鄭 俠 姜志宏

（浙江農(nóng)林大學(xué)，杭州 311300）

木材有著優(yōu)異的性能，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。木材復(fù)雜的化學(xué)成分使其在響應(yīng)載荷方面表現(xiàn)出復(fù)雜的黏彈性[1]。蠕變是指在恒定載荷作用下，應(yīng)變隨著時(shí)間逐漸增大的過(guò)程或現(xiàn)象[2-5]，應(yīng)變對(duì)時(shí)間有很強(qiáng)的依賴性。木材黏彈性對(duì)木材的加工與應(yīng)用影響較大。當(dāng)木材作為承重構(gòu)件使用時(shí)，木構(gòu)件產(chǎn)生的蠕變會(huì)降低力學(xué)耐久性,對(duì)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，直接威脅木結(jié)構(gòu)建筑安全性[6]。

在纖維飽和點(diǎn)之下，含水率是影響木材流變學(xué)特性的重要參數(shù)[7-10]。迄今關(guān)于木材蠕變研究也主要聚焦于水分對(duì)于蠕變的影響及其相關(guān)機(jī)理的討論[11]，如相關(guān)學(xué)者[9,12-14]研究了在含水率變化情況下木材的蠕變特性與機(jī)理。而精準(zhǔn)地控制試驗(yàn)過(guò)程中的試件含水率對(duì)于準(zhǔn)確測(cè)試木材黏彈性尤為關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外關(guān)于木材黏彈性的研究很少有在較高溫度下涉及到非極端含水率。Kojima[15]等在內(nèi)置微型風(fēng)扇的密閉腔進(jìn)行木材拉伸蠕變?cè)囼?yàn)，并用飽和鹽溶液維持試件含水率，但沒(méi)有給出含水率的具體改變情況。Jong[16]等通過(guò)在試件表面涂上涂料，并通過(guò)水浴加熱維持試驗(yàn)溫度和濕度，但結(jié)果并不理想，而且涂層會(huì)對(duì)蠕變特性產(chǎn)生一定影響。Engelund[17]等在以氮?dú)庾鳛檩d體的封閉腔內(nèi)通過(guò)相應(yīng)裝置控制腔內(nèi)濕度，結(jié)果表明：在較高溫度下并不能維持該含水率試件所需的相對(duì)濕度。金方元[18]、劉暢[19]采用對(duì)試件包膜以及和TA公司濕度附件相結(jié)合的方法分別進(jìn)行木材順紋和橫紋方向的彎曲蠕變研究，結(jié)果表明：較高含水率試件在高溫試驗(yàn)過(guò)后仍能較好地維持所需含水率。

本文用先進(jìn)儀器對(duì)較寬溫度域和含水率域內(nèi)對(duì)橫紋樺木在拉伸載荷模式下的蠕變特性進(jìn)行研究探索，并借鑒前人對(duì)試件包膜處理，結(jié)合TA公司濕度附件的方法以精確控制試件含水率。由于樺木為闊葉散孔材，其自身結(jié)構(gòu)較均勻，可以減小試件差異性對(duì)試驗(yàn)的影響，同時(shí)由于其在地板、家具及建筑領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，因此選用樺木為試驗(yàn)材料。本次試驗(yàn)對(duì)于豐富木材在橫紋方向上的黏彈性理論及其在實(shí)際中的應(yīng)用具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 材料

樺木(Betula pendula)，采用浙江某木質(zhì)企業(yè)樺木薄板，薄板尺寸為1 200 mm（順紋）×140 mm×1.2 mm，密度為0.65 g/cm3。

1.2 設(shè)備

DMA Q800 和DMA-RH(濕度附件)，美國(guó)TA儀器公司生產(chǎn)；Trotec Speedy 300 激光雕刻機(jī)，奧地利卓泰克公司制造；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，杭州藍(lán)天化驗(yàn)儀器廠；梅特勒AG285 天平，瑞士制造。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

溫度和含水率為本試驗(yàn)的兩個(gè)變量。溫度范圍是5～95 ℃，以10 ℃為間隔取一個(gè)溫度水平，一共10 個(gè)試驗(yàn)溫度；含水率范圍為0%～24%，每間隔6%取一個(gè)試驗(yàn)含水率，一共5 個(gè)含水率水平。本次蠕變?cè)囼?yàn)采用DMA拉伸夾具，在DMA的Creep模式下進(jìn)行試驗(yàn)。前期試驗(yàn)表明：DMA和DMA-RH可以根據(jù)自行設(shè)計(jì)的程序?qū)崿F(xiàn)溫度的分段控制以及相對(duì)濕度的調(diào)整，可使試件在某個(gè)特定濕度條件下，使溫度以10 ℃的間隔從5 ℃階段性地上升到95 ℃，因此一個(gè)特定的含水率試件能夠連續(xù)完成從低溫到高溫的系列試驗(yàn)。這樣不僅能減少每個(gè)試驗(yàn)溫度更換試件、重新升溫等時(shí)間，同時(shí)也能減小試件本身差異對(duì)試驗(yàn)造成的影響。

一個(gè)蠕變過(guò)程(下文稱為蠕變循環(huán))包含升溫、平衡、蠕變?nèi)齻€(gè)階段，當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到設(shè)定水平，經(jīng)過(guò)10 min的平衡后，使試件的溫度及腔內(nèi)濕度充分平衡均勻后，再對(duì)試件施加0.3 MPa的應(yīng)力維持30 min的蠕變?cè)囼?yàn)，隨后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)階段。一個(gè)蠕變階段中的升溫(約15～20 min)和平衡階段作為試件蠕變恢復(fù)的過(guò)程。試驗(yàn)有10 個(gè)溫度水平，一共經(jīng)歷10 次循環(huán)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中DMA會(huì)自動(dòng)記錄相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3.2 試件制作

使用Trotec Speedy 300 激光雕刻機(jī)制備樺木橫紋試件，試件尺寸為20 mm×5 mm×1.2 mm，尺寸誤差近±0.2 mm，精度較高。

1.3.3 試件含水率調(diào)控

將試件放進(jìn)103 ℃的烘箱至絕干，并稱得試件絕干重。試驗(yàn)采用燒杯和不銹鋼絲架組成的裝置調(diào)節(jié)試件含水率。不銹鋼絲架放在燒杯里，高度約為燒杯高度的2/3，燒杯里盛水，水位高度為燒杯高度的1/3，如圖1 所示。將含水率為0%的試件，烘至絕干后用塑料薄膜包裹，待其冷卻后可直接放入儀器進(jìn)行試驗(yàn)；而非0%含水率的試件，則將其置于上述調(diào)節(jié)裝置中調(diào)整含水率。調(diào)節(jié)過(guò)程中試件置于不繡鋼絲架上，用塑料薄膜將燒杯口封閉，定期稱量以確定試件的含水率。由于橫紋試件本身容易產(chǎn)生彎曲，可以適當(dāng)?shù)胤派衔飰K壓著，以減小其橫紋彎曲變形。試件達(dá)到要求含水率后，將其取出，用塑料薄膜嚴(yán)密包裹，置于陰涼處1～2 d備用，使其內(nèi)部水分盡量達(dá)到均勻分布狀態(tài)，以減小含水率梯度對(duì)試驗(yàn)的影響。

圖1 含水率調(diào)節(jié)裝置Fig.1 Moisture content adjustment device

1.3.4 試驗(yàn)過(guò)程中試件含水率控制

試驗(yàn)采取DMA濕度附件，并用PVDC耐高溫膜包裹試件以維持試件含水率。依據(jù)試件含水率和環(huán)境濕度的對(duì)應(yīng)關(guān)系設(shè)定試驗(yàn)濕度，DMA-RH能根據(jù)設(shè)定值控制試驗(yàn)過(guò)程中的濕度以盡量維持試件含水率；PVDC膜可防止試件中的水分因后期溫度升高直接蒸發(fā)到試驗(yàn)環(huán)境中，具有一定鎖水作用。試件包膜時(shí)，在試件長(zhǎng)度方向上留足一定的薄膜長(zhǎng)度，避免薄膜本身拉伸對(duì)拉伸試驗(yàn)產(chǎn)生影響。試驗(yàn)表明：采用該方法控制試件含水率效果比較理想。試驗(yàn)前后試件含水率變化見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)前后試件含水率變化表Tab.1 Change of moisture content of the specimen before and after the experiment /%

2 結(jié)果與討論

在10 個(gè)溫度水平下，5 種含水率試件蠕變30 min過(guò)程中的柔量如圖2 所示。圖2 所示柔量包含了瞬時(shí)柔量和蠕變?nèi)崃俊１疚膶⑷渥兟蕿?%時(shí)對(duì)應(yīng)的柔量作為瞬時(shí)柔量，因此蠕變過(guò)程中任一時(shí)刻的蠕變?nèi)崃考礊榇丝痰目側(cè)崃颗c瞬時(shí)柔量的差值。

圖2 5 種含水率試件在不同溫度下蠕變30 min的結(jié)果Fig.2 Creeping curves of 5 moisture content specimens at different temperatures in 30 min

2.1 總?cè)崃糠治?/h3>

從圖2 可知，在試件含水率不變的情況下，曲線隨溫度升高整體上移，起點(diǎn)變高，并且斜率增大，曲線變陡；在溫度不變的情況下，也是起點(diǎn)上移，曲線變陡（但含水率0%的試件則表現(xiàn)出后期曲線變緩且往下降的異常情況）。表2 反映的是各曲線的起點(diǎn)值，隨著溫度和含水率的增加，起點(diǎn)也變高。表3 為試件在5～6 min時(shí)的蠕變曲線斜率，可以看出曲線斜率隨著試件含水率的增加而增大；并且隨著溫度的增加整體上曲線斜率也呈增大趨勢(shì)。雖然表3 中18%和24%含水率試件在較高溫度下曲線斜率有所下降，但仍保持較大斜率，曲線較陡；含水率0%試件在65 ℃時(shí)曲線斜率開(kāi)始變小，這也與圖2 中后期總?cè)崃壳€下降的現(xiàn)象相符。

表2 5 種含水率試件各蠕變曲線起點(diǎn)值Tab.2 Creep curve starting point values for 5 kinds of moisture content specimens

表3 試件在5～6 min時(shí)的蠕變曲線斜率Tab.3 Creep curve slope of specimen at 5～6 min

2.1.1 溫度對(duì)總?cè)崃康挠绊?/p>

從圖2 可知，試件(0%試件除外)隨著溫度升高，其30 min后的柔量也隨之變大；從表3 數(shù)據(jù)可知，隨著溫度升高，蠕變曲線斜率變大，曲線變得陡峭。所有含水率試件在前期溫度較低時(shí)，經(jīng)過(guò)30 min蠕變后其柔量會(huì)趨于某個(gè)穩(wěn)態(tài)值，但從45 ℃開(kāi)始，試件(0%試件除外)在30 min后柔量趨于某一穩(wěn)態(tài)值這一現(xiàn)象開(kāi)始變得不明顯，曲線直觀表現(xiàn)為比較陡。溫度對(duì)蠕變特性的影響體現(xiàn)在溫度升高會(huì)使試件內(nèi)能增加，分子間的間距擴(kuò)大，布朗運(yùn)動(dòng)加??；并且在較高溫度下木材內(nèi)部組分化學(xué)基團(tuán)會(huì)產(chǎn)生變化，使組分與組分及水分子之間的結(jié)合力減弱[20]，造成木材內(nèi)部分子鏈更易拉伸和滑動(dòng)，使木材也更容易產(chǎn)生蠕變。

2.1.2 含水率對(duì)總?cè)崃康挠绊?/p>

從圖2 可知，試件隨著含水率的升高，其30 min時(shí)的柔量也隨之變大；并且由表3 可知，曲線斜率整體上隨著試件含水率的上升而增大,斜率越大表示試件蠕變速率越大，更易變形。前期溫度較低時(shí)，不同含水率試件之間的總?cè)崃坎罹嘞鄬?duì)較小，但是在35 ℃之后，不同含水率試件的總?cè)崃坎钪碉@著增大，高含水率試件和低含水率試件表現(xiàn)出明顯的不同。如在5 ℃時(shí)，24%含水率試件30 min后的總?cè)崃肯噍^于0%試件30 min后的總?cè)崃吭龃罅?58.4%，而在95 ℃時(shí)前者比后者的總?cè)崃看? 379.7%，這表明在高溫情況下含水率對(duì)于試件總?cè)崃坑绊懜鼮轱@著。含水率對(duì)蠕變特性的影響體現(xiàn)在其對(duì)木材起增塑作用，水分子會(huì)進(jìn)入氫鍵結(jié)合處，使木材“自由體積”增加，內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)空間增大，因此分子之間更容易產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)[21]。

2.2 瞬時(shí)柔量分析

瞬時(shí)柔量是試件剛受力時(shí)的柔量，取DMA中蠕變率為0%時(shí)對(duì)應(yīng)的柔量，瞬時(shí)柔量的倒數(shù)即為彈性模量，反映材料的抗變形能力。溫度和水分都會(huì)使木材變軟，使木材抵抗變形的能力下降。

2.2.1 溫度對(duì)瞬時(shí)柔量的影響

從圖3 可看出，含水率不變時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中試件的瞬時(shí)柔量隨溫度上升而增大。且高含水率試件瞬時(shí)柔量受溫度的影響更為顯著，瞬時(shí)柔量隨溫度升高所產(chǎn)生的增量也在變大。各含水率試件在95 ℃時(shí)的瞬時(shí)柔量對(duì)比5 ℃時(shí)的瞬時(shí)柔量增長(zhǎng)率如表4 所示，由表可見(jiàn)，在95 ℃時(shí)試件的瞬時(shí)柔量比5 ℃時(shí)的瞬時(shí)柔量明顯增大，這充分體現(xiàn)了溫度對(duì)于瞬時(shí)柔量的影響。并且由表4 不同含水率試件之間的瞬時(shí)柔量比較可知，在高含水率條件下，溫度的影響更為顯著。

圖3 5 種含水率不同溫度時(shí)的瞬時(shí)柔量Fig.3 Instantaneous compliance of 5 moisture content specimens at different temperatures

表4 溫度對(duì)不同含水率試件瞬時(shí)柔量的影響Tab.4 Effect of temperature on instantaneous compliance of specimens at different moisture contents

2.2.2 含水率對(duì)瞬時(shí)柔量的影響

圖4 10 個(gè)溫度條件下不同含水率試件的瞬時(shí)柔量Fig.4 Instantaneous compliance of specimens with different moisture content under 10 temperature conditions

表5 含水率對(duì)不同溫度下試件瞬時(shí)柔量的影響Tab.5 Effect of moisture content on instantaneous compliance of specimens at different temperatures

從圖4 可看出，在溫度不變時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中試件的瞬時(shí)柔量隨著試件含水率的增加而增大。45 ℃及之后含水率對(duì)于試件瞬時(shí)柔量的影響效果更顯著，不同含水率試件的瞬時(shí)柔量整體差距擴(kuò)大，其中6%、12%和18%含水率試件的瞬時(shí)柔量差距尤為突出。24%和0%含水率試件在不同溫度下的瞬時(shí)柔量如表5 所示。含水率增加對(duì)試件的水分增塑作用進(jìn)一步增強(qiáng)，使試件產(chǎn)生的瞬時(shí)柔量也增加，并且在高溫情況下含水率對(duì)于試件瞬時(shí)柔量的影響更為明顯，水分的增塑作用更強(qiáng)。

2.3 蠕變?nèi)崃糠治?/h3>

木材是黏彈性材料，受力后產(chǎn)生的變形會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)而增大，蠕變?nèi)崃渴呛饬科渥冃闻c時(shí)間相關(guān)的物理量。溫度和水分都會(huì)使木材變軟，加速木材蠕變。下面以蠕變30 min時(shí)的蠕變?nèi)崃繛槔治鰷囟群退謱?duì)樺木橫紋拉伸蠕變的影響。

2.3.1 溫度對(duì)蠕變?nèi)崃康挠绊?/p>

從圖5 蠕變30 min時(shí)的蠕變?nèi)崃靠闯?，除了含水率?%試件之外，其他含水率試件的蠕變?nèi)崃烤S著溫度的升高而增大，但在溫度較高時(shí)，蠕變?nèi)崃吭隽侩S著溫度增加有所減小。各含水率試件在95 ℃時(shí)的蠕變?nèi)崃亢? ℃時(shí)的蠕變?nèi)崃咳绫? 所示，不同含水率試件在95 ℃時(shí)的蠕變?nèi)崃勘? ℃時(shí)大，蠕變?nèi)崃康脑隽侩S著試件含水率的增加而增大，蠕變?nèi)崃吭鲩L(zhǎng)率則呈現(xiàn)先上升后下降的走勢(shì)。

結(jié)合圖表可知，含水率在12%及以上的試件受溫度影響越明顯，而且這些試件蠕變?nèi)崃吭谝欢囟葪l件下存在突增的現(xiàn)象。如圖5 中12%的試件蠕變?nèi)崃客辉龀霈F(xiàn)在65 ℃；18%的試件蠕變?nèi)崃客辉龀霈F(xiàn)在55 ℃；24%的試件蠕變?nèi)崃客辉龀霈F(xiàn)在45 ℃。隨著試件含水率增加，出現(xiàn)蠕變突增的溫度逐漸變小，這些現(xiàn)象主要與木材玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)，水分的存在會(huì)影響玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，木材內(nèi)部三大素玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨著含水率增大而降低，這也解釋了0%和6%含水率試件并沒(méi)有出現(xiàn)蠕變?nèi)崃客辉龅那闆r。含水率0%試件后期蠕變?nèi)崃孔冃。赡苁且蛟嚰谶M(jìn)行每階段30 min的蠕變之后蠕變恢復(fù)不夠充分所致。

表6 溫度對(duì)不同含水率試件蠕變?nèi)崃康挠绊慣ab.6 Effect of temperature on creep compliance of specimens at different moisture contents

2.3.2 含水率對(duì)蠕變?nèi)崃康挠绊?/p>

由圖6 可見(jiàn)，蠕變30 min時(shí)，整體上橫紋試件蠕變?nèi)崃侩S著含水率的增加而增大，0%、6%和12%含水率試件之間的蠕變?nèi)崃坎钪惦S著溫度上升而進(jìn)一步加大；12%、18%和24%含水率試件的蠕變?nèi)崃坎钪惦S著溫度上升先變大后變小。0%和24%含水率試件在不同溫度下的蠕變?nèi)崃咳绫? 所示。從表中可知24%含水率試件在相同條件下產(chǎn)生蠕變?nèi)崃恳黠@比0%含水率試件產(chǎn)生蠕變?nèi)崃看螅以鲩L(zhǎng)率除了第一個(gè)異常，整體隨著溫度的增加而增大。

圖6 10 個(gè)溫度條件下不同含水率試件蠕變30 min時(shí)的蠕變?nèi)崃縁ig.6 Creep compliance of specimens with different moisture content under 10 temperatures conditions for 30 min

當(dāng)后期試驗(yàn)溫度升到較高時(shí)，試件蠕變?nèi)崃侩m然有所增加，但是增量明顯減小，圖6 柱狀圖末期趨向于平穩(wěn)增長(zhǎng)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能在于：1) 蠕變恢復(fù)不夠充分，以及不可逆變形累積增加，這對(duì)連續(xù)性蠕變?cè)囼?yàn)在高溫時(shí)會(huì)有一定影響；2) 由于橫紋試件較小，后期試驗(yàn)溫度會(huì)較高，試件含水率存在著一定漂移。含水率處于纖維飽和點(diǎn)以下的橫紋試件存在更大的干縮濕漲現(xiàn)象，試件水分的散失除導(dǎo)致試件收縮外，還會(huì)使試件不易蠕變。含水率減小對(duì)試件蠕變?nèi)崃坑绊懘笥跍囟壬邔?duì)蠕變?nèi)崃康挠绊?，使后期蠕變?nèi)崃壳€趨于平緩。因此在木材降解溫度之內(nèi)，含水率在纖維飽和點(diǎn)下的木材，其單位含水率對(duì)蠕變?nèi)崃康挠绊憰?huì)比單位溫度對(duì)蠕變?nèi)崃康挠绊懜蟆?/p>

表7 含水率對(duì)不同溫度下試件蠕變?nèi)崃康挠绊慣ab.7 Effect of moisture content on creep compliance of specimens at different temperatures

從以上分析可知，隨著試驗(yàn)溫度升高及試件含水率增加，試件的瞬時(shí)柔量、蠕變?nèi)崃?0%含水率試件除外)也在增大。在高溫高含水率條件下，試件更易產(chǎn)生蠕變變形，這與金芳元[7,18]順紋彎曲試驗(yàn)得出的結(jié)論一致。且本試驗(yàn)中12%、18%、24%含水率試件的蠕變?nèi)崃客蛔儨囟?，以?%含水率試件未出現(xiàn)明顯的蠕變?nèi)崃客蛔儨囟?，結(jié)果均與金芳元的試驗(yàn)一致；與之不同的是本研究中6%含水率試件并未出現(xiàn)明顯的突變溫度，這可能是含水率對(duì)不同紋理試件影響的差異所致。

3 結(jié)論

1）樺木橫紋拉伸蠕變（0%含水率試件略微異常）產(chǎn)生的瞬時(shí)柔量和蠕變?nèi)崃烤S著溫度和含水率的升高而增大。高溫高含水率時(shí)的蠕變遠(yuǎn)比低溫低含水率時(shí)的蠕變大，有數(shù)量級(jí)之差。

2）在一定溫度和一定含水率水平組合下，樺木橫紋拉伸蠕變存在突增的現(xiàn)象。水分與木材內(nèi)部組分的結(jié)合狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致木材玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的改變，含水率越大，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越低，進(jìn)而影響到試件的蠕變性能。這符合纖維在飽和點(diǎn)之下時(shí)，木材含水率顯著影響木材物理力學(xué)性能這一理論。

3）溫度和含水率對(duì)樺木橫紋拉伸蠕變有交互作用，兩者不是簡(jiǎn)單的疊加關(guān)系。兩者的交互作用也是木材黏彈性的研究難點(diǎn)之一，對(duì)此還有待進(jìn)一步深入研究，今后可就溫-濕等效性進(jìn)行進(jìn)一步研究。