高溫中木材順紋弦面抗剪強度

岳 孔 陸 棟 胡文杰 戴長路 吳 鵬 陸偉東

(南京工業大學土木工程學院 南京 211800)

與傳統建材相比，木材是天然生長的固碳材料(Gustavssonetal.，2006)，具有良好的環境學特性和高強重比等優勢(于海鵬等，2009；劉一星等，2012)，木結構建筑的規模化應用是建筑業高質量發展的重要舉措(岳孔等，2015)。

木結構建筑應用中大多要求充分暴露木材元素，通過結構裝飾一體化設計和建筑免裝修，進一步降低綜合造價，是提高木結構建筑競爭力的重要手段，但木材自身可燃的固有屬性導致木結構建筑火災隱患高(Yueetal.，2017；岳孔等，2019)。試驗表明，火災發生時，當達到炭化溫度后，木材燃燒、釋放大量熱量和可燃氣體助長火勢，高溫對實木和結構復合木材的力學性能具有顯著劣化作用(K?nig，2005；Yueetal.，2022)，高溫中木構件有效截面降低、剛度減小、承載力下降，危及結構安全(岳孔等，2021)，木結構建筑的抗火性能是其推廣應用的關鍵技術。

火災中木構件最外側先受高溫作用炭化形成炭化層(K?nig，2005)，炭化層不具強度(Lauetal.，1999)；次外層(受熱區)受高溫作用強度降低(Moraesetal.，2004；2005；Sinhaetal.，2011；岳孔等，2019)。木結構中受力構件力學性能劣化主要由炭化層強度喪失和受熱區強度折減導致(岳孔等，2021)。

化學組分熱解是木材力學性能劣化的根本原因(Manriquezetal.，2010；岳孔等，2020a)，高溫作用下，木材主要化學組分中纖維素熱穩定性最高，木質素次之(Zhengetal.，2015)，半纖維素熱穩定性最低(岳孔等，2020a)，150～200 ℃半纖維素即發生熱解(Manriquezetal.，2010)。空氣介質對高溫中木材強度降低的影響比惰性氣體大(Kubojimaetal.，2000)，這是氧對木材強度劣化的加速作用導致的(Wangetal.，2000)。高溫中，以空氣為介質時，木材內纖絲間排列更疏松和無序，其結晶度低于氮氣介質中的結晶度(孫偉倫等，2010)。高溫改性不引進化學物質，且能夠顯著提高木材尺寸穩定性(孫偉倫等，2010)，但改性后木材抗拉和順紋抗剪強度下降明顯(岳孔等，2018)；采用高溫改性層板制成的膠合木梁，其受彎破壞模式由常規膠合木梁截面底部拉伸破壞轉變為拉剪聯合破壞，且構件脆性增加、延性降低，這是高溫改性導致木材順紋抗剪強度降低的結果(岳孔等，2020a；Yueetal.，2020；王志強等，2016)。因此，抗剪強度作為木材基本力學性能指標，對其進行系統研究，是結構用木材承載安全性的重要保證。

現階段，我國木結構建筑基本采用進口結構用木材建造，應用較多的有北美花旗松(Pseudotsugamenziesii)、俄羅斯興安落葉松(Larixgmelinii)和樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)以及歐洲云杉(Piceaabies)等。隨著木結構在國內應用增多，量大面廣的國產速生木材在建筑結構中應用的可行性受到廣泛關注，其中，速生楊樹(Populusspp.)總面積居世界首位，且具有較高的力學性能，是我國木結構用材的潛在資源(Yueetal.，2019；岳孔等，2016)。火場下大截面承重木構件最外側受熱形成炭化層，炭化層的絕氧效應和低導熱系數(Sinha，2013；岳孔等，2019；2021)對構件內部木材具有較好保護作用，但對最外側炭化層保護下受熱區木材力學性能的研究相對較少。考慮到木結構中規格材弦切板占比較高，本研究以氮氣為保護介質，對高溫中興安落葉松、花旗松和楊木的順紋弦面抗剪強度進行測試，通過木材主要化學組分含量變化揭示其抗剪強度劣化機制，提出高溫中結構用木材順紋抗剪強度劣化模型，以期為木結構抗火性能精細化設計和過火結構構件剩余承載力評估提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

興安落葉松和花旗松規格材分別由俄羅斯和加拿大進口，等級均為A級，尺寸分別為40 mm×150 mm×4 000 mm和38 mm×140 mm×3 050 mm(厚×寬×長)，國產速生楊木購自江蘇宿遷，樹齡16年、胸徑280 mm、紋理通直，經制材加工成尺寸為40 mm×150 mm×3 050 mm(厚×寬×長)的規格材。興安落葉松、花旗松和楊木的平均年輪寬度分別為1.3、2.4和12.9 mm，12%含水率時的平均氣干密度分別為0.604、0.537和0.498 g·cm-3。考慮到木材變異性較大，為保證試驗結果可靠，選取含水率在10%～15%范圍內且密度相差不高于5%的無疵木材作為測試試件。試件制作和性能測試前，木材置于溫度20 ℃、相對濕度65%的環境中至少1個月，直至平衡。

按照《木材順紋抗壓強度試驗方法》(GB/T 1935—2009)、《木材順紋抗拉強度試驗方法》(GB/T 1938—2009)、《木材抗彎強度試驗方法》(GB/T 1936.1—2009)和《木材抗彎彈性模量測定方法》(GB/T 1936.2—2009)測試木材基本力學性能，結果見表1。

表1 試驗用木材力學性能Tab.1 Mechanical properties of wood specimens MPa

1.2 試驗儀器與設備

木材順紋弦面抗剪強度(以下稱抗剪強度)采用E45.035E型300 kN微機控制電子萬能試驗機(美特斯工業系統(中國)有限公司)進行測試，荷載和位移數據均由系統自動同步采集，采集頻率為10 Hz，精度為示值的±0.5%。試驗高溫環境由SD201625型高低溫環境試驗箱(吉林省三度試驗設備有限公司)提供，其內部凈尺寸為300 mm×300 mm×600 mm(寬×深×高)。采用DX1012型無紙記錄儀(日本橫河)和預埋在試件內部的K型熱電偶監測試件內部溫度，熱電偶測溫范圍為0～1 300 ℃，測量精度為示值的±0.75%。

木材半纖維素、纖維素和木質素質量百分數采用1525型高效液相色譜儀(美國Waters)、SX-500型高溫滅菌鍋(日本TOMY)、KSL-1200X型馬弗爐(合肥科晶材料技術有限公司)和UV-2700型紫外分光光度計(日本島津)進行測試。

1.3 試驗方法

楊木生長輪寬度較大，考慮到早晚材強度差異，基于木材受剪時破壞通常發生在早材區域的研究結果(岳孔等，2021)，楊木抗剪強度試件從邊材取材，且在制備時預設其受剪面在早材區域內。木材抗剪強度按照《木材順紋抗剪強度試驗方法》(GB/T 1937—2009)進行測試，根據文獻(Estevesetal.，2008)和前期研究結果(岳孔等，2019)，當溫度達到木材炭化溫度288 ℃后，其強度不足室溫條件下的1/4，因此，參考前期研究方案(岳孔等，2019)，試驗設定20、50、70、110、150、200、220、250和280 ℃共9個溫度水平。抗剪強度測試前，先將試驗箱內溫度升至指定溫度并穩定1～2 min，再緩慢持續通入氮氣，最后放入試件。每個溫度水平下同時放置2 個溫度試件和4個強度試件，強度試件尺寸如圖1，溫度試件受剪面中心位置埋置熱電偶，以監測溫度變化，試件內溫度測點布置如圖2。

圖1 高溫中木材順紋弦面抗剪強度測試試件(mm)Fig.1 Specimens for parallel-to-grain tangential shear strength testing

圖2 高溫中試件內溫度測點(mm)Fig.2 Thermocouples distribution in specimens at high temperature

根據《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)對1～3層木結構建筑中承重柱和梁1 h耐火極限的規定，當溫度試件中心溫度達到指定溫度開始計時，保持受熱時間1 h后再對強度試件進行加載測試，采用位移控制加載速度，加載速度取1 mm·min-1，直至試件破壞。自試件受熱到力學性能測試完成，全過程均在環境試驗箱內進行。每種工況下重復試件8個，共計216個試件。

抗剪強度測試完成后，立即取出試件破壞后的小塊部分稱重，并按照《木材含水率測定方法》(GB/T 1931—2009)進行木材含水率測試；利用試件破壞后的大塊部分進行密度測試。

2 結果與分析

2.1 平均含水率

絕氧條件下，木材平均含水率隨溫度的變化如圖3。圖3表明，木材平均含水率隨溫度升高持續降低。當溫度為20～110 ℃時，木材平均含水率基本以線性規律快速降低，之后降低速度減緩；當溫度達到150 ℃時，木材平均含水率由初始的12.4%降至4.0%；當溫度繼續升高至200 ℃時，木材平均含水率降至0%。

圖3 不同溫度下木材含水率Fig.3 Wood moisture content at elevated temperatures

2.2 化學組分含量

絕氧條件下，興安落葉松、花旗松和楊木在典型溫度下的纖維素、半纖維素和木質素含量如圖4。圖4表明，興安落葉松、花旗松和楊木的纖維素和半纖維含量均隨溫度升高而降低，且半纖維素含量降低幅度更大，但3種木材的木質素含量隨溫度升高呈增加趨勢。

圖4 不同溫度下木材主要化學組分含量變化Fig.4 Changes of chemical compositions within wood at elevated temperatures

常溫時興安落葉松、花旗松和楊木的纖維素含量分別為43.5%、45.0%和51.0%，隨著溫度升高，纖維素含量變化較小，當溫度達到200 ℃時，3種木材的纖維素含量降幅均不足8%，說明纖維素熱穩定性相對較高(Zhengetal.，2015；岳孔等，2018)。隨著溫度升高，3種木材的木質素含量均有不同程度增加，常溫時興安落葉松、花旗松和楊木的木質素含量分別為23.4%、29.1%和23.0%，當溫度升至220 ℃時，其含量分別增加至36.7%、36.3%和33.8%，這是由木質素交聯反應導致的，且半纖維素熱解對該交聯反應具有促進作用(Tjeerdsmaetal.，1998)。常溫時興安落葉松、花旗松和楊木的半纖維素含量分別為25.3%、25.7%和16.3%，180 ℃時其降幅達9.6%～14.9%，當溫度升至220 ℃時熱解加劇，其含量分別降低29.4%、18.6%和25.9%，半纖維素含量大幅度降低是高溫中木材力學性能劣化的主要因素(Manriquezetal.，2010；岳孔等，2020a)。

2.3 抗剪強度

根據歐標EN 1995-1-2:2004的規定，300 ℃時木材炭化，此時順紋抗剪強度取0 MPa，結合20～280 ℃下的測試結果，興安落葉松、花旗松和楊木在不同溫度下的抗剪強度如圖5。圖5表明，3種木材的抗剪強度均隨溫度升高而降低，抗剪強度劣化規律基本一致。

圖5 高溫中木材抗剪強度Fig.5 Parallel-to-grain tangential shear strength of wood specimens exposed to high temperature

常溫時興安落葉松、花旗松和楊木的抗剪強度分別為9.65、8.94和9.48 MPa，溫度150 ℃之前，木材抗剪強度同時受溫度和含水率(圖3)影響，隨著溫度升高，木材含水率持續減小，木材抗剪強度下降相對較緩，抗剪強度與溫度近似呈線性負相關關系；溫度150～280 ℃范圍內，木材抗剪強度下降主要受半纖維素熱解影響，150 ℃時興安落葉松、花旗松和楊木的抗剪強度分別降至初始值的60.7%、68.0%和65.6%；當溫度高于200 ℃時，由于半纖維熱解加劇(圖4)，木材抗剪強度隨溫度升高快速下降，當溫度達到280 ℃時，興安落葉松、花旗松和楊木的抗剪強度分別降至1.05、0.91和0.61 MPa，僅為初始值的9.0%、10.2%和6.4%。

為便于數據分析與比較，采用抗剪強度折減系數表示木材相對抗剪強度隨溫度變化的劣化規律，公式如下：

(1)

式中：ηT為T℃時木材抗剪強度折減系數，即T℃時木材相對抗剪強度；fv·T為T℃時木材抗剪強度；fv·20為20 ℃時木材抗剪強度。

由圖5計算得到3種木材抗剪強度折減系數ηT隨溫度T的劣化規律如圖6。

圖6 高溫中木材相對抗剪強度的劣化規律Fig.6 Degradation of relative parallel-to-grain tangential shear strength at high temperature

研究表明，木材剪切破壞可從分子水平上由木材纖維平行于紋理方向發生相互滑移進行解釋，由于半纖維素在木材細胞壁中主要起填充和膠著作用，因此半纖維素含量是木材抗剪強度的主控因素(尹思慈，1997)。圖6表明，試驗初期興安落葉松的ηT最高，這是因為密度與木材力學性能呈正相關關系，興安落葉松密度最大；根據文獻(尹思慈，1997)，興安落葉松半纖維素中占比1/4左右的阿拉伯半乳聚糖與其他半纖維素不同，并未分布在木材細胞壁內，其對抗剪強度的貢獻有限，導致興安落葉松抗剪強度劣化受高溫的影響較大，當溫度高于150 ℃時，興安落葉松抗剪強度因半纖維素劇烈熱解快速降低。當溫度高于200 ℃時，楊木抗剪強度的下降速度明顯快于花旗松和興安落葉松，這是因為與興安落葉松和花旗松相比，楊木半纖維素含量初始值最低(圖4)，其在高溫下劇烈熱解，導致有效剩余量不足，故抗剪強度下降最大。

根據楊家駒等(1997)和岳孔等(2020b)的研究，木材力學性能和密度可用下式表示：

f=m+K·ρ。

(2)

式中：f為木材力學性能指標，本研究定義為抗剪強度fv；m為常數；ρ為木材密度；K為木材力學性能-密度關系系數，本研究定義為抗剪強度-密度關系系數。

高溫中，興安落葉松、花旗松和楊木抗剪強度與密度的關系如圖7。圖7表明，木材密度隨溫度升高逐漸降低。溫度150 ℃之前，木材密度降低主要由水分和抽提物揮發導致(圖3)，當溫度高于200 ℃時，木材含水率為0%，木材密度降低主要由化學組分熱解引起(圖4)。常溫時，木材力學性能主要由其密度控制(楊家駒等，1997；岳孔等，2020b)，但在高溫環境中，密度對木材抗剪強度的影響降低(圖7)。

圖7 高溫中木材抗剪強度與密度的關系Fig.7 Relationship between wood density and parallel-to-grain tangential shear strength at high temperature

根據式(2)，木材抗剪強度-密度關系系數與溫度曲線如圖8。圖8表明，常溫時，木材抗剪強度-密度關系系數(K)為14.2 MPa·(g·cm-3)-1，密度是木材力學性能的主控參數，隨著溫度升高，K近似以線性規律降低，溫度150 ℃時，K為6.6 MPa·(g·cm-3)-1，當溫度升至200～280 ℃時，K降至1.1～3.1 MPa·(g·cm-3)-1，這說明木材化學組分熱解顯著弱化了密度對木材抗剪強度的作用，密度對木材剪切強度的影響持續降低。

圖8 高溫中木材抗剪強度-密度關系系數Fig.8 The ratio of parallel-to-grain tangential shear strength to wood density at high temperature

高溫下抗剪強度折減系數(ηT)因木材種類不同而異，但差異甚小。為便于統一建模分析，對ηT取平均值，并與歐標EN1 995-1-2中規定的高溫劣化模型進行比較，結果見圖9和式(3)。

(3)

在20～300 ℃溫度范圍內，ηT可根據式(3)通過線性插入法得到。

圖9表明，本研究方法得到的折減系數ηT與歐標EN 1995-1-2差異較大。EN 1995-1-2以100 ℃為ηT的轉折點，其認為水分發生劇烈汽化對應的溫度為木材力學性能的轉折點。絕氧條件下得到的木材抗剪強度高溫劣化模型與EN 1995-1-2也有所區別，其原因在于本研究根據大截面木構件內受熱區木材實際工況設定的絕氧環境避免了氧對高溫中木材抗剪強度降低的促進作用，而歐標并未考慮該因素，其ηT取值偏于安全。

3 結論

1)木材主要化學組分中半纖維素熱穩定性最低，與常溫時試件相比，220 ℃時興安落葉松、花旗松和楊木的半纖維素含量分別降低42.8%、24.9%和30.8%。

2)隨著溫度升高，密度對木材抗剪強度的影響逐漸降低，常溫時木材抗剪強度-密度關系系數為14.2 MPa·(g·cm-3)-1，當溫度高于200 ℃時，抗剪強度-密度關系系數降至1.1～3.1 MPa·(g·cm-3)-1。

3)高溫對木材抗剪強度具有顯著劣化作用，280 ℃時抗剪強度降至初始值的6.4%～10.2%；根據絕氧環境得到的試驗結果，提出符合受熱區木材實際工況的抗剪強度高溫劣化模型。