黄金榕枝干物理力学特性参数研究

李俊平， 王 悦， 贺 平， 刘 江， 张德晖,2， 郑文鑫,2， 何金成,2

（1.福建农林大学机电工程学院，福建 福州 350002； 2.现代农业装备福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002）

0 引言

榕属植物具备景观、生态和经济价值，是城市绿化美化的“明星”[1]。黄金榕（Ficus microcarpa 'Golden Leaves'）隶属桑科、榕属常绿小乔木，树干多分枝，分布于热带、亚热带地区，滞尘能力高于鹅掌藤、对叶榕、龙船花等园林植物，生命力顽强被广泛应用于绿篱[2-4]。黄金榕常应用于公路绿化隔离带，不仅美化环境，而且能够有效阻挡对向驶来车辆的前照灯所带来的炫光，隔离带需定期修剪，修剪下来的枝叶可进一步粉碎再资源化利用[5]。在设计黄金榕修剪或粉碎刀具时，研究其力学性能参数具有重要意义。近年来，园林植物枝干的力学特性研究受到普遍重视。米强[6]对红枣残枝试验表明，红枣残枝顺纹、横纹压缩功与抗压强度呈正相关。全朋坤等[7]、李艳聪等[8]对苹果树枝进行研究，得出了苹果树枝抗拉、抗压弹性模量。吴良军等[9]对荔枝的枝干进行试验，得到峰值剪切力、剪切功都与树枝横截面的面积呈线性正相关。王淑娟等[10]对初冬时期油松、栾树等7 种树枝的弯曲性能进行了分析。赵林峰等[11]对不同林龄的杉木进行了物理力学特性研究。目前没有针对黄金榕枝干的力学特性参数研究，借鉴红枣枝条、苹果树枝等枝干的力学特性研究方法，针对黄金榕枝干中部、上部和稍部的物理力学性能进行测定。该结果为黄金榕切割及粉碎装置的研究设计提供一定的数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与制作

试验材料采自福州市仓山区某公路绿化带，选择生长良好、表面无破损开裂的黄金榕植株，去除枝干多余的枝条后并对试样的取材部位做了规定，如图1 所示，试样的截取参照国家标准GB/T 1929-2009《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》，其中压缩试样长度为20 mm，弯曲试样长度为70 mm，剪切试样长度为70 mm[12]。

图1 试样截取部位示意Fig.1 Schematic diagram of sample cutting site

按照GB/T 1929-2009 测得黄金榕枝干平均含水率，径向压缩试样的稍部、上部、中部的平均含水率分别为59.29%、61.09%和64.23%；轴向压缩试样的稍部、上部、中部的平均含水率分别为58.86%、61.25%和64.96%；三点抗弯试样的稍部、上部、中部的平均含水率分别为58.68%、61.48%和63.71%；抗剪试样中部平均含水率为64.45%[13]。

1.2 试验设备

试验设备包括AG-Xplus 系列立式电子万能试验机、DHG-9140A 型电热恒温鼓风干燥箱、手工锯、电子天平和游标卡尺等。

1.3 试验方法

1.3.1 径向压缩试验

采用万能力学试验机进行试验，通过上部平板压头对试样施加载荷。调整平板压头接近枝干试样并进行软件系统参数设置，初始载荷为0 N，试验加载速度为10 mm/min，设置行程保证试样被破坏，分别对枝干中部、上部和稍部进行径向压缩试验，得到它们的载荷-位移关系。径向压缩试验如图2 和图3 所示，试验后的试样如图4 所示。

图2 径向压缩示意Fig.2 Schematic diagram of radial compression

图3 径向压缩试验Fig.3 Radial compression test

图4 径向压缩破坏后试样Fig.4 Specimen after radial compression

根据式（1）、式（2）和式（3）可以求得黄金榕枝干径向压缩弹性模量。

式中 σ-抗压强度，MPa

F-压缩载荷，N

A1-径向压缩试样横截面积，mm2

式中l1-压缩试样长度，mm

D1、D2、D3-3 次测量的试样直径，mm

式中 E-弹性模量，MPa

ε-应变

1.3.2 轴向压缩试验

轴向压缩试样应通直并且两端必须保持平齐，试验方法与径向压缩试验一样。轴向压缩试验如图5 和图6所示，试样被轴向压缩破坏后，如图7 所示。

图5 轴向压缩示意Fig.5 Schematic diagram of axial compression

图6 轴向压缩试验Fig.6 Axial compression test

图7 轴向压缩破坏后试样Fig.7 Specimen after axial compression failure

利用式（1）、式（3）和式（4）可求得黄金榕枝干轴向压缩强度及弹性模量。

式中A2-轴向压缩试样横截面积，mm2

1.3.3 抗弯试验

依据木材抗弯强度试验（GB/T 1936.1-2009）和木材抗弯弹性模量的测试方法（GB/T 1936.2-2009）进行3 点抗弯试验[14-15]。将黄金榕枝干试样置于3 点抗弯支撑辅具上，支撑辅具间距调为40 mm，试验加载速度设置为10 mm/min，设置行程保证枝干被破坏，分别对枝干中部、上部和稍部进行试验，得到载荷-位移关系。3 点抗弯试验如图8 所示，试验后的枝干如图9 所示。

图8 3 点抗弯试验Fig.8 Three-point bending test

图9 3 点弯曲破坏后试样Fig.9 Specimen after three-point bending failure

利用式（5）和式（6）可求得黄金榕枝干抗弯强度及抗弯弹性模量。

式中 σ-抗弯强度，MPa

Fmax-最大弯曲力，N

D-试样直径，mm

l2-两支撑辅具间距，mm

式中E-抗弯弹性模量，MPa

y-试样中点弯曲挠度，mm

I-试样横截面惯性矩，m4

1.3.4 抗剪试验

将抗剪支撑辅具固定于万能力学试验机底座，抗剪刀具安装于万能试验机上部压头处，试验加载速度设置为10 mm/min，设置行程保证枝干被破坏，对截取的枝干中部试样进行20 次试验，得到其载荷-位移关系。抗剪试验如图10 所示，试验后的试样如图11 所示。

图10 抗剪试验Fig.10 Shear test

图11 剪切破坏后试样Fig.11 Specimen after shear failure

利用式（7）可求得黄金榕枝干中部抗剪强度。

式中A3-抗剪试样横截面积，mm2

τ-抗剪强度，MPaF-剪切力，N

2 结果与分析

2.1 径向压缩试验

黄金榕枝干各部位径向压缩载荷-位移曲线如图12所示。黄金榕枝干受到径向压缩时，所受载荷随着其径向形变位移变大而增大，经过屈服阶段后，载荷继续增大，试样随着压缩载荷的增大逐渐变形，直至破裂。在试验过程中发现，试样有液体流出，主要是因为试样含水率较大。

图12 径向压缩试验载荷-位移曲线Fig.12 Load-displacement curve of radial compression test

由图12 可知，同一部位的枝干所能承受的最大载荷随着含水率增加而减小，与罗强军等[16]对小麦秸秆的研究结果相似。由图13 可知，径向压缩试验中枝干稍部（含水率59.52%）、上部（含水率61.09%）、中部（含水率64.23%）平均弹性模量分别为65.27、80.01 和118.30 MPa，呈以下关系：稍部＜上部＜中部。

图13 枝干各部位径向压缩弹性模量Fig.13 Radial compression elastic modulus of each branch

2.2 轴向压缩试验

黄金榕枝干各部位轴向压缩载荷-位移曲线如图14所示。轴向试验开始阶段，黄金榕枝干受到轴向压力产生轴向变形，载荷前期基本呈线性关系，稍部和上部试样在载荷达到峰值后被破坏，随后载荷开始急剧减小。由于中部试样的直径和密度大，木质素含量比稍部和上部的试样高，因此在载荷达到峰值后经历较长的屈服阶段，随后载荷开始急剧减小。

图14 轴向压缩试验载荷-位移曲线Fig.14 Load-displacement curve of axial compression test

由图14 可知，同一部位的枝干所能承受的最大载荷随着含水率增加而减小，与秦翠兰[17]对棉花秸秆的研究结果类似。由图15 可知，轴向压缩试验中枝干稍部（含水率58.86%）、上部（含水率61.25%）、中部（含水率64.96%）平均弹性模量分别为20.64、22.78和26.72 MPa，呈以下关系：稍部＜上部＜中部。

图15 枝干各部位轴向压缩弹性模量Fig.15 Axial compression elastic modulus of each branch

2.3 抗弯试验

黄金榕枝干各部位抗弯载荷-位移曲线如图16 所示，试样随着载荷的增大逐渐变形，当超过试样本身的抗弯强度极限时，试样在与压头接触地方断裂，载荷迅速下降。

由图16 可知，同一部位的枝干所能承受的最大载荷随着含水率增加而减小，与米强[6]对红枣残枝的研究结果相似。由图17、图18 可知，3 点抗弯试验中枝干稍部（含水率58.68%）、上部（含水率61.48%）、中部（含水率63.71%）平均弹性模量分别为120.10、180.34 和221.56 MPa，呈以下关系：稍部＜上部＜中部，平均抗弯强度分别为37.73、38.16 和37.76 MPa，各部位抗弯强度无明显区别。

图16 3 点弯曲试验载荷-位移曲线Fig.16 Load-displacement curve of three-point bending test

图17 枝干各部位抗弯弹性模量Fig.17 Bending elastic modulus of each part of branch

图18 枝干各部位抗弯强度Fig.18 Bending strength of each part of branch

2.4 中部抗剪试验

黄金榕枝干中部抗剪试验载荷-位移曲线如图19 所示，枝干一开始处于预压变形阶段，随着载荷逐步上升，枝干韧皮部被破坏，载荷有所下降，但枝干木质纤维也被压实，使得载荷再次上升，当木质纤维被迅速逐步切断时，载荷快速下降。

图19 枝干中部抗剪试验载荷-位移曲线Fig.19 Load-displacement curve of middle branch shear test

由图19 可知，同一部位的枝干所需的剪切力随着含水率增加而减小，与梅方炜等[18]对菌草茎秆的研究结果相似。黄金榕枝干中部（含水64.45%）最小抗剪强度为5.60 MPa，最大抗剪强度为16.95 MPa，平均值为10.40 MPa，标准差为1.21 MPa，变异系数为11.34%，数值较为稳定。

3 讨论与结论

通过对黄金榕枝干进行试验，测量其含水率，得到各部位含水率趋势为稍部＜上部＜中部，其原因可能是水分由根部摄取，枝干越往上含水率越小，稍部具有较多叶片，由于蒸腾作用，导致枝条含水率降低。

测量枝干稍部、上部、中部的各项力学性能参数，得到：稍部、上部和中部的平均径向抗压弹性模量依次为65.27、80.01 和118.30 MPa；平均轴向抗压弹性模量依次为20.64、22.78 和26.72 MPa；平均抗弯弹性模量依次为120.10、108.34 和221.56 MPa；平均抗弯强度依次为37.73、38.16 和37.76 MPa，无明显区别；黄金榕枝干的中部平均抗剪强度为10.40 MPa。结合文中测量的含水率可知，枝干各部位所能承受的最大载荷随着含水率的增加而减小，其原因可能是随着含水率的增加，越多的水分进入细胞壁后，破坏原有的氢键，随后与游离的羟基结合成新的氢键，导致键能降低。

试验结果为建立黄金榕枝干的有限元力学模型提供了参数，对黄金榕枝干切割、粉碎刀具的设计具有一定的理论指导意义。