連續(xù)壓縮載荷下木材力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)變化定量表征.pdf

1、木材與木質(zhì)材料的力學(xué)性能在很大程度上取決于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。為了更好的了解和掌握木材力學(xué)性能與其微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，本論文采用自主研發(fā)的原位檢測(cè)平臺(tái)，研究了不同條件下木材受連續(xù)壓縮時(shí)力學(xué)性能及其微觀結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)變化情況，并著重分析了兩者之間的相互關(guān)系。
　　本論文首先歸納了原位檢測(cè)方法在木材組織力學(xué)水平上的應(yīng)用，分析了現(xiàn)有原位檢測(cè)技術(shù)存在的問(wèn)題及可實(shí)現(xiàn)的解決方法；隨后重點(diǎn)介紹了自主研發(fā)的原位檢測(cè)平臺(tái)的構(gòu)架及實(shí)施方式、圖像采集系統(tǒng)等重要部位

2、的工作原理；并借助具體試驗(yàn)，綜合分析了該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)；然后通過(guò)該原位檢測(cè)平臺(tái)，以人工林杉木（Cunninghamia lanceolata）小試樣[5mm(L)×X mm(R)×5mm(T)]為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了不同生長(zhǎng)輪早材在連續(xù)橫紋徑向壓縮時(shí)的力學(xué)行為及其微觀結(jié)構(gòu)變化；并進(jìn)一步研究了不同加載速度、溫度和含水率條件下，早材在連續(xù)加載時(shí)的力學(xué)性能及其與內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系。
　　本論文的主要研究結(jié)論如下：
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3、1）自主研發(fā)的原位檢測(cè)平臺(tái)包括兩個(gè)系統(tǒng)，一是加載系統(tǒng)，二是圖像采集系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)通過(guò)時(shí)間參數(shù)并行統(tǒng)一。圖像采集系統(tǒng)能在連續(xù)加載的過(guò)程中自動(dòng)聚焦并實(shí)時(shí)拍攝木材變形的照片，并借助于測(cè)量與計(jì)算軟件對(duì)照片進(jìn)行定量分析，從而實(shí)現(xiàn)木材的力學(xué)性能及其微觀結(jié)構(gòu)變化的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。
　　（2）杉木各生長(zhǎng)輪間早材橫紋徑向抗壓屈服強(qiáng)度（σc）和橫紋徑向抗壓彈性模量（Ec）從心材到邊材呈逐漸減小趨勢(shì)。不同部位（心材、邊心材交界和邊材）間σc與 Ec存在顯著的

4、差異性。對(duì)三個(gè)部位（心材、邊心材交界和邊材）連續(xù)受壓產(chǎn)生首次屈服永久變形（塑性變形）的微觀結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行定量研究結(jié)果表明：第7生長(zhǎng)輪與第11生長(zhǎng)輪出現(xiàn)首次屈服變形的位置一致，均在距被加載表面第15-20層早材細(xì)胞處（平均距離分別為643μm和689μm）；而第17生長(zhǎng)輪在距被加載表面第5-10層早材細(xì)胞處（平均距離為153μm）產(chǎn)生首次屈服變形。不同生長(zhǎng)輪間早材微觀結(jié)構(gòu)的不同影響其橫紋抗壓力學(xué)性能在徑向方向上的變化。
　?。?）在不

5、同加載速度（1mm/min，10mm/min和50mm/min）條件下，早材產(chǎn)生首次屈服變形的位置與被加載表面之間平均距離分別為689μm，166μm和23μm。不同加載速度下早材小試樣的σc與 Ec均差異顯著，與試樣產(chǎn)生首次屈服變形的位置有關(guān)。低速加載下（1mm/min），木材內(nèi)部最脆弱部位首先產(chǎn)生屈服變形，得到的σc與Ec相對(duì)較小，平均值分別為3.16MPa和45.79MPa；較高加載速度下（10mm/min和50mm/min），木

6、材內(nèi)部非最脆弱部位首先產(chǎn)生屈服變形，得到的σc與Ec相對(duì)較大，平均值分別為3.71MPa和56.04MPa，4.51MPa和75.53MPa。
　?。?）在不同溫度（-20OC、20OC、60oC、80OC和120OC）條件下，早材σc與 Ec的變化趨勢(shì)一致。在負(fù)溫度下（-20OC）得到σc與Ec均比正溫度下的σc與Ec大。一般來(lái)說(shuō)，隨著溫度的升高，σc與Ec逐漸減小。同時(shí)，不同溫度下σc與Ec差異比較顯著。較低溫度（≤60oC）

7、下與較高溫度（≥80 oC）下，早材的破壞方式不同。溫度≤60oC時(shí)，趨于剛性屈服；溫度≥80OC時(shí)，趨于柔性屈服；不同溫度（-20OC、20OC和60OC）下，出現(xiàn)首次屈服變形的位置相同，均為距被加載表面第17-20層早材細(xì)胞處（距被加載表面的平均距離分別為667μm、689μm和643μm），表明在較低溫度（≤60OC）范圍內(nèi)，溫度的變化并未改變木材內(nèi)部最脆弱部位的位置，但最脆弱部位木材的力學(xué)性能發(fā)生變化。
　?。?）在不同含

8、水率（絕干、氣干與飽水狀態(tài)）條件下，早材σc與 Ec差異均顯著。σc與 Ec隨著含水率增加呈逐漸減小的趨勢(shì)。由絕干到氣干狀態(tài)，早材產(chǎn)生首次屈服變形的位置未發(fā)生變化，均在距被加載表面第17-20層早材細(xì)胞處（距被加載表面的平均距離分別為664μm和689μm）；在飽水狀態(tài)下，加載過(guò)程中壓出的水分影響微觀結(jié)構(gòu)的拍攝和檢測(cè)。在不同含水率條件下，木材產(chǎn)生首次屈服變形時(shí)的破壞方式不同。在絕干和氣干條件下，趨于剛性屈服；而在飽水條件下，趨于柔性屈服