落葉松膠合木干濕交替加速老化試驗(yàn)研究

王娟，曹曉慶，楊慶山，游弘宇，祁鑫

（1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程與城市風(fēng)環(huán)境北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京交通大學(xué)），北京 100044；3.亞太建設(shè)科技信息研究院有限公司，北京 100120；4.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400044）

長期溫濕度交替改變會導(dǎo)致木質(zhì)材料力學(xué)性能及膠合界面黏結(jié)性能下降［1-4］.針對溫濕度交替變化及其長期作用對木質(zhì)復(fù)合材料物理力學(xué)性能影響的研究以實(shí)驗(yàn)室人工加速老化試驗(yàn)和室外曝露試驗(yàn)為主.國內(nèi)學(xué)者采用不同人工加速老化方法研究了原木、重組材、層板膠合木等材料的力學(xué)性能退化規(guī)律［5-8］.日本學(xué)者通過對比實(shí)驗(yàn)室加速老化與室外曝露試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)基于老化程度的相似性，可構(gòu)建兩種試驗(yàn)方法間的時間等效關(guān)系［9］.許多國家和地區(qū)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱卣髦贫巳斯ぜ铀倮匣囼?yàn)標(biāo)準(zhǔn)用于測試膠合木材料的耐久性［10-11］，如美國國家標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1037-96［12］、歐 洲標(biāo) 準(zhǔn)BS EN 1087-1［13］等.經(jīng)對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ASTM D1037-96 是其中最為嚴(yán)苛的老化方法，其多循環(huán)試驗(yàn)方法可較好地反映干濕交替的影響［9，14］.木材強(qiáng)度隨時間的變化規(guī)律的研究中，最為經(jīng)典且沿用至今的是Gerhard 累積損傷模型［15］.該模型考慮了時間因素影響下荷載持續(xù)效應(yīng)對木材強(qiáng)度的長期作用，為不同因素耦合作用下木材強(qiáng)度退化模型的研究提供了依據(jù).為研究長期溫濕度交替變化對膠合木力學(xué)性能的影響，本文以常用國產(chǎn)材落葉松層板膠合木為研究對象，采用改進(jìn)ASTM D1037-96 老化方法，開展0、3、6 次干濕交替的多組老化試驗(yàn)；分析不同干濕交替次數(shù)對膠合木宏觀表征及材料密度、順紋抗壓、順紋抗拉、抗彎以及膠層剪切強(qiáng)度的影響，并基于交替次數(shù)與時間對應(yīng)關(guān)系，分別建立了落葉松膠合木順紋抗壓、順紋抗拉、抗彎及膠層剪切強(qiáng)度的時變模型.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與制備

試驗(yàn)試件為落葉松層板膠合木（圖1），由南京工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室制備.試驗(yàn)中將三層落葉松層板沿木材順紋纖維方向放置，最外側(cè)層板髓心向外.膠黏劑［16-17］采用間苯二酚-酚醛樹脂，涂膠量180 g/m2（單面），加壓時間40 min，膠合壓力1.0 MPa.為排除木材本身材質(zhì)特性的影響，制作過程首先制備層板膠合木，再切割成試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn).制作試樣最大限度規(guī)避了木節(jié)、腐朽、裂紋等原始缺陷.

圖1 試驗(yàn)用層板膠合木Fig.1 Laminate for testing

采用改進(jìn)ASTM D1037六循環(huán)加速老化法，循環(huán)次數(shù)分別為0 次、3 次、6 次.一個循環(huán)的具體步驟為［18］：1）溫水浸泡4 h，水溫（49±2）℃；2）干燥3 h，溫度（99±2）℃；3）溫水浸泡3 h，水溫（49±2）℃；4）干燥18 h，溫度（99±2）℃.每一循環(huán)完成后，試件進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理（調(diào)質(zhì)環(huán)境：溫度T=（20±3）℃，相對濕度H=65%±1%，調(diào)質(zhì)時間48 h）.密度、順紋抗壓、抗拉、抗彎以及膠層剪切強(qiáng)度檢測方法均遵照國家標(biāo)準(zhǔn)［19-21］執(zhí)行，其中順紋抗拉強(qiáng)度測試針對最薄弱部位指接位置進(jìn)行，抗彎強(qiáng)度測試針對帶木節(jié)試件進(jìn)行.考慮膠合木板最小厚度20 mm 無法適應(yīng)規(guī)范尺寸要求，故設(shè)計(jì)力學(xué)性能試驗(yàn)試件尺寸見表1，試驗(yàn)過程如圖2所示.

表1 試件示意圖Tab.1 Diagram of specimen

圖2 試驗(yàn)過程Fig.2 Loading process

開裂是木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的常見問題，而受彎構(gòu)件較易受到裂縫的影響.為進(jìn)一步明晰干濕交替作用下裂縫損傷對抗彎試件強(qiáng)度退化的影響，增加了包含人工裂縫的抗彎試件，即在試件底面中部制備矩形縱向裂縫.參考《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50165-2020）［22］中對方木材質(zhì)等級Ⅱ等材的裂縫深度規(guī)定確定，人工裂縫深度不得超過材寬的1/3（即20 mm），依據(jù)開裂深度從小到大將人工裂縫深度設(shè)置為6 mm、12 mm、18 mm 三個等級進(jìn)行試驗(yàn)分析.根據(jù)試件尺寸選用較常見的裂縫寬度 2 mm，用λc表示裂縫深度h與裂縫寬度b的比值，即λc=h b，故本試驗(yàn)對應(yīng)裂縫深度6 mm、12 mm、18 mm 的λc分別為3、6 和9.人工裂縫示意圖如圖3所示.不同力學(xué)性能試驗(yàn)工況如表2所示.

表2 試驗(yàn)工況Tab.2 Test conditions

圖3 人工裂縫示意圖（單位：mm）Fig.3 Diagram of artificial cracks（unit：mm）

2 宏觀表征與破壞模式

2.1 宏觀表征

濕度的交替變化導(dǎo)致膠合木宏觀表征發(fā)生明顯變化，主要表現(xiàn)為外觀顏色變化與干縮裂縫產(chǎn)生.

2.1.1 外觀顏色變化

干濕交替使試件經(jīng)歷多次突然失水過程，同時潮濕環(huán)節(jié)加劇霉腐微生物滋生繁殖，導(dǎo)致各類試件顏色均從淺褐色逐漸加深至深褐色，白色道痕、腐朽斑點(diǎn)從零散斑點(diǎn)逐漸演變成片狀斑點(diǎn).

以抗壓試件為例，經(jīng)3 次干濕交替的試件顏色略呈深褐色，試件局部邊緣部位出現(xiàn)少量白色斑點(diǎn)，表面出現(xiàn)少量黑色片狀霉斑.經(jīng)6 次干濕交替的試件顏色進(jìn)一步加深，試件邊緣幾乎都出現(xiàn)大面積白色斑點(diǎn)，表面出現(xiàn)大量黑色斑點(diǎn)和大面積腐朽黑色片狀斑點(diǎn)，表明干濕交替作用會導(dǎo)致試件顏色的加深及腐朽.不同干濕交替次數(shù)后試件的顏色及外觀變化情況如表3所示.

表3 不同干濕交替次數(shù)的順紋抗壓試件的顏色變化Tab.3 Color change of compressive specimens with different times of dry and wet alternation

2.1.2 干縮裂縫產(chǎn)生

木材特有的吸濕性及其在弦、徑向干縮率不同的特性，使得其在干濕交替作用下會產(chǎn)生明顯的干縮裂縫.此外，膠合試件紋理組合方式對裂縫的開展也有影響，相較于相同紋理組合的試件，不同紋理組合的試件膠層表現(xiàn)出更易開裂的特點(diǎn).

仍以抗壓試件為例，干濕交替對裂縫開展的影響較為嚴(yán)重，尤其是在髓心部位附近極易出現(xiàn)干縮裂縫.經(jīng)3 次干濕交替，試件出現(xiàn)沿髓心周邊的微小裂縫，少數(shù)試件出現(xiàn)膠層開裂.經(jīng)6 次干濕交替后，裂縫擴(kuò)展增多，膠層開裂嚴(yán)重，部分層板部位出現(xiàn)了較寬裂縫.不同干濕交替次數(shù)后試件的裂縫開展情況如圖4所示.

圖4 不同干濕交替次數(shù)下的順紋抗壓試件裂縫開展Fig.4 Crack development of the compressive specimens under different times of dry and wet alternation

2.2 破壞模式

干濕交替影響下的抗壓試件破壞形態(tài)如圖5 所示.隨干濕交替次數(shù)增加，層板斜裂縫與沿順紋方向裂縫有明顯增加趨勢，加載端面壓縮褶皺累積直至出現(xiàn)順紋方向撕裂，試件整體失穩(wěn)傾斜.

圖5 干濕交替影響下的順紋抗壓試件破壞形態(tài)Fig.5 Failure form of compressive specimens affected by the alternation of dry and wet

干濕交替影響下的抗拉試件破壞形態(tài)如圖6 所示，破壞主要集中在指接處.0 次、3 次干濕交替試件的破壞形態(tài)為指接膠縫處膠層復(fù)合破壞，經(jīng)6 次干濕交替后試件在指接處指根完全斷裂.

圖6 干濕交替影響下的順紋抗拉試件破壞形態(tài)Fig.6 Failure form of tensile specimens affected by the alternation of dry and wet

干濕交替影響下的抗彎試件破壞形態(tài)如圖7所示，隨干濕交替增加，受拉區(qū)出現(xiàn)斜裂縫且有向膠層擴(kuò)展的趨勢，而受壓區(qū)出現(xiàn)細(xì)小裂縫或褶皺裂縫，未出現(xiàn)較寬斜裂縫.

圖7 干濕交替影響下的抗彎試件破壞形態(tài)Fig.7 Failure form of bending specimens affected by the alternation of dry and wet

3 結(jié)果與分析

3.1 干濕交替對物理力學(xué)性能的影響

3.1.1 密度

用于各項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)的試件在經(jīng)不同干濕交替次數(shù)時的密度如表4 所示，表中分別表示0、3、6 次干濕交替后試件密度平均值，分別表示0 次與3 次、0 次與6 次干濕交替相比密度的變化率.由表4 可知，隨干濕交替次數(shù)增加，各類不同試件密度均呈現(xiàn)下降趨勢；試件尺寸越大，干濕交替對其密度影響越大，密度下降越顯著，具體表現(xiàn)為，膠層剪切與順紋抗壓試件在干濕交替影響下的密度變化較小，順紋抗拉、抗彎試件經(jīng)干濕交替后密度下降幅度較大.

表4 不同干濕交替次數(shù)下的密度及其變化率Tab.4 Density and rate of change under different times of dry and wet alternation

3.1.2 強(qiáng)度指標(biāo)

根據(jù)《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（GB/T 1935—2009）［20］和《結(jié)構(gòu)用集成材》（GB/T 26899—2011）［21］的規(guī)定，將順紋抗壓強(qiáng)度值、抗彎強(qiáng)度值和膠層剪切強(qiáng)度值換算為含水率為12%時的強(qiáng)度值，順紋抗拉強(qiáng)度值無須統(tǒng)一換算.順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度及膠層剪切強(qiáng)度平均值及不同干濕交替次數(shù)后的變化率如表5所示.

表5 不同干濕交替次數(shù)下的強(qiáng)度及其變化率Tab.5 Strength and rate of change under different times of dry and wet alternation

隨干濕交替次數(shù)增加，試件各類強(qiáng)度值均呈顯著下降趨勢；強(qiáng)度變化率較更大，表明構(gòu)件強(qiáng)度下降率與干濕交替次數(shù)呈正向關(guān)系.膠層剪切強(qiáng)度在無損試件各類強(qiáng)度中的下降率最低，表明膠層剪切強(qiáng)度對干濕交替最為敏感.

分別對未處理材、干濕交替3 次以及干濕交替6次的試件進(jìn)行橫向切片，得到掃描電鏡圖，如圖8 所示.隨干濕交替次數(shù)增加木材細(xì)胞壁的裂紋增多，木材細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)逐步趨于破壞.

圖8 不同干濕交替次數(shù)試件橫切面掃描電鏡圖Fig.8 Scanning electron microscope image along cross section under different times of dry and wet alternation

不同干濕交替次數(shù)作用下的膠合界面掃描電鏡圖如圖9 所示，其中膠合界面被圈出.未進(jìn)行干濕交替處理的試件膠層區(qū)域無孔洞，膠黏劑與細(xì)胞壁之間緊密接觸；3 次干濕交替處理后，膠層區(qū)域出現(xiàn)孔洞，膠黏劑與細(xì)胞壁之間產(chǎn)生縫隙；當(dāng)干濕交替次數(shù)達(dá)到6 次后，膠層區(qū)域的孔洞與縫隙進(jìn)一步增大.反復(fù)干濕交替作用加劇了膠黏劑的固化收縮，膠黏劑與細(xì)胞壁之間出現(xiàn)的縫隙對膠層抗剪能力有明顯削弱作用.

圖9 不同干濕交替次數(shù)試件膠合界面掃描電鏡圖Fig.9 Scanning electron microscope image of interface under different times of dry and wet alternation

針對抗彎試件，如表5 及圖10（a）的等值線圖所示，存在裂縫的試件無論是否經(jīng)歷干濕交替，其強(qiáng)度值均小于無裂縫試件，且裂縫深度越大，在干濕交替作用下強(qiáng)度降低越顯著.圖10（b）采用線性插值方法繪制了干濕交替與既有裂縫共同作用下順紋抗彎試件強(qiáng)度三維曲面圖形，由此圖可知，干濕交替與初始裂縫對抗彎強(qiáng)度均有不利影響，前者影響更為顯著.

圖10 彩色等值線圖與三維曲面圖Fig.10 Color contour and 3D surface plot

圖11 為順紋抗壓試件、順紋抗拉試件、抗彎試件及膠層剪切試件在經(jīng)不同干濕交替次數(shù)后的強(qiáng)度值箱形圖，其中，箱外符號“*”“?”分別表示最大值與最小值；箱內(nèi)符號“?”表示樣本平均值；箱的上邊緣與下邊緣分別為數(shù)據(jù)的上四分位數(shù)與下四分位數(shù)；箱內(nèi)實(shí)線為中值.結(jié)果表明，0 次干濕交替處理試件的強(qiáng)度值分布范圍、最值均顯著高于經(jīng)干濕交替處理的試件；經(jīng)6次干濕交替試件與經(jīng)3次干濕交替試件的箱線在強(qiáng)度坐標(biāo)方面較為接近，表明干濕交替作用一旦發(fā)生，試件強(qiáng)度雖顯著降低，但隨干濕交替次數(shù)增加，試件強(qiáng)度下降速率有放緩趨勢.

圖11 不同干濕交替次數(shù)下各強(qiáng)度指標(biāo)箱形圖Fig.11 Box plot of strength under different times of dry and wet alternation

分別采用指數(shù)函數(shù)與冪函數(shù)擬合得到試件的順紋抗壓強(qiáng)度σC、順紋抗拉強(qiáng)度σT、抗彎強(qiáng)度σB、膠層剪切強(qiáng)度σS與干濕交替次數(shù)N的回歸模型，如表6所示.對比相關(guān)系數(shù)R2可知，不同強(qiáng)度均可采用冪函數(shù)得到較好擬合效果.

表6 強(qiáng)度擬合公式Tab.6 Strength fitting formula

3.2 落葉松膠合木強(qiáng)度時變模型

由于干濕交替6 次與室外曝露5 年的老化程度類似，可通過不同干濕交替次數(shù)對應(yīng)的強(qiáng)度值得到相應(yīng)的室外老化年限，進(jìn)而得到干濕交替次數(shù)與時間的關(guān)系［9，23-24］.基于此，本節(jié)利用老化試驗(yàn)得到的強(qiáng)度衰減模型構(gòu)建了干濕交替次數(shù)與室外老化年限的關(guān)系，推演了不同強(qiáng)度指標(biāo)的時變模型.

3.2.1 無損落葉松膠合木強(qiáng)度時變模型

1） 順紋抗壓強(qiáng)度σC與干濕交替次數(shù)N的回歸模型為：

3.2.2 既有裂縫膠合木抗彎強(qiáng)度退化模型

通過擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到同時考慮干濕交替和既有裂縫影響的順紋抗彎強(qiáng)度回歸模型為：

表7 為擬合計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果，除0次干濕交替作用下λc=6時的誤差偏大外，其余工況誤差均在5%以內(nèi)，表明回歸模型可以得到較好的擬合效果.

表7 擬合值與試驗(yàn)值的誤差統(tǒng)計(jì)Tab.7 Error statistics between fitting value and test value

將式（8）代入式（13）可得到強(qiáng)度值與時間的關(guān)系為：

4 結(jié)論

本文以落葉松層板膠合木為研究對象，采用改進(jìn)的ASTM D1037 六循環(huán)實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)方法研究了干濕交替變化對膠合木物理力學(xué)性能的影響，并基于試驗(yàn)結(jié)果對落葉松膠合木強(qiáng)度時變模型進(jìn)行了推演.主要得到以下結(jié)論：

1）隨干濕交替次數(shù)增加，木材外觀顏色由淺褐色逐漸變?yōu)樯詈稚?，膠合木裂縫會逐漸增多.尺寸越小的試件外觀顏色變化及霉變程度越大，不同紋理組合的試件膠層更易開裂.

2）膠合木各項(xiàng)物理力學(xué)性能隨干濕交替次數(shù)的增加均有不同程度下降，且構(gòu)件強(qiáng)度下降率與干濕交替次數(shù)呈正向關(guān)系.在順紋抗拉、抗壓、抗彎與膠層剪切強(qiáng)度中，膠層剪切強(qiáng)度受干濕交替影響最大，對干濕交替最為敏感.

3）存在裂縫的抗彎試件在經(jīng)歷干濕交替后強(qiáng)度降低，且裂縫深度越大在干濕交替作用下強(qiáng)度降低越顯著.與初始裂縫相比，干濕交替對強(qiáng)度值影響更為顯著.

4）干濕交替次數(shù)與不同強(qiáng)度的關(guān)系均可采用冪函數(shù)擬合.基于干濕交替次數(shù)與時間的對應(yīng)關(guān)系可建立落葉松膠合木順紋抗壓、抗拉、抗彎以及膠層剪切強(qiáng)度的時變模型.