馬占相思木材蠕變特性的研究

刁海林，羅建舉

（廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧 530004）

馬占相思木材蠕變特性的研究

刁海林，羅建舉

（廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧 530004）

采用4點(diǎn)加載方式對(duì)馬占相思木材試件進(jìn)行短時(shí)間(420 min)彎曲蠕變實(shí)驗(yàn)，獲取馬占相思木材彎曲蠕變特性曲線，根據(jù)彎曲蠕變特性曲線確定馬占相思木材的粘彈性元件常數(shù)。同時(shí)研究馬占相思木材在強(qiáng)度極限內(nèi)，應(yīng)力水平與木材蠕變的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)彎曲應(yīng)力為σb20%時(shí)，J0(瞬間彈性柔量)為6.954×10-7cm2/N、η0(粘性系數(shù))為1 111.111×10-7min N/cm2、ΣJi(延遲彈性柔量)為0.572×10-7cm2/N；當(dāng)彎曲應(yīng)力為σb30%時(shí)，J0為7.939×10-7cm2/N、η0為267.857×10-7min N/cm2、ΣJi為1.441×10-7cm2/N；當(dāng)彎曲應(yīng)力為σb40% 時(shí)，J0為6.540×10-7cm2/N、η0為326.087×10-7min N/cm2、ΣJi為2.108×10-7cm2/N。隨著彎曲應(yīng)力的增加，瞬間彈性柔量J0有波動(dòng)，但幅度不大；延遲彈性柔量ΣJi則隨著應(yīng)力的增加而增加。在較高應(yīng)力水平下，粘性系數(shù)η0具有較小值，而延遲彈性柔量ΣJi則具有較大值，說(shuō)明馬占相思木材抗蠕變能力較差，宜在低應(yīng)力下工作。

馬占相思；木材；蠕變特性；電測(cè)法

馬占相思Acacia mangium Willd屬含羞草科，為大喬木。原產(chǎn)澳大利亞昆士蘭沿海，以及巴布亞新幾內(nèi)亞和印度尼西亞的熱帶濕潤(rùn)地區(qū)，是豆目的一種多用途樹(shù)種。20世紀(jì)60年代以來(lái)，許多國(guó)家和地區(qū)先后引種成功。我國(guó)于1979年從澳大利亞引入，先后在廣東、廣西、海南、福建、云南等省區(qū)栽培，目前種植面積已超過(guò)8萬(wàn)hm2以上，而且呈持續(xù)擴(kuò)大趨勢(shì)。馬占相思木材是質(zhì)量?jī)?yōu)良的短纖維材，除了沖擊韌性較低外，其主要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)均屬于中等水平[1]，是造紙、膠合板、木地板、木制工藝品、木制家具等極好的輕質(zhì)硬木原料。然而,木材作為一種各向異性非勻質(zhì)的天然材料，要對(duì)其進(jìn)行合理、有效的利用，除了了解其一般力學(xué)性質(zhì)及一般用途外,尚有一些特殊性質(zhì)需要我們?nèi)チ私?，譬如木材的蠕變性質(zhì)（材料在恒應(yīng)力作用下，變形隨時(shí)間持續(xù)增加的現(xiàn)象）。蠕變現(xiàn)象的存在，不僅會(huì)破壞結(jié)構(gòu)構(gòu)件的正常使用，而且也給力學(xué)耐久性方面帶來(lái)影響。特別是車(chē)廂、輪船、飛機(jī)以及高檔家具中所用木材，對(duì)于蠕變反映極為敏感。木材的蠕變特性是衡量其能否適用于高端工程用途的重要指標(biāo)，因此，我們進(jìn)行對(duì)馬占相思木材蠕變性質(zhì)的研究，無(wú)論從理論方面還是從實(shí)際應(yīng)用方面都是十分必要的。

1 材料與方法

1.1 樣木與試件

（1）樣木采集

馬占相思樣木采自廣西壯族自治區(qū)國(guó)有高峰林場(chǎng)界牌分場(chǎng)9.5年生的馬占相思試驗(yàn)林。在試驗(yàn)林地內(nèi)，根據(jù)林分的平均樹(shù)高和平均胸徑，林木的長(zhǎng)勢(shì)以及樹(shù)冠幅的生長(zhǎng)情況，選取5株具有代表性的馬占相思作為實(shí)驗(yàn)樣木。樣木的平均樹(shù)高為19.5 m，平均胸徑為25.3 cm。將樣木伐倒并按照國(guó)標(biāo)GB/T 1927—2009《木材物理力學(xué)試材采集方法》[2]的有關(guān)規(guī)定截取實(shí)驗(yàn)?zāi)径尾徶茝角邪迕嚇?，使毛樣自然氣干備用?/p>

（2）試件制作

實(shí)驗(yàn)試件從徑切板毛樣上切取而得，將其制成尺寸為寬（b）×厚（h）×長(zhǎng)（L）=10 mm×4 mm×140 mm（精度為±0.1 mm）的矩形截面小試件，同時(shí)根據(jù)應(yīng)力水平制作︻形分力器（見(jiàn)圖1）。

圖1 試件與分力器示意Fig.1 Specimen and dividing force device

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

YJ-22型數(shù)字靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量?jī)x及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，靈敏系數(shù)2.08，名義阻值為120.3 Ω，絲柵面積為10 mm×2 mm（浙江黃巖測(cè)試儀器廠）；其他實(shí)驗(yàn)材料：砝碼、電烙鐵、焊錫、502膠水、砂紙等。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理與方法

（1）實(shí)驗(yàn)原理

木材的蠕變特性曲線是一粘彈性曲線[3]，如圖2所示。根據(jù)流變學(xué)理論，該曲線特性可用粘彈性力學(xué)模型（廣義伏格特模型）模擬[3-5]，如圖3所示。

圖2 木材蠕變特性曲線Fig.2 Creeping curves of wood

圖3 粘彈性模型（廣義伏格特模型）Fig.3 Viscoelastic model (a generalized Voigt.W. model)

它由一個(gè)馬克斯韋爾體和n個(gè)開(kāi)爾文體串聯(lián)而成。廣義伏格特模型又可由蠕變函數(shù)(1)式來(lái)模擬[3]，即

由木材的一般蠕變規(guī)律知，木材蠕變過(guò)程分為三個(gè)階段：即初級(jí)蠕變階段、穩(wěn)定蠕變階段及最后蠕變斷裂階段[7-8]。其中第二蠕變階段（穩(wěn)定蠕變階段）所持續(xù)的時(shí)間最長(zhǎng)，為主要蠕變階段，最能說(shuō)明木材的蠕變特性。從木材的蠕變及蠕變恢復(fù)曲線可見(jiàn)，該階段一般呈一傾斜的直線，它與表示木材粘性蠕變特性的AE直線幾乎平行。因此，我們可以通過(guò)作穩(wěn)定蠕變階段的平行線獲得AE線，而無(wú)需通過(guò)卸載測(cè)取蠕變恢復(fù)曲線來(lái)獲取AE線，使實(shí)驗(yàn)得以簡(jiǎn)化[9]。又大本實(shí)驗(yàn)是根據(jù)短時(shí)間（420 min）內(nèi)彎曲蠕變實(shí)驗(yàn)理論[10]來(lái)研究木材蠕變特性的，于是我們可以用第二蠕變階段的有關(guān)特性來(lái)說(shuō)明木材的主要蠕變特性。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，此階段的蠕變?nèi)崃靠捎孟率奖硎?，?/p>

式（2）中：J0稱(chēng)為瞬間彈性柔量；Jη(t) =t/η0稱(chēng)為粘性柔量；η0稱(chēng)為粘性系數(shù)；ΣJi稱(chēng)為延遲彈性柔量。當(dāng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境及條件相同時(shí)，J0、η0、ΣJi為只與樹(shù)種有關(guān)的常數(shù)，故稱(chēng)之為廣義伏格特模型元件常數(shù)（也稱(chēng)蠕變特性常數(shù)）。因此，我們只需通過(guò)蠕變實(shí)驗(yàn)求取木材的廣義伏格特模型元件常數(shù)J0、η0、ΣJi即可掌握相應(yīng)樹(shù)種的蠕變特性。

（2）實(shí)驗(yàn)方法

木材蠕變實(shí)驗(yàn)?zāi)壳吧袩o(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)原理各不相同，之前的蠕變特性實(shí)驗(yàn)多借助于撓度測(cè)量法。本實(shí)驗(yàn)則基于筆者在文獻(xiàn)[9]中提出的電測(cè)法，即通過(guò)電測(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)取試件的彎曲應(yīng)變?chǔ)?t)，再直接由流變學(xué)中關(guān)于蠕變?nèi)崃康亩x式(3)計(jì)算蠕變?nèi)崃縅(t)，進(jìn)而繪制蠕變特性曲線，然后根據(jù)蠕變特性曲線確定蠕變特性曲線方程(2)中的蠕變特性常數(shù)J0、η0和ΣJi，即可以該三常數(shù)來(lái)說(shuō)明木材的蠕變特性。式(3)中σ0為加于試件的恒彎曲應(yīng)力。

具體實(shí)驗(yàn)方法如下：

1）實(shí)驗(yàn)環(huán)境及裝置 實(shí)驗(yàn)在廣西大學(xué)林學(xué)院木材力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，室內(nèi)干球溫度23.5～30.5℃，濕球溫度21.5～27.5℃，相對(duì)濕度63～86%。蠕變?cè)囼?yàn)裝置是根據(jù)本實(shí)驗(yàn)研究的要求自行設(shè)計(jì)的，將實(shí)驗(yàn)試件兩端簡(jiǎn)支，采用4點(diǎn)彎曲加載，蠕變實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖4所示。兩支承點(diǎn)用玻璃片加墊，以減少支承處的摩擦。為獲得恒定彎曲荷載，本實(shí)驗(yàn)采用砝碼加載。

圖 4 蠕變實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 The experimental device of creep

2）載荷設(shè)置 為了掌握馬占相思在不同應(yīng)力水平下的蠕變特性，將小試件分為3組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組取5枚小試件，各組分別設(shè)置不同大小的恒應(yīng)力值σ0。恒應(yīng)力比例分別按抗彎強(qiáng)度極限σb的20%、30%和40%級(jí)別進(jìn)行設(shè)置。已知馬占相思的抗彎強(qiáng)度極限為σb=184 MPa，于是各組的恒應(yīng)力分別為：36.80 MPa、55.13 MPa和73.50 MPa。為獲得以上各相應(yīng)恒應(yīng)力值，須對(duì)砝碼及分力器跨度a進(jìn)行正確配置，各相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 載荷及相關(guān)數(shù)據(jù)Table 1 Loads and relevant data

3）試件處理 用精度為0.2 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量試件，將不符合尺寸要求的試件剔除。用360號(hào)砂紙將試件表面貼片處及周?chē)蚰ス饣?，以防木材管孔吸收膠液而導(dǎo)致貼片時(shí)出現(xiàn)局部缺膠，影響測(cè)量效果。然后用鉛筆將試件的跨度線(兩端支承線)、中位線、加力線、應(yīng)變片定位線等精確繪出。

4）應(yīng)變片檢測(cè) 用萬(wàn)用電表檢測(cè)應(yīng)變片有無(wú)短路、斷路情況，然后根據(jù)各應(yīng)變片的電阻值進(jìn)行分組，原則上同一組應(yīng)變片阻值相差不能超過(guò)±0.5 Ω，否則應(yīng)變儀將不易調(diào)節(jié)初平衡，影響測(cè)量結(jié)果。

5）應(yīng)變片的粘貼 在試件的貼片位置上和應(yīng)變片的基底上，各涂抹一層薄薄的粘結(jié)劑（502膠），待膠水半干后將應(yīng)變片粘貼到畫(huà)線位置上。在應(yīng)變片上鋪一透明塑料薄膜，用手指滾壓擠出多余的膠水。然后用拇指按壓2～4 min后取下薄膜。最后在試件支點(diǎn)處貼上玻璃片，如圖5所示。

6）貼片質(zhì)量檢查 首先觀察粘結(jié)層有否氣泡和缺膠，應(yīng)變片位置是否正確，特別是方位角度要準(zhǔn)確。然后用萬(wàn)能電表檢查應(yīng)變片的電阻值，粘貼前后的阻值不應(yīng)有較大的變化。最后用兆歐表檢測(cè)應(yīng)變片與試件表面間的絕緣度。絕緣電阻應(yīng)達(dá)500 MΩ以上[11]。一切檢查合格后，在室溫下自然干燥固化4～6 h再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖5 應(yīng)變片及玻璃片黏貼Fig.5 Adhesion of strain gauges and glass

7）電測(cè)實(shí)驗(yàn) 本實(shí)驗(yàn)的電橋電路采用半橋接法單臂測(cè)量[11]。實(shí)驗(yàn)前先用電阻測(cè)濕儀測(cè)量試件含水率并記錄。將應(yīng)變儀導(dǎo)線固定在支架上（防止接線頭晃動(dòng)），再將試件按標(biāo)號(hào)順序安裝到實(shí)驗(yàn)支架上，然后將導(dǎo)線與應(yīng)變片引出線焊接。焊好接頭后將砝碼掛鉤掛到分力器中線上，調(diào)整試件使跨度線與“V”型支座頂角線對(duì)齊。檢查應(yīng)變片引出線是否相交，有無(wú)與試件、導(dǎo)線、掛鉤繩子等有否接觸。檢查無(wú)誤后，啟動(dòng)應(yīng)變儀進(jìn)行預(yù)熱（10 min），然后按下應(yīng)變儀“調(diào)零”按扭進(jìn)行調(diào)零。在0～420 min內(nèi)，按5 s、2 min、5 min、10 min、30 min、60 min為時(shí)間間隔，依次測(cè)出各試件相應(yīng)時(shí)間瞬時(shí)的應(yīng)變值ε(t)并記錄。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)馬占相思蠕變特性曲線

將同一組試件在同一瞬時(shí)的應(yīng)變值進(jìn)行算術(shù)平均，得出各瞬時(shí)的平均線應(yīng)變?chǔ)?t)。再根據(jù)蠕變?nèi)崃康亩x式(1)算出各瞬時(shí)的蠕變?nèi)崃縅(t)。然后根據(jù)所得數(shù)據(jù)，以時(shí)間t為橫坐標(biāo)，蠕變?nèi)崃縅(t)為縱坐標(biāo)，繪制J(t)—t曲線（蠕變特性曲線）。不同載荷下的馬占相思木材蠕變特性曲線如圖6、7、8所示。

圖6 馬占相思木材蠕變特性曲線（載荷為45 N）Fig.6 Creep curves of wood of Acacia mangium (loaded with 45 N)

圖7 馬占相思木材蠕變特性曲線（載荷為60 N）Fig.7 Creep curves of wood of Acacia mangium (loaded with 60 N)

圖8 馬占相思木材蠕變特性曲線（載荷為80 N）Fig.8 Creep curves of wood of Acacia mangium Willd (loaded with 80 N)

（2）馬占相思蠕變特性常數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得蠕變特性曲線（圖6、7、8）確定馬占相思木材在不同載荷下的蠕變特性常數(shù)[9]J0、η0及 ΣJi。

1）當(dāng)載荷P=45 N時(shí)，由圖6得

將以上結(jié)果列表如表2所示。

表2 馬占相思木材蠕變特性常數(shù)表Table 2 Creep constants of wood of Acacia mangium Willd

2.2 結(jié)果分析

(1)關(guān)于蠕變特性常數(shù)

木材的三個(gè)蠕變特性常數(shù)中，瞬間彈性柔量J0表示材料在加載瞬間每單位應(yīng)力所帶來(lái)的變形量，J0值越小，說(shuō)明材料抵抗瞬間彈性變形的能力越強(qiáng)，反之，則說(shuō)明材料抵抗瞬間變形的能力越差。粘性系數(shù)η0是蠕變特性曲線中AE線斜率的倒數(shù)，說(shuō)明材料抵抗長(zhǎng)期粘性蠕變的能力，η0值越大則材料抗長(zhǎng)期粘性蠕變能力越強(qiáng)。延遲彈性柔量ΣJi則是一種繼J0之后的延遲彈性柔量，ΣJi越小則材料抗蠕變能力越強(qiáng)。

(2)馬占相思的蠕變特性

由實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)可看出，馬占相思的瞬間彈性柔量J0隨著載荷P（應(yīng)力水平）的增大而有所波動(dòng)但不明顯，當(dāng)載荷為60 N（σ0=σb30%）時(shí)J0最大，說(shuō)明在此應(yīng)力水平下，馬占相思抵抗瞬間彈性變形的能力最弱。粘性系數(shù)η0亦隨載荷的增加而有所波動(dòng)，且幅度較大，當(dāng)載荷為45 N（σ0=σb20%）時(shí)η0最大，說(shuō)明在此應(yīng)力水平下，馬占相思抵抗長(zhǎng)期粘性蠕變的能力最強(qiáng)。延遲彈性柔量ΣJi隨載荷（應(yīng)力水平）的增加呈近乎2的倍率增加，說(shuō)明隨應(yīng)力水平的增加，馬占相思抗延遲彈性蠕變能力以2的倍率下降，說(shuō)明馬占相思延遲彈性柔量增加的速度快于應(yīng)力增加的速度。

3 結(jié) 論

隨著彎曲應(yīng)力的增加，瞬間彈性柔量J0有輕微波動(dòng)；延遲彈性柔量ΣJi則明顯地隨著應(yīng)力的增加而增加。在較高應(yīng)力水平下，粘性系數(shù)η0具有較小值，而延遲彈性柔量ΣJi則具有較大值，說(shuō)明馬占相思木材抗蠕變能力較差，應(yīng)慎用于永久性承重結(jié)構(gòu)及高檔家具中的承重構(gòu)件，比如書(shū)柜、衣柜、長(zhǎng)沙發(fā)等的橫檔，宜在低應(yīng)力下工作。

4 討 論

（1）由蠕變實(shí)驗(yàn)知，木材在蠕變過(guò)程中，瞬間彈性柔量J0為一瞬時(shí)定常數(shù)，不隨時(shí)間而變。而延遲彈性柔量ΣJi則在開(kāi)爾文體達(dá)到平衡后亦成為定值。此后只有粘性柔量Jη(t)隨時(shí)間變化，變化的快慢由蠕變曲線中AE線的α角或粘性系數(shù)η0來(lái)反映，α角越大或η0越小，Jη(t)變化越快。因此，木材的3個(gè)蠕變特性常數(shù)中，J0、ΣJi為蠕變過(guò)程的恒量，與時(shí)間無(wú)關(guān)。Jη(t)則是恒變因素，與持續(xù)時(shí)間及η0有關(guān)。隨著恒應(yīng)力持續(xù)時(shí)間的增加，η0對(duì)蠕變?nèi)崃縅(t)的影響最大，是衡量木材抗蠕變性能的主要因素。

（2）木質(zhì)材料蠕變的特點(diǎn)，是隨應(yīng)力水平的不同而呈現(xiàn)不同的響應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)所加的載荷為馬占相思強(qiáng)度極限的20%、30%、40%，其中40%檔已超過(guò)其彈性極限值，因而木材的蠕變曲線在保持一段時(shí)間線性關(guān)系后，材料的蠕變響應(yīng)不再保持線性關(guān)系，如圖8所示。

（3）樹(shù)種和載荷不同，J0、η0、ΣJi也不同。因此，我們得以在共同設(shè)定的應(yīng)力水平下，通過(guò)測(cè)定各樹(shù)種的J0、η0、ΣJi值，以此評(píng)價(jià)或比較各樹(shù)種的蠕變特性和抵抗蠕變的能力。

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A study of creep properties of Acacia mangium Willd

DIAO Hai-lin, LUO Jian-ju
(Forestry College of Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, China)

∶ By means of the 4 point loading method, the flexural creep tests on Acacia mangium wood samples for a short time(420 minutes) were carried out. The wood’s bending creep characteristic curves were obtained, and according to the bending creep characteristic curves, the wood’s viscoelastic element constants were determined. At the same time, the relationship between stress level and wood creep was studied accounted for strength limit. The experimental results show that when the bending stress σb was 20%, the elastic compliance J0was 6.954×10-7cm2/N, the viscosity η0was 1 111.111×10-7minN/cm2, and the delayed elastic compliance ΣJiwas 0.572×10-7cm2/N; when the bending stress σb was 30%, J0was 7.939×10-7cm2, η0was 267.857×10-7minN/cm2, andΣJiwas 1.441×10-7cm2/N; when the bending stressσb was 40%, J0was 6.540×10-7cm2/N, η0was 326.087×10-7minN/cm2, andΣJiwas 2.108×10-7cm2/N.With the increase of bending stress, elastic compliance J0fluctuated, but little changed; the delayed elastic compliance andΣJiwould increase with increase of stress. At higher stress levels, viscosity coefficient η0 had a relatively small value, while the delayed elastic compliance ΣJihad a larger value, this showed that the wood’s creep resistant ability was poorer, the wood be only suitable for working under low stress condition.

∶ Acacia mangium Willd; wood; creep property; electric measuring method

S784

A

1673-923X(2012)06-0146-06

2012-01-17

廣西林業(yè)重大招標(biāo)項(xiàng)目“主要速生人工林樹(shù)種材性改良與深加工利用”（桂林科字［2009］第7號(hào)）

刁海林（1958—），男，河南鄲城人，副教授，主要從事木材性能及加工利用研究；E-mail：diaohailin@sina.com

[本文編校：羅 列]