改性速生楊木抗壓性能試驗研究

劉慶娟，王玉鐲，高英，張冰杰，李兵

(1.山東協和學院 建筑工程學院，濟南 250107；2.山東建筑大學 土木工程學院，濟南 250101)

隨著經濟的快速發展，人們對環境的關注度越來越高，并對居住的舒適度提出了更高要求，因此，具有綠色環保功能的木結構建筑越來越受到人們的關注。中國由于天然森林資源缺乏，嚴禁開采，木材主要依靠從俄羅斯和北美等地區進口，這在一定程度上限制了中國木結構建筑的快速發展。速生楊木在中國種植面積廣，具有材質輕、質地優良、易加工等特點，并在可持續發展和再生方面有優勢，但速生楊木在力學性能方面具有較大的不穩定性，使其在建筑結構中的應用受到了極大的限制。若能改善速生楊木的力學性能，并使其應用于建筑結構，將極大拓展速生楊木的應用領域。

何敏娟[1]介紹了木材在建筑業中的應用與發展，表明木材不再僅局限于3層以下的低矮建筑，近10年來北美、歐洲各國開始研究用木材建造多高層建筑，或與其他材料混合建造多高層木混合結構。同時，闡述了目前多高層木及木混合結構的主要研究進展，包括：新型結構體系的構建及新型工程木材料的應用、新型結構設計方法和工程案例的研究。彭曉曉[2]利用3種改性劑浸漬與炭化聯合改性處理的方法，對速生楊木進行改性試驗。研究表明，速生楊木經2D樹脂浸漬、炭化復合改性處理后，在試件硬度、靜曲強度、彈性模量和橫紋抗壓強度等方面的力學性能有所提高。岳孔等[3-8]利用ACQ-D、低分子酚醛樹脂預聚體(PF)、脲醛樹脂預聚液(UF)等材料，采用滿細胞浸泡法對素材、增強改性材、防腐改性材和防腐增強改性材任意兩種材料的膠合強度進行了測試和分析。結果表明,ACQ-D防腐改性處理對試件力學性能影響不大，PF增強改性材的抗彎彈性模量、抗彎強度、順紋抗壓強度、順紋抗拉強度分別提高了97.11%、83.36%、125.53%、37.01%。吳振海[9]基于不同厚度和粘結膠進行了LVL力學性能試驗，研究表明，同樣生產工藝下，單板越厚，被剪短的強度越低，剝離率越高，并且UF膠的各項性能指標優于PVAC膠。綜合已有研究成果可以看出：學者在木結構方面進行了大量研究，并取得了較多成果[10-15]，大部分研究集中在原木結構的研究、木結構的加固、浸漬改性處理速生楊木等方面。

因此，本文通過考慮不同板材厚度、不同紋理等影響因素，對速生楊木進行改性試驗研究，探討改性速生楊木試件的強度、變形等力學性能。

1 試驗設計

1.1 不同板材厚度改性速生楊木試驗方案

木材采用山東濟南108速生楊，5年生、胸徑20 cm、樹干通直、無樹質缺陷(節子和病蟲害等)，取樹木中間段為試驗用材，詳見表1。試驗共制作了25個尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm的試件，編號分別為Y100-1～Y100-5、XX05-1～XX05-5、XX10-1～XX10-5、XX15-1～XX15-5、XX20-1～XX20-5。其中，Y100-1～Y100-5為速生楊原木試件，XX05-1～XX05-5、XX10-1～XX10-5、XX15-1～XX15-5、XX20-1～XX20-5分別為不同板材厚度試件，如表1所示。改性速生楊木試件的粘貼方式如圖1所示。

表1 不同厚度速生楊木試件試驗方案Table 1 Test scheme of fast-growing poplar specimens with different plate thicknesses

圖1 各試件粘貼示意圖(單位：mm)Fig.1 The paste sketch of different specimens

1.2 不同紋理改性速生楊木試驗方案

試驗共設計制作30個尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的改性速生楊木試件。試件編號分別為SHXX10-1～SHXX10-5、SHJJ10-1～SHJJ10-5、SHXJ10-1～SHXJ10-5、SSXX10-1～SSXX10-5、SSJJ10-1～SSJJ10-5、SSXJ10-1～SSXJ10-5。其中，S表示順紋，H表示橫紋，X表示弦向，J表示徑向，SH表示橫紋加順紋的粘貼方式，SS表示順紋和順紋的粘貼方式，XX表示弦向與弦向組合，JJ表示徑向與徑向組合，XJ表示弦向和徑向組合。紋理粘接方向如圖2所示，各類試件粘貼方式如表2所示。

表2 不同紋理速生楊木試件試驗方案Table 2 Test scheme of fast-growing poplar specimens with different texture

2 含水率試驗

因含水率對木材抗壓強度有顯著影響，故試驗中需保持各試件在同一含水率水平。根據《木結構試驗方法標準》，從加載后試件中切取10個尺寸為20 mm×20 mm×20 mm的試塊，用烘干法測含水率，試驗數據見表3。

由表3可知，試件的含水率平均值為12.39%，在9%～15%內，符合試驗標準。

表3 含水率試驗數據匯總表 %Table 3 Summary of test data for water content %

3 試驗過程

3.1 加載方式

試驗使用WDW-300E型號(最大試驗力為300 kN)和WAW-1000C型號(最大試驗力為1 000 kN)兩種萬能試驗機對試件進行勻速加載，加載速度為2 mm/min，持續加載至試件破壞時停止加載，加載曲線如圖3所示。其中，WDW-300E萬能試驗機用于速生楊原木試件加載試驗，考慮到改性試件強度會有所提高，改用量程較大的WAW-1000C萬能試驗機進行改性試件加載試驗。兩種試驗儀器精度一致，只是荷載量程不同。試件受壓簡圖如圖4所示。

圖3 試驗加載曲線Fig.3 The loading curve

圖4 試件受壓簡圖Fig.4 The Compression diagram of

3.2 試驗過程

為保證試驗的準確性，嚴格按照《木材順紋抗壓強度試驗方法》《木結構試驗標準規程》進行試驗，試件處理過程為：選材(樹徑20 cm左右)→切割(按需要紋理進行切割，按規定厚度裁板)→晾干(3～5 d或烘干機烘干)→含水率檢測(含水率為9%～15%)→結構膠配比(結構膠由A組分和B組分組成，A組分為改性環氧樹脂，B組分為乙二胺改性的酚醛氨固化劑和芳香胺固化劑等)。使用過程中，按照質量比A∶B=2∶1)→粘貼試件→空洞填補→構件固定和加壓→試件養護→試件檢測→試件表面刨光處理。

4 試驗現象

4.1 不同厚度的試件破壞現象分析

加載初期，Y100-1～Y100-5系列試件漸漸出現木纖維開裂的細微啪啪聲，隨著荷載的不斷增大，試件邊緣中部開始發生斜截面剪切破壞現象，破壞不斷擴展，逐漸形成貫通破壞，隨后，板中部發生張拉，形成橫貫截面的裂縫直到停止加載。 綜上所述，Y100系列試件先發生連續的斜截面剪切破壞，后出現張拉裂縫現象，破壞形態如圖5所示。

圖5 Y-100試件破壞圖Fig.5 The failure diagram of specimen

加載過程中，XX20-1～XX20-5試件破壞現象與對比試件破壞現象較為相近，但因結構膠的影響，個別試件截面出現不連續的剪切破壞，結構膠位置處出現張拉破壞。綜上所述，試件的板材先出現不連續的斜截面纖維破壞，其次帶動結構膠處產生張拉破壞。試件破壞形態如圖6所示。

加載過程中，隨著荷載的不斷增大，各試件均出現木纖維開裂的啪啪聲，板材表面出現微裂縫，接著各板材先后發生斜截面破壞，進而發生彎曲破壞，試件結構膠處出現張拉破壞，形成裂縫，并伴有木纖維被拉裂的破壞現象，個別試件角部還出現壓碎現象，如圖6～圖9所示。

圖6 XX20-1～XX20-5試件破壞圖Fig.6 The failure diagram of specimen

圖7 XX15-1～XX15-5試件破壞圖Fig.7 The failure diagram of specimen

圖8 XX10-1～XX10-5試件破壞圖Fig.8 The failure diagram of specimen XX10-1～XX10-5

圖9 XX05-1～XX05-5系列試件破壞圖Fig.9 The failure diagram of specimen

綜上，改性試件在加載過程中，其現象與對比試件破壞現象較為相近，但因結構膠的影響，試件板材先出現不連續的斜截面破壞，進而帶動結構膠處產生張拉破壞，形成豎向裂縫。同時，隨著板材厚度的逐漸減小，板材的斜截面破壞越密集，豎向撕裂現象越明顯。

4.2 不同紋理方向的破壞現象分析

4.2.1 順紋加順紋破壞現象 如圖10～圖12所示，試件加載初期均出現啪啪聲，表面無明顯破壞現象，隨著荷載的不斷增大，試件部分板材出現斜截面破壞并伴隨有彎曲破壞，部分試件板材發生連續斜截面破壞現象。不同粘貼方式下，試件的破壞形態基本一致。

圖10 SSXX10 試件破壞圖Fig.10 The failure diagram of specimen

圖11 SSJJ10試件破壞圖Fig.11 The failure diagram of specimen

圖12 SSXJ10 試件破壞圖Fig.12 The failure diagram of specimen

4.2.2 順紋加橫紋破壞現象 加載前期，出現木纖維開裂的咔咔聲，且連續發出啪啪的聲音，試件表面出現微裂縫，弦板材出現斜截面破壞和水平壓皺破壞，部分木板出現彎曲破壞現象。木纖維的張拉導致板材間出現裂縫，橫紋板發生壓縮現象，如圖13～圖15所示。

木材順紋強度遠高于橫紋強度，紋理的形狀、角度、周期性等因素均對木材強度影響較大。由圖10～圖15可以看出：在順紋加順紋紋理組合下，試件板材出現的斜截面破壞整體上表現比較集中且連續；在順紋加橫紋紋理組合下，試件板材出現的斜截面破壞整體上表現比較分散且不連續，表明紋理組合方式對試件的力學性能有影響。

圖13 SHXX10 試件破壞圖Fig.13 The failure diagram of specimen

圖14 SHJJ10試件破壞圖Fig.14 The failure model of specimen SHJJ-10

圖15 SHXJ10試件破壞圖Fig.15 The failure model of specimen

5 試驗結果分析

5.1 不同板材厚度改性速生楊木試件的力學性能

對20、15、10、5 mm厚的板材改性試件進行加載試驗，得到同尺寸原木試件以及改性試件的相關試驗數據，見表4。

表4 原木及速生楊木不同厚度試驗數據分析Table 4 Test Data of control specimens and modified specimens with different plate thickness

續表4

注：1.試件膠層厚度約為1 mm，粘完后試件的實際尺寸要稍大于原設計尺寸，試件抗壓強度(極限荷載與受壓面面積之比)等數據處理時均按實際尺寸計算，考慮了尺寸變化。

2.表中，峰值壓應變為試件達到極限荷載時對應的豎向位移與試件原始高度的比值。

3.表中，試件彈性模量根據《木結構試驗方法標準規范》(GB/T 50329—2012)中的6.4.3條和E.4.1條規定測得，如圖3(b)所示。

5.1.1 不同板材厚度下改性速生楊木試件抗壓強度 由表4和圖16可以看出，隨著板材厚度的減小，改性速生楊木試件的抗壓強度明顯增大，20 mm厚板材試件抗壓強度較對比試件提高了3.02%；15 mm厚板材試件抗壓強度較對比試件提高了10.37%；10 mm厚板材試件抗壓強度較對比試件提高了21.45%；5 mm厚板材試件抗壓強度較對比試件提高了53.63%。

圖16 不同板材厚度試件抗壓強度曲線Fig.16 The Compressive strength curve of specimens

由上述數據可以擬合得到抗壓強度隨板厚的計算式(1)。

fc=(2.48×10-3x2-0.094 6x+

1.938 8)f0

(1)

式中：fc為改性速生楊的抗壓強度值；f0為速生楊原木的抗壓強度值；x為速生楊板材的厚度。

5.1.2 不同板材厚度下改性速生楊木峰值壓應變

由表4和圖17可以看出，改性試件的峰值壓應變較對比試件有所提高，且隨著板材厚度的減小，試件峰值壓應變呈先增大后減小的趨勢，但整體變化不大。由上述數據可以擬合得到峰值壓應變與木板厚度的變化規律為

y=0.000 2x+0.038 3

(3)

式中：y為試件峰值壓應變；x為速生楊板材的厚度。

圖17 不同板材厚度試件峰值壓應變曲線Fig.17 The relationship between different plate thickness and specimen deformation

5.1.3 不同板材厚度下改性速生楊木彈性模量

由表4和圖18可以得出，隨著板材厚度的減小，改性試件的彈性模量呈現明顯增大的趨勢。與對比試件相比，20 mm厚板材試件彈性模量提高了5.45%；15 mm厚板材試件彈性模量提高了7.65%；10 mm厚板材試件彈性模量提高了20.15%；5 mm厚板材試件彈性模量提高了34.02%。

圖18 不同板材厚度試件彈性模量曲線Fig.18 The modulus of elasticity curve of specimens

由上述數據可以擬合得到彈性模量與木板厚度的變化規律為

E=(1.167×10-3x2-0.048 8x+

1.559)E0

(4)

式中：E為改性速生楊的彈性模量；E0為速生楊原木的彈性模量；x為速生楊板材的厚度。

5.2 不同紋理改性速生楊木試件的力學性能

5.2.1 不同紋理(順紋與順紋粘接)改性速生楊木試件力學性能 由表5和圖19(a)可知，不同紋理改性試件的抗壓強度高于對比試件抗壓強度，其中，弦向紋理組合試件抗壓強度最高，較對比試件提高了27.9%；其次是徑向紋理組合試件，較對比試件提高了18.0%；弦向與徑向紋理組合試件抗壓強度最低，較對比試件提高了9.7%。

峰值壓應變為試件達到極限荷載時所對應的壓應變，反映試件極限荷載時的變形能力。由表5和圖19(b)可知，改性試件的變形能力較對比試件有所提高。其中，SSXJ10試件的變形能力最強，較對比試件提高了17.9%；其次為SSXX10試件，較對比試件提高了15.1%，SSJJ10試件變形能力提高最低，較對比試件提高了11.7%。

由表5和圖19(c)可知，改性試件彈性模量較對比試件彈性模量有所提高。其中，SSXX10試件彈性模量較對比試件提高了28.2%，抗變形能力最好；其次是SSJJ10試件，較對比試件提高了7.4%；SSXJ10試件彈性模量較對比試件提高了4.5%，提高幅度相對較小。

圖19 不同紋理方向順紋粘結試件力學性能參數直方圖Fig.19 The histogram of mechanical properties parameters for specimens with different textures directions under straight grain

5.2.2 不同紋理(順紋與橫紋紋理組合)改性速生楊木試件力學性能 由表6和圖20(a)可知，不同紋理組合試件抗壓強度較對比試件抗壓強度有所降低，通過順紋與橫紋內部比較可以看出，SHXX10試件的抗壓強度最高，為對比試件的82.9%；SHJJ10試件抗壓強度為對比試件抗壓強度的69.3%；SHXJ10試件抗壓強度最低，為對比試件抗壓強度的64%。

由表6和圖20(b)可知，試件的峰值壓應變大小依次為SHXX10、SHJJ10、SHXJ10試件，SHXX10和SHJJ10試件峰值壓應變較對比試件有所提高。SHXX10試件的峰值壓應變較對比試件提高了34%，SHJJ10試件的峰值壓應變較對比試件提高了11.2%，SHXJ10的的峰值壓應變較對比試件提高了-23.5%。

由表6和圖20(c)可知，試件的彈性模量低于對比試件。SHXX10的彈性模量最高，為對比試件彈性模量的66.4%；其次是SHJJ10試件，為對比試件彈性模量的60%；SHXJ10的彈性模量最低，為對比試件彈性模量的56.3%。

表6 順紋加橫紋紋理組合試件的順紋受壓力學性能參數Table 6 Compression performance parameters of specimens with parallel texture and transverse texture

圖20 順紋與橫紋粘結改性速生楊木力學性能參數直方圖Fig.20 The histogram of fast-growing poplar wood modified by grain and cross grain

6 結論

通過對改性速生楊木試件進行抗壓試驗研究，得到以下結論：

1)隨著板材厚度的減小，改性試件的破壞由斜截面破壞發展為連續斜截面破壞，然后水平壓皺明顯，最后發生雙曲破壞和單板彎曲破壞。相對于順紋加橫紋紋理組合方式下的試件，順紋加順紋紋理組合方式下試件板材的斜截面破壞更為集中和連續。

2)與速生楊原木試件相比，不同厚度板材改性速生楊木試件的力學性能有了明顯改善，試件的抗壓強度、峰值壓應變以及彈性模量等均有了較大幅度的提高。板材厚度對改性試件的峰值壓應變無顯著影響，但改性試件的抗壓強度和彈性模量隨著板材厚度的減小而顯著增大。

3)板材的紋理組合方式對試件的力學性能有影響。順紋加順紋紋理組合方式下，試件的力學性能要優于順紋加橫紋組合方式下試件的力學性能。同時，在順紋加順紋組合下和在順紋與橫紋組合下，弦向粘貼試件的力學性能均最優，其次為徑向粘貼試件，最后為弦向與徑向組合試件。