全 文 ：安徽农业大学学报 , 2003, 30 ( 2): 168～ 172
Journal of Anhui Ag ricultural Univ e rsity
水淹程度对滩地枫杨主要力学性质的影响①
汪佑宏 1 , 曹仁忠 2 , 徐　斌 1 , 刘杏娥 1
( 1. 安徽农业大学森林利用学院 , 合肥 230036; 2. 安徽省全椒县马厂林业站 )
摘　要: 研究结果表明 , 滩地枫杨各项力学指标基本上都是水淹 1月 (第 1组 ) 比水淹 2月 (第 2组 )大 ,
但按材质等级来评估滩地枫杨木材材质便发现枫杨木材材质均在中等偏下 , 差异分析表明在 0. 05水平上差异
显著。对枫杨木材主要物理力学指标作主成分分析 , 结果说明了木材干缩性是滩地枫杨木材的第一主成分 , 称
为干缩指标 ; 而力学强度为第二主成分 , 称为强度指标。
关键词: 水淹程度 ; 滩地 ; 枫杨 ; 力学性质
　　中图分类号: S781. 2 文献标识码: A 文章编号: 1000-2197 ( 2003) 02-0168-05
木材的主要力学性质包括木材抗弯强度、 抗弯弹性模量、 顺纹抗压强度和横纹抗压强度等。木材抗
弯强度是木材重要的力学性质之一 , 主要用于建筑物的桁架、 地板、 桥梁等易于弯曲构件的设计 ; 木材
抗弯弹性模量是代表木材的坚性或弹性 , 表示木材抵抗弯曲或变形的能力 , 用来计算梁及桁架在荷载下
的变形以及计算安全荷载 ; 顺纹抗压强度 , 主要用于诱导结构材和建筑材的榫结合类似用途的容许工作
应力和柱材的选择 [1, 2 ]。滩地生枫杨每年均要受到灾害性水淹伤害 , 为此 , 本试验进行了水淹对枫杨的主
要力学性质影响的研究 , 旨在为 “三滩” 的综合治理和滩地枫杨木材科学、 合理地加工利用等提供理论
依据。
1　材料与方法
1. 1　试验材料
本试验所研究的滩地枫杨 (Pterocarya stenoptera C. DC. )试材 , 是按照国家标准 《木材物理力学试
表 1　枫杨样木野外记录
Table 1　 Th e outdoo rs reco rds of samples o f Pterocarya stenoptera
样木编号
Sample
number
树龄 /a
Age
胸高带皮直径 /cm
D. O . B. a t
chest-height
树高中部带皮直径 /cm
D. O. B. a t
half-heigh t
树高 /m Height o f tree
全高
Full
height
枝下高
Branch
h eight
小头去皮直径 /cm
D. I. B. a t
small end
淹水时间 /月
Flooding
time /month
9701 11 21. 8 15. 0 17. 0 5. 4 17. 4 1
9702 11 20. 4 13. 0 15. 1 5. 7 16. 4 1
9703 15 17. 5 11. 1 11. 9 0. 5 12. 8 1
9704 10 16. 1 10. 2 13. 7 5. 1 13. 0 2
9705 9 16. 7 13. 1 9. 8 5. 2 13. 2 2
9706 10 16. 4 11. 6 11. 8 5. 2 13. 1 2
　　注: 林分组成为混交 , 林分郁闭度= 0. 5, 地形为圩区 , 地质为千枚岩、 花岗岩 , 土壤类型为山地黄壤 , p H值为微酸 ,
试材截取高度= 1. 3～ 3. 3 m, 长度为= 2 m, 年均温度= 16. 1℃ , 年降水量= 1 400 mm, 经度= 117°, 纬度= 30°。
No te: The stand compositions a re mixed fo rest; th e stand canopy density= 0. 5; polde r land fo rm, g eo logical types ar e
ph yllite and g ranite; soil t ype is upland yellow ea rth; pH value is micro-acid; test w ood h= 1. 3～ 3. 3 m, l= 2 m; th e year
average tempera tur e is 16. 1℃ ; the yea r precipita tion is 1 400 mm; longitude= 117°, la titude= 30°.
① 收稿日期: 2002-12-02
基金项目: 国家 “九五” 林业科技攻关专题的一部分。
作者简介: 汪佑宏 ( 1970- ) , 男 , 博士研究生。
DOI : 10. 13610 /j . cnki . 1672 -352x . 2003. 02. 013
材采集方法》 ( GB1927- 91) 规定 [3 ] , 采集于安徽省贵池市 , 共 6株。根据每年水淹时间长短即水淹程度
不同分为两组: 第 1组每年水淹 1月左右 , 第 2组每年水淹 2月左右。 表 1列其自然条件。
1. 2　试材采集
在伐倒样木上 ,自 1. 3 m处向上截取 2 m长的木段一根 ,量出小头去皮直径 ,标上相应的样木编号。
再将 2 m长的木段锯成 6段南北向通过髓心的中心板 , 气干数月后 , 加工成标准力学试件 , 按国家标准
GB1935-1936. 2-91和 1939-91物理力学测试方法 ,在 Amsler四吨力学试机上对枫杨木材的抗弯强度、抗
弯弹性模量、 顺纹抗压强度及横纹抗压强度等进行测定 [3 ]。
2　结果与分析
2. 1　淹水程度对滩地枫杨木材力学性质的影响
由表 2可知 , 随着淹水时间的延长 , 枫杨木材的抗弯强度有第一组的 76. 62 M Pa降低到第二组的
70. 21 M Pa, 降幅达 9. 13% 。在 0. 05水平上经 T-检验结果表明 , 因淹水程度的不同而造成两组间抗弯
强度的差异显著。
表 2　木材抗弯强度、 抗弯弹性模量、 顺纹及横纹抗压强度的变异统计及差异分析
Table 2　 T-test and th e r esults o f the bending str eng th, the modulus o f bending elasticity, the compressed str eng th par allel
and perpendicular to the g rain o f w ood
项目 Item
样本数
Number o f
sample
X- S V% P% T统 T 0. 05
差异显著性
Differ ence
significance
抗弯强度 Bending str eng th 54 76. 62 6. 327 8. 26 1. 59
　 54 70. 21 4. 990 7. 11 1. 37 5. 794 1. 980 显著 Significant
抗弯弹模 Bending ela sticity modulus 53 10758 1173. 923 10. 91 2. 12
　 55 9539 1115. 919 11. 70 2. 23 5. 482 1. 980 显著 Significant
顺纹抗压 Compressiv e st rength 56 36. 14 3. 172 8. 77 1. 66
para llel to the g rain 56 32. 71 2. 578 7. 88 1. 49 6. 235 1. 980 显著 Significant
横纹抗压 (径向、 全部 )
Compressiv e streng th acro ss to the
g rain ( r adia l dir ection, w hole)
30
30
3. 14
3. 64
0. 414
0. 488
13. 17
13. 41
3. 65
3. 72 3. 873 2. 000 显著 Significant
横纹抗压 (弦向、 全部 )
Compressiv e streng th acro ss to the
g rain ( tangential direction, w hole)
30
30
2. 87
2. 77
0. 386
0. 346
13. 45
12. 48
3. 73
3. 46 0. 891 2. 000
不显著
No significant
　　注: 每项中的第 1、 2行分别为第 1、 2组 , 单位为 M Pa。
No te: The fir st /second row o f ever y item delega t No . 1 /No. 2 g r oup, respectiv ely; Unite: M Pa.
由该表 2还可知 ,滩地两组间枫杨木材的抗弯弹性模量分别为 10758 M Pa和 9539 Mpa,第二组比第
一组降低了 12. 78% , 在 0. 05水平上经 T- 检验 , 差异显著。淹水在一定程度上提高了枫杨木材的抗弯
弹性模量 (与未遭受水淹的枫杨木材相比 ) , 但淹水时间继续延长 , 其木材抗弯弹性模量又有所下降。
滩地枫杨木材顺纹抗压强度有第一组的 36. 14 M Pa降到第二组的 32. 71 Mpa, 降幅达 10. 49% , 在
0. 05水平上经 T-检验 , 其间差异显著。
滩地枫杨木材横纹 (全部 ) 抗压强度 , 第二组比第一组在径向上大出了 15. 92% , 在 0. 05水平上经
T-检验 , 两组间差异显著 ; 而在弦向上 , 木材横纹 (全部 )抗压强度 , 第二组却比第一组降低了 3. 61% ,
但在 0. 05水平上经 T-检验 , 两组间差异不显著。从表 2中还可发现 , 径向横纹抗压强度比弦向大 , 造
成这种结果的原因是木材中含有较多的木射线 , 在径向上有增强抵制外力的作用。
上述分析发现水淹时间长的枫杨木材比淹水时间短的木材各项力学指标均有降低 , 降低的幅度从横
纹抗压强度 (全部 , 弦向 ) 的 3. 61%到抗弯弹性模量的 12. 78%不等。 产生这种结果 , 是因为较长时间
的淹水改变了枫杨木材的结构或使斜纹理倾斜的角度增大 , 或水淹时间愈长 , 枫杨木材密度 (如浸提物、
吸着水含量改变而导致木材密度的变化 )、 细胞排列方向、 胞壁率、 组织比量等变异愈大以及脆性等的结
果。但径向横纹全部抗压强度除外 , 这很可能是横纹径向抗压强度在很大程度上与木射线有关 , 而第二
16930卷 2期 汪佑宏等　水淹程度对滩地枫杨主要力学性质的影响
组枫杨木材木射线比量 ( 15. 07% ) 比第一组 ( 12. 22% ) 低 [4 ]。
2. 2　枫杨木材物理力学性质的主成分分析
主成分分析是把原来多个指标化为几个少数独立综合指标的一种多元分析方法。 利用几个独立的主
成分 , 便可以反映出原来多个变量所携带的主要信息 , 从而将多个变量压缩成几个主成分 , 便可以直观
地了解枫杨木材的物理力学性能 , 从这些数据中探求各个指标的变化规律及相互关系 , 为枫杨木材的合
理开发和利用提供宝贵的理论基础 [ 5～ 9]。
现对枫杨木材的气干密度、 干缩系数 (径向、 弦向和体积干缩系数 )、 抗弯强度、 抗弯弹性模量、 顺
纹抗压强度和横纹抗压强度 (径向和弦向 ) 共 9个指标进行主成分分析 , 结果如下:
平均数向量
0. 4418 0. 1542 0. 2880 0. 4627 74. 1600 10. 2332 34. 7800 3. 3440 2. 8300
标准差向量
0. 0132 0. 0190 0. 0472 0. 0631 5. 8252 0. 7858 2. 2027 0. 3068 0. 1672
相关矩阵
1. 0000 - 0. 4901 - 0. 3569 - 0. 4051 0. 2809 0. 1574 0. 2397 0. 4057 - 0. 1155
　 1. 0000 0. 8354 0. 9455 0. 3859 0. 6462 0. 6059 - 0. 7362 0. 0930
　 　 1. 0000 0. 9464 0. 4548 0. 7131 0. 6072 - 0. 6466 0. 3847
　 　 　 1. 0000 0. 4096 0. 7120 0. 6022 - 0. 7280 0. 2994
　 　 　 　 1. 0000 0. 7408 0. 7919 - 0. 3999 - 0. 2709
　 　 　 　 　 1. 0000 0. 9022 - 0. 7010 0. 0243
　 　 　 　 　 　 1. 0000 - 0. 5176 0. 0098
　 　 　 　 　 　 　 1. 0000 - 0. 0854
　 　 　 　 　 　 　 　 1. 0000
特征根及特征向量
主成分 Y ( 1) Y ( 2) Y ( 3) Y ( 4) Y ( 5) Y ( 6) Y ( 7) Y ( 8) Y ( 9)
　　特征向量
X= 1 0. 1050 0. 5961 0. 4136 - 0. 0752 0. 3492 - 0. 3638 0. 3637 0. 2651 - 0. 0101
X= 2 0. 3972 - 0. 1938 - 0. 1862 0. 2471 0. 4036 0. 1861 0. 4267 0. 0704 - 0. 5696
X= 3 0. 4015 - 0. 1722 0. 1729 0. 3187 - 0. 1788 - 0. 3883 - 0. 3806 0. 5899 - 0. 0454
X= 4 0. 4128 - 0. 2000 0. 0467 0. 2249 0. 1819 - 0. 2895 0. 2740 - 0. 3846 0. 6301
X= 5 0. 2863 0. 4595 - 0. 1109 0. 2037 - 0. 7189 0. 0154 0. 3124 - 0. 1539 - 0. 1214
X= 6 0. 3924 0. 2670 0. 0846 - 0. 2543 0. 1848 - 0. 2139 - 0. 5015 - 0. 5105 - 0. 3330
X= 7 0. 3594 0. 3459 0. 1271 0. 0432 0. 1802 0. 7067 - 0. 2072 0. 2080 0. 3392
X= 8 - 0. 3597 0. 1241 0. 2151 0. 8067 0. 1163 0. 0744 - 0. 2189 - 0. 2829 - 0. 1057
X= 9 0. 0715 - 0. 3465 0. 8248 - 0. 1496 - 0. 2305 0. 2179 0. 1606 - 0. 1455 - 0. 1566
特征根 5. 1050 1. 9760 1. 0368 0. 3864 0. 2454 0. 1486 0. 0857 0. 0157 0. 0003
贡献率 /% = 56. 7227 21. 9556 11. 5204 4. 2935 2. 7272 1. 6508 0. 9527 0. 1743 0. 0028
累计贡献率 /% = 56. 7227 78. 6783 90. 1987 94. 4922 97. 2194 98. 8702 99. 8229 99. 9972 100. 0000
因子负荷量
主成分 Y ( 1) Y ( 2) Y ( 3) Y ( 4) Y ( 5) Y ( 6) Y ( 7) Y ( 8) Y ( 9)
X= 1 - 0. 2373 0. 8379 0. 4211 - 0. 0467 0. 1730 - 0. 1402 0. 1065 0. 0332 - 0. 0002
X= 2 0. 8974 - 0. 2725 - 0. 1896 0. 1536 0. 1999 0. 0717 0. 1249 0. 0088 - 0. 0091
X= 3 0. 9072 - 0. 2420 0. 1760 0. 1981 - 0. 0886 - 0. 1497 - 0. 1114 0. 0739 - 0. 0007
X= 4 0. 9326 - 0. 2811 0. 0476 0. 1398 0. 0901 - 0. 1116 0. 0802 - 0. 0482 0. 0100
X= 5 0. 6469 0. 6459 - 0. 1129 0. 1266 - 0. 3562 0. 0060 0. 0915 - 0. 0193 - 0. 0019
X= 6 0. 8865 0. 3753 0. 0861 - 0. 1581 0. 0915 - 0. 0825 - 0. 1468 - 0. 0639 - 0. 0053
X= 7 0. 8121 0. 4863 0. 1294 0. 0269 0. 0893 0. 2724 - 0. 0607 0. 0260 0. 0054
X= 8 - 0. 8128 0. 1744 0. 2190 0. 5014 0. 0576 0. 0287 - 0. 0641 - 0. 0354 - 0. 0017
X= 9 0. 1615 - 0. 4870 0. 8399 - 0. 0930 - 0. 1142 0. 0840 0. 0470 - 0. 0182 - 0. 0025
X1-气干密度 X2- 径向干缩系数 X3-弦向干缩系数 X4-体积干缩系数 X5-抗弯强度
X6-抗弯弹性模量 X7- 顺纹抗压强度 X8-横纹全部抗压强度 (径向 ) X9-横纹全部抗压强度 (弦向 )
170 安 徽 农 业 大 学 学 报 2003年
　　由以上结果可以看出: 第一主成分贡献率为 56. 7% , 第二主成分的贡献率为 22. 0% , 前两个主成分
的累计贡献率接近 85% ,也就是说前 2个主成分集中了 9个变量的 85%左右的信息。因子负荷量第一主
成分中 , 除气干密度和横纹 (全部 ) 抗压强度 (径向 ) 外 , 其余因子负荷量均为正值 ; 同时还可以发现 ,
绝大多数因子负荷量的绝对值都是在 0. 8以上。其中干缩系数因子负荷量均在 0. 9左右 , 即第一主成分
集中反映了与木材干缩性能有关的全部变量 , 它们的大小可以表明干缩性的高低。第二主成分中只有气
干密度、 抗弯强度、 顺纹抗压和横纹 (全部 ) 抗压强度 (弦向 ) 的因子负荷量较大 , 反映了木材力学强
度的高低。这第二主成分类同于人们习惯上所说的木材强度 , 强度指标高的木材 , 其抗弯、 抗压强度等
各项指标都较高。 第三主成分中 , 木材密度及横纹 (全部 ) 抗压强度 (弦向 ) 较大 ; 第四主成分中 , 木
材横纹 (全部 ) 抗压强度 (径向 ) 较大 ; 第五主成分中 , 木材抗弯强度较大。后 3个主成分反映了某几
个指标的高低 , 称为特殊指标 ; 可以在干缩指标和强度指标大致相同时 , 运用特殊指标进一步加以区分。
2. 3　滩地枫杨木材材质等级
木材是一种自然成长的物质。性质是用来描述物质的 , 即反映它们的本质。 从利用角度来说 , 木材
品质因子是指对木材使用价值有影响的那部分木材性质 , 并且它们在木材间还要有差异 , 这样才能构成
对木材的影响。一般地说 , 对尚未肯定最终用途的木材 , 只要采用几个对多种用途均有影响的因子 , 主
要包括木材的密度、 强度、 天然耐久性、 尺寸稳定性和易裂状况 [10 ]等。作者选用木材气干密度、 抗弯强
度、 抗弯弹性模量、 顺纹抗压强度、 体积干缩系数和差异干缩等作为滩地枫杨材质的评估因子来评价木
材材质的好坏 [1, 10 ] , 见表 3。
表 3　材质等级及评估
Table 3　 The g rade o f wood quality and eva luation
项目 Item 级别 Rank
气干密度 /g· cm- 3 甚轻 Very light 轻 Light 中 Middle 重 Heavy 甚重 Very heavy
Air drying density ≤ 0. 35 0. 351～ 0. 550* */* 0. 551～ 0. 750 0. 751～ 0. 950 > 0. 950
体积干缩系数 /%
Volum e drying
shrinkage coefficient
甚小 V ery sma ll
≤ 0. 35
小 Small
0. 36～ 0. 45* *
中 Middle
0. 46～ 0. 55*
大 Large
0. 55～ 0. 65
甚大 Very la rg e
> 0. 65
差异干缩 小 Sma ll 中 Middle 大 Large 甚大 Very larg e
Differ ence drying shrinkage ≤ 1. 80* * 1. 81～ 2. 20* 2. 21～ 2. 60 > 0. 26
抗弯强度 /M Pa 甚低 Very low 低 Low 中 Middle 高 High 甚高 Very high
Bending str eng th ≤ 50 50～ 80* /* * 81～ 120 121～ 170 > 170
抗弯弹性模量 /GPa 甚低 Very low 低 Low 中 Middle 高 High 甚高 Very high
Bending elasticity modulus ≤ 9 9. 1～ 11. 8* /* * 11. 9～ 14. 7 14. 8～ 18. 6 > 18. 7
顺纹抗压强度 /M Pa
Compression str eng th
para llel to the g rain
甚低 Very low
≤ 24. 5
低 Low
24. 6～ 34. 3* *
中 Middle
34. 4～ 54. 9*
高 High
55. 0～ 82. 4
甚高 Very high
> 82. 4
　　注: 含水率皆为 12. 0% ; * /* * 分别代表物理力学性质所在的级别。
No te: Moistur e= 12. 0% ; * /* * - the r ank o f the ph ysicial and mechanical proper ty.
由表 3可知 , 两组木材的各项指标基本上均属于 “中等” 偏下 , 淹水时间长短对枫杨木材的气干密
度、 抗弯强度和抗弯弹性模量均有影响 , 但不影响木材等级划分。随着淹水时间的延长 , 其木材的体积
干缩系数、 差异干缩和顺纹抗压强度降低一个等级 ; 部分力学强度也有所下降 , 从利用木材的强度指标
方面而言又是不利的。
3　结论
各类力学强度中除横纹 (全部 ) 抗压强度 (径向 ) 是第二组高于第一组外 , 抗弯强度、 抗弯弹性模
量、 顺纹抗压强度及横纹 (全部 ) 抗压强度 (弦向 ) 均是第一组高于第二组 , 并且除横纹 (全部 ) 抗压
强度 (弦向 )外 , 差异在 0. 05水平上均显著 ,由此可见淹水时间延长 , 其主要力学性质基本上有所下降。
对枫杨木材主要物理力学指标作主成分分析 ,结果说明了木材干缩性是滩地枫杨木材的第一主成分 ;
而力学强度为第二主成分。
17130卷 2期 汪佑宏等　水淹程度对滩地枫杨主要力学性质的影响
两组木材的各项指标基本上均属于中等偏下 , 淹水时间长短对枫杨木材的抗弯强度、 抗弯弹性模量
均有影响 , 但不影响木材等级划分。 淹水时间较长的 , 只其木材顺纹抗压强度降低了一个等级。
致谢: 本文是在江泽慧教授指导下完成的 ; 试验过程中得到卫广扬先生、 柯曙华老师和王传贵副教
授的热情帮助 , 在此表示感谢!
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Effect o f Flooding Deg ree on the Main Mechanic Properties
of Pterocarya stenoptera Grow n in th e Beaches
WANG You-hong
1
, CAO Ren-zhong
2
, XU Bin
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, L IU Xing-e
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( 1. Co llege o f Fo rest U tilization, Anhui Ag ricultura l Univ er sity , Hefei 230036;
2. Machang Fo rest Sta tion, Quanjiao County , Anhui Province)
Abstract: The results indicated that the mechanical st reng ths o f No. 1 g roup ( f looded for one
month) w ere nea rly all higher than tha t o f No. 2 ( f looded for tw o months) , and nearly a ll the discrepan-
cies of them were significant at 0. 05 lev el. Based on the proper ty g rade, all the properties o f the w ood
w ere lower than that o f middle g rade. Principal component analysis on physical and mechanical proper ties
o f w ood of Pterocarya stenoptera indicated tha t the sh rinkage w as the fi rst prinicipal component and the
mechanical streng th w as the second one.
Key words: f looding deg ree; beach; Pterocarya stenoptera; mechanic properties
172 安 徽 农 业 大 学 学 报 2003年