鄧恩桉木材蠕變特性研究

羅義漢，張榮波，梁建新，盧翠香，刁海林

（1.廣西國有大桂山林場，廣西 賀州542899；2.廣西林業(yè)科學(xué)研究院，南寧530002；3.廣西大學(xué)林學(xué)院，南寧530004）

鄧恩桉（Eucalyptus dunnii）是桃金娘科桉屬（Eu?calyptus）樹種，樹體中等偏大，枝濃葉密，樹干通直，心材淡紅色，心邊材顏色差異不明顯。自從澳大利亞引進(jìn)以來，在中國廣西、福建、江蘇、云南、湖南等地均有人工林種植。該樹種具有較強(qiáng)的耐寒能力，纖維比較長，是制漿造紙的優(yōu)良材種［1］。此外，由于在桉樹類中鄧恩桉具有較高的密度，所以其鋸材在木結(jié)構(gòu)方面也有很大的應(yīng)用潛力。為了解鄧恩桉木材的流變學(xué)特性，以幫助工程人員對其在木結(jié)構(gòu)中的耐久性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有個(gè)正確的評估，本研究借助于電測法及流變學(xué)理論對鄧恩桉木材進(jìn)行蠕變特性分析研究，以獲得其主要蠕變特性指標(biāo)，為對鄧恩桉木材相關(guān)性能的后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試件的制備

試驗(yàn)樣本選自廣西柳州沙塘林場鄧恩桉種源試驗(yàn)林，根據(jù)CB/T 1927—2009《木材物理力學(xué)試材采集方法》［2］國家標(biāo)準(zhǔn)采集標(biāo)準(zhǔn)樣本。每株樣木按上、中、下部位分別截取長2.0～2.5 m的原木作為試材，并進(jìn)行標(biāo)記。自然氣干后，鋸取徑切板，制備20枚長方體試件，如圖1a；鋸取弦切板，制備20枚長方體試件，如圖1b，試件規(guī)格尺寸均為寬×厚×長=10 mm×4 mm×140 mm［3］。

圖1 試件采樣示意

1.2 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方法

1.2.1 主要試驗(yàn)儀器YJ-22型數(shù)字靜態(tài)應(yīng)變測量儀（華東電子儀器廠）；YZ-22型轉(zhuǎn)換箱（華東電子儀器廠）；BX120-10AA型箔式紙基應(yīng)變片（浙江黃巖測試儀器廠），靈敏系數(shù)2.08，名義阻值為120.3Ω，絲柵面積為10 mm×2 mm；試驗(yàn)支架（自制）；其他試驗(yàn)材料：砝碼、電烙鐵、焊錫、502膠水、砂紙、玻璃片等。

1.2.2 試驗(yàn)方法依據(jù)刁海林［4］提出的電測法，首先對鄧恩桉木材試件進(jìn)行恒應(yīng)力彎曲蠕變試驗(yàn)，獲取試件的彎曲應(yīng)變-時(shí)間特性曲線ε（t），然后由木制材料流變學(xué)中蠕變?nèi)崃康亩x式（1）計(jì)算蠕變?nèi)崃縅（t），繪制蠕變?nèi)崃?時(shí)間特性曲線，進(jìn)而確定蠕變特性曲線方程（2）中的常數(shù)J0、η0和ΣJi［5-9］。

式（1）中：σ0為加于試件的恒彎曲應(yīng)力；ε（t）為對應(yīng)時(shí)間t時(shí)的應(yīng)變值。

式（2）中：J0為瞬間彈性柔量；Jη（t）為粘性柔量；η0為粘性系數(shù)；ΣJi為延遲彈性柔量。

試驗(yàn)環(huán)境和條件相同時(shí)，J0、η0和ΣJi是只與樹種相關(guān)的粘彈性元件常數(shù)，可以作為評價(jià)樹種木材蠕變特性的主要參數(shù)。這3個(gè)常數(shù)是從蠕變?nèi)崃?時(shí)間特性曲線J（t）圖中直接量取的，J0是曲線跟J軸的交點(diǎn)，表征材料的抗瞬間彈性變形的能力，值越小則瞬間彈性變形越小，其抵抗瞬間彈性蠕變能力也就越強(qiáng)；η0是曲線在穩(wěn)定蠕變階段的漸近線的斜率的倒數(shù)，表征材料的抗長期粘性變形的能力，值越大則斜率越小，長期粘性變形越小，其抗長期粘性蠕變能力愈強(qiáng)；ΣJi是漸近線與J軸的交點(diǎn)到J0的距離，表征材料的抗延遲彈性變形的能力，值越小則延遲彈性變形越小，其抵抗延遲彈性蠕變的能力也就越強(qiáng)。

試驗(yàn)采用半橋接法單臂測量［10］，在廣西大學(xué)林學(xué)院力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，室內(nèi)溫度22～24℃，相對濕度57%～59%。試驗(yàn)裝置根據(jù)本試驗(yàn)研究的要求定制，將試件放置于室內(nèi)一段時(shí)間使含水率平衡，同時(shí)制備不同應(yīng)力水平下的【型分力器。試驗(yàn)分4組進(jìn)行，每組取10個(gè)小試件，為確保每一組試件獲得試驗(yàn)要求的恒應(yīng)力σ0，分力器的跨度須通過材料力學(xué)計(jì)算來確定，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

試驗(yàn)采用4點(diǎn)加載方式進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)將試件兩端簡支，支座距離為120 mm，試件中間用【型分力器將砝碼載荷進(jìn)行分解，使試件在分離器a區(qū)段受純彎曲作用。試驗(yàn)前先用鉛筆畫出試件的中心線和其他定位參考線，然后用502膠水將箔式紙基應(yīng)變片粘貼在試件中部純彎區(qū)的受拉一側(cè)位置，同時(shí)將玻璃片貼于試件兩端與支座相對應(yīng)的位置以減少摩擦阻力，并對每一組試件進(jìn)行標(biāo)記。然后將試件按照標(biāo)記順序安裝到支架上，焊接應(yīng)變片與轉(zhuǎn)換箱的引出線，將轉(zhuǎn)換箱和數(shù)字靜態(tài)應(yīng)變測量儀進(jìn)行連接，用來觀測每組應(yīng)變片的應(yīng)變值，如圖2。準(zhǔn)備無誤后，預(yù)熱儀器并進(jìn)行調(diào)零，然后按標(biāo)記序號加載。在短時(shí)間（420 min）內(nèi)，0～60 min的測量時(shí)間間隔為5 min，60～180 min的測量 時(shí)間間隔 為10 min，180～420 min的測量時(shí)間間隔為30 min，做好試驗(yàn)記錄，獲取每組試件的應(yīng)變-時(shí)間特性曲線ε（t）。

表1 試驗(yàn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖2 儀器連接示意

2 結(jié)果與分析

2.1 鄧恩桉木材的應(yīng)變-時(shí)間特性曲線

取每一組的試件在同一測量時(shí)間的應(yīng)變量進(jìn)行算術(shù)平均，得到鄧恩桉木材的應(yīng)變-時(shí)間特性曲線ε（t），如圖3。

圖3 鄧恩桉木材的應(yīng)變-時(shí)間特性曲線

2.2 擬合度分析

根據(jù)式（1），計(jì)算每組試件的蠕變?nèi)崃縅，得到蠕變?nèi)崃?時(shí)間特性曲線J（t），如圖4。選取每組試件在穩(wěn)定蠕變階段的數(shù)據(jù)繪制漸近線y（t）=Ax+B（圖4虛線），確定鄧恩桉木材在不同應(yīng)力水平下的粘彈性元件常數(shù)，見表2。A的倒數(shù)為粘性系數(shù)η0，B是瞬間彈性柔量J0與延遲彈性柔量ΣJi的和，R2為回歸方程的決定系數(shù)，它表明y與變量x的線性相關(guān)程度，其值越接近1則線性關(guān)系越顯著，越接近0則越不顯著，R≈0時(shí)則不存在線性關(guān)系，這里R2均大于0.8，表明穩(wěn)定蠕變階段存在顯著的線性關(guān)系。

圖4 鄧恩桉的蠕變?nèi)崃?時(shí)間特性曲線

表2 鄧恩桉木材的蠕變特性常數(shù)

2.3 鄧恩桉木材蠕變特性分析

2.3.1 鄧恩桉木材徑向蠕變特性分析對于鄧恩桉木材，隨著應(yīng)力水平的增大，瞬間彈性柔量J0增大，抗瞬間彈性蠕變能力減弱；粘性系數(shù)η0減小，即粘性柔量Jη（t）增大，抗長期粘性蠕變能力減弱；延遲彈性柔量ΣJi波動(dòng)性變化，40%σb應(yīng)力水平下有最小值，抗延遲彈性蠕變能力最強(qiáng)。

2.3.2 鄧恩桉木材徑向與弦向蠕變特性比較分析

對于鄧恩桉木材，在相同的40%σb的應(yīng)力水平下，弦向的瞬間彈性柔量比徑向的大，表明弦向的抗瞬間彈性蠕變能力比徑向的弱；弦向的粘性系數(shù)比徑向的?。ㄕ承匀崃看螅砻飨蚁虻目归L期粘性蠕變能力比徑向的弱；弦向的延遲彈性柔量比徑向的大，表明木材弦向的抗延遲蠕變能力比徑向的弱。

2.4 鄧恩桉與赤尾桉、馬尾松木材的蠕變特性比較

赤尾桉和馬尾松的蠕變特性常數(shù)參數(shù)來自文獻(xiàn)［11］。已知赤尾桉的抗彎強(qiáng)度為95 MPa，馬尾松的抗彎強(qiáng)度為66.5 MPa。

由于木材的蠕變特性受樹種、含水率和溫度等因素的影響，至今還沒有確切的評價(jià)方法。雖然本試驗(yàn)與赤尾桉和馬尾松木材的蠕變特性試驗(yàn)的環(huán)境因素相同，但是由于分力器的影響，試件的載荷不能作為比較的依據(jù)。在日常生活中，同一個(gè)物體放置于不同樹種相同形狀尺寸的物體上所產(chǎn)生的應(yīng)力相同，因此可通過比較相同應(yīng)力下不同樹種的蠕變特性常數(shù)對木材的蠕變特性進(jìn)行評價(jià)。

如圖5，在27 MPa應(yīng)力附近，鄧恩桉木材的瞬間彈性柔量明顯比赤尾桉和馬尾松的小；隨著應(yīng)力的增加，瞬間彈性柔量越來越接近。表明低應(yīng)力狀態(tài)下，鄧恩桉木材的抗瞬間彈性蠕變能力比較強(qiáng)，瞬間變形相對??；隨著應(yīng)力的增加，抗瞬間彈性蠕變能力無明顯差異。

如圖6，在27 MPa以上的應(yīng)力狀態(tài)，鄧恩桉木材的粘性系數(shù)η0均比赤尾桉和馬尾松的大，粘性柔量比較小。表明其抗長期粘性蠕變能力比較強(qiáng)，長期粘性變形較小。

圖5 瞬間彈性柔量特性

圖6 粘性系數(shù)特性

如圖7，在27 MPa應(yīng)力附近，鄧恩桉和馬尾松木材的延遲彈性柔量接近，且明顯小于赤尾桉，隨著應(yīng)力的增加，鄧恩桉木材的延遲彈性柔量無明顯變化，赤尾桉的延遲彈性柔量明顯增加。表明鄧恩桉和馬尾松木材的抗延遲彈性蠕變能力相近，且明顯強(qiáng)于赤尾桉，延遲彈性變形較小。

圖7 延遲彈性柔量特性

綜合上述，鄧恩桉木材的抗長期粘性蠕變能力比較強(qiáng)，抗瞬間彈性蠕變能力和抗延遲彈性蠕變能力與馬尾松的相近且優(yōu)于赤尾桉木材，初步認(rèn)定鄧恩桉木材蠕變特性良好，作為木結(jié)構(gòu)構(gòu)件將具有較好的耐久性。

3 小結(jié)

隨著應(yīng)力的增大，鄧恩桉木材的抗瞬間彈性蠕變能力和抗長期粘性蠕變能力減弱，抗延遲彈性蠕變能力波動(dòng)性變化，在40%σb應(yīng)力水平下的抗延遲彈性蠕變能力最強(qiáng)。在40%σb應(yīng)力狀態(tài)下，鄧恩桉木材徑向的抗瞬間彈性蠕變能力、抗長期粘性蠕變能力和抗延遲彈性蠕變能力均比弦向的好。

即使試驗(yàn)的載荷不一樣，但是只要試件內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力相同，在該應(yīng)力狀態(tài)下木材表現(xiàn)出的蠕變特性是一定的，具有可比性，因此通過比較相同應(yīng)力下不同樹種的3個(gè)蠕變特性常數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對木材蠕變特性的評價(jià)。

實(shí)際生活中，蠕變是材料的普遍現(xiàn)象，如木材、竹材和鋼鐵等［12，13］，在持續(xù)應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生蠕變變形，研究木材蠕變特性對家具和木結(jié)構(gòu)建筑等領(lǐng)域有很重要的意義。研究者們建立過許多模型來探索木材的蠕變特性，本試驗(yàn)也只是在探究階段，期望木材蠕變特性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程得到加快。