杉木木材細觀縱向抗拉彈性模量預測模型構建.pdf

1、我國是一個森林資源匱乏的國家以及政府對環(huán)境保護的高度重視，決定了發(fā)展速生人工林是解決我國木材供需矛盾的必然選擇。與天然林木材相比，速生人工林木材由于受到各種人工培育措施的干預，材質變化規(guī)律更加復雜，增加了工業(yè)化利用的難度。為了能夠有效監(jiān)測和評價人工營林措施對速生木材性能的影響，以及實現工業(yè)領域對速生木材的選擇性利用，發(fā)展快速、準確的活立木材性檢測技術和方法具有重要的現實意義。
　　為此，本研究旨在開發(fā)出一種基于木材細胞壁力學模型和

2、X射線衍射技術的、準確度高、適用范圍廣的活立木力學性能無損檢測技術，以構建一個全新的針葉材縱向彈性模量預測模型為重點。該模型具有以下特點：
　　1）是一種半理論、半經驗的預測模型，融入了細胞壁的壁層結構、化學組成、紋孔、細胞之間搭接等多方面信息，預測準確度高；
　　2）模型的關鍵自變量為微纖絲角和氣干密度，測定容易，結合X射線衍射技術從而實現了活立木縱向彈性模量的快速預測。
　　本項研究是國家自然科學基金重點項目“木材

3、細胞壁力學性能表征體系構建及應用”的一部分。以人工林杉木為試驗材料，論文的第2章分別測定了6株樣木4個不同高度南向中心條513個試樣（1㎜（R）×10㎜（T）×100㎜（L））的氣干密度、微纖絲角和縱向抗拉彈性模量，它們是模型構建所需要的參數，并探討了試樣尺寸對密度、彈性模量株內及株間變異規(guī)律的影響；第3章則在上述實驗的基礎上，構建出了分別以氣干密度、微纖絲角為單一變量及以密度和微纖絲角為雙變量的預測縱向彈性模量的純統(tǒng)計模型，并對模型的

4、準確度進行了評價；第4章為本論文的核心部分，即在所在課題組先前所提出的管胞細胞壁力學模型的基礎上，結合第2章的實驗數據，構建了人工林杉木木材縱向彈性模量的半理論半經驗預測模型，并對模型的準確度進行了評價。
　　論文的主要研究結果如下：
　　⑴人工林杉木木材的氣干密度在0.265～0.608 g/cm3之間，平均值為0.392 g/cm3，標準差為0.076308 g/cm3，變異系數為19.466％。密度株間均值沒有顯著差異

5、；總的來說隨高度增加而減小，在不同株間有差異；徑向由髓心向樹皮方向增大，其分布曲線呈鋸齒狀，反映了真實的密度徑向變化。木材的密度測量與試樣尺寸密切相關，尤其是徑向尺寸減小，所測密度越接近該處木材密度的真實值。
　　⑵杉木木材的質量吸收系數μm平均約為18.1923 cm2/g，X射線密度與實測密度值之間極顯著線性正相關，相關系數為0.929（顯著性水平為0.01），可以用X射線法代替稱重法快速測定木材的密度。
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6、木木材微纖絲角在9.11°～38.28°之間，平均值為11.99°，多數集中在9°～13°。微纖絲角隨樹高有增大趨勢，徑向變異模式穩(wěn)定，自髓心向外迅速減小，以后減小趨勢緩慢最后趨于穩(wěn)定。
　?、热斯ち稚寄灸静牡目v向拉伸彈性模量在3.97～26.06 GPa之間，平均值為11.72 GPa，標準差為3.774429 GPa，變異系數為32.199%?？v向彈性模量株間差異顯著；沿樹干高度差異也顯著，彈性模量隨高度的增加而減小，材質越差

7、；徑向自髓心向外呈增大趨勢。
　?、赡静拿芏群臀⒗w絲角是影響木材縱向彈性模量的兩個重要因素，也是很容易快速測定的兩個參數，以它倆為變量可以得到不同的預測縱向彈性模量的統(tǒng)計模型。以細胞壁的基質增強假說和完全剪切束縛模型為理論基礎，直接引用管胞細胞壁剛性理論預測成果，認為細胞壁的縱向彈性模量是平均微纖絲角的函數，以及管胞彈性模量與試樣彈性模量之間的估算關系，通過試驗得到預測杉木木材縱向彈性模量的半經驗半理論模型。密度單變量、微纖絲角單

8、變量、密度和微纖絲角雙變量統(tǒng)計預測模型和半經驗半理論預測模型的判定系數R2分別為0.68、0.20、0.75和0.802，預測均值分別為12.11 GPa、11.50 GPa、11.94 GPa和12.12 GPa，預測絕對偏差平均值分別為1.60 GPa、2.83 GPa、1.34 GPa和1.17 GPa，預測相對偏差平均值分別為15.34%、23.65%、11.74%和10.27%，即與所建立的統(tǒng)計預測模型相比，半經驗半理論預測模