岳 孔 陸 棟 胡文杰 戴長(zhǎng)路 吳 鵬 陸偉東

(南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 南京 211800)

與傳統(tǒng)建材相比，木材是天然生長(zhǎng)的固碳材料(Gustavssonetal.，2006)，具有良好的環(huán)境學(xué)特性和高強(qiáng)重比等優(yōu)勢(shì)(于海鵬等，2009；劉一星等，2012)，木結(jié)構(gòu)建筑的規(guī)模化應(yīng)用是建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措(岳孔等，2015)。

木結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用中大多要求充分暴露木材元素，通過(guò)結(jié)構(gòu)裝飾一體化設(shè)計(jì)和建筑免裝修，進(jìn)一步降低綜合造價(jià)，是提高木結(jié)構(gòu)建筑競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段，但木材自身可燃的固有屬性導(dǎo)致木結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)隱患高(Yueetal.，2017；岳孔等，2019)。試驗(yàn)表明，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，當(dāng)達(dá)到炭化溫度后，木材燃燒、釋放大量熱量和可燃?xì)怏w助長(zhǎng)火勢(shì)，高溫對(duì)實(shí)木和結(jié)構(gòu)復(fù)合木材的力學(xué)性能具有顯著劣化作用(K?nig，2005；Yueetal.，2022)，高溫中木構(gòu)件有效截面降低、剛度減小、承載力下降，危及結(jié)構(gòu)安全(岳孔等，2021)，木結(jié)構(gòu)建筑的抗火性能是其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

火災(zāi)中木構(gòu)件最外側(cè)先受高溫作用炭化形成炭化層(K?nig，2005)，炭化層不具強(qiáng)度(Lauetal.，1999)；次外層(受熱區(qū))受高溫作用強(qiáng)度降低(Moraesetal.，2004；2005；Sinhaetal.，2011；岳孔等，2019)。木結(jié)構(gòu)中受力構(gòu)件力學(xué)性能劣化主要由炭化層強(qiáng)度喪失和受熱區(qū)強(qiáng)度折減導(dǎo)致(岳孔等，2021)。

化學(xué)組分熱解是木材力學(xué)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(xué)組分中纖維素?zé)岱€(wěn)定性最高，木質(zhì)素次之(Zhengetal.，2015)，半纖維素?zé)岱€(wěn)定性最低(岳孔等，2020a)，150～200 ℃半纖維素即發(fā)生熱解(Manriquezetal.，2010)?？諝饨橘|(zhì)對(duì)高溫中木材強(qiáng)度降低的影響比惰性氣體大(Kubojimaetal.，2000)，這是氧對(duì)木材強(qiáng)度劣化的加速作用導(dǎo)致的(Wangetal.，2000)。高溫中，以空氣為介質(zhì)時(shí)，木材內(nèi)纖絲間排列更疏松和無(wú)序，其結(jié)晶度低于氮?dú)饨橘|(zhì)中的結(jié)晶度(孫偉倫等，2010)。高溫改性不引進(jìn)化學(xué)物質(zhì)，且能夠顯著提高木材尺寸穩(wěn)定性(孫偉倫等，2010)，但改性后木材抗拉和順紋抗剪強(qiáng)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(guī)膠合木梁截面底部拉伸破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槔袈?lián)合破壞，且構(gòu)件脆性增加、延性降低，這是高溫改性導(dǎo)致木材順紋抗剪強(qiáng)度降低的結(jié)果(岳孔等，2020a；Yueetal.，2020；王志強(qiáng)等，2016)。因此，抗剪強(qiáng)度作為木材基本力學(xué)性能指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)研究，是結(jié)構(gòu)用木材承載安全性的重要保證。

現(xiàn)階段，我國(guó)木結(jié)構(gòu)建筑基本采用進(jìn)口結(jié)構(gòu)用木材建造，應(yīng)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(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用增多，量大面廣的國(guó)產(chǎn)速生木材在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的可行性受到廣泛關(guān)注，其中，速生楊樹(Populusspp.)總面積居世界首位，且具有較高的力學(xué)性能，是我國(guó)木結(jié)構(gòu)用材的潛在資源(Yueetal.，2019；岳孔等，2016)?；饒?chǎng)下大截面承重木構(gòu)件最外側(cè)受熱形成炭化層，炭化層的絕氧效應(yīng)和低導(dǎo)熱系數(shù)(Sinha，2013；岳孔等，2019；2021)對(duì)構(gòu)件內(nèi)部木材具有較好保護(hù)作用，但對(duì)最外側(cè)炭化層保護(hù)下受熱區(qū)木材力學(xué)性能的研究相對(duì)較少。考慮到木結(jié)構(gòu)中規(guī)格材弦切板占比較高，本研究以氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)介質(zhì)，對(duì)高溫中興安落葉松、花旗松和楊木的順紋弦面抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)木材主要化學(xué)組分含量變化揭示其抗剪強(qiáng)度劣化機(jī)制，提出高溫中結(jié)構(gòu)用木材順紋抗剪強(qiáng)度劣化模型，以期為木結(jié)構(gòu)抗火性能精細(xì)化設(shè)計(jì)和過(guò)火結(jié)構(gòu)構(gòu)件剩余承載力評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

興安落葉松和花旗松規(guī)格材分別由俄羅斯和加拿大進(jìn)口，等級(jí)均為A級(jí)，尺寸分別為40 mm×150 mm×4 000 mm和38 mm×140 mm×3 050 mm(厚×寬×長(zhǎng))，國(guó)產(chǎn)速生楊木購(gòu)自江蘇宿遷，樹齡16年、胸徑280 mm、紋理通直，經(jīng)制材加工成尺寸為40 mm×150 mm×3 050 mm(厚×寬×長(zhǎng))的規(guī)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(shí)的平均氣干密度分別為0.604、0.537和0.498 g·cm-3?？紤]到木材變異性較大，為保證試驗(yàn)結(jié)果可靠，選取含水率在10%～15%范圍內(nèi)且密度相差不高于5%的無(wú)疵木材作為測(cè)試試件。試件制作和性能測(cè)試前，木材置于溫度20 ℃、相對(duì)濕度65%的環(huán)境中至少1個(gè)月，直至平衡。

按照《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 1935—2009)、《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 1938—2009)、《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 1936.1—2009)和《木材抗彎彈性模量測(cè)定方法》(GB/T 1936.2—2009)測(cè)試木材基本力學(xué)性能，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用木材力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of wood specimens MPa

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

木材順紋弦面抗剪強(qiáng)度(以下稱抗剪強(qiáng)度)采用E45.035E型300 kN微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司)進(jìn)行測(cè)試，荷載和位移數(shù)據(jù)均由系統(tǒng)自動(dòng)同步采集，采集頻率為10 Hz，精度為示值的±0.5%。試驗(yàn)高溫環(huán)境由SD201625型高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱(吉林省三度試驗(yàn)設(shè)備有限公司)提供，其內(nèi)部?jī)舫叽鐬?00 mm×300 mm×600 mm(寬×深×高)。采用DX1012型無(wú)紙記錄儀(日本橫河)和預(yù)埋在試件內(nèi)部的K型熱電偶監(jiān)測(cè)試件內(nèi)部溫度，熱電偶測(cè)溫范圍為0～1 300 ℃，測(cè)量精度為示值的±0.75%。

木材半纖維素、纖維素和木質(zhì)素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)采用1525型高效液相色譜儀(美國(guó)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(shù)有限公司)和UV-2700型紫外分光光度計(jì)(日本島津)進(jìn)行測(cè)試。

1.3 試驗(yàn)方法

楊木生長(zhǎng)輪寬度較大，考慮到早晚材強(qiáng)度差異，基于木材受剪時(shí)破壞通常發(fā)生在早材區(qū)域的研究結(jié)果(岳孔等，2021)，楊木抗剪強(qiáng)度試件從邊材取材，且在制備時(shí)預(yù)設(shè)其受剪面在早材區(qū)域內(nèi)。木材抗剪強(qiáng)度按照《木材順紋抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB/T 1937—2009)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)文獻(xiàn)(Estevesetal.，2008)和前期研究結(jié)果(岳孔等，2019)，當(dāng)溫度達(dá)到木材炭化溫度288 ℃后，其強(qiáng)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(yàn)設(shè)定20、50、70、110、150、200、220、250和280 ℃共9個(gè)溫度水平。抗剪強(qiáng)度測(cè)試前，先將試驗(yàn)箱內(nèi)溫度升至指定溫度并穩(wěn)定1～2 min，再緩慢持續(xù)通入氮?dú)?，最后放入試件。每個(gè)溫度水平下同時(shí)放置2 個(gè)溫度試件和4個(gè)強(qiáng)度試件，強(qiáng)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(jiān)測(cè)溫度變化，試件內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖2。

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

圖2 高溫中試件內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)(mm)Fig.2 Thermocouples distribution in specimens at high temperature

根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2014)對(duì)1～3層木結(jié)構(gòu)建筑中承重柱和梁1 h耐火極限的規(guī)定，當(dāng)溫度試件中心溫度達(dá)到指定溫度開始計(jì)時(shí)，保持受熱時(shí)間1 h后再對(duì)強(qiáng)度試件進(jìn)行加載測(cè)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(xué)性能測(cè)試完成，全過(guò)程均在環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行。每種工況下重復(fù)試件8個(gè)，共計(jì)216個(gè)試件。

抗剪強(qiáng)度測(cè)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(cè)定方法》(GB/T 1931—2009)進(jìn)行木材含水率測(cè)試；利用試件破壞后的大塊部分進(jìn)行密度測(cè)試。

2 結(jié)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(xù)降低。當(dāng)溫度為20～110 ℃時(shí)，木材平均含水率基本以線性規(guī)律快速降低，之后降低速度減緩；當(dāng)溫度達(dá)到150 ℃時(shí)，木材平均含水率由初始的12.4%降至4.0%；當(dāng)溫度繼續(xù)升高至200 ℃時(shí)，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(xué)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(zhì)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(zhì)素含量隨溫度升高呈增加趨勢(shì)。

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

常溫時(shí)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(dāng)溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，3種木材的纖維素含量降幅均不足8%，說(shuō)明纖維素?zé)岱€(wěn)定性相對(duì)較高(Zhengetal.，2015；岳孔等，2018)。隨著溫度升高，3種木材的木質(zhì)素含量均有不同程度增加，常溫時(shí)興安落葉松、花旗松和楊木的木質(zhì)素含量分別為23.4%、29.1%和23.0%，當(dāng)溫度升至220 ℃時(shí)，其含量分別增加至36.7%、36.3%和33.8%，這是由木質(zhì)素交聯(lián)反應(yīng)導(dǎo)致的，且半纖維素?zé)峤鈱?duì)該交聯(lián)反應(yīng)具有促進(jìn)作用(Tjeerdsmaetal.，1998)。常溫時(shí)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(shí)其降幅達(dá)9.6%～14.9%，當(dāng)溫度升至220 ℃時(shí)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(xué)性能劣化的主要因素(Manriquezetal.，2010；岳孔等，2020a)。

2.3 抗剪強(qiáng)度

根據(jù)歐標(biāo)EN 1995-1-2:2004的規(guī)定，300 ℃時(shí)木材炭化，此時(shí)順紋抗剪強(qiáng)度取0 MPa，結(jié)合20～280 ℃下的測(cè)試結(jié)果，興安落葉松、花旗松和楊木在不同溫度下的抗剪強(qiáng)度如圖5。圖5表明，3種木材的抗剪強(qiáng)度均隨溫度升高而降低，抗剪強(qiáng)度劣化規(guī)律基本一致。

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

常溫時(shí)興安落葉松、花旗松和楊木的抗剪強(qiáng)度分別為9.65、8.94和9.48 MPa，溫度150 ℃之前，木材抗剪強(qiáng)度同時(shí)受溫度和含水率(圖3)影響，隨著溫度升高，木材含水率持續(xù)減小，木材抗剪強(qiáng)度下降相對(duì)較緩，抗剪強(qiáng)度與溫度近似呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系；溫度150～280 ℃范圍內(nèi)，木材抗剪強(qiáng)度下降主要受半纖維素?zé)峤庥绊懀?50 ℃時(shí)興安落葉松、花旗松和楊木的抗剪強(qiáng)度分別降至初始值的60.7%、68.0%和65.6%；當(dāng)溫度高于200 ℃時(shí)，由于半纖維熱解加劇(圖4)，木材抗剪強(qiáng)度隨溫度升高快速下降，當(dāng)溫度達(dá)到280 ℃時(shí)，興安落葉松、花旗松和楊木的抗剪強(qiáng)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(shù)據(jù)分析與比較，采用抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)表示木材相對(duì)抗剪強(qiáng)度隨溫度變化的劣化規(guī)律，公式如下：

(1)

式中：ηT為T℃時(shí)木材抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)，即T℃時(shí)木材相對(duì)抗剪強(qiáng)度；fv·T為T℃時(shí)木材抗剪強(qiáng)度；fv·20為20 ℃時(shí)木材抗剪強(qiáng)度。

由圖5計(jì)算得到3種木材抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)ηT隨溫度T的劣化規(guī)律如圖6。

圖6 高溫中木材相對(duì)抗剪強(qiáng)度的劣化規(guī)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(fā)生相互滑移進(jìn)行解釋，由于半纖維素在木材細(xì)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(qiáng)度的主控因素(尹思慈，1997)。圖6表明，試驗(yàn)初期興安落葉松的ηT最高，這是因?yàn)槊芏扰c木材力學(xué)性能呈正相關(guān)關(guān)系，興安落葉松密度最大；根據(jù)文獻(xiàn)(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(xì)胞壁內(nèi)，其對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)有限，導(dǎo)致興安落葉松抗剪強(qiáng)度劣化受高溫的影響較大，當(dāng)溫度高于150 ℃時(shí)，興安落葉松抗剪強(qiáng)度因半纖維素劇烈熱解快速降低。當(dāng)溫度高于200 ℃時(shí)，楊木抗剪強(qiáng)度的下降速度明顯快于花旗松和興安落葉松，這是因?yàn)榕c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(dǎo)致有效剩余量不足，故抗剪強(qiáng)度下降最大。

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

f=m+K·ρ。

(2)

式中：f為木材力學(xué)性能指標(biāo)，本研究定義為抗剪強(qiáng)度f(wàn)v；m為常數(shù)；ρ為木材密度；K為木材力學(xué)性能-密度關(guān)系系數(shù)，本研究定義為抗剪強(qiáng)度-密度關(guān)系系數(shù)。

高溫中，興安落葉松、花旗松和楊木抗剪強(qiáng)度與密度的關(guān)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(fā)導(dǎo)致(圖3)，當(dāng)溫度高于200 ℃時(shí)，木材含水率為0%，木材密度降低主要由化學(xué)組分熱解引起(圖4)。常溫時(shí)，木材力學(xué)性能主要由其密度控制(楊家駒等，1997；岳孔等，2020b)，但在高溫環(huán)境中，密度對(duì)木材抗剪強(qiáng)度的影響降低(圖7)。

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

根據(jù)式(2)，木材抗剪強(qiáng)度-密度關(guān)系系數(shù)與溫度曲線如圖8。圖8表明，常溫時(shí)，木材抗剪強(qiáng)度-密度關(guān)系系數(shù)(K)為14.2 MPa·(g·cm-3)-1，密度是木材力學(xué)性能的主控參數(shù)，隨著溫度升高，K近似以線性規(guī)律降低，溫度150 ℃時(shí)，K為6.6 MPa·(g·cm-3)-1，當(dāng)溫度升至200～280 ℃時(shí)，K降至1.1～3.1 MPa·(g·cm-3)-1，這說(shuō)明木材化學(xué)組分熱解顯著弱化了密度對(duì)木材抗剪強(qiáng)度的作用，密度對(duì)木材剪切強(qiáng)度的影響持續(xù)降低。

圖8 高溫中木材抗剪強(qiáng)度-密度關(guān)系系數(shù)Fig.8 The ratio of parallel-to-grain tangential shear strength to wood density at high temperature

高溫下抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)(ηT)因木材種類不同而異，但差異甚小。為便于統(tǒng)一建模分析，對(duì)ηT取平均值，并與歐標(biāo)EN1 995-1-2中規(guī)定的高溫劣化模型進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)圖9和式(3)。

(3)

在20～300 ℃溫度范圍內(nèi)，ηT可根據(jù)式(3)通過(guò)線性插入法得到。

圖9表明，本研究方法得到的折減系數(shù)ηT與歐標(biāo)EN 1995-1-2差異較大。EN 1995-1-2以100 ℃為ηT的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其認(rèn)為水分發(fā)生劇烈汽化對(duì)應(yīng)的溫度為木材力學(xué)性能的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。絕氧條件下得到的木材抗剪強(qiáng)度高溫劣化模型與EN 1995-1-2也有所區(qū)別，其原因在于本研究根據(jù)大截面木構(gòu)件內(nèi)受熱區(qū)木材實(shí)際工況設(shè)定的絕氧環(huán)境避免了氧對(duì)高溫中木材抗剪強(qiáng)度降低的促進(jìn)作用，而歐標(biāo)并未考慮該因素，其ηT取值偏于安全。

3 結(jié)論

1)木材主要化學(xué)組分中半纖維素?zé)岱€(wěn)定性最低，與常溫時(shí)試件相比，220 ℃時(shí)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(duì)木材抗剪強(qiáng)度的影響逐漸降低，常溫時(shí)木材抗剪強(qiáng)度-密度關(guān)系系數(shù)為14.2 MPa·(g·cm-3)-1，當(dāng)溫度高于200 ℃時(shí)，抗剪強(qiáng)度-密度關(guān)系系數(shù)降至1.1～3.1 MPa·(g·cm-3)-1。

3)高溫對(duì)木材抗剪強(qiáng)度具有顯著劣化作用，280 ℃時(shí)抗剪強(qiáng)度降至初始值的6.4%～10.2%；根據(jù)絕氧環(huán)境得到的試驗(yàn)結(jié)果，提出符合受熱區(qū)木材實(shí)際工況的抗剪強(qiáng)度高溫劣化模型。