粗壳澳洲坚果木材物理力学性质的研究

时间：2024-07-28

雷福娟，马锦林，王军锋，黄腾华，宋恋环

（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）

随着国民经济的快速发展，木材需求量日益增大，而我国木材资源有限，自给能力严重不足，对外依赖度达50%，特别是我国全面停止天然林商业性采伐后，木材资源更加短缺，培育和寻找新的木材资源是解决木材供需的根本途径。粗壳澳洲坚果（Macadamia ternifolia）为山龙眼科（Proteaceae）澳洲坚果属多年生常绿果树，木材坚硬，呈红褐色，宜做家具和工艺品，具有优良的用材价值。目前澳洲坚果的研究主要集中在栽培技术和果实精深加工等方面[1-3]，对其木材性质缺乏基本的认识和了解，其木材未能得到高效的加工与利用。近年来，澳洲坚果种植面积快速增长，目前广西区内澳洲坚果种植总面积已超过1.4万hm2，位居全国第2[4]。在集约化栽培进程中，对间伐和更新砍伐下来的木材加以利用，可有效减少资源浪费，增加经济收入，大大提高澳洲坚果产业的综合效益。因此开展澳洲坚果木材相关材性研究，了解并掌握其木材解剖、物理和力学等主要材性数据，可为澳洲坚果的定向培育和木材综合利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试材由广西扶绥夏果种植有限责任公司提供，该批木材为2018年1月粗壳澳洲坚果果树更新时采伐，树龄30年。选取10 根直径20 ～25 cm、树干通直、无明显缺陷且具有代表性的原木作为试材。

1.2 试验方法

将试材分别锯成65 mm厚的中心板和22 mm厚的毛边锯材，放置室内进行气干，根据GB/T 1929-2009[5]制备标准试样并置于温度（20±2）℃、相对湿度为（65±3）%的环境中进行含水率处理平衡。利用UTM5504 电子万能力学试验机和JB-M100 摆锤式冲击试验机等设备，根据GB/T 1928-2009[6]对木材物理力学性质的各项指标进行测定。试验结果均换算为含水率12%时的数据。

2 结果与分析

2.1 木材物理性质

2.1.1 密度

木材密度反映了单位体积内胞壁物质的数量[7]，对木材加工利用和林木培育有重要的指导意义，是判断木材强度的最佳指标[8]。粗壳澳洲坚果木材基本密度、气干密度和全干密度分别为0.628、0.786和0.751 g/cm3（表1）。根据我国木材气干密度5 级分级情况[9]，粗壳澳洲坚果木材的气干密度为4级，属于中高等密度木材。

2.1.2 干缩湿胀性

干缩湿胀使木制品尺寸发生变化，是木材主要缺点，不利于木材的加工利用[10]。木材含水率随着周围环境温度和相对湿度的变化而不断发生改变，易使木材产生湿胀与干缩，木材膨胀和收缩时产生的应力变化导致木材表面粗糙，纹理隆起，产生微细裂纹以致明显开裂[11]。弦向与径向干缩的比值为差异干缩，木材的差异干缩若偏大，其内部各方向的干缩湿胀则不均匀，容易发生开裂变形。差异干缩和干缩系数是反映木材尺寸稳定性的重要指标，其值较大时，尺寸稳定性相对较差，容易产生开裂变形。粗壳澳洲坚果木材的径向、弦向和体积气干干缩率分别为2.28%、7.55%和10.19%，差异干缩为3.31；径向、弦向和体积全干干缩率分别为3.96%、12.09%和16.28%，差异干缩为3.05；径向、弦向和体积干缩系数分别为0.14%、0.41%和0.57%。木材从全干到气干时，径向、弦向和体积湿胀率分别为1.54%、4.40%和6.11%，差异湿胀为2.86；从全干到吸水饱和状态，径向、弦向和体积湿胀率分别为3.26%、11.61%和15.48%，差异湿胀为3.56（表1）。根据木材性质5级分级表[9]，粗壳澳洲坚果木材的体积干缩系数属于4 级；差异干缩属于5 级；差异湿胀值较大，与干缩反应的结果一致，说明粗壳澳洲坚果木材内部各方向干缩、湿胀不均匀，尺寸稳定性差，干燥过程中容易开裂变形，在窑干时需注意控制前期干燥速度，避免产生严重的干燥缺陷[12]。

表1 澳洲坚果木材主要物理性质Tab.1 Main physical properties of M.ternifolia wood

续表1 Continued

2.2 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，与木材的加工性能有密切关系，硬度低的木材易于加工，硬度太高则不利于切削加工[13]；木材硬度与其木制品的耐磨性和漆膜硬度有直接关系，当木材硬度较高时，其耐磨性大，漆膜硬度也会提高，若木材硬度较低，其木制品表面容易出现划痕和压痕等痕迹[11]，影响产品外观和使用性。粗壳澳洲坚果木材的端面、径面和弦面硬度分别为9 630、8 030 和7 590 N（表2）。对照木材性质分级情况表[9]，粗壳澳洲坚果木材属于高硬度木材，可用于制作沙发、桌椅和地板等常与硬物接触的木制品，耐磨且不易出现表面划痕和压痕等外观缺陷。

2.2.2 抗弯强度和抗弯弹性模量

木材抗弯强度反映木材承受横向载荷的能力，主要作为易于弯曲的构件及木桥的梁和桁条的设计依据。抗弯强度是重要的力学性质，常用以推导木材的容许应力。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[11]。粗壳澳洲坚果木材的抗弯强度为82.9 MPa，抗弯弹性模量为11 300 MPa（表2）。根据木材性质分级情况[9]，粗壳澳洲坚果木材抗弯强度属于2 级；抗弯弹性模量属于3 级，说明木材较刚硬，承受横向载荷的能力中等略偏低。

2.2.3 顺纹抗压强度

在短时间内沿木材顺纹方向缓缓施加压缩载荷，木材能承受的最大的能力称为顺纹抗压强度，根据木材顺纹抗压强度可求得设计应力，用于设计各种受压构件，作为选择受压木材构件的重要依据，木材顺纹抗压强度是木材最具有代表性的力学特性指标之一[11]。粗壳澳洲坚果木材顺纹抗压强度为48.4 MPa（表2）。根据我国木材性质5 级分级情况[9]，粗壳澳洲坚果木材顺纹抗压强度属于3 级，说明木材承受顺纹方向载荷的能力中等。

2.2.4 冲击韧性

冲击韧性用以评价木材的韧性或脆性。通常，木梁、枕木、枪托、坑木、木梭和船桨等部件用材均需具有较好的冲击韧性[11]。粗壳澳洲坚果木材冲击韧性为46 kJ/m2（表2）。根据木材冲击韧性4级分级情况[9]，粗壳澳洲坚果木材冲击韧性属于2 级，说明木材韧性中等。

表2 粗壳澳洲坚果木材主要力学性质Tab.2 Main mechanical properties of M.ternifolia wood

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[14]。对于一些要求轻质高强构件的领域，如航天航空和高空建筑等，品质系数是评价材料优劣的重要指标[15]。依据木材顺纹抗压强度和抗弯强度数据，计算得出综合品质系数。根据木材综合品质系数的大小，可将其分为低等级材（＜1960×105Pa）、中等级材（1 961 × 105～2 156 × 105Pa）和高等级材（＞2 156 × 105Pa）[13]。粗壳澳洲坚果木材的综合品质系数为2 090.8×105Pa，为中等级材（表3）。

表3 粗壳澳洲坚果木材品质系数Tab.3 Quality coefficients of M.interifolia wood（×105 Pa）

2.3 粗壳澳洲坚果木材与其气干密度相近树种木材物理力学性质的比较

粗壳澳洲坚果木材的硬度比其他16个树种高，抗弯强度和冲击韧性最低；顺纹抗压强度高于葡萄桉（Eucalyptus botryoides）等4 个树种，与黑荆（Aca-cia mearnsii）一样，低于其他10 个树种；抗弯弹性模量高于红豆树（Ormosia hosiei）等4 个树种，低于其他11 个树种（表4）。粗壳澳洲坚果木材属于硬度高、脆性较大、抗顺纹载荷能力中等、抗横纹载荷能力中等稍偏低的木材。

表4 澳洲坚果木材和与其气干密度相近树种木材的物理力学性质比较Tab.4 Comparison on physical and mechanical properties of M.ternifolia wood and other woods with similar air-dry density

续表4 Continued