水曲柳順紋壓縮率和PDR的變化規(guī)律研究

張 燕，宋魁彥，佟 達(dá)

(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)

木材是一種天然的由纖維構(gòu)成的各項(xiàng)異性的多孔性材料，由于各組織細(xì)胞的排列方向不同，木材縱向、徑向和弦向的力學(xué)性能也有所差異［1－2］。纖維素具有可以伸縮的彈性性能［3－4］，在木材順紋壓縮過(guò)程中，利用纖維素的這一力學(xué)性能，使木材微纖絲之間產(chǎn)生縱向滑移，并且在細(xì)胞壁上產(chǎn)生褶皺，從而改變了木材的力學(xué)性能。半纖維素和木質(zhì)素作為一種基質(zhì)填充于纖維素微纖絲之間，軟化處理改變或破壞了半纖維素和木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)，降低了其對(duì)纖維素的束縛作用，有利于木材的順紋壓縮。在后續(xù)的彎曲中，木材細(xì)胞壁上的褶皺又會(huì)逐漸展平，提高了木材的彎曲性能，減小了彎曲的曲率半徑，有利于實(shí)現(xiàn)木材的多維彎曲［5－8］。木材順紋壓縮率和順紋壓縮回彈永久變形率PDR(Permanent Deformation Rate)是評(píng)價(jià)木材順紋壓縮和彎曲性能的重要指標(biāo)之一，其變化規(guī)律的研究對(duì)充分了解順紋壓縮率和PDR在木材順紋壓縮過(guò)程中的關(guān)系，提高木材的順紋壓縮率和PDR，并獲得單維和多維最小彎曲曲率半徑有很大幫助［9］。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試材選取

水曲柳是曲木家具生產(chǎn)的主要用材，其基本結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)較適合木材的彎曲試驗(yàn)。本試驗(yàn)選取胸徑為26～28 cm的水曲柳原木作為試驗(yàn)用材，并在離地1.2～1.9 m處取得原木木段，將每段木材分成幼齡材和成熟材2個(gè)部分。在近髓心處取幼齡材，近樹皮處取成熟材，試材尺寸為270 mm×16 mm×16 mm(縱×徑×弦)。

1.2 木材水熱處理

將水曲柳的幼齡材和成熟材試材分別投入到100℃的熱水中進(jìn)行軟化處理。根據(jù)前期研究結(jié)果，確定水曲柳木材較優(yōu)化的軟化處理方案為A、B和C，處理時(shí)間分別為130～140 min，140～150 min，160～170 min。

1.3 木材順紋壓縮測(cè)試

木材順紋壓縮試驗(yàn)采用萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)，并配以順紋壓縮模具，設(shè)定順紋壓縮速度為3 mm/min，分別對(duì)水曲柳的幼齡材和成熟材進(jìn)行順紋壓縮，利用振動(dòng)無(wú)損檢測(cè)方法測(cè)定并計(jì)算有效的木材最大順紋壓縮率和PDR。

2 結(jié)果與討論

2.1 順紋壓縮率和PDR

水曲柳試材順紋壓縮和回彈永久變形率的試驗(yàn)結(jié)果見表1。在順紋壓縮過(guò)程中，對(duì)于軟化方案A，成熟材的順紋壓縮率可以達(dá)到19%，PDR的平均值為2.85%，但是幼齡材卻達(dá)不到19%的順紋壓縮率，當(dāng)順紋壓縮率為18%時(shí)，幼齡材順紋壓縮成功率已經(jīng)降為80%，當(dāng)成熟材的順紋壓縮率增加為20%時(shí)，其成功率也降為80%;當(dāng)采用軟化方案B時(shí)，幼齡材和成熟材的順紋壓縮率均可達(dá)到21%，PDR的平均值分別為4.11%和4.08%，達(dá)到3種軟化方案的最大順紋壓縮率和PDR值，但是當(dāng)順紋壓縮率增加為22%時(shí)，幼齡材和成熟材順紋壓縮成功率分別降為20%和60%;當(dāng)軟化方案為C時(shí)，成熟材的順紋壓縮率可以達(dá)到19%，PDR的平均值為3.46%，幼齡材順紋壓縮率達(dá)不到19%，與軟化方案A相同，幼齡材在順紋壓縮率為18%時(shí)，順紋壓縮成功率為80%，成熟材在順紋壓縮率20%時(shí)，成功率降低為60%。

表1 水曲柳試材順紋壓縮率和PDR試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Longitudinal compressive ratio and PDR of ash wood samples

從表1中可以看出，在相同順紋壓縮率下，水曲柳試材幼齡材PDR的平均值均大于成熟材，但是幼齡材的標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)也大于成熟材，說(shuō)明幼齡材試材在順紋壓縮后獲得的PDR值不穩(wěn)定。在3種軟化處理方法中，最為優(yōu)化的處理?xiàng)l件為方案B，其順紋壓縮率和PDR的關(guān)系如圖1所示:幼齡材和成熟材均表現(xiàn)為線性遞增關(guān)系，但是幼齡材的標(biāo)準(zhǔn)差明顯大于成熟材，說(shuō)明在壓縮過(guò)程中，幼齡材的變異性較大，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，并且隨著壓縮率的不斷增加，幼齡材標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值也在增大，不穩(wěn)定性加劇，成熟材的標(biāo)準(zhǔn)差值變化不大，順紋壓縮后獲得的PDR指標(biāo)較穩(wěn)定。從以上數(shù)據(jù)可知，木材在順紋壓縮過(guò)程中，順紋壓縮回彈永久變形率(PDR)受到的影響是多因素的，不僅受軟化方案和順紋壓縮率的影響，而且和木材的取樣部位和木材材性有關(guān)。

2.2 順紋壓縮過(guò)程分析

水曲柳幼齡材和成熟材經(jīng)過(guò)順紋壓縮和一段時(shí)間的保壓處理后，對(duì)其進(jìn)行卸壓，試材即刻出現(xiàn)大幅度地恢復(fù)，幾乎在1 min內(nèi)從初始狀態(tài)瞬間恢復(fù)，具有較快的恢復(fù)速率和較大的回復(fù)量，在1 min后，木材的恢復(fù)速率大大降低，表現(xiàn)出緩慢的曲線恢復(fù)，在10 min后，木材恢復(fù)量較小，直至最后不再發(fā)生恢復(fù)，呈現(xiàn)出平穩(wěn)的直線階段，如圖2所示。在整個(gè)恢復(fù)過(guò)程中，幼齡材和成熟材表現(xiàn)出相同的恢復(fù)曲線，成熟材的回彈余量略小于幼齡材。試材卸壓后，木材顯現(xiàn)出較明顯的彈塑性變形特性，在卸壓的初始階段，試材幾乎瞬時(shí)完成彈性變形的恢復(fù)，即木材內(nèi)部受壓后沒有形成穩(wěn)定化學(xué)鍵的部分發(fā)生恢復(fù)，占受壓木材的比例較大;隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，試材表現(xiàn)出一段緩慢的恢復(fù)，即除一些彈性變形外的彈塑性變形的恢復(fù)，此階段為未克服木材內(nèi)部應(yīng)力的變形，木材內(nèi)部應(yīng)力為了得到釋放，將打斷一部分化學(xué)鍵，此階段變化較緩慢;最后是一段穩(wěn)定的直線，說(shuō)明恢復(fù)不再繼續(xù)，而是變成了永久的塑性變形，此階段木材內(nèi)部的應(yīng)力和化學(xué)鍵能達(dá)到平衡。雖然3種變形沒有明顯的界限，但是從順紋壓縮恢復(fù)曲線中可以看出，彈性變形值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈塑性變形值和塑性變形值。試材經(jīng)過(guò)順紋壓縮后，木材細(xì)胞在一定程度上被壓縮，其被壓縮的量和壓縮恢復(fù)的量有著直接的關(guān)系，木材壓縮后恢復(fù)的長(zhǎng)度越小越好，即表現(xiàn)出較大的PDR值，這樣對(duì)于順紋壓縮過(guò)程的貢獻(xiàn)就越大，就越有利于后續(xù)木材的多維彎曲。

圖1 順紋壓縮率和PDR的關(guān)系Fig.1 Relationship between longitudinal compressive ratio and PDR

圖2 順紋壓縮恢復(fù)曲線Fig.2 The rebounding curve of longitudinal compression

3 結(jié)論

(1)水曲柳木材的幼齡材和成熟材在水熱軟化處理?xiàng)l件為140～150 min時(shí)可以獲得較大的順紋壓縮率和順紋壓縮回彈永久變形率，且壓縮的成功率較高。

(2)幼齡材和成熟材的順紋壓縮率和PDR之間的關(guān)系表現(xiàn)出正增長(zhǎng)，幼齡材具有較大的PDR值，但是其標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)高于成熟材。

(3)順紋壓縮過(guò)程表現(xiàn)為3個(gè)階段:首先是瞬時(shí)恢復(fù)的彈性階段，隨后是緩慢恢復(fù)的彈塑性階段，最后是形成永久變形的塑性階段;順紋壓縮率和PDR值越大，對(duì)于之后的彎曲過(guò)程貢獻(xiàn)越大，有利于木材進(jìn)行多維彎曲。

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