糠醇和玻璃纖維處理對木材彎曲蠕變的影響

張 尚， 董春雷， 竇 玲， 榮春林， 張本剛

(1.西南林業(yè)大學 材料科學與工程學院， 云南 昆明 650224； 2.云南創(chuàng)合木屋有限公司， 云南 昆明 650228)

木材是黏彈性材料，在受到荷載作用時會出現(xiàn)其變形隨時間的延長而不斷增大的現(xiàn)象，稱為蠕變.木材在恒溫恒濕環(huán)境下發(fā)生的蠕變?yōu)槠胀ㄈ渥?normal creep，NC),在變濕環(huán)境下發(fā)生的蠕變?yōu)闄C械吸附蠕變(mechanical sorptive creep,MSC)[1-3].但無論是NC還是MSC均有可能造成木材形變量的超限和強度的下降，進而危及其正常服役期內(nèi)的使用性能和結(jié)構(gòu)安全.木材的抗彎曲蠕變性能(一般用彎曲蠕變撓度來衡量)在工程應用上至關(guān)重要，目前在ASTM-D6815-02a《Standard specification for evaluation of duration of load and creep effects of wood and wood-based products》中已經(jīng)成為評價木材抗蠕變能力的主要指標.因此，如何減緩木材彎曲蠕變撓度的增大是提高木材設計使用壽命和結(jié)構(gòu)可靠性的重要途徑.

除去木材自身材性不同導致其抗彎曲蠕變性能有差異外，外加荷載和木材含水率也是影響木材彎曲蠕變撓度的關(guān)鍵因素[4-6].在含水率對木材蠕變性能的影響方面，研究發(fā)現(xiàn)木材之所以會產(chǎn)生蠕變撓度，其根本原因在于木材的纖維素非結(jié)晶部分、半纖維素和木質(zhì)素分子鏈的羥基、羰基和羧基等極性基團能夠與水分子結(jié)合，而水分子的進入切斷了這些分子間的氫鍵連接，使得木材中上述物質(zhì)的“自由體積”增加、分子鏈的延展性增強和分子間鍵能減弱，造成分子鏈之間的滑移以及細胞壁壁層結(jié)構(gòu)之間的松弛.因此，通過物理阻隔的方法減緩或阻止水分進入木材內(nèi)部和通過化學處理的方法減少木材內(nèi)部能與水分子結(jié)合的基團，就可以減弱木材的蠕變效應.Ozarska等[7]通過在定向刨花板表面粘貼浸漬紙的方法，減緩了水分進入刨花板中，使得定向刨花板彎曲蠕變撓度降低了10%.徐詠蘭等[8]將楊木單板和玻璃纖維布浸膠處理后壓制成復合板(laminated veneer lumber，LVL)，其彎曲蠕變撓度與未處理的LVL相比降低了44.68%.程秀才等[9]用氨溶季胺銅(ACQ-D)防腐劑處理楊木，由于ACQ-D防腐劑提高了楊木的吸濕性，導致其蠕變撓度比未處理的楊木提高了62.5%.

何莉[10]、陳太安等[11]和李萬菊[12]發(fā)現(xiàn)糠醇改性對木材水分的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面是通過物理阻隔的方式減緩或阻止水分進入木材內(nèi)部；另一方面是阻止水分和木材中自由羥基的反應.前者以物理填充為主要方式，即以相對分子質(zhì)量較低的糠醇填充導管、管飽及細胞壁上的紋孔和細胞腔，從而減少或阻止水分進出木材；后者以化學反應為主要方式，即通過糠醇的羥甲基與木材細胞壁組分中的羥基發(fā)生取代反應.但遺憾的是，糠醇改性對木材蠕變的影響還鮮有報道.

木材的黏彈性使其極易發(fā)生蠕變，而通過與幾乎不會發(fā)生蠕變的高強度材料復合的方式組成復合材料，在理論上可以有效增強木材的抗蠕變性能[13].木材彎曲受力時，因其上下表面在分別承受最大壓/拉應力的同時又最易受環(huán)境溫濕度的影響而快速發(fā)生吸濕和解吸，故這兩部分也最易發(fā)生蠕變，從而加速木材整體的彎曲蠕變進程.將強度高且不發(fā)生蠕變的無機剛性材料粘貼在木材的上下表面，可以延緩木材表面的蠕變進程，進而提高其整體抗彎曲蠕變能力.徐詠蘭等[8]對玻璃纖維增強LVL進行蠕變分析，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維增強LVL的蠕變撓度比未處理LVL降低了44.68%.張富文等[14]通過在木梁表面粘貼鋼板并進行 1200d 荷載試驗，發(fā)現(xiàn)其蠕變撓度較未處理木梁降低了29.72%.

本文研究糠醇改性和玻璃纖維增強這2種方法對木材彎曲蠕變性能的影響，以探索改善木材抗彎曲蠕變性能的有效途徑，為提高結(jié)構(gòu)材耐久性提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

人工林意楊(populus，P)，產(chǎn)地江蘇宿遷，按照GB/T 1929—2009《木材物理力學試材鋸解及試樣截取方法》規(guī)定，加工成尺寸為120mm×10mm× 5mm 的試件，絕干密度為448.21kg/m3，絕干順紋抗彎強度為123.1MPa，彈性模量為 7900MPa；E型玻璃纖維布(厚度為1mm、彈性模量為 72000MPa) 購于江西德華玻纖有限公司；環(huán)氧樹脂AB型膠黏劑購于杭州五會港膠黏劑有限公司；KH550氨基硅烷偶聯(lián)劑(質(zhì)量分數(shù)為97%)購于南京聯(lián)硅化工有限公司；主劑糠醇(furfurylation)購于上海金山亭新化工試劑廠；催化劑馬來酸酐(maleic anhydride)購于阿拉丁試劑(上海)有限公司；穩(wěn)定劑四硼酸鈉(sodium tetraborate)購于天津市風船化學試劑科技有限公司.

1.2 儀器設備

含空氣壓縮機和真空泵的浸漬反應釜；數(shù)顯鼓風式電加熱干燥箱；稱量天平(精度0.0001g)；Binder氣候箱，濕度精度2.0%，溫度精度0.1℃；自行設計的蠕變測試裝置如圖1所示，蠕變撓度測量精度為0.001mm；自行編制蠕變撓度數(shù)據(jù)采集程序，數(shù)據(jù)采集間隔最小為1s.

圖1 蠕變測試裝置Fig.1 Creep test device

1.3 試驗方法

1.3.1糠醇處理

按照糠醇:馬來酸酐∶硼砂質(zhì)量比為1.00∶ 0.06∶ 0.01配制好糠醇質(zhì)量分數(shù)為30%的浸漬液.首先將試件在真空度為0.06MPa的浸漬反應釜中處理30min；隨后立即倒入浸漬液，在反應釜壓力為 0.4MPa 的浸漬液中加壓處理120min；接著在真空度為0.06MPa的浸漬反應釜中處理30min；浸漬完成后用鋁箔包裹試件，置于103℃烘箱內(nèi)固化 3h，去除鋁箔；最后將試件置于(103+2)℃干燥箱中干燥 24h，得到糠醇改性意楊(furfurylation populus, FP).

1.3.2玻璃纖維增強處理

首先將裁剪好的玻璃纖維布放在洗衣粉質(zhì)量分數(shù)為2%的沸水中蒸煮4h脫蠟，干燥待用；再將涂有環(huán)氧樹脂(涂膠量320g/m2)和偶聯(lián)劑(環(huán)氧樹脂質(zhì)量的1%)的玻璃纖維布在預張緊后粘貼在意楊上下表面，冷壓固化24h，得到玻璃纖維增強意楊(glass fiber reinforced populus,GFRP).

1.3.3力學性能測試

依據(jù)GB/T 1936.1—2009《木材抗彎強度測試方法》和GB/T 1936.2—2009《木材抗彎彈性模量測定方法》分別測定P、FP和GFRP的抗彎強度、彈性模量和最大破壞載荷.

1.3.4蠕變試驗設計

本研究以四點彎曲加載方法分別測試P、FP和GFRP這3組試件的彎曲蠕變以及蠕變恢復過程中的撓度.每組3條試件，其中2條作為彎曲蠕變的試件，另外1條用于間接測試蠕變試件的含水率.第1批3組蠕變試件的加載水平分別為該組試件靜曲強度的35%(用σ0.35來表示，其值分別為71.7、62.3、146.3N)，第2批3組蠕變試件的加載水平統(tǒng)一為P靜曲強度的35%(σ0.35P= 71.7N).蠕變試驗的環(huán)境溫度(t)和相對濕度(RH)由Biner氣候箱精確控制.彎曲蠕變撓度由線性位移傳感器實時測量，測量點設置如圖2所示，測得試件上下表面位移量的平均值即為該試件的蠕變撓度.

圖2 試驗設備及蠕變測試示意圖Fig.2 Creep test schematic and experimental equipment(size:mm)

(1)普通蠕變測試方法.將精選的絕干試件按圖2所示的加載方式置于t=20℃和RH=65%的Binder氣候箱中，加載 168h 后卸載，當所有試件的彎曲蠕變撓度不發(fā)生變化后停止試驗.試件的彎曲蠕變撓度每隔10s記錄1次.

(2)機械吸附蠕變測試方法.先將精選的絕干試件按圖2所示的加載方式置于Binder氣候箱中；然后將3組試件置于t=20℃和RH=98%的Binder氣候箱中加載10h；隨后迅速將氣候箱調(diào)為t=20℃和RH=65%，并讓所有試件在此條件下解吸蠕變10h；重復上述操作步驟使所有試件發(fā)生吸濕蠕變和解吸蠕變各3次.試件的彎曲蠕變撓度每隔 10s 記錄1次.

2 結(jié)果與分析

2.1 糠醇改性和玻璃纖維增強對木材普通蠕變的影響

圖3是P、FP和GFRP在加載應力水平分別為各自靜曲強度35%(σ0.35)條件下的普通蠕變及蠕變恢復曲線.圖4是木材典型普通蠕變及恢復示意圖.

圖3 加載應力水平σ0.35下P、FP和GFRP的普通 蠕變和蠕變恢復曲線Fig.3 Normal creep and creep recovery curves of P, FP and GFRP under σ0.35 load

圖4 木材典型普通蠕變和蠕變恢復曲線示意圖 Fig.4 Wood typical normal creep and creep recovery curves

由圖3，4可見：無論是FP還是GFRP，其普通蠕變以及蠕變恢復的變化規(guī)律均與經(jīng)典的木材NC規(guī)律相同；FP和GFRP的最大蠕變撓度相對于P分別減少了36.93%和21.97%.

P、FP和GFRP的蠕變撓度恢復特性如表1所示.表中RE為彈性恢復撓度與最大蠕變撓度的比值，RV為黏彈性恢復撓度與最大蠕變撓度的比值，RVf為黏性永久撓度與最大蠕變撓度的比值.

表1 蠕變恢復特性對比

圖5是P、FP和GFRP在加載應力水平均為P靜曲強度35%(σ0.35P)條件下的彎曲普通蠕變及蠕變恢復曲線.

圖5 加載應力水平σ0.35P下P、FP和GFRP的普通蠕變和 蠕變恢復曲線Fig.5 Normal creep and creep recovery curves of P，F(xiàn)P and GFRP under σ0.35P load

由圖5可知：FP和GFRP的整個蠕變規(guī)律與木材典型普通蠕變及蠕變恢復規(guī)律基本相同，但FP和GFRP最大蠕變撓度相對于P分別減少了38.00%和66.25%.

由圖3和圖5可知：意楊經(jīng)糠醇改性和玻璃纖維增強處理后的彎曲蠕變性能均比未處理的意楊要好很多.一方面糠醇改性和玻璃纖維處理后的意楊吸濕性均降低(見圖6)，F(xiàn)P和GFRP的含水率(MC)與P相比減少了47.19%和57.62%.未處理意楊導管壁上的紋孔清晰可見(見圖7(a))，而糠醇改性意楊的紋孔幾乎全被填充(見圖7(b)).由于木材導管壁上的紋孔被填充，從而減緩或阻止了水分進入木材內(nèi)部，因此糠醇改性能有效阻止或減緩木材彎曲蠕變的發(fā)生.另一方面玻璃纖維具有很高的彈性模量，可以顯著提高木材的強度和剛度.當木材彎曲受力時，其上下表面在分別承受最大壓/拉應力的同時又最易受環(huán)境溫濕度的影響而快速發(fā)生吸濕和解吸，造成木材表面在彎曲蠕變中最容易被破壞.當木材上下表面粘貼玻璃纖維布后，其較高彈性模量和對溫濕度的不敏感，一方面提高了木材的承載能力，另一方面又減少了溫濕度對木材彎曲蠕變的影響，因此在木材表面粘貼玻璃纖維布能有效阻止或減緩木材彎曲蠕變的發(fā)生.

圖6 P、FP和GFRP的含水率Fig.6 Water content of P,FP and GFRP

圖7 P和FP導管壁上紋孔的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM photos of pits on the ressed wall of P and FP

2.2 糠醇改性和玻璃纖維增強處理對木材機械吸附蠕變的影響

圖8是P、FP和GFRP在加載應力水平分別為各組靜曲強度35%的條件下的機械吸附蠕變曲線.由圖8可知：FP和GFRP的最大蠕變撓度相對于P分別減少了81.49%和75.56%.圖9是P、FP和GFRP在加載應力水平均為σ0.35P條件下的機械吸附蠕變曲線.由圖9可知：FP和GFRP的最大蠕變撓度相對于P分別減少了78.88%和85.22%.

圖8 加載應力水平σ0.35下P、FP和GFRP的機械吸附蠕變曲線Fig.8 Mechanical sorptive creep curves of P,FP and GFRP under σ0.35 load

圖9 加載應力水平σ0.35P下P、FP和GFRP的機械吸附 蠕變曲線Fig.9 Mechanical sorptive creep curves of P,FP and GFRP under σ0.35P load

從圖8和圖9可知：在濕度交替變化的情況下，GFRP和FP的蠕變總體趨勢未表現(xiàn)出木質(zhì)材料機械吸附蠕變規(guī)律，反而與木質(zhì)材料普通蠕變行為相似.這是因為糠醇改性意楊的紋孔幾乎被填充(見 圖7(b))，阻止了水分進出意楊；玻璃纖維布較高的彈性模量和對溫濕度的不敏感，一方面提高了木材的承載能力，另一方面又減少了溫濕度對木材彎曲蠕變的影響.因此，意楊經(jīng)過糠醇改性或玻璃纖維增強處理以后，其機械吸附蠕變大大弱化或消失，可以將其在變濕環(huán)境下的機械吸附蠕變當作普通蠕變對待.

但本試驗中P在變濕環(huán)境下，第1個吸濕階段表現(xiàn)出撓度快速增加的現(xiàn)象，在隨后的解吸階段蠕變撓度有明顯變大趨勢，而吸濕階段蠕變撓度的增長趨勢雖然變小，但仍在繼續(xù)增大.這與木材典型的機械吸附蠕變現(xiàn)象有所不同，主要原因是本試驗采用的荷載是意楊在絕干狀態(tài)下靜曲強度的35%，而變濕試驗中吸濕階段和解吸階段意楊的最終平衡含水率分別為12.0%和26.7%，因此意楊的實際加載水平遠高于35%，另外，本試驗和Huang[15]的研究均表明，木材在高應力水平下的機械吸附蠕變撓度無論是吸濕階段還是解吸階段均呈增大趨勢.為此本試驗還安排了意楊在加載水平分別為其靜曲強度的5%(σ0.05P)、10%(σ0.10P)和15%(σ0.15P)條件下的變濕環(huán)境蠕變試驗，結(jié)果如圖10所示.由圖10可見：在荷載水平為靜曲強度的15%和35%時，意楊的機械吸附蠕變撓度無論是吸濕階段還是解吸階段均呈增大趨勢；在荷載水平為σ0.05P和σ0.10P時，除了首次吸濕階段外的吸濕階段蠕變撓度均減少，解吸過程蠕變撓度均增大，但總體蠕變撓度呈增大趨勢，表現(xiàn)出機械吸附蠕變的特征.

圖10 不同荷載下P的機械吸附蠕變曲線Fig.10 Mechanical sorptive creep curve of P under different loads

3 結(jié)論

(1)當加載應力水平分別為各自靜曲強度的35%時，GFRP和FP的普通蠕變最大撓度相對于P分別降低了21.97%和36.93%，機械吸附蠕變最大撓度分別降低了75.56%和81.49%.

(2)當加載應力水平統(tǒng)一為意楊靜曲強度的35%時，GFRP和FP的普通蠕變最大撓度相對于P分別降低了66.25%和38.00%，機械吸附蠕變最大撓度分別降低了85.22%和78.88%.

(3)無論是糠醇改性還是玻璃纖維增強處理均不改變意楊的普通蠕變特性，但能降低意楊的普通蠕變撓度.經(jīng)過糠醇改性和玻璃纖維增強處理后，意楊喪失了機械吸附蠕變特性而僅表現(xiàn)出普通蠕變特性，有效增強了意楊的抗機械吸附蠕變能力.