高温中木材顺纹弦面抗剪强度

岳 孔 陆 栋 胡文杰 戴长路 吴 鹏 陆伟东

(南京工业大学土木工程学院 南京 211800)

与传统建材相比，木材是天然生长的固碳材料(Gustavssonetal.，2006)，具有良好的环境学特性和高强重比等优势(于海鹏等，2009；刘一星等，2012)，木结构建筑的规模化应用是建筑业高质量发展的重要举措(岳孔等，2015)。

木结构建筑应用中大多要求充分暴露木材元素，通过结构装饰一体化设计和建筑免装修，进一步降低综合造价，是提高木结构建筑竞争力的重要手段，但木材自身可燃的固有属性导致木结构建筑火灾隐患高(Yueetal.，2017；岳孔等，2019)。试验表明，火灾发生时，当达到炭化温度后，木材燃烧、释放大量热量和可燃气体助长火势，高温对实木和结构复合木材的力学性能具有显著劣化作用(König，2005；Yueetal.，2022)，高温中木构件有效截面降低、刚度减小、承载力下降，危及结构安全(岳孔等，2021)，木结构建筑的抗火性能是其推广应用的关键技术。

火灾中木构件最外侧先受高温作用炭化形成炭化层(König，2005)，炭化层不具强度(Lauetal.，1999)；次外层(受热区)受高温作用强度降低(Moraesetal.，2004；2005；Sinhaetal.，2011；岳孔等，2019)。木结构中受力构件力学性能劣化主要由炭化层强度丧失和受热区强度折减导致(岳孔等，2021)。

化学组分热解是木材力学性能劣化的根本原因(Manriquezetal.，2010；岳孔等，2020a)，高温作用下，木材主要化学组分中纤维素热稳定性最高，木质素次之(Zhengetal.，2015)，半纤维素热稳定性最低(岳孔等，2020a)，150～200 ℃半纤维素即发生热解(Manriquezetal.，2010)。空气介质对高温中木材强度降低的影响比惰性气体大(Kubojimaetal.，2000)，这是氧对木材强度劣化的加速作用导致的(Wangetal.，2000)。高温中，以空气为介质时，木材内纤丝间排列更疏松和无序，其结晶度低于氮气介质中的结晶度(孙伟伦等，2010)。高温改性不引进化学物质，且能够显著提高木材尺寸稳定性(孙伟伦等，2010)，但改性后木材抗拉和顺纹抗剪强度下降明显(岳孔等，2018)；采用高温改性层板制成的胶合木梁，其受弯破坏模式由常规胶合木梁截面底部拉伸破坏转变为拉剪联合破坏，且构件脆性增加、延性降低，这是高温改性导致木材顺纹抗剪强度降低的结果(岳孔等，2020a；Yueetal.，2020；王志强等，2016)。因此，抗剪强度作为木材基本力学性能指标，对其进行系统研究，是结构用木材承载安全性的重要保证。

现阶段，我国木结构建筑基本采用进口结构用木材建造，应用较多的有北美花旗松(Pseudotsugamenziesii)、俄罗斯兴安落叶松(Larixgmelinii)和樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)以及欧洲云杉(Piceaabies)等。随着木结构在国内应用增多，量大面广的国产速生木材在建筑结构中应用的可行性受到广泛关注，其中，速生杨树(Populusspp.)总面积居世界首位，且具有较高的力学性能，是我国木结构用材的潜在资源(Yueetal.，2019；岳孔等，2016)。火场下大截面承重木构件最外侧受热形成炭化层，炭化层的绝氧效应和低导热系数(Sinha，2013；岳孔等，2019；2021)对构件内部木材具有较好保护作用，但对最外侧炭化层保护下受热区木材力学性能的研究相对较少。考虑到木结构中规格材弦切板占比较高，本研究以氮气为保护介质，对高温中兴安落叶松、花旗松和杨木的顺纹弦面抗剪强度进行测试，通过木材主要化学组分含量变化揭示其抗剪强度劣化机制，提出高温中结构用木材顺纹抗剪强度劣化模型，以期为木结构抗火性能精细化设计和过火结构构件剩余承载力评估提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

兴安落叶松和花旗松规格材分别由俄罗斯和加拿大进口，等级均为A级，尺寸分别为40 mm×150 mm×4 000 mm和38 mm×140 mm×3 050 mm(厚×宽×长)，国产速生杨木购自江苏宿迁，树龄16年、胸径280 mm、纹理通直，经制材加工成尺寸为40 mm×150 mm×3 050 mm(厚×宽×长)的规格材。兴安落叶松、花旗松和杨木的平均年轮宽度分别为1.3、2.4和12.9 mm，12%含水率时的平均气干密度分别为0.604、0.537和0.498 g·cm-3。考虑到木材变异性较大，为保证试验结果可靠，选取含水率在10%～15%范围内且密度相差不高于5%的无疵木材作为测试试件。试件制作和性能测试前，木材置于温度20 ℃、相对湿度65%的环境中至少1个月，直至平衡。

按照《木材顺纹抗压强度试验方法》(GB/T 1935—2009)、《木材顺纹抗拉强度试验方法》(GB/T 1938—2009)、《木材抗弯强度试验方法》(GB/T 1936.1—2009)和《木材抗弯弹性模量测定方法》(GB/T 1936.2—2009)测试木材基本力学性能，结果见表1。

表1 试验用木材力学性能Tab.1 Mechanical properties of wood specimens MPa

1.2 试验仪器与设备

木材顺纹弦面抗剪强度(以下称抗剪强度)采用E45.035E型300 kN微机控制电子万能试验机(美特斯工业系统(中国)有限公司)进行测试，荷载和位移数据均由系统自动同步采集，采集频率为10 Hz，精度为示值的±0.5%。试验高温环境由SD201625型高低温环境试验箱(吉林省三度试验设备有限公司)提供，其内部净尺寸为300 mm×300 mm×600 mm(宽×深×高)。采用DX1012型无纸记录仪(日本横河)和预埋在试件内部的K型热电偶监测试件内部温度，热电偶测温范围为0～1 300 ℃，测量精度为示值的±0.75%。

木材半纤维素、纤维素和木质素质量百分数采用1525型高效液相色谱仪(美国Waters)、SX-500型高温灭菌锅(日本TOMY)、KSL-1200X型马弗炉(合肥科晶材料技术有限公司)和UV-2700型紫外分光光度计(日本岛津)进行测试。

1.3 试验方法

杨木生长轮宽度较大，考虑到早晚材强度差异，基于木材受剪时破坏通常发生在早材区域的研究结果(岳孔等，2021)，杨木抗剪强度试件从边材取材，且在制备时预设其受剪面在早材区域内。木材抗剪强度按照《木材顺纹抗剪强度试验方法》(GB/T 1937—2009)进行测试，根据文献(Estevesetal.，2008)和前期研究结果(岳孔等，2019)，当温度达到木材炭化温度288 ℃后，其强度不足室温条件下的1/4，因此，参考前期研究方案(岳孔等，2019)，试验设定20、50、70、110、150、200、220、250和280 ℃共9个温度水平。抗剪强度测试前，先将试验箱内温度升至指定温度并稳定1～2 min，再缓慢持续通入氮气，最后放入试件。每个温度水平下同时放置2 个温度试件和4个强度试件，强度试件尺寸如图1，温度试件受剪面中心位置埋置热电偶，以监测温度变化，试件内温度测点布置如图2。

图1 高温中木材顺纹弦面抗剪强度测试试件(mm)Fig.1 Specimens for parallel-to-grain tangential shear strength testing

图2 高温中试件内温度测点(mm)Fig.2 Thermocouples distribution in specimens at high temperature

根据《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)对1～3层木结构建筑中承重柱和梁1 h耐火极限的规定，当温度试件中心温度达到指定温度开始计时，保持受热时间1 h后再对强度试件进行加载测试，采用位移控制加载速度，加载速度取1 mm·min-1，直至试件破坏。自试件受热到力学性能测试完成，全过程均在环境试验箱内进行。每种工况下重复试件8个，共计216个试件。

抗剪强度测试完成后，立即取出试件破坏后的小块部分称重，并按照《木材含水率测定方法》(GB/T 1931—2009)进行木材含水率测试；利用试件破坏后的大块部分进行密度测试。

2 结果与分析

2.1 平均含水率

绝氧条件下，木材平均含水率随温度的变化如图3。图3表明，木材平均含水率随温度升高持续降低。当温度为20～110 ℃时，木材平均含水率基本以线性规律快速降低，之后降低速度减缓；当温度达到150 ℃时，木材平均含水率由初始的12.4%降至4.0%；当温度继续升高至200 ℃时，木材平均含水率降至0%。

图3 不同温度下木材含水率Fig.3 Wood moisture content at elevated temperatures

2.2 化学组分含量

绝氧条件下，兴安落叶松、花旗松和杨木在典型温度下的纤维素、半纤维素和木质素含量如图4。图4表明，兴安落叶松、花旗松和杨木的纤维素和半纤维含量均随温度升高而降低，且半纤维素含量降低幅度更大，但3种木材的木质素含量随温度升高呈增加趋势。

图4 不同温度下木材主要化学组分含量变化Fig.4 Changes of chemical compositions within wood at elevated temperatures

常温时兴安落叶松、花旗松和杨木的纤维素含量分别为43.5%、45.0%和51.0%，随着温度升高，纤维素含量变化较小，当温度达到200 ℃时，3种木材的纤维素含量降幅均不足8%，说明纤维素热稳定性相对较高(Zhengetal.，2015；岳孔等，2018)。随着温度升高，3种木材的木质素含量均有不同程度增加，常温时兴安落叶松、花旗松和杨木的木质素含量分别为23.4%、29.1%和23.0%，当温度升至220 ℃时，其含量分别增加至36.7%、36.3%和33.8%，这是由木质素交联反应导致的，且半纤维素热解对该交联反应具有促进作用(Tjeerdsmaetal.，1998)。常温时兴安落叶松、花旗松和杨木的半纤维素含量分别为25.3%、25.7%和16.3%，180 ℃时其降幅达9.6%～14.9%，当温度升至220 ℃时热解加剧，其含量分别降低29.4%、18.6%和25.9%，半纤维素含量大幅度降低是高温中木材力学性能劣化的主要因素(Manriquezetal.，2010；岳孔等，2020a)。

2.3 抗剪强度

根据欧标EN 1995-1-2:2004的规定，300 ℃时木材炭化，此时顺纹抗剪强度取0 MPa，结合20～280 ℃下的测试结果，兴安落叶松、花旗松和杨木在不同温度下的抗剪强度如图5。图5表明，3种木材的抗剪强度均随温度升高而降低，抗剪强度劣化规律基本一致。

图5 高温中木材抗剪强度Fig.5 Parallel-to-grain tangential shear strength of wood specimens exposed to high temperature

常温时兴安落叶松、花旗松和杨木的抗剪强度分别为9.65、8.94和9.48 MPa，温度150 ℃之前，木材抗剪强度同时受温度和含水率(图3)影响，随着温度升高，木材含水率持续减小，木材抗剪强度下降相对较缓，抗剪强度与温度近似呈线性负相关关系；温度150～280 ℃范围内，木材抗剪强度下降主要受半纤维素热解影响，150 ℃时兴安落叶松、花旗松和杨木的抗剪强度分别降至初始值的60.7%、68.0%和65.6%；当温度高于200 ℃时，由于半纤维热解加剧(图4)，木材抗剪强度随温度升高快速下降，当温度达到280 ℃时，兴安落叶松、花旗松和杨木的抗剪强度分别降至1.05、0.91和0.61 MPa，仅为初始值的9.0%、10.2%和6.4%。

为便于数据分析与比较，采用抗剪强度折减系数表示木材相对抗剪强度随温度变化的劣化规律，公式如下：

(1)

式中：ηT为T℃时木材抗剪强度折减系数，即T℃时木材相对抗剪强度；fv·T为T℃时木材抗剪强度；fv·20为20 ℃时木材抗剪强度。

由图5计算得到3种木材抗剪强度折减系数ηT随温度T的劣化规律如图6。

图6 高温中木材相对抗剪强度的劣化规律Fig.6 Degradation of relative parallel-to-grain tangential shear strength at high temperature

研究表明，木材剪切破坏可从分子水平上由木材纤维平行于纹理方向发生相互滑移进行解释，由于半纤维素在木材细胞壁中主要起填充和胶着作用，因此半纤维素含量是木材抗剪强度的主控因素(尹思慈，1997)。图6表明，试验初期兴安落叶松的ηT最高，这是因为密度与木材力学性能呈正相关关系，兴安落叶松密度最大；根据文献(尹思慈，1997)，兴安落叶松半纤维素中占比1/4左右的阿拉伯半乳聚糖与其他半纤维素不同，并未分布在木材细胞壁内，其对抗剪强度的贡献有限，导致兴安落叶松抗剪强度劣化受高温的影响较大，当温度高于150 ℃时，兴安落叶松抗剪强度因半纤维素剧烈热解快速降低。当温度高于200 ℃时，杨木抗剪强度的下降速度明显快于花旗松和兴安落叶松，这是因为与兴安落叶松和花旗松相比，杨木半纤维素含量初始值最低(图4)，其在高温下剧烈热解，导致有效剩余量不足，故抗剪强度下降最大。

根据杨家驹等(1997)和岳孔等(2020b)的研究，木材力学性能和密度可用下式表示：

f=m+K·ρ。

(2)

式中：f为木材力学性能指标，本研究定义为抗剪强度fv；m为常数；ρ为木材密度；K为木材力学性能-密度关系系数，本研究定义为抗剪强度-密度关系系数。

高温中，兴安落叶松、花旗松和杨木抗剪强度与密度的关系如图7。图7表明，木材密度随温度升高逐渐降低。温度150 ℃之前，木材密度降低主要由水分和抽提物挥发导致(图3)，当温度高于200 ℃时，木材含水率为0%，木材密度降低主要由化学组分热解引起(图4)。常温时，木材力学性能主要由其密度控制(杨家驹等，1997；岳孔等，2020b)，但在高温环境中，密度对木材抗剪强度的影响降低(图7)。

图7 高温中木材抗剪强度与密度的关系Fig.7 Relationship between wood density and parallel-to-grain tangential shear strength at high temperature

根据式(2)，木材抗剪强度-密度关系系数与温度曲线如图8。图8表明，常温时，木材抗剪强度-密度关系系数(K)为14.2 MPa·(g·cm-3)-1，密度是木材力学性能的主控参数，随着温度升高，K近似以线性规律降低，温度150 ℃时，K为6.6 MPa·(g·cm-3)-1，当温度升至200～280 ℃时，K降至1.1～3.1 MPa·(g·cm-3)-1，这说明木材化学组分热解显著弱化了密度对木材抗剪强度的作用，密度对木材剪切强度的影响持续降低。

图8 高温中木材抗剪强度-密度关系系数Fig.8 The ratio of parallel-to-grain tangential shear strength to wood density at high temperature

高温下抗剪强度折减系数(ηT)因木材种类不同而异，但差异甚小。为便于统一建模分析，对ηT取平均值，并与欧标EN1 995-1-2中规定的高温劣化模型进行比较，结果见图9和式(3)。

(3)

在20～300 ℃温度范围内，ηT可根据式(3)通过线性插入法得到。

图9表明，本研究方法得到的折减系数ηT与欧标EN 1995-1-2差异较大。EN 1995-1-2以100 ℃为ηT的转折点，其认为水分发生剧烈汽化对应的温度为木材力学性能的转折点。绝氧条件下得到的木材抗剪强度高温劣化模型与EN 1995-1-2也有所区别，其原因在于本研究根据大截面木构件内受热区木材实际工况设定的绝氧环境避免了氧对高温中木材抗剪强度降低的促进作用，而欧标并未考虑该因素，其ηT取值偏于安全。

3 结论

1)木材主要化学组分中半纤维素热稳定性最低，与常温时试件相比，220 ℃时兴安落叶松、花旗松和杨木的半纤维素含量分别降低42.8%、24.9%和30.8%。

2)随着温度升高，密度对木材抗剪强度的影响逐渐降低，常温时木材抗剪强度-密度关系系数为14.2 MPa·(g·cm-3)-1，当温度高于200 ℃时，抗剪强度-密度关系系数降至1.1～3.1 MPa·(g·cm-3)-1。

3)高温对木材抗剪强度具有显著劣化作用，280 ℃时抗剪强度降至初始值的6.4%～10.2%；根据绝氧环境得到的试验结果，提出符合受热区木材实际工况的抗剪强度高温劣化模型。