广东速生黑木相思材性分析及优化利用∗

夏炳钰 姚 烨 沈哲源 黄旭茂 陈梓琪 云 虹

（华南农业大学材料与能源学院，广东 广州 510642）

黑木相思（Acacia melanoxylonR.Br.）是含羞草亚科金合欢属的高大乔木，原产自澳大利亚东南部，于上世纪90 年代引入我国，其具有较强的耐寒、耐贫瘠性能以及较高的生态价值与经济价值[1]，目前主要分布在广东、广西南部、福建南部以及海南等地[2]。黑木相思根部有固氮作用，枯落物丰富[3]，可促进土壤改良和物种生长[4]，是优良的绿化树种[5]。黑木相思木材纹理美观,具有雨点状、斑点状、鸟眼状和提琴状的美丽图案[6]，在家具制造与人造板饰面等方面具有很高的应用价值。其声学性能也极佳，常用作小提琴背板和其他乐器用材[7]。

2003 年福建省把相思类树种的引种栽培列为种苗科技攻关重点项目，大量引进并筛选出一些优良种质资源[8]。广东省自1992 年开始引种黑木相思并取得成功，现已经在全省推广。在多数地区，黑木相思生长速度较快，表现良好。经过多年的品种选育，我国本土的黑木相思材性材质和树干结构有了较大的改进，且生长速度快，环境适应性好，具有取代速生桉木的潜质。但其与现有的速生树种如杨木、桉木相比，在生长速度、力学性能等方面究竟有哪些优势，以及如何根据不同的树龄和材性对黑木相思进行最有效的采伐和最高效的利用，从而使得经济效益最大化，还需要进一步研究。本文分别对6 组不同树龄的黑木相思木材物理力学性能进行测试分析，研究了树龄对黑木相思材质的影响，并与速生桉、速生杨进行对比，以期为实现黑木相思的优化利用，推动黑木相思的种植发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

黑木相思试验用材分别取自广东省河源市和清远市，地理位置分别为东经114°14′～北纬24°47′和东经111°55′～北纬25°01′，年平均气温为21.0 ℃，属亚热带季风气候。根据GB/T 1927—2009《木材物理力学试材采集方法》进行采样。采样地点的纬度相同，所采样本的生长条件基本相似，因此采样地点的不同对材性的影响可忽略不计，具体采样情况如表1所示。尾细桉（Eucalyptus urophylla×E.tereticornis）取自广东省湛江市遂溪县岭北镇，树龄为6年生，平均胸径为13.70 cm，所处地理位置为东经111°38′～北纬21°30′N，年平均气温23.6℃，属热带北缘季风气候；毛白杨（Populus tomentosa）取自山西省临汾市襄汾县，树龄为8年生，所处地理位置为北纬35°23′～36°57′、东经110°22′～112°34′之间，年平均气温12.2 ℃，属大陆性季风气候。

表1 6 组黑木相思采样信息Tab.1 Sampling information of 6 groups of Acacia melanoxylon R.Br.

1.2 设备

试验主要设备: 电热恒温鼓风干燥箱(101-2) ,上海一恒科学仪器有限公司; 高铁检测力学试验机(CMT5504), 深圳三思公司; 型材切割锯(1609415W) ,费斯托（中国）有限公司; 木工带锯机(JBS-315A), 上海宁乾实业有限公司; 单面木工压刨床(TH630), 青岛沃富特机械制造有限公司; 金诺电子天平, 余姚市金诺天平仪器有限公司。

1.3 试验方法

物理力学性能测试分别参考GB/T 1928—2009《木材物理力学试验方法总则》、GB/T 1931—2009《木材含水率测定方法》、GB/T 1933—2009《木材密度测定方法》、GB/T 1932—2009《木材干缩性测定方法》、GB/T 1934.2—2009《木材湿胀性测定方法》、GB/T 1941—2009《木材硬度试验方法》、GB/T 1935—2009《木材顺纹抗压强度试验方法》、GB/T 1936.1—2009《木材抗弯强度试验方法》和GB/T 1936.2—2009《木材抗弯弹性模量测定方法》进行。测试主要内容为基本密度、气干密度、绝干密度、干缩湿胀率、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度和硬度。各项测试试件为20个，并在实验前平衡试件含水率至12%。数据处理使用Excel软件，取各项数据平均值为测试结果。

2 结果与分析

2.1 物理性能

试验测得的黑木相思材物理性能如表2 所示。

表2 不同树龄黑木相思物理性能试验结果Tab.2 Physical properties of Acacia melanoxylon R.Br. at different ages

2.1.1 木材密度

木材密度是木材性能的一项重要指标，与其加工工艺和力学特性紧密相关[9]。一般情况下，木材密度越大，其力学性能也就越强[10]。

生产中最常采用的密度指标为气干密度。由图1 可知，黑木相思的气干密度随树龄的增加整体呈增加趋势，其中9 年生木材密度较7 年生木材密度略低，但仍在正常的波动范围内，这是由制样的随机性造成的。按照木材物理力学指标分级标准可知[11]，3 年生和5 年生黑木相思的基本密度和气干密度等级为Ⅱ级，7 年生、9 年生、11 年生和13 年生黑木相思的基本密度和气干密度等级为Ⅲ级。

图1 不同树龄黑木相思气干密度差异Fig.1 The variation of air-dry density of Acacia melanoxylon R.Br. at different ages

2.1.2 干缩湿胀性

木材干缩湿胀特性会影响尺寸稳定性，对木材加工与木制零部件的接合方式有较大影响,是木制品质量的重要评价指标[12]。

由表2、图2 可知，不同树龄黑木相思材的气干干缩率分布范围分别为：径向0.7%～1.6%、弦向1.2%～2.5%、体积2.1%～5.4%；全干干缩率的分布范围分别为：径向2.1%～3.6%、弦向3.9%～6.7%、体积6.2%～10.6%。干缩率分布范围总的表现为体积＞弦向＞径向。

图2 不同树龄黑木相思气干干缩率差异Fig.2 The variation of air-dry shrinkage rate of Acacia melanoxylon R.Br. at different ages

黑木相思材干缩率总体表现为全干干缩率大于气干干缩率，不同干缩率在径向、弦向和体积上均表现为径向＜弦向＜体积。根据木材物理力学指标分级标准可知，3 年生、7 年生黑木相思干缩率属于Ⅰ～Ⅱ级，5 年生、9 年生、13 年生黑木相思干缩率属于Ⅰ级，11 年生黑木相思干缩率属于Ⅰ～Ⅲ级。

木材的湿胀性分为两种，分别为线性湿胀和体积湿胀，线性湿胀又分为弦向湿胀、径向湿胀和纵向湿胀，其中纵向湿胀变化不大，可忽略不计[13]。

由表2、图3 可知，不同树龄黑木相思从全干到气干的湿胀率分布范围分别为：径向0.7%～3.3%，弦向1.5%～5.9%，体积1.3%～9.5%；从全干到湿材的湿胀率分布范围分别为：径向2.9%～4.2%，弦向1.5%～8.4%，体积10.0%～14.0%。湿胀率分布范围总的表现为体积＞弦向＞径向。

图3 不同树龄黑木相思湿胀率差异Fig.3 The variation of wet-swelling rate from absolutedry to air-dry of Acacia melanoxylon R.Br. at different ages

2.2 力学性能分析

2.2.1 硬度

考虑数据可得性，并且交通运输、仓储、邮电业一直是我国物流业的主要构成，因此，本研究所需数据由上述三个行业数据构成，以2005—2016为研究观察期，以北京、天津、河北这三个紧密结合的省市为研究对象。基础数据主要来源于国家统计局网站、《中国统计年鉴》《中国能源统计年鉴》、各地市统计信息网等。产业增加值指标以2005年为基准进行平减计算，能源消耗选取煤炭、汽油、柴油、煤油等物流业四种常用能源为基础进行计算。

木材硬度用于表征木材抵抗其他刚体压入的能力，是选择建筑材料、家具用材等的主要依据。了解和掌握木材的硬度属性，对于木材的合理加工利用具有重要意义[14]。

由表3 可知，相同树龄的黑木相思弦面硬度、径面硬度和端面硬度差距较大，并且硬度随树龄以及心材率的提高而增大[15]。11 年生黑木相思的心材率仅为27.3%，导致其硬度偏低。其中13 年生黑木相思的弦面硬度相对11 年生、9 年生、7 年生、5 年生和3 年生黑木相思的弦面硬度分别提高了5.4%、49.6%、19.4%、3.5%和116.3%，径面硬度分别提高了17.0%、54.2%、20.4%、20.7%和110.7%，端面硬度分别提高了7.6%、47.9%、10.5%、5.7%和80.1%，其中端面硬度＞径面硬度＞弦面硬度。按照木材物理力学指标分级标准可知，3 年生黑木相思木端面硬度等级为Ⅱ级，5 年生、7 年生、9 年生和11 年生黑木相思木端面硬度等级均为Ⅲ级，13 年生黑木相思木端面硬度等级为Ⅳ级。

2.2.2 抗弯强度和弹性模量

木材抗弯强度又称静曲强度或弯曲强度，木材的抗弯弹性模量是指木材抵抗弯曲或变形的能力[16]，是制作家具横梁与建筑桁架时主要考虑的力学性能[17]。

由表3 可知，抗弯强度和抗弯弹性模量随着树龄的增加而增加。按照木材物理力学指标分级标准可知，3 年生和5 年生黑木相思抗弯强度等级为Ⅲ级，7年生、9 年生黑木相思等级为Ⅳ级，11 年生和13 年生黑木相思等级为Ⅴ级。

抗弯弹性模量由大到小排序为：13 年生＞11 年生＞9 年生＞7 年生＞3 年生＞5 年生。按照木材物理力学指标分级标准可知，3 年生、5 年生和7 年生黑木相思的抗弯弹性模量均为Ⅱ级，9 年生、11 年生和13年生黑木相思的抗弯弹性模量均为Ⅲ级，基本呈随树龄不断增长的趋势。

2.2.3 顺纹抗压强度

由表3 可知，6 种不同树龄黑木相思顺纹抗压强度由大到小排序结果为：13 年生＞9 年生＞11 年生＞5年生＞7 年生＞3 年生。可以看出3 年生黑木相思的顺纹抗压强度最低，13 年生黑木相思的顺纹抗压强度最高。这说明树龄对于顺纹抗压强度有一定影响，基本为树龄越大的木材顺纹抗压强度越高。按照木材物理力学指标分级标准可知，3 年生、5 年生、7 年生和11 年生黑木相思的顺纹抗压强度均为Ⅱ级，9 年生和13 年生黑木相思的顺纹抗压强度均为Ⅲ级。

表3 不同树龄的黑木相思力学性能试验结果Tab.3 Experiment results of mechanical properties of Acacia melanoxylon R.Br. at different ages

2.3 不同树龄黑木相思力学性能对比分析

选取3 年生和5 年生黑木相思材物理力学性能与速生桉和速生杨进行比较[19-20]，结果如表4 所示。

由表4 可看出，3 年生黑木相思的密度低于6 年生尾细桉，略低于8 年生毛白杨。但其弦向干缩率远低于尾细桉，并且略低于8 年生的毛白杨，尺寸稳定性较好。此外，3 年生黑木相思抗弯强度、抗弯弹性模量均高于6 年生尾细桉与8 年生毛白杨，顺纹抗压强度和径面硬度均低于尾细桉与毛白杨。

表4 几种速生材主要物理力学性能对照Tab.4 Comparison of main physical and mechanical properties of several fast-growing tree species

5 年生黑木相思密度适中，基本密度和气干密度略低于6 年生尾细桉，高于8 年生毛白杨；尺寸稳定性较好，弦向干缩率低于尾细桉和毛白杨；抗弯强度远高于6 年生尾细桉和8 年生毛白杨，抗弯弹性模量略低；强度适中，顺纹抗压强度低于尾细桉，但高于毛白杨；硬度中等，径面硬度高于尾细桉及毛白杨。

黑木相思轮伐期较短，一般6～8 年就可以主伐[5]，其基本密度和气干密度高于6 年生尾细桉和8 年生毛白杨，弦向干缩率低于尾细桉和毛白杨，密度适中，尺寸稳定性较好。7～13 年生黑木相思已经成材，抗弯强度和抗弯弹性模量均远高于6 年生尾细桉和8 年生毛白杨，顺纹抗压强度同样低于尾细桉，但高于毛白杨，强度适中。9 年生黑木相思径面硬度介于毛白杨和尾细桉之间；3 年生黑木相思硬度低于毛白杨和尾细桉，其余4 种树龄的黑木相思硬度均高于毛白杨和尾细桉，总体硬度中等，并受心材率影响较大[21]。

2.4 黑木相思优化利用

综上所述，黑木相思材干缩率低，有较高的尺寸稳定性；抗弯强度与抗弯弹性模量高，受负载弯曲变形小，刚性较大；硬度适中，易于切削加工，对刀具磨损较小。

3 年生黑木相思属于小径材，去皮胸径约为11.8 cm，尺寸稳定性好且抗弯强度较好，不易出现弯曲、变形以及开裂等现象，已经达到原木的整体使用要求，用于生产单板层积材或重组木可以降低小径材缺陷的影响[22]。

5 年生黑木相思与尾细桉以及毛白杨的力学性能差异不大，硬度较低，易于切削加工，但胸径较小，去皮胸径约为14.5 cm，不适用于胶合板生产。其密度适中、尺寸稳定性好、且渗透性较差，可用于生产人造薄木，用作贴面材料，也可用于生产细木工板芯板条[23]。

7～9 年生黑木相思密度适中，胸径较大，试验中可观察到板材表面缺陷较少，具有较高的抗弯强度和较低的干缩率，可用于生产胶合板，生产的胶合板质量优于速生桉和速生杨木胶合板。树龄大于7 年生黑木相思纤维形态较好，具有的化学成分也比较适合于制浆[24]，可用于造纸工业。13 年生的黑木相思已经非常成熟，平均胸径在22.9 cm左右，平均树高约16 m，心材率较高。根据木材力学性能指标等级建议，其弦向干缩率为优等、径面硬度良好、抗弯强度与抗弯弹性模量均为优等，可用作实木家具主要连接型构件[25]。黑木相思的心材呈深棕色，且木材纹理美观，还可用于中高档家具的生产。

3 结论

对6 组不同树龄的黑木相思木材物理力学性能进行了测试分析，并与速生桉、速生杨进行对比，得出以下主要结论：黑木相思材干缩率低，有较高的尺寸稳定性；抗弯强度以及抗弯弹性模量高，硬度适中，易于切削加工，可根据不同树龄的黑木相思材性材质应用于不同领域，以实现该材种的优化利用和经济效益最大化。3 年生黑木相思小径材可用于生产重组木与单板层积材，5 年生黑木相思可用于制造人造薄木，7～11年生黑木相思可用于生产胶合板，13 年及以上生黑木相思可用于中高档实木家具制造。未来，黑木相思有望成为替代速生桉木和速生杨木的速生材种。