高溫預(yù)處理對(duì)足尺膠合木梁力學(xué)性能的影響

岳 孔 宋旭磊 焦學(xué)凱 陳 強(qiáng) 宋永明 劉偉慶 陸偉東

(1.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 南京 211800；2.東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150040)

環(huán)境濕度是影響木材使用的重要因素，濕度改變不僅引起木材含水率變化，也會(huì)使其產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，發(fā)生翹曲和開裂。高濕度下木材含水率增大，更易受蟲、菌等侵染而降等或失效，且其強(qiáng)度降低、變形加大(Wangetal.，2005；Korkutetal.，2008；Yangetal.，2012；Lietal.，2013；Skaar，1988；Hill，2006)?！督Y(jié)構(gòu)用集成材》(GB/T 26899—2011)指出，完全暴露在室外大氣中的木構(gòu)件，木材年平均平衡含水率超過20%。為提高結(jié)構(gòu)安全性，《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50708—2012)規(guī)定，使用中膠合木含水率大于15%時(shí)，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和彈性模量均應(yīng)進(jìn)行折減。

以水蒸氣、惰性氣體或熱油等為導(dǎo)熱介質(zhì)，在160～250 ℃下進(jìn)行熱改性，可改善木材的尺寸穩(wěn)定性和防腐性能，還能滿足其顏色多樣化的需求(丁濤等，2012；顧煉百等，2010；Dubeyetal.，2011；Estevesetal.，2008；鄧紹平等，2008；2010；李延軍等，2010)。高溫?zé)岣男院?，木材的濕脹量降?2%～75%(Burmester，1973)。李濤等(2009)在185 ℃下對(duì)水曲柳(Fraxinusmandshurica)進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)高溫?zé)岣男圆荒茱@著改變其表面硬度和順紋抗壓強(qiáng)度，但其抗彎強(qiáng)度降低。丁濤等(2010)以常壓和0.35 MPa壓力、205和185 ℃工藝對(duì)樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)和柞木(Xylosmaracemosum)進(jìn)行高溫?zé)岣男裕男院笳磷铀傻膹椥阅Ａ柯杂邢陆?，柞木略有提高，但變化不顯著；相對(duì)于壓力高溫?zé)岣男裕焊邷責(zé)岣男詫?duì)木材強(qiáng)度影響更?。怀焊邷?zé)岣男院?，木材的順紋抗壓強(qiáng)度提高，但抗彎強(qiáng)度明顯下降。李惠明等(2009)對(duì)南方松(Pinusspp.)、樟子松、水曲柳和柞木進(jìn)行高溫?zé)岣男?，改性后木材的順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎彈性模量增加，但抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性降低。

高溫?zé)岣男圆灰M(jìn)化學(xué)物質(zhì)，屬于對(duì)環(huán)境和生物無危害的綠色改性方法。目前，木材高溫?zé)岣男匝芯慷嗷趯?shí)驗(yàn)室方法的小尺寸試件，并未與工廠實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)建立聯(lián)系。此外，雖然高溫?zé)岣男砸话銜?huì)降低木材力學(xué)性能，但當(dāng)處理溫度在200 ℃以下時(shí)其影響較小，甚至有些指標(biāo)還略有提高(丁濤等，2010；Borregaetal.，2008；Sundqvistetal.，2006；Shietal.，2007；岳孔等，2018)。興安落葉松(Larixgmelinii)是我國東北和華北地區(qū)的主要用材樹種，強(qiáng)度高，但材質(zhì)硬重、尺寸穩(wěn)定性差，用于建筑中受力構(gòu)件時(shí)，常因環(huán)境條件變化發(fā)生開裂，考慮到高溫?zé)岣男圆木哂休^好的尺寸穩(wěn)定性和耐久性，其適于在高濕環(huán)境中使用(孫偉倫等，2010；史薔等，2012)。鑒于此，本研究以200 ℃工業(yè)化高溫?zé)岣男缘呐d安落葉松為研究對(duì)象，開展高濕度環(huán)境下足尺結(jié)構(gòu)用層板膠合木梁抗彎性能試驗(yàn)，明確高溫?zé)岣男院铜h(huán)境濕度對(duì)木材平衡含水率、木材順紋抗剪強(qiáng)度和順紋抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，揭示高溫預(yù)處理對(duì)膠合木梁抗彎性能影響的作用機(jī)制，以期為高溫?zé)岣男约夹g(shù)在木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 木材 興安落葉松，購自中意森科木結(jié)構(gòu)有限公司，尺寸40 mm×140 mm×3 000 mm(厚×寬×長)，平均年輪寬度1.3 mm，平均氣干密度0.591 g·cm-3，平均含水率8%～10%。

1.1.2 膠黏劑 雙組分室溫固化型結(jié)構(gòu)用間苯二酚-酚醛樹脂，購自日本愛克工業(yè)株式會(huì)社。主劑為深紅褐色黏性液體，固化劑為淺紅棕色粉狀固體，主劑和固化劑混合比例為100∶18(質(zhì)量比)，20 ℃下凝膠時(shí)間100 min、黏度2 200 cps。

1.2 試件制備

足尺木材層板高溫?zé)岣男栽谡憬烙涯緲I(yè)有限公司40 m3高溫炭化窯內(nèi)完成，以常壓水蒸氣為保護(hù)氣體，處理溫度200 ℃，處理時(shí)間3.5 h。

根據(jù)《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50708—2012)，每層層板厚度經(jīng)雙面刨光至25 mm。參考《結(jié)構(gòu)用集成材》(GB/T 26899—2011)和膠黏劑使用要求，膠合木梁制備在20～25 ℃下采用層板目測分等Ⅰd和同等組坯工藝一次成型。雙組分膠黏劑混合均勻后，利用人工輥涂方式涂布，涂膠量350 g·m-2，膠黏劑自雙組分混合到膠合木梁壓力施加完成操作時(shí)間控制在15 min以內(nèi)。涂膠和組坯完成后，在1.2 MPa下保持6 h。卸壓后，膠合木梁在室溫環(huán)境養(yǎng)護(hù)3天。根據(jù)《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50329—2012)和《結(jié)構(gòu)用集成材》(GB/T 26899—2011)，膠合木梁尺寸為75 mm×150 mm×3 000 mm(寬×高×長)。

木材順紋抗拉和抗剪強(qiáng)度試件的制備分別按照《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 1938—2009)和《木材順紋抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 1937—2009)規(guī)定進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

采用JAW-300/3型多功能木結(jié)構(gòu)力學(xué)性能試驗(yàn)裝置和MAS-250型作動(dòng)器(杭州邦威機(jī)電控制工程有限公司)對(duì)膠合木梁進(jìn)行加載；采用BX120-50AA型應(yīng)變片(浙江黃巖測試儀器廠)、YHD-200型位移計(jì)和DH3816靜態(tài)應(yīng)變儀(江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司)對(duì)加載過程中膠合木梁的變形進(jìn)行測定。

1.4 試驗(yàn)方法

制備完成后的膠合木梁分為未處理和高溫?zé)岣男栽嚰?組，各取一半分別置于25 ℃、60%和90%濕度環(huán)境中3個(gè)月后，每隔3天稱重1次，直至最后2次質(zhì)量之差不超過最后一次質(zhì)量的1%。

膠合木梁抗彎性能測試根據(jù)BS EN 408∶2010標(biāo)準(zhǔn)中四分點(diǎn)加載方式進(jìn)行，測試方案見圖1。試件端部下表面支座處各用一鋼墊板傳遞支座反力，在鋼墊板下面沿梁寬方向各設(shè)置一滾軸以保證梁端在受力時(shí)可轉(zhuǎn)動(dòng)。在膠合木梁跨中位置一側(cè)沿高度均勻布置6個(gè)應(yīng)變片，以采集跨中截面應(yīng)變沿膠合木梁高的分布。在兩端支座和跨中各布置1個(gè)位移計(jì)，測量膠合木梁全跨撓度。試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)變儀與作動(dòng)器同步采集變形和荷載，采用連續(xù)加載方式，加載速度5 mm·min-1，直至膠合木梁破壞。60%和90%環(huán)境濕度下，未處理和高溫?zé)岣男栽嚰貜?fù)數(shù)量均為3個(gè)，共計(jì)12個(gè)試件。

圖1 足尺膠合木梁抗彎性能測試方案

根據(jù)BS EN 408∶2010標(biāo)準(zhǔn)，膠合木梁抗彎強(qiáng)度(fm)和抗彎彈性模量(Em,g)根據(jù)下式計(jì)算：

(1)

(2)

式中：Fu為極限荷載(N)；W為試件截面抵抗矩(mm3)；a為加載點(diǎn)與支撐點(diǎn)之間的距離(mm)；l為試件跨度(mm)；b和h分別為試件寬度和高度(mm)；ΔF為試件受彎過程中彈性階段的荷載增量(N)；ΔW為與△F對(duì)應(yīng)的試件跨中撓度增量(mm)。

木材順紋抗拉和抗剪強(qiáng)度的測試和計(jì)算分別按照《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 1938—2009)和《木材順紋抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 1937—2009)進(jìn)行。60%和90%環(huán)境濕度下，未處理和高溫?zé)岣男栽嚰貜?fù)數(shù)量均為20個(gè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材順紋抗剪和抗拉性能

高溫?zé)岣男郧昂舐淙~松木材在60%和90%環(huán)境濕度下的順紋抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度見表1。

木材破壞通常由微纖絲和填充物的劈裂或剪切導(dǎo)致(丁濤等，2010)；而半纖維素和木質(zhì)素黏結(jié)在一起，支撐著纖維素骨架(徐有明，2006)，賦予木材剪切強(qiáng)度(丁濤等，2010)，作為木材三大組分中對(duì)熱最為敏感的高聚物(黃榮鳳等，2010；鄧紹平等，2009)，分布于細(xì)胞間隙胞間層中半纖維素的降解和部分脫除，可能引起木材細(xì)胞間隙增大，是木材內(nèi)部的初始缺陷，在承載中極易成為應(yīng)力集中的部位，從而造成木材順紋剪切強(qiáng)度明顯降低。當(dāng)溫度高于180 ℃時(shí)，纖維素?zé)崃呀夥磻?yīng)逐漸增強(qiáng)，聚合度降低，引起熱處理后木材強(qiáng)度下降(Mitchell，1988)。但總的來說，相對(duì)于其他化學(xué)組分，纖維素?zé)岱€(wěn)定性較高，高溫對(duì)其力學(xué)性能劣化的作用有限；高溫下木質(zhì)素軟化經(jīng)冷卻重新硬固，材料仍保持較高的抗拉強(qiáng)度。

表1 落葉松木材的順紋抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度

2.2 木材平衡含水率

木材吸濕性主要取決于其所含半纖維素和纖維素?zé)o定形區(qū)中未成鍵的自由羥基數(shù)量，一定濕度環(huán)境中，木材平衡含水率降低表明木材內(nèi)吸濕基團(tuán)減少，即木材半纖維素和纖維素?zé)o定形區(qū)的結(jié)構(gòu)和比例發(fā)生變化。落葉松未改性材和高溫?zé)岣男圆脑?0%和90%環(huán)境濕度下的平衡含水率見圖2。

圖2 高溫?zé)岣男郧昂舐淙~松木材平衡含水率

圖2表明，高溫?zé)岣男院铜h(huán)境濕度對(duì)木材平衡含水率均有明顯影響。60%環(huán)境濕度下落葉松木材平衡含水率為10.74%，當(dāng)環(huán)境濕度為90%時(shí)，木材平衡含水率提高92.0%，達(dá)20.62%。高溫?zé)岣男院螅?0%環(huán)境濕度下木材平衡含水率降至4.76%，是未改性材的44.3%；當(dāng)環(huán)境濕度為90%時(shí)，高溫?zé)岣男圆牡钠胶夂蕿?1.18%，與未改性材相比，平衡含水率僅為其54.2%。

半纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定其是木材化學(xué)組分中耐熱性最差、對(duì)外界條件最敏感、最易發(fā)生化學(xué)變化和反應(yīng)的碳水化合物(尹思慈，1996)，在高溫?zé)岣男赃^程中，半纖維素最易發(fā)生降解(黃榮鳳等，2010；鄧紹平等，2009)。丁濤等(2016)、曹金珍等(1997)研究指出，高溫?zé)岣男院螅静闹斜酱汲樘嵛锖棵黠@增加，半纖維素降解，木材的親水性降低，與本研究結(jié)果具有一致性。

2.3 膠合木梁抗彎性能

高溫?zé)岣男詫?duì)60%和90%環(huán)境濕度下膠合木梁抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量的影響見圖3。

圖3 膠合木梁的抗彎性能

圖3表明，膠合木梁的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量均隨環(huán)境濕度提高而降低；在環(huán)境濕度相同時(shí)，木材經(jīng)高溫?zé)岣男院?，其抗彎?qiáng)度有所降低，抗彎彈性模量得到改善。與90%環(huán)境濕度下未處理膠合木梁相比，同濕度下高溫?zé)岣男阅z合木梁的抗彎強(qiáng)度降低29.79%，抗彎彈性模量提高23.71%。對(duì)于未處理膠合木梁，90%環(huán)境濕度比60%環(huán)境濕度下的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量分別降低17.07%和23.27%；對(duì)于高溫?zé)岣男阅z合木梁，90%環(huán)境濕度比60%環(huán)境濕度下的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量分別降低17.15%和7.55%。

60%和90%環(huán)境濕度下膠合木梁的荷載-位移曲線見圖4。

圖4 膠合木梁荷載-位移曲線

圖4表明，60%環(huán)境濕度下未處理和高溫?zé)岣男阅z合木梁均表現(xiàn)為線彈性，90%環(huán)境濕度下高溫?zé)岣男阅z合木梁也表現(xiàn)出較明顯的線彈性。與此相比，未處理膠合木梁在90%環(huán)境濕度下表現(xiàn)出明顯的彈塑性，在膠合木梁承載初期為彈性階段，中后期進(jìn)入塑性階段，直至破壞。因此，通過高溫?zé)岣男裕軌蝻@著提高膠合木梁的抗彎彈性模量，減小撓度。

高溫?zé)岣男阅z合木梁的典型破壞模式見圖5?？梢钥闯?，高溫?zé)岣男阅z合木梁破壞時(shí)，裂縫先沿橫截面向上延伸，后沿木材紋理向構(gòu)件端部延伸，為明顯的脆性破壞，除個(gè)別試件為端部順紋剪切破壞(圖5a)外，其他均為受拉區(qū)纖維斷裂和剪切混合破壞(圖5b)，受壓區(qū)無明顯塑性變形。

圖5 高溫?zé)岣男阅z合木梁的典型破壞模式

膠合木梁受彎過程中各級(jí)荷載對(duì)應(yīng)的跨中截面應(yīng)變分布見圖6和7。

圖6 未處理膠合木梁跨中截面應(yīng)變分布

圖7 高溫?zé)岣男阅z合木梁跨中截面應(yīng)變分布

圖6、7表明，未處理和高溫?zé)岣男阅z合木梁承受彎曲作用時(shí)，垂直于膠合木梁軸線的各平截面在變形后仍然為平面，均符合平截面假定。同時(shí)，所有膠合木梁在承載全過程中，中性軸基本位于其幾何中心線上，無明顯變化。

比較圖6、7發(fā)現(xiàn)，對(duì)于未處理和高溫?zé)岣男阅z合木梁，在相同荷載水平下，各層板在90%環(huán)境濕度下的變形均高于60%環(huán)境濕度下的變形，說明環(huán)境濕度提高導(dǎo)致木材含水率增大，是木材抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量降低的主要原因。同時(shí)，在相同環(huán)境濕度條件下，高溫?zé)岣男阅z合木梁各層板的變形均小于未處理膠合木梁對(duì)應(yīng)層板的變形，這是因?yàn)楦邷責(zé)岣男院螅静膹椥阅Ａ刻岣邔?dǎo)致，與圖3、4具有較好的一致性。

根據(jù)材料力學(xué)基本原理(孫國鈞等，2006)，彎曲時(shí)橫截面上離中性軸最遠(yuǎn)處正應(yīng)力最大，最大剪切應(yīng)力發(fā)生在中性軸處，梁彎曲過程中，除中部純彎曲段外的區(qū)域均有剪切應(yīng)力。高溫?zé)岣男院?，木材纖維素發(fā)生部分熱裂解(Mitchell，1988)，對(duì)濕熱敏感的半纖維素發(fā)生熱解(黃榮鳳等，2010；鄧紹平等，2009；丁濤等，2016；曹金珍等，1997)，導(dǎo)致纖維素更易在荷載作用下拉斷或從半纖維素基質(zhì)中拔出而破壞，因此高溫?zé)岣男院蠹疤幱诟邼癍h(huán)境中的木材順紋抗剪強(qiáng)度下降幅度較大，這對(duì)膠合木梁的極限受彎承載力具有較大影響，也是高濕環(huán)境中高溫?zé)岣男阅z合木梁抗彎強(qiáng)度降低、中性軸附近有缺陷處易發(fā)生剪切破壞或拉伸剪切混合破壞的主要原因。

水分作為增塑劑，當(dāng)木材含水率較低時(shí)，會(huì)引起力學(xué)性能提高。由于高溫?zé)岣男院笪鼭裥詮?qiáng)的半纖維素降解，木質(zhì)素發(fā)生酯化反應(yīng)，使得強(qiáng)吸水性羥基數(shù)量減少，木材平衡含水率明顯降低。同時(shí)，高溫通過纖維素準(zhǔn)結(jié)晶無定形區(qū)纖維素分子鏈之間的羥基縮合反應(yīng)，脫出水分、生成醚鍵，使無定形區(qū)內(nèi)微纖絲排列更加有序，向結(jié)晶區(qū)靠攏并取向，不但減少了纖維素游離羥基的數(shù)量，弱化了木材的吸濕性能(Tjeerdsmaetal.，2005；Inarietal.，2007)，而且降低了荷載作用下微纖絲間的滑移，因此高溫?zé)岣男阅z合木梁抗彎彈性模量得到較明顯改善。

3 結(jié)論

1)高溫?zé)岣男詴?huì)在一定程度上降低膠合木梁的抗彎強(qiáng)度，但可明顯提高高濕度條件下膠合木梁的抗彎彈性模量，與90%環(huán)境濕度下未處理膠合木梁相比，高溫?zé)岣男院?，同濕度下膠合木梁的抗彎強(qiáng)度降低29.79%，抗彎彈性模量提高23.71%。

2)高溫?zé)岣男钥山档湍z合木梁抗彎彈性模量對(duì)環(huán)境濕度的敏感性，環(huán)境濕度從60%提高到90%，未處理膠合木梁的抗彎彈性模量降低23.27%，經(jīng)高溫?zé)岣男灶A(yù)處理的膠合木梁抗彎彈性模量降低7.55%。

3)與60%環(huán)境濕度相比，90%環(huán)境濕度下膠合木梁的抗彎性能具有更明顯的非線性特性；經(jīng)高溫?zé)岣男灶A(yù)處理后，膠合木梁在60%和90%環(huán)境濕度下均表現(xiàn)為線彈性。

4)高溫?zé)岣男院透邼癍h(huán)境均對(duì)木材抗剪強(qiáng)度有較為明顯的劣化作用，經(jīng)高溫?zé)岣男灶A(yù)處理的膠合木梁主要發(fā)生具有脆性特征的拉伸剪切混合破壞或剪切破壞。

5)環(huán)境濕度和高溫?zé)岣男詫?duì)木材平衡含水率影響明顯,90%環(huán)境濕度下未改性木材平衡含水率較60%環(huán)境濕度下提高92%；高溫?zé)岣男院竽静钠胶夂曙@著降低，與90%環(huán)境濕度下未處理木材相比，高溫?zé)岣男阅静钠胶夂蕿?1.18%，降低45.78%。