工业化高温改性木材的力学性能

岳 孔, 陈 强, 贾 翀, 程秀才, 汤丽娟, 刘伟庆, 陆伟东

(1.南京工业大学土木工程学院，江苏 南京 211800；2.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；3.南京市产品质量监督检验院，江苏 南京 210019)

环境湿度变化不仅会导致木材含水率变化，也会使木材产生内应力，引起翘曲变形、开裂；而且含水率升高会使木材力学性能下降、变形增大[1],易受菌、虫等微生物的侵染.因此，在高湿度环境中需要考虑环境对木材的影响.国家标准[2]规定，当使用中的胶合木构件含水率大于15%时，构件的强度设计值和弹性模量均应下调20%，以保证使用的安全性.

以水蒸气、惰性气体或空气、热油等为导热介质，在160～250 ℃的高温条件下，对木材进行高温改性，能改善其尺寸稳定性与防腐防虫性能，还能使木材颜色呈现多样化[3-6].丁涛等[7]采用常压和0.35 MPa压力两种水平的工艺，开展了厚度均为26 mm的樟子松(205 ℃)和柞木(185 ℃)的蒸汽热改性试验，结果表明，热处理后樟子松弹性模量略有下降，柞木弹性模量略有提高，但影响不显著；相对于压力热处理，常压热处理对试件强度影响更小；常压热处理后，试件顺纹抗压强度提高，但抗弯强度明显下降.李慧明等[8]对南方松、樟子松等针叶树材和水曲柳、柞木等阔叶树材分别进行热改性试验，结果表明，经过热处理，试样的顺纹抗压强度和抗弯弹性模量升高，但抗弯强度和冲击韧性降低.

虽然高温处理一般会降低木材的力学性能，但当处理温度在200 ℃以下时，力学性能下降幅度较小，但某些力学性能如抗弯弹性模量等略有提高[7,9].由于国产速生杨木尺寸稳定性较差，较少以实木状态直接使用，建筑结构中采用的强度等级较高的落叶松在使用过程中常因环境条件的变化发生开裂等[10]；热处理材具有良好的尺寸稳定性和耐久性，适于在高湿度条件下使用.本文以200 ℃的工业化热处理国产速生杨木、俄罗斯进口兴安落叶松木材为研究对象，建立不同湿度下热处理改性材的力学性能指标体系，为工业化高温改性木材的应用研究提供依据.

1 材料与方法

1.1 供试材料

速生杨木I-69杨采购自江苏宿迁泗阳，树龄12 a，胸径45 cm.试件取自植株主干中部边材无疵部位，试件平均年轮宽度7.5 mm，尺寸为40 mm×100 mm×3 000 mm，木材平均含水率为11.5%.兴安落叶松(Larixgmelinii)为俄罗斯进口规格材，尺寸为40 mm×140 mm×3 000 mm，购自中意森科木结构有限公司，试件平均年轮宽度1.3 mm，木材平均含水率为8%.

1.2 仪器

WDW-50E型微机控制电子万能试验机由济南法恩试验仪器有限公司提供；DH3816型静态应变箱由东华测试技术股份有限公司提供；BX120-50AA型应变片由浙江黄岩测试仪器厂提供；BLR-1型拉压力传感器由上海华东电子仪器厂提供.

1.3 方法

1.3.1 木材高温改性 在浙江世友地板有限公司工业化处理窑内完成，处理工艺为常压条件下200 ℃处理3.5 h.木材改性完成后，按照国家标准进行试件加工.试件分为杨木空白试件、落叶松空白试件、杨木高温改性试件和落叶松高温改性试件等4组.

1.3.2 力学性能试验 湿度控制根据不同浓度的盐溶液在密闭空间内形成恒定湿度的原理[11]，采用不同浓度的CaCl2溶液，形成60%、70%、80%、90%等4种恒定的相对湿度环境.将试件放入对应环境中，试验在25 ℃的恒温环境中进行，每种环境下试件放置至少7 d，直至达到平衡含水率再取出试件，依次进行含水率、顺纹抗压弹性模量、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗剪强度(径面和弦面)等6类指标的测试[12].为尽可能地降低试件取出后测试环境对木材含水率等测试结果的影响，每次取出一个试件，并在2 min内完成测试.为保证试验结果的一致性和可靠性，所有试件均选自同一块板材；每组试件均为无疵清样木材，且经含水率平衡处理后的密度差不超过2%.

顺纹抗压弹性模量、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗剪强度测试中，加载速度分别取0.5、1、6、2和0.6 mm·min-1.每项指标重复试件数量为5个，共计560个.

2 结果与分析

2.1 平衡含水率

木材在恒温恒湿环境下的平衡含水率可以用Nelson方程[11,13]表示：

(1)

式中：EMC为RH湿度下材料的平衡含水率；M为H2O的摩尔质量(18 g·mol-1)；R为气体常数(8.314 J·mol-1·K-1)；T为气态吸着水的温度(K)；Mv为材料在100%湿度时的平衡含水率；A为转换系数，A=ln△G0，其中△G0为吉布斯自由能变化量.

利用Origin软件对式(1)中待定参数进行求解，得出Mv和A值；再根据自定义情况，求出△G0.试件在各个湿度下的平衡含水率及Nelson方程拟合结果见图1、表1.

从图1可知，杨木和落叶松及其高温改性材的平衡含水率均随着环境湿度的提高而提高.高温改性处理后，所有试件在各湿度条件下的平衡含水率均显著降低.在60%～90%湿度下，杨木高温改性材的平衡含水率较处理前下降了15.51%～36.71%，落叶松高温改性材的平衡含水率下降了45.78%～55.68%，说明高温处理较好地降低了木材的亲水性.采用Nelson方程，可较好地拟合杨木和落叶松及其高温改性材在各个湿度条件下的平衡含水率.

图1 不同湿度条件下高温热处理前后试件平衡含水率Fig.1 Equilibrium moisture content of native and thermally treated specimens in elevated humidity

试件Mv/%AIG0J·g-1杨木30.906.202067.49改性杨木29.735.34875.19落叶松36.665.951610.00改性落叶松20.255.991684.61山杨1)22.904.97604.91南方松1)22.665.11695.81木材2)24.804.92575.41

1)数据取自文献[14]；2)数据取自文献[13].

木材的吸湿性主要取决于半纤维素和纤维素无定形区未成键的自由羟基数量.在一定湿度环境中，木材平衡含水率降低表明木材内部吸湿基团减少，即木材半纤维素与纤维素无定形区的结构和比例发生变化.丁涛等[3]的试验表明高温处理后，木材中苯醇抽提物的含量明显提高，半纤维素降解，高温处理后木材的亲水性降低.

2.2 力学性能及破坏模式

高温改性对木材顺纹抗压强度的影响见图2，试件的典型破坏模式见图3.

图2 不同湿度条件下高温热处理前后试件顺纹的抗压强度Fig.2 Compressive strength of native and thermally treated specimens in elevated humidity

图3 顺纹抗压试件的破坏模式Fig.3 Failure modes of native and thermally treated specimens in compression tests

从图2、3可知，所有试件的顺纹抗压强度均随着环境湿度的提高以线性规律降低.在各湿度水平下，木材经高温热改性后的顺纹抗压强度均有提高，其中杨木提高10.02%～16.35%，落叶松提高17.21%～27.71%.杨木空白试件、杨木改性材和落叶松空白试件的顺纹抗压破坏形式均为件端部压溃或斜向剪切破坏(图3a、3b)；落叶松改性材多为沿纹理的劈裂破坏(图3c).

从图4可知，试件顺纹抗压弹性模量均随环境湿度的提高呈线性下降趋势.杨木及落叶松经高温热改性后弹性模量均提高，在60%、70%、80%和90%湿度水平下，杨木高温改性材顺纹抗压弹性模量分别为12 886、11 998、11 433、10 483 MPa，较空白试件分别提高11.37%、12.02%、8.96%和6.64%，落叶松高温改性材的顺纹抗压弹性模量分别为16 050、15 344、14 397和14 063 MPa，较空白试件分别提高5.88%、16.68%、13.66%和24.35%.

图4 不同湿度条件下高温热处理前后试件顺纹抗压弹性模量Fig.4 Compressive modulus of elasticity of native and thermally treated specimens in elevated humidity

在抗弯性能测试中，杨木空白试件及高温改性材的最终破坏形式均为受拉侧受拉破坏，但杨木空白试件一般为受拉纤维破坏后沿纹路向端部延伸的斜向劈裂，有明显的塑性变形；而杨木改性材破坏时受压区无明显屈服，裂缝先沿横截面向上延伸，后沿纹路向端部延伸，并伴有较大的脆响，破坏形式为脆性破坏(图5a).落叶松空白试件破坏形式与杨木类似，受压区出现褶皱，并且随着湿度的增大褶皱更加明显(图5b)；落叶松高温改性材除个别试件为端部顺纹剪切破坏(图5c)以外，其他均为受拉区纤维断裂破坏，受压区无明显塑性变形，破坏形式为脆性破坏(图5b).

图5 抗弯试件的破坏形式Fig.5 Typical failure modes of native and thermally treated specimens in bending tests

从图6、7可知，试件的抗弯强度和抗弯弹性模量均随着湿度的升高而降低；高温改性后，材料的抗弯强度降低，抗弯弹性模量提高.

表2对比了试件经高温改性前后在各湿度条件下的顺纹抗剪强度变化情况.从表2可知，各类试件的顺纹抗剪强度均随湿度的上升呈下降趋势.湿度由60%提高到90%时，杨木及其热改性的径面抗剪强度由9.87和7.82 MPa分别降至6.17和5.58 MPa，弦面抗剪强度由12.47和9.94 MPa分别降至8.88和4.04 MPa；落叶松及其热改性的径面抗剪强度由6.42和5.33 MPa分别降至3.38和2.67 MPa，弦面抗剪强度由8.97和6.26 MPa分别降至3.46和2.48 MPa.高温改性后，杨木和落叶松的抗剪强度下降.60%湿度下，杨木空白试件的径面和弦面的抗剪强度为9.87和12.47 MPa，高温改性后分别降低了20.77%和20.29%；落叶松空白试件的径面和弦面的抗剪强度为6.42和8.97 MPa，高温改性后分别降低了16.98%和30.21%.

图6 不同湿度条件下高温热处理前后试件的抗弯强度Fig.6 Bending strength of native and thermally treated specimens in elevated humidity

图7 不同湿度条件下高温热处理前后试件的抗弯弹性模量Fig.7 Modulus of elasticity of native and thermally treated specimens in elevated humidity

试件力学性能环境湿度/%60708090杨木空白试件径面抗剪强度9.878.027.126.17弦面抗剪强度12.4711.3510.128.88杨木高温改性试件径面抗剪强度7.825.825.625.58弦面抗剪强度9.949.586.514.04落叶松空白试件径面抗剪强度6.425.524.233.38弦面抗剪强度8.976.234.813.46落叶松高温改性试件径面抗剪强度5.333.773.052.67弦面抗剪强度6.265.374.592.48

3 讨论

本研究结果表明，杨木空白试件及其高温改性材、落叶松空白试件及其高温改性材的平衡含水率均随着湿度的升高而提高；各力学性能都随着湿度的升高而下降，且基本呈线性规律.高温热改性能够降解木材化学组份中的半纤维素，降低纤维素含量，从而降低了木材的平衡含水率.因此杨木和落叶松高温改性材的平衡含水率均较未处理空白试件低.

木材的力学性能受其含水率、化学组分及耦合作用的影响.高温热处理后，木材纤维素聚合度降低，发生部分热裂解，导致木材强度下降[15]；但相对于其他化学组分，纤维素热稳定性较高，高温的劣化作用有限.高温中木质素软化经冷却能够重新硬固；木质素在高温中能发生交联反应，并且半纤维素的降解会对这种交联反应起到促进作用[16]，保证木材经热处理后仍具有较高的力学性能.分布于纤维素微纤丝之间的半纤维素，热稳定性最差，热裂解后对纤维素的支撑作用下降，导致木材的抗剪强度降低.与空白试件相比，杨木和落叶松的顺纹抗压强度、顺纹抗压弹性模量、抗弯弹性模量，在各湿度水平下均有不同程度提高；而抗弯强度、抗剪强度降低.杨木经热处理后弯曲破坏模式出现变化，由塑性破坏变为脆性破坏.

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