低溫處理對(duì)樺木抗彎性能的影響*

趙麗媛,江京輝, 呂建雄, 張雙保，于爭爭

(1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091;

2. 北京林業(yè)大學(xué) 木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

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低溫處理對(duì)樺木抗彎性能的影響*

趙麗媛1,江京輝1, 呂建雄1, 張雙保2，于爭爭2

(1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091;

2. 北京林業(yè)大學(xué) 木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

摘要：以樺木(Betula platyphylla)飽水材和生材為研究對(duì)象，分別測(cè)試了試樣經(jīng) -20，-70，-100，-160和-196 ℃低溫處理48 h,之后取出置于室溫24 h后的抗彎彈性模量(MOE)和抗彎強(qiáng)度(MOR)。研究結(jié)果表明，經(jīng)低溫處理后，試樣MOE和MOR與未處理材相比均有所增加，飽水材和生材MOE的最大增加量分別為7.4%和4.6%，MOR的最大增加量分別為7.4%和6.8%，但在任一溫度水平上，低溫處理對(duì)MOE和MOR的增加均不顯著，同時(shí)，不同低溫處理溫度之間力學(xué)性能無顯著差異；經(jīng)過低溫處理后，試樣延性系數(shù)增加，變形能力提高；與混凝土經(jīng)低溫作用后強(qiáng)度下降相比，木材抗低溫性能優(yōu)于混凝土。

關(guān)鍵詞：低溫處理；抗彎彈性模量；抗彎強(qiáng)度；延性系數(shù)

1引言

木材作為一種可再生的環(huán)境友好資源，被廣泛用于結(jié)構(gòu)建筑、室內(nèi)裝修等領(lǐng)域?？箯澬阅苁悄静淖鳛榻ㄖ牧鲜褂脮r(shí)的一個(gè)重要力學(xué)性能指標(biāo)，而溫度則是影響木材力學(xué)性質(zhì)的重要因素之一。

關(guān)于溫度對(duì)木材性能的影響分為溫度環(huán)境下及溫度處理兩個(gè)方面。溫度處理是指木材在一定溫度環(huán)境下保持一段時(shí)間后回至室溫的材料改性過程，包括高溫?zé)崽幚砑暗蜏靥幚?。目前關(guān)于高溫?zé)崽幚韺?duì)木材力學(xué)性能的影響研究已有很多，木材經(jīng)熱處理后，尺寸穩(wěn)定性大幅提高，力學(xué)性能下降[1-2]，而關(guān)于低溫(< 0 ℃)作用對(duì)木材力學(xué)性質(zhì)的研究相對(duì)較少。隨著人們對(duì)低溫領(lǐng)域材料的探索，低溫對(duì)木材性能的影響也受到了關(guān)注。目前已知的木材及木制品在低溫領(lǐng)域的應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面：樺木膠合板在-163 ℃作為LNG船(液化天然氣專用船舶)的箱體材料時(shí)，會(huì)隨著LNG儲(chǔ)量的不同經(jīng)歷低溫至室溫的過程[3]；木材作為木結(jié)構(gòu)房屋屋頂，在寒冷天氣會(huì)承受大雪的壓力及低溫的影響[4]。

關(guān)于低溫處理較多見于對(duì)金屬和聚合物材料的改性研究，通過低溫處理能夠改善材料的強(qiáng)度、韌性和耐磨性，減小變形，從而使材料的性能更優(yōu)良和持久[5]。在木材的低溫處理方面，美國Kendra等將木質(zhì)棒球棒經(jīng)-310 ℉(-190 ℃)處理24 h后緩慢均勻回至室溫，發(fā)現(xiàn)棒球棒的抗彎強(qiáng)度與未進(jìn)行低溫處理試樣相比，提高了26%，通過低溫處理可以加強(qiáng)木質(zhì)棒球棒的抗彎強(qiáng)度，減少發(fā)生斷裂的可能性，從而增加了球員和球迷的安全性[6]。在木質(zhì)人造板的低溫處理方面，Ayrilmis和Bekhta等分別研究了-30～0 ℃膠合板、中密度纖維板等經(jīng)低溫處理48 h后的性能變化，表明人造板抗彎強(qiáng)度(MOR)和抗彎彈性模量(MOE)均有所增加，并與溫度呈線性關(guān)系[4]，人造板經(jīng)低溫處理后彎曲性能的增加一方面歸因于木材細(xì)胞壁結(jié)晶的形成，同時(shí)還由于隨著溫度的降低，分子間距離變小，結(jié)合力增強(qiáng)，從而聚合物強(qiáng)度增加[4]。張曉冬等對(duì)樺木膠合板經(jīng)-162 ℃處理48 h后的剪切強(qiáng)度、靜曲強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)3項(xiàng)性能指標(biāo)經(jīng)低溫處理后均降低[7]，程秀才也得出類似結(jié)論，這是因?yàn)榈蜏靥幚韺?dǎo)致膠合板膠層中的膠粘劑層脆化，降低了膠合板的膠合性能[8]。而對(duì)于作為另一大建筑材料的混凝土，已有的凍融作用研究表明，混凝土在降溫過程中因內(nèi)部水分結(jié)冰體積膨脹，造成結(jié)冰孔隙周邊混凝土的損傷，導(dǎo)致回至室溫后混凝土力學(xué)性能的惡化，在經(jīng)歷1次-196～20 ℃的循環(huán)后，混凝土的抗壓強(qiáng)度降低了12.2%[9]。由于金屬、木材及混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，低溫作用對(duì)其的影響不同，會(huì)導(dǎo)致經(jīng)歷低溫作用后性能變化的差異。

在上述的研究中，關(guān)于實(shí)體木材低溫處理的研究較少，同時(shí)也缺乏系統(tǒng)性。在前期的試驗(yàn)中，對(duì)柞木 (Quercus mongolica) 氣干材經(jīng)-110，-196及-269 ℃分別處理48，48和24 h后MOE、MOR及順紋抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明低溫處理后與未處理材相比各項(xiàng)性能無顯著性差異，不同處理溫度之間差異也不顯著?？紤]到低溫環(huán)境下木材中的水形成冰晶時(shí)會(huì)發(fā)生體積膨脹，冰晶升華時(shí)細(xì)胞壁易發(fā)生皺縮，甚至引起木材細(xì)胞壁破壞[10]，因此本文選擇含水率高的飽水和生材兩種狀態(tài)的樺木試材，采用不同的低溫處理溫度，探討低溫處理前后的試樣MOE及MOR。并通過對(duì)低溫處理前后試樣的延性系數(shù)進(jìn)行了分析，從材料變形的角度分析木材的力學(xué)性能。

2實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)材料

選材為樺木(Betula platyphylla)木材，采自吉林敦化，生材平均含水率為67%，平均氣干密度為0.57 g/cm3。

2.2試樣含水率的調(diào)整

本次實(shí)驗(yàn)包括生材和飽水2種含水率狀態(tài)試材。含水率調(diào)整方法：將鋸好的試樣分別隨機(jī)分成2組，第1組為試樣生材狀態(tài)；第2組浸泡于水中至少2個(gè)月至試樣質(zhì)量不再發(fā)生變化為試樣的飽水狀態(tài)。經(jīng)過調(diào)整后飽水材平均含水率為136%。

2.3抗彎測(cè)試

選取5個(gè)低溫溫度點(diǎn)為-20，-70，-100，-160和-196 ℃，處理時(shí)間為48 h，并將20 ℃時(shí)的測(cè)試組設(shè)為對(duì)照組。將飽水和生材試樣用塑封袋密封后置于低溫處理罐中，利用液氮降溫，處理罐內(nèi)的溫度采用熱電偶進(jìn)行監(jiān)測(cè)，-196 ℃為直接浸泡于液氮中。待試樣內(nèi)部溫度降至設(shè)定溫度后開始計(jì)算處理時(shí)間，之后取出在室溫下保持24 h后進(jìn)行抗彎測(cè)試。為了使試樣含水率不發(fā)生變化，試樣在整個(gè)處理過程中需用塑封袋密封。

測(cè)試設(shè)備為Instron5582萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試MOE和MOR采用同一根試樣，試樣尺寸為20 mm(R) ×20 mm(T) ×300 mm(L)。測(cè)試方法分別參照GB/T 1936.2-2009[11]和GB/T 1936.1-2009[12]進(jìn)行，試樣重復(fù)數(shù)為20。

2.4力學(xué)性能參數(shù)

抗彎彈性模量(MOE)，抗彎強(qiáng)度(MOR)、延性系數(shù)[13](μ)的計(jì)算公式分別見式(1)-(3)

(1)

(2)

(3)

式中，F(xiàn)max為最大破壞載荷，N；F為彈性范圍內(nèi)上下限荷載之差，N；L為兩支座間跨距，mm；b為試樣的寬度，mm；h為試樣的高度，mm；s為對(duì)應(yīng)F的上下限荷載間的試樣變形值，mm； Δu為載荷下降到0.85Fmax時(shí)對(duì)應(yīng)的極限位移，mm。

3結(jié)果與討論

3.1抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度

圖1和2分別為樺木飽水材和生材試樣MOE和MOR測(cè)試結(jié)果。經(jīng)過低溫處理后，樺木試樣MOE和MOR均有所增加。對(duì)照組(未處理)飽水材MOE和MOR的平均值分別為11.5 GPa和50.0 MPa，經(jīng)過-20，-70，-100，-160和-196 ℃低溫處理48 h后，MOE和MOR的最大增加量均為7.4%；對(duì)照組生材MOE和MOR的平均值分別為12.2 GPa和52.3 MPa，經(jīng)過不同溫度的低溫處理后，MOE和MOR的最大增加量分別為4.6%和6.8%。

圖1　飽水材低溫處理前后MOE和MOR

Fig 1 MOE and MOR of water-saturated wood specimens before and after the low temperature treatment

圖2　生材低溫處理前后MOE和MOR

Fig 2 MOE and MOR of green wood specimens before and after the low temperature treatment

經(jīng)過低溫處理后試樣力學(xué)性能的增加可能包括兩方面的原因：一方面，前人在研究金屬和合金等材料的低溫處理性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，其耐磨性、穩(wěn)定性以及強(qiáng)度均增加，原因是在低溫處理過程中減慢了原子水平上的運(yùn)動(dòng)，增加了內(nèi)部分子結(jié)合能，從而促成了材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)平衡，最終獲得具有均勻、精致、致密微觀結(jié)構(gòu)的材料，也即通過低溫處理進(jìn)一步完善了材料的晶格結(jié)構(gòu)和碳微粒分布，降低材料的殘余應(yīng)力[14]，從而使其物理和機(jī)械性能均有所改善。由此推斷出本文中通過低溫處理過程，釋放了木材內(nèi)部的部分殘余應(yīng)力，進(jìn)而提高了木材的抗彎模量及強(qiáng)度。另一個(gè)可能的原因?yàn)?，由于木材分子鏈上的羥基是親水性基團(tuán)[15]，隨著溫度的降低，分子間距離減小，木材分子與水分子之間的結(jié)合力增強(qiáng)，回至室溫后，可能有部分結(jié)合力尚未恢復(fù)，導(dǎo)致經(jīng)過低溫處理后的木材與水分子之間的結(jié)合力強(qiáng)于未經(jīng)過低溫處理的試材。

運(yùn)用SPSS軟件，采用單因素方差分析方法，分析低溫處理前后及不同低溫處理溫度之間試樣MOE和MOR的差異，顯著性水平設(shè)為0.05。結(jié)果表明，無論生材或飽水材，低溫處理前后試樣MOE和MOR均沒有顯著差異(P=0.18～0.055)，同時(shí)不同低溫處理溫度之間MOE和MOR也無顯著差異(P=0.19～0.085)。與已有研究相比，本文中MOE和MOR與未處理材相比增加量較少[8]，且處理過程對(duì)MOE和MOR的影響不顯著，原因可能是所選試樣含水率的不同以及在處理過程中降溫和升溫的方法及速率不同所致。

3.2延性系數(shù)

構(gòu)件的某個(gè)截面從屈服開始到達(dá)最大承載能力或到達(dá)以后而承載能力還沒有明顯下降期間的變形能力，即為延性，通常用延性系數(shù)來表示。延性系數(shù)是表征試樣變形能力的一個(gè)參數(shù)，已有研究表明，材料經(jīng)過高溫作用后，延性系數(shù)會(huì)減小，即高溫會(huì)導(dǎo)致材料變脆[16]。飽水和生材試樣低溫處理前后延性系數(shù)計(jì)算結(jié)果分別如圖3和4所示。

圖3　低溫處理前后飽水試樣延性系數(shù)

Fig 3 Ductility ratio of water-saturated wood specimens before and after the low temperature treatment

圖4　低溫處理前后生材試樣延性系數(shù)

Fig 4 Ductility ratio of green wood specimens before and after the low temperature treatment

飽水材未經(jīng)低溫處理時(shí)的延性系數(shù)平均值為6.27，經(jīng)過不同溫度低溫處理后(-20，-70，-100，-160和-196 ℃)，延性系數(shù)分別增加了2.9%，39.3%，93.4%，95.4%和91.6%；生材未經(jīng)低溫處理時(shí)的延性系數(shù)平均值為7.25，經(jīng)過不同溫度低溫處理后，延性系數(shù)分別增加了28.5%，51.4%，61.7%，64.4%和48.5%。試樣經(jīng)-20～-100 ℃低溫處理后，隨著溫度的降低，延性系數(shù)近似線性增加，而隨著處理溫度的繼續(xù)降低，延性系數(shù)基本不變。

經(jīng)過低溫處理后，試樣延性系數(shù)增加，說明變形能力增強(qiáng)?？赡艿脑蚴窃嚇咏?jīng)過低溫處理后，釋放了木材內(nèi)部的部分殘余應(yīng)力，進(jìn)而提高了試樣的抗彎性能。

3.3與混凝土材料的比較

木材與混凝土都屬于多孔性的結(jié)構(gòu)材料。對(duì)于混凝土來說，在經(jīng)歷低溫至室溫凍融作用后，強(qiáng)度會(huì)有較大的損失?；炷猎?130 ℃時(shí)抗壓強(qiáng)度和模量最高，當(dāng)從低溫回至室溫時(shí)，隨著低溫值的降低，混凝土抗壓強(qiáng)度的損失近似線性增加[17]。在經(jīng)歷-196 ℃到常溫一次循環(huán)作用后，混凝土抗壓強(qiáng)度降低了約12.2%[9]。這是因?yàn)闇囟仍降?，混凝土?nèi)水分形成的冰量越多，冰體積膨脹對(duì)混凝土的損傷越嚴(yán)重，回至常溫后，由于混凝土內(nèi)水分結(jié)冰會(huì)對(duì)混凝土造成不可恢復(fù)的損傷，從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低[18]。然而，木材在經(jīng)歷低溫作用后，MOE和MOR有所增加，低溫處理過程中水分的結(jié)冰未對(duì)木材細(xì)胞壁產(chǎn)生損傷。這正是木材在低溫下優(yōu)于混凝土的一個(gè)方面。

4結(jié)論

研究了經(jīng)低溫處理后木材的抗彎性能，得出的主要結(jié)論如下：

(1)經(jīng)過低溫處理后，與未處理材相比，樺木試樣MOE及MOR均有所增加，飽水材和生材MOE的最大增加量分別為7.4%和4.6%，MOR的最大增加量分別為7.4%和6.8%，但在任一溫度水平上，處理前后MOE和MOR的變化不顯著，同時(shí)不同的低溫處理溫度之間試樣MOE及MOR無顯著差異。

(2)經(jīng)過低溫處理后，試樣延性系數(shù)增加。經(jīng)-20～-100 ℃處理48 h后，隨著溫度下降，延性系數(shù)近似線性增加，之后隨著處理溫度的繼續(xù)降低，延性系數(shù)近似不變。

(3)與混凝土經(jīng)低溫作用后強(qiáng)度下降相比，木材的抗低溫性能優(yōu)于混凝土。

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Effect of low temperature treatment on the flexural property of birch wood

ZHAO Liyuan1, JIANG Jinghui1, LV Jianxiong1, ZHANG Shuangbao2, YU Zhengzheng2

(1. Research Institute of Wood Industry of Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China;2. Key Laboratory of Wooden Material Science and Application, Ministry of Education,Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

Abstract:The modulus of elasticity (MOE) and modulus of rupture (MOR) of water-saturated and green wood specimens of birch (Betula platyphylla) wood were examined before and after the low temperature treatments at -20, -70, -100, -160, and -196 ℃ for 48 h. The results showed that MOE and MOR increased comparing to the untreated specimens after the low temperature treatment. The largest increases in MOE of water-saturated and green wood specimens were 7.4% and 4.6%, while 7.4% and 6.8% in MOR, respectively. However, the increasing effect of low temperature treatment on MOE and MOR of wood specimens were not significant at any temperature level. At the same time, no significant difference was observed between different temperatures. The ductility ratio increased after the low temperature treatment, which improved the deformation ability of wood specimens. The resistance ability of wood to low temperatures was better than that of the concrete which strength declined after the low temperature effect.

Key words:low temperature treatment; MOE; MOR; ductility

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.01.040

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TB332

作者簡介：趙麗媛(1984-)，女，山西晉中人，在讀博士，師承呂建雄教授，從事木材物理研究。

基金項(xiàng)目：中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(CAFINT2013C09)

文章編號(hào)：1001-9731(2016)01-01191-04

收到初稿日期：2015-01-15 收到修改稿日期：2015-07-26 通訊作者：呂建雄，E-mail: jianxiong@caf.ac.cn