六道木和花椒的木材力学性能与尺寸稳定性研究.pdf

河北林业科技第 2 期2023 年 6 月六道木（Abelia biflora Turcz.）是忍冬科六道木属落叶灌木，主要分布在我国黄河以北的河北、山西等省，是较为珍贵的观赏性花灌木，从半落叶到常绿都有。六道木因生长时，上面有六道凹槽，加工成珠子后每颗珠子上都有六条白线，故得名六道木。六道木生长较为缓慢，木材质地坚硬，不易弯折。六道木无论是作为园林配植，还是用作绿篱和花径的群植都非常合适，六道木的花萼还可宿存至冬季，极为壮观1-2，常用于手串、拐杖、佛珠等物品的制作。花椒（Zanthoxylum bungeanum Maxim.）属于芸香科，是重要的生态经济树种3，花椒药用历史悠久，花椒木做的拐杖对老人的手脚麻木，气血不畅都有医用效果和物理诊疗价值4。花椒作为重要的经济树种和抗旱、耐瘠薄的水土保持树种，在广大收稿日期：2023-03-11第一作者：杨志慧（1981-），男，学士，林业高级工程师，主要从事森林经营与管理、森林培育技术研究工作。E-mail：。六道木和花椒的木材力学性能与尺寸稳定性研究杨志慧1，王慧珊2，孟素戎2，孙照斌2（1.隆化国有林场管理处徐八屋林场，河北 隆化 068150；2.河北农业大学林学院，河北 保定 071000）摘要：该文研究了六道木和花椒木材的力学性质，并通过汽蒸和水煮两种预处理对木材尺寸稳定性进行研究，以期为后续两种灌木的开发利用提供参考。结果表明：六道木木材的顺纹抗压强度、抗弯弹性模量、抗弯强度均高于花椒木材。与素材相比，六道木和花椒木材经汽蒸和水煮预处理后的绝干密度和基本密度均有所降低，六道木木材的吸水和吸湿湿胀率升高，干缩率有所降低；花椒木的吸水和吸湿湿胀率有所降低，干缩率有所升高。关键词：六道木；花椒；力学性质；干缩湿胀；尺寸稳定性中图分类号：S781.2文献标识码：A文章编号：1002-3356（2023）02-0034-04Study on the mechanical properties and dimensional stability of wood from Abelia biflora Turcz.andZanthoxylum bungeanum Maxim.YANG Zhi-hui1，WANG Hui-shan2，MENG Su-rong2，SUN Zhao-bin2（1.Xubawu Forestry Centre of Hebei State-owned Forest Farm Management Office，Longhua，Hebei 068150，China；2.The Faculty of Forestry，Hebei Agricultural University，Baoding，Hebei 071000，China）Abstract：In this paper，the mechanical properties of Abelia biflora Turcz and Zanthoxylum bungeanum Maxim.bungeanum were studied，and the dimensional stability of wood was studied by steaming and boiling，in orderto provide reference for the development and utilization of the following two shrubs.The results show that thecompressive strength along the grain，flexural elastic modulus and flexural strength of Abelia biflora Turcz.arehigher than those of Zanthoxylum bungeanum，and the mechanical properties of Abelia biflora Turcz.are betterthan Zanthoxylum bungeanum.After steaming and boiling pretreatment，compared with the material，the absolutedry density and basic density of Abelia biflora Turcz.decreased，the water absorption and moisture absorptionexpansion rate increased，while the dry shrinkage rate decreased，and the differential dry shrinkage increased.After steaming and boiling pretreatment，compared with the material，the absolute dry density and basic densitydecreased，the water absorption and moisture expansion rate decreased，while the dry shrinkage rate ofZanthoxylum increased and the differential dry shrinkage rate decreased.Comprehensive consideration，themechanical properties and dimensional stability of Abelia biflora Turcz.are better.Key words：Abelia biflora Turcz.；Zanthoxylum bungeanum Maxim.；mechanical property；dry shrinkage andwet expansion；dimensional stability34-河北林业科技第 2 期2023 年 6 月山区、半山区栽种面积逐年扩大，甚至已经成为某些地区的支柱产业3。木材制品对木材力学强度和尺寸稳定性有一定要求。预处理（汽蒸和水煮处理）是提高木材干燥质量、改善木材尺寸稳定性的有效手段之一。预处理可利用木材的弹塑性变形来消除部分生长应力，减少木材干燥过程中产生的开裂和变形，从而提高木材干燥质量5。本文主要研究六道木和花椒两种灌木木材的力学性质，以及在不同预处理条件下的干缩湿胀等性能，以期为后续六道木和花椒等灌木的开发利用提供参考。1材料与方法1.1试验材料六道木原木段直径为 57cm，来自河北省承德隆化县茅荆坝林场；花椒原木段直径约为 7cm，来自邯郸涉县山区。试件加工按照 LY/T2369原2014 沙生灌木物理力学性能测定方法6要求进行。1.2试验方法预处理：选取两种灌木，加工为尺寸 8mm（长）伊8mm（宽）伊8mm（厚）试件各 60 块，含水率在 10%左右。将试件分为 3 组，其中 A 组试件不做处理；B 组试件用 100益热水进行水煮处理 3h；C 组试件用100益蒸汽进行汽蒸处理 3h，B 组试件和 C 组试件同时在水浴锅中处理。1.3性能指标测试木材密度、干缩性、湿胀性、力学强度等根据LY/T2369原2014 沙生灌木物理力学性能测定方法进行测定。2结果与分析2.1力学性能六道木和花椒木材力学性能测定结果见表 1。木材顺纹抗压强度表示木材沿纹理方向承受压力荷载的最大能力，是选择坑木、桩木、支柱等受压木材构件的重要依据。由表 1 可知：六道木木材顺纹抗压强度为 103.9MPa，花椒木材为 78.6MPa，六道木木材的顺纹抗压强度高于花椒。木材的抗弯弹性模量代表木材的刚性或弹性，表示在比例极限以内应力与应变之间的关系，也即表示木梁抵抗弯曲或变形的能力。木梁在承受荷载时，其变形与弹性模量成反比，弹性模量大，变形小，其木材刚度也大。弹性模量可显示在弹性范围内，物体抵抗外力使其改变形状或体积的能力。由表 1 可知：六道木木材抗弯弹性模量为 18549.5MPa，花椒木材为 8481.1MPa，六道木木材抵抗弯曲变形的能力高于花椒。抗弯强度为木材承受横向荷载的能力，也即抵抗弯曲变形不断裂的能力。主要用作建筑物的屋架和地板等易于弯曲的构件的设计依据。由表 1 可知：六道木木材抗弯强度为 227.4MPa，花椒为159.3MPa。六道木木材的抗弯强度要高于花椒木。2.2密度木材密度可以表示木材细胞物质的多少，也是木材物理性质中的一项重要指标，密度大小对木材的强度、硬度、干缩湿胀、耐磨性及发热值都有较大影响7。由表 2 可知：经汽蒸和水煮预处理后六道木和花椒两种灌木木材的绝干密度和基本密度与素材相比均有所降低。六道木木材汽蒸（0.776g/cm3）和水煮（0.774g/cm3）预处理后的绝干密度分别比素材（0.785g/cm3）降低了 1.15%、1.40%；花椒木材汽蒸树种六道木花椒平均值103.978.6标准差8.86.5变异系数0.0850.083平均值18549.58481.1标准差3453.9590.2变异系数0.1861990.06959平均值227.4159.3标准差33.324.9变异系数0.1470.156表 1六道木和花椒木材的力学强度测定结果顺纹抗压强度/MPa抗弯弹性模量/MPa抗弯强度/MPa树种六道木花椒处理方式素材汽蒸水煮素材汽蒸水煮平均值0.7850.7760.7740.7170.6910.691标准差0.0330.0570.0640.0310.0310.024变异系数0.0420.0740.0830.0430.0450.035平均值0.6630.6520.6610.6040.5940.583标准差0.0270.0380.0270.0280.0260.023变异系数0.0400.0580.0400.0460.0440.040表 2六道木和花椒木材的密度基本密度/g cm-3绝干密度/g cm-335-河北林业科技第 2 期2023 年 6 月（0.691g/cm3）和水煮（0.691g/cm3）预处理后的绝干密度比素材（0.717g/cm3）均降低了 3.63%。六道木木材汽蒸（0.652g/cm3）和水煮（0.661g/cm3）预处理后的基本密度分别比素材（0.663g/cm3）降低了 1.66%、0.30%；花椒木材汽蒸（0.594g/cm3）和水煮（0.583g/cm3）预处理后的基本密度分别比素材（0.604g/cm3）降低了 1.66%、3.48%。密度降低的原因可能是水煮和汽蒸处理导致木材水溶性内含物析出，减少了木材细胞物质的含量。2.3湿胀性能2.3.1预处理对吸水湿胀性能影响由表 3 可知：经汽蒸和水煮预处理后六道木的树种六道木花椒处理方式素材汽蒸水煮素材汽蒸水煮平均值7.159.328.655.487.638.17标准差1.312.181.494.152.182.30变异系数0.180.230.170.760.290.28平均值7.6112.2212.399.467.857.60标准差1.171.912.382.271.631.56变异系数15.4315.6319.1824.0320.7020.48平均值15.5222.4122.0518.8716.6718.66标准差1.942.602.861.881.892.76变异系数0.130.120.130.100.110.15表 3六道木和花椒木材的吸水湿胀率测定结果体积湿胀率/%弦向湿胀率/%径向湿胀率/%吸水湿胀率升高了，而花椒木材的吸水湿胀率除径向湿胀率外，都降低了。对于径向吸水湿胀率，六道木木材汽蒸材（9.32%）和水煮材（8.65%）分别比素材（7.15%）提高了 2.17 个百分点和 1.5 个百分点；花椒木材汽蒸材（7.63%）和水煮材（8.17%）分别比素材（5.48%）提高了 2.15 个百分点和 2.69 个百分点。对于弦向吸水湿胀率，六道木木材汽蒸材（12.22%）和水煮材（12.39%）分别比素材（7.61%）提高了 4.61 个百分点和 4.78 个百分点；花椒木材汽蒸材（7.85%）和水煮材（7.6%）分别比素材（9.46%）降低了 1.61 个百分点和 1.86 个百分点。对于体积吸水湿胀率，六道木木材汽蒸材（22.41%）和水煮材（22.05%）分别比素材（15.52%）提高了 6.89 个百分点和 6.53 个百分点；花椒木材汽蒸材（16.67%）和水煮材（18.66%）分别比素材（18.87%）降低了 2.2 个百分点和 0.11 个百分点。2.3.2预处理对吸湿湿胀性影响不同处理方式下，从绝干到温度为 25益，相对湿度为 45%的条件下，六道木和花椒木材的吸湿湿胀率测定结果见表 4。树种六道木花椒处理方式素材汽蒸水煮素材汽蒸水煮平均值4.554.784.663.582.632.94标准差1.362.002.430.950.920.71变异系数0.300.420.520.270.350.24平均值6.216.536.644.033.083.15标准差1.392.042.261.221.130.64变异系数0.220.320.340.300.370.20平均值11.4112.8412.178.376.266.62标准差2.449.044.711.441.131.09变异系数0.210.700.390.170.180.16表 4六道木和花椒木材的吸湿湿胀率测定结果体积湿胀率/%弦向湿胀率/%径向湿胀率/%由表 4 可知：在温度为 25益，湿度为 45%的条件下，经汽蒸和水煮预处理后六道木木材的吸湿湿胀率升高了，而花椒木材的吸湿湿胀率降低了。对于径向吸湿湿胀率，六道木汽蒸材（4.78%）和水煮材（4.66%）分别比素材（4.55%）升高了 0.23 个百分点和0.11 个百分点；花椒汽蒸材（2.63%）和水煮材（2.94%）分别比素材（3.58%）降低了 0.95 个百分点和 0.64 个百分点。对于弦向吸湿湿胀率，六道木汽蒸材（6.53%）和水煮材（6.64%）分别比素材（6.21%）升高了 0.32个百分点和 0.43 个百分点；花椒汽蒸材（3.08%）和水煮材（3.15%）分别比素材（4.03%）降低了 0.95 个百分点和 0.88 个百分点。对于体积吸湿湿胀率，六道木汽蒸材（12.84%）和水煮材（12.17%）分别比素材（11.41%）提高了 1.43 个百分点和 0.76 个百分点；花椒汽蒸材（6.26%）和水煮材（6.62%）分别比素材（8.37%）降低了 2.11 个百分点和 1.75 个百分点。2.4干缩性能由表 5 可知：对于径向干缩率，六道木汽蒸材（7.48%）和水煮材（6.91%）分别比素材（7.73%）降低了 0.25 个百分点和 0.82 个百分点；花椒汽蒸材36-河北林业科技第 2 期2023 年 6 月树种六道木花椒处理方式素材汽蒸水煮素材汽蒸水煮平均值7.737.486.916.227.337.30标准差1.391.561.791.531.911.80变异系数0.180.210.260.250.260.25平均值8.689.159.398.277.487.48标准差0.811.251.541.521.521.84变异系数9.3913.7116.4018.3920.2624.56平均值16.0815.8916.3114.6815.2115.79标准差1.582.632.040.911.522.51变异系数0.100.170.120.060.100.16差异干缩率1.121.221.361.331.021.02表 5六道木和花椒木材的全干干缩率测定结果体积干缩率/%弦向干缩率/%径向干缩率/%（7.33%）和水煮材（7.30%）分别比素材（6.22%）升高了1.11 个百分点和 1.08 个百分点。对于弦向干缩率，六道木汽蒸材（9.15%）和水煮材（9.39%）分别比素材（8.68%）升高了 0.47 个百分点和 0.71 个百分点；花椒汽蒸材（7.48%）和水煮材（7.48%）比素材（8.27%）均降低了 0.79 个百分点。对于体积干缩率，六道木汽蒸材（15.89%）比素材（16.08%）降低了0.19 个百分点，水煮材（16.31%）比素材（16.08%）升高了 0.23 个百分点；花椒汽蒸材（15.21%）和水煮材（15.79%）分别比素材（14.68%）升高了 0.53 个百分点和 1.11 个百分点。弦向干缩与径向干缩的比值为差异干缩，差异干缩是反映木材干燥时，是否易开裂、翘曲的重要指标11-12。六道木木材经汽蒸和水煮后的差异干缩有所提高，而花椒木材经汽蒸和水煮预处理后的差异干缩率有所降低。由此可知六道木素材的干缩尺寸稳定性比预处理材好，而花椒素材的干缩尺寸稳定性不如预处理材。3讨论与结论不同的预处理对不同种类木材的干缩湿胀特性有不同的影响8-10。抽提物（内含物）成分和含量变化是引起木材干缩湿胀差异的一个重要原因，抽提物含量多，木材的渗透性就差，干缩湿胀现象也就越明显，当木材抽提物在冷水、热水或碱中被抽提出来后木材的干缩湿胀性会明显变化。木材的半纤维素是一种吸湿性较强的物质，在水煮或汽蒸预处理过程中，有一部分半纤维素轻度水解或降解，导致木材内部游离羟基的数量减少，从而降低了木材的吸湿性；另外，在预处理过程中木材细胞壁上微纤丝会因为水分的排出而相互靠拢，同时预处理温度的作用也可能导致纹孔膜上的微孔孔径等发生结构变化而不易恢复，以至于丧失了一定程度的吸湿能力11-12。试验结果显示：（1）六道木木材顺纹抗压强度、抗弯弹性模量、抗弯强度高于花椒木材。（2）六道木和花椒木材经汽蒸和水煮预处理后的绝干密度和基本密度与素材相比有所降低。（3）经汽蒸和水煮预处理后六道木木材的吸水和吸湿湿胀率有所升高，而花椒木材的吸水和吸湿湿胀率有所降低。（4）经汽蒸和水煮预处理后六道木木材的干缩率降低，而花椒木材的干缩率有所升高。六道木木材经汽蒸和水煮后的差异干缩率有所提高，而花椒木材经汽蒸和水煮预处理后的差异干缩率有所降低。综合分析认为，六道木木材的力学性质与尺寸稳定性优于花椒。参考文献1 李锋.花团锦簇六道木 J.园林，2004（7）：47.2 桂炳中.六道木栽培养护技术要点 N.中国花卉报，2018-11-06（W04）.3 郭伟珍，赵建普，赵京献，等.河北省花椒产业发展现状及建议 J.河北林业科技，2021（1）：47-49，65.4 娄京荣.花椒化学成分及药理活性研究 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