馬占相思木材蠕變特性的研究

刁海林，羅建舉

（廣西大學 林學院，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 林學院，廣西 南寧 530004）

采用4點加載方式對馬占相思木材試件進行短時間(420 min)彎曲蠕變實驗，獲取馬占相思木材彎曲蠕變特性曲線，根據彎曲蠕變特性曲線確定馬占相思木材的粘彈性元件常數。同時研究馬占相思木材在強度極限內，應力水平與木材蠕變的關系。實驗結果表明：當彎曲應力為σb20%時，J0(瞬間彈性柔量)為6.954×10-7cm2/N、η0(粘性系數)為1 111.111×10-7min N/cm2、ΣJi(延遲彈性柔量)為0.572×10-7cm2/N；當彎曲應力為σb30%時，J0為7.939×10-7cm2/N、η0為267.857×10-7min N/cm2、ΣJi為1.441×10-7cm2/N；當彎曲應力為σb40% 時，J0為6.540×10-7cm2/N、η0為326.087×10-7min N/cm2、ΣJi為2.108×10-7cm2/N。隨著彎曲應力的增加，瞬間彈性柔量J0有波動，但幅度不大；延遲彈性柔量ΣJi則隨著應力的增加而增加。在較高應力水平下，粘性系數η0具有較小值，而延遲彈性柔量ΣJi則具有較大值，說明馬占相思木材抗蠕變能力較差，宜在低應力下工作。

馬占相思；木材；蠕變特性；電測法

馬占相思Acacia mangium Willd屬含羞草科，為大喬木。原產澳大利亞昆士蘭沿海，以及巴布亞新幾內亞和印度尼西亞的熱帶濕潤地區，是豆目的一種多用途樹種。20世紀60年代以來，許多國家和地區先后引種成功。我國于1979年從澳大利亞引入，先后在廣東、廣西、海南、福建、云南等省區栽培，目前種植面積已超過8萬hm2以上，而且呈持續擴大趨勢。馬占相思木材是質量優良的短纖維材，除了沖擊韌性較低外，其主要力學性質指標均屬于中等水平[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硬木原料。然而,木材作為一種各向異性非勻質的天然材料，要對其進行合理、有效的利用，除了了解其一般力學性質及一般用途外,尚有一些特殊性質需要我們去了解，譬如木材的蠕變性質（材料在恒應力作用下，變形隨時間持續增加的現象）。蠕變現象的存在，不僅會破壞結構構件的正常使用，而且也給力學耐久性方面帶來影響。特別是車廂、輪船、飛機以及高檔家具中所用木材，對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，因此，我們進行對馬占相思木材蠕變性質的研究，無論從理論方面還是從實際應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國有高峰林場界牌分場9.5年生的馬占相思試驗林。在試驗林地內，根據林分的平均樹高和平均胸徑，林木的長勢以及樹冠幅的生長情況，選取5株具有代表性的馬占相思作為實驗樣木。樣木的平均樹高為19.5 m，平均胸徑為25.3 cm。將樣木伐倒并按照國標GB/T 1927—2009《木材物理力學試材采集方法》[2]的有關規定截取實驗木段并鋸制徑切板毛試樣，使毛樣自然氣干備用。

（2）試件制作

實驗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（L）=10 mm×4 mm×140 mm（精度為±0.1 mm）的矩形截面小試件，同時根據應力水平制作︻形分力器（見圖1）。

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

1.2 實驗儀器

YJ-22型數字靜態應變測量儀及YZ-22型轉換箱（華東電子儀器廠）；BX120-10AA型箔式紙基應變片，靈敏系數2.08，名義阻值為120.3 Ω，絲柵面積為10 mm×2 mm（浙江黃巖測試儀器廠）；其他實驗材料：砝碼、電烙鐵、焊錫、502膠水、砂紙等。

1.3 實驗原理與方法

（1）實驗原理

木材的蠕變特性曲線是一粘彈性曲線[3]，如圖2所示。根據流變學理論，該曲線特性可用粘彈性力學模型（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)

它由一個馬克斯韋爾體和n個開爾文體串聯而成。廣義伏格特模型又可由蠕變函數(1)式來模擬[3]，即

由木材的一般蠕變規律知，木材蠕變過程分為三個階段：即初級蠕變階段、穩定蠕變階段及最后蠕變斷裂階段[7-8]。其中第二蠕變階段（穩定蠕變階段）所持續的時間最長，為主要蠕變階段，最能說明木材的蠕變特性。從木材的蠕變及蠕變恢復曲線可見，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，我們可以通過作穩定蠕變階段的平行線獲得AE線，而無需通過卸載測取蠕變恢復曲線來獲取AE線，使實驗得以簡化[9]。又大本實驗是根據短時間（420 min）內彎曲蠕變實驗理論[10]來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特性來說明木材的主要蠕變特性。根據文獻[9]，此階段的蠕變柔量可用下式表示，即

式（2）中：J0稱為瞬間彈性柔量；Jη(t) =t/η0稱為粘性柔量；η0稱為粘性系數；ΣJi稱為延遲彈性柔量。當實驗環境及條件相同時，J0、η0、ΣJi為只與樹種有關的常數，故稱之為廣義伏格特模型元件常數（也稱蠕變特性常數）。因此，我們只需通過蠕變實驗求取木材的廣義伏格特模型元件常數J0、η0、ΣJi即可掌握相應樹種的蠕變特性。

（2）實驗方法

木材蠕變實驗目前尚無統一標準，實驗原理各不相同，之前的蠕變特性實驗多借助于撓度測量法。本實驗則基于筆者在文獻[9]中提出的電測法，即通過電測實驗測取試件的彎曲應變ε(t)，再直接由流變學中關于蠕變柔量的定義式(3)計算蠕變柔量J(t)，進而繪制蠕變特性曲線，然后根據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J0、η0和ΣJi，即可以該三常數來說明木材的蠕變特性。式(3)中σ0為加于試件的恒彎曲應力。

具體實驗方法如下：

1）實驗環境及裝置 實驗在廣西大學林學院木材力學實驗室進行，室內干球溫度23.5～30.5℃，濕球溫度21.5～27.5℃，相對濕度63～86%。蠕變試驗裝置是根據本實驗研究的要求自行設計的，將實驗試件兩端簡支，采用4點彎曲加載，蠕變實驗裝置示意圖如圖4所示。兩支承點用玻璃片加墊，以減少支承處的摩擦。為獲得恒定彎曲荷載，本實驗采用砝碼加載。

圖 4 蠕變實驗裝置Fig.4 The experimental device of creep

2）載荷設置 為了掌握馬占相思在不同應力水平下的蠕變特性，將小試件分為3組進行實驗，每組取5枚小試件，各組分別設置不同大小的恒應力值σ0。恒應力比例分別按抗彎強度極限σb的20%、30%和40%級別進行設置。已知馬占相思的抗彎強度極限為σb=184 MPa，于是各組的恒應力分別為：36.80 MPa、55.13 MPa和73.50 MPa。為獲得以上各相應恒應力值，須對砝碼及分力器跨度a進行正確配置，各相關數據如表1所示。

表1 載荷及相關數據Table 1 Loads and relevant data

3）試件處理 用精度為0.2 mm的游標卡尺測量試件，將不符合尺寸要求的試件剔除。用360號砂紙將試件表面貼片處及周圍打磨光滑，以防木材管孔吸收膠液而導致貼片時出現局部缺膠，影響測量效果。然后用鉛筆將試件的跨度線(兩端支承線)、中位線、加力線、應變片定位線等精確繪出。

4）應變片檢測 用萬用電表檢測應變片有無短路、斷路情況，然后根據各應變片的電阻值進行分組，原則上同一組應變片阻值相差不能超過±0.5 Ω，否則應變儀將不易調節初平衡，影響測量結果。

5）應變片的粘貼 在試件的貼片位置上和應變片的基底上，各涂抹一層薄薄的粘結劑（502膠），待膠水半干后將應變片粘貼到畫線位置上。在應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。最后在試件支點處貼上玻璃片，如圖5所示。

6）貼片質量檢查 首先觀察粘結層有否氣泡和缺膠，應變片位置是否正確，特別是方位角度要準確。然后用萬能電表檢查應變片的電阻值，粘貼前后的阻值不應有較大的變化。最后用兆歐表檢測應變片與試件表面間的絕緣度。絕緣電阻應達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再進行實驗。

圖5 應變片及玻璃片黏貼Fig.5 Adhesion of strain gauges and glass

7）電測實驗 本實驗的電橋電路采用半橋接法單臂測量[11]。實驗前先用電阻測濕儀測量試件含水率并記錄。將應變儀導線固定在支架上（防止接線頭晃動），再將試件按標號順序安裝到實驗支架上，然后將導線與應變片引出線焊接。焊好接頭后將砝碼掛鉤掛到分力器中線上，調整試件使跨度線與“V”型支座頂角線對齊。檢查應變片引出線是否相交，有無與試件、導線、掛鉤繩子等有否接觸。檢查無誤后，啟動應變儀進行預熱（10 min），然后按下應變儀“調零”按扭進行調零。在0～420 min內，按5 s、2 min、5 min、10 min、30 min、60 min為時間間隔，依次測出各試件相應時間瞬時的應變值ε(t)并記錄。

2 結果與分析

2.1 實驗結果

(1)馬占相思蠕變特性曲線

將同一組試件在同一瞬時的應變值進行算術平均，得出各瞬時的平均線應變ε(t)。再根據蠕變柔量的定義式(1)算出各瞬時的蠕變柔量J(t)。然后根據所得數據，以時間t為橫坐標，蠕變柔量J(t)為縱坐標，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

根據實驗所得蠕變特性曲線（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[9]J0、η0及 ΣJi。

1）當載荷P=45 N時，由圖6得

將以上結果列表如表2所示。

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

2.2 結果分析

(1)關于蠕變特性常數

木材的三個蠕變特性常數中，瞬間彈性柔量J0表示材料在加載瞬間每單位應力所帶來的變形量，J0值越小，說明材料抵抗瞬間彈性變形的能力越強，反之，則說明材料抵抗瞬間變形的能力越差。粘性系數η0是蠕變特性曲線中AE線斜率的倒數，說明材料抵抗長期粘性蠕變的能力，η0值越大則材料抗長期粘性蠕變能力越強。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。

(2)馬占相思的蠕變特性

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

3 結 論

隨著彎曲應力的增加，瞬間彈性柔量J0有輕微波動；延遲彈性柔量ΣJi則明顯地隨著應力的增加而增加。在較高應力水平下，粘性系數η0具有較小值，而延遲彈性柔量ΣJi則具有較大值，說明馬占相思木材抗蠕變能力較差，應慎用于永久性承重結構及高檔家具中的承重構件，比如書柜、衣柜、長沙發等的橫檔，宜在低應力下工作。

4 討 論

（1）由蠕變實驗知，木材在蠕變過程中，瞬間彈性柔量J0為一瞬時定常數，不隨時間而變。而延遲彈性柔量ΣJi則在開爾文體達到平衡后亦成為定值。此后只有粘性柔量Jη(t)隨時間變化，變化的快慢由蠕變曲線中AE線的α角或粘性系數η0來反映，α角越大或η0越小，Jη(t)變化越快。因此，木材的3個蠕變特性常數中，J0、ΣJi為蠕變過程的恒量，與時間無關。Jη(t)則是恒變因素，與持續時間及η0有關。隨著恒應力持續時間的增加，η0對蠕變柔量J(t)的影響最大，是衡量木材抗蠕變性能的主要因素。

（2）木質材料蠕變的特點，是隨應力水平的不同而呈現不同的響應。本實驗所加的載荷為馬占相思強度極限的20%、30%、40%，其中40%檔已超過其彈性極限值，因而木材的蠕變曲線在保持一段時間線性關系后，材料的蠕變響應不再保持線性關系，如圖8所示。

（3）樹種和載荷不同，J0、η0、ΣJi也不同。因此，我們得以在共同設定的應力水平下，通過測定各樹種的J0、η0、ΣJi值，以此評價或比較各樹種的蠕變特性和抵抗蠕變的能力。

[1] 梁宏溫，等.馬占相思木材物理力學性質的研究[J].廣西農業生物科學，2004,23(4):326.

[2] 中國木材標準化技術委員會.GB/T 1927—2009木材物理力學試材采集方法[S].北京:技術標準出版社，2009:1-2.

[3] [日]岡小天著.生物流變學[M].北京：科學出版社，1980.11.

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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

廣西林業重大招標項目“主要速生人工林樹種材性改良與深加工利用”（桂林科字［2009］第7號）

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]