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《中国林业科学研究院》 2012年
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人工林马尾松木材纵向拉伸弹性和蠕变性能研究

张淑琴  
【摘要】:木材的纵向力学性能不仅与其特定的化学组成有直接关系,而且还受其高度优化的分级结构所影响。木材在宏观尺度和微观尺度上表现出截然不同的力学特性,而从毫米尺度对其纵向力学性能展开研究则可以建立木材宏、微观力学特性之间的联系,为理解木材物理力学特性在不同尺度之间的转变机制提供科学依据。 本论文以人工林马尾松(Pinus massoniana Lamb.)胸高处木材为研究对象,所取试样名义尺寸为:径向1.5mm×弦向10mm×纵向80mm。通过测定各试样的微纤丝角,研究其沿径向的变异规律;应用单轴微拉伸法分别开展了木材顺纹抗拉弹性模量、短周期纵向拉伸蠕变和短周期纵向拉伸机械吸湿蠕变等试验研究,并分析探讨密度、微纤丝角和水分等因素对木材顺纹抗拉弹性模量、纵向拉伸蠕变性能以及纵向拉伸机械吸湿蠕变等特性的影响,主要得到如下研究结果: 1.在毫米尺度下,木材的密度变异系数较大,其大小与所处径向部位有关。对于1.5mm厚人工林马尾松木材,基本密度平均值为0.428g/cm3,变异系数为21%。早、晚材基本密度平均值分别为0.296g/cm3和0.460g/cm3,晚材密度低是人工林马尾松木材密度偏低的主要原因之一。同时发现,1.5mm厚木材的密度与生长轮有很大的关系,总体来看,密度从髓心向外呈上升的趋势。 2.利用X射线衍射仪测得的1.5mm厚人工林马尾松木材的微纤丝角在9.8°~45.6°之间,微纤丝角多集中在10°~20°之间,变异系数为42%。分析发现,靠近髓心的木材的微纤丝角最大,由髓心向外,随生长轮年龄递增微纤丝角明显减小,直到第20年轮后趋于稳定。 3.毫米尺度下的木材的纵向力学特性存在很大的变异性,其顺纹抗拉弹性模量与取材的径向部位有关。研究得到1.5mm厚人工林马尾松木材,顺纹抗拉弹性模量平均为10948MPa,变异系数达50%;幼龄材、成熟材的顺纹抗拉弹性模量分别为7812MPa和11950MPa,早、晚材顺纹抗拉弹性模量平均为5455MPa和8964MPa。 4.针对人工林马尾松木材密度与顺纹抗拉弹性模量相关性的研究发现:两者在0.01水平显著正相关,顺纹抗拉弹性模量的变异中有50%是由密度引起的。研究同时发现,微纤丝角越大,木材的延展度越好,并且木材顺纹抗拉弹性模量有随微纤丝角的增大而减小的趋势。在15°以下,微纤丝角与顺纹抗拉弹性模量的关系是非线性的;在15°以上,微纤丝角与顺纹抗拉弹性模量的关系基本表现为线性关系,判定系数R2为0.6。 5.关于含水率对1.5mm厚人工林马尾松木材顺纹抗拉弹性模量影响的研究发现,在纤维饱和点以下,顺纹抗拉弹性模量基本随含水率的减小而增大,在含水率为5.5%左右达到最大值,之后随含水率的继续下降而减小。接近饱水状态的木材的顺纹抗拉弹性模量比气干木材的小18.3%-18.9%,比含水率约为5.5%的木材的小36.2%。该现象符合传统理论所认为的,木材纵向弹性模量随含水率的增大而减小主要是由木素-半纤维素基质的水分依赖特性引起的。 6.对室温下1.5mm厚人工林马尾松木材纵向拉伸蠕变的研究发现,微纤丝角对木材的纵向拉伸实质蠕变柔量有显著的影响:微纤丝角越大,初始瞬时实质蠕变柔量越大,实质蠕变柔量增量越大,并且达到稳态蠕变阶段所需的时间越长。该现象可以用木材细胞壁的复合结构进行解释。微纤丝角小的木材的纵向拉伸蠕变主要由S2层纤维素微纤丝控制,而纤维素微纤丝的粘性远大于基质物质木素-半纤维素,相应的微纤丝角小的试样对载荷的响应慢,蠕变柔量小且随时间的增长也缓慢。相反,对于微纤丝角大的试样,由于纤维素微纤丝的力学贡献减小,木材的纵向拉伸蠕变行为主要受细胞壁基质半纤维素-木素的影响,而半纤维素-木素基质的粘性小于纤维素微纤丝的,所以蠕变柔量相对微纤丝角小的试样成倍增加。利用弹簧和粘壶组合构成的粘弹性材料的机械模型对木材的纵向拉伸蠕变进行模拟,发现Kelvin模型和一个弹簧串联构成的三元件固体模型能够很好地描述1.5mm厚人工林马尾松木材的蠕变。 7.木材的蠕变性能与含水率有关,其瞬时实质蠕变柔量随含水率的增加而增大,实质蠕变柔量增量也随含水率的增加而显著增大,并且达到稳态蠕变需要的时间随含水率的增加而延长。 8.机械吸湿蠕变是一个复杂的物理过程,一些现象可通过瞬变氢键结合、分子流动性的改变和水分梯度引起的内应力梯度等进行阐释。本论文针对1.5mm厚人工林马尾松木材的短周期纵向拉伸蠕变研究发现,微纤丝角对木材纵向拉伸机械吸湿蠕变有明显的影响:微纤丝角越大,纵向拉伸机械吸湿蠕变变形越大;微纤丝角越小,纵向拉伸机械吸湿蠕变变形越小。并且木材的纵向拉伸机械吸湿蠕变与初始含水率也有关,初始含水率越大,机械吸湿蠕变越大。在室温和环境相对湿度周期变化的条件下,木材纵向拉伸机械吸湿蠕变趋于一个恒定的蠕变极限。 本文开展了关于密度、微纤丝角和水分对木材顺纹抗拉弹性模量、纵向拉伸蠕变和纵向拉伸机械吸湿蠕变等的影响的研究,获得了大量的关于马尾松木材的纵向拉伸弹性和蠕变性能的实测数据,分析揭示了毫米尺度下木材的纵向力学行为机理,为人工林马尾松木材的优质高效利用提供了参考依据,同时丰富了木材流变学的内容,具有重要的学术理论价值和实际应用指导意义。
【学位授予单位】:中国林业科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:S781

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