木材静曲蠕变成套测试系统的研发

董春雷,保昆雁,黄宇翔,张宏健*

(1. 西南林业大学材料科学与工程学院，昆明 650224; 2. 中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091)

木材具有向周围高湿空气吸收气态水分(吸湿)和向周围低湿空气释放气态水分(解吸)的能力。吸湿/解吸过程中，木材内部的含水率呈梯度分布和动态变化状态，较干木材吸湿时其含水率由表及里逐层增大并伴随着平均含水率的逐渐增大，直至达到与周围空气含水率平衡的状态，较湿木材的解吸过程则相反[1]。

Armstrong等[2]发现，经反复吸湿/解吸和平均含水率(average moisture content，AMC)反复增大/减小的木材静曲变湿蠕变挠度的变化规律，与GB/T 50329—2012《木结构试验方法标准》和ASTM D6815-09(2015)“Standard specification for evaluation of duration of load and creep effects of wood and wood-based products”实验室条件下平衡含水率(equilibrium moisture content，EMC)与静曲恒湿蠕变挠度成正相关关系的规律差异较大，且变湿蠕变总挠度远大于同时长、高EMC下的恒湿蠕变总挠度。笔者曾发现，与传统公知相反的是，自然环境中木质梁在雨季的蠕变静曲挠度反而小于旱季[3]。这些发现引起了国内外工程界的高度重视，也引起了科学界对木材变湿蠕变[因机理未明，将其笼统称为机械吸附蠕变(mechano-sorptive creep，MSC)]机理研究的强烈兴趣，但MSC测试技术的不足[4-5]和对吸湿/解吸过程中木材内部含水率梯度分布和动态变化认知的不足[6-7]，阻滞了人们对MSC科学机理和工程应用的探究进程。

笔者根据木材静曲蠕变的测试原理和木材对气态水分的吸湿/解吸原理，研发了一套木材静曲变湿蠕变精密测试系统，为探讨MSC科学机理和自然条件下承重性木材MSC对实际工程应用的影响提供依据。

1 木材变湿蠕变测试系统的基本要求

1.1 试件要求

试件的外形尺寸必须按其与试件样本数、检测时长、环境温湿度条件、环境容量、荷载系统体积及质量、检测系统体积和检测精度等因素之间的内在数理关系来设计。试件尺寸过大不仅需要较大的检测空间，而且会因木材的非均质性和诸多内部缺陷而导致显著的测试误差，因此，木材变湿蠕变的试件宜选用无瑕疵、年轮较少的小尺寸试件；但试件尺寸太小则会对检测设备的制造精度和测试精度提出过高要求而导致整套设备成本的大幅增加。本研究经反复试验后确认选用的试件尺寸为110 mm(长)×10 mm(宽)×5 mm(高)，与之相对应的是可以容得下所有样本试件和荷载、检测系统的常用中型气候环境参数可控箱体，以及木材静曲蠕变测试对试件受力要求的可满足性和试件与环境气流的相适应性。

1.2 技术要求

木材静曲变湿蠕变测试系统的基本原理如图1所示，该系统的技术要求为：

1)有适当的试件、测试系统放置和变湿环境空间，同时也需要有容纳多试件同时加/卸载装置的操作空间。

2)有定量、定速、定向地稳定生成、输送、维持、排出特定湿度和温度湿空气的能力，以确保木材试件可以稳定地吸收或排出气态水分；有对湿空气湿度、温度和流速及其变化幅度的调控能力，湿空气的相对湿度控制精度不应大于±2%，温度的控制精度不应大于±0.1 ℃；还须有湿空气参数的实时记录、储存和输出功能。

3)有可连续敏锐捕捉试件变形量的连续检测和信号-数据转换系统，以及数据的连续实时记录、储存和输出功能，其中，试件变形测试精度和分辨率均不低于0.01 mm，如本套装置采用如图1所示的直线位移传感器(linear variable differential transformer，LVDT)获取高精准变形数据。此外，为满足加载瞬时(如几分钟)和长周期(如几年)数据采集密度的要求，数据记录间隔需要在1 s～24 h内无极可调，并且要有置于变湿检测空间以外的显示、监视和控制系统。

4)有系统长时间运行的可调可控性、可监视性、稳定性、安全性和可靠性保障装置。

2 各分系统的设计原理和实现方法

本次研发的木材静曲变湿蠕变成套测试系统实物图如图2所示，系统主要软硬件参数和整套系统的性能参数如表1所示。

1. 数据采集、处理、储存和显示系统；2. 试件上表面LVDT；3. 箱体；4. 试件下表面LVDT；5. 荷重挂环；6. 配重钢板；7. 空气流；8. 木材试件；9. 防压痕垫片；10. 无压痕简支座；11. LVDT支座；12. 荷重挂架。图1 木材静曲变湿蠕变测试原理图Fig. 1 Schematic diagram of wood static bending mechanical-sorptive creep test

1. 上表面LVDT；2. 下表面LVDT；3. 第三方温湿度监测系统；4. 计算机数据记录储存处理显示系统；5. 数据采集器；6. 远程警报器；7. 热线式风速计；8. 箱体(含送/排气、循环、量控、速控系统)；9. 无压痕简支座；10. 支架；11. 防坠安全绳；12. 挂架；13. 荷重分配环；14. 配重钢板；15. 同时加/卸载装置；16. 防水电子天平。图2 木材静曲变湿蠕变测试系统实物图Fig. 2 Physical diagram of wood static mechanical-sorptive bending creep test system

表1 测试系统软硬件名称和参数Table 1 Software and hardware names and their parameters of test systems

2.1 蠕变测试环境系统

2.1.1 可满足基本要求的定型设备选用

喷蒸式恒温恒湿箱是木材物理力学性能测试中普遍使用的加湿和保湿设备[6]，其工作原理是直接向箱内输送高温水蒸气。高温水蒸气进入低于水蒸气温度的箱体内时，会很快在木材试件表面形成冷凝水，从而使木材的吸湿变成吸水。由于吸湿和吸水对木材物理力学性能影响的差异较大[8]，加上箱壁和箱底留存的冷凝水对箱内湿度、温度和相关电子器件正常运行的干扰，喷蒸式恒温恒湿箱并不能模拟和满足木材在真实大气环境中的吸湿或解吸要求。

为解决这一问题，Takahashi等[9]采用在密闭箱内放置饱和盐溶液控制环境湿度的调湿方法对木材进行调湿，但该方法仍难以达到木材变湿蠕变的测试要求。这是因为该系统对环境温度过于敏感而难以维持稳定的空气湿度，另一方面，其测试环境的封闭性难以获得空气的流动，导致木材吸湿与实际吸湿情况存在较大差异。

综上可知，试验装备的不足可能是阻滞人们对MSC深入研究的主要因素之一。因此，需要改造现有喷蒸式恒温恒湿箱的湿空气供给系统。德国Binder公司的电极式恒温恒湿箱由于其箱外加湿器可以向箱内输送低温饱和水蒸气，从而避免了致命冷凝水的产生。因此，本次研发选用了Binder MKF720型恒温恒湿箱，其箱内容积为937 mm(宽)×576 mm(深)×1 250 mm(高)。然而考虑到LVDT最佳工作温度(0～80 ℃)、环境温湿度第三方检测装置工作温度(-30～70 ℃)和信号线材的耐老化等要求，本套木材蠕变测试系统的工作温度范围为0～70 ℃。此外，虽然该箱具备了供给低温湿空气的基本条件，但为满足木材静曲变湿蠕变试验对测试风速的要求，还须自行研发和配置该箱缺乏的宽幅风速调节和风速监测系统。

2.1.2 宽幅风速调节系统

所选用的Binder MKF720型恒温恒湿箱最大可调风速仅为1 m/s，无法模拟和研究高风速气流下(如高原或沿海室外环境中，大半年的风速普遍在2.2 m/s以上)木材变湿蠕变的基本规律。因此，还需增设箱内风速调节系统。考虑到箱内空间限制和气流通道的原有布局，经多方考证和测试，最终选用一台小型可调速双涡轮风扇系统(含热线式风速计)，将箱内风速最高可提升至5.6 m/s。经反复测试和验证，本套系统最低风速0.3 m/s可基本保证箱内湿空气的流通性和均匀性。因此，本套蠕变测试的风速可调试范围是0.3～5.6 m/s。凭借该套风速调节系统的加持以及前期的试验和理论分析，证实风速的改变能显著影响木材试件表面的气流速率，如图3所示。由图3可知，由于木材表面的黏性阻力作用，3种气流速率下木材表面均存在一个明显的低速区，即气流速度边界层，且随着气流速率的增大，边界层厚度逐渐减小，当气流速率达到5.6 m/s时，木材端头的气流边界层已基本消失。由木材表面热质传递理论可知，边界层厚度越小，木材传热传质效率越高。因此，通过改变箱内风速即可增加或降低不同风速环境下木材的吸湿/解吸过程，从而拓宽本套蠕变测试装置的使用范围。

图3 不同气流速率下气候箱内及试件表面水蒸气的分布云图Fig. 3 Moisture vapor distribution nephogram of climate box and sample surface at different airflow velocities

2.2 蠕变荷载系统

木材静曲变湿蠕变试验荷载系统包括支架、试件简支座、荷载挂架/挂重和同时加/卸载装置。

2.2.1 支 架

支架必须满足试件数量和在其上方装/卸试件简支座、四点弯加载构件和电子检测元器件的要求，同时还需满足恒温恒湿箱箱体承重能力、内腔容积、空气流动阻力等要求。可装配6套“试件-荷载-检测-安防”测试单元的支架如图4所示。

图4 承载“试件-荷载-检测-安防”构件的支架Fig. 4 Bracket for bearing test-load-inspection-security components

2.2.2 试件简支座

通常情况下，干态环境下世界各国通用木材静曲性能测试标准都是要求采用一定弧度且可旋转的支撑辊做简支梁受力支撑端，其目的是允许木材自由弯曲变形并减小压痕。但在潮湿环境中木材易受湿变软，上述支撑方式对木材仍会造成较大的压痕。因此，将弧形支撑辊简支方式改为可绕支撑辊旋转的平板支撑方式，可在满足测试原理的前提下解决这一问题，如图5所示。

图5 本次研发所采用的简支座三维设计图Fig. 5 The three-dimensional design of the simple support in this research and development

2.2.3 挂架和荷重构件

由于本次研发采用的是四点弯加载方式测试木材的变湿蠕变性能，需要有2个挂点进行挂重，但由此会带来两挂点挂重均匀分配和挂架随挂重晃动的问题。因此，设计了一套双挂点挂架装置，如图6所示。其中，限位片可阻止试件弯曲变形时挂架向内滑动，从而保持试件受力点的固定性，同时，限位片和带凹槽加载辊的协同作用也可防止挂架的前后及左右晃动，提高加载系统的稳定性。

图6 挂架及荷重Fig. 6 Hanger and load

由于蠕变试验在变温变湿箱这一狭小空间中进行，要求荷重占用体积尽可能小且方便制成规范形体，同时考虑到经济成本，最终确定采用密度较大的钢板作为荷重，如图6所示。采用长度和宽度相同但厚度不同的钢片，方便不同荷载水平蠕变试验的搭配使用。同时，所有荷重钢板均进行发蓝处理以防止其在蠕变测试过程中因箱内湿度过高而生锈，影响加载荷重的统一性和稳定性。此外，为防止荷重分配不均匀和荷重晃动对挂架的稳定性造成影响，设计了一个荷重分配环，如图6所示，依靠3个距离等分V形圆弧凹槽不仅使荷重能均匀等分至2个挂架，还可防止挂架产生较大晃动。同时，依靠圆弧凹槽的点接触使得两挂架、荷重挂钩和荷重分配环三者协同作用，将荷重自动对中，保证了加载力的垂直性。

2.2.4 同时加/卸载构件

木材蠕变试验需要有一定的试件样本量，并且对所有试件的蠕变量计时起点有较高的要求。为取得吸湿/解吸与蠕变加载起点的同步同时性，需要有一个对多个试件的荷载同时加载的装置。本研究自行设计的简易同时加载装置如图4所示。利用千斤顶将带有挂钩的荷重升至合适的高度，使得带V形凹槽的荷重分配环能够穿过挂钩落在U形挂件上。当启动蠕变试验时，将千斤顶卸油阀打开，荷重由于自身重力在千斤顶的支撑下缓缓下降，直至荷重挂钩落在荷重分配环的V形槽内，此时荷重与千斤顶分离，实现荷重的同时加载，而卸载时只需执行相反操作即可。

2.3 实时数据采集、储存、处理和显示系统

2.3.1 实时数据采集系统

木材静曲变湿蠕变试验需要实时采集的最主要原始数据为环境温湿度和试件跨中上下表面的位移量。

1)箱内空气温度和相对湿度的采集。试验箱内的环境温湿度均可由Binder箱自带的温湿度传感器和配套软件测得并记录，由第三方温湿度监测数据做参考和校正。

2)试件跨中位移量的采集。本系统在试件跨中上下表面的中点分别设置一个线性位移传感器(LVDT)(图1和2)，用在试件下表面测得的位移量表示试件的静曲挠度，用同时测得的试件上下表面位移量之差作为试件厚度方向上的湿胀或干缩量，进而获得试件实时厚度湿胀干缩率和截面惯性矩，方便后期分析和计算。

2.3.2 实时数据的储存、处理和显示系统

利用变送器和数据导线将采集到的温度、相对湿度和位移信号输入计算机(图2)，然后通过基于VB的自编程序即可实现数据的实时储存、实时处理分析和显示。

1)采集到的实时原始数据采用文本格式并以数据库形式存储，供自编软件的实时数据处理和分析使用，同时也可随时导出数据拷贝成备份，方便数据的线下处理和分析使用。

2)实时数据的处理和显示。①由Binder MKF720型恒温恒湿箱温湿度传感器所获数据，经配套软件记录和处理后即可获得以时间为横坐标、以箱内温度和相对湿度为纵坐标的实时坐标图。②用自编软件将上述位移原始数据作实时处理后，形成以时间为横坐标、试件静曲挠度和湿胀干缩量为纵坐标的续进式试件蠕变图(图7)，供实时监视监控所用(续进式即蠕变记录数据实时显示在“时间-蠕变挠度”坐标图内，纵横坐标数值范围既可以人为更改，也可根据数据的累积自动加大以承载全部测试数据)。

图7 自编软件的木材蠕变变形及干缩湿胀量监视界面Fig. 7 Wood creep deformation and shrinking-swelling monitor interface of self-made software

2.4 安全、防护和保障系统

在蠕变测试过程中很容易出现试件破坏、机件损坏、停电、数据丢失等问题[9-10]。因此，蠕变测试需要有安全、防护和保障系统的支持。

1)箱内试验条件稳定性保障。为防止气候箱周边环境温湿度的变化对气候箱内温湿度的影响，尤其是开门的影响，同时为尽量维持箱外试验操作空间温湿度与箱内参数的一致性，本次研发为Binder MKF720型恒温恒湿箱设计并配置了一个含有加湿/除湿机和空调的8 m2恒温恒湿房。该恒温恒湿房温度可调范围为10～40 ℃(精度±1 ℃)，相对湿度可调范围40%～80%(精度±5%)。

2)为防止Binder MKF720型恒温恒湿箱温湿度传感器可能出现的电子元器件故障导致的示值偏差或错误，本系统增加了6台精度高于箱内置温湿度传感器的Ecolog Data Logger(相对湿度精度±0.5%、温度精度±0.05 ℃)实时温湿度数据监测和记录装置，对箱内不同部位的温湿度进行监控和记录，如图8所示，可供隔窗观察、定时温湿度数据输出和Binder设备数显温湿度的对比校正。

图8 箱内环境参数的第三方监控系统Fig. 8 Third-party monitoring system for in-box environmental parameters

3)防试件意外断裂装置。为防止不同性质和不同试验条件下试件的突然断裂造成整个测试系统的震动和损坏，本次研发在两荷重挂架中间穿两道铁丝并紧固在支架上搭建成两道拦阻索予以解决。

4)防意外停电装备。对计算机和数据采集器等电子器件加配足够容量的不间断电源UPS系统，同时配置适当功率的发电设备和供电装置，防止停电造成的试验中断。

5)远程监控系统。为防止试验人员不在现场时测试系统因机械或电子故障引发箱内环境参数超出设定参数范围而导致试验失败，本套变湿蠕变测试系统配备了华图温湿度报警装置，可即时向离场试验人员发出短信警报，通知离场试验人员迅速赶回现场做出处理。

3 系统运行效果检验

经试运行检验和修正，对本系统的科学性、准确性、可持续性、可靠性做出的验证表明，本系统可以获得木材静曲变湿蠕变的实时检测数据(图9)和可供后期精细研究分析的数据。

1)为考察加载水平对木材机械吸附蠕变的影响，选取意杨木材为研究对象，其绝干密度为0.54 g/cm3(协方差3.8%)，静曲弹性模量为14 730 MPa(协方差5.2%)，静曲破坏荷载为0.33 kN(协方差7.3%)，初始含水率为8%，荷载水平分别取静曲破坏荷载的5%，10%，20%，25%和30%。其中，除30%荷载水平的试件为2条外，其余荷载水平的试件均为1条。在20 ℃恒温、相对湿度42%～80% 6个循环变湿设定环境条件下，箱内6点温湿度传感器和上下12根LVDT实时测得的试件静曲蠕变挠度、湿胀干缩量和箱内温湿度检测结果如图9所示[11]，其中，由于箱内6处环境温湿度数据非常均匀和一致而仅做了平均处理。本试验采用同一批试材进行了3次相同试验条件的重复试验，3次试验结果均高度一致。从图9可以看出，当外荷载水平小于静曲破坏荷载的30%时，外荷载与木材机械吸附蠕变量成正相关关系(如第1～4条试件所示)；但当荷载不小于静曲破坏荷载的30%时，木材的机械吸附蠕变呈现出较大的个体差异性和变异性(如第5～6条试件所示)，这与前人研究结果高度一致[12-14]。同时，本试验还发现木材在吸湿段内的上下表面位移差异最大而解吸段几乎没有差异，这说明以中性层为分界线吸湿时，木材上下两部分的湿胀率有明显差异，而解吸时两部分的干缩率完全一致。这是否与木材上下两部分受力方式的不同(上表面为压缩应力、下表面为拉伸应力)有关，进而是否能成为木材发生机械吸附蠕变的决定主因之一还有待研究。

图9 实时测得的箱内温湿度和蠕变量Fig. 9 In-box temperature, humidity and creep displacement measured in real time

图10 木材动态湿胀干缩实测图Fig. 10 Wood dynamic swelling-shrinkage measured map

为考察本套试验装置对木材干缩湿胀量的测试精度和可靠度，在总测试时长为240 h的蠕变试验中截取第2个解吸阶段的试件湿胀数据，如图10所示。从图9和10可以看出，本套系统能长期灵敏稳定地捕捉到木材试件在可变气候环境和恒定气候环境下的蠕变挠度、试件湿胀干缩量和环境温湿度。此外，在试验正常运行过程中本套系统也可任意更改检测的采样间隔时间，可选取预设也可直接输入采样间隔(图9中的椭圆区域，调节方式如图11所示)，以实现不同蠕变阶段对数据密集度的要求。

图11 数据采集间隔设置图Fig. 11 Settings of data acquisition interval

由国家林业和草原局木材与木竹制品质量检验检测中心(昆明)对本套系统所采用的LVDT在40%～98%不同相对湿度和0～60 ℃不同温度条件下的测试精度做了对标测试，测试结果均达到了产品出厂标定参数。

2)本系统的精确测试结果与前人采用喷蒸处理试件等所获蠕变测试结果不同，如吸湿过程中的木材静曲挠度并不都是反向减小，而是取决于吸湿速率和外荷载的竞争关系，如图12中的前2个吸湿段和第3个吸湿段的详图1和详图3所示，从而为木材静曲变湿蠕变机理的揭示提供了有力证据。

4 结 论

自主研制的木材MSC测试系统充分考虑了木材变湿蠕变及湿胀干缩量测试的实时性、精确性、安全性、长期稳定性和易于操作等基本测试要求。通过前期大量试验测试和结果验证，证实该系统可对木材普遍蠕变和复杂变湿蠕变的挠度、干缩湿胀量、环境温湿度参数进行长时间连续稳定地检测、记录和显示。该系统的研制可为木材MSC行为规律和蠕变机理的研究提供可靠的试验依据及测试平台，同时也可为除木材以外的水分吸附性材料的吸湿/解吸行为试验测试装备的研制提供参考。