鹅掌楸天然林木材物理力学及垂直变异特性研究

魏 鹏，贾 晨，周永丽，辜云杰，罗建勋

(1.四川省林业调查规划院，四川 成都 61000，2.四川省林业科学研究院，四川 成都 610081)

中国鹅掌楸(Liriodendronchinense)又叫马褂木、双飘树，我国特有树种，是我国Ⅱ级珍稀濒危保护植物。其花大而鲜艳，叶似马褂且秋季金黄色，是珍贵的行道树和庭园观赏树种；木材淡红褐色，纹理直、结构细，是建筑及制作家具的上好木材。木材的物理力学性质是木材质量和使用性能的重要指标，研究某树种材性，是合理充分利用该树种木材的重要基础。曹文等研究认为笔罗子木材密度、顺纹抗拉抗压强度属于中级水平，是一种比较适合加工利用的树种[1]。陈奕良等对伯乐树木材研究认为该树种木材材性属中等[2]。国内已有对杂种马褂木的材性、北美鹅掌楸材性及鹅掌楸遗传变异的研究和报道[3～5]，但关于中国鹅掌楸天然林木的材性研究报道极少。对鹅掌楸天然林木材性物理力学性质进行了测试与分析，为鹅掌楸材性改良与合理利用提供科学依据。

1 研究地概况

研究地位于巴中市通江县董溪乡海鹰寺国有林场。通江县位于巴中市东北部，米仓山东段南麓大巴山缺口处，北纬31°39′～32°33′，东经106°59′～107°46′之间。气候为亚热带季风气候，春暖秋爽，夏热冬冷，降水集中，雨热同季，四季分明。年平均降雨量为1 250 mm；多年平均气温13.9℃，≥0℃的积温为 5 136℃，≥10℃的积温为 4 644℃；日照较充足，年平均日照时数为 2 405.2 h，无霜期210.7 d。土壤为山地黄棕壤。该林场中有鹅掌楸天然林分布，面积约6.67 hm2，平均年龄在30 a左右，平均树高18.5 m，平均胸径24.2 cm。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验材料来源于通江县海鹰林场中的鹅掌楸天然林分中，根据林分的生长情况，设定了3个20 m×20 m的临时样地，对样地的鹅掌楸进行每木检尺，各选取1株生长正常的平均木，作为重复样本伐倒(鹅掌楸为国家二级保护植物)，编号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。样木的基本情况见表1。采集方法参照GB/T1927-2009《木材物理力学试材采集方法》进行。在1.3 m～3.3 m、5.3 m～7.3 m与9.3 m～11.3 m处，各锯取2 m长作为标准木段，测定鹅掌楸天然林木材的物理力学性质。

表1 样木的生长基本情况

2.2 试验方法

试验试件制取按照国家标准GB/T 1929—2009《木材物理力学试件锯解及试样截取方法》中的规定。木材的各项物理力学指标的测试依据国家标准GB/T1932～942-2009《木材物理力学试验方法》进行。物理性质测定指标主要是基本密度、气干密度、全干密度、湿胀率与干缩性；力学性能测试指标包括抗弯强度、抗弯弹性模量、木材硬度和顺纹抗压强度。其中抗弯强度、抗弯弹性模量和硬度测试是在SANS万能试验机上进行。所有试件均在高低交变湿热试验箱中调整至12%含水率后测试，以免木材含水率对其物理力学性质造成较大影响。

3 结果与分析

3.1 鹅掌楸木材的物理性质

3.1.1 木材密度

木材密度是木材的一项重要指标，反映了木材的致密程度，与其自身生长特性以及外界生长环境(气候、林分密度、地理因素等)存在密切相关性。通过对鹅掌楸天然林木材的密度测定分析，由表2可知，鹅掌楸天然林木的木材的基本密度为0.352 g·cm-3，变异系数为10..74%；全干密度为0.396 g·cm-3，变异系数为11.70%；气干密度为0.558 g·cm-3，变异系数为32.47%。其中基本密度和全干密度的变异较小，而气干密度的变异较大。鹅掌楸木材的基本密度和气干密度均小于同科植物乐东拟单性木兰(基本密度为0.579 g·cm-3、气干密度为0.708 g·cm-3)[6]，也低于闽楠天然林(气干密度为0.721 g·cm-3)[7]，同时小于贵州省鹅掌楸天然林(基本密度为0.453 g·cm-3、气干密度为0.557 g·cm-3)[8]。根据木材材性分级标准规定可知，鹅掌楸木材属于轻度(基本密度0.31 g·cm-3～0.45 g·cm-3)至中等密度水平(气干密度0.55 g·cm-3～0.75 g·cm-3)，但气干密度的变异系数较大，说明该木材的密度分散程度较大，均匀性降低，木材加工难度有所增加。

3.1.2 木材干缩性与湿胀性

干缩湿胀是木材的固有性质，是木材利用的中一大缺陷。干缩湿胀的发生会引起木材尺寸的变化，而当沿各方向的干缩或湿胀不均匀时，就会引起开裂和变形的产生，从而影响木材制品的利用。了解木材的干缩湿胀性及其规律，在木材加工、利用上有很重要的意义。木材干缩湿胀的大小一般通过干缩率和湿胀率来表示。

通过对木材的干缩性和湿胀性的统计分析，结果表明，木材径向、弦向和体积的气干干缩率分别是2.88 %、4.12%和7.21 %，体积气干干缩率的变异系数为25.03%；其全干干缩率分别为5.12 %、7.03%和12.54 %，体积全干干缩率的变异系数为15.73%。从全干状态到气干状态，木材的径向、弦向和体积湿胀率分别为1.83%、2.58%和4.54%；从气干状态到吸水饱和状态时，木材的径向、弦向和体积湿胀率分别为4.65 %、6.93%和12.41%。表明鹅掌楸木材的湿胀性从全干状态到气干状态表现较好，而从气干到吸水饱和时表现较差。 鹅掌楸天然林木材的干缩湿胀性比观光木人工林要大[9]，说明鹅掌楸木材稳定性不如观光木。

表2 鹅掌楸木材物理性质均值及变异统计结果

3.1.3 鹅掌楸木材物理性质的垂直变异

通过对鹅掌楸树干上、中、下三个部位的木材密度和干缩湿胀性测定分析，结果表明木材的气干密度、全干密度与基本密度在垂直方向均存在上部>中部>下部的特性(见表3)。木材径向的气干干缩率与全干干缩率在树干垂直方向有中部>上部>下部的规律，而木材弦向干缩率与体积干缩率同时存在上部>下部>中部的规律(见表4)；木材径向、弦向与体积湿胀率由全干到气干状态时，同时存在上部>中部>下部的特性；而木材当由气干状态到吸水饱和时，径向湿胀率存在中部>上部>下部，弦向湿胀率存在上部>下部>中部，体积湿胀率存在上部>中部>下部的规律(见表4)。

对木材的密度、干缩性和湿胀性在树干垂直方向上的差异显著性F检验，结果表明木材的气干密度、全干密度、基本密度、体积全干干缩率、体积湿胀率在树干垂直方向上(上部、中部、下部)存在极显著差异(p<0.01)，体积气干干缩率在垂直方向上达到显著差异(p<0.05)，说明鹅掌楸木材的物理性质在树干垂直方向上有显著差异。

表3 鹅掌楸木材密度性质垂直变异统计结果

表4鹅掌楸木材干缩性与湿胀性的垂直变异统计表

性状部位试样数气干干缩率(%)全干干缩率(%)气干湿胀率(%)吸水饱和时湿胀率(%)上902．8475．2482．0334．832径向中903．4965．7842．0285．517下902．5164．5481．4823．902上904．3297．6442．8467．662弦向中903．5676．0322．6236．035下904．2657．0742．2966．777上907．54213．3415．03413．571体积中906．77611．6954．81311．738下907．17112．2993．85511．689

3.2 鹅掌楸木材力学性质

3.2.1 鹅掌楸木材力学性质

作为建筑和结构用材，木材的抗压强度是重要的力学性能之一，而顺纹抗压强度通常作为选择受压木材构件的依据。根据对鹅掌楸木材的力学性质的测定分析，由表5可知，鹅掌楸木材的顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量分别为34.7 MPa、53.22 MPa和5895.0 MPa，各性状的变异系数分别为14.19%、18.48%和16.44%，说明木材抗压性和抗弯性存在较大的变异。根据我国木材物理力学性质分级表，可知鹅掌楸木材顺纹抗压强度属于2级(29.1 MPaMPa～44.0 MPa)，抗弯强度和抗弯弹性模量属于1级(抗弯强度≤54.0 MPa，抗弯弹性模量≤7.4 GPa)。

鹅掌楸木材的横面硬度、弦面硬度和径面硬度分别为3.49 kN，弦面2.55 kN和2.45 kN，横面硬度>弦面硬度>径面硬度；根据木材物理力学5级标准，可知鹅掌楸木材的横面硬度属于2级(2.57 kN～4.00 kN)。鹅掌楸天然林木材的硬度低于闽楠天然林和人工林的硬度，同时也低于笔罗子木材的硬度[1-2]。鹅掌楸天然林木材属于硬度柔软，适于加工生产的原材料。

表5 鹅掌楸木材力学性质测定结果

3.2.2 鹅掌楸木材力学性质垂直变异

鹅掌楸木材力学性质垂直方向的测定结果表明(见表6)，木材的顺纹抗压强度、抗弯强度、横面硬度和径面硬度在树干垂直方向表现出上部>中部>下部的规律；木材抗弯弹性模量在垂直方向存在中部>上部>下部的规律；木材弦面硬度在垂直方向存在上部≥下部>中部的特点。差异显著性F值检验结果表明，木材的抗压性、抗弯性和横面硬度在树干上、中、下垂直方向上的差异性均达到极显著水平(P<0.001)，说明各性状在不同部位的表现存在显著差异；而弦面硬度和径面硬度在树干垂直方向的差异性不显著(见表7)。

表6 鹅掌楸木材力学性质垂直变异统计表

表7 鹅掌楸木材物理力学性质方差分析

4 结论

鹅掌楸天然林木材密度属于轻量至中等水平，木材的基本密度为0.352 g·cm-3，全干密度为0.396 g·cm-3，气干密度为0.558 g·cm-3。木材径向、弦向和体积的气干干缩率分别是2.88 %、4.12%和7.21 %，全干干缩率分别为5.12 %、7.03%和12.54 %。从全干状态到气干状态，木材的径向、弦向和体积湿胀率分别为1.83%、2.58%和4.54%；从气干状态到吸水饱和状态时，其值分别为4.65 %、6.93%和12.41%。木材干燥过程较易发生干裂，其尺寸稳定性一般。

鹅掌楸天然林木材的气干密度、全干密度与基本密度在垂直方向均存在上部>中部>下部；体积干缩率同时存在上部>下部>中部的规律；木材体积湿胀率均存在上部>中部>下部的规律。

鹅掌楸天然林木材的顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量分别为34.7 MPa、53.22 MPa和5895.0 MPa；其木材的横面、弦面和径面硬度分别为3.49 kN，弦面2.55 kN和2.45 kN。鹅掌楸的综合强度和硬度均属一般水平。木材的顺纹抗压强度、抗弯强度、横面硬度和径面硬度在树干垂直方向表现出上部>中部>下部的规律。综合鹅掌楸木材的物理力学特性结果认为，鹅掌楸木质柔软、易于切削加工，干燥过程易发生变形，可用于细木装饰用材、胶合板原材料及建筑用材。

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