柳杉物理力學性質綜述

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柳杉(CryptomeriafortuneiHooibrenk)為杉科柳杉屬常綠喬木，既是高山速生用材樹種，又是優良的庭園觀賞樹種，成為我國珍貴用材樹種之一，具有廣泛的用途［1－2］。同時柳杉作為廣西東南地區的引進樹種之一，在廣西具有相當大的資源優勢。但迄今為止，對柳杉材性的研究鮮見報道，而木材物理力學性質對木材加工處理和利用均有重要意義［3］。因此，筆者對柳杉木材主要物理力學性質進行了測定，以期為柳杉木材材質改良和合理、全面利用該樹種提供理論依據。

1材料與方法

1．1試驗材料

選擇柳杉為研究對象，試材采自廣西國營六萬林場，采集按照國家標準GB/T1927-2009《木材物理力學試材采集方法》規定，選取生長良好、無病蟲害、樹干通直且代表性強的作為試驗樣木。共采集14株，其中樹齡為20年生的5株，30年生的9株。

1．2試驗方法

試件的加工和測定按照國家標準GB/T1927～1943-2009《木材物理力學性質試驗方法》要求進行。測定指標包括木材基本密度、氣干密度、全干密度，木材弦向、徑向和體積氣干干縮率、全干縮率及干縮系數，從全干至氣干的濕脹率和從全干至飽水的濕脹率，吸水率，順紋抗壓強度，橫紋全部抗壓強度，抗彎強度，抗彎彈性模量，沖擊韌性等。各項力學性質在萬能力學試驗機和擺錘式沖擊試驗機上測定，試驗結果均換算成含水率為12%時的數據。

2結果與分析

2．1木材物理性質及其變化規律

2．1．1杉木材的基本密度、氣干密度和全干密度分別為0．4080、0．5030、0．4640g/cm3。根據《木材的主要物理力學性質分級表》［3］，其氣干密度屬小(0．351～0．550g/cm3)。由圖1、2、3可知，柳杉木材的基本密度、氣干密度和全干密度在不同樹齡、不同方位以及縱向的變化規律基本一致。30年生柳杉的密度均小于20年生柳杉的密度，不同樹齡之間基本密度、氣干密度和全干密度差異分別是21．58%、21．08%和22．96%。柳杉木材北向密度稍大于南向，對于南、北向，基本密度、氣干密度和全干密度差異分別為2．12%、2．87%和1．88%。隨著樹高的增加，柳杉木材的密度呈減小趨勢，而不同樹高之間基本密度、氣干密度和全干密度最大差異分別是25．16%、21．54%和28．62%。由此可知，樹干不同方位對柳杉木材的密度影響最小，樹齡次之，而樹高位置對密度影響最大。

2．1．2干縮性。了解木材的干縮性及干縮規律，對于木材的加工與利用具有重要意義［4］。由表1可知，柳杉木材從濕材至氣干材時，弦向、徑向和體積干縮率分別為4．606%、2．377%和6．899%;從濕材至全干材時，其弦向、徑向和體積干縮率分別為7．840%、4．286%和12．006%。而柳杉木材的弦向、徑向和體積干縮系數分別為0．270%、0．160%和0．452%，差異干縮為1．6880。根據《木材的主要物理力學性質分級表》［3］可知，柳杉木材的體積干縮系數屬中等(0．401%～0．500%)，差異干縮屬中等(1．61～2．10)。由表2可知，除弦向干縮系數和差異干縮表現為30年生大于20年生外，其余指標均相反;各干縮性能指標在南、北兩向的差異不大，表現為南向的干縮性能指標大于北向;而隨著樹高的增加，干縮率和干縮系數均呈減小趨勢，其中弦向干縮率和干縮系數表現為木材中下部大于基部和中上部，而差異干縮與干縮率、干縮系數成反比，隨樹高增加逐漸上升。樹干不同方位對柳杉干縮性能指標影響最小，樹齡次之，而不同樹高位置對柳杉干縮性能指標的影響最大。

2．1．3濕脹性。木材的濕脹和干縮都具有各向異性，通常表現為縱向線濕脹率較小，弦向線濕脹率較大，一般是徑向線濕脹率的1．5～2．0倍［5］。由表1可知，柳杉木材從全干到氣干時，弦向和徑向線濕脹率分別為2．634%、1．617%，體積濕脹率為4．549%;從全干到吸水至尺寸穩定狀態，弦向和徑向線濕脹率分別為9．179%、5．229%，體積濕脹率為15．811%。2種狀態的弦向濕脹率和徑向濕脹率之比(差異濕脹)分別為1．629和1．755。由表3可知，從全干到氣干濕脹率除徑向表現為20年生大于30年生外，弦向和體積均相反;從全干到飽水的濕脹率除弦向表現為20年生小于30年生外，徑向和體積均相反。無論是從全干到氣干的濕脹率，還是從全干到飽水的濕脹率，在南、北兩向的差異均不大;而隨著樹高的增加，弦向濕脹率呈增大趨勢，而徑向和體積濕脹率呈減小趨勢。樹干不同方位對柳杉濕脹性能指標影響最小，樹齡次之，而不同樹高位置對柳杉濕脹性能指標的影響最大。

2．1．4吸水性。木材的吸水性對木材的藥劑浸注、制漿蒸煮、油漆膠粘及水運均有重要意義［6］。測定柳杉全干材浸水40d的吸水性，各段浸泡時間的吸水性見表4，為更好地反映柳杉吸水速率，繪制出吸水性曲線(圖4)。由圖4可知，柳杉木材在2d前增加較快，在前6h內，木材從全干吸水至75%，在1d增至96%，在2d增至102%，但到第4天，吸水率僅為104%，4d后吸水率又開始增加，但增加較緩慢，木材浸泡40d時吸水率仍有上升趨勢。通過柳杉全干密度ρ0=0．464g/cm3和木材實質密度ρcw=1．54g/cm3可求得木材吸水的最大數量占干材重量的百分率，即水容量或最大含水率［7］。根據下式計算。

2．2木材力學性質及其變化規律

2．2．1主要力學性質指標等級評定。由表5可知，柳杉木材的順紋抗壓強度平均為43．2MPa，對照木材順紋抗壓強度5檔分級標準［3］，其順紋抗壓強度屬低級(30．1～45．0MPa)。橫紋全部抗壓強度是木材對單純壓縮破壞的真正抗壓能力［4］。由表5可知，柳杉木材的徑向全部抗壓強度平均為0．408MPa，弦向全部抗壓強度平均為0．565MPa，對照木材橫紋抗壓強度5檔分級標準［3］，其橫紋全部抗壓強度屬甚低級(2．0MPa以下)。抗彎強度作為木材另一重要的力學性質指標，是建筑物的屋架、橫條、木橋、承重地板等彎曲的構件選材時首先考慮的因素［9］。由表5可知，柳杉木材的抗彎強度平均為88．200MPa，對照木材抗彎強度5檔分級標準［10］，其強度屬低級(55．1～90．0MPa)。構件在承受荷載時，其變形與彈性模量成反比，即彈性模量越大，越剛硬，反之則比較柔曲［4］。由表5可知，柳杉木材的抗彎彈性模量平均為9505．0MPa，對照木材彈性模量5檔分級標準［3］，屬于低級(7600～10500MPa)。沖擊韌性常用于評定車輛和建筑結構用材的品質，也是載重汽車鋸材、枕木、工具柄、槍托、運動器械和農機部件等用材的依據［11］。由表5可知，柳杉木材的沖擊韌性平均為41．000kJ/m2，對照木材沖擊韌性5檔分級標準［9］，為低級(31～60kJ/m2)。木材作為承重構件必須考慮其順紋抗壓強度和抗彎強度這2項重要強度指標，所以通常用順紋抗壓強度和抗彎強度之和來表示木材的綜合強度，以表明木材強度品質等級［6］。從上述試驗結果可知，柳杉木材各項力學強度性質均較低，其綜合強度為131．4MPa，根據《木材材性分級規定》［1］可知，其綜合強度為低級(85．1～135．0MPa)，說明柳杉木材不宜用作一些強度要求較高的承重結構構件。

2．2．2主要力學性質變化規律。由表6可知，20年生的柳杉木材各項力學性質指標均大于30年生。對于這2種樹齡，柳杉木材各項力學性質指標平均值的差異以抗彎彈性模量最小，為1．68%，說明樹齡對柳杉木材抗彎彈性模量影響不大;以沖擊韌性最大，為57．95%，說明樹齡對柳杉木材沖擊韌性的影響較大;其余力學性質指標在不同樹齡中的差異在9．94%～32．01%。除順紋抗壓強度表現為南向大于北向，其余各項力學強度指標均呈北向大于南向。柳杉木材各項力學性質指標在南、北向上的差異數值表明，南、北向對于柳杉木材各項力學性質的影響不大，差異在1．58%～6．98%。柳杉木材的順紋抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量、沖擊韌性隨樹干高度的增加而逐漸減小，而橫紋徑向和弦向全部抗壓強度則呈先減小后增大的趨勢，即以樹干中下部的橫紋抗壓強度較小，基部和中上部的較大。柳杉木材各項力學性質指標在不同樹高位置的差異，以順紋抗壓強度最小，為14．09%，說明樹干高度對柳杉木材順紋抗壓強度的影響相對其他力學性質較小;以沖擊韌性較大，為78．72%，說明樹干高度是對柳杉木材沖擊韌性影響較大的一個因素;其余力學性質指標在不同樹高上的差異在22．33%～33．54%。由此可知，柳杉木材的沖擊韌性變異性很大;樹干不同方位對各項力學性質的影響最小，樹齡次之，而樹高對各項力學性質的影響最大。

2．3木材的品質系數

木材品質系數或稱比強度或強重比，是某項力學強度極限與基本密度之比值，是評價木材品質的一個重要參數。對于一些特殊場合，如飛機、橋梁和高層建筑等構件，既要求材料的力學強度值高，又要求材料的自重輕，所以品質系數是材料選擇的重要依據［6］。根據木材綜合品質系數的大小，可將木材分為3類，綜合品質系數小于1960×105Pa為低等級材，1961×105～2156×105Pa為中等級材，大于2156×105Pa為高等級材［12－13］。研究表明，柳杉木材的綜合品質系數達3221×105Pa，由此可知，柳杉木材的品質系數非常高，為高等級材。

3結論

該研究表明，柳杉木材氣干密度小，體積干縮系數中等，差異干縮中等，順紋抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量、沖擊韌性、綜合強度低，橫紋抗壓強度很低，而品質系數較高，為高等級材。樹干不同方位對柳杉木材各項物理力學性質影響最小，樹齡次之，而不同的樹高位置對柳杉木材各項物理力學性質影響最大。在利用方面，因柳杉心材耐腐，適宜作室外用材;柳杉材質輕軟的特點使其能代替鴨腳木做篩斗的木框;尚可利用其品質系數高、干縮均勻、耐水濕的特點應用于包裝箱、盆桶、水車的水箱、次等機模及其他木模、車輛、實木家具、民房建筑、室內裝修等方面;同時也宜發展作纖維用材。但柳杉木材的低強度指標使其利用范圍存在一定限制，給企業生產和銷售帶來許多問題，故應對柳杉木材進行改良處理，利用物理或化學方式或兩者組合的方式盡可能增加木材比重，提高木材強度，從而拓展柳杉木材的利用范圍。