高溫中木材順紋弦面抗剪強度

岳 孔 陸 棟 胡文杰 戴長路 吳 鵬 陸偉東

(南京工業(yè)大學土木工程學院 南京 211800)

與傳統(tǒng)建材相比，木材是天然生長的固碳材料(Gustavssonetal.，2006)，具有良好的環(huán)境學特性和高強重比等優(yōu)勢(于海鵬等，2009；劉一星等，2012)，木結(jié)構(gòu)建筑的規(guī)模化應用是建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措(岳孔等，2015)。

木結(jié)構(gòu)建筑應用中大多要求充分暴露木材元素，通過結(jié)構(gòu)裝飾一體化設計和建筑免裝修，進一步降低綜合造價，是提高木結(jié)構(gòu)建筑競爭力的重要手段，但木材自身可燃的固有屬性導致木結(jié)構(gòu)建筑火災隱患高(Yueetal.，2017；岳孔等，2019)。試驗表明，火災發(fā)生時，當達到炭化溫度后，木材燃燒、釋放大量熱量和可燃氣體助長火勢，高溫對實木和結(jié)構(gòu)復合木材的力學性能具有顯著劣化作用(K?nig，2005；Yueetal.，2022)，高溫中木構(gòu)件有效截面降低、剛度減小、承載力下降，危及結(jié)構(gòu)安全(岳孔等，2021)，木結(jié)構(gòu)建筑的抗火性能是其推廣應用的關(guān)鍵技術(shù)。

火災中木構(gòu)件最外側(cè)先受高溫作用炭化形成炭化層(K?nig，2005)，炭化層不具強度(Lauetal.，1999)；次外層(受熱區(qū))受高溫作用強度降低(Moraesetal.，2004；2005；Sinhaetal.，2011；岳孔等，2019)。木結(jié)構(gòu)中受力構(gòu)件力學性能劣化主要由炭化層強度喪失和受熱區(qū)強度折減導致(岳孔等，2021)。

化學組分熱解是木材力學性能劣化的根本原因(Manriquezetal.，2010；岳孔等，2020a)，高溫作用下，木材主要化學組分中纖維素熱穩(wěn)定性最高，木質(zhì)素次之(Zhengetal.，2015)，半纖維素熱穩(wěn)定性最低(岳孔等，2020a)，150～200 ℃半纖維素即發(fā)生熱解(Manriquezetal.，2010)。空氣介質(zhì)對高溫中木材強度降低的影響比惰性氣體大(Kubojimaetal.，2000)，這是氧對木材強度劣化的加速作用導致的(Wangetal.，2000)。高溫中，以空氣為介質(zhì)時，木材內(nèi)纖絲間排列更疏松和無序，其結(jié)晶度低于氮氣介質(zhì)中的結(jié)晶度(孫偉倫等，2010)。高溫改性不引進化學物質(zhì)，且能夠顯著提高木材尺寸穩(wěn)定性(孫偉倫等，2010)，但改性后木材抗拉和順紋抗剪強度下降明顯(岳孔等，2018)；采用高溫改性層板制成的膠合木梁，其受彎破壞模式由常規(guī)膠合木梁截面底部拉伸破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槔袈?lián)合破壞，且構(gòu)件脆性增加、延性降低，這是高溫改性導致木材順紋抗剪強度降低的結(jié)果(岳孔等，2020a；Yueetal.，2020；王志強等，2016)。因此，抗剪強度作為木材基本力學性能指標，對其進行系統(tǒng)研究，是結(jié)構(gòu)用木材承載安全性的重要保證。

現(xiàn)階段，我國木結(jié)構(gòu)建筑基本采用進口結(jié)構(gòu)用木材建造，應用較多的有北美花旗松(Pseudotsugamenziesii)、俄羅斯興安落葉松(Larixgmelinii)和樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)以及歐洲云杉(Piceaabies)等。隨著木結(jié)構(gòu)在國內(nèi)應用增多，量大面廣的國產(chǎn)速生木材在建筑結(jié)構(gòu)中應用的可行性受到廣泛關(guān)注，其中，速生楊樹(Populusspp.)總面積居世界首位，且具有較高的力學性能，是我國木結(jié)構(gòu)用材的潛在資源(Yueetal.，2019；岳孔等，2016)。火場下大截面承重木構(gòu)件最外側(cè)受熱形成炭化層，炭化層的絕氧效應和低導熱系數(shù)(Sinha，2013；岳孔等，2019；2021)對構(gòu)件內(nèi)部木材具有較好保護作用，但對最外側(cè)炭化層保護下受熱區(qū)木材力學性能的研究相對較少。考慮到木結(jié)構(gòu)中規(guī)格材弦切板占比較高，本研究以氮氣為保護介質(zhì)，對高溫中興安落葉松、花旗松和楊木的順紋弦面抗剪強度進行測試，通過木材主要化學組分含量變化揭示其抗剪強度劣化機制，提出高溫中結(jié)構(gòu)用木材順紋抗剪強度劣化模型，以期為木結(jié)構(gòu)抗火性能精細化設計和過火結(jié)構(gòu)構(gòu)件剩余承載力評估提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

興安落葉松和花旗松規(guī)格材分別由俄羅斯和加拿大進口，等級均為A級，尺寸分別為40 mm×150 mm×4 000 mm和38 mm×140 mm×3 050 mm(厚×寬×長)，國產(chǎn)速生楊木購自江蘇宿遷，樹齡16年、胸徑280 mm、紋理通直，經(jīng)制材加工成尺寸為40 mm×150 mm×3 050 mm(厚×寬×長)的規(guī)格材。興安落葉松、花旗松和楊木的平均年輪寬度分別為1.3、2.4和12.9 mm，12%含水率時的平均氣干密度分別為0.604、0.537和0.498 g·cm-3。考慮到木材變異性較大，為保證試驗結(jié)果可靠，選取含水率在10%～15%范圍內(nèi)且密度相差不高于5%的無疵木材作為測試試件。試件制作和性能測試前，木材置于溫度20 ℃、相對濕度65%的環(huán)境中至少1個月，直至平衡。

按照《木材順紋抗壓強度試驗方法》(GB/T 1935—2009)、《木材順紋抗拉強度試驗方法》(GB/T 1938—2009)、《木材抗彎強度試驗方法》(GB/T 1936.1—2009)和《木材抗彎彈性模量測定方法》(GB/T 1936.2—2009)測試木材基本力學性能，結(jié)果見表1。

表1 試驗用木材力學性能Tab.1 Mechanical properties of wood specimens MPa

1.2 試驗儀器與設備

木材順紋弦面抗剪強度(以下稱抗剪強度)采用E45.035E型300 kN微機控制電子萬能試驗機(美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司)進行測試，荷載和位移數(shù)據(jù)均由系統(tǒng)自動同步采集，采集頻率為10 Hz，精度為示值的±0.5%。試驗高溫環(huán)境由SD201625型高低溫環(huán)境試驗箱(吉林省三度試驗設備有限公司)提供，其內(nèi)部凈尺寸為300 mm×300 mm×600 mm(寬×深×高)。采用DX1012型無紙記錄儀(日本橫河)和預埋在試件內(nèi)部的K型熱電偶監(jiān)測試件內(nèi)部溫度，熱電偶測溫范圍為0～1 300 ℃，測量精度為示值的±0.75%。

木材半纖維素、纖維素和木質(zhì)素質(zhì)量百分數(shù)采用1525型高效液相色譜儀(美國Waters)、SX-500型高溫滅菌鍋(日本TOMY)、KSL-1200X型馬弗爐(合肥科晶材料技術(shù)有限公司)和UV-2700型紫外分光光度計(日本島津)進行測試。

1.3 試驗方法

楊木生長輪寬度較大，考慮到早晚材強度差異，基于木材受剪時破壞通常發(fā)生在早材區(qū)域的研究結(jié)果(岳孔等，2021)，楊木抗剪強度試件從邊材取材，且在制備時預設其受剪面在早材區(qū)域內(nèi)。木材抗剪強度按照《木材順紋抗剪強度試驗方法》(GB/T 1937—2009)進行測試，根據(jù)文獻(Estevesetal.，2008)和前期研究結(jié)果(岳孔等，2019)，當溫度達到木材炭化溫度288 ℃后，其強度不足室溫條件下的1/4，因此，參考前期研究方案(岳孔等，2019)，試驗設定20、50、70、110、150、200、220、250和280 ℃共9個溫度水平。抗剪強度測試前，先將試驗箱內(nèi)溫度升至指定溫度并穩(wěn)定1～2 min，再緩慢持續(xù)通入氮氣，最后放入試件。每個溫度水平下同時放置2 個溫度試件和4個強度試件，強度試件尺寸如圖1，溫度試件受剪面中心位置埋置熱電偶，以監(jiān)測溫度變化，試件內(nèi)溫度測點布置如圖2。

圖1 高溫中木材順紋弦面抗剪強度測試試件(mm)Fig.1 Specimens for parallel-to-grain tangential shear strength testing

圖2 高溫中試件內(nèi)溫度測點(mm)Fig.2 Thermocouples distribution in specimens at high temperature

根據(jù)《建筑設計防火規(guī)范》(GB 50016—2014)對1～3層木結(jié)構(gòu)建筑中承重柱和梁1 h耐火極限的規(guī)定，當溫度試件中心溫度達到指定溫度開始計時，保持受熱時間1 h后再對強度試件進行加載測試，采用位移控制加載速度，加載速度取1 mm·min-1，直至試件破壞。自試件受熱到力學性能測試完成，全過程均在環(huán)境試驗箱內(nèi)進行。每種工況下重復試件8個，共計216個試件。

抗剪強度測試完成后，立即取出試件破壞后的小塊部分稱重，并按照《木材含水率測定方法》(GB/T 1931—2009)進行木材含水率測試；利用試件破壞后的大塊部分進行密度測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 平均含水率

絕氧條件下，木材平均含水率隨溫度的變化如圖3。圖3表明，木材平均含水率隨溫度升高持續(xù)降低。當溫度為20～110 ℃時，木材平均含水率基本以線性規(guī)律快速降低，之后降低速度減緩；當溫度達到150 ℃時，木材平均含水率由初始的12.4%降至4.0%；當溫度繼續(xù)升高至200 ℃時，木材平均含水率降至0%。

圖3 不同溫度下木材含水率Fig.3 Wood moisture content at elevated temperatures

2.2 化學組分含量

絕氧條件下，興安落葉松、花旗松和楊木在典型溫度下的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量如圖4。圖4表明，興安落葉松、花旗松和楊木的纖維素和半纖維含量均隨溫度升高而降低，且半纖維素含量降低幅度更大，但3種木材的木質(zhì)素含量隨溫度升高呈增加趨勢。

圖4 不同溫度下木材主要化學組分含量變化Fig.4 Changes of chemical compositions within wood at elevated temperatures

常溫時興安落葉松、花旗松和楊木的纖維素含量分別為43.5%、45.0%和51.0%，隨著溫度升高，纖維素含量變化較小，當溫度達到200 ℃時，3種木材的纖維素含量降幅均不足8%，說明纖維素熱穩(wěn)定性相對較高(Zhengetal.，2015；岳孔等，2018)。隨著溫度升高，3種木材的木質(zhì)素含量均有不同程度增加，常溫時興安落葉松、花旗松和楊木的木質(zhì)素含量分別為23.4%、29.1%和23.0%，當溫度升至220 ℃時，其含量分別增加至36.7%、36.3%和33.8%，這是由木質(zhì)素交聯(lián)反應導致的，且半纖維素熱解對該交聯(lián)反應具有促進作用(Tjeerdsmaetal.，1998)。常溫時興安落葉松、花旗松和楊木的半纖維素含量分別為25.3%、25.7%和16.3%，180 ℃時其降幅達9.6%～14.9%，當溫度升至220 ℃時熱解加劇，其含量分別降低29.4%、18.6%和25.9%，半纖維素含量大幅度降低是高溫中木材力學性能劣化的主要因素(Manriquezetal.，2010；岳孔等，2020a)。

2.3 抗剪強度

根據(jù)歐標EN 1995-1-2:2004的規(guī)定，300 ℃時木材炭化，此時順紋抗剪強度取0 MPa，結(jié)合20～280 ℃下的測試結(jié)果，興安落葉松、花旗松和楊木在不同溫度下的抗剪強度如圖5。圖5表明，3種木材的抗剪強度均隨溫度升高而降低，抗剪強度劣化規(guī)律基本一致。

圖5 高溫中木材抗剪強度Fig.5 Parallel-to-grain tangential shear strength of wood specimens exposed to high temperature

常溫時興安落葉松、花旗松和楊木的抗剪強度分別為9.65、8.94和9.48 MPa，溫度150 ℃之前，木材抗剪強度同時受溫度和含水率(圖3)影響，隨著溫度升高，木材含水率持續(xù)減小，木材抗剪強度下降相對較緩，抗剪強度與溫度近似呈線性負相關(guān)關(guān)系；溫度150～280 ℃范圍內(nèi)，木材抗剪強度下降主要受半纖維素熱解影響，150 ℃時興安落葉松、花旗松和楊木的抗剪強度分別降至初始值的60.7%、68.0%和65.6%；當溫度高于200 ℃時，由于半纖維熱解加劇(圖4)，木材抗剪強度隨溫度升高快速下降，當溫度達到280 ℃時，興安落葉松、花旗松和楊木的抗剪強度分別降至1.05、0.91和0.61 MPa，僅為初始值的9.0%、10.2%和6.4%。

為便于數(shù)據(jù)分析與比較，采用抗剪強度折減系數(shù)表示木材相對抗剪強度隨溫度變化的劣化規(guī)律，公式如下：

(1)

式中：ηT為T℃時木材抗剪強度折減系數(shù)，即T℃時木材相對抗剪強度；fv·T為T℃時木材抗剪強度；fv·20為20 ℃時木材抗剪強度。

由圖5計算得到3種木材抗剪強度折減系數(shù)ηT隨溫度T的劣化規(guī)律如圖6。

圖6 高溫中木材相對抗剪強度的劣化規(guī)律Fig.6 Degradation of relative parallel-to-grain tangential shear strength at high temperature

研究表明，木材剪切破壞可從分子水平上由木材纖維平行于紋理方向發(fā)生相互滑移進行解釋，由于半纖維素在木材細胞壁中主要起填充和膠著作用，因此半纖維素含量是木材抗剪強度的主控因素(尹思慈，1997)。圖6表明，試驗初期興安落葉松的ηT最高，這是因為密度與木材力學性能呈正相關(guān)關(guān)系，興安落葉松密度最大；根據(jù)文獻(尹思慈，1997)，興安落葉松半纖維素中占比1/4左右的阿拉伯半乳聚糖與其他半纖維素不同，并未分布在木材細胞壁內(nèi)，其對抗剪強度的貢獻有限，導致興安落葉松抗剪強度劣化受高溫的影響較大，當溫度高于150 ℃時，興安落葉松抗剪強度因半纖維素劇烈熱解快速降低。當溫度高于200 ℃時，楊木抗剪強度的下降速度明顯快于花旗松和興安落葉松，這是因為與興安落葉松和花旗松相比，楊木半纖維素含量初始值最低(圖4)，其在高溫下劇烈熱解，導致有效剩余量不足，故抗剪強度下降最大。

根據(jù)楊家駒等(1997)和岳孔等(2020b)的研究，木材力學性能和密度可用下式表示：

f=m+K·ρ。

(2)

式中：f為木材力學性能指標，本研究定義為抗剪強度fv；m為常數(shù)；ρ為木材密度；K為木材力學性能-密度關(guān)系系數(shù)，本研究定義為抗剪強度-密度關(guān)系系數(shù)。

高溫中，興安落葉松、花旗松和楊木抗剪強度與密度的關(guān)系如圖7。圖7表明，木材密度隨溫度升高逐漸降低。溫度150 ℃之前，木材密度降低主要由水分和抽提物揮發(fā)導致(圖3)，當溫度高于200 ℃時，木材含水率為0%，木材密度降低主要由化學組分熱解引起(圖4)。常溫時，木材力學性能主要由其密度控制(楊家駒等，1997；岳孔等，2020b)，但在高溫環(huán)境中，密度對木材抗剪強度的影響降低(圖7)。

圖7 高溫中木材抗剪強度與密度的關(guān)系Fig.7 Relationship between wood density and parallel-to-grain tangential shear strength at high temperature

根據(jù)式(2)，木材抗剪強度-密度關(guān)系系數(shù)與溫度曲線如圖8。圖8表明，常溫時，木材抗剪強度-密度關(guān)系系數(shù)(K)為14.2 MPa·(g·cm-3)-1，密度是木材力學性能的主控參數(shù)，隨著溫度升高，K近似以線性規(guī)律降低，溫度150 ℃時，K為6.6 MPa·(g·cm-3)-1，當溫度升至200～280 ℃時，K降至1.1～3.1 MPa·(g·cm-3)-1，這說明木材化學組分熱解顯著弱化了密度對木材抗剪強度的作用，密度對木材剪切強度的影響持續(xù)降低。

圖8 高溫中木材抗剪強度-密度關(guān)系系數(shù)Fig.8 The ratio of parallel-to-grain tangential shear strength to wood density at high temperature

高溫下抗剪強度折減系數(shù)(ηT)因木材種類不同而異，但差異甚小。為便于統(tǒng)一建模分析，對ηT取平均值，并與歐標EN1 995-1-2中規(guī)定的高溫劣化模型進行比較，結(jié)果見圖9和式(3)。

(3)

在20～300 ℃溫度范圍內(nèi)，ηT可根據(jù)式(3)通過線性插入法得到。

圖9表明，本研究方法得到的折減系數(shù)ηT與歐標EN 1995-1-2差異較大。EN 1995-1-2以100 ℃為ηT的轉(zhuǎn)折點，其認為水分發(fā)生劇烈汽化對應的溫度為木材力學性能的轉(zhuǎn)折點。絕氧條件下得到的木材抗剪強度高溫劣化模型與EN 1995-1-2也有所區(qū)別，其原因在于本研究根據(jù)大截面木構(gòu)件內(nèi)受熱區(qū)木材實際工況設定的絕氧環(huán)境避免了氧對高溫中木材抗剪強度降低的促進作用，而歐標并未考慮該因素，其ηT取值偏于安全。

3 結(jié)論

1)木材主要化學組分中半纖維素熱穩(wěn)定性最低，與常溫時試件相比，220 ℃時興安落葉松、花旗松和楊木的半纖維素含量分別降低42.8%、24.9%和30.8%。

2)隨著溫度升高，密度對木材抗剪強度的影響逐漸降低，常溫時木材抗剪強度-密度關(guān)系系數(shù)為14.2 MPa·(g·cm-3)-1，當溫度高于200 ℃時，抗剪強度-密度關(guān)系系數(shù)降至1.1～3.1 MPa·(g·cm-3)-1。

3)高溫對木材抗剪強度具有顯著劣化作用，280 ℃時抗剪強度降至初始值的6.4%～10.2%；根據(jù)絕氧環(huán)境得到的試驗結(jié)果，提出符合受熱區(qū)木材實際工況的抗剪強度高溫劣化模型。