鄧恩桉木材蠕變特性研究

羅義漢，張榮波，梁建新，盧翠香，刁海林

（1.廣西國有大桂山林場，廣西 賀州542899；2.廣西林業科學研究院，南寧530002；3.廣西大學林學院，南寧530004）

鄧恩桉（Eucalyptus dunnii）是桃金娘科桉屬（Eu?calyptus）樹種，樹體中等偏大，枝濃葉密，樹干通直，心材淡紅色，心邊材顏色差異不明顯。自從澳大利亞引進以來，在中國廣西、福建、江蘇、云南、湖南等地均有人工林種植。該樹種具有較強的耐寒能力，纖維比較長，是制漿造紙的優良材種［1］。此外，由于在桉樹類中鄧恩桉具有較高的密度，所以其鋸材在木結構方面也有很大的應用潛力。為了解鄧恩桉木材的流變學特性，以幫助工程人員對其在木結構中的耐久性及結構穩定性有個正確的評估，本研究借助于電測法及流變學理論對鄧恩桉木材進行蠕變特性分析研究，以獲得其主要蠕變特性指標，為對鄧恩桉木材相關性能的后續研究提供基礎數據和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試件的制備

試驗樣本選自廣西柳州沙塘林場鄧恩桉種源試驗林，根據CB/T 1927—2009《木材物理力學試材采集方法》［2］國家標準采集標準樣本。每株樣木按上、中、下部位分別截取長2.0～2.5 m的原木作為試材，并進行標記。自然氣干后，鋸取徑切板，制備20枚長方體試件，如圖1a；鋸取弦切板，制備20枚長方體試件，如圖1b，試件規格尺寸均為寬×厚×長=10 mm×4 mm×140 mm［3］。

圖1 試件采樣示意

1.2 試驗儀器與試驗方法

1.2.1 主要試驗儀器YJ-22型數字靜態應變測量儀（華東電子儀器廠）；YZ-22型轉換箱（華東電子儀器廠）；BX120-10AA型箔式紙基應變片（浙江黃巖測試儀器廠），靈敏系數2.08，名義阻值為120.3Ω，絲柵面積為10 mm×2 mm；試驗支架（自制）；其他試驗材料：砝碼、電烙鐵、焊錫、502膠水、砂紙、玻璃片等。

1.2.2 試驗方法依據刁海林［4］提出的電測法，首先對鄧恩桉木材試件進行恒應力彎曲蠕變試驗，獲取試件的彎曲應變-時間特性曲線ε（t），然后由木制材料流變學中蠕變柔量的定義式（1）計算蠕變柔量J（t），繪制蠕變柔量-時間特性曲線，進而確定蠕變特性曲線方程（2）中的常數J0、η0和ΣJi［5-9］。

式（1）中：σ0為加于試件的恒彎曲應力；ε（t）為對應時間t時的應變值。

式（2）中：J0為瞬間彈性柔量；Jη（t）為粘性柔量；η0為粘性系數；ΣJi為延遲彈性柔量。

試驗環境和條件相同時，J0、η0和ΣJi是只與樹種相關的粘彈性元件常數，可以作為評價樹種木材蠕變特性的主要參數。這3個常數是從蠕變柔量-時間特性曲線J（t）圖中直接量取的，J0是曲線跟J軸的交點，表征材料的抗瞬間彈性變形的能力，值越小則瞬間彈性變形越小，其抵抗瞬間彈性蠕變能力也就越強；η0是曲線在穩定蠕變階段的漸近線的斜率的倒數，表征材料的抗長期粘性變形的能力，值越大則斜率越小，長期粘性變形越小，其抗長期粘性蠕變能力愈強；ΣJi是漸近線與J軸的交點到J0的距離，表征材料的抗延遲彈性變形的能力，值越小則延遲彈性變形越小，其抵抗延遲彈性蠕變的能力也就越強。

試驗采用半橋接法單臂測量［10］，在廣西大學林學院力學實驗室進行，室內溫度22～24℃，相對濕度57%～59%。試驗裝置根據本試驗研究的要求定制，將試件放置于室內一段時間使含水率平衡，同時制備不同應力水平下的【型分力器。試驗分4組進行，每組取10個小試件，為確保每一組試件獲得試驗要求的恒應力σ0，分力器的跨度須通過材料力學計算來確定，基礎數據見表1。

試驗采用4點加載方式進行，試驗時將試件兩端簡支，支座距離為120 mm，試件中間用【型分力器將砝碼載荷進行分解，使試件在分離器a區段受純彎曲作用。試驗前先用鉛筆畫出試件的中心線和其他定位參考線，然后用502膠水將箔式紙基應變片粘貼在試件中部純彎區的受拉一側位置，同時將玻璃片貼于試件兩端與支座相對應的位置以減少摩擦阻力，并對每一組試件進行標記。然后將試件按照標記順序安裝到支架上，焊接應變片與轉換箱的引出線，將轉換箱和數字靜態應變測量儀進行連接，用來觀測每組應變片的應變值，如圖2。準備無誤后，預熱儀器并進行調零，然后按標記序號加載。在短時間（420 min）內，0～60 min的測量時間間隔為5 min，60～180 min的測量 時間間隔 為10 min，180～420 min的測量時間間隔為30 min，做好試驗記錄，獲取每組試件的應變-時間特性曲線ε（t）。

表1 試驗的基礎數據

圖2 儀器連接示意

2 結果與分析

2.1 鄧恩桉木材的應變-時間特性曲線

取每一組的試件在同一測量時間的應變量進行算術平均，得到鄧恩桉木材的應變-時間特性曲線ε（t），如圖3。

圖3 鄧恩桉木材的應變-時間特性曲線

2.2 擬合度分析

根據式（1），計算每組試件的蠕變柔量J，得到蠕變柔量-時間特性曲線J（t），如圖4。選取每組試件在穩定蠕變階段的數據繪制漸近線y（t）=Ax+B（圖4虛線），確定鄧恩桉木材在不同應力水平下的粘彈性元件常數，見表2。A的倒數為粘性系數η0，B是瞬間彈性柔量J0與延遲彈性柔量ΣJi的和，R2為回歸方程的決定系數，它表明y與變量x的線性相關程度，其值越接近1則線性關系越顯著，越接近0則越不顯著，R≈0時則不存在線性關系，這里R2均大于0.8，表明穩定蠕變階段存在顯著的線性關系。

圖4 鄧恩桉的蠕變柔量-時間特性曲線

表2 鄧恩桉木材的蠕變特性常數

2.3 鄧恩桉木材蠕變特性分析

2.3.1 鄧恩桉木材徑向蠕變特性分析對于鄧恩桉木材，隨著應力水平的增大，瞬間彈性柔量J0增大，抗瞬間彈性蠕變能力減弱；粘性系數η0減小，即粘性柔量Jη（t）增大，抗長期粘性蠕變能力減弱；延遲彈性柔量ΣJi波動性變化，40%σb應力水平下有最小值，抗延遲彈性蠕變能力最強。

2.3.2 鄧恩桉木材徑向與弦向蠕變特性比較分析

對于鄧恩桉木材，在相同的40%σb的應力水平下，弦向的瞬間彈性柔量比徑向的大，表明弦向的抗瞬間彈性蠕變能力比徑向的弱；弦向的粘性系數比徑向的小（粘性柔量大），表明弦向的抗長期粘性蠕變能力比徑向的弱；弦向的延遲彈性柔量比徑向的大，表明木材弦向的抗延遲蠕變能力比徑向的弱。

2.4 鄧恩桉與赤尾桉、馬尾松木材的蠕變特性比較

赤尾桉和馬尾松的蠕變特性常數參數來自文獻［11］。已知赤尾桉的抗彎強度為95 MPa，馬尾松的抗彎強度為66.5 MPa。

由于木材的蠕變特性受樹種、含水率和溫度等因素的影響，至今還沒有確切的評價方法。雖然本試驗與赤尾桉和馬尾松木材的蠕變特性試驗的環境因素相同，但是由于分力器的影響，試件的載荷不能作為比較的依據。在日常生活中，同一個物體放置于不同樹種相同形狀尺寸的物體上所產生的應力相同，因此可通過比較相同應力下不同樹種的蠕變特性常數對木材的蠕變特性進行評價。

如圖5，在27 MPa應力附近，鄧恩桉木材的瞬間彈性柔量明顯比赤尾桉和馬尾松的小；隨著應力的增加，瞬間彈性柔量越來越接近。表明低應力狀態下，鄧恩桉木材的抗瞬間彈性蠕變能力比較強，瞬間變形相對小；隨著應力的增加，抗瞬間彈性蠕變能力無明顯差異。

如圖6，在27 MPa以上的應力狀態，鄧恩桉木材的粘性系數η0均比赤尾桉和馬尾松的大，粘性柔量比較小。表明其抗長期粘性蠕變能力比較強，長期粘性變形較小。

圖5 瞬間彈性柔量特性

圖6 粘性系數特性

如圖7，在27 MPa應力附近，鄧恩桉和馬尾松木材的延遲彈性柔量接近，且明顯小于赤尾桉，隨著應力的增加，鄧恩桉木材的延遲彈性柔量無明顯變化，赤尾桉的延遲彈性柔量明顯增加。表明鄧恩桉和馬尾松木材的抗延遲彈性蠕變能力相近，且明顯強于赤尾桉，延遲彈性變形較小。

圖7 延遲彈性柔量特性

綜合上述，鄧恩桉木材的抗長期粘性蠕變能力比較強，抗瞬間彈性蠕變能力和抗延遲彈性蠕變能力與馬尾松的相近且優于赤尾桉木材，初步認定鄧恩桉木材蠕變特性良好，作為木結構構件將具有較好的耐久性。

3 小結

隨著應力的增大，鄧恩桉木材的抗瞬間彈性蠕變能力和抗長期粘性蠕變能力減弱，抗延遲彈性蠕變能力波動性變化，在40%σb應力水平下的抗延遲彈性蠕變能力最強。在40%σb應力狀態下，鄧恩桉木材徑向的抗瞬間彈性蠕變能力、抗長期粘性蠕變能力和抗延遲彈性蠕變能力均比弦向的好。

即使試驗的載荷不一樣，但是只要試件內部產生的應力相同，在該應力狀態下木材表現出的蠕變特性是一定的，具有可比性，因此通過比較相同應力下不同樹種的3個蠕變特性常數可以實現對木材蠕變特性的評價。

實際生活中，蠕變是材料的普遍現象，如木材、竹材和鋼鐵等［12，13］，在持續應力作用下會產生蠕變變形，研究木材蠕變特性對家具和木結構建筑等領域有很重要的意義。研究者們建立過許多模型來探索木材的蠕變特性，本試驗也只是在探究階段，期望木材蠕變特性試驗的標準化進程得到加快。