高溫預處理對足尺膠合木梁力學性能的影響

岳 孔 宋旭磊 焦學凱 陳 強 宋永明 劉偉慶 陸偉東

(1.南京工業大學土木工程學院 南京 211800；2.東北林業大學生物質材料科學與技術教育部重點實驗室 哈爾濱 150040)

環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，也會使其產生內應力，發生翹曲和開裂。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，且其強度降低、變形加大(Wangetal.，2005；Korkutetal.，2008；Yangetal.，2012；Lietal.，2013；Skaar，1988；Hill，2006)。《結構用集成材》(GB/T 26899—2011)指出，完全暴露在室外大氣中的木構件，木材年平均平衡含水率超過20%。為提高結構安全性，《膠合木結構技術規范》(GB/T 50708—2012)規定，使用中膠合木含水率大于15%時，其強度設計值和彈性模量均應進行折減。

以水蒸氣、惰性氣體或熱油等為導熱介質，在160～250 ℃下進行熱改性，可改善木材的尺寸穩定性和防腐性能，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)。高溫熱改性后，木材的濕脹量降低52%～75%(Burmester，1973)。李濤等(2009)在185 ℃下對水曲柳(Fraxinusmandshurica)進行處理，發現高溫熱改性不能顯著改變其表面硬度和順紋抗壓強度，但其抗彎強度降低。丁濤等(2010)以常壓和0.35 MPa壓力、205和185 ℃工藝對樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)和柞木(Xylosmaracemosum)進行高溫熱改性，改性后樟子松的彈性模量略有下降，柞木略有提高，但變化不顯著；相對于壓力高溫熱改性，常壓高溫熱改性對木材強度影響更小；常壓高溫熱改性后，木材的順紋抗壓強度提高，但抗彎強度明顯下降。李惠明等(2009)對南方松(Pinusspp.)、樟子松、水曲柳和柞木進行高溫熱改性，改性后木材的順紋抗壓強度和抗彎彈性模量增加，但抗彎強度和沖擊韌性降低。

高溫熱改性不引進化學物質，屬于對環境和生物無危害的綠色改性方法。目前，木材高溫熱改性研究多基于實驗室方法的小尺寸試件，并未與工廠實際工業化生產建立聯系。此外，雖然高溫熱改性一般會降低木材力學性能，但當處理溫度在200 ℃以下時其影響較小，甚至有些指標還略有提高(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的主要用材樹種，強度高，但材質硬重、尺寸穩定性差，用于建筑中受力構件時，常因環境條件變化發生開裂，考慮到高溫熱改性材具有較好的尺寸穩定性和耐久性，其適于在高濕環境中使用(孫偉倫等，2010；史薔等，2012)。鑒于此，本研究以200 ℃工業化高溫熱改性的興安落葉松為研究對象，開展高濕度環境下足尺結構用層板膠合木梁抗彎性能試驗，明確高溫熱改性和環境濕度對木材平衡含水率、木材順紋抗剪強度和順紋抗拉強度的影響規律，揭示高溫預處理對膠合木梁抗彎性能影響的作用機制，以期為高溫熱改性技術在木結構領域中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 木材 興安落葉松，購自中意森科木結構有限公司，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構用間苯二酚-酚醛樹脂，購自日本愛克工業株式會社。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(質量比)，20 ℃下凝膠時間100 min、黏度2 200 cps。

1.2 試件制備

足尺木材層板高溫熱改性在浙江世友木業有限公司40 m3高溫炭化窯內完成，以常壓水蒸氣為保護氣體，處理溫度200 ℃，處理時間3.5 h。

根據《膠合木結構技術規范》(GB/T 50708—2012)，每層層板厚度經雙面刨光至25 mm。參考《結構用集成材》(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間控制在15 min以內。涂膠和組坯完成后，在1.2 MPa下保持6 h。卸壓后，膠合木梁在室溫環境養護3天。根據《木結構試驗方法標準》(GB/T 50329—2012)和《結構用集成材》(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度試件的制備分別按照《木材順紋抗拉強度試驗方法》(GB/T 1938—2009)和《木材順紋抗剪強度試驗方法》(GB/T 1937—2009)規定進行。

1.3 試驗儀器與設備

采用JAW-300/3型多功能木結構力學性能試驗裝置和MAS-250型作動器(杭州邦威機電控制工程有限公司)對膠合木梁進行加載；采用BX120-50AA型應變片(浙江黃巖測試儀器廠)、YHD-200型位移計和DH3816靜態應變儀(江蘇東華測試技術股份有限公司)對加載過程中膠合木梁的變形進行測定。

1.4 試驗方法

制備完成后的膠合木梁分為未處理和高溫熱改性試件2組，各取一半分別置于25 ℃、60%和90%濕度環境中3個月后，每隔3天稱重1次，直至最后2次質量之差不超過最后一次質量的1%。

膠合木梁抗彎性能測試根據BS EN 408∶2010標準中四分點加載方式進行，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置一滾軸以保證梁端在受力時可轉動。在膠合木梁跨中位置一側沿高度均勻布置6個應變片，以采集跨中截面應變沿膠合木梁高的分布。在兩端支座和跨中各布置1個位移計，測量膠合木梁全跨撓度。試驗時，應變儀與作動器同步采集變形和荷載，采用連續加載方式，加載速度5 mm·min-1，直至膠合木梁破壞。60%和90%環境濕度下，未處理和高溫熱改性試件重復數量均為3個，共計12個試件。

圖1 足尺膠合木梁抗彎性能測試方案

根據BS EN 408∶2010標準，膠合木梁抗彎強度(fm)和抗彎彈性模量(Em,g)根據下式計算：

(1)

(2)

式中：Fu為極限荷載(N)；W為試件截面抵抗矩(mm3)；a為加載點與支撐點之間的距離(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對應的試件跨中撓度增量(mm)。

木材順紋抗拉和抗剪強度的測試和計算分別按照《木材順紋抗拉強度試驗方法》(GB/T 1938—2009)和《木材順紋抗剪強度試驗方法》(GB/T 1937—2009)進行。60%和90%環境濕度下，未處理和高溫熱改性試件重復數量均為20個。

2 結果與分析

2.1 木材順紋抗剪和抗拉性能

高溫熱改性前后落葉松木材在60%和90%環境濕度下的順紋抗剪強度和抗拉強度見表1。

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

表1 落葉松木材的順紋抗剪強度和抗拉強度

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無定形區中未成鍵的自由羥基數量，一定濕度環境中，木材平衡含水率降低表明木材內吸濕基團減少，即木材半纖維素和纖維素無定形區的結構和比例發生變化。落葉松未改性材和高溫熱改性材在60%和90%環境濕度下的平衡含水率見圖2。

圖2 高溫熱改性前后落葉松木材平衡含水率

圖2表明，高溫熱改性和環境濕度對木材平衡含水率均有明顯影響。60%環境濕度下落葉松木材平衡含水率為10.74%，當環境濕度為90%時，木材平衡含水率提高92.0%，達20.62%。高溫熱改性后，60%環境濕度下木材平衡含水率降至4.76%，是未改性材的44.3%；當環境濕度為90%時，高溫熱改性材的平衡含水率為11.18%，與未改性材相比，平衡含水率僅為其54.2%。

半纖維素的化學結構決定其是木材化學組分中耐熱性最差、對外界條件最敏感、最易發生化學變化和反應的碳水化合物(尹思慈，1996)，在高溫熱改性過程中，半纖維素最易發生降解(黃榮鳳等，2010；鄧紹平等，2009)。丁濤等(2016)、曹金珍等(1997)研究指出，高溫熱改性后，木材中苯醇抽提物含量明顯增加，半纖維素降解，木材的親水性降低，與本研究結果具有一致性。

2.3 膠合木梁抗彎性能

高溫熱改性對60%和90%環境濕度下膠合木梁抗彎強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，膠合木梁的抗彎強度和抗彎彈性模量均隨環境濕度提高而降低；在環境濕度相同時，木材經高溫熱改性后，其抗彎強度有所降低，抗彎彈性模量得到改善。與90%環境濕度下未處理膠合木梁相比，同濕度下高溫熱改性膠合木梁的抗彎強度降低29.79%，抗彎彈性模量提高23.71%。對于未處理膠合木梁，90%環境濕度比60%環境濕度下的抗彎強度和抗彎彈性模量分別降低17.07%和23.27%；對于高溫熱改性膠合木梁，90%環境濕度比60%環境濕度下的抗彎強度和抗彎彈性模量分別降低17.15%和7.55%。

60%和90%環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%環境濕度下未處理和高溫熱改性膠合木梁均表現為線彈性，90%環境濕度下高溫熱改性膠合木梁也表現出較明顯的線彈性。與此相比，未處理膠合木梁在90%環境濕度下表現出明顯的彈塑性，在膠合木梁承載初期為彈性階段，中后期進入塑性階段，直至破壞。因此，通過高溫熱改性，能夠顯著提高膠合木梁的抗彎彈性模量，減小撓度。

高溫熱改性膠合木梁的典型破壞模式見圖5。可以看出，高溫熱改性膠合木梁破壞時，裂縫先沿橫截面向上延伸，后沿木材紋理向構件端部延伸，為明顯的脆性破壞，除個別試件為端部順紋剪切破壞(圖5a)外，其他均為受拉區纖維斷裂和剪切混合破壞(圖5b)，受壓區無明顯塑性變形。

圖5 高溫熱改性膠合木梁的典型破壞模式

膠合木梁受彎過程中各級荷載對應的跨中截面應變分布見圖6和7。

圖6 未處理膠合木梁跨中截面應變分布

圖7 高溫熱改性膠合木梁跨中截面應變分布

圖6、7表明，未處理和高溫熱改性膠合木梁承受彎曲作用時，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，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發現，對于未處理和高溫熱改性膠合木梁，在相同荷載水平下，各層板在90%環境濕度下的變形均高于60%環境濕度下的變形，說明環境濕度提高導致木材含水率增大，是木材抗彎強度和抗彎彈性模量降低的主要原因。同時，在相同環境濕度條件下，高溫熱改性膠合木梁各層板的變形均小于未處理膠合木梁對應層板的變形，這是因為高溫熱改性后，木材彈性模量提高導致，與圖3、4具有較好的一致性。

根據材料力學基本原理(孫國鈞等，2006)，彎曲時橫截面上離中性軸最遠處正應力最大，最大剪切應力發生在中性軸處，梁彎曲過程中，除中部純彎曲段外的區域均有剪切應力。高溫熱改性后，木材纖維素發生部分熱裂解(Mitchell，1988)，對濕熱敏感的半纖維素發生熱解(黃榮鳳等，2010；鄧紹平等，2009；丁濤等，2016；曹金珍等，1997)，導致纖維素更易在荷載作用下拉斷或從半纖維素基質中拔出而破壞，因此高溫熱改性后及處于高濕環境中的木材順紋抗剪強度下降幅度較大，這對膠合木梁的極限受彎承載力具有較大影響，也是高濕環境中高溫熱改性膠合木梁抗彎強度降低、中性軸附近有缺陷處易發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，當木材含水率較低時，會引起力學性能提高。由于高溫熱改性后吸濕性強的半纖維素降解，木質素發生酯化反應，使得強吸水性羥基數量減少，木材平衡含水率明顯降低。同時，高溫通過纖維素準結晶無定形區纖維素分子鏈之間的羥基縮合反應，脫出水分、生成醚鍵，使無定形區內微纖絲排列更加有序，向結晶區靠攏并取向，不但減少了纖維素游離羥基的數量，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，因此高溫熱改性膠合木梁抗彎彈性模量得到較明顯改善。

3 結論

1)高溫熱改性會在一定程度上降低膠合木梁的抗彎強度，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%環境濕度下未處理膠合木梁相比，高溫熱改性后，同濕度下膠合木梁的抗彎強度降低29.79%，抗彎彈性模量提高23.71%。

2)高溫熱改性可降低膠合木梁抗彎彈性模量對環境濕度的敏感性，環境濕度從60%提高到90%，未處理膠合木梁的抗彎彈性模量降低23.27%，經高溫熱改性預處理的膠合木梁抗彎彈性模量降低7.55%。

3)與60%環境濕度相比，90%環境濕度下膠合木梁的抗彎性能具有更明顯的非線性特性；經高溫熱改性預處理后，膠合木梁在60%和90%環境濕度下均表現為線彈性。

4)高溫熱改性和高濕環境均對木材抗剪強度有較為明顯的劣化作用，經高溫熱改性預處理的膠合木梁主要發生具有脆性特征的拉伸剪切混合破壞或剪切破壞。

5)環境濕度和高溫熱改性對木材平衡含水率影響明顯,90%環境濕度下未改性木材平衡含水率較60%環境濕度下提高92%；高溫熱改性后木材平衡含水率顯著降低，與90%環境濕度下未處理木材相比，高溫熱改性木材平衡含水率為11.18%，降低45.78%。