木材靜曲蠕變成套測試系統(tǒng)的研發(fā)

董春雷,保昆雁,黃宇翔,張宏健*

(1. 西南林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650224; 2. 中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091)

木材具有向周圍高濕空氣吸收氣態(tài)水分(吸濕)和向周圍低濕空氣釋放氣態(tài)水分(解吸)的能力。吸濕/解吸過程中，木材內(nèi)部的含水率呈梯度分布和動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，較干木材吸濕時(shí)其含水率由表及里逐層增大并伴隨著平均含水率的逐漸增大，直至達(dá)到與周圍空氣含水率平衡的狀態(tài)，較濕木材的解吸過程則相反[1]。

Armstrong等[2]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)反復(fù)吸濕/解吸和平均含水率(average moisture content，AMC)反復(fù)增大/減小的木材靜曲變濕蠕變撓度的變化規(guī)律，與GB/T 50329—2012《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和ASTM D6815-09(2015)“Standard specification for evaluation of duration of load and creep effects of wood and wood-based products”實(shí)驗(yàn)室條件下平衡含水率(equilibrium moisture content，EMC)與靜曲恒濕蠕變撓度成正相關(guān)關(guān)系的規(guī)律差異較大，且變濕蠕變總撓度遠(yuǎn)大于同時(shí)長、高EMC下的恒濕蠕變總撓度。筆者曾發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)公知相反的是，自然環(huán)境中木質(zhì)梁在雨季的蠕變靜曲撓度反而小于旱季[3]。這些發(fā)現(xiàn)引起了國內(nèi)外工程界的高度重視，也引起了科學(xué)界對木材變濕蠕變[因機(jī)理未明，將其籠統(tǒng)稱為機(jī)械吸附蠕變(mechano-sorptive creep，MSC)]機(jī)理研究的強(qiáng)烈興趣，但MSC測試技術(shù)的不足[4-5]和對吸濕/解吸過程中木材內(nèi)部含水率梯度分布和動(dòng)態(tài)變化認(rèn)知的不足[6-7]，阻滯了人們對MSC科學(xué)機(jī)理和工程應(yīng)用的探究進(jìn)程。

筆者根據(jù)木材靜曲蠕變的測試原理和木材對氣態(tài)水分的吸濕/解吸原理，研發(fā)了一套木材靜曲變濕蠕變精密測試系統(tǒng)，為探討MSC科學(xué)機(jī)理和自然條件下承重性木材MSC對實(shí)際工程應(yīng)用的影響提供依據(jù)。

1 木材變濕蠕變測試系統(tǒng)的基本要求

1.1 試件要求

試件的外形尺寸必須按其與試件樣本數(shù)、檢測時(shí)長、環(huán)境溫濕度條件、環(huán)境容量、荷載系統(tǒng)體積及質(zhì)量、檢測系統(tǒng)體積和檢測精度等因素之間的內(nèi)在數(shù)理關(guān)系來設(shè)計(jì)。試件尺寸過大不僅需要較大的檢測空間，而且會因木材的非均質(zhì)性和諸多內(nèi)部缺陷而導(dǎo)致顯著的測試誤差，因此，木材變濕蠕變的試件宜選用無瑕疵、年輪較少的小尺寸試件；但試件尺寸太小則會對檢測設(shè)備的制造精度和測試精度提出過高要求而導(dǎo)致整套設(shè)備成本的大幅增加。本研究經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)后確認(rèn)選用的試件尺寸為110 mm(長)×10 mm(寬)×5 mm(高)，與之相對應(yīng)的是可以容得下所有樣本試件和荷載、檢測系統(tǒng)的常用中型氣候環(huán)境參數(shù)可控箱體，以及木材靜曲蠕變測試對試件受力要求的可滿足性和試件與環(huán)境氣流的相適應(yīng)性。

1.2 技術(shù)要求

木材靜曲變濕蠕變測試系統(tǒng)的基本原理如圖1所示，該系統(tǒng)的技術(shù)要求為：

1)有適當(dāng)?shù)脑嚰?、測試系統(tǒng)放置和變濕環(huán)境空間，同時(shí)也需要有容納多試件同時(shí)加/卸載裝置的操作空間。

2)有定量、定速、定向地穩(wěn)定生成、輸送、維持、排出特定濕度和溫度濕空氣的能力，以確保木材試件可以穩(wěn)定地吸收或排出氣態(tài)水分；有對濕空氣濕度、溫度和流速及其變化幅度的調(diào)控能力，濕空氣的相對濕度控制精度不應(yīng)大于±2%，溫度的控制精度不應(yīng)大于±0.1 ℃；還須有濕空氣參數(shù)的實(shí)時(shí)記錄、儲存和輸出功能。

3)有可連續(xù)敏銳捕捉試件變形量的連續(xù)檢測和信號-數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)的連續(xù)實(shí)時(shí)記錄、儲存和輸出功能，其中，試件變形測試精度和分辨率均不低于0.01 mm，如本套裝置采用如圖1所示的直線位移傳感器(linear variable differential transformer，LVDT)獲取高精準(zhǔn)變形數(shù)據(jù)。此外，為滿足加載瞬時(shí)(如幾分鐘)和長周期(如幾年)數(shù)據(jù)采集密度的要求，數(shù)據(jù)記錄間隔需要在1 s～24 h內(nèi)無極可調(diào)，并且要有置于變濕檢測空間以外的顯示、監(jiān)視和控制系統(tǒng)。

4)有系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行的可調(diào)可控性、可監(jiān)視性、穩(wěn)定性、安全性和可靠性保障裝置。

2 各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法

本次研發(fā)的木材靜曲變濕蠕變成套測試系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示，系統(tǒng)主要軟硬件參數(shù)和整套系統(tǒng)的性能參數(shù)如表1所示。

1. 數(shù)據(jù)采集、處理、儲存和顯示系統(tǒng)；2. 試件上表面LVDT；3. 箱體；4. 試件下表面LVDT；5. 荷重掛環(huán)；6. 配重鋼板；7. 空氣流；8. 木材試件；9. 防壓痕墊片；10. 無壓痕簡支座；11. LVDT支座；12. 荷重掛架。圖1 木材靜曲變濕蠕變測試原理圖Fig. 1 Schematic diagram of wood static bending mechanical-sorptive creep test

1. 上表面LVDT；2. 下表面LVDT；3. 第三方溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)；4. 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)記錄儲存處理顯示系統(tǒng)；5. 數(shù)據(jù)采集器；6. 遠(yuǎn)程警報(bào)器；7. 熱線式風(fēng)速計(jì)；8. 箱體(含送/排氣、循環(huán)、量控、速控系統(tǒng))；9. 無壓痕簡支座；10. 支架；11. 防墜安全繩；12. 掛架；13. 荷重分配環(huán)；14. 配重鋼板；15. 同時(shí)加/卸載裝置；16. 防水電子天平。圖2 木材靜曲變濕蠕變測試系統(tǒng)實(shí)物圖Fig. 2 Physical diagram of wood static mechanical-sorptive bending creep test system

表1 測試系統(tǒng)軟硬件名稱和參數(shù)Table 1 Software and hardware names and their parameters of test systems

2.1 蠕變測試環(huán)境系統(tǒng)

2.1.1 可滿足基本要求的定型設(shè)備選用

噴蒸式恒溫恒濕箱是木材物理力學(xué)性能測試中普遍使用的加濕和保濕設(shè)備[6]，其工作原理是直接向箱內(nèi)輸送高溫水蒸氣。高溫水蒸氣進(jìn)入低于水蒸氣溫度的箱體內(nèi)時(shí)，會很快在木材試件表面形成冷凝水，從而使木材的吸濕變成吸水。由于吸濕和吸水對木材物理力學(xué)性能影響的差異較大[8]，加上箱壁和箱底留存的冷凝水對箱內(nèi)濕度、溫度和相關(guān)電子器件正常運(yùn)行的干擾，噴蒸式恒溫恒濕箱并不能模擬和滿足木材在真實(shí)大氣環(huán)境中的吸濕或解吸要求。

為解決這一問題，Takahashi等[9]采用在密閉箱內(nèi)放置飽和鹽溶液控制環(huán)境濕度的調(diào)濕方法對木材進(jìn)行調(diào)濕，但該方法仍難以達(dá)到木材變濕蠕變的測試要求。這是因?yàn)樵撓到y(tǒng)對環(huán)境溫度過于敏感而難以維持穩(wěn)定的空氣濕度，另一方面，其測試環(huán)境的封閉性難以獲得空氣的流動(dòng)，導(dǎo)致木材吸濕與實(shí)際吸濕情況存在較大差異。

綜上可知，試驗(yàn)裝備的不足可能是阻滯人們對MSC深入研究的主要因素之一。因此，需要改造現(xiàn)有噴蒸式恒溫恒濕箱的濕空氣供給系統(tǒng)。德國Binder公司的電極式恒溫恒濕箱由于其箱外加濕器可以向箱內(nèi)輸送低溫飽和水蒸氣，從而避免了致命冷凝水的產(chǎn)生。因此，本次研發(fā)選用了Binder MKF720型恒溫恒濕箱，其箱內(nèi)容積為937 mm(寬)×576 mm(深)×1 250 mm(高)。然而考慮到LVDT最佳工作溫度(0～80 ℃)、環(huán)境溫濕度第三方檢測裝置工作溫度(-30～70 ℃)和信號線材的耐老化等要求，本套木材蠕變測試系統(tǒng)的工作溫度范圍為0～70 ℃。此外，雖然該箱具備了供給低溫濕空氣的基本條件，但為滿足木材靜曲變濕蠕變試驗(yàn)對測試風(fēng)速的要求，還須自行研發(fā)和配置該箱缺乏的寬幅風(fēng)速調(diào)節(jié)和風(fēng)速監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1.2 寬幅風(fēng)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)

所選用的Binder MKF720型恒溫恒濕箱最大可調(diào)風(fēng)速僅為1 m/s，無法模擬和研究高風(fēng)速氣流下(如高原或沿海室外環(huán)境中，大半年的風(fēng)速普遍在2.2 m/s以上)木材變濕蠕變的基本規(guī)律。因此，還需增設(shè)箱內(nèi)風(fēng)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)。考慮到箱內(nèi)空間限制和氣流通道的原有布局，經(jīng)多方考證和測試，最終選用一臺小型可調(diào)速雙渦輪風(fēng)扇系統(tǒng)(含熱線式風(fēng)速計(jì))，將箱內(nèi)風(fēng)速最高可提升至5.6 m/s。經(jīng)反復(fù)測試和驗(yàn)證，本套系統(tǒng)最低風(fēng)速0.3 m/s可基本保證箱內(nèi)濕空氣的流通性和均勻性。因此，本套蠕變測試的風(fēng)速可調(diào)試范圍是0.3～5.6 m/s。憑借該套風(fēng)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的加持以及前期的試驗(yàn)和理論分析，證實(shí)風(fēng)速的改變能顯著影響木材試件表面的氣流速率，如圖3所示。由圖3可知，由于木材表面的黏性阻力作用，3種氣流速率下木材表面均存在一個(gè)明顯的低速區(qū)，即氣流速度邊界層，且隨著氣流速率的增大，邊界層厚度逐漸減小，當(dāng)氣流速率達(dá)到5.6 m/s時(shí)，木材端頭的氣流邊界層已基本消失。由木材表面熱質(zhì)傳遞理論可知，邊界層厚度越小，木材傳熱傳質(zhì)效率越高。因此，通過改變箱內(nèi)風(fēng)速即可增加或降低不同風(fēng)速環(huán)境下木材的吸濕/解吸過程，從而拓寬本套蠕變測試裝置的使用范圍。

圖3 不同氣流速率下氣候箱內(nèi)及試件表面水蒸氣的分布云圖Fig. 3 Moisture vapor distribution nephogram of climate box and sample surface at different airflow velocities

2.2 蠕變荷載系統(tǒng)

木材靜曲變濕蠕變試驗(yàn)荷載系統(tǒng)包括支架、試件簡支座、荷載掛架/掛重和同時(shí)加/卸載裝置。

2.2.1 支 架

支架必須滿足試件數(shù)量和在其上方裝/卸試件簡支座、四點(diǎn)彎加載構(gòu)件和電子檢測元器件的要求，同時(shí)還需滿足恒溫恒濕箱箱體承重能力、內(nèi)腔容積、空氣流動(dòng)阻力等要求?？裳b配6套“試件-荷載-檢測-安防”測試單元的支架如圖4所示。

圖4 承載“試件-荷載-檢測-安防”構(gòu)件的支架Fig. 4 Bracket for bearing test-load-inspection-security components

2.2.2 試件簡支座

通常情況下，干態(tài)環(huán)境下世界各國通用木材靜曲性能測試標(biāo)準(zhǔn)都是要求采用一定弧度且可旋轉(zhuǎn)的支撐輥?zhàn)龊喼Я菏芰χ味?，其目的是允許木材自由彎曲變形并減小壓痕。但在潮濕環(huán)境中木材易受濕變軟，上述支撐方式對木材仍會造成較大的壓痕。因此，將弧形支撐輥簡支方式改為可繞支撐輥旋轉(zhuǎn)的平板支撐方式，可在滿足測試原理的前提下解決這一問題，如圖5所示。

圖5 本次研發(fā)所采用的簡支座三維設(shè)計(jì)圖Fig. 5 The three-dimensional design of the simple support in this research and development

2.2.3 掛架和荷重構(gòu)件

由于本次研發(fā)采用的是四點(diǎn)彎加載方式測試木材的變濕蠕變性能，需要有2個(gè)掛點(diǎn)進(jìn)行掛重，但由此會帶來兩掛點(diǎn)掛重均勻分配和掛架隨掛重晃動(dòng)的問題。因此，設(shè)計(jì)了一套雙掛點(diǎn)掛架裝置，如圖6所示。其中，限位片可阻止試件彎曲變形時(shí)掛架向內(nèi)滑動(dòng)，從而保持試件受力點(diǎn)的固定性，同時(shí)，限位片和帶凹槽加載輥的協(xié)同作用也可防止掛架的前后及左右晃動(dòng)，提高加載系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖6 掛架及荷重Fig. 6 Hanger and load

由于蠕變試驗(yàn)在變溫變濕箱這一狹小空間中進(jìn)行，要求荷重占用體積盡可能小且方便制成規(guī)范形體，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)成本，最終確定采用密度較大的鋼板作為荷重，如圖6所示。采用長度和寬度相同但厚度不同的鋼片，方便不同荷載水平蠕變試驗(yàn)的搭配使用。同時(shí)，所有荷重鋼板均進(jìn)行發(fā)藍(lán)處理以防止其在蠕變測試過程中因箱內(nèi)濕度過高而生銹，影響加載荷重的統(tǒng)一性和穩(wěn)定性。此外，為防止荷重分配不均勻和荷重晃動(dòng)對掛架的穩(wěn)定性造成影響，設(shè)計(jì)了一個(gè)荷重分配環(huán)，如圖6所示，依靠3個(gè)距離等分V形圓弧凹槽不僅使荷重能均勻等分至2個(gè)掛架，還可防止掛架產(chǎn)生較大晃動(dòng)。同時(shí)，依靠圓弧凹槽的點(diǎn)接觸使得兩掛架、荷重掛鉤和荷重分配環(huán)三者協(xié)同作用，將荷重自動(dòng)對中，保證了加載力的垂直性。

2.2.4 同時(shí)加/卸載構(gòu)件

木材蠕變試驗(yàn)需要有一定的試件樣本量，并且對所有試件的蠕變量計(jì)時(shí)起點(diǎn)有較高的要求。為取得吸濕/解吸與蠕變加載起點(diǎn)的同步同時(shí)性，需要有一個(gè)對多個(gè)試件的荷載同時(shí)加載的裝置。本研究自行設(shè)計(jì)的簡易同時(shí)加載裝置如圖4所示。利用千斤頂將帶有掛鉤的荷重升至合適的高度，使得帶V形凹槽的荷重分配環(huán)能夠穿過掛鉤落在U形掛件上。當(dāng)啟動(dòng)蠕變試驗(yàn)時(shí)，將千斤頂卸油閥打開，荷重由于自身重力在千斤頂?shù)闹蜗戮従徬陆担敝梁芍貟煦^落在荷重分配環(huán)的V形槽內(nèi)，此時(shí)荷重與千斤頂分離，實(shí)現(xiàn)荷重的同時(shí)加載，而卸載時(shí)只需執(zhí)行相反操作即可。

2.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、儲存、處理和顯示系統(tǒng)

2.3.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

木材靜曲變濕蠕變試驗(yàn)需要實(shí)時(shí)采集的最主要原始數(shù)據(jù)為環(huán)境溫濕度和試件跨中上下表面的位移量。

1)箱內(nèi)空氣溫度和相對濕度的采集。試驗(yàn)箱內(nèi)的環(huán)境溫濕度均可由Binder箱自帶的溫濕度傳感器和配套軟件測得并記錄，由第三方溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)做參考和校正。

2)試件跨中位移量的采集。本系統(tǒng)在試件跨中上下表面的中點(diǎn)分別設(shè)置一個(gè)線性位移傳感器(LVDT)(圖1和2)，用在試件下表面測得的位移量表示試件的靜曲撓度，用同時(shí)測得的試件上下表面位移量之差作為試件厚度方向上的濕脹或干縮量，進(jìn)而獲得試件實(shí)時(shí)厚度濕脹干縮率和截面慣性矩，方便后期分析和計(jì)算。

2.3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的儲存、處理和顯示系統(tǒng)

利用變送器和數(shù)據(jù)導(dǎo)線將采集到的溫度、相對濕度和位移信號輸入計(jì)算機(jī)(圖2)，然后通過基于VB的自編程序即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)儲存、實(shí)時(shí)處理分析和顯示。

1)采集到的實(shí)時(shí)原始數(shù)據(jù)采用文本格式并以數(shù)據(jù)庫形式存儲，供自編軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和分析使用，同時(shí)也可隨時(shí)導(dǎo)出數(shù)據(jù)拷貝成備份，方便數(shù)據(jù)的線下處理和分析使用。

2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理和顯示。①由Binder MKF720型恒溫恒濕箱溫濕度傳感器所獲數(shù)據(jù)，經(jīng)配套軟件記錄和處理后即可獲得以時(shí)間為橫坐標(biāo)、以箱內(nèi)溫度和相對濕度為縱坐標(biāo)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)圖。②用自編軟件將上述位移原始數(shù)據(jù)作實(shí)時(shí)處理后，形成以時(shí)間為橫坐標(biāo)、試件靜曲撓度和濕脹干縮量為縱坐標(biāo)的續(xù)進(jìn)式試件蠕變圖(圖7)，供實(shí)時(shí)監(jiān)視監(jiān)控所用(續(xù)進(jìn)式即蠕變記錄數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在“時(shí)間-蠕變撓度”坐標(biāo)圖內(nèi)，縱橫坐標(biāo)數(shù)值范圍既可以人為更改，也可根據(jù)數(shù)據(jù)的累積自動(dòng)加大以承載全部測試數(shù)據(jù))。

圖7 自編軟件的木材蠕變變形及干縮濕脹量監(jiān)視界面Fig. 7 Wood creep deformation and shrinking-swelling monitor interface of self-made software

2.4 安全、防護(hù)和保障系統(tǒng)

在蠕變測試過程中很容易出現(xiàn)試件破壞、機(jī)件損壞、停電、數(shù)據(jù)丟失等問題[9-10]。因此，蠕變測試需要有安全、防護(hù)和保障系統(tǒng)的支持。

1)箱內(nèi)試驗(yàn)條件穩(wěn)定性保障。為防止氣候箱周邊環(huán)境溫濕度的變化對氣候箱內(nèi)溫濕度的影響，尤其是開門的影響，同時(shí)為盡量維持箱外試驗(yàn)操作空間溫濕度與箱內(nèi)參數(shù)的一致性，本次研發(fā)為Binder MKF720型恒溫恒濕箱設(shè)計(jì)并配置了一個(gè)含有加濕/除濕機(jī)和空調(diào)的8 m2恒溫恒濕房。該恒溫恒濕房溫度可調(diào)范圍為10～40 ℃(精度±1 ℃)，相對濕度可調(diào)范圍40%～80%(精度±5%)。

2)為防止Binder MKF720型恒溫恒濕箱溫濕度傳感器可能出現(xiàn)的電子元器件故障導(dǎo)致的示值偏差或錯(cuò)誤，本系統(tǒng)增加了6臺精度高于箱內(nèi)置溫濕度傳感器的Ecolog Data Logger(相對濕度精度±0.5%、溫度精度±0.05 ℃)實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)監(jiān)測和記錄裝置，對箱內(nèi)不同部位的溫濕度進(jìn)行監(jiān)控和記錄，如圖8所示，可供隔窗觀察、定時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)輸出和Binder設(shè)備數(shù)顯溫濕度的對比校正。

圖8 箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)的第三方監(jiān)控系統(tǒng)Fig. 8 Third-party monitoring system for in-box environmental parameters

3)防試件意外斷裂裝置。為防止不同性質(zhì)和不同試驗(yàn)條件下試件的突然斷裂造成整個(gè)測試系統(tǒng)的震動(dòng)和損壞，本次研發(fā)在兩荷重掛架中間穿兩道鐵絲并緊固在支架上搭建成兩道攔阻索予以解決。

4)防意外停電裝備。對計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集器等電子器件加配足夠容量的不間斷電源UPS系統(tǒng)，同時(shí)配置適當(dāng)功率的發(fā)電設(shè)備和供電裝置，防止停電造成的試驗(yàn)中斷。

5)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。為防止試驗(yàn)人員不在現(xiàn)場時(shí)測試系統(tǒng)因機(jī)械或電子故障引發(fā)箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定參數(shù)范圍而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，本套變濕蠕變測試系統(tǒng)配備了華圖溫濕度報(bào)警裝置，可即時(shí)向離場試驗(yàn)人員發(fā)出短信警報(bào)，通知離場試驗(yàn)人員迅速趕回現(xiàn)場做出處理。

3 系統(tǒng)運(yùn)行效果檢驗(yàn)

經(jīng)試運(yùn)行檢驗(yàn)和修正，對本系統(tǒng)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性、可持續(xù)性、可靠性做出的驗(yàn)證表明，本系統(tǒng)可以獲得木材靜曲變濕蠕變的實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)(圖9)和可供后期精細(xì)研究分析的數(shù)據(jù)。

1)為考察加載水平對木材機(jī)械吸附蠕變的影響，選取意楊木材為研究對象，其絕干密度為0.54 g/cm3(協(xié)方差3.8%)，靜曲彈性模量為14 730 MPa(協(xié)方差5.2%)，靜曲破壞荷載為0.33 kN(協(xié)方差7.3%)，初始含水率為8%，荷載水平分別取靜曲破壞荷載的5%，10%，20%，25%和30%。其中，除30%荷載水平的試件為2條外，其余荷載水平的試件均為1條。在20 ℃恒溫、相對濕度42%～80% 6個(gè)循環(huán)變濕設(shè)定環(huán)境條件下，箱內(nèi)6點(diǎn)溫濕度傳感器和上下12根LVDT實(shí)時(shí)測得的試件靜曲蠕變撓度、濕脹干縮量和箱內(nèi)溫濕度檢測結(jié)果如圖9所示[11]，其中，由于箱內(nèi)6處環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)非常均勻和一致而僅做了平均處理。本試驗(yàn)采用同一批試材進(jìn)行了3次相同試驗(yàn)條件的重復(fù)試驗(yàn)，3次試驗(yàn)結(jié)果均高度一致。從圖9可以看出，當(dāng)外荷載水平小于靜曲破壞荷載的30%時(shí)，外荷載與木材機(jī)械吸附蠕變量成正相關(guān)關(guān)系(如第1～4條試件所示)；但當(dāng)荷載不小于靜曲破壞荷載的30%時(shí)，木材的機(jī)械吸附蠕變呈現(xiàn)出較大的個(gè)體差異性和變異性(如第5～6條試件所示)，這與前人研究結(jié)果高度一致[12-14]。同時(shí)，本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)木材在吸濕段內(nèi)的上下表面位移差異最大而解吸段幾乎沒有差異，這說明以中性層為分界線吸濕時(shí)，木材上下兩部分的濕脹率有明顯差異，而解吸時(shí)兩部分的干縮率完全一致。這是否與木材上下兩部分受力方式的不同(上表面為壓縮應(yīng)力、下表面為拉伸應(yīng)力)有關(guān)，進(jìn)而是否能成為木材發(fā)生機(jī)械吸附蠕變的決定主因之一還有待研究。

圖9 實(shí)時(shí)測得的箱內(nèi)溫濕度和蠕變量Fig. 9 In-box temperature, humidity and creep displacement measured in real time

圖10 木材動(dòng)態(tài)濕脹干縮實(shí)測圖Fig. 10 Wood dynamic swelling-shrinkage measured map

為考察本套試驗(yàn)裝置對木材干縮濕脹量的測試精度和可靠度，在總測試時(shí)長為240 h的蠕變試驗(yàn)中截取第2個(gè)解吸階段的試件濕脹數(shù)據(jù)，如圖10所示。從圖9和10可以看出，本套系統(tǒng)能長期靈敏穩(wěn)定地捕捉到木材試件在可變氣候環(huán)境和恒定氣候環(huán)境下的蠕變撓度、試件濕脹干縮量和環(huán)境溫濕度。此外，在試驗(yàn)正常運(yùn)行過程中本套系統(tǒng)也可任意更改檢測的采樣間隔時(shí)間，可選取預(yù)設(shè)也可直接輸入采樣間隔(圖9中的橢圓區(qū)域，調(diào)節(jié)方式如圖11所示)，以實(shí)現(xiàn)不同蠕變階段對數(shù)據(jù)密集度的要求。

圖11 數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置圖Fig. 11 Settings of data acquisition interval

由國家林業(yè)和草原局木材與木竹制品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心(昆明)對本套系統(tǒng)所采用的LVDT在40%～98%不同相對濕度和0～60 ℃不同溫度條件下的測試精度做了對標(biāo)測試，測試結(jié)果均達(dá)到了產(chǎn)品出廠標(biāo)定參數(shù)。

2)本系統(tǒng)的精確測試結(jié)果與前人采用噴蒸處理試件等所獲蠕變測試結(jié)果不同，如吸濕過程中的木材靜曲撓度并不都是反向減小，而是取決于吸濕速率和外荷載的競爭關(guān)系，如圖12中的前2個(gè)吸濕段和第3個(gè)吸濕段的詳圖1和詳圖3所示，從而為木材靜曲變濕蠕變機(jī)理的揭示提供了有力證據(jù)。

4 結(jié) 論

自主研制的木材MSC測試系統(tǒng)充分考慮了木材變濕蠕變及濕脹干縮量測試的實(shí)時(shí)性、精確性、安全性、長期穩(wěn)定性和易于操作等基本測試要求。通過前期大量試驗(yàn)測試和結(jié)果驗(yàn)證，證實(shí)該系統(tǒng)可對木材普遍蠕變和復(fù)雜變濕蠕變的撓度、干縮濕脹量、環(huán)境溫濕度參數(shù)進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定地檢測、記錄和顯示。該系統(tǒng)的研制可為木材MSC行為規(guī)律和蠕變機(jī)理的研究提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)及測試平臺，同時(shí)也可為除木材以外的水分吸附性材料的吸濕/解吸行為試驗(yàn)測試裝備的研制提供參考。