112 年 國立臺灣大學森林環境暨資源學系碩士班乙組《生物材料化學加工》

此題主要在探討森林碳匯的概念及其在氣候變遷下的重要性，並詢問我國為增加森林碳匯所採取的農業部門淨零排放策略。

核心觀念： 森林碳匯 (Forest Carbon Sink) 是指森林生態系統透過光合作用，將大氣中的二氧化碳 (CO₂) 吸收並儲存於生物體（樹木、土壤）中的過程。森林碳匯是減緩氣候變遷、達成淨零排放目標的關鍵自然解決方案之一。

解題步驟：

1. 定義森林碳匯 (Forest Carbon Sink)：

   • 森林碳匯是指森林透過光合作用，將大氣中的二氧化碳 (CO₂) 吸收、轉化為有機物質，並儲存於地上生物量（樹幹、枝葉）、地下生物量（根系）以及土壤有機質中的能力。
   • 這個過程會從大氣中移除 CO₂，有助於降低溫室氣體濃度，達到碳中和或淨零排放的目標。

2. 我國農業部門淨零排放策略中，為增加森林碳匯所擬定的措施：
   我國將於 2050 年達成淨零排放，農業部門的減碳策略中，增加碳匯是重要一環。常見的措施包括：

   • 森林經營管理與增長：

     • 植樹造林與撫育更新： 增加森林覆蓋面積，並透過適當的撫育（如疏伐、修枝）促進森林生長，提高單位面積的碳儲存量。
     • 延役林地利用： 延長森林的採伐更新週期，讓樹木能生長得更粗大、年齡更高，累積更多碳。
     • 森林多樣性經營： 鼓勵混淆林、闊葉林等，提升森林生態系的穩定性與碳匯潛力。

   • 林產品的永續利用與碳儲存：

     • 推動綠色林產品： 鼓勵使用在地、永續來源的木材作為建材、家具等，將碳封存於建築物或產品中，取代高碳足跡的材料（如水泥、鋼鐵

此題為名詞解釋題，共分為五個小題，主要測試考生對木材學、木材解剖學及樹木生理學的基本概念的理解。

核心觀念： 這些名詞都與木材的形成、結構、生長以及樹木的生理狀態有關。

解題步驟：

A. 早材與晚材 (Earlywood and Latewood)

• 定義： 早材與晚材是木材年輪內，由形成層在同一生長季節內不同時期產生的薄壁組織和厚壁組織。
• 早材 (Earlywood)：
  • 由形成層在生長季節初期（春季）產生。
  • 細胞較大、管腔較寬、細胞壁較薄，運輸水分和養分的功能較強。
  • 顏色較淺，密度較低，強度較低。
• 晚材 (Latewood)：
  • 由形成層在生長季節末期（夏季末、秋季）產生。
  • 細胞較小、管腔較窄、細胞壁較厚，支撐功能較強。
  • 顏色較深，密度較高，強度較高。
• 差異： 早材和晚材的交替形成了木材的年輪結構，年輪的寬度受氣候條件影響，早材和晚材的比例則決定了木材的密度和強度。

B. 成熟材與未成熟材 (Maturewood and Immaturewood)

• 定義： 成熟材是指樹木生長到一定年齡後，其木材性質趨於穩定的部分；未成熟材是指樹木早期生長階段產生的木材，其性質尚未穩定。
• 未成熟材 (Immaturewood)：
  • 通常指樹木幼年期（約前 10-20 年）產生的木材，常出現在樹幹靠近髓心的部分。
  • 細胞壁較薄，細胞間隙較大，樹脂含量較高（尤其在針葉樹）。
  • 收縮率大，變形（彎曲、扭曲）傾向較明顯。
  • 強度較低，密度較低。
  • 早期生長木 (Juvenile wood) 是未成熟材的一種。
• 成熟材 (Maturewood)：
  • 指樹木成年期（超過幼年期後）的木材。
  • 細胞壁較厚，細胞間隙較小，結構較緻密。
  • 收縮率較小，變形傾向較小。
  • 強度較高，密度較高。
  • 成熟材的性質相對穩定且均勻。

C. 樹幹的肥大生長與伸長生長 (Cambial Growth and Elongation Growth)

• 定義： 這是指樹木莖幹（樹幹）的兩種不同生長方式。
• 肥大生長 (Cambial Growth / Secondary Growth)：
  • 主要由形成層 (Vascular Cambium) 進行細胞分裂產生。
  • 形成層向外產生韌皮部 (Phloem)（即樹皮的一部分），向內產生木質部 (Xylem)（即木材）。
  • 這種生長方式使樹幹的直徑和周長不斷增加，是樹木變粗的主要原因。
  • 在木材學中，肥大生長產生的木質部就是我們所說的木材，其厚度增加形成年輪。
• 伸長生長 (Elongation Growth / Primary Growth)：
  • 主要發生在樹木的頂端生長點 (Apical Meristem)（如樹梢、枝梢、根尖）。
  • 頂端生長點的細胞分裂並伸長，使樹木的高度和枝條長度增加。
  • 這種生長方式主要發生在新生的枝條和根部，對於樹幹本身的直徑增加影響較小，但會形成新的枝條，擴展樹冠。

此題考驗對木材微觀結構缺陷「Pit Aspiration」的理解，需要從其發生機制、影響、適用對象及解決方法進行闡述。

核心觀念： Pit Aspiration 是木材導管（或管胞）在乾燥過程中，由於壓力差導致的孔隙（pit）結構改變，進而影響木材的導水性、尺寸穩定性及力學性質。

解題步驟：

1. 定義 Pit Aspiration (孔隙閉塞)：
   Pit Aspiration 是一種發生在木材乾燥過程中的現象。當木材乾燥時，細胞內外的水分蒸發，導致壓力差。如果細胞壁上的穿孔（pit pair，如單紋孔或紋孔對）中的隔膜（margo）在壓力差作用下，被擠壓而緊密貼合，封閉了原有的孔隙通道，這種現象就稱為 Pit Aspiration。

2. 發生的時機：

   • 主要發生在木材的乾燥過程中，尤其是在相對濕度快速下降，或木材內外產生顯著水分梯度和壓力差時。
   • 乾燥初期，當木材含水率高於纖維飽和點 (FSP) 時，水分主要以自由水形式存在，壓力差影響較小。
   • 當含水率低於 FSP 時，水分以結合水形式存在，且細胞壁會發生收縮，此時若存在足夠的壓力差，就容易發生 Pit Aspiration。

3. 現象：

   • 孔隙通道的封閉： 原本連通相鄰細胞（導管或管胞）的穿孔（pit）通道被隔膜（margo）封閉。
   • 水分傳輸受阻： 由於孔隙被封閉，木材沿徑向和弦向的水分傳輸速率顯著降低。
   • 力學性質改變： 雖然 Pit Aspiration 本身不直接改變細胞壁的強度，但因其影響了細胞間的連接和水分分布，間接可能影響木材的力學行為。
   • 尺寸穩定性： 影響不大，因為 Pit Aspiration 主要影響水分傳輸，而非細胞壁的收縮。

4. 缺點：

   • 降低導水性 (Permeability)： 這是最主要的缺點。封閉的孔隙大大降低了木材對液體（如水、防腐劑）的滲透能力。
   • 影響防腐處理效果： 由於藥劑難以滲透，木材的防腐處理效果會大打折扣，降低木材的耐久性。
   • 影響乾燥速率： 降低了木材內部的水分蒸發速率，可能延長乾燥時間，或需要更劇烈的乾燥條件。
   • 可能影響力學性質： 在某些情況下，受損的隔膜或不均勻的壓力可能導致局部應力集中，但這不是主要缺點。

5. 易發生的樹種：
   Pit Aspiration 在具有薄壁、寬大、且隔膜 (margo) 結構較為發達的單紋孔 (simple pit) 或紋孔對 (pit pair) 的樹種中更容易發生。

   • 針葉樹 (Conifers)： 針葉樹的導管由管胞 (Tracheids) 組成，管胞之間通過紋孔對進行水分傳輸。許多針葉樹，特別是松屬 (Pinus)、杉木屬 (Cunninghamia) 等，其管胞紋孔的隔膜（margo）較為發達，在乾燥時容易受到壓力差影響而閉塞。
   • 某些闊葉樹： 某些闊葉樹的導管穿孔（pit aperture）較大，其邊緣的結構也可能在壓力差下產生類似 Pit Aspiration 的閉塞現象。

此題考驗對三點彎曲試驗原理的理解，特別是試驗參數（如跨距與厚度比）對試驗結果和木材性質評估的影響。

核心觀念： 三點彎曲試驗是評估材料彎曲強度和彈性模數的常用方法。木材作為一種各向異性材料，其受力行為與傳統各向同性材料有所不同，特別是在短梁（短跨距）情況下，剪切應力效應會變得更顯著。

解題步驟：

1. 三點靜曲荷重試驗 (Three-Point Static Bending Test)：

   • 將試樣（木梁）置於兩個支點上，在試樣的中心點施加垂直向下的靜態負載，直至試樣破壞。
   • 記錄載荷與撓度（變形量）的關係，以計算彎曲彈性係數 (MOE) 和彎曲強度 (MOR)。

2. 跨距與厚度比值 (Span-to-Depth Ratio) 的重要性：

   • 標準要求： 為了正確評估材料的彎曲彈性係數 (MOE)，試驗中的梁通常被要求是「長梁」，即跨距 (Span, L) 與厚度 (Depth, h) 的比值 (L/h) 應足夠大，通常建議為 15:1 或更高（例如， ASTM D143 標準建議針葉樹為 15:1，闊葉樹為 10:1）。
   • 為何不能太小 (短木梁)： 如果 L/h 比值太小，即試驗用的木梁過於短小，則會發生以下問題：

3. 短木梁與長木梁的梁內受力狀況差異：

   • 長木梁 (L/h 較大)：
     • 彎曲應力 (Bending Stress) 為主： 在長梁中，彎曲應力是主要的應力形式，尤其是在跨距中心區域。此時，試樣的變形主要是由彎曲引起的。
     • 剪切應力 (Shear Stress) 影響小： 由於跨距長，支點間的距離大，垂直載荷產生的剪切力在梁內的分布相對均勻，且其峰值較小，對總體變形和破壞的影響相對較小。
   • 短木梁 (L/h 較小)：
     • 剪切應力效應顯著： 在短梁中，由於支點間距離短，垂直載荷在支點附近產生的剪切力非常大。剪切應力對梁的變形和破壞的貢獻變得非常顯著，甚至可能成為主要的破壞模式。
     • 彎曲應力影響相對減弱： 雖然彎曲應力依然存在，但其在整個梁體中的分布和峰值，相較於剪切應力，其相對重要性下降。

4. 木梁太短小的實驗誤差：
   當木梁太短小（L/h 值太低）時，會導致以下誤差：

   • 對 MOE 的計算產生誤差：
     • 撓度 (Deflection) 包含剪切變形： 在短梁試驗中，測得的總撓度 (δ_total) 不僅包含由彎曲引起的撓度 (δ_bending)，還包含由剪切應力引起的撓度 (δ_shear)。
     • $\delta_{total} = \delta_{bending} + \delta_{shear}$
     • 標準的 MOE 計算公式是基於純彎曲的假設，忽略了剪切變形。如果將包含剪切變形的總撓度代入彎曲公式，會導致計算出的 MOE 值被低估。
     • 標準彎曲公式為：$MOE = \frac{P L^3}{48 E I}$，其中 P 為載荷，L 為跨距，E 為彈性模數，I 為截面慣性矩。若總撓度 δ 包含剪切變形，則實際計算出的 E 會偏低。

此題考驗對木材力學性質，特別是壓縮、拉伸和彎曲強度，在含水率和木理傾斜角影響下的變化規律，以及對不同力學性質影響的敏感度。

核心觀念： 木材是一種各向異性材料，其力學性質受多種因素影響，包括含水率、木理方向、木材種類、缺陷等。含水率和木理傾斜角是影響木材力學性能的兩個重要因素。

解題步驟：

1. 木材力學性質的基礎：

   • 各向異性 (Anisotropy)： 木材的性質沿不同方向（徑向 R、弦向 T、縱向 L）差異很大。通常，縱向 (L) 的強度和剛度遠高於徑向 (R) 和弦向 (T)。
   • 壓縮 (Compression)： 承受壓力。
   • 拉伸/引張 (Tension)： 承受拉力。
   • 彎曲 (Bending)： 同時承受拉伸和壓縮應力，並涉及剪切應力。

2. 含水率 (Moisture Content, MC) 的影響 (氣乾範圍)：

   • 氣乾範圍： 通常指木材含水率在 15% 左右（取決於當地濕度），且低於纖維飽和點 (FSP, 約 20-30%)。在此範圍內，木材的強度和剛度會隨著含水率的降低而增加。
   • 原理： 當含水率降低（低於 FSP）時，木材細胞壁中的結合水減少，細胞壁內部的纖維素微纖絲間的氫鍵作用增強，使木材的剛性增加，強度提高。同時，木材也伴隨收縮。
   • 對壓縮、拉伸、彎曲的影響：
     • 壓縮強度： 隨著含水率降低，壓縮強度（特別是縱向壓縮）會增加。
     • 拉伸強度： 隨著含水率降低，拉伸強度（特別是縱向拉伸）也會增加。
     • 彎曲強度 (MOR) 和剛度 (MOE)： 同樣會隨著含水率降低而增加。
   • 敏感度：
     • 整體而言，含水率對木材的力學性能影響是顯著的。
     • 敏感度排序（大致）：
       1. 拉伸強度： 含水率的降低通常會顯著提高拉伸強度。
       2. 彎曲強度 (MOR) 和剛度 (MOE)： 影響也很顯著。
       3. 壓縮強度： 縱向壓縮強度受含水率影響相對較小，因為木材縱向的強度主要由纖維素纖維決定，氫鍵的影響相對較小。但橫向（徑向、弦向）壓縮強度受含水率影響較大。

3. 木理傾斜角 (Grain Angle, θ) 的影響：

   • 定義： 木理傾斜角是指載荷方向與木材縱向纖維方向之間的夾角。
   • 原理： 木材的強度和剛度在縱向 (L) 方向最高，在徑向 (R) 和弦向 (T) 方向最低。當載荷方向與縱向纖維方向不平行時，載荷會同時作用在纖維本身和纖維之間的連接處（如細胞壁），並產生剪切應力。
   • 對壓縮、拉伸、彎曲的影響：
     • 拉伸 (Tension)：
       • 當傾斜角 θ 接近 0° (平行於縱向) 時，拉伸強度最高。
       • 隨著 θ 增大，拉伸強度急劇下降。這是因為載荷被分解為沿纖維方向的拉伸和垂直於纖維方向的剪切。木材的抗剪強度遠低於其抗拉強度。
       • 敏感度最高： 拉伸是受木理傾斜角影響最為敏感的力學性質。即使是微小的傾斜角，也會導致拉伸強度的顯著下降。
     • 壓縮 (Compression)：

此題為關於工程木材（Engineered Wood）的綜合題，涵蓋其結構應用優勢、不同類型工程木材的性能差異、異等級材料使用的力學考量，以及材料檢測方法。

核心觀念： 工程木材是透過機械加工和膠合等方式，將小尺寸或低品質的木材，重組成具有特定性能、尺寸和形狀的結構構件。這類材料的設計和應用需要結合木材本身的性質、加工工藝和力學原理。

解題步驟：

A. 使用工程木材於結構應用之優勢 (6分)

工程木材相較於傳統實木結構，具有多方面的優勢：

1. 尺寸穩定性 (Dimensional Stability)：

   • 工程木材透過膠合和定向排列，能有效抑制木材因含水率變化而產生的收縮、膨脹及翹曲變形。
   • 例如，膠合集成材 (Glulam) 和直交集成板 (CLT) 的尺寸穩定性遠優於同尺寸的實木。

2. 強度和剛度提升 (Increased Strength and Stiffness)：

   • 可以將小尺寸、低等級的木材（例如，原木中較小的、帶有少量缺陷的部分）經過分級、加工後，再重新組合。
   • 透過將高強度、高剛度的材料放置在應力較大的位置（如受拉側），低強度材料放置在應力較小的位置（如受壓側），優化了材料的利用效率。
   • 例如，GLT 中，受拉的層板通常選用高強度木材，受壓層板可選用強度較低的。

3. 設計彈性與自由度 (Design Flexibility)：

   • 工程木材可以被製造成各種尺寸和形狀的構件，不受天然木材尺寸和形狀的限制。
   • 可以生產超長、超寬、大跨距的構件（如大型梁、柱、牆板），滿足複雜的建築設計需求。

4. 材料利用率高 (High Material Utilization)：

   • 能夠有效利用原木中的小徑材、枝材以及帶有少量缺陷的部分，減少木材浪費，提高資源利用效率。

5. 結構性能均勻穩定 (Uniform and Reliable Performance)：

   • 透過標準化的生產流程和材料分級，工程木材的性能比天然實木更均勻、可預測性更高。
   • 減少了天然木材中因節子、傾斜木理等缺陷帶來的性能不確定性。

6. 環保與永續性 (Environmental Friendliness and Sustainability)：

   • 木材本身是可再生資源，生長過程中能固碳。
   • 工程木材的生產過程能有效利用木材資源，且許多工程木材的生產過程能耗相對較低。
   • 木質建築的生命週期碳足跡通常較低。

7. 快速施工與預製化 (Fast Construction and Prefabrication)：

   • 工程木材構件可以在工廠預製，現場安裝，大大縮短施工週期，提高施工效率。

B. GLT 與 CLT 的組成單元排列設計及性能差異 (5分)

• 膠合集成材 (Glued-laminated Timber, Glulam, GLT)：

  • 組成單元： 主要由狹長的木材單元（稱為「層板」或「Lamella」），沿其寬度方向（即木材的厚度方向）膠合而成。
  • 排列設計： 層板通常是平行排列的，並且會根據受力需求，將高強度、高剛度的木材層板放置在受拉側，低強度層板放置在受壓側。
  • 結構形式： 屬於單向受力構件，主要承受與層板縱向平行的載荷。
  • 性能特點：
    • 抗彎強度和剛度高： 非常適合製作大跨距的梁、柱等承受彎曲和軸向載荷的構件。
    • 抗剪性能相對較弱： 膠合線主要承受剪切應力，如果層板之間膠合不良，或在受剪應力較大的區域，可能成為薄弱環節。
    • 形狀限制： 主要製成直線或簡單曲線的梁、柱。

• 直交集成板 (Cross-laminated Timber, CLT)：

  • 組成單元： 由多層木材單元（通常是規格化的木板或層板）組成，相鄰層的木材單元縱向（纖維方向）相互垂直排列，如同膠合板的原理，但 CLT 的單元通常較厚（如 20-50mm）。
  • 排列設計： 通常採用奇數層（如三層、五層、七層），中間層的纖維方向與外層垂直，形成一個雙向受力的板狀結構。
  • 結構形式： 屬於雙向或多向受力板狀構件，能同時承受平面內的彎曲、軸向和剪切應力。
  • 性能特點：
    • 平面內受力均勻： 由於纖維方向的交錯，CLT 在兩個互相垂直的方向上都具有良好的承載能力和剛度，能有效抵抗平面內的彎曲和剪切。
    • 抗剪性能優異： 相較於 GLT，CLT 的多層直交結構使得其平面內抗剪性能大幅提升。
    • 尺寸穩定性極佳： 相鄰層纖維方向的垂直排列有效抵消了單向收縮和膨脹，使其尺寸穩定性非常高。
    • 適用性廣： 適合製作牆板、樓板、屋頂板等，可以形成整體性的結構體系。

性能差異總結：
GLT 適合製作主要承受單一方向彎曲載荷的構件（如大跨距梁），其性能優勢在於縱向強度和剛度。CLT 則是一種雙向受力的板狀構件，具有優異的平面內承載能力、尺寸穩定性和抗剪性能，適用於構成整體結構體系。

C. 使用異等級集成元製作 GLT 與 CLT 的可行性與限制 (10分)

• 異等級集成元 (Mixed-Grade Lamellae/Members)： 指在製作 GLT 或 CLT 時，使用的木材單元（層板或板材）具有不同的強度等級、密度或缺陷程度。

• 可行性與原理：

  • 材料優化利用： 這是工程木材最核心的優勢之一。可以將高強度、高剛度的材料用於承受較大應力的部位，而將低強度、低剛度的材料用於應力較小的部位，從而達到最佳的材料利用率和成本效益。
  • 力學原理：
    • GLT： 在 GLT 中，層板是平行排列的，主要承受軸向載荷（拉伸或壓縮）和彎曲載荷。
      • 可行性： 可以在 GLT 的受拉側使用高強度木材，受壓側使用相對較低的木材。
      • 限制： 必須確保膠合面的強度足夠，能夠將應力有效地傳遞給相鄰的層板。如果受拉側的層板強度顯著高於受壓側，總體性能可能受限於受壓側的承載能力或穩定性。