在硬度和韧性方面表现较好。

表4 相近气干密度木材间力学性质比较Tab.4 Comparison on mechanical properties among woods with similar air-dry density

续表4 Continued

3 结论与讨论

油茶木材的体积干缩系数达到5级，差异干缩为3级；干缩系数较大，在木材加工过程中应注意留够加工余量；差异干缩中等，说明木材干缩均匀性中等，尺寸稳定性中等。

油茶木材的气干密度达到中高水平；抗弯和顺纹抗压强度为3级，属于中等；抗弯弹性模量为2级，属于中等偏低；冲击韧性为4级，硬度为V级，属于高韧性和高硬度木材；品质系数2 499.2×105Pa，为高等级材。油茶为小乔木，其木材短小，但有较高的密度、硬度、韧性和品质系数以及中等的抗弯和顺纹抗压强度，可采用指接和拼接等方式将短、窄的木条拼接成集成板材，加以利用。

将油茶木材与其他近密度树种进行比较，结果显示油茶木材较柔曲，刚性低，承受顺纹和横纹载荷的能力和刚性稍差，在硬度和韧性方面表现较好。油茶木材的柔韧性非常好，在弯曲成型方面有显著优势，适用于制作弯曲构件或弯曲木家具，可采用木材弯曲成型技术将弯曲的油茶木材制成家具或将油茶木集成材整体弯曲制成家具。弯曲木家具有独特的弯曲弧形及优雅的造型，具有一定的艺术美感，更符合人体工程学，深受大众喜爱，有较广泛的市场需求。