導(dǎo)語(yǔ)：柳杉物理力學(xué)性質(zhì)綜述一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

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(yōu)良的庭園觀賞樹種，成為我國(guó)珍貴用材樹種之一，具有廣泛的用途［1－2］。同時(shí)柳杉作為廣西東南地區(qū)的引進(jìn)樹種之一，在廣西具有相當(dāng)大的資源優(yōu)勢(shì)。但迄今為止，對(duì)柳杉材性的研究鮮見報(bào)道，而木材物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)木材加工處理和利用均有重要意義［3］。因此，筆者對(duì)柳杉木材主要物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)定，以期為柳杉木材材質(zhì)改良和合理、全面利用該樹種提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1．1試驗(yàn)材料

選擇柳杉為研究對(duì)象，試材采自廣西國(guó)營(yíng)六萬(wàn)林場(chǎng)，采集按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1927-2009《木材物理力學(xué)試材采集方法》規(guī)定，選取生長(zhǎng)良好、無(wú)病蟲害、樹干通直且代表性強(qiáng)的作為試驗(yàn)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(yàn)方法

試件的加工和測(cè)定按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1927～1943-2009《木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》要求進(jìn)行。測(cè)定指標(biāo)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(shù)，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(qiáng)度，橫紋全部抗壓強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度，抗彎彈性模量，沖擊韌性等。各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)在萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)和擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果均換算成含水率為12%時(shí)的數(shù)據(jù)。

2結(jié)果與分析

2．1木材物理性質(zhì)及其變化規(guī)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(jù)《木材的主要物理力學(xué)性質(zhì)分級(jí)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(guī)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(duì)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(shì)，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(duì)柳杉木材的密度影響最小，樹齡次之，而樹高位置對(duì)密度影響最大。

2．1．2干縮性。了解木材的干縮性及干縮規(guī)律，對(duì)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(shí)，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(shí)，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(shù)分別為0．270%、0．160%和0．452%，差異干縮為1．6880。根據(jù)《木材的主要物理力學(xué)性質(zhì)分級(jí)表》［3］可知，柳杉木材的體積干縮系數(shù)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(shù)和差異干縮表現(xiàn)為30年生大于20年生外，其余指標(biāo)均相反;各干縮性能指標(biāo)在南、北兩向的差異不大，表現(xiàn)為南向的干縮性能指標(biāo)大于北向;而隨著樹高的增加，干縮率和干縮系數(shù)均呈減小趨勢(shì)，其中弦向干縮率和干縮系數(shù)表現(xiàn)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(shù)成反比，隨樹高增加逐漸上升。樹干不同方位對(duì)柳杉干縮性能指標(biāo)影響最小，樹齡次之，而不同樹高位置對(duì)柳杉干縮性能指標(biāo)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(xiàn)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(shí)，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(wěn)定狀態(tài)，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(tài)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(xiàn)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(xiàn)為20年生小于30年生外，徑向和體積均相反。無(wú)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(shì)，而徑向和體積濕脹率呈減小趨勢(shì)。樹干不同方位對(duì)柳杉濕脹性能指標(biāo)影響最小，樹齡次之，而不同樹高位置對(duì)柳杉濕脹性能指標(biāo)的影響最大。

2．1．4吸水性。木材的吸水性對(duì)木材的藥劑浸注、制漿蒸煮、油漆膠粘及水運(yùn)均有重要意義［6］。測(cè)定柳杉全干材浸水40d的吸水性，各段浸泡時(shí)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(nèi)，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(shí)吸水率仍有上升趨勢(shì)。通過(guò)柳杉全干密度ρ0=0．464g/cm3和木材實(shí)質(zhì)密度ρcw=1．54g/cm3可求得木材吸水的最大數(shù)量占干材重量的百分率，即水容量或最大含水率［7］。根據(jù)下式計(jì)算。

2．2木材力學(xué)性質(zhì)及其變化規(guī)律

2．2．1主要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)等級(jí)評(píng)定。由表5可知，柳杉木材的順紋抗壓強(qiáng)度平均為43．2MPa，對(duì)照木材順紋抗壓強(qiáng)度5檔分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［3］，其順紋抗壓強(qiáng)度屬低級(jí)(30．1～45．0MPa)。橫紋全部抗壓強(qiáng)度是木材對(duì)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(qiáng)度平均為0．408MPa，弦向全部抗壓強(qiáng)度平均為0．565MPa，對(duì)照木材橫紋抗壓強(qiáng)度5檔分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［3］，其橫紋全部抗壓強(qiáng)度屬甚低級(jí)(2．0MPa以下)?？箯潖?qiáng)度作為木材另一重要的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，是建筑物的屋架、橫條、木橋、承重地板等彎曲的構(gòu)件選材時(shí)首先考慮的因素［9］。由表5可知，柳杉木材的抗彎強(qiáng)度平均為88．200MPa，對(duì)照木材抗彎強(qiáng)度5檔分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［10］，其強(qiáng)度屬低級(jí)(55．1～90．0MPa)。構(gòu)件在承受荷載時(shí)，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(duì)照木材彈性模量5檔分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［3］，屬于低級(jí)(7600～10500MPa)。沖擊韌性常用于評(píng)定車輛和建筑結(jié)構(gòu)用材的品質(zhì)，也是載重汽車鋸材、枕木、工具柄、槍托、運(yùn)動(dòng)器械和農(nóng)機(jī)部件等用材的依據(jù)［11］。由表5可知，柳杉木材的沖擊韌性平均為41．000kJ/m2，對(duì)照木材沖擊韌性5檔分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［9］，為低級(jí)(31～60kJ/m2)。木材作為承重構(gòu)件必須考慮其順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度這2項(xiàng)重要強(qiáng)度指標(biāo)，所以通常用順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度之和來(lái)表示木材的綜合強(qiáng)度，以表明木材強(qiáng)度品質(zhì)等級(jí)［6］。從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，柳杉木材各項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度性質(zhì)均較低，其綜合強(qiáng)度為131．4MPa，根據(jù)《木材材性分級(jí)規(guī)定》［1］可知，其綜合強(qiáng)度為低級(jí)(85．1～135．0MPa)，說(shuō)明柳杉木材不宜用作一些強(qiáng)度要求較高的承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

2．2．2主要力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律。由表6可知，20年生的柳杉木材各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)均大于30年生。對(duì)于這2種樹齡，柳杉木材各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)平均值的差異以抗彎彈性模量最小，為1．68%，說(shuō)明樹齡對(duì)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(shuō)明樹齡對(duì)柳杉木材沖擊韌性的影響較大;其余力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)在不同樹齡中的差異在9．94%～32．01%。除順紋抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為南向大于北向，其余各項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)均呈北向大于南向。柳杉木材各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)在南、北向上的差異數(shù)值表明，南、北向?qū)τ诹寄静母黜?xiàng)力學(xué)性質(zhì)的影響不大，差異在1．58%～6．98%。柳杉木材的順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)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(qiáng)度則呈先減小后增大的趨勢(shì)，即以樹干中下部的橫紋抗壓強(qiáng)度較小，基部和中上部的較大。柳杉木材各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)在不同樹高位置的差異，以順紋抗壓強(qiáng)度最小，為14．09%，說(shuō)明樹干高度對(duì)柳杉木材順紋抗壓強(qiáng)度的影響相對(duì)其他力學(xué)性質(zhì)較小;以沖擊韌性較大，為78．72%，說(shuō)明樹干高度是對(duì)柳杉木材沖擊韌性影響較大的一個(gè)因素;其余力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)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(duì)各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)的影響最小，樹齡次之，而樹高對(duì)各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)的影響最大。

2．3木材的品質(zhì)系數(shù)

木材品質(zhì)系數(shù)或稱比強(qiáng)度或強(qiáng)重比，是某項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度極限與基本密度之比值，是評(píng)價(jià)木材品質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)于一些特殊場(chǎng)合，如飛機(jī)、橋梁和高層建筑等構(gòu)件，既要求材料的力學(xué)強(qiáng)度值高，又要求材料的自重輕，所以品質(zhì)系數(shù)是材料選擇的重要依據(jù)［6］。根據(jù)木材綜合品質(zhì)系數(shù)的大小，可將木材分為3類，綜合品質(zhì)系數(shù)小于1960×105Pa為低等級(jí)材，1961×105～2156×105Pa為中等級(jí)材，大于2156×105Pa為高等級(jí)材［12－13］。研究表明，柳杉木材的綜合品質(zhì)系數(shù)達(dá)3221×105Pa，由此可知，柳杉木材的品質(zhì)系數(shù)非常高，為高等級(jí)材。

3結(jié)論

該研究表明，柳杉木材氣干密度小，體積干縮系數(shù)中等，差異干縮中等，順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、沖擊韌性、綜合強(qiáng)度低，橫紋抗壓強(qiáng)度很低，而品質(zhì)系數(shù)較高，為高等級(jí)材。樹干不同方位對(duì)柳杉木材各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)影響最小，樹齡次之，而不同的樹高位置對(duì)柳杉木材各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)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(zhì)輕軟的特點(diǎn)使其能代替鴨腳木做篩斗的木框;尚可利用其品質(zhì)系數(shù)高、干縮均勻、耐水濕的特點(diǎn)應(yīng)用于包裝箱、盆桶、水車的水箱、次等機(jī)模及其他木模、車輛、實(shí)木家具、民房建筑、室內(nèi)裝修等方面;同時(shí)也宜發(fā)展作纖維用材。但柳杉木材的低強(qiáng)度指標(biāo)使其利用范圍存在一定限制，給企業(yè)生產(chǎn)和銷售帶來(lái)許多問題，故應(yīng)對(duì)柳杉木材進(jìn)行改良處理，利用物理或化學(xué)方式或兩者組合的方式盡可能增加木材比重，提高木材強(qiáng)度，從而拓展柳杉木材的利用范圍。