2012, Vol. 48
表1(Table 1)
赛黑桦的构造特征和物理力学性质
文章信息
- 孙耀星, 戚继忠, 杨庚, 庞久寅, 杜凤国
- Sun Yaoxing, Qi Jizhong, Yang Geng, Pang Jiuyin, Du Fengguo
- 赛黑桦的构造特征和物理力学性质
- Structural Features and Properties of Betula schmidtii Entitled as Rigidy and Heavy Wood
- 林业科学, 2012, 48(2): 180-186.
- Scientia Silvae Sinicae, 2012, 48(2): 180-186.
-
文章历史
- 收稿日期：2010-07-19
- 修回日期：2010-09-08
-
作者相关文章
引用本文
孙耀星, 戚继忠, 杨庚, 庞久寅, 杜凤国. 2012. 赛黑桦的构造特征和物理力学性质. 林业科学, 48(2): 180-186.
Sun Yaoxing, Qi Jizhong, Yang Geng, Pang Jiuyin, Du Fengguo. 2012. Structural Features and Properties of Betula schmidtii Entitled as Rigidy and Heavy Wood. Scientia Silvae Sinicae, 48(2): 180-186.
赛黑桦的构造特征和物理力学性质
1.
北华大学木质材料科学与工程吉林省重点实验室 吉林 132013;
2. 北华大学林业与主志环境省重点实验室
2. 北华大学林业与主志环境省重点实验室
关键词：赛黑桦 辽东桦 构造特征 木材性质
Structural Features and Properties of Betula schmidtii Entitled as Rigidy and Heavy Wood
1. Key Laboratory of Science and Engineering Based on Woody Material of Jilin Province, Beihua University Jilin 130213;
2. Key Laboratory of Forestry and Ecological Enviroment of Jilin Province, Beihua University Jilin 130213
2. Key Laboratory of Forestry and Ecological Enviroment of Jilin Province, Beihua University Jilin 130213
Abstract: The observation and analysis have been operated about the structural features of Betula schmidtii by those instruments biomicroscope and ESEM. Result showed that iron birch belonged to diffuse-porous wood, structure was even and smooth, the zone of demarcation of growth increments were visible, the color was greatly different during heartwood and sapwood, and pores were visible by naked eye. Pore arrangement involved solitary one and multiple one, pore cluster was slim, multiple pore were usually ribbon-like aggregations of 2, 3 or 4 cells extending in the radial direction, intervessel pit was the type of alternate, perforation plates was that of scalariform, rays amount was from 1 to 5, and longitudinal parenchyma was thin. The physical nature and mechanical properties of Betula schmidtii have been testde, analysed and studyed contrastively with other kinds of wood. The results showed that the basic density of iron birch was 0. 747 g · cm-3, air-dry density was 0. 904 g · cm-3, and oven dry density was 0. 875 g · cm-3. The shrinkage coefficient of radial direction in the state of air-dry was 0. 12%, the tangential one was 0. 20%, and the volume one was 0. 38%. The coefficient of radial shrinkage in the state of oven dry was 0. 23%, the tangential one was 0. 28%, and the volume one was 0. 53%. The bending strength of tangential direction was 233. 32 MPa, the modulus of elasticity of bending strength was 17. 87GPa, the shear stresses at right parallel to the grain in the radial surfaces was 16. 32 MPa, the tangential one was 16. 40 MPa. The crushing strength at right parallel to the grain was 89. 88 MPa. the strength of toughness was 153. 71 kJ · mm-2. The strength of rigidity in the radial section was 8 042. 22 N, the tangential was 7 794. 17 N, and the cross one was 8 778. 85 N.
Key words: Betula schmidtii iron birch structural features of wood properties of wood
赛黑桦(Betula schmidtii)，又称辽东桦，散孔材; 木质厚重、坚硬，传统上用来制作车轴、木锤、擀面杖、算盘珠等(戚继忠等，2009; Akcehob et al., 2006)，主要生长在我国东北东部与朝鲜接壤地区，与该地区相邻的朝鲜南部和俄罗斯南部海滨一带(锡霍特山脉南端)亦有分布，成年立木高约20 m，树干直径约70 cm，寿命约300 ~ 350年(Nechaeva，1972; Red Book of theUSSR，1984; Korkishko，1992)。赛黑桦由于树木生长缓慢，成熟林蓄积量低，没有作为主要的商品材树种，在原木(板材)销售中归类为硬杂木，在木材工业的相关资料上很少提及。据调研，随着东北林区树种资源的结构性调整，赛黑桦的采伐量逐年增加，仅吉林省珲春林业局2007年的采伐量即达到3 000 m3以上; 据估算，东北地区赛黑桦1年的采伐量在8 000 ~ 10 000 m3之间，采伐量的增加，使赛黑桦作为单一树种使用成为可能，是对东北地区阔叶材主导产品的补充，对扩展硬重商品木材的树种范围具有一定意义。据所查文献，植物学中对赛黑桦的介绍内容有限(郑万钧，1985; 火树华，1992)，在其木材构造特征上的描述和研究、木材性质相关数据和测定等尚属空白。我国北方地区代表性的硬重木材树种较少，对赛黑桦的加工和利用仍停留在传统的方式上，本项研究对赛黑桦构造特征和物理力学性质参数资料的补充和完善、产品开发利用具有意义。
1 材料与方法 1.1 试验材料与仪器赛黑桦采自吉林省珲春林业局，原木4根，树龄66 ~ 73年，长6 m，直径400 ~ 550 mm，锯制为标准的径切板和弦切板，板材厚度28 mm。
环境扫描电子显微镜(Fei Quanta 200，放大倍数100 ~ 10 000)，正置生物显微镜(OLYMPUS BX51 DP72CCD，物镜放大倍数4，10，40，100，目镜放大倍数10，20);微机控制电子万能力学试验机(CMT5105);恒温恒湿箱(MMM Climacell 404);数字显示游标卡尺(精度0. 01 mm); 电子天平(BS 110 S，精度0. 000 1 g); 电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9075A)，木材切片机(Leica SM2400)。
1.2 试验方法1) 构造观察 赛黑桦的构造特征分为宏观和微观2部分。在肉眼和放大镜下观察并描述树皮、不同切面的宏观特征，测量、分析和计算特征参数值; 在生物显微镜和电子显微镜下观察并描述不同切面的微观特征和木材组成分子细胞壁上的特征，测量、分析和计算特征参数值。
2) 物理力学性质测定 本研究中，赛黑桦物理力学性质测定的试件制作和测定方法(横纹抗拉强度除外)均采用相应的国家标准(中国标准出版社第一编辑室，2002)。根据有关文献(成俊卿，1985)，木材横纹抗拉强度的试件采用2个等腰梯形短边相连的形状，纹理方向与长边平行，根据受力方向与年轮的位置关系，分为径向和弦向横纹抗拉强度，试件形状和尺寸如图 1所示，试件受力破坏后，破坏面的长度和试件厚度的乘积作为荷载的作用面积。
|
图 1 木材横纹抗拉强度试件的形状和尺寸 Fig.1 Sample shape and size of tensile strength perpendicular to grain of wood |
对赛黑桦木材干缩率和干缩系数的测试在气干和绝干(全干) 2种状态下进行。气干状态是将试件由纤维饱和点以上状态干燥到环境温度(20 ± 2) ℃、相对湿度(65 ± 5) %稳定时的测定值; 绝干状态是将试件由纤维饱和点以上干燥到全干时的测定值，纤维饱和点含水率以30%计。
赛黑桦木材力学性能测试的试件制作完成后，在测试前需置于温度(20 ± 2) ℃、相对湿度(65 ± 5) %的恒温恒湿箱中进行含水率的平衡处理。
2 结果与分析 2.1 宏观构造特征树皮 外皮表面略平整，黑色与白色交错相间，裂片纸状，薄且有一定韧性，少有卷曲，极不规整; 内皮红褐色，与心材颜色接近，厚3 ~ 5 mm，质硬脆，层次感不明显，韧皮射线肉眼下不见，放大镜下略可见，放大镜下年轮线略可见。树皮宏观特征见图 2。
|
图 2 赛黑桦的树皮 Fig.2 Bark of Betula schmidtii |
木材 心边材颜色区别明显，界限分明，属于心材树种; 心材浅红褐色，边材黄白至白色，约占径向尺寸的1/5 ~ 1/7;木材结构细腻、均匀，无特殊气味和滋味; 材质极为重硬，力学强度大，尤其硬度指标。
年轮 分界略明显，轮间呈浅色细线，早材径向宽度远大于晚材，年轮宽度略均匀，每厘米3 ~ 10轮。
管孔 散孔材，管孔小，在肉眼下仅能分辨，呈星散状均匀分布，数目中等，侵填体未见，径切面导管槽不明晰。
轴向薄壁组织 肉眼和放大镜下不见。
木射线 略少，甚细，直径比管孔直径小，放大镜下横切面和弦切面上略可见，肉眼下径切面清晰，斑纹明显，呈斑点状。
波痕及胞间道 缺如。
赛黑桦宏观形态的横切面、径切面和弦切面分别见图 3，4，5。
|
图 3 赛黑桦的横切面 Fig.3 Cross section of Betula schmidtii |
|
图 4 赛黑桦的径切面 Fig.4 Radial surface of Betula schmidtii |
|
图 5 赛黑桦的弦切面 Fig.5 Tangential surface of Betula schmidtii |
导管 横切面上，导管呈圆形、椭圆形或卵圆形，散点状均匀分布，导管密度见表 1; 管孔组合为单管孔和复管孔，极少数呈管孔团，复管孔常以2、3、4个管孔连成径向排列，多位于临近晚材部分; 心材管孔内偶有内含物; 导管分子内壁未见螺纹加厚; 导管之间、导管与木射线之间的纹孔式为互列纹孔，穿孔类型为复穿孔中的梯状穿孔，穿孔板倾斜明显，如图 6，7，8所示。
表 1 导管密度测量值
Tab.1
Density of vessels
|
|
图 6 赛黑桦的三维立体电镜图 Fig.6 Three-dimension of Betula schmidtii by ESEM |
|
图 7 赛黑桦导管的穿孔板 Fig.7 Perforation plates of Betula schmidtii |
|
图 8 赛黑桦的管间纹孔 Fig.8 Intervessel pits of Betula schmidtii |
轴向薄壁组织微观下横切面不显明，呈星散状，极少，在纵切面，离管型、傍管型同时存在，如图 9所示。
|
图 9 轴向薄壁细胞离管型和傍管型分布 Fig.9 Apotracheal parenchyma and paratracheal one |
晶体及油细胞或黏液细胞未见。
木纤维 多数细小，一个年轮内，靠近晚材部分木纤维细胞有迅速减小趋势，晚材部分的木纤维约有2 ~ 3个细胞的宽度，细胞壁极厚，细胞腔极小或未见; 心材部分的木纤维分子比边材木纤维细小。木纤维的横切面及胞壁上纹孔的形态见图 10和图 11。
|
图 10 木纤维的横切面 Fig.10 Cross section of fibers |
|
图 11 木纤维细胞壁上纹孔的形态 Fig.11 Pits shape of fibers wall |
木射线 赛黑桦的木射线类型为单列木射线和多列木射线，单列为同型和异型，同型居多，多列为异型Ⅱ和异型Ⅲ，异型Ⅱ居多(刘一星等，2004)。弦切面，呈椭圆形、卵圆形或圆形。射线细胞内含少量树胶。见图 12和13。未见晶体。
|
图 12 木射线在径切面和弦切面的形态 Fig.12 Rays shapes in radial surface and tangential one |
|
图 13 赛黑桦的弦切面 Fig.13 Tangential surface of Betula schmidtii by ESEM |
胞间道 缺如。
赛黑桦各类组成细胞及特征的测量值及分级(申宗圻，1990)见表 2。
表 2 赛黑桦解剖分子特征值及分级表
Tab.2
Character parameters and grades of cell of Betula schmidtii
|
|
本研究对赛黑桦的3种密度—气干密度、绝干密度(全干密度)和基本密度进行了测试。结果见表 3。
表 3 赛黑桦3种密度值
Tab.3
Three kinds of density of Betula schmidtii
|
|
经过测试，赛黑桦的气干密度为0. 904 g · cm-3，与中国北方重要商品硬材树种柞木(Quercus mongolica) (气干密度0. 737 g · cm-3) (刘一星，2004)相比，大22. 66%。
本研究对赛黑桦干缩率和干缩系数的测试在气干和绝干(全干) 2种状态下进行，其试验结果见表 4。
表 4 赛黑桦的干缩率和干缩系数
Tab.4
Shrinkage radio and shrinkage coefficient of Betula schmidtii
|
|
根据表 4，赛黑桦的径向、弦向和体积的全干干缩率分别是6. 83%、8. 42%和14. 97%，与柞木相比，分别大63. 40%、小1. 64%和大21. 12%。
2.4 力学性质本研究测定了赛黑桦9种力学强度，分别是抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗剪强度、顺纹抗压强度、冲击韧性、横纹抗拉强度、抗劈力、硬度和握钉力。试验结果及与该项力学指标数值较大商品材树种的比较见表 5。
表 5 赛黑桦的主要力学性能指标
Tab.5
Mechanical properties of Betula schmidtii
|
|
1) 肉眼下赛黑桦木材横切面年轮界限较明显，心边材颜色区别显明，心材浅红褐色，边材黄白至白色，木射线放大镜下清晰，管孔肉眼下可见，由早材向晚材过渡平缓，属于阔叶树材中的散孔材。微观下，管孔呈星散状分布，管孔组合形式为单管孔和复管孔，管孔团分布极少或不存在，导管分子内壁无螺纹加厚，导管之间、导管与木射线之间的纹孔式为互列，导管分子之间的穿孔为复穿孔中的梯状穿孔，木射线为单列和多列，单列为同型和异型，同型居多，多列为异型Ⅱ和异型Ⅲ，异型Ⅱ居多。
2) 赛黑桦的3种密度指标分别是:基本密度0. 747 g·cm-3，气干密度0. 904 g·cm-3，全干密度0. 875 g·cm-3; 2种测试状态下的干缩系数分别是:气干状态径向0. 12%，弦向0. 20%;全干状态径向0. 23%，弦向0. 28%。赛黑桦的主要力学强度指标分别是:抗弯强度(弦向) 233. 32 MPa; 抗弯弹性模量(弦向) 17. 87 GPa; 顺纹抗压强度89. 88 MPa; 冲击韧性(弦向) 153. 71 kJ·mm-2; 硬度(径面) 8 042. 22 N，(弦面) 7 794. 17 N。分析认为，赛黑桦是一种密度高、干缩变异较大、力学强度大的重硬木材。
致谢:
感谢东北林业大学崔永志老师对本项研究工作的大力支持
参考文献(References)
| [] | 成俊卿. 1985. 木材学. 北京, 中国林业出版社: 1011-1059. |
| [] | 火树华. 1992. 树木学. 北京, 中国林业出版社: 227-232. |
| [] | 刘一星. 2004. 中国东北地区木材性质与用途手册. 北京, 化学工业出版社: 98-101. |
| [] | 刘一星, 赵广杰. 2004. 木质资源材料学. 北京, 中国林业出版社: 68-77. |
| [] | 戚继忠, 孙耀星, 张立平. 2009. 赛黑桦树种与资源分布的考证. 南京林业大学学报:自然科学版, 33(6): 132–134. |
| [] | 申宗圻. 1990. 木材学. 北京, 中国林业出版社: 85-105. |
| [] | 郑万钧. 1985. 中国树木志. 北京:中国林业出版社. . |
| [] | 中国标准出版社第一编辑室. 2002. 木材工业标准汇编—基础标准与方法标准. 北京, 中国标准出版社. |
| [] | Korkishko R.1992.Rare vascular plant species of kedrovaya padj preserve: recent state of flora and fauna of kedrovaya padj preserve.Vladivostok: Far East Branch, Russian Academy of Sciences, Institute of Biology and Soil Science. |
| [] | Nechaeva T.1972.Summary of flora from kedrovaya padj preserve: flora and vegetation of kedrovay a padj preserve.Vladivostok: Far East Science Center, USSR Academy of Sciences, Institute of Biology and Soil Science. |
| [] | Red Book of the USSR.1984.Rare and endangered animal and plant species (second edition).Moscow: Lesnaya promyshlennostj(Lumber In dustry). |