全 文 ：第 38 卷 第 5 期
2014 年 9 月
南京林业大学学报(自然科学版)
Journal of Nanjing Forestry University (Natural Sciences Edition)
Vol． 38，No． 5
Sept．，2014
doi:10． 3969 / j． issn． 1000 － 2006． 2014． 05． 006
收稿日期:2013 － 07 － 24 修回日期:2013 － 12 － 15
基金项目:国家自然科学基金项目(31300474) ;黑龙江省自然科学基金面上项目(C201410) ;中央高校基本科研专项资金项目
(DL11CB02)
第一作者:徐华东，讲师，博士。* 通信作者:王立海，教授。E-mail:lihaiwang@ yahoo． com。
引文格式:徐华东，徐国祺，王立海． 低温对红松和大青杨木材力学性质的影响［J］． 南京林业大学学报:自然科学版，2014，38(5) :25
－28．
低温对红松和大青杨木材力学性质的影响
徐华东，徐国祺，王立海*
(东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040)
摘要:以红松和大青杨木材为例，研究环境温度变化(尤其是低温)对木材力学性质的影响。在气干和饱湿状态
下，对标准样本进行静载荷测试，获取两种木材心材和边材件在温度为 20、5、－ 5 和 － 20 ℃时的抗弯弹性模量、
抗弯强度和顺纹抗压强度，分析各参数随温度降低的变化规律。结果表明:温度是影响木材力学性质的一个重
要因素，随温度降低，气干材的抗弯弹性模量、抗弯强度和顺纹抗压强度均以近似线性趋势增大;饱湿材各力学
参数变化曲线则存在拐点，在 － 5 ～ 20 ℃之间，随着温度降低，各力学指标增大较慢，在 － 20 ～ － 5 ℃之间，随着
温度降低，各力学指标增大较快;与气干材相比，饱湿材的各力学参数对低温响应更敏感，－ 20 ℃时饱湿材各力
学参数较 20 ℃时提高约 67%，而气干材 － 20 ℃时各力学参数仅约较 20 ℃时提高 15%。
关键词:红松;大青杨;低温;弹性模量;强度
中图分类号:S781． 2 文献标志码:A 文章编号:1000 － 2006(2014)05 － 0025 － 04
Effect of low temperature on the mechanical properties of Pinus koraiensis and
Populus ussuriensis timber
XU Huadong，XU Guoqi，WANG Lihai*
(College of Engineering Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)
Abstract:Pinus koraiensis and Populus ussuriensis timber were used to study the influence of environmental temperature
(especially low temperature)on the mechanical properties of wood in this paper． The wood specimens of two species
were conducted a series of wood quality tests at air-dried and wet conditions． Then the modulus of elasticity (MOE) ，
modulus of rupture (MOＲ)and compression strength of heartwood and sapwood were obtained and analyzed at － 20 ℃，
－ 5 ℃，5 ℃，and 20 ℃ temperature． The results showed that temperature was one of the important factors affecting the
MOE，MOＲ and compression strength of wood． As temperature decreased，these mechanical parameters of air-dried wood
increased linearly，but for the nonlinearly increased wet wood，these parameters decreased from 20 ℃ to － 5 ℃，but in-
creased fast from － 5 ℃ to － 20 ℃ ． The mechanical properties of wet wood were more sensitive to low temperature than
that of air-dried wood，which of wet wood were about 67% higher at － 20 ℃ than that at 20 ℃，but the corresponding
value of air-dried wood only increased about 15% ．
Key words:Pinus koraiensis;Populus ussuriensis;cold temperature;MOE;strength
木材是各向异性材料［1］，其力学性质异于均质
材料。影响木材力学性质的因素较多，如密度、含
水率、温度、微观构造［2］、纹理及缺陷［3 － 4］等。当木
材作为建筑材时，在其他因素稳定的情况下，含水
率和温度是两个重要的影响因素［5 － 6］。
长期以来，木材力学性能主要在恒温、恒湿条
件下测量［3，6 － 7］。而木材作为建筑结构材时，其环
境温度是变化的。因此需要研究环境温度变化时
木材力学性能是否变化，以及变化范围能否满足建
筑材料的强度要求。
国内学者有关温度和木材力学性质的关系研
究，多集中于高温加热、热处理或干燥过程中温度
变化对其力学性能的影响［8 － 10］，而对低温(尤其温
度 ＜ 0 ℃)时木材力学性质变化规律的研究相对较
少。Green等［6］研究表明温度降低会导致木材弹
性模量(MOE)增大，在 0 ℃附近 MOE 值存在转折
南 京 林 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 第 38 卷
区域，文献［7］研究也证明了这点;Ayrilmis等［11］研
究表明木质材料 MOE 和抗弯强度(MOＲ)随温度
降低会变大。李凯夫［12］研究表明在冰点以下温
度，红松 MOＲ和 MOE值有增大趋势。上述研究多
针对单一指标(如 MOE)开展研究，以趋势性研究
为主，量化研究较少。
笔者依据我国东北地区气候条件，选用典型木
材红松(Pinus koraiensis)和大青杨(Populus ussu-
riensis) ，采用静载荷方法，分析温度(尤其低温)对
MOE、MOＲ和顺纹抗压强度等力学性质的影响，以
期为低温条件下的木材应用提供科学指导。
1 材料与方法
1． 1 试验材料
以红松和大青杨作为试材，依据国标(GB
1929—91，GB 1936． 2—91 和 GB 1936． 1—91)制作
抗弯试样，尺寸为 300 mm × 20 mm × 20 mm。MOE
和 MOＲ测试用同一组试样。两树种试样数量各为
160个，心材和边材各为 80个。
按照国标 (GB 1929—91 和 GB 1935—91)制
作顺纹抗压试样，尺寸为 30 mm × 20 mm × 20 mm。
试件数量同样各为 160 个，心材和边材各 80 个。
1． 2 样本温度与含水率调节
试样制好后，为使其性质恒定，在实验室内存
放 3 个月。气干状态下，测定试样含水率和各力学
指标;然后，利用超低温冰柜调节气干材的温度(5、
－ 5 和 － 20 ℃) ，每一温度下，将试样(密封状态)
放置冰柜至少 12 h，使其内外温度一致;最后，分别
测定试样各力学指标。
气干材测试后，将所有试样浸水达 1 月，使其
处于饱水状态;然后在室温 20 ℃时测其含水率和
各力学指标;最后，利用超低温冰柜调节温度为 5、
－ 5 和 － 20 ℃，再分别测饱湿试样的各力学指标。
红松气干材试样含水率为 6% ～ 9%，大青杨
为 12% ～15%;红松饱湿材试样含水率为 120% ～
143%，大青杨为 139% ～160%。
1． 3 力学性质测试
依据国标 (GB 1936． 1—91 和 GB 1935—91) ，
利用力学试验机，测试试样在 20、5、－ 5 和 － 20 ℃
时的 MOＲ和顺纹抗压强度。MOE 采用 3 点弯曲
法测试。Bancheriau等［13］研究表明试件的 MOE 可
按以下公式计算:
MOE = l
3
4wh3
× ΔF
Δs
。 (1)
式中:l为支点间距，mm;h为试样高度，mm;w为试
样宽度，mm;ΔF 为弹性阶段载荷增量，kN;Δs 为
ΔF区间的垂直位移量，mm。
最后，对试样在不同温度的 MOE、MOＲ和顺纹
抗压强度进行比较。
2 结果与分析
2． 1 抗弯弹性模量对温度变化的响应
不同温度时气干材和饱湿材的 MOE对比见图
1。随温度降低，气干材和饱湿材 MOE都增大。然
而，二者随温度变化曲线不相同。随温度降低，气
干材 MOE近似线性增加;而饱湿材变化趋势存在
拐点，以非线性趋势增加。当温度低于 － 5 ℃时，
随着温度降低饱湿材 MOE 快速上升，大青杨比较
显著。与 20 ℃时相比，红松气干心材在 － 20 ℃时
MOE提高比例为 17． 6%，气干边材为 14. 0%，饱
湿心材为 24. 7%，饱湿边材为 48. 7%;大青杨的气
干心材、气干边材、饱湿心材、饱湿边材 MOE 分别
提高 7. 6%、8. 1%、83. 3%和 49. 1%。与 － 5 ℃时
相比，红松气干心材在 － 20 ℃时，MOE提高比例为
5. 86%，气干边材为 2. 5%，饱湿心材为 14. 4%，饱
湿边材为 34. 5%;大青杨的气干心材、气干边材、
图 1 不同温度气干材与饱湿材试样抗弯弹性模量比较
Fig． 1 Comparison of MOE between air-dired wood and wet wood at different temperature
62
第 5 期 徐华东，等:低温对红松和大青杨木材力学性质的影响
饱湿心材、饱湿边材 MOE 分别提高 4. 3%、3. 3%、
62. 6%和 37. 3%。这一差异主要是由同树种木材
的心、边材结构差异所导致的。MOE 的绝对变化
量验证了上述规律，即随温度降低，气干材和饱湿
材的 MOE均升高，饱湿材变化更显著，尤其当温度
＜ － 5 ℃时，变化更大。
温度在 20 ℃时，气干材心材和边材的 MOE均
高于饱湿材的;然而，当温度降低时，差值在逐渐变
小。特别地，当温度低至 － 20 ℃时，大青杨饱湿材
的 MOE甚至高于气干材。这表明，饱湿材 MOE 对
温度变化更敏感，尤其当温度 ＜ 0 ℃时，饱湿材
MOE变化很大。这主要是因为饱湿材内部含大量
自由水，随温度降低，水分会产生相变，由液态水转
变为固态冰，导致构成木材的成分发生变化［14 － 15］，
其 MOE也随之发生剧烈变化。
2． 2 抗弯强度对温度变化的响应
当温度降低时，红松和大青杨两种木材气干材
及饱湿材的 MOＲ 均逐渐变大(图 2)。随温度降
低，气干材 MOＲ近似线性增大;饱湿材 MOＲ 变化
趋势则存在拐点，以非线性趋势增大。
与 20 ℃时相比，红松气干心材 － 20 ℃时 MOＲ
提高比例为 6. 4%，气干边材为 6. 0%，饱湿心材为
71. 0%，饱湿边材为 69. 9%;大青杨的气干心材、
气干边材、饱湿心材、饱湿边材 MOＲ 分别提高
11. 1%、27. 6%、79. 7%和 80. 3%。与 － 5 ℃相比，
红松的气干心材、气干边材、饱湿心材、饱湿边材
MOＲ分别提高 2. 9%、1. 7%、36. 4%和 33. 5%;大
青杨的气干心材、气干边材、饱湿心材、饱湿边材
MOＲ 分别提高 20. 4%、2. 6%、50. 9% 和 51. 1%。
这些数据表明，随温度降低，饱湿材 MOＲ变化量比
气干材大，甚至达到其 10 倍。而在饱湿材 MOＲ变
化过程中，温度低于 － 5 ℃后 MOＲ 的变化量占到
总体变化量的 60% ～ 76%。这也主要因为饱湿材
内部大量自由水发生相变所致。
温度 20 ℃时，两树种气干材 MOＲ 均高于饱湿
材。但随温度变低，这一差异在减小。当温度低至
－20 ℃时，大青杨饱湿材MOＲ大于气干状态对应值。
图 2 不同温度气干材与饱湿材试样抗弯强度比较
Fig． 2 Comparison of the MOＲ between air-dired wood and wet wood at different temperature
2． 3 顺纹抗压强度对温度变化的响应
在气干和饱湿状态下，随温度降低，两种木材
顺纹抗压强度均逐渐变大。气干材顺纹抗压强度
近似线性增加;而饱湿材非线性增加，且在 － 5 ℃
之前，增大幅度较小，－ 5 ℃后变化则非常明显
(图 3)。
图 3 不同温度气干材与饱湿材试样顺纹抗压强度比较
Fig． 3 Comparison of the compression strength between air-dired wood and wet wood at different temperature
72
南 京 林 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 第 38 卷
与 20 ℃时相比，红松气干心材 － 20 ℃时顺纹
抗压强度提高比例为 16. 1%，气干边材为 31. 6%，
饱湿心材为 62. 2%，饱湿边材为 66. 3%;大青杨的
气干心材、气干边材、饱湿心材、饱湿边材顺纹抗压
强度分别提高 23. 0%、19. 6%、90. 9%和 80. 7%。
与 － 5 ℃时相比，红松在 － 20 ℃时气干心材、气干
边材、饱湿心材、饱湿边材顺纹抗压强度分别提高
12. 3%、22. 3%、31. 5%和 27. 3%;大青杨的气干心
材、气干边材、饱湿心材、饱湿边材顺纹抗压强度分
别提高 10. 5%、7. 8%、55. 6%和 48. 5%。这表明，
随温度降低，饱湿材顺纹抗压强度变化量比气干材
大，最高达 5 倍。而在饱湿材抗压强度变化过程
中，－ 5 ℃后的变化量占总变化量的 71% ～78%。
3 结 论
1)温度是影响红松和大青杨木材力学性质
(MOE、MOＲ和顺纹抗压强度等)的一个重要因素。
随温度降低，各力学参数均增大，但气干材和饱湿
材各力学参数的变化曲线不同。气干材各参数随
温度降低近似线性增大;而饱湿材变化曲线存在拐
点，在 － 5 ～ 20 ℃间，随温度降低，各力学参数增加
较缓慢，但在 － 20 ～ － 5 ℃间增大较快。
2)与气干材相比，饱湿材各力学参数对低温响
应更敏感，－ 20 ℃时饱湿材的各参数较 20 ℃时升
高约 67%，而气干材仅约为 15%。
因此，若用常温实验室中测得的木材力学参数
估计低温时的力学参数，需考虑含水率影响。对于
气干材，可建立线性模型来预测;而对于高含水率
木材，需分阶段建回归模型或建非线性模型才能合
理预测。对低温地区的木材应用，尤其极寒地区
(如我国东北部) ，充分考虑低温对其力学性质的
影响，要充分利用温度降低导致力学性能增强这一
特点。
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(责任编辑 李燕文)
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