落叶松胶合木干湿交替加速老化试验研究

2023-06-03王娟曹晓庆杨庆山游弘宇祁鑫

湖南大学学报（自然科学版） 2023年5期

王娟，曹晓庆，杨庆山，游弘宇，祁鑫

（1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044；2.结构风工程与城市风环境北京市重点实验室（北京交通大学），北京 100044；3.亚太建设科技信息研究院有限公司，北京 100120；4.重庆大学土木工程学院，重庆 400044）

长期温湿度交替改变会导致木质材料力学性能及胶合界面黏结性能下降［1-4］.针对温湿度交替变化及其长期作用对木质复合材料物理力学性能影响的研究以实验室人工加速老化试验和室外曝露试验为主.国内学者采用不同人工加速老化方法研究了原木、重组材、层板胶合木等材料的力学性能退化规律［5-8］.日本学者通过对比实验室加速老化与室外曝露试验结果，发现基于老化程度的相似性，可构建两种试验方法间的时间等效关系［9］.许多国家和地区根据当地气候特征制定了人工加速老化试验标准用于测试胶合木材料的耐久性［10-11］，如美国国家标准ASTM D1037-96［12］、欧洲标准BS EN 1087-1［13］等.经对比试验发现，ASTM D1037-96 是其中最为严苛的老化方法，其多循环试验方法可较好地反映干湿交替的影响［9，14］.木材强度随时间的变化规律的研究中，最为经典且沿用至今的是Gerhard 累积损伤模型［15］.该模型考虑了时间因素影响下荷载持续效应对木材强度的长期作用，为不同因素耦合作用下木材强度退化模型的研究提供了依据.为研究长期温湿度交替变化对胶合木力学性能的影响，本文以常用国产材落叶松层板胶合木为研究对象，采用改进ASTM D1037-96 老化方法，开展0、3、6 次干湿交替的多组老化试验；分析不同干湿交替次数对胶合木宏观表征及材料密度、顺纹抗压、顺纹抗拉、抗弯以及胶层剪切强度的影响，并基于交替次数与时间对应关系，分别建立了落叶松胶合木顺纹抗压、顺纹抗拉、抗弯及胶层剪切强度的时变模型.

1 试验设计与制备

试验试件为落叶松层板胶合木（图1），由南京工业大学现代木结构实验室制备.试验中将三层落叶松层板沿木材顺纹纤维方向放置，最外侧层板髓心向外.胶黏剂［16-17］采用间苯二酚-酚醛树脂，涂胶量180 g/m2（单面），加压时间40 min，胶合压力1.0 MPa.为排除木材本身材质特性的影响，制作过程首先制备层板胶合木，再切割成试件进行力学性能试验.制作试样最大限度规避了木节、腐朽、裂纹等原始缺陷.

图1 试验用层板胶合木Fig.1 Laminate for testing

采用改进ASTM D1037六循环加速老化法，循环次数分别为0 次、3 次、6 次.一个循环的具体步骤为［18］：1）温水浸泡4 h，水温（49±2）℃；2）干燥3 h，温度（99±2）℃；3）温水浸泡3 h，水温（49±2）℃；4）干燥18 h，温度（99±2）℃.每一循环完成后，试件进行调质处理（调质环境：温度T=（20±3）℃，相对湿度H=65%±1%，调质时间48 h）.密度、顺纹抗压、抗拉、抗弯以及胶层剪切强度检测方法均遵照国家标准［19-21］执行，其中顺纹抗拉强度测试针对最薄弱部位指接位置进行，抗弯强度测试针对带木节试件进行.考虑胶合木板最小厚度20 mm 无法适应规范尺寸要求，故设计力学性能试验试件尺寸见表1，试验过程如图2所示.

表1 试件示意图Tab.1 Diagram of specimen

图2 试验过程Fig.2 Loading process

开裂是木结构构件的常见问题，而受弯构件较易受到裂缝的影响.为进一步明晰干湿交替作用下裂缝损伤对抗弯试件强度退化的影响，增加了包含人工裂缝的抗弯试件，即在试件底面中部制备矩形纵向裂缝.参考《古建筑木结构维护与加固技术标准》（GB/T 50165-2020）［22］中对方木材质等级Ⅱ等材的裂缝深度规定确定，人工裂缝深度不得超过材宽的1/3（即20 mm），依据开裂深度从小到大将人工裂缝深度设置为6 mm、12 mm、18 mm 三个等级进行试验分析.根据试件尺寸选用较常见的裂缝宽度 2 mm，用λc表示裂缝深度h与裂缝宽度b的比值，即λc=h b，故本试验对应裂缝深度6 mm、12 mm、18 mm 的λc分别为3、6 和9.人工裂缝示意图如图3所示.不同力学性能试验工况如表2所示.

表2 试验工况Tab.2 Test conditions

图3 人工裂缝示意图（单位：mm）Fig.3 Diagram of artificial cracks（unit：mm）

2 宏观表征与破坏模式

2.1 宏观表征

湿度的交替变化导致胶合木宏观表征发生明显变化，主要表现为外观颜色变化与干缩裂缝产生.

2.1.1 外观颜色变化

干湿交替使试件经历多次突然失水过程，同时潮湿环节加剧霉腐微生物滋生繁殖，导致各类试件颜色均从浅褐色逐渐加深至深褐色，白色道痕、腐朽斑点从零散斑点逐渐演变成片状斑点.

以抗压试件为例，经3 次干湿交替的试件颜色略呈深褐色，试件局部边缘部位出现少量白色斑点，表面出现少量黑色片状霉斑.经6 次干湿交替的试件颜色进一步加深，试件边缘几乎都出现大面积白色斑点，表面出现大量黑色斑点和大面积腐朽黑色片状斑点，表明干湿交替作用会导致试件颜色的加深及腐朽.不同干湿交替次数后试件的颜色及外观变化情况如表3所示.

表3 不同干湿交替次数的顺纹抗压试件的颜色变化Tab.3 Color change of compressive specimens with different times of dry and wet alternation

2.1.2 干缩裂缝产生

木材特有的吸湿性及其在弦、径向干缩率不同的特性，使得其在干湿交替作用下会产生明显的干缩裂缝.此外，胶合试件纹理组合方式对裂缝的开展也有影响，相较于相同纹理组合的试件，不同纹理组合的试件胶层表现出更易开裂的特点.

仍以抗压试件为例，干湿交替对裂缝开展的影响较为严重，尤其是在髓心部位附近极易出现干缩裂缝.经3 次干湿交替，试件出现沿髓心周边的微小裂缝，少数试件出现胶层开裂.经6 次干湿交替后，裂缝扩展增多，胶层开裂严重，部分层板部位出现了较宽裂缝.不同干湿交替次数后试件的裂缝开展情况如图4所示.

图4 不同干湿交替次数下的顺纹抗压试件裂缝开展Fig.4 Crack development of the compressive specimens under different times of dry and wet alternation

2.2 破坏模式

干湿交替影响下的抗压试件破坏形态如图5 所示.随干湿交替次数增加，层板斜裂缝与沿顺纹方向裂缝有明显增加趋势，加载端面压缩褶皱累积直至出现顺纹方向撕裂，试件整体失稳倾斜.

图5 干湿交替影响下的顺纹抗压试件破坏形态Fig.5 Failure form of compressive specimens affected by the alternation of dry and wet

干湿交替影响下的抗拉试件破坏形态如图6 所示，破坏主要集中在指接处.0 次、3 次干湿交替试件的破坏形态为指接胶缝处胶层复合破坏，经6 次干湿交替后试件在指接处指根完全断裂.

图6 干湿交替影响下的顺纹抗拉试件破坏形态Fig.6 Failure form of tensile specimens affected by the alternation of dry and wet

干湿交替影响下的抗弯试件破坏形态如图7所示，随干湿交替增加，受拉区出现斜裂缝且有向胶层扩展的趋势，而受压区出现细小裂缝或褶皱裂缝，未出现较宽斜裂缝.

图7 干湿交替影响下的抗弯试件破坏形态Fig.7 Failure form of bending specimens affected by the alternation of dry and wet

3 结果与分析

3.1 干湿交替对物理力学性能的影响

3.1.1 密度

用于各项力学性能试验的试件在经不同干湿交替次数时的密度如表4 所示，表中分别表示0、3、6 次干湿交替后试件密度平均值，分别表示0 次与3 次、0 次与6 次干湿交替相比密度的变化率.由表4 可知，随干湿交替次数增加，各类不同试件密度均呈现下降趋势；试件尺寸越大，干湿交替对其密度影响越大，密度下降越显著，具体表现为，胶层剪切与顺纹抗压试件在干湿交替影响下的密度变化较小，顺纹抗拉、抗弯试件经干湿交替后密度下降幅度较大.

表4 不同干湿交替次数下的密度及其变化率Tab.4 Density and rate of change under different times of dry and wet alternation

3.1.2 强度指标

根据《木材顺纹抗压强度试验方法》（GB/T 1935—2009）［20］和《结构用集成材》（GB/T 26899—2011）［21］的规定，将顺纹抗压强度值、抗弯强度值和胶层剪切强度值换算为含水率为12%时的强度值，顺纹抗拉强度值无须统一换算.顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度、抗弯强度及胶层剪切强度平均值及不同干湿交替次数后的变化率如表5所示.

表5 不同干湿交替次数下的强度及其变化率Tab.5 Strength and rate of change under different times of dry and wet alternation

随干湿交替次数增加，试件各类强度值均呈显著下降趋势；强度变化率较更大，表明构件强度下降率与干湿交替次数呈正向关系.胶层剪切强度在无损试件各类强度中的下降率最低，表明胶层剪切强度对干湿交替最为敏感.

分别对未处理材、干湿交替3 次以及干湿交替6次的试件进行横向切片，得到扫描电镜图，如图8 所示.随干湿交替次数增加木材细胞壁的裂纹增多，木材细胞壁结构逐步趋于破坏.

图8 不同干湿交替次数试件横切面扫描电镜图Fig.8 Scanning electron microscope image along cross section under different times of dry and wet alternation

不同干湿交替次数作用下的胶合界面扫描电镜图如图9 所示，其中胶合界面被圈出.未进行干湿交替处理的试件胶层区域无孔洞，胶黏剂与细胞壁之间紧密接触；3 次干湿交替处理后，胶层区域出现孔洞，胶黏剂与细胞壁之间产生缝隙；当干湿交替次数达到6 次后，胶层区域的孔洞与缝隙进一步增大.反复干湿交替作用加剧了胶黏剂的固化收缩，胶黏剂与细胞壁之间出现的缝隙对胶层抗剪能力有明显削弱作用.

图9 不同干湿交替次数试件胶合界面扫描电镜图Fig.9 Scanning electron microscope image of interface under different times of dry and wet alternation

针对抗弯试件，如表5 及图10（a）的等值线图所示，存在裂缝的试件无论是否经历干湿交替，其强度值均小于无裂缝试件，且裂缝深度越大，在干湿交替作用下强度降低越显著.图10（b）采用线性插值方法绘制了干湿交替与既有裂缝共同作用下顺纹抗弯试件强度三维曲面图形，由此图可知，干湿交替与初始裂缝对抗弯强度均有不利影响，前者影响更为显著.

图10 彩色等值线图与三维曲面图Fig.10 Color contour and 3D surface plot

图11 为顺纹抗压试件、顺纹抗拉试件、抗弯试件及胶层剪切试件在经不同干湿交替次数后的强度值箱形图，其中，箱外符号“*”“•”分别表示最大值与最小值；箱内符号“▫”表示样本平均值；箱的上边缘与下边缘分别为数据的上四分位数与下四分位数；箱内实线为中值.结果表明，0 次干湿交替处理试件的强度值分布范围、最值均显著高于经干湿交替处理的试件；经6次干湿交替试件与经3次干湿交替试件的箱线在强度坐标方面较为接近，表明干湿交替作用一旦发生，试件强度虽显著降低，但随干湿交替次数增加，试件强度下降速率有放缓趋势.