糠醇和玻璃纤维处理对木材弯曲蠕变的影响

2020-03-12董春雷荣春林张本刚

建筑材料学报 2020年1期

张尚，董春雷，窦玲，荣春林，张本刚

(1.西南林业大学材料科学与工程学院，云南昆明 650224； 2.云南创合木屋有限公司，云南昆明 650228)

木材是黏弹性材料，在受到荷载作用时会出现其变形随时间的延长而不断增大的现象，称为蠕变.木材在恒温恒湿环境下发生的蠕变为普通蠕变(normal creep，NC),在变湿环境下发生的蠕变为机械吸附蠕变(mechanical sorptive creep,MSC)[1-3].但无论是NC还是MSC均有可能造成木材形变量的超限和强度的下降，进而危及其正常服役期内的使用性能和结构安全.木材的抗弯曲蠕变性能(一般用弯曲蠕变挠度来衡量)在工程应用上至关重要，目前在ASTM-D6815-02a《Standard specification for evaluation of duration of load and creep effects of wood and wood-based products》中已经成为评价木材抗蠕变能力的主要指标.因此，如何减缓木材弯曲蠕变挠度的增大是提高木材设计使用寿命和结构可靠性的重要途径.

除去木材自身材性不同导致其抗弯曲蠕变性能有差异外，外加荷载和木材含水率也是影响木材弯曲蠕变挠度的关键因素[4-6].在含水率对木材蠕变性能的影响方面，研究发现木材之所以会产生蠕变挠度，其根本原因在于木材的纤维素非结晶部分、半纤维素和木质素分子链的羟基、羰基和羧基等极性基团能够与水分子结合，而水分子的进入切断了这些分子间的氢键连接，使得木材中上述物质的“自由体积”增加、分子链的延展性增强和分子间键能减弱，造成分子链之间的滑移以及细胞壁壁层结构之间的松弛.因此，通过物理阻隔的方法减缓或阻止水分进入木材内部和通过化学处理的方法减少木材内部能与水分子结合的基团，就可以减弱木材的蠕变效应.Ozarska等[7]通过在定向刨花板表面粘贴浸渍纸的方法，减缓了水分进入刨花板中，使得定向刨花板弯曲蠕变挠度降低了10%.徐咏兰等[8]将杨木单板和玻璃纤维布浸胶处理后压制成复合板(laminated veneer lumber，LVL)，其弯曲蠕变挠度与未处理的LVL相比降低了44.68%.程秀才等[9]用氨溶季胺铜(ACQ-D)防腐剂处理杨木，由于ACQ-D防腐剂提高了杨木的吸湿性，导致其蠕变挠度比未处理的杨木提高了62.5%.

何莉[10]、陈太安等[11]和李万菊[12]发现糠醇改性对木材水分的影响主要体现在两个方面：一方面是通过物理阻隔的方式减缓或阻止水分进入木材内部；另一方面是阻止水分和木材中自由羟基的反应.前者以物理填充为主要方式，即以相对分子质量较低的糠醇填充导管、管饱及细胞壁上的纹孔和细胞腔，从而减少或阻止水分进出木材；后者以化学反应为主要方式，即通过糠醇的羟甲基与木材细胞壁组分中的羟基发生取代反应.但遗憾的是，糠醇改性对木材蠕变的影响还鲜有报道.

木材的黏弹性使其极易发生蠕变，而通过与几乎不会发生蠕变的高强度材料复合的方式组成复合材料，在理论上可以有效增强木材的抗蠕变性能[13].木材弯曲受力时，因其上下表面在分别承受最大压/拉应力的同时又最易受环境温湿度的影响而快速发生吸湿和解吸，故这两部分也最易发生蠕变，从而加速木材整体的弯曲蠕变进程.将强度高且不发生蠕变的无机刚性材料粘贴在木材的上下表面，可以延缓木材表面的蠕变进程，进而提高其整体抗弯曲蠕变能力.徐咏兰等[8]对玻璃纤维增强LVL进行蠕变分析，发现玻璃纤维增强LVL的蠕变挠度比未处理LVL降低了44.68%.张富文等[14]通过在木梁表面粘贴钢板并进行 1200d 荷载试验，发现其蠕变挠度较未处理木梁降低了29.72%.

本文研究糠醇改性和玻璃纤维增强这2种方法对木材弯曲蠕变性能的影响，以探索改善木材抗弯曲蠕变性能的有效途径，为提高结构材耐久性提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 材料

人工林意杨(populus，P)，产地江苏宿迁，按照GB/T 1929—2009《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》规定，加工成尺寸为120mm×10mm× 5mm 的试件，绝干密度为448.21kg/m3，绝干顺纹抗弯强度为123.1MPa，弹性模量为 7900MPa；E型玻璃纤维布(厚度为1mm、弹性模量为 72000MPa) 购于江西德华玻纤有限公司；环氧树脂AB型胶黏剂购于杭州五会港胶黏剂有限公司；KH550氨基硅烷偶联剂(质量分数为97%)购于南京联硅化工有限公司；主剂糠醇(furfurylation)购于上海金山亭新化工试剂厂；催化剂马来酸酐(maleic anhydride)购于阿拉丁试剂(上海)有限公司；稳定剂四硼酸钠(sodium tetraborate)购于天津市风船化学试剂科技有限公司.

1.2 仪器设备

含空气压缩机和真空泵的浸渍反应釜；数显鼓风式电加热干燥箱；称量天平(精度0.0001g)；Binder气候箱，湿度精度2.0%，温度精度0.1℃；自行设计的蠕变测试装置如图1所示，蠕变挠度测量精度为0.001mm；自行编制蠕变挠度数据采集程序，数据采集间隔最小为1s.

图1 蠕变测试装置Fig.1 Creep test device

1.3 试验方法

1.3.1糠醇处理

按照糠醇:马来酸酐∶硼砂质量比为1.00∶ 0.06∶ 0.01配制好糠醇质量分数为30%的浸渍液.首先将试件在真空度为0.06MPa的浸渍反应釜中处理30min；随后立即倒入浸渍液，在反应釜压力为 0.4MPa 的浸渍液中加压处理120min；接着在真空度为0.06MPa的浸渍反应釜中处理30min；浸渍完成后用铝箔包裹试件，置于103℃烘箱内固化 3h，去除铝箔；最后将试件置于(103+2)℃干燥箱中干燥 24h，得到糠醇改性意杨(furfurylation populus, FP).

1.3.2玻璃纤维增强处理

首先将裁剪好的玻璃纤维布放在洗衣粉质量分数为2%的沸水中蒸煮4h脱蜡，干燥待用；再将涂有环氧树脂(涂胶量320g/m2)和偶联剂(环氧树脂质量的1%)的玻璃纤维布在预张紧后粘贴在意杨上下表面，冷压固化24h，得到玻璃纤维增强意杨(glass fiber reinforced populus,GFRP).

1.3.3力学性能测试

依据GB/T 1936.1—2009《木材抗弯强度测试方法》和GB/T 1936.2—2009《木材抗弯弹性模量测定方法》分别测定P、FP和GFRP的抗弯强度、弹性模量和最大破坏载荷.

1.3.4蠕变试验设计

本研究以四点弯曲加载方法分别测试P、FP和GFRP这3组试件的弯曲蠕变以及蠕变恢复过程中的挠度.每组3条试件，其中2条作为弯曲蠕变的试件，另外1条用于间接测试蠕变试件的含水率.第1批3组蠕变试件的加载水平分别为该组试件静曲强度的35%(用σ0.35来表示，其值分别为71.7、62.3、146.3N)，第2批3组蠕变试件的加载水平统一为P静曲强度的35%(σ0.35P= 71.7N).蠕变试验的环境温度(t)和相对湿度(RH)由Biner气候箱精确控制.弯曲蠕变挠度由线性位移传感器实时测量，测量点设置如图2所示，测得试件上下表面位移量的平均值即为该试件的蠕变挠度.

图2 试验设备及蠕变测试示意图Fig.2 Creep test schematic and experimental equipment(size:mm)

(1)普通蠕变测试方法.将精选的绝干试件按图2所示的加载方式置于t=20℃和RH=65%的Binder气候箱中，加载 168h 后卸载，当所有试件的弯曲蠕变挠度不发生变化后停止试验.试件的弯曲蠕变挠度每隔10s记录1次.

(2)机械吸附蠕变测试方法.先将精选的绝干试件按图2所示的加载方式置于Binder气候箱中；然后将3组试件置于t=20℃和RH=98%的Binder气候箱中加载10h；随后迅速将气候箱调为t=20℃和RH=65%，并让所有试件在此条件下解吸蠕变10h；重复上述操作步骤使所有试件发生吸湿蠕变和解吸蠕变各3次.试件的弯曲蠕变挠度每隔 10s 记录1次.

2 结果与分析

2.1 糠醇改性和玻璃纤维增强对木材普通蠕变的影响

图3是P、FP和GFRP在加载应力水平分别为各自静曲强度35%(σ0.35)条件下的普通蠕变及蠕变恢复曲线.图4是木材典型普通蠕变及恢复示意图.

图3 加载应力水平σ0.35下P、FP和GFRP的普通蠕变和蠕变恢复曲线Fig.3 Normal creep and creep recovery curves of P, FP and GFRP under σ0.35 load

图4 木材典型普通蠕变和蠕变恢复曲线示意图 Fig.4 Wood typical normal creep and creep recovery curves

由图3，4可见：无论是FP还是GFRP，其普通蠕变以及蠕变恢复的变化规律均与经典的木材NC规律相同；FP和GFRP的最大蠕变挠度相对于P分别减少了36.93%和21.97%.

P、FP和GFRP的蠕变挠度恢复特性如表1所示.表中RE为弹性恢复挠度与最大蠕变挠度的比值，RV为黏弹性恢复挠度与最大蠕变挠度的比值，RVf为黏性永久挠度与最大蠕变挠度的比值.

表1 蠕变恢复特性对比

图5是P、FP和GFRP在加载应力水平均为P静曲强度35%(σ0.35P)条件下的弯曲普通蠕变及蠕变恢复曲线.

图5 加载应力水平σ0.35P下P、FP和GFRP的普通蠕变和蠕变恢复曲线Fig.5 Normal creep and creep recovery curves of P，FP and GFRP under σ0.35P load

由图5可知：FP和GFRP的整个蠕变规律与木材典型普通蠕变及蠕变恢复规律基本相同，但FP和GFRP最大蠕变挠度相对于P分别减少了38.00%和66.25%.

由图3和图5可知：意杨经糠醇改性和玻璃纤维增强处理后的弯曲蠕变性能均比未处理的意杨要好很多.一方面糠醇改性和玻璃纤维处理后的意杨吸湿性均降低(见图6)，FP和GFRP的含水率(MC)与P相比减少了47.19%和57.62%.未处理意杨导管壁上的纹孔清晰可见(见图7(a))，而糠醇改性意杨的纹孔几乎全被填充(见图7(b)).由于木材导管壁上的纹孔被填充，从而减缓或阻止了水分进入木材内部，因此糠醇改性能有效阻止或减缓木材弯曲蠕变的发生.另一方面玻璃纤维具有很高的弹性模量，可以显著提高木材的强度和刚度.当木材弯曲受力时，其上下表面在分别承受最大压/拉应力的同时又最易受环境温湿度的影响而快速发生吸湿和解吸，造成木材表面在弯曲蠕变中最容易被破坏.当木材上下表面粘贴玻璃纤维布后，其较高弹性模量和对温湿度的不敏感，一方面提高了木材的承载能力，另一方面又减少了温湿度对木材弯曲蠕变的影响，因此在木材表面粘贴玻璃纤维布能有效阻止或减缓木材弯曲蠕变的发生.

图6 P、FP和GFRP的含水率Fig.6 Water content of P,FP and GFRP

图7 P和FP导管壁上纹孔的SEM照片Fig.7 SEM photos of pits on the ressed wall of P and FP

2.2 糠醇改性和玻璃纤维增强处理对木材机械吸附蠕变的影响

图8是P、FP和GFRP在加载应力水平分别为各组静曲强度35%的条件下的机械吸附蠕变曲线.由图8可知：FP和GFRP的最大蠕变挠度相对于P分别减少了81.49%和75.56%.图9是P、FP和GFRP在加载应力水平均为σ0.35P条件下的机械吸附蠕变曲线.由图9可知：FP和GFRP的最大蠕变挠度相对于P分别减少了78.88%和85.22%.

图8 加载应力水平σ0.35下P、FP和GFRP的机械吸附蠕变曲线Fig.8 Mechanical sorptive creep curves of P,FP and GFRP under σ0.35 load

图9 加载应力水平σ0.35P下P、FP和GFRP的机械吸附蠕变曲线Fig.9 Mechanical sorptive creep curves of P,FP and GFRP under σ0.35P load

从图8和图9可知：在湿度交替变化的情况下，GFRP和FP的蠕变总体趋势未表现出木质材料机械吸附蠕变规律，反而与木质材料普通蠕变行为相似.这是因为糠醇改性意杨的纹孔几乎被填充(见图7(b))，阻止了水分进出意杨；玻璃纤维布较高的弹性模量和对温湿度的不敏感，一方面提高了木材的承载能力，另一方面又减少了温湿度对木材弯曲蠕变的影响.因此，意杨经过糠醇改性或玻璃纤维增强处理以后，其机械吸附蠕变大大弱化或消失，可以将其在变湿环境下的机械吸附蠕变当作普通蠕变对待.

但本试验中P在变湿环境下，第1个吸湿阶段表现出挠度快速增加的现象，在随后的解吸阶段蠕变挠度有明显变大趋势，而吸湿阶段蠕变挠度的增长趋势虽然变小，但仍在继续增大.这与木材典型的机械吸附蠕变现象有所不同，主要原因是本试验采用的荷载是意杨在绝干状态下静曲强度的35%，而变湿试验中吸湿阶段和解吸阶段意杨的最终平衡含水率分别为12.0%和26.7%，因此意杨的实际加载水平远高于35%，另外，本试验和Huang[15]的研究均表明，木材在高应力水平下的机械吸附蠕变挠度无论是吸湿阶段还是解吸阶段均呈增大趋势.为此本试验还安排了意杨在加载水平分别为其静曲强度的5%(σ0.05P)、10%(σ0.10P)和15%(σ0.15P)条件下的变湿环境蠕变试验，结果如图10所示.由图10可见：在荷载水平为静曲强度的15%和35%时，意杨的机械吸附蠕变挠度无论是吸湿阶段还是解吸阶段均呈增大趋势；在荷载水平为σ0.05P和σ0.10P时，除了首次吸湿阶段外的吸湿阶段蠕变挠度均减少，解吸过程蠕变挠度均增大，但总体蠕变挠度呈增大趋势，表现出机械吸附蠕变的特征.