柳杉物理力学性质综述

柳杉(CryptomeriafortuneiHooibrenk)为杉科柳杉属常绿乔木，既是高山速生用材树种，又是优良的庭园观赏树种，成为我国珍贵用材树种之一，具有广泛的用途［1－2］。同时柳杉作为广西东南地区的引进树种之一，在广西具有相当大的资源优势。但迄今为止，对柳杉材性的研究鲜见报道，而木材物理力学性质对木材加工处理和利用均有重要意义［3］。因此，笔者对柳杉木材主要物理力学性质进行了测定，以期为柳杉木材材质改良和合理、全面利用该树种提供理论依据。

1材料与方法

1．1试验材料

选择柳杉为研究对象，试材采自广西国营六万林场，采集按照国家标准GB/T1927-2009《木材物理力学试材采集方法》规定，选取生长良好、无病虫害、树干通直且代表性强的作为试验样木。共采集14株，其中树龄为20年生的5株，30年生的9株。

1．2试验方法

试件的加工和测定按照国家标准GB/T1927～1943-2009《木材物理力学性质试验方法》要求进行。测定指标包括木材基本密度、气干密度、全干密度，木材弦向、径向和体积气干干缩率、全干缩率及干缩系数，从全干至气干的湿胀率和从全干至饱水的湿胀率，吸水率，顺纹抗压强度，横纹全部抗压强度，抗弯强度，抗弯弹性模量，冲击韧性等。各项力学性质在万能力学试验机和摆锤式冲击试验机上测定，试验结果均换算成含水率为12%时的数据。

2结果与分析

2．1木材物理性质及其变化规律

2．1．1杉木材的基本密度、气干密度和全干密度分别为0．4080、0．5030、0．4640g/cm3。根据《木材的主要物理力学性质分级表》［3］，其气干密度属小(0．351～0．550g/cm3)。由图1、2、3可知，柳杉木材的基本密度、气干密度和全干密度在不同树龄、不同方位以及纵向的变化规律基本一致。30年生柳杉的密度均小于20年生柳杉的密度，不同树龄之间基本密度、气干密度和全干密度差异分别是21．58%、21．08%和22．96%。柳杉木材北向密度稍大于南向，对于南、北向，基本密度、气干密度和全干密度差异分别为2．12%、2．87%和1．88%。随着树高的增加，柳杉木材的密度呈减小趋势，而不同树高之间基本密度、气干密度和全干密度最大差异分别是25．16%、21．54%和28．62%。由此可知，树干不同方位对柳杉木材的密度影响最小，树龄次之，而树高位置对密度影响最大。

2．1．2干缩性。了解木材的干缩性及干缩规律，对于木材的加工与利用具有重要意义［4］。由表1可知，柳杉木材从湿材至气干材时，弦向、径向和体积干缩率分别为4．606%、2．377%和6．899%;从湿材至全干材时，其弦向、径向和体积干缩率分别为7．840%、4．286%和12．006%。而柳杉木材的弦向、径向和体积干缩系数分别为0．270%、0．160%和0．452%，差异干缩为1．6880。根据《木材的主要物理力学性质分级表》［3］可知，柳杉木材的体积干缩系数属中等(0．401%～0．500%)，差异干缩属中等(1．61～2．10)。由表2可知，除弦向干缩系数和差异干缩表现为30年生大于20年生外，其余指标均相反;各干缩性能指标在南、北两向的差异不大，表现为南向的干缩性能指标大于北向;而随着树高的增加，干缩率和干缩系数均呈减小趋势，其中弦向干缩率和干缩系数表现为木材中下部大于基部和中上部，而差异干缩与干缩率、干缩系数成反比，随树高增加逐渐上升。树干不同方位对柳杉干缩性能指标影响最小，树龄次之，而不同树高位置对柳杉干缩性能指标的影响最大。

2．1．3湿胀性。木材的湿胀和干缩都具有各向异性，通常表现为纵向线湿胀率较小，弦向线湿胀率较大，一般是径向线湿胀率的1．5～2．0倍［5］。由表1可知，柳杉木材从全干到气干时，弦向和径向线湿胀率分别为2．634%、1．617%，体积湿胀率为4．549%;从全干到吸水至尺寸稳定状态，弦向和径向线湿胀率分别为9．179%、5．229%，体积湿胀率为15．811%。2种状态的弦向湿胀率和径向湿胀率之比(差异湿胀)分别为1．629和1．755。由表3可知，从全干到气干湿胀率除径向表现为20年生大于30年生外，弦向和体积均相反;从全干到饱水的湿胀率除弦向表现为20年生小于30年生外，径向和体积均相反。无论是从全干到气干的湿胀率，还是从全干到饱水的湿胀率，在南、北两向的差异均不大;而随着树高的增加，弦向湿胀率呈增大趋势，而径向和体积湿胀率呈减小趋势。树干不同方位对柳杉湿胀性能指标影响最小，树龄次之，而不同树高位置对柳杉湿胀性能指标的影响最大。

2．1．4吸水性。木材的吸水性对木材的药剂浸注、制浆蒸煮、油漆胶粘及水运均有重要意义［6］。测定柳杉全干材浸水40d的吸水性，各段浸泡时间的吸水性见表4，为更好地反映柳杉吸水速率，绘制出吸水性曲线(图4)。由图4可知，柳杉木材在2d前增加较快，在前6h内，木材从全干吸水至75%，在1d增至96%，在2d增至102%，但到第4天，吸水率仅为104%，4d后吸水率又开始增加，但增加较缓慢，木材浸泡40d时吸水率仍有上升趋势。通过柳杉全干密度ρ0=0．464g/cm3和木材实质密度ρcw=1．54g/cm3可求得木材吸水的最大数量占干材重量的百分率，即水容量或最大含水率［7］。根据下式计算。

2．2木材力学性质及其变化规律

2．2．1主要力学性质指标等级评定。由表5可知，柳杉木材的顺纹抗压强度平均为43．2MPa，对照木材顺纹抗压强度5档分级标准［3］，其顺纹抗压强度属低级(30．1～45．0MPa)。横纹全部抗压强度是木材对单纯压缩破坏的真正抗压能力［4］。由表5可知，柳杉木材的径向全部抗压强度平均为0．408MPa，弦向全部抗压强度平均为0．565MPa，对照木材横纹抗压强度5档分级标准［3］，其横纹全部抗压强度属甚低级(2．0MPa以下)。抗弯强度作为木材另一重要的力学性质指标，是建筑物的屋架、横条、木桥、承重地板等弯曲的构件选材时首先考虑的因素［9］。由表5可知，柳杉木材的抗弯强度平均为88．200MPa，对照木材抗弯强度5档分级标准［10］，其强度属低级(55．1～90．0MPa)。构件在承受荷载时，其变形与弹性模量成反比，即弹性模量越大，越刚硬，反之则比较柔曲［4］。由表5可知，柳杉木材的抗弯弹性模量平均为9505．0MPa，对照木材弹性模量5档分级标准［3］，属于低级(7600～10500MPa)。冲击韧性常用于评定车辆和建筑结构用材的品质，也是载重汽车锯材、枕木、工具柄、枪托、运动器械和农机部件等用材的依据［11］。由表5可知，柳杉木材的冲击韧性平均为41．000kJ/m2，对照木材冲击韧性5档分级标准［9］，为低级(31～60kJ/m2)。木材作为承重构件必须考虑其顺纹抗压强度和抗弯强度这2项重要强度指标，所以通常用顺纹抗压强度和抗弯强度之和来表示木材的综合强度，以表明木材强度品质等级［6］。从上述试验结果可知，柳杉木材各项力学强度性质均较低，其综合强度为131．4MPa，根据《木材材性分级规定》［1］可知，其综合强度为低级(85．1～135．0MPa)，说明柳杉木材不宜用作一些强度要求较高的承重结构构件。

2．2．2主要力学性质变化规律。由表6可知，20年生的柳杉木材各项力学性质指标均大于30年生。对于这2种树龄，柳杉木材各项力学性质指标平均值的差异以抗弯弹性模量最小，为1．68%，说明树龄对柳杉木材抗弯弹性模量影响不大;以冲击韧性最大，为57．95%，说明树龄对柳杉木材冲击韧性的影响较大;其余力学性质指标在不同树龄中的差异在9．94%～32．01%。除顺纹抗压强度表现为南向大于北向，其余各项力学强度指标均呈北向大于南向。柳杉木材各项力学性质指标在南、北向上的差异数值表明，南、北向对于柳杉木材各项力学性质的影响不大，差异在1．58%～6．98%。柳杉木材的顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性随树干高度的增加而逐渐减小，而横纹径向和弦向全部抗压强度则呈先减小后增大的趋势，即以树干中下部的横纹抗压强度较小，基部和中上部的较大。柳杉木材各项力学性质指标在不同树高位置的差异，以顺纹抗压强度最小，为14．09%，说明树干高度对柳杉木材顺纹抗压强度的影响相对其他力学性质较小;以冲击韧性较大，为78．72%，说明树干高度是对柳杉木材冲击韧性影响较大的一个因素;其余力学性质指标在不同树高上的差异在22．33%～33．54%。由此可知，柳杉木材的冲击韧性变异性很大;树干不同方位对各项力学性质的影响最小，树龄次之，而树高对各项力学性质的影响最大。

2．3木材的品质系数

木材品质系数或称比强度或强重比，是某项力学强度极限与基本密度之比值，是评价木材品质的一个重要参数。对于一些特殊场合，如飞机、桥梁和高层建筑等构件，既要求材料的力学强度值高，又要求材料的自重轻，所以品质系数是材料选择的重要依据［6］。根据木材综合品质系数的大小，可将木材分为3类，综合品质系数小于1960×105Pa为低等级材，1961×105～2156×105Pa为中等级材，大于2156×105Pa为高等级材［12－13］。研究表明，柳杉木材的综合品质系数达3221×105Pa，由此可知，柳杉木材的品质系数非常高，为高等级材。

3结论

该研究表明，柳杉木材气干密度小，体积干缩系数中等，差异干缩中等，顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性、综合强度低，横纹抗压强度很低，而品质系数较高，为高等级材。树干不同方位对柳杉木材各项物理力学性质影响最小，树龄次之，而不同的树高位置对柳杉木材各项物理力学性质影响最大。在利用方面，因柳杉心材耐腐，适宜作室外用材;柳杉材质轻软的特点使其能代替鸭脚木做筛斗的木框;尚可利用其品质系数高、干缩均匀、耐水湿的特点应用于包装箱、盆桶、水车的水箱、次等机模及其他木模、车辆、实木家具、民房建筑、室内装修等方面;同时也宜发展作纤维用材。但柳杉木材的低强度指标使其利用范围存在一定限制，给企业生产和销售带来许多问题，故应对柳杉木材进行改良处理，利用物理或化学方式或两者组合的方式尽可能增加木材比重，提高木材强度，从而拓展柳杉木材的利用范围。