杉木木材細(xì)觀縱向抗拉彈性模量預(yù)測(cè)模型構(gòu)建.pdf

1、我國(guó)是一個(gè)森林資源匱乏的國(guó)家以及政府對(duì)環(huán)境保護(hù)的高度重視，決定了發(fā)展速生人工林是解決我國(guó)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(yù)，材質(zhì)變化規(guī)律更加復(fù)雜，增加了工業(yè)化利用的難度。為了能夠有效監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)人工營(yíng)林措施對(duì)速生木材性能的影響，以及實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域?qū)λ偕静牡倪x擇性利用，發(fā)展快速、準(zhǔn)確的活立木材性檢測(cè)技術(shù)和方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　為此，本研究旨在開發(fā)出一種基于木材細(xì)胞壁力學(xué)模型和

2、X射線衍射技術(shù)的、準(zhǔn)確度高、適用范圍廣的活立木力學(xué)性能無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，以構(gòu)建一個(gè)全新的針葉材縱向彈性模量預(yù)測(cè)模型為重點(diǎn)。該模型具有以下特點(diǎn)：
　　1）是一種半理論、半經(jīng)驗(yàn)的預(yù)測(cè)模型，融入了細(xì)胞壁的壁層結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、紋孔、細(xì)胞之間搭接等多方面信息，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度高；
　　2）模型的關(guān)鍵自變量為微纖絲角和氣干密度，測(cè)定容易，結(jié)合X射線衍射技術(shù)從而實(shí)現(xiàn)了活立木縱向彈性模量的快速預(yù)測(cè)。
　　本項(xiàng)研究是國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“木材

3、細(xì)胞壁力學(xué)性能表征體系構(gòu)建及應(yīng)用”的一部分。以人工林杉木為試驗(yàn)材料，論文的第2章分別測(cè)定了6株樣木4個(gè)不同高度南向中心條513個(gè)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(gòu)建所需要的參數(shù)，并探討了試樣尺寸對(duì)密度、彈性模量株內(nèi)及株間變異規(guī)律的影響；第3章則在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)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(yù)測(cè)縱向彈性模量的純統(tǒng)計(jì)模型，并對(duì)模型的

4、準(zhǔn)確度進(jìn)行了評(píng)價(jià)；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(xì)胞壁力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合第2章的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了人工林杉木木材縱向彈性模量的半理論半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型，并對(duì)模型的準(zhǔn)確度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
　　論文的主要研究結(jié)果如下：
　?、湃斯ち稚寄灸静牡臍飧擅芏仍?.265～0.608 g/cm3之間，平均值為0.392 g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)差為0.076308 g/cm3，變異系數(shù)為19.466％。密度株間均值沒(méi)有顯著差異

5、；總的來(lái)說(shuō)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(shí)的密度徑向變化。木材的密度測(cè)量與試樣尺寸密切相關(guān)，尤其是徑向尺寸減小，所測(cè)密度越接近該處木材密度的真實(shí)值。
　?、粕寄灸静牡馁|(zhì)量吸收系數(shù)μm平均約為18.1923 cm2/g，X射線密度與實(shí)測(cè)密度值之間極顯著線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)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(cè)定木材的密度。
　?、侨斯ち稚?/p>

6、木木材微纖絲角在9.11°～38.28°之間，平均值為11.99°，多數(shù)集中在9°～13°。微纖絲角隨樹高有增大趨勢(shì)，徑向變異模式穩(wěn)定，自髓心向外迅速減小，以后減小趨勢(shì)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(biāo)準(zhǔn)差為3.774429 GPa，變異系數(shù)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(zhì)越差

7、；徑向自髓心向外呈增大趨勢(shì)。
　?、赡静拿芏群臀⒗w絲角是影響木材縱向彈性模量的兩個(gè)重要因素，也是很容易快速測(cè)定的兩個(gè)參數(shù)，以它倆為變量可以得到不同的預(yù)測(cè)縱向彈性模量的統(tǒng)計(jì)模型。以細(xì)胞壁的基質(zhì)增強(qiáng)假說(shuō)和完全剪切束縛模型為理論基礎(chǔ)，直接引用管胞細(xì)胞壁剛性理論預(yù)測(cè)成果，認(rèn)為細(xì)胞壁的縱向彈性模量是平均微纖絲角的函數(shù)，以及管胞彈性模量與試樣彈性模量之間的估算關(guān)系，通過(guò)試驗(yàn)得到預(yù)測(cè)杉木木材縱向彈性模量的半經(jīng)驗(yàn)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(jì)預(yù)測(cè)模型和半經(jīng)驗(yàn)半理論預(yù)測(cè)模型的判定系數(shù)R2分別為0.68、0.20、0.75和0.802，預(yù)測(cè)均值分別為12.11 GPa、11.50 GPa、11.94 GPa和12.12 GPa，預(yù)測(cè)絕對(duì)偏差平均值分別為1.60 GPa、2.83 GPa、1.34 GPa和1.17 GPa，預(yù)測(cè)相對(duì)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(jì)預(yù)測(cè)模型相比，半經(jīng)驗(yàn)半理論預(yù)測(cè)模