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

摘 要：速生楊木在中國種植范圍廣，但由于力學性能差、變形大等缺點，其應用受到很大限制，迫切需要對速生楊木進行改性處理。主要考慮不同板材厚度（5、10、15、20 mm）和不同紋理（徑向、弦向）兩個因素對改性速生楊木進行力學性能試驗研究。試驗表明：隨著板材厚度的減小，試件破壞由單個斜截面破壞至連續斜截面破壞，再到水平壓皺破壞，最后出現雙曲破壞和單板彎曲破壞。不同板材厚度改性試件抗壓試驗中，與對比試件相比，改性試件的力學性能有較大提高，且隨著板材厚度的減小，試件的抗壓強度、峰值壓應變、彈性模量等均顯著增大。不同紋理組合改性試件抗壓試驗中，弦向與弦向紋理組合試件力學性能最優，其次為徑向與徑向紋理組合試件，最低為弦向與徑向紋理組合試件。同時，在順紋加順紋的紋理組合方式下，與對比試件相比改性試件的抗壓強度、峰值壓應變、彈性模量等均有提高顯著;在順紋加橫紋的紋理組合方式下，改性試件的抗壓強度和彈性模量反而有所降低。

關鍵詞：改性;速生楊木;力學性能;抗壓強度;試驗研究

中圖分類號：TU366.2 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：2096-6717（2019）05-0099-10

Abstract：Fast-growing poplar has been widely planted in China. For the poor mechanical properties and large deformation of the timber， its application is greatly restricted. Modified fast growing poplar specimens with different plate thicknesses of 5， 10， 15， 20 mm， radial direction and chord direction）， under different parameters were tested in this paper. The tests indicate that the failure gradually began by the single oblique section，then the horizontal crinkling failure occurs， finally to the double curvature failure and the single plate bending failure with gradual decrease of the plate thickness. In the compressive test of the modified specimens with different thicknesses， the mechanical properties of the modified specimens are improved greatly compared with the control specimens， the compressive strength， the peak compressive strain and the elastic modulus of the specimens increase significantly with decrease of the plate thickness. In the compression test of different texture combination modified specimens， the mechanical properties of chord and chord texture combination specimens are the best， followed by radial and radial texture combination specimens， and the lowest is chord and radial texture combination specimens. At the same time， the compressive strength， peak compressive strain and modulus of elasticity are significantly higher than those of the control specimens， and the compressive strength and modulus of elasticity of the modified specimens are lower than those of the control specimens.

Keywords：modify; fast-growing poplar; mechanical properties; compressive strength;experimental study

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。

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。

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。

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%。

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。

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%。

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。

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%。

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。

[10] 梁峰， 李征， 何敏娟. 原木-膠合木-輕型木混合結構設計研究[J]. 建筑結構， 2018， 48（10）： 36-38，29.

LIANG F， LI Z， HE M J. Design of a hybrid timber structure composed of log-glulam-light timber shear walls [J]. Building Structure， 2018， 48（10）： 36-38，29.（in Chinese）

[11] 何敏娟， 董翰林， 李征. 木空間結構研究現狀及關鍵問題[J]. 建筑結構， 2016， 46（12）： 103-109，96.

HE M J， DONG H L， LI Z. State-of-the-art and key research topics of timber spatial structures [J]. Building Structure， 2016， 46（12）： 103-109，96.（in Chinese）

[12] BERARD P， YANG P， YAMAUCHI H， et al. Modeling of a cylindrical laminated veneer lumber I： Mechanical properties of hinoki （Chamaecyparis obtusa） and the reliability of a nonlinear finite elements model of a four-point bending test [J]. Journal of Wood Science， 2011， 57（2）： 100-106.

[13] LI Z， HE M J， TAO D， et al. Experimental buckling performance of scrimber composite columns under axial compression[J]. Composites Part B： Engineering， 2016， 86： 203-213.

[14] 何敏娟， 孫曉峰， 李征， 等. 正交膠合木結構在地震作用下的層間位移角研究[J]. 特種結構， 2017， 34（1）： 1-6.

HE M J， SUN X F， LI Z， et al. Inter-story drifts research of thecross-laminated timber structure under seismic load [J]. Special Structures， 2017， 34（1）： 1-6.（in Chinese）

[15] 熊海貝， 宋依潔， 戴頌華， 等. 裝配式CLT建筑從模型到建造[J]. 建筑結構， 2018， 48（10）： 7-12，49.

XIONG H B， SONG Y J， DAI S H， et al. Prefabricated CLT panel building from model to construction [J]. Building Structure， 2018， 48（10）： 7-12，49.（in Chinese）

（編輯 胡玥）〖