低溫環(huán)境下樺木順紋抗壓強度的研究

江京輝，于爭爭，趙麗媛，呂建雄，趙有科*

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京100091；2.北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100083)

低溫環(huán)境下樺木順紋抗壓強度的研究

江京輝1，于爭爭2，趙麗媛1，呂建雄1，趙有科1*

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京100091；2.北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100083)

為揭示不同水分狀態(tài)木材在低溫環(huán)境下的力學(xué)強度變化規(guī)律，研究了5種水分狀態(tài)(飽水、生材、纖維飽和點、氣干、絕干)樺木木材在0～-196℃低溫環(huán)境下的順紋抗壓強度，并與室溫環(huán)境下(20℃)的5種水分狀態(tài)木材順紋抗壓強度進(jìn)行比較。結(jié)果表明，在低溫(0～-196℃)環(huán)境下，隨著測試環(huán)境溫度的降低，木材順紋抗壓強度增加，在-196℃環(huán)境下，5種水分狀態(tài)的樺木順紋抗壓強度比室溫環(huán)境下分別增加821.24%，718.05%，632.87%，223.75%和95.28%。木材順紋抗壓強度與溫度呈線性關(guān)系，其斜率代表了順紋抗壓強度隨溫度變化的增加率，即木材含水率越高，隨著低溫溫度的降低，順紋抗壓強度增速越大。在低溫環(huán)境下，木材細(xì)胞中水分形成的冰柱，是木材順紋抗壓強度增加的主要原因。對絕干材而言，木材細(xì)胞壁上纖維和纖維膠著物質(zhì)發(fā)生硬化，是其順紋抗壓強度增加的主要原因。

低溫環(huán)境；樺木；順紋抗壓強度；含水率

溫度是影響木材強度的重要因素之一。正溫度環(huán)境下(高溫度環(huán)境下)對木材以及其他生物質(zhì)材料強度影響的研究很多[1-3]，其目的是為它們在火災(zāi)中的力學(xué)性能評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于地球上可以利用的土地和資源有限，隨著人類向極地和太空的邁進(jìn)，低溫下材料的性質(zhì)也越來越成為研究的重點。我國東北地區(qū)的最低氣溫紀(jì)錄為-53.4℃，南極地區(qū)的最低溫度記錄為-68.2℃，運輸液化天然氣(LNG)木質(zhì)儲存箱體中溫度為-162℃，這為木材與木制品在低溫下使用提出新的要求。

在低溫環(huán)境下，木材的抗彎彈性模量(MOE)和抗彎強度(MOR)，隨著溫度的降低而升高[4-5]，Green等[6]在研究鋸材MOE的溫度調(diào)整公式時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋸材含水率為12%時，隨著溫度降低其MOE升高，它們呈線性關(guān)系；當(dāng)鋸材為生材時，鋸材MOE與溫度呈分段線性關(guān)系，不同溫度段的斜率不同，也就是說，木材含水率不同，溫度每降低1℃，MOE和MOR升高的比率不同。課題組前期研究結(jié)果表明，在低溫(0～-196℃)環(huán)境下，除絕干木材外，飽水材、生材、纖維飽和點和氣干材等4種木材的MOE和MOR均隨著溫度的降低而顯著增加[7]。對于順紋抗壓強度而言，在溫度-196～20℃的范圍內(nèi)，全干和氣干木材的順紋抗壓強度隨著溫度的降低而升高，它們之間呈線性關(guān)系[4,8]。在負(fù)溫度下，木材組織內(nèi)的水分會結(jié)冰，使生材的沖擊韌性降低，氣干材沖擊韌性升高；濕材因水分在木材組織內(nèi)結(jié)冰增加其強度，有數(shù)據(jù)顯示含水率在纖維飽和點以上的木材，冷凍松木的沖擊韌性降低46%，櫟木降低9%，樺木未降低，由此可見低溫對不同樹種木材沖擊韌性的影響各不相同[4]。溫度對順紋抗拉強度的影響沒有其他力學(xué)性質(zhì)明顯，特別是木材含水率低時，順紋抗拉強度所受影響不像順紋抗壓強度那樣明顯[4]。木材含水率也是影響其強度的重要因素之一。在室溫下，當(dāng)木材含水率在纖維飽和點以上時，木材強度保持穩(wěn)定；在纖維飽和點至絕干狀態(tài)時，其強度都隨著含水率的降低而升高[4]。但在0～-196℃低溫下不同水分狀態(tài)對木材強度影響研究很少。前期課題組研究了0～-196℃低溫下不同水分狀態(tài)對木材MOE和MOR影響，本試驗主要研究5種不同水分狀態(tài)(飽水材、生材、纖維飽和點、氣干材和絕干材)木材在0～-196℃低溫下順紋抗壓強度變化規(guī)律，以期為木材在低溫環(huán)境下的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

樺木采自吉林敦化，胸徑約30 cm，生材含水率67%±3%，氣干密度0.57 g/cm3。參照GB/T 1935—2009《木材順紋抗壓強度試驗方法》制作試樣，其含水率調(diào)整如下：飽水材，將生材試樣置于水中至少2個月，至試樣質(zhì)量不再增加，含水率為136%；生材，砍伐的原木制成試樣后在冷庫(-6℃)保存，含水率為67%；纖維飽和點，將生材氣干2個月，置于底部盛有蒸餾水的雙層密閉容器中直至平衡，含水率為29%；氣干材，將生材氣干2個月，置于溫度20℃和相對濕度65%的恒溫恒濕箱中至平衡，含水率為12%；絕干材，將生材氣干2個月，置于103℃的烘箱干燥直至平衡，含水率接近0%。

試驗所選測試溫度為20，0，-30，-70，-110，-160和-196℃。20℃為室溫，0℃為水的液態(tài)和固態(tài)分界點；我國東北地區(qū)冬季較低溫度約-30℃甚至更低；南極地區(qū)最低溫度可達(dá)-68.2℃，因而選取-70℃作為試驗溫度點；水的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為163 K(-110℃)，因而選擇-110℃作為試驗考察點；液化天然氣的溫度為-163℃，選擇-160℃作為溫度點；液氮的溫度為-196℃。測試溫度在20～110℃環(huán)境內(nèi)，力學(xué)試驗機(jī)型號Instron 5582；在-110～-196℃(液氮)溫度環(huán)境內(nèi)，試驗機(jī)型號為MTS-SANS，兩臺設(shè)備精度相同。每種含水率狀態(tài)試樣需測試7個溫度點的順紋抗壓強度，重復(fù)數(shù)為10，所有試樣都來自同一塊板材。

1.2 測試方法

將樺木順紋抗壓試樣置于低溫環(huán)境箱中進(jìn)行降溫，低溫箱內(nèi)放置2個溫度傳感器，其中一個溫度傳感器測試箱內(nèi)的環(huán)境溫度，另一個溫度傳感器置入樺木測溫試樣中心，其尺寸與力學(xué)測試試樣相同，當(dāng)測溫試樣的中心溫度達(dá)到預(yù)定溫度時，保溫30 min后開始測試，測試時加載速度為1 mm/min。對照組在室溫(20±2)℃環(huán)境下進(jìn)行順紋抗壓強度的測試。將測試完的順紋抗壓試樣立即放置于自封袋內(nèi)，置于室溫(20±2)℃環(huán)境下，待試樣溫度升至室溫時，按照GB/T 1931—2009《木材含水率測定方法》進(jìn)行含水率的測定。

2 結(jié)果與分析

在不同低溫環(huán)境下，測試5種含水率狀態(tài)樺木木材順紋抗壓強度，結(jié)果見表1。在負(fù)溫度下，隨著溫度的降低，飽水材、生材、纖維飽和點、氣干材、絕干材等5種含水率狀態(tài)的樺木木材順紋抗壓強度逐漸增大。與20℃時順紋抗壓強度相比，飽水材、生材、纖維飽和點、氣干、絕干狀態(tài)樺木的順紋抗壓強度在低溫環(huán)境下最大增加率分別為893.90%，718.05%，632.87%，223.75%，95.28%，對應(yīng)溫度分別為-160，-196，-196，-196和-196℃。在同一含水率狀態(tài)下，對不同溫度下的木材抗壓強度進(jìn)行Duncan多重比較，結(jié)果如表1所示。在20～-196℃環(huán)境下的7個溫度測試點，飽水材的順紋抗壓強度之間存在顯著性差異，即隨著溫度的降低，其強度值呈顯著性增加；對于絕干材順紋抗壓強度而言，20與0℃之間差異顯著，-30，-70，-110和-160℃ 4種低溫環(huán)境下順紋抗壓強度之間差異不顯著，-196℃環(huán)境下順紋抗壓強度值最大，并與其他6個溫度測試點存在顯著性差異；從表1中可知，木材含水率越高，隨著測試環(huán)境溫度的降低，其順紋抗壓強度呈顯著性增加趨勢。

表1 不同低溫下樺木順紋抗壓強度

注：括號內(nèi)為變異系數(shù)，單位為%；字母為多重比較。

在20℃測試環(huán)境中，絕干材順紋抗壓強度最大，為76.66 MPa，其后依次是氣干材、纖維飽和點木材、生材，而飽水材的順紋抗壓強度最小，僅為19.68 MPa。這是由于在室溫下，當(dāng)含水率在纖維飽和點以下時，隨著含水率的下降，木材發(fā)生干縮，膠束之間引力增大，內(nèi)摩擦系數(shù)增高且單位體積重量增大，因而導(dǎo)致木材力學(xué)強度增加，而當(dāng)含水率高于纖維飽和點時，木材力學(xué)強度則不受含水率的影響[4]。

隨著木材含水率的升高，低溫環(huán)境下溫度的降低，順紋抗壓強度增加的速度越快，增加量也越大。以飽水、纖維飽和點和絕干等3個含水率狀態(tài)木材為例，當(dāng)試樣溫度降至0℃時，與20℃相比，3種含水率木材順紋抗壓強度分別增加了104.12%，37.04%和20.30%，當(dāng)溫度降至-196℃時，順紋抗壓強度分別增加了821.24%，632.87%和95.28%；從順紋抗壓強度增加速度與增加量來說，飽水材增加最大，其次是纖維飽和點木材，最小的是絕干木材。當(dāng)溫度降至-70℃時，飽水狀態(tài)的樺木順紋抗壓強度接近于絕干材的順紋抗壓強度。根據(jù)前人研究結(jié)果顯示，在溫度20～-196℃的范圍內(nèi)，木材順紋抗壓強度與溫度呈線性關(guān)系[4,8]。不同含水率狀態(tài)木材順紋抗壓強度(Y)與溫度(X)回歸方程，如表2所示，從回歸方程的決定系數(shù)來看，順紋抗壓強度與溫度呈線性關(guān)系，該結(jié)果與前人研究結(jié)果相一致。回歸方程斜率代表了順紋抗壓強度隨溫度變化的增加率，飽水材、生材、纖維飽和點木材、氣干材和絕干材的斜率分別為-0.820，-0.715，-0.653，-0.471和-0.273。也就是說，順紋抗壓強度的增加率大小依次是飽水材、生材、纖維飽和點木材、氣干材和絕干材，即木材含水率越高，隨著低溫溫度的降低，其順紋抗壓強度增速越大。因而，根據(jù)木材的含水率和室溫下順紋抗壓強度，可推出木材在低溫環(huán)境下的順紋抗壓強度，為木材在低溫下應(yīng)用提供安全保障。

表2 低溫下順紋抗壓強度與溫度的回歸方程

溫度是影響木材分子熱運動的主要因素，當(dāng)木材溫度發(fā)生改變，會引起木材內(nèi)部能量變化，進(jìn)一步影響分子間的平均距離，該現(xiàn)象稱為木材的熱膨脹。在負(fù)溫度下，一方面由于冰晶的形成引起木材尺寸膨脹，另一方面，由于細(xì)胞壁內(nèi)尚未凍結(jié)的水分向細(xì)胞腔的移動引起木材尺寸的低溫干縮，同時，在低溫下，隨著溫度的降低，分子間距離將減小，在宏觀上也表現(xiàn)為試樣的收縮，因而木材的熱膨脹性能會引起低溫下木材力學(xué)性能的變化。前期研究結(jié)果表明，由于計算低溫環(huán)境下木材力學(xué)強度的尺寸是室溫環(huán)境下的木材尺寸，根據(jù)低溫下熱膨脹系數(shù)，對低溫環(huán)境下木材尺寸進(jìn)行修訂，不同水分木材MOE和MOR的實際值均比計算值大1%左右[9]，繼而推測，不同水分木材的實際順紋抗壓強度值也比計算值大1%。

木材在低溫環(huán)境下力學(xué)強度的增加主要包括三方面的原因：1)當(dāng)木材置于低溫環(huán)境中時，木材內(nèi)部的水分會結(jié)冰[10-11]。Kuroda等[10]采用低溫掃描電子顯微鏡對闊葉樹種細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在-30℃時，木射線薄壁細(xì)胞內(nèi)存在著大量的冰晶。在低溫環(huán)境下(-180℃)，利用低溫掃描電鏡觀察飽水材和絕干材試樣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)飽水木材的細(xì)胞腔中充滿水，在低溫下形成了特殊的冰柱；絕干木材由于不含水分，其細(xì)胞腔呈現(xiàn)中空狀態(tài)[7]，如圖1所示。冰的強度隨著溫度的降低而增加，強度與溫度的關(guān)系式：σ=9.4×105(d-1/2+3|θ|0.78)，式中，d為冰晶直徑(cm)，θ為溫度(℃)[12]。木材孔隙被強度較高的冰所填實，因而導(dǎo)致了木材強度的增加。2)木材纖維素?zé)o定形區(qū)分子鏈上處于游離狀態(tài)的羥基易于吸附極性的水分子，與其形成氫鍵結(jié)合，半纖維素的主鏈和側(cè)鏈上也含有較多羥基和羧基等親水性基團(tuán)，其表面對水分有較強的吸引作用[13]。同時隨著溫度的降低，木材發(fā)生收縮，當(dāng)溫度進(jìn)一步降低，木材中水分變成冰后，分子間距離減小，導(dǎo)致結(jié)合力增加[14]，在0℃以下時，水分子像膠黏劑一樣強化了纖維素纖維之間的連接，從而導(dǎo)致了木材力學(xué)強度的增強[15]。3)在低溫環(huán)境下木材細(xì)胞壁上纖維和纖維膠著物質(zhì)發(fā)生硬化[16]，是引起絕干材在低溫環(huán)境下力學(xué)強度增加的原因之一。木材試樣在低溫環(huán)境下力學(xué)強度的增加主要是以上3種作用的疊加效果。

圖1 飽水(a)和絕干(b)試樣的低溫掃描電鏡圖Fig. 1 Low-temperature scanning electron micrographs of water-saturated (a) and oven-dried (b) wood specimens

3 結(jié) 論

通過研究5種含水率狀態(tài)的樺木在0～-196℃低溫環(huán)境下順紋抗壓強度的變化，得出以下結(jié)論：

1)隨著測試環(huán)境溫度的降低，木材順紋抗壓強度增加。在液氮(-196℃)環(huán)境下，飽水、生材、纖維飽和點、氣干、絕干狀態(tài)的樺木在低溫環(huán)境下順紋抗壓強度分別為181.30，164.10，158.30，153.20和149.70 MPa，與室溫(20℃)時相比，增加率分別為821.24%，718.05%，632.87%，223.75%和95.28%。

2)在低溫(0～-196℃)環(huán)境下，木材順紋抗壓強度與溫度呈線性關(guān)系，斜率代表了順紋抗壓強度隨溫度變化的增加率，即木材含水率越高，隨著低溫溫度的降低，其順紋抗壓強度增速越大。

3)在低溫環(huán)境下，木材中水分形成的冰柱，是木材順紋抗壓強度增加的主要原因；對絕干材而言，木材細(xì)胞壁上纖維和纖維膠著物質(zhì)發(fā)生硬化，是其順紋抗壓強度增加的主要原因。

致 謝：中國林業(yè)科學(xué)研究木材工業(yè)研究所周永東研究員和邢新婷副研究員對本研究的幫助與支持。

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Study on compression strength parallel to grain ofbirch wood at low temperature

JIANG Jinghui1, YU Zhengzheng2, ZHAO Liyuan1, LYU Jianxiong1, ZHAO Youke1*

(1.ResearchInstituteofWoodIndustry,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China; 2.CollegeofMaterialScienceandTechnology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

The objective of this study was to investigate the effect of low temperature (-196-0℃) on compression strength parallel to the grain (CSPG) of birch. The CSPG with five different moisture contents (MC) that were water-saturated, green, fiber-saturated, air-dried and oven-dried were analyzed from -196℃ to 0℃. The five moisture contents were 136%, 67%, 29%, 12% and near to 0%. All specimens with a dimension of 20 (R) ×20 (T) ×30 (L) mm were cut from one piece of board. Seven temperatures were -196℃ (liquid nitrogen), -160℃, -110℃, -70℃, -30℃, 0℃ and 20℃, being used in the experiments. The results showed that, when the temperature was below 0℃, the CSPG of specimen increased with the decreasing temperature. When the temperature decreased from 20℃ to -196℃, the CSPG of the birch wood with five different moisture contents increased by 821.24%, 718.05%, 632.87%, 223.75% and 95.28%, respectively. The relationships between the CSPG and temperature could be described by a linear for the five MC levels of wood. The slope of the line increased with the increase of the MC, in other words, the higher the MC, the faster increase in CSPG at the same low temperature. One of the primary reasons was that the frozen ice in the wood cell walls and lumens increased the CSPG of wood at low temperatures. The MC of the oven dry wood was near to 0%. When the test temperature reduced, the fiber and fiber glue materials of wood cell hardening was the main reason for the increase of the CSPG.

low temperature; birch wood; compression strength parallel to grain; moisture content

2016-12-05

2017-02-23

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(CAFINT2013C09)。

江京輝，男，博士，副研究員，研究方向為木材濕熱處理。通信作者：趙有科，男，副研究員。E-mail:youke_zhao@hotmail.com

TB35

A

2096-1359(2017)04-0030-04