低温环境下桦木顺纹抗压强度的研究

江京辉，于争争，赵丽媛，吕建雄，赵有科*

(1.中国林业科学研究院木材工业研究所，北京100091；2.北京林业大学材料科学与技术学院，北京100083)

低温环境下桦木顺纹抗压强度的研究

江京辉1，于争争2，赵丽媛1，吕建雄1，赵有科1*

(1.中国林业科学研究院木材工业研究所，北京100091；2.北京林业大学材料科学与技术学院，北京100083)

为揭示不同水分状态木材在低温环境下的力学强度变化规律，研究了5种水分状态(饱水、生材、纤维饱和点、气干、绝干)桦木木材在0～-196℃低温环境下的顺纹抗压强度，并与室温环境下(20℃)的5种水分状态木材顺纹抗压强度进行比较。结果表明，在低温(0～-196℃)环境下，随着测试环境温度的降低，木材顺纹抗压强度增加，在-196℃环境下，5种水分状态的桦木顺纹抗压强度比室温环境下分别增加821.24%，718.05%，632.87%，223.75%和95.28%。木材顺纹抗压强度与温度呈线性关系，其斜率代表了顺纹抗压强度随温度变化的增加率，即木材含水率越高，随着低温温度的降低，顺纹抗压强度增速越大。在低温环境下，木材细胞中水分形成的冰柱，是木材顺纹抗压强度增加的主要原因。对绝干材而言，木材细胞壁上纤维和纤维胶着物质发生硬化，是其顺纹抗压强度增加的主要原因。

低温环境；桦木；顺纹抗压强度；含水率

温度是影响木材强度的重要因素之一。正温度环境下(高温度环境下)对木材以及其他生物质材料强度影响的研究很多[1-3]，其目的是为它们在火灾中的力学性能评价提供基础数据。由于地球上可以利用的土地和资源有限，随着人类向极地和太空的迈进，低温下材料的性质也越来越成为研究的重点。我国东北地区的最低气温纪录为-53.4℃，南极地区的最低温度记录为-68.2℃，运输液化天然气(LNG)木质储存箱体中温度为-162℃，这为木材与木制品在低温下使用提出新的要求。

在低温环境下，木材的抗弯弹性模量(MOE)和抗弯强度(MOR)，随着温度的降低而升高[4-5]，Green等[6]在研究锯材MOE的温度调整公式时发现，当锯材含水率为12%时，随着温度降低其MOE升高，它们呈线性关系；当锯材为生材时，锯材MOE与温度呈分段线性关系，不同温度段的斜率不同，也就是说，木材含水率不同，温度每降低1℃，MOE和MOR升高的比率不同。课题组前期研究结果表明，在低温(0～-196℃)环境下，除绝干木材外，饱水材、生材、纤维饱和点和气干材等4种木材的MOE和MOR均随着温度的降低而显著增加[7]。对于顺纹抗压强度而言，在温度-196～20℃的范围内，全干和气干木材的顺纹抗压强度随着温度的降低而升高，它们之间呈线性关系[4,8]。在负温度下，木材组织内的水分会结冰，使生材的冲击韧性降低，气干材冲击韧性升高；湿材因水分在木材组织内结冰增加其强度，有数据显示含水率在纤维饱和点以上的木材，冷冻松木的冲击韧性降低46%，栎木降低9%，桦木未降低，由此可见低温对不同树种木材冲击韧性的影响各不相同[4]。温度对顺纹抗拉强度的影响没有其他力学性质明显，特别是木材含水率低时，顺纹抗拉强度所受影响不像顺纹抗压强度那样明显[4]。木材含水率也是影响其强度的重要因素之一。在室温下，当木材含水率在纤维饱和点以上时，木材强度保持稳定；在纤维饱和点至绝干状态时，其强度都随着含水率的降低而升高[4]。但在0～-196℃低温下不同水分状态对木材强度影响研究很少。前期课题组研究了0～-196℃低温下不同水分状态对木材MOE和MOR影响，本试验主要研究5种不同水分状态(饱水材、生材、纤维饱和点、气干材和绝干材)木材在0～-196℃低温下顺纹抗压强度变化规律，以期为木材在低温环境下的应用提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

桦木采自吉林敦化，胸径约30 cm，生材含水率67%±3%，气干密度0.57 g/cm3。参照GB/T 1935—2009《木材顺纹抗压强度试验方法》制作试样，其含水率调整如下：饱水材，将生材试样置于水中至少2个月，至试样质量不再增加，含水率为136%；生材，砍伐的原木制成试样后在冷库(-6℃)保存，含水率为67%；纤维饱和点，将生材气干2个月，置于底部盛有蒸馏水的双层密闭容器中直至平衡，含水率为29%；气干材，将生材气干2个月，置于温度20℃和相对湿度65%的恒温恒湿箱中至平衡，含水率为12%；绝干材，将生材气干2个月，置于103℃的烘箱干燥直至平衡，含水率接近0%。

试验所选测试温度为20，0，-30，-70，-110，-160和-196℃。20℃为室温，0℃为水的液态和固态分界点；我国东北地区冬季较低温度约-30℃甚至更低；南极地区最低温度可达-68.2℃，因而选取-70℃作为试验温度点；水的玻璃化转变温度为163 K(-110℃)，因而选择-110℃作为试验考察点；液化天然气的温度为-163℃，选择-160℃作为温度点；液氮的温度为-196℃。测试温度在20～110℃环境内，力学试验机型号Instron 5582；在-110～-196℃(液氮)温度环境内，试验机型号为MTS-SANS，两台设备精度相同。每种含水率状态试样需测试7个温度点的顺纹抗压强度，重复数为10，所有试样都来自同一块板材。

1.2 测试方法

将桦木顺纹抗压试样置于低温环境箱中进行降温，低温箱内放置2个温度传感器，其中一个温度传感器测试箱内的环境温度，另一个温度传感器置入桦木测温试样中心，其尺寸与力学测试试样相同，当测温试样的中心温度达到预定温度时，保温30 min后开始测试，测试时加载速度为1 mm/min。对照组在室温(20±2)℃环境下进行顺纹抗压强度的测试。将测试完的顺纹抗压试样立即放置于自封袋内，置于室温(20±2)℃环境下，待试样温度升至室温时，按照GB/T 1931—2009《木材含水率测定方法》进行含水率的测定。

2 结果与分析

在不同低温环境下，测试5种含水率状态桦木木材顺纹抗压强度，结果见表1。在负温度下，随着温度的降低，饱水材、生材、纤维饱和点、气干材、绝干材等5种含水率状态的桦木木材顺纹抗压强度逐渐增大。与20℃时顺纹抗压强度相比，饱水材、生材、纤维饱和点、气干、绝干状态桦木的顺纹抗压强度在低温环境下最大增加率分别为893.90%，718.05%，632.87%，223.75%，95.28%，对应温度分别为-160，-196，-196，-196和-196℃。在同一含水率状态下，对不同温度下的木材抗压强度进行Duncan多重比较，结果如表1所示。在20～-196℃环境下的7个温度测试点，饱水材的顺纹抗压强度之间存在显著性差异，即随着温度的降低，其强度值呈显著性增加；对于绝干材顺纹抗压强度而言，20与0℃之间差异显著，-30，-70，-110和-160℃ 4种低温环境下顺纹抗压强度之间差异不显著，-196℃环境下顺纹抗压强度值最大，并与其他6个温度测试点存在显著性差异；从表1中可知，木材含水率越高，随着测试环境温度的降低，其顺纹抗压强度呈显著性增加趋势。

表1 不同低温下桦木顺纹抗压强度

注：括号内为变异系数，单位为%；字母为多重比较。

在20℃测试环境中，绝干材顺纹抗压强度最大，为76.66 MPa，其后依次是气干材、纤维饱和点木材、生材，而饱水材的顺纹抗压强度最小，仅为19.68 MPa。这是由于在室温下，当含水率在纤维饱和点以下时，随着含水率的下降，木材发生干缩，胶束之间引力增大，内摩擦系数增高且单位体积重量增大，因而导致木材力学强度增加，而当含水率高于纤维饱和点时，木材力学强度则不受含水率的影响[4]。

随着木材含水率的升高，低温环境下温度的降低，顺纹抗压强度增加的速度越快，增加量也越大。以饱水、纤维饱和点和绝干等3个含水率状态木材为例，当试样温度降至0℃时，与20℃相比，3种含水率木材顺纹抗压强度分别增加了104.12%，37.04%和20.30%，当温度降至-196℃时，顺纹抗压强度分别增加了821.24%，632.87%和95.28%；从顺纹抗压强度增加速度与增加量来说，饱水材增加最大，其次是纤维饱和点木材，最小的是绝干木材。当温度降至-70℃时，饱水状态的桦木顺纹抗压强度接近于绝干材的顺纹抗压强度。根据前人研究结果显示，在温度20～-196℃的范围内，木材顺纹抗压强度与温度呈线性关系[4,8]。不同含水率状态木材顺纹抗压强度(Y)与温度(X)回归方程，如表2所示，从回归方程的决定系数来看，顺纹抗压强度与温度呈线性关系，该结果与前人研究结果相一致。回归方程斜率代表了顺纹抗压强度随温度变化的增加率，饱水材、生材、纤维饱和点木材、气干材和绝干材的斜率分别为-0.820，-0.715，-0.653，-0.471和-0.273。也就是说，顺纹抗压强度的增加率大小依次是饱水材、生材、纤维饱和点木材、气干材和绝干材，即木材含水率越高，随着低温温度的降低，其顺纹抗压强度增速越大。因而，根据木材的含水率和室温下顺纹抗压强度，可推出木材在低温环境下的顺纹抗压强度，为木材在低温下应用提供安全保障。

表2 低温下顺纹抗压强度与温度的回归方程

温度是影响木材分子热运动的主要因素，当木材温度发生改变，会引起木材内部能量变化，进一步影响分子间的平均距离，该现象称为木材的热膨胀。在负温度下，一方面由于冰晶的形成引起木材尺寸膨胀，另一方面，由于细胞壁内尚未冻结的水分向细胞腔的移动引起木材尺寸的低温干缩，同时，在低温下，随着温度的降低，分子间距离将减小，在宏观上也表现为试样的收缩，因而木材的热膨胀性能会引起低温下木材力学性能的变化。前期研究结果表明，由于计算低温环境下木材力学强度的尺寸是室温环境下的木材尺寸，根据低温下热膨胀系数，对低温环境下木材尺寸进行修订，不同水分木材MOE和MOR的实际值均比计算值大1%左右[9]，继而推测，不同水分木材的实际顺纹抗压强度值也比计算值大1%。

木材在低温环境下力学强度的增加主要包括三方面的原因：1)当木材置于低温环境中时，木材内部的水分会结冰[10-11]。Kuroda等[10]采用低温扫描电子显微镜对阔叶树种细胞结构进行观察，发现在-30℃时，木射线薄壁细胞内存在着大量的冰晶。在低温环境下(-180℃)，利用低温扫描电镜观察饱水材和绝干材试样，结果发现饱水木材的细胞腔中充满水，在低温下形成了特殊的冰柱；绝干木材由于不含水分，其细胞腔呈现中空状态[7]，如图1所示。冰的强度随着温度的降低而增加，强度与温度的关系式：σ=9.4×105(d-1/2+3|θ|0.78)，式中，d为冰晶直径(cm)，θ为温度(℃)[12]。木材孔隙被强度较高的冰所填实，因而导致了木材强度的增加。2)木材纤维素无定形区分子链上处于游离状态的羟基易于吸附极性的水分子，与其形成氢键结合，半纤维素的主链和侧链上也含有较多羟基和羧基等亲水性基团，其表面对水分有较强的吸引作用[13]。同时随着温度的降低，木材发生收缩，当温度进一步降低，木材中水分变成冰后，分子间距离减小，导致结合力增加[14]，在0℃以下时，水分子像胶黏剂一样强化了纤维素纤维之间的连接，从而导致了木材力学强度的增强[15]。3)在低温环境下木材细胞壁上纤维和纤维胶着物质发生硬化[16]，是引起绝干材在低温环境下力学强度增加的原因之一。木材试样在低温环境下力学强度的增加主要是以上3种作用的叠加效果。

图1 饱水(a)和绝干(b)试样的低温扫描电镜图Fig. 1 Low-temperature scanning electron micrographs of water-saturated (a) and oven-dried (b) wood specimens

3 结 论

通过研究5种含水率状态的桦木在0～-196℃低温环境下顺纹抗压强度的变化，得出以下结论：

1)随着测试环境温度的降低，木材顺纹抗压强度增加。在液氮(-196℃)环境下，饱水、生材、纤维饱和点、气干、绝干状态的桦木在低温环境下顺纹抗压强度分别为181.30，164.10，158.30，153.20和149.70 MPa，与室温(20℃)时相比，增加率分别为821.24%，718.05%，632.87%，223.75%和95.28%。

2)在低温(0～-196℃)环境下，木材顺纹抗压强度与温度呈线性关系，斜率代表了顺纹抗压强度随温度变化的增加率，即木材含水率越高，随着低温温度的降低，其顺纹抗压强度增速越大。

3)在低温环境下，木材中水分形成的冰柱，是木材顺纹抗压强度增加的主要原因；对绝干材而言，木材细胞壁上纤维和纤维胶着物质发生硬化，是其顺纹抗压强度增加的主要原因。

致 谢：中国林业科学研究木材工业研究所周永东研究员和邢新婷副研究员对本研究的帮助与支持。

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Study on compression strength parallel to grain ofbirch wood at low temperature

JIANG Jinghui1, YU Zhengzheng2, ZHAO Liyuan1, LYU Jianxiong1, ZHAO Youke1*

(1.ResearchInstituteofWoodIndustry,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China; 2.CollegeofMaterialScienceandTechnology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

The objective of this study was to investigate the effect of low temperature (-196-0℃) on compression strength parallel to the grain (CSPG) of birch. The CSPG with five different moisture contents (MC) that were water-saturated, green, fiber-saturated, air-dried and oven-dried were analyzed from -196℃ to 0℃. The five moisture contents were 136%, 67%, 29%, 12% and near to 0%. All specimens with a dimension of 20 (R) ×20 (T) ×30 (L) mm were cut from one piece of board. Seven temperatures were -196℃ (liquid nitrogen), -160℃, -110℃, -70℃, -30℃, 0℃ and 20℃, being used in the experiments. The results showed that, when the temperature was below 0℃, the CSPG of specimen increased with the decreasing temperature. When the temperature decreased from 20℃ to -196℃, the CSPG of the birch wood with five different moisture contents increased by 821.24%, 718.05%, 632.87%, 223.75% and 95.28%, respectively. The relationships between the CSPG and temperature could be described by a linear for the five MC levels of wood. The slope of the line increased with the increase of the MC, in other words, the higher the MC, the faster increase in CSPG at the same low temperature. One of the primary reasons was that the frozen ice in the wood cell walls and lumens increased the CSPG of wood at low temperatures. The MC of the oven dry wood was near to 0%. When the test temperature reduced, the fiber and fiber glue materials of wood cell hardening was the main reason for the increase of the CSPG.

low temperature; birch wood; compression strength parallel to grain; moisture content

2016-12-05

2017-02-23

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(CAFINT2013C09)。

江京辉，男，博士，副研究员，研究方向为木材湿热处理。通信作者：赵有科，男，副研究员。E-mail:youke_zhao@hotmail.com

TB35

A

2096-1359(2017)04-0030-04