凍結(jié)與非凍結(jié)木材中應(yīng)力波傳播速度規(guī)律研究.pdf

1、為深入探討凍結(jié)與非凍結(jié)木材中應(yīng)力波傳播速度變化規(guī)律,以期為基于應(yīng)力波的立木、原木及板材的力學(xué)性質(zhì)評(píng)估、內(nèi)部缺陷檢測(cè)等提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。以東北林區(qū)比較具有代表性的紅松(Pinus koraiensis)和大青楊(Populus ussuriensis)兩樹(shù)種木材作為試驗(yàn)材料,較系統(tǒng)地分析了溫度、含水率(MC)、木材紋理、空洞缺陷等對(duì)應(yīng)力波傳播速度和傳播時(shí)間等值線的影響,并討論了凍結(jié)與非凍結(jié)木材力學(xué)特性與應(yīng)力波傳播速度之間的關(guān)系,初步

2、揭示了冰點(diǎn)以下溫度對(duì)木材力學(xué)特性和應(yīng)力波傳播速度的影響機(jī)理。
　　 本研究主要內(nèi)容包括:①采用差示掃描量熱儀DSC對(duì)濕木材試樣進(jìn)行降溫(20℃到-60℃)和升溫(-60℃到20℃)掃描,研究了溫度變化對(duì)木材內(nèi)部水分狀態(tài)和含量的影響；②氣于和飽濕狀態(tài)下,溫度分別為.20℃、-5℃、5℃和20℃時(shí),測(cè)試了試樣的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度和應(yīng)力波傳播速度,分析了各參數(shù)隨溫度變化規(guī)律,討論了抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度與應(yīng)力波傳播速

3、度之間的相關(guān)性:③以紅松為例,分析了含水率從0到90％以上,溫度從20℃到-30℃變化時(shí),應(yīng)力波傳播速度變化規(guī)律;④分別以大青楊原木徑切板和圓盤(pán)為試驗(yàn)對(duì)象,獲取了應(yīng)力波在凍結(jié)與非凍結(jié)無(wú)缺陷樣本、含不同大小空洞樣本徑切面和橫截面的傳播時(shí)間矩陣,繪制了傳播時(shí)間等值線,分析了溫度、紋理及缺陷對(duì)應(yīng)力波傳播速度和傳播時(shí)間等值線的影響,研究了應(yīng)力波在木材兩個(gè)典型切面的傳播規(guī)律。
　　 研究結(jié)果表明:
　　 (1)在冰點(diǎn)以下溫度,濕木

4、材中自由水和部分結(jié)合水會(huì)依次發(fā)生相變,改變了木材的內(nèi)部結(jié)構(gòu),從而會(huì)對(duì)木材的力學(xué)性能和應(yīng)力波傳播速度產(chǎn)生影響。
　　 (2)溫度和含水率是影響木材的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度及順紋抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能和應(yīng)力波傳播速度的兩個(gè)重要因素。隨溫度降低,各力學(xué)指標(biāo)及應(yīng)力波傳播速度均在逐漸增大。但是,氣干材和飽濕材的變化曲線存在差異。氣干材各參數(shù)隨溫度降低是近似線性增大；而飽濕材則不同,其變化曲線存在拐點(diǎn),在20℃到-5℃之間增大較緩慢,但在-5℃

5、到-20℃之間增大較快。凍結(jié)與非凍結(jié)木材抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度與應(yīng)力波傳播速度之間均具有較顯著的線性正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)R介于0.60～0.83。
　　 (3)氣干狀態(tài)下,紅松和大青楊心材、邊材中應(yīng)力波縱向傳播速度隨溫度降低近似線性升高。-20℃時(shí),紅松和大青楊心材中速度分別比20℃時(shí)高730 m/s和693 m/s,提高16.02％和18.07％；邊材中,為733 m/s和589 m/s,提高17.23％和14.95％。飽濕狀態(tài)

6、下,應(yīng)力波傳播速度隨溫度降低也在逐漸升高,但變化趨勢(shì)為非線性。-20℃時(shí)紅松和大青楊心材中速度分別比20℃時(shí)高1043 m/s和1177 m/s,提高33.49％和38.62％;邊材中,為1050 m/s和1164 m/s,提高33.96％和37.90％。
　　 (4)不同溫度時(shí),木材中應(yīng)力波傳播速度隨含水率增加均在逐漸下降。其中,在纖維飽和點(diǎn)(MC=32％)以下,隨含水率增大傳播速度下降幅度較大；而在纖維飽和點(diǎn)上,下降幅度逐漸

7、平緩。當(dāng)木材含不同含水率時(shí),應(yīng)力波傳播速度隨溫度降低呈逐漸上升趨勢(shì)。其中,含水率低于50％時(shí),傳播速度隨溫度降低呈線性上升趨勢(shì),在0℃附近變化趨勢(shì)是連續(xù)的；而含水率高于50％時(shí),傳播速度在0℃上下有較明顯的跳躍,這主要是由于木材中大量自由水發(fā)生相變引起的。
　　 (5)木材中,應(yīng)力波縱向傳播速度高于徑向速度。與縱向相比,徑向傳播速度受溫度影響變化較大。在不同溫度,應(yīng)力波傳播速度與紋理角θ(傳播方向與木纖維方向夾角)之間的關(guān)系存在

8、較高一致性。隨紋理角θ增大,速度在逐漸降低。其中,當(dāng)θ<45°時(shí),速度下降較快；而當(dāng)0>45°時(shí),速度下降較平緩。
　　 (6)在凍結(jié)與非凍結(jié)木材徑切面和橫截面,應(yīng)力波均是由近及遠(yuǎn)逐漸傳播。凍結(jié)木材中應(yīng)力波傳播更快?？斩磳?duì)應(yīng)力波傳播時(shí)間有顯著影響,且空洞對(duì)其后面緊鄰的區(qū)域影響較大,在該區(qū)域傳播時(shí)間會(huì)產(chǎn)生“滯后”。隨著空洞面積的增大,應(yīng)力波傳播到空洞后面各測(cè)點(diǎn)的時(shí)間有增加的趨勢(shì)。
　　 (7)弦向角對(duì)應(yīng)力波在原木橫截面內(nèi)傳