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人工林刺槐木材物理力学性质研究

孙恒 冀晓东 赵红华 杨茂林 丛旭

孙恒, 冀晓东, 赵红华, 杨茂林, 丛旭. 人工林刺槐木材物理力学性质研究[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(7): 104-112. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180030
引用本文: 孙恒, 冀晓东, 赵红华, 杨茂林, 丛旭. 人工林刺槐木材物理力学性质研究[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(7): 104-112. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180030
Sun Heng, Ji Xiaodong, Zhao Honghua, Yang Maolin, Cong Xu. Physical and mechanical properties of Robinia pseudoacacia wood in artificial forests[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(7): 104-112. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180030
Citation: Sun Heng, Ji Xiaodong, Zhao Honghua, Yang Maolin, Cong Xu. Physical and mechanical properties of Robinia pseudoacacia wood in artificial forests[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(7): 104-112. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180030

人工林刺槐木材物理力学性质研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180030
基金项目: 

国家自然科学基金项目 31570708

详细信息
    作者简介:

    孙恒。主要研究方向:林木抗风。Email: sun_heng@bjfu.edu.cn 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者:

    冀晓东,教授。主要研究方向:工程材料和林木抗风。Email: jixiaodong@bjfu.edu.cn 地址:同上

  • 中图分类号: S781.2; S781.3; S781.4

Physical and mechanical properties of Robinia pseudoacacia wood in artificial forests

  • 摘要: 目的刺槐作为我国重要的速生用材树种,被广泛应用于北方人工林种植,深入研究刺槐木材的物理力学性质,为刺槐人工林建设经营以及木材的高效精细化利用提供科学依据。方法本文对采自于山东省东营市刺槐林场的4株不同树龄人工林刺槐沿树干等分成0.65 m长若干小段并顺序编号,测定和分析每段木材的物理性质(气干密度、全干密度、基本密度)、力学性质(顺纹抗压强度、横纹径向全部抗压强度、横纹弦向全部抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量)以及化学组分(纤维素、半纤维素、木质素)含量,并通过SEM电镜扫描图对各段木材的微观构造进行对比分析。结果刺槐木材的气干密度、全干密度、基本密度、顺纹抗压强度、横纹全部抗压强度(径向、弦向)、抗弯强度、抗弯弹性模量均随树龄的增大而增加,随树干位置增高呈现先增大后减小的规律。将木材气干密度与顺纹抗压强度、横纹(径向、弦向)全部抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量分别进行线性和幂函数拟合,两种模型均能很好地拟合试验结果,拟合度R2值为0.865~0.895。各段木材化学组分中纤维素含量随树龄及树干高度位置的变化规律与木材各项力学性质的变化规律相似。木材的微观构造中导管占比率随树龄增大而减少,随树干高度位置增加呈现出先减后增的变化规律。结论10年生、15年生、20年生、25年生刺槐木材的气干密度、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量均为中级以上,是良好的家具和建筑用材。在利用时应充分考虑不同树龄木材和树干不同位置的差别。密度作为影响木材力学性质的直接要素,可根据相关方程通过刺槐木材的密度值估算部分力学性质的数值。刺槐木材纤维素含量与木材各项宏观力学性质相关度很高,而木材导管占比率的差异则从微观构造上揭示了木材密度变化的内在机理。
  • 图  1  各树龄木材不同高度位置处密度

    Figure  1.  Wood density of different tree ages with varied trunk height positions

    图  2  各树龄木材力学性质沿树干高度变异

    Figure  2.  Variations of wood mechanical properties along trunk height at different ages

    图  3  各树龄木材不同高度位置处主要化学成分含量

    Figure  3.  Main chemical component contents of different tree age with varied trunk positions

    图  4  木材横截面微观构造

    Figure  4.  Microstructure of wood cross section

    图  5  各树龄木材不同高度位置处导管占比率

    Figure  5.  Ratio of wood ducts at different trunk positions with different tree ages

    表  1  试验样木概况

    Table  1.   General survey of sample trees

    样木编号
    Sample tree No.
    树龄
    Tree-age/a
    树高
    Tree height/m
    枝下高
    Clear bole height/m
    胸径
    DBH/cm
    划分段数
    Partition number
    1 10 5.9 3.8 12.2 6
    2 15 6.8 4.0 16.4 6
    3 20 10.5 5.7 21.7 8
    4 25 12.4 7.2 24.3 11
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    表  2  树龄对木材物理力学性质的影响

    Table  2.   Influence of tree age on the physical and mechanical properties of wood

    项目
    Item
    10年生木材
    10 years old wood
    15年生木材
    15 years old wood
    20年生木材
    20 years old wood
    25年生木材
    25 years old wood
    气干密度Air-dry density/(g·cm-3) 0.725±0.009 0.733±0.010 0.748±0.008 0.762±0.012
    全干密度Absolute-dry density/(g·cm-3) 0.659±0.010 0.681±0.009 0.696±0.009 0.718±0.013
    基本密度Basic density/(g·cm-3) 0.592±0.007 0.602±0.010 0.618±0.010 0.632±0.008
    顺纹抗压强度Compressive strength parallel to grain/MPa 49.202±2.119 53.314±1.918 55.370±2.016 60.342±2.416
    横纹径向全部抗压强度Radial compression(entire)strength perpendicular to grain/MPa 10.788±0.534 11.499±0.691 12.507±0.676 13.802±0.736
    横纹弦向全部抗压强度Tangential compression(entire) strength perpendicular to grain/MPa 11.337±0.521 12.509±0.459 13.038±0.493 14.926±0.605
    抗弯强度Bending strength/MPa 94.102±5.929 97.162±4.297 116.074±5.246 126.059±6.217
    抗弯弹性模量Bending elastic modulus/GPa 8.929±0.397 9.128±0.434 11.286±0.513 12.084±0.510
    注:表中物理力学性质的数值均为整株样木的平均值。Note: the numerical values of physical and mechanical properties in the table are the average value of the whole tree.
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    表  3  木材气干密度与力学性质之间相关分析

    Table  3.   Correlation analysis between wood air-dry density and mechanical properties

    力学性质
    Mechanical property
    相关方程
    Regression equation
    残余平方和
    Residual sum of squares
    拟合度
    Fitting degree (R2)
    顺纹抗压强度Compression strength parallel to grain σ=250.468 7ρ-133.726 5 93.332 0.895
    σ=143.86ρ3.406 2 78.631 0.892
    横纹径向全部抗压强度Radial compression (entire) strength perpendicular to grain σ=74.110 4ρ-43.575 2 6.513 0.881
    σ=44.052ρ4.534 5.154 0.886
    横纹弦向全部抗压强度Tangential compression (entire) strength perpendicular to grain σ=80.713 9ρ-47.624 5 8.338 0.872
    σ=48.283ρ4.601 9 9.712 0.865
    抗弯强度Bending strength σ=784.220 2ρ-480.899 1 784.397 0.883
    σ=507.19ρ5.426 1 835.868 0.879
    抗弯弹性模量Bending elastic modulus E=76.221 3ρ-46.837 2 6.856 0.881
    E=49.466ρ5.470 6 9.673 0.875
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    表  4  各树龄木材主要化学成分对比

    Table  4.   Comparison of main chemical composition of different tree-age woods

    %
    化学组分
    Chemical component
    10年生木材
    10 years old wood
    15年生木材
    15 years old wood
    20年生木材
    20 years old wood
    25年生木材
    25 years old wood
    纤维素Cellulose 49.052±0.347 50.107±0.439 51.470±0.502 52.156±0.579
    半纤维素Hemicellulose 21.358±0.131 21.125±0.154 21.161±0.167 21.001±0.204
    木质素Lignin 24.217±0.177 24.110±0.227 23.918±0.213 23.865±0.287
    注:表中纤维素、半纤维素和木质素含量均以绝干材为基准,数值为整株样木的平均值。Notes: the content of cellulose, hemicellulose and lignin in the table are benchmarked against absolutely dry wood, and the average value of the whole wood is used for the test value.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-19
  • 修回日期:  2018-04-04
  • 刊出日期:  2018-07-01

人工林刺槐木材物理力学性质研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180030
    基金项目:

    国家自然科学基金项目 31570708

    作者简介:

    孙恒。主要研究方向:林木抗风。Email: sun_heng@bjfu.edu.cn 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者: 冀晓东,教授。主要研究方向:工程材料和林木抗风。Email: jixiaodong@bjfu.edu.cn 地址:同上
  • 中图分类号: S781.2; S781.3; S781.4

摘要: 目的刺槐作为我国重要的速生用材树种,被广泛应用于北方人工林种植,深入研究刺槐木材的物理力学性质,为刺槐人工林建设经营以及木材的高效精细化利用提供科学依据。方法本文对采自于山东省东营市刺槐林场的4株不同树龄人工林刺槐沿树干等分成0.65 m长若干小段并顺序编号,测定和分析每段木材的物理性质(气干密度、全干密度、基本密度)、力学性质(顺纹抗压强度、横纹径向全部抗压强度、横纹弦向全部抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量)以及化学组分(纤维素、半纤维素、木质素)含量,并通过SEM电镜扫描图对各段木材的微观构造进行对比分析。结果刺槐木材的气干密度、全干密度、基本密度、顺纹抗压强度、横纹全部抗压强度(径向、弦向)、抗弯强度、抗弯弹性模量均随树龄的增大而增加,随树干位置增高呈现先增大后减小的规律。将木材气干密度与顺纹抗压强度、横纹(径向、弦向)全部抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量分别进行线性和幂函数拟合,两种模型均能很好地拟合试验结果,拟合度R2值为0.865~0.895。各段木材化学组分中纤维素含量随树龄及树干高度位置的变化规律与木材各项力学性质的变化规律相似。木材的微观构造中导管占比率随树龄增大而减少,随树干高度位置增加呈现出先减后增的变化规律。结论10年生、15年生、20年生、25年生刺槐木材的气干密度、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量均为中级以上,是良好的家具和建筑用材。在利用时应充分考虑不同树龄木材和树干不同位置的差别。密度作为影响木材力学性质的直接要素,可根据相关方程通过刺槐木材的密度值估算部分力学性质的数值。刺槐木材纤维素含量与木材各项宏观力学性质相关度很高,而木材导管占比率的差异则从微观构造上揭示了木材密度变化的内在机理。

English Abstract

孙恒, 冀晓东, 赵红华, 杨茂林, 丛旭. 人工林刺槐木材物理力学性质研究[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(7): 104-112. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180030
引用本文: 孙恒, 冀晓东, 赵红华, 杨茂林, 丛旭. 人工林刺槐木材物理力学性质研究[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(7): 104-112. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180030
Sun Heng, Ji Xiaodong, Zhao Honghua, Yang Maolin, Cong Xu. Physical and mechanical properties of Robinia pseudoacacia wood in artificial forests[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(7): 104-112. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180030
Citation: Sun Heng, Ji Xiaodong, Zhao Honghua, Yang Maolin, Cong Xu. Physical and mechanical properties of Robinia pseudoacacia wood in artificial forests[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(7): 104-112. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180030
  • 我国木材供给严重不足,近年来持续大幅度增长的木材进口量使我国成为世界第一大木材进口国[1]。同时我国木材的利用率低,人工林经营管理粗放[2]。作为一种非均质的、各向异性的天然高分子材料,木材的物理力学性质研究对合理利用木材和工程设计都起到重要作用[3]。木材的生长特点决定其轴向材性复杂且多变,木材的力学性质在轴向上的变化与径向、弦向相比更为明显和重要[4]。深入研究不同树龄木材轴向材性的差异,充分利用木材强度,是提高木材利用效率的有效途径。

    作为我国重要的速生用材树种,刺槐(Robinia pseudoacacia)生长快、抗干旱、耐瘠薄、木质坚硬,在北方地区被广泛用于人工林种植。国外对刺槐木材材性做了很多研究,Adamopoulos等[5]对刺槐幼龄材材性和成熟材进行了对比,结果表明成熟材的抗弯强度和抗弯弹性模量均大于幼龄材。Niklas等[6]的研究表明刺槐木材树干中部的密度与刚度比值最大,顶部和基部较小。Pollet等[7]对比了刺槐与柚木、橡木的材性,发现刺槐木材的各项力学性质均高于柚木和橡木。但国内刺槐材性的相关研究较少,针对刺槐木材物理力学性质的研究不够全面和深入。

    为系统研究人工林刺槐木材的物理力学性质,本文选取4株不同树龄的人工林刺槐,沿高度将树干精细地划分成段,对不同树龄、不同高度位置处木材的主要物理力学性质和化学组分进行了测定和分析。同时对比观察了各树龄刺槐不同位置木材微观电镜图,通过对比木材密度与力学性质的相关性以及化学组分的变化规律,结合微观结构分析,初步探索刺槐木材物理力学性质产生差异的机理,以期为人工林刺槐木材高效、精细化利用以及人工林科学经营提供理论依据。

    • 试材采自山东省东营市河口区孤岛镇军马五分场人工刺槐林(118°41′58″ E、37°47′18″ N),海拔8 m,自20世纪80年代初开始种植,现刺槐人工林林面积超过200 hm2。试验地属于暖温带大陆性季风气候,年平均气温为12.3 ℃,年降水量500~600 mm,降水主要集中于6—9月,年光照2 600~2 800 h。年均空气湿度83%,累年平均风速为4 m/s。林地土壤为冲积性黄土母质在海浸母质上沉淀而成,机械组成以粉沙为主[8]

    • 刺槐人工林在造林经过25年发育,林木达到成熟阶段[9]。为对比不同成长阶段树龄对物理力学性质的影响,本试验结合孤岛镇军马五分场人工刺槐林的林分特点,选取树龄分别为10、15、20、25年的生长正常且无病虫害样木4株,样木概况见表 1。为准确掌握木材物理力学性质细致的轴向变化,综合考虑试件尺寸、树干生长特点以及锯材方法,选定刺槐树干每段锯材长65 cm。

      表 1  试验样木概况

      Table 1.  General survey of sample trees

      样木编号
      Sample tree No.
      树龄
      Tree-age/a
      树高
      Tree height/m
      枝下高
      Clear bole height/m
      胸径
      DBH/cm
      划分段数
      Partition number
      1 10 5.9 3.8 12.2 6
      2 15 6.8 4.0 16.4 6
      3 20 10.5 5.7 21.7 8
      4 25 12.4 7.2 24.3 11
    • 选取不同树龄标准木4株伐倒后,每株从根部起每隔65 cm分段锯材并顺序编号。根据国家标准GB/T 1928~39—2009《木材物理力学性质测定试验方法》,锯材在室温下干燥至本地平衡含水率后,按标准将其加工成供测试物理力学性能所用的无暇小试件。作为典型的显心材树种,刺槐边材只有2~3个年轮,本研究中试件均取自样木心材。试验分段取件,每段上每项试验取8个试件进行平行试验。加工试件过程中,收集每株刺槐各段木材100 g纯净木屑在(105±3) ℃下干燥至质量不再变化,而后用FZ102型植物粉碎机磨成细末,过筛截取40~60目木粉用做化学试验原料。在每株刺槐各段横截面不同部位取8个3 mm×3 mm×3 mm的顺纹木块,保证每个试样横切面至少包含1个年轮跨度。每个木块软化后用Bright 8000型切片机将其横向截面切平并在(105±3) ℃下干燥至质量不再变化,以备SEM(scanning electron microscope,扫描电子显微镜)观察使用。

      刺槐木材抗弯强度采用10 t万能材料试验机(WDW-100E)测定,其他力学性质采用微型控制电子万能试验机(MMW-50)测定。试验前利用恒温恒湿箱(LHS-150SC)调整试样含水率到12%左右。刺槐木材密度的测定依据国家标准GB/T 1933—2009《木材密度测定方法》进行,木材气干密度和全干密度试件的体积利用精度为0.001 mm游标卡尺测量计算所得;木材基本密度试件的体积由排水法测得。气干密度和力学试验数据按规定换算为含水率为12%的基本数据。化学实验中综纤维素、酸溶木素和酸不溶木素的测定分别按照国家标准GB/T 2677.10—1995、GB/T 10337—2008和GB/T 2677.8—1994进行,硝酸乙醇纤维素含量的测定采用硝酸乙醇法[10],木质素含量为酸溶木素和酸不溶木素含量之和,半纤维素含量取综纤维素含量与纤维素含量的差值[11]。用于微观电镜观察的试件表面喷金处理后,放置于场发射电子显微镜(Hitachi S-3400N Ⅱ)内观察分析。所得试验数据均取各段的平均值,利用Excel软件进行拟合回归分析。

    • 木材密度是木材性质中的一项重要指标。通常可以根据木材密度判断木材的工艺性质及其他物理性质[12]。不同树龄刺槐木材的各项密度见表 2,各树龄刺槐密度随树干高度变化见图 1。由表 2可知3种密度均随树龄的增大而增大。对比3项密度随树龄的变化,25年生刺槐木材的气干密度、全干密度和基本密度比10年生分别增加了5.11%、8.35%和6.76%,说明树龄对全干密度的影响最大。各树龄段3项密度的增长量均较小,气干密度和基本密度均为15~20年树龄段增长最多,20年生木材比15年生木材的气干密度增加2.05%,基本密度增加2.66%。全干密度则为10~15年树龄段增长最多,15年生木材比10年生的全干密度增加3.34%。

      表 2  树龄对木材物理力学性质的影响

      Table 2.  Influence of tree age on the physical and mechanical properties of wood

      项目
      Item
      10年生木材
      10 years old wood
      15年生木材
      15 years old wood
      20年生木材
      20 years old wood
      25年生木材
      25 years old wood
      气干密度Air-dry density/(g·cm-3) 0.725±0.009 0.733±0.010 0.748±0.008 0.762±0.012
      全干密度Absolute-dry density/(g·cm-3) 0.659±0.010 0.681±0.009 0.696±0.009 0.718±0.013
      基本密度Basic density/(g·cm-3) 0.592±0.007 0.602±0.010 0.618±0.010 0.632±0.008
      顺纹抗压强度Compressive strength parallel to grain/MPa 49.202±2.119 53.314±1.918 55.370±2.016 60.342±2.416
      横纹径向全部抗压强度Radial compression(entire)strength perpendicular to grain/MPa 10.788±0.534 11.499±0.691 12.507±0.676 13.802±0.736
      横纹弦向全部抗压强度Tangential compression(entire) strength perpendicular to grain/MPa 11.337±0.521 12.509±0.459 13.038±0.493 14.926±0.605
      抗弯强度Bending strength/MPa 94.102±5.929 97.162±4.297 116.074±5.246 126.059±6.217
      抗弯弹性模量Bending elastic modulus/GPa 8.929±0.397 9.128±0.434 11.286±0.513 12.084±0.510
      注:表中物理力学性质的数值均为整株样木的平均值。Note: the numerical values of physical and mechanical properties in the table are the average value of the whole tree.

      图  1  各树龄木材不同高度位置处密度

      Figure 1.  Wood density of different tree ages with varied trunk height positions

      对比各株样木在同一离地高度处木材的密度,刺槐木材3项密度值均随树龄增加而增大。以各株第3段(木材胸径处附近)木材气干密度为例,25年生木材的气干密度比10年生木材增加3.07%。根据《木材的主要物理力学性质分级表》[3],10年生、15年生和20年生刺槐木材的平均气干密度(含水率12%时)达到Ⅲ级,25年生刺槐木材的平均气干密度(含水率12%时)达到Ⅳ级。

    • 图 1可知,刺槐木材的气干密度、全干密度、基本密度在轴向均随树干高度均呈现先增后减的趋势,即以树干中部的密度较大,基部和顶部较小。这与梁宏温等[13]研究的马占相思木材密度变化规律相同。对比3项密度在不同树干位置的大小,树干基部和顶部两端数值略有起伏,平均值接近。不同树龄刺槐木材的各项密度最大值基本都出现在树干正中偏上的位置。以25年生刺槐为例,沿树干高度自下而上共划分11段,其中,中间第6段气干密度平均值最大为0.779 g/cm3,顶部第11段平均值最小为0.754 g/cm3,最大值比最小值增加3.32%,整体呈现先逐渐增加,中间达到最大,而后逐渐减小的趋势。

    • 不同树龄刺槐木材主要力学性质的测定统计结果见表 2,各树龄木材力学性质沿树干高度的细致变化见图 2。随着刺槐树龄的增加,木材各项力学性质均呈增大趋势。在顺纹抗压强度上,强度增长最多的为20~25年树龄段,25年生比20年生刺槐增加8.98%;在横纹全部抗压强度上,无论径向或弦向,均为20~25年树龄段木材强度增长最多,25年生比20年生刺槐分别增加10.35%和14.48%;在抗弯强度上和在抗弯弹性模量上,增长最多的为15~20年树龄段,20年生比15年生刺槐分别增加19.46%和23.64%。25年生刺槐木材的顺纹抗压强度、横纹径向全部抗压强度、横纹弦向全部抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量分别比10年生木材增加22.64%、27.94%、31.66%、33.96%、35.33%。这说明成长期树龄对抗弯弹性模量及抗弯强度影响最大。

      图  2  各树龄木材力学性质沿树干高度变异

      Figure 2.  Variations of wood mechanical properties along trunk height at different ages

      对比不同树龄刺槐在同一离地高度处木材的力学性质,相同离地高度位置处刺槐木材的顺纹抗压强度、横纹径向全部抗压强度、横纹弦向全部抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量均随树龄增加而增大,以各株木材第3段(木材胸径处附近)的抗弯强度为例,25年生木材第3段抗弯强度比10年生木材第3段抗弯强度增加22.41%。对照《木材主要物理力学性质分级表》[3],10年生和15年生人工林刺槐木材气干密度、顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量均达到Ⅲ级;20年生刺槐木材的气干密度达到Ⅳ级,顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量为Ⅲ级;25年生刺槐木材的顺纹抗压强度和抗弯强度均达到Ⅳ级,抗弯弹性模量属Ⅲ级。

    • 图 2可知,每项力学性质的轴向变化曲线各有不同,细致的划分能准确地呈现出各力学性质的轴向变化规律。不同树龄刺槐木材顺纹抗压强度、横纹径向全部抗压强度、横纹弦向全部抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量沿树干高度呈现相似的变化规律,随树干高度的增加均为先增大后减小。各树龄木材顺纹抗压强度、横纹径向全部抗压强度、横纹弦向全部抗压强度的最大值均出现在树干正中偏上位置,而抗弯强度和抗弯弹性模量最大值出现在树干正中部,树干两端木材的各项力学性质数值基本持平。

      同样以25年生刺槐木材为例,树干自下而上共11段,木材顺纹抗压强度、横纹径向全部抗压强度和横纹弦向全部抗压强度的最大值均为第7段木材的平均值,分别比相应的最小值增加17.57%、22.75%和15.32%。抗弯强度和抗弯弹性模量均为第6段木材的平均值最大,第11段平均值最小,最大值比最小值分别增加12.61%和16.56%。可见树干不同高度位置处木材的各项力学性质均有较大差异。

    • 木材的力学性质与构成木材物质的数量及构造有密切关系[14]。作为衡量单位体积物质数量多少的标志,木材密度对力学性质有很大影响。随着树龄增大及树干高度增加,刺槐木材的顺纹抗压强度、横纹径向全部抗压强度、横纹弦向全部抗压强度、抗弯强度以及抗弯弹性模量都有着与木材密度基本相同的变化规律,此前很多学者研究了木材密度与力学强度的关系,不同的研究者结论有所差异。Newlin等[15]于1919年就已经指出密度与力学性质间存在着Y= aXb(ab为常数)的关系,Zhang[16]则认为用线性方程式Y=a+bX(ab为常数)能更好地描述两者关系。

      木材密度测定方法简单方便,所以根据木材的密度估算其力学性质,在经济上和科学研究上均有意义[17]。为进一步确定刺槐木材气干密度与各项力学性能指标间的相关关系,本文采用Y=a+bXY=aXb两种模型对刺槐木材的气干密度与各项力学性质指标关系进行回归分析,结果见表 3。可见无论是线性还是幂函数回归均能很好地拟合实验结果,相关拟合度R2值在0.865~0.895之间,这与邵卓平等[18]对湿地松木材的相关研究结论一致。实际应用中为方便计算,建议采用线性回归公式,可通过刺槐木材的密度快速估算其力学强度。

      表 3  木材气干密度与力学性质之间相关分析

      Table 3.  Correlation analysis between wood air-dry density and mechanical properties

      力学性质
      Mechanical property
      相关方程
      Regression equation
      残余平方和
      Residual sum of squares
      拟合度
      Fitting degree (R2)
      顺纹抗压强度Compression strength parallel to grain σ=250.468 7ρ-133.726 5 93.332 0.895
      σ=143.86ρ3.406 2 78.631 0.892
      横纹径向全部抗压强度Radial compression (entire) strength perpendicular to grain σ=74.110 4ρ-43.575 2 6.513 0.881
      σ=44.052ρ4.534 5.154 0.886
      横纹弦向全部抗压强度Tangential compression (entire) strength perpendicular to grain σ=80.713 9ρ-47.624 5 8.338 0.872
      σ=48.283ρ4.601 9 9.712 0.865
      抗弯强度Bending strength σ=784.220 2ρ-480.899 1 784.397 0.883
      σ=507.19ρ5.426 1 835.868 0.879
      抗弯弹性模量Bending elastic modulus E=76.221 3ρ-46.837 2 6.856 0.881
      E=49.466ρ5.470 6 9.673 0.875
    • 木材化学组成是木材材性的一个重要方面,它影响着木材的物理力学性质、天然耐久性、材色和木材的加工利用性能[12]。作为组成细胞壁的主要化学成分,纤维素、半纤维素和木质素在细胞壁中的分布、结合方式以及各组分自身的性能对木材细胞壁及其宏观力学性能有着重要的影响,因此研究木材的主要化学成分是系统研究木材物理力学性质变异规律的一项必要的基础工作[19]。试验测得不同树龄4棵刺槐木材的主要化学成分见表 4。由表 4可知,刺槐木材中纤维素含量随树龄的增大而增加,纤维素含量增长最快为15~20年树龄段,20年生木材比15年生增加2.65%;半纤维素含量随树龄增大无明显差异,4株刺槐木材的均值为21.16%;木质素含量随树龄增大呈减少趋势,但减少幅度很小,以15~20年树龄段木材木质素含量减少最多,20年生木材比15年生也仅减少0.79%。

      表 4  各树龄木材主要化学成分对比

      Table 4.  Comparison of main chemical composition of different tree-age woods

      %
      化学组分
      Chemical component
      10年生木材
      10 years old wood
      15年生木材
      15 years old wood
      20年生木材
      20 years old wood
      25年生木材
      25 years old wood
      纤维素Cellulose 49.052±0.347 50.107±0.439 51.470±0.502 52.156±0.579
      半纤维素Hemicellulose 21.358±0.131 21.125±0.154 21.161±0.167 21.001±0.204
      木质素Lignin 24.217±0.177 24.110±0.227 23.918±0.213 23.865±0.287
      注:表中纤维素、半纤维素和木质素含量均以绝干材为基准,数值为整株样木的平均值。Notes: the content of cellulose, hemicellulose and lignin in the table are benchmarked against absolutely dry wood, and the average value of the whole wood is used for the test value.

      3种化学组分随树龄及沿树高轴向变异见图 3。由图可知,刺槐木材中纤维素含量在轴向上呈现中间高、两端低的分布规律,最大值出现在树干中部,基部和顶部含量相近,这与刘成倩等[20]研究枫香木材纤维素含量的轴向变化规律相同。木材中半纤维素含量随树干位置增高无明显变化规律;木质素含量由树基往上基本呈现逐渐减少的趋势,但减少幅度很小,这与崔贺帅等[21]研究杞柳木质素含量的轴向变化规律相同。

      图  3  各树龄木材不同高度位置处主要化学成分含量

      Figure 3.  Main chemical component contents of different tree age with varied trunk positions

      纤维素是细胞壁的主要化学成分,在细胞壁中充当骨架物质,是细胞壁强度的主要来源,木质素贯穿于纤维素纤维之间用以强化细胞壁,半纤维素则作为过渡组分,是连接纤维素和木质素的界面偶联剂[22]。刺槐木材3项化学组分中纤维素含量随树龄和轴向的变化与木材顺纹抗压强度、横纹全部抗压强度(径向、弦向)、抗弯强度、抗弯弹性模量的变化规律十分相似。且不同树龄、不同部位处刺槐木材纤维素含量差异明显,而木质素含量和半纤维素含量差异均很小。本文对刺槐木材纤维素含量与木材顺纹抗压强度、横纹径向全部抗压强度、横纹弦向全部抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量分别进行了线性回归分析,结果表明刺槐木材纤维素含量与上述各项强度的线性拟合度因子R2分别为0.851、0.865、0.873、0.885和0.901,且Sig值均小于0.000 1。可见刺槐木材纤维素含量与各项力学强度呈显著正相关,这说明刺槐木材纤维素含量随树龄和树干高度位置的变化是木材宏观力学性质产生差异的内在原因。

    • 试验结果表明刺槐木材的密度与各项力学性质间相关性很强,证明木材密度确实与力学性质有密切的关系。而木材作为天然高分子材料,其密度变化的本质源于内部微观构造的差异。为进一步探究刺槐木材物理力学性质变化的根本原因,本研究利用电子扫描显微镜对4株不同树龄刺槐树干各段的试件进行观察。

      姜笑梅等[23]发现杨树木材的导管数量越多,其基本密度越小。我们选取不同树龄刺槐木材各段横截面等放大倍数且具有代表性的SEM图像,通过生物图像分析软件(IPP)对图像进行分析对比,结果表明刺槐木材的微观构造中导管分布占比随树干高度及树龄表现出规律变化。如图 4所示,图 4a为10年生树干基部第1段试件的横截面SEM图,其导管数量多且密集,导管占比率为51.21%;图 4b为25年生树干基部第1段试件的横截面SEM图,其导管数量较图 4a有明显减少,但大导管直径增大,导管占比率为47.63%;图 4c为25年生树干中部第6段试件的横截面SEM图,其导管数量较图 4b无明显变化,但大导管直径减小,导管占比率为42.17%。

      图  4  木材横截面微观构造

      Figure 4.  Microstructure of wood cross section

      各树龄木材导管占比率轴向变异情况见图 5,由图 5可知随着树龄的增大,刺槐木材导管占比率减少;轴向上随着树干位置的增高,刺槐木材导管占比率呈现先减小后增加的趋势。这与木材密度随树龄及树干高度位置的变化规律相反。对刺槐木材导管占比率与木材气干密度、全干密度、基本密度分别进行了线性回归分析,结果表明刺槐木材导管占比率与3项密度的线性拟合度因子R2分别为0.904、0.859和0.918,3项Sig值均小于0.000 1,表明刺槐木材导管占比率与木材密度呈显著负相关。这一结论与刺槐木材导管的结构特点相吻合。刺槐是典型的环孔材,导管数量众多,而导管作为一个直径较大的空腔管状组织,其密度明显小于其他组织[12]。所以刺槐木材导管占比率的变异从微观结构上解释了各树龄不同位置处木材密度产生差异的原因。

      图  5  各树龄木材不同高度位置处导管占比率

      Figure 5.  Ratio of wood ducts at different trunk positions with different tree ages

    • 树龄对刺槐木材物理力学性质影响较大,10年生和15年生人工林刺槐木材气干密度、顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量均属中级;20年生刺槐木材的气干密度属高级,顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量属中级;25年生刺槐木材的气干密度、顺纹抗压强度、抗弯强度均属高级,抗弯弹性模量属中级。刺槐木材顺纹抗压强度、横纹径向全部抗压强度、横纹弦向全部抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量均随所在树干位置的增高先增大后减小,最大值出现在树干中部偏上位置,两端数值基本持平。不同高度位置处木材各项力学性质的最大值和最小值相差平均20%左右。利用刺槐木材时,应充分考虑树干不同高度位置木材材性的差异,结合各项力学性质的轴向变异规律精细化选材,提高利用效率。

      通过试验我们发现,刺槐木材密度与力学性质有密切的关系。本研究采用的线性函数和幂函数两种模型均能很好地拟合刺槐木材气干密度与力学性质指标的相关关系,为方便计算,实际应用中建议采用线性模型进行预估。同时,纤维素作为细胞壁强度的主要来源,其含量与木材各项力学性质均呈高度正相关,这说明刺槐木材纤维素含量随树龄和树干高度位置的变化可能是木材宏观力学性质的产生差异的内在原因。刺槐木材微观结构中导管占比率的差异则导致木材密度随树龄和树干高度位置产生规律性变化。

参考文献 (23)

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