人工林馬尾松木材縱向拉伸彈性和蠕變性能研究.pdf

1、木材的縱向力學(xué)性能不僅與其特定的化學(xué)組成有直接關(guān)系，而且還受其高度優(yōu)化的分級結(jié)構(gòu)所影響。木材在宏觀尺度和微觀尺度上表現(xiàn)出截然不同的力學(xué)特性，而從毫米尺度對其縱向力學(xué)性能展開研究則可以建立木材宏、微觀力學(xué)特性之間的聯(lián)系，為理解木材物理力學(xué)特性在不同尺度之間的轉(zhuǎn)變機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。
　　本論文以人工林馬尾松（Pinus massoniana Lamb.）胸高處木材為研究對象，所取試樣名義尺寸為：徑向1.5 mm×弦向10 mm×縱向8

2、0 mm。通過測定各試樣的微纖絲角，研究其沿徑向的變異規(guī)律；應(yīng)用單軸微拉伸法分別開展了木材順紋抗拉彈性模量、短周期縱向拉伸蠕變和短周期縱向拉伸機(jī)械吸濕蠕變等試驗研究，并分析探討密度、微纖絲角和水分等因素對木材順紋抗拉彈性模量、縱向拉伸蠕變性能以及縱向拉伸機(jī)械吸濕蠕變等特性的影響，主要得到如下研究結(jié)果：
　　1.在毫米尺度下，木材的密度變異系數(shù)較大，其大小與所處徑向部位有關(guān)。對于1.5 mm厚人工林馬尾松木材，基本密度平均值為0.4

3、28 g/cm3，變異系數(shù)為21％。早、晚材基本密度平均值分別為0.296 g/cm3和0.460 g/cm3，晚材密度低是人工林馬尾松木材密度偏低的主要原因之一。同時發(fā)現(xiàn)，1.5 mm厚木材的密度與生長輪有很大的關(guān)系，總體來看，密度從髓心向外呈上升的趨勢。
　　2.利用X射線衍射儀測得的1.5 mm厚人工林馬尾松木材的微纖絲角在9.8°～45.6°之間，微纖絲角多集中在10°～20°之間，變異系數(shù)為42%。分析發(fā)現(xiàn)，靠近髓心的木

4、材的微纖絲角最大，由髓心向外，隨生長輪年齡遞增微纖絲角明顯減小，直到第20年輪后趨于穩(wěn)定。
　　3.毫米尺度下的木材的縱向力學(xué)特性存在很大的變異性，其順紋抗拉彈性模量與取材的徑向部位有關(guān)。研究得到1.5 mm厚人工林馬尾松木材，順紋抗拉彈性模量平均為10948 MPa，變異系數(shù)達(dá)50%；幼齡材、成熟材的順紋抗拉彈性模量分別為7812 MPa和11950 MPa，早、晚材順紋抗拉彈性模量平均為5455 MPa和8964 MPa。

5、r>　　4.針對人工林馬尾松木材密度與順紋抗拉彈性模量相關(guān)性的研究發(fā)現(xiàn)：兩者在0.01水平顯著正相關(guān)，順紋抗拉彈性模量的變異中有50%是由密度引起的。研究同時發(fā)現(xiàn)，微纖絲角越大，木材的延展度越好，并且木材順紋抗拉彈性模量有隨微纖絲角的增大而減小的趨勢。在15°以下，微纖絲角與順紋抗拉彈性模量的關(guān)系是非線性的；在15°以上，微纖絲角與順紋抗拉彈性模量的關(guān)系基本表現(xiàn)為線性關(guān)系，判定系數(shù)R2為0.6。
　　5.關(guān)于含水率對1.5 mm厚

6、人工林馬尾松木材順紋抗拉彈性模量影響的研究發(fā)現(xiàn)，在纖維飽和點以下，順紋抗拉彈性模量基本隨含水率的減小而增大，在含水率為5.5%左右達(dá)到最大值，之后隨含水率的繼續(xù)下降而減小。接近飽水狀態(tài)的木材的順紋抗拉彈性模量比氣干木材的小18.3%-18.9%，比含水率約為5.5%的木材的小36.2%。該現(xiàn)象符合傳統(tǒng)理論所認(rèn)為的，木材縱向彈性模量隨含水率的增大而減小主要是由木素-半纖維素基質(zhì)的水分依賴特性引起的。
　　6.對室溫下1.5 mm厚人

7、工林馬尾松木材縱向拉伸蠕變的研究發(fā)現(xiàn)，微纖絲角對木材的縱向拉伸實質(zhì)蠕變?nèi)崃坑酗@著的影響：微纖絲角越大，初始瞬時實質(zhì)蠕變?nèi)崃吭酱螅瑢嵸|(zhì)蠕變?nèi)崃吭隽吭酱?，并且達(dá)到穩(wěn)態(tài)蠕變階段所需的時間越長。該現(xiàn)象可以用木材細(xì)胞壁的復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋。微纖絲角小的木材的縱向拉伸蠕變主要由S2層纖維素微纖絲控制，而纖維素微纖絲的粘性遠(yuǎn)大于基質(zhì)物質(zhì)木素-半纖維素，相應(yīng)的微纖絲角小的試樣對載荷的響應(yīng)慢，蠕變?nèi)崃啃∏译S時間的增長也緩慢。相反，對于微纖絲角大的試樣，由于

8、纖維素微纖絲的力學(xué)貢獻(xiàn)減小，木材的縱向拉伸蠕變行為主要受細(xì)胞壁基質(zhì)半纖維素-木素的影響，而半纖維素-木素基質(zhì)的粘性小于纖維素微纖絲的，所以蠕變?nèi)崃肯鄬ξ⒗w絲角小的試樣成倍增加。利用彈簧和粘壺組合構(gòu)成的粘彈性材料的機(jī)械模型對木材的縱向拉伸蠕變進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)Kelvin模型和一個彈簧串聯(lián)構(gòu)成的三元件固體模型能夠很好地描述1.5 mm厚人工林馬尾松木材的蠕變。
　　7.木材的蠕變性能與含水率有關(guān)，其瞬時實質(zhì)蠕變?nèi)崃侩S含水率的增加而增大，

9、實質(zhì)蠕變?nèi)崃吭隽恳搽S含水率的增加而顯著增大，并且達(dá)到穩(wěn)態(tài)蠕變需要的時間隨含水率的增加而延長。
　　8.機(jī)械吸濕蠕變是一個復(fù)雜的物理過程，一些現(xiàn)象可通過瞬變氫鍵結(jié)合、分子流動性的改變和水分梯度引起的內(nèi)應(yīng)力梯度等進(jìn)行闡釋。本論文針對1.5 mm厚人工林馬尾松木材的短周期縱向拉伸蠕變研究發(fā)現(xiàn)，微纖絲角對木材縱向拉伸機(jī)械吸濕蠕變有明顯的影響：微纖絲角越大，縱向拉伸機(jī)械吸濕蠕變變形越大；微纖絲角越小，縱向拉伸機(jī)械吸濕蠕變變形越小。并且木材的

10、縱向拉伸機(jī)械吸濕蠕變與初始含水率也有關(guān)，初始含水率越大，機(jī)械吸濕蠕變越大。在室溫和環(huán)境相對濕度周期變化的條件下，木材縱向拉伸機(jī)械吸濕蠕變趨于一個恒定的蠕變極限。
　　本文開展了關(guān)于密度、微纖絲角和水分對木材順紋抗拉彈性模量、縱向拉伸蠕變和縱向拉伸機(jī)械吸濕蠕變等的影響的研究，獲得了大量的關(guān)于馬尾松木材的縱向拉伸彈性和蠕變性能的實測數(shù)據(jù)，分析揭示了毫米尺度下木材的縱向力學(xué)行為機(jī)理，為人工林馬尾松木材的優(yōu)質(zhì)高效利用提供了參考依據(jù)，同時豐