树节对于结构用锯材强度性质的影响及树节模型研究进展.pdf

9 ，全国注物质材料置环保型人造板新技术鬟晨习附奢树节对于结构用锯材强度性质的影响 及树节模型研究进展龙超，吕建雄( 中国林业科学研究院，国家林业局木材科学与技术重点实验室，北京1 0 0 0 9 1 )摘要：树节是木材中普遍存枉的一种天然缺陷．严重地影响着木材的利用本文讨论了树节缺陷对于结构用锯材强度性质的影响及树节模型．为建立符合我国实际情况的结构用锯材目测分等规则提供依据关健词·树节；强度；模型；分等R e s e a r c hP r o g r e s so ft h eK n o t sI n f l u e n c i n gM e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fs t r u c t u r a lL u m b e ra n di t sM o d e l i n gL O N G C h a o ．L UJ i a n - x i o n g侬c s e a r e hI n s t i t u t eo f W o o dI n d u s t r y , K e yL a b o r a t o r yo f W o o dS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo f S t a t e F o r e s t r y A d m i n i s t r a t i o n - B e i j i n g1 0 0 0 9 1 ，C h i n a )A b s t r a c t ：K n o ti sak i n do fn a t l l r ' a ld e f e c tg e n e r a l l ye x i s t e di nw o o d ，w h i c hc a ni n f l u e n c et h eu t i l i z a t i o no fw o o dt oag r e a te x t e n tT h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo fk n o t sO nm e c h a n i c a lp r o p c r t i c so fs t r u c t u r a ll u m b e ra n di t sm o d e l ，w h i c hp r o v i d e st h es u p p o r t i n go ne s t a b l i s h i n gv i s u a l l yg r a d i n gr c g u l a d o n sO i ls h - u c t u r a ll u m b e ri na c c o r d a n c ew i t l lo u rc o u n t r yp r a c t i c e s ． K e yw o r d s ：K n o t s ；s t r e n g t h ；m o d e l i n g ；g r a d i n g树节是指由于树木的自然生长，被包闹的强度性质的缺陷进行目测分等时，需要根在木质部中的树枝部分。

树节破坏木材构造的均匀性，不仅影响木材表面美观，更重要的是降低木材的某些强度性质，不利于木材的利用立地条件和营林措施在树节生长中起着重要的作用例如：如果初距增加，立地据树节与其周围树干组织连接的紧密程度，划分为健全树节、非健全节孔两大类，根据不同的基准进行分等张述银[ 4 1 通过黑云杉( P i c e am a r i a n a ) 的目测分等分析发现，黑云杉的降等中有9 ．6 ％是由树节引起的，这是因为树枝较小相比之下，花旗松的降等密度降低，则树冠长度增加，树枝直径增加，2 9 ．1 ％是由树节引起的结合立地密度进行树枝长且厚，树节的直径和长度也随之增大，锯材质量下降‘1 ，∞1 从树节的形态来看，在树木的径切面可以看到活节的纵剖面在木材中呈圆锥形，其尖端连接树干髓心，圆锥形的树节与树干组织密切相连当树枝枯死时，其枯死部分形成死节，在木材中呈圆柱形，其组织与树干相互脱离因此，在根据最有可能降低锯材国家科技基础条件平台项目：林业工程技术标准体 系构建( 2 0 0 4 D E A 7 0 9 0 0 ) 项目的于课题“结构用规格材强度性质的测试方法和标准草案的研” ( 4 0 0 0 0 9 2 2 - - 3 ；作者简介：龙超( 1 9 7 8 一) ，女，中国林科院木材l ～业研究所博士研究生。

通讯作者：吕建雄( 1 9 6 3 一) 男，中国林科院木材工业研究所副所长，研究员．博士生导师．‘分析，对于立地密度较低的树木而言，树节可以使1 3 ％的锯材降等至N o ．3 等级对于立地密度较高的树木而言，树节不会使锯材降至N o ．3 等级随着胸径( D B H ) 从1 0 c m 开始逐渐增加，划为s s 等级的锯材的数量先升高至峰值，然后下降立地密度最低的锯材，s s 的等级产量少7 ％，这部分是由节子引起的降等尽管黑云杉的树枝相对较小，但是由于节子引起的降等的锯材却约占1 3 ．5 ％一2 0 ．9 ％在香脂冷杉( A b i e sb a l s a m e a )中，由于节子引起的降等的锯材占4 8 ．3 ％除某些尺寸较小的用材以外，一般很难避免“1 全圈生物质材料，E 环保墨皂^ 造板新技术裳晨习n 寸会有节子存在据统计，通常评定木材的等级，除腐朽外，等级的高低很大程度上是取决于树节的大小和数量特别是承重结构所用术村的分等，与树节的数晕和尺寸关系更为密切此外，由于树节的存在会引起树干中木材局部纹理产生歪斜，这种斜纹理的程度与树节的大小有关以前的研究表明，树节和斜纹理是降低锯材强度性质的主要缺陷。

因此，在研究天然缺陷对于锯材强度的影响时，应该对于树节给予高度重视基于上述两方面的原因，即使材料符合宽面M O E 的要求，也需要对于目测质量水平加以限制，排除大尺寸的边节、非结构性的表观特征，如：钝棱、翘曲、机械应力分级( M S R ) 术材的不同等级外观，来减少强度性质的变化在各个国家的目测分等规则中均对结构用锯材中树节的尺寸、位置、形状作出了明确的说明以及限制，来满足不同的最终使用条件删在将原木进行锯解之后，板、方材上节子呈现出不同的形状，具体形状取决于锯切面如果锯切的表面与树枝基部的纵轴或多或少地呈直角时，会出现圆形或椭圆形的节子如果锯切面通过树枝基部的纵向，木材锯切面会呈现条状节或称长节具有圆形死节的板材经干燥后，节子有的会脱落，木板上形成节孔树节之所以降低锯材的强度，主要由于：①节子破坏了该位置木材的正常结构；②术利纤维围绕节子而弯曲；③木材纤维排列的局部改变易引起应力集中因此，在确定其强度性质时，通常的做法是，首先通过对无疵小试样进行强度测试，获得锯材基本的力学性质然后，对上述数值进行修正，来满足真实的最终利甩备件值得注意的是，在各种天然缺陷中，以树节对于木材的力学性质影响最为严重，按照影响程度依次分为：顺纹抗拉强度( 特别是位于受拉构件边缘的节子) 、抗弯强度( M O R ) 、顺纹抗压强度、抗弯弹性模量( M O E ) 。

正是由于树节对于锯材的强度性质影响很大，因此，多年来各国学者就相关问题进行了广泛的研究其中，在对于树节的生长特性方面的研究中，国外学者通过对于挪威云杉( P i c e aa b i e s ) 进行研究发现，从树木内部树节尺寸的分布来看，在树木高度的4 0 ％较低部分，随着树木高度的增加，在每一个圆锥内健全节的径向延伸范围和平均值增加超过此范围，随着树木高度的增加，平均值减少，这与胸径、年轮宽度、立地因子有关；在树木高度的3 0 ％较低部分，随着树木高度的增加，在每一个圆锥内健全节的长度范围平均值增加超过此范围，随着树木高度的增加，平均值减少，这种现象与胸径、立地因子、离心率、最低的活枝条与最低的活圆锥之间的高度差异有关；树干下部的树枝直径与胸径有关在树干下部区域，树枝直径向上增加”J U u s v a a r a 发现欧洲红木( P i n u ss y l v e t r i s ) 厚度最大的树枝位于树龄在5 0 年以上的树木高度的6 0 ％位置，位于树龄在3 0 年以上的树木高度的4 0 ％位置C o l i n 和M a g u i r e 分别报道了挪威云杉和花旗松( P s e u d o t s u g am e n z i e s i i ) 的树枝直径的整个垂直剖面。

B j ( ) r k l u n d 【7 1 分析了欧洲红木的树节直径的垂直方向的变异，将树干分为四个部分：基础部分、稳定生长部分、延迟部分、树箍部分其中，稳定生长部分的特点是圆锥形树节最大直径维持在固定水平此外，学者还分析了挪威云杉中树节的化学成分，通过G C 、G c —M s 分析距离树节侧面3 个年轮处的试样和树节周阐环绕着‘全国生物质材料置环保型^ 造板新技术裳晨司H 寸会的茎干木材试样中的亲水性抽提物，发现与周围的茎千木材相比( ≤0 ．0 5 w ／w ) ，树节的木酚素含量较高( 1 5 ％w ／w ) 从树节髓心，沿着径向到外层木材，木酚素含量明显降低，直至下降到与周围的茎干木材相同水平为止在树枝内部，从树枝髓心，沿径向向外，术酚索含量呈现下降的趋势，直至下降到与外部的茎干木材相同水平为止ⅢJ 除此以外，树节对于锯材的物理、力学、机械性质均有影响例如：由于树节中多含树脂，较硬、较重，因而给水材加工带来一些困难，使切削不易，并影响加工质量；在使用中易引起木材表面磨损不均匀：树节所含树脂增加油漆的困难；树节收缩不同于周围的木材，当木材干燥时，死节常常与周围的木材脱离；活节则往往在横截面发生开裂；下面笔者拟从两个方面进行进一步的探讨。

1 树节对结构用材强度性质影响在1 9 9 1 年制定的《结构用针叶锯材的日本农业标准》( J A S1 4 3 ) 中，明确规定现代日式房屋中采用的梁、柱锯材的强度目前多数锯材使用者是根据外观标准来判断包含有树节、开裂缺陷的锯材的质量但是实际上，应该利用力学方法来对结构用锯材进行分级才更加科学例如：利用树节对于材料强度的影响来进行评估为此，日本学者对于树节对于锯材强度的影响进行了研究其中，H a t a y a m a 利用单个树节周围倾斜纹理的分布，得到了树节尺寸和拉伸，弯曲强度之间的关系N a k a l 等研究了花旗松木材的树节直径比率与弯曲强度之间的关系、树节直径比率与日本雪松( C e d r u sd e o d a r a )四面刨锯材拉伸强度之间的关系n i i m a 和N a k a i 研究了杨氏模量和弯曲强度之问的关系、树节对r 弯曲强度的影响，借此来建立日本的结构用锯材机械分等规则M a s u d a等运用热图像设备探测了发热部分的位置，指出树节周围的应力集中是由树节处或者树节周围的裂纹引起的H a s h i z u m e 等研究了一般用做结构用层积材的经过目测分等和经过机械分等后的日本产落叶松( L a r i xk a e m f e r ic a r t ) 的力学性质差异。

上述研究结果表明，树节是降低强度的最重要的因子在《日本农业标准一结构用胶合层积材》中具体说明了对于边节的树节直径比率的限制利用这种方法锯材可以有不同的目测等级，但是仅仅可以有一个机械等级李源哲等研究红松( P i n u sk o r a i e n s i s ) 、鱼鳞云杉( P i c e a j e z o e n s i av a r ．m i c r o s p e r m a )树节对于顺纹抗压强度和抗弯强度的影响时，所得到试验结果同样说明树节降低木材的顺纹抗压强度最小：至于对抗弯强度的影响，当施力方向平行于树节时，强度降低的程度与顺纹抗压强度的影响近似或略。