木材橫紋順紋壓縮

1、木材橫紋、順紋壓縮性能的一個簡要定性實驗摘要：木材是我們生活中一種使用最廣泛、最常見的材料，了解影響木材壓縮性能的一些因素和機制，有利于合理地利用木材資源，環(huán)境保護以及提高木材使用的經(jīng)濟效益。本文用兩塊取自橫紋和順紋兩個不同方向的木塊的壓縮試驗結(jié)果做了一個對比，簡要分析了不同構(gòu)造的木材其不同的壓縮力學性能，得到了兩個不同方向的應(yīng)力-應(yīng)變特性曲線，證實了木材的各向異性和多孔性。關(guān)鍵詞：木材各向異性；多孔材料；橫紋方向; 順紋方向；大變形壓縮引言：我國森林覆蓋率較低，木材資源較為匱乏，研究木材的壓縮特性有助于讓不同性能的木材各盡其用，節(jié)約成本。生活中，人們對木材這種材料有著非常感性的認識，比如“劈

2、柴沿著順紋方向比較輕松”、“砍樹要比劈柴費勁得多”。事實上，木材是一種極為特殊的各向異性多孔材料，作為一種天然的復合材料，在外加載荷作用下有著非常復雜的力學特性。木材微觀上由許多含有空腔的細胞所組成。其中近于沿樹干主軸方向排列者占絕大多數(shù)，該方向稱為軸向或順紋方向；而與樹干主軸相垂直的方向，包括徑向、弦向、半弦向等，統(tǒng)稱為橫紋方向。 圖1：木材的微觀多孔結(jié)構(gòu)本文記錄的實驗先對兩塊順紋和橫紋的木塊進行了宏觀力學參數(shù)的測量，比如抗壓強度，楊氏模量。緊接著，通過對木材微觀結(jié)構(gòu)的分析，對木材的破壞機理進行了初步的定性解釋。1.實驗?zāi)康?o 學習了解各向異性材料的力學性能極其測試方法2o 測量木材橫紋和

3、順紋壓縮彈性模量和抗壓強度2.實驗方案2.1使用設(shè)備WDW3050電子萬能試驗機、光學引申計、計算機、游標卡尺、直尺、橫紋木材試件、順紋木材試件各一件。2.2試樣 圖2：試驗?zāi)緣K示意圖 實驗所用的木塊如圖2所示，第一塊木塊為順紋壓縮，第二塊為橫紋壓縮。2.3實驗原理2.3.1 木材的微觀組成木材由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三大組分構(gòu)成。組成木材細胞壁的主要化學成分，按其物理作用可分為3類：骨架物質(zhì)、基體物質(zhì)和結(jié)殼物質(zhì)。有人形象的將骨架物質(zhì)、基體物質(zhì)、結(jié)殼物質(zhì)分別比作鋼筋、沙石、水泥。骨架物質(zhì)：以纖維素的微纖絲狀態(tài)存在于細胞壁中，賦予細胞拉壓強度。纖維素為線形、長的大分子結(jié)構(gòu)，其分子鏈不是筆直成線

4、，而是具有一定程度的卷曲，這就決定了纖維素具有可以伸縮的彈性性能。纖維素作為木材的骨架結(jié)構(gòu)元素，其含量主要影響木材的剛度。基體物質(zhì)：指半纖維素和其它碳水化合物。滲透于骨架物質(zhì)，增加細胞的剛性。結(jié)殼物質(zhì)：指木質(zhì)素，遍布于細胞壁之中，使細胞獲得硬度。2.3.2 國標規(guī)定的計算方法實驗方法參照國標GB-T15777-1995所述木材順紋抗壓彈性模量測定方法和GB-T 1943-2009所述木材橫紋抗壓彈性模量測定方法。具體計算見附錄。2.4實驗步驟1o測量試樣原始尺寸：用游標卡尺測量試件基本尺寸，如標記段原始長度，寬度，厚度，多測幾次取平均。由于要使用光學引伸計，應(yīng)該用快干墨水或帶色涂料標出兩個標記

5、點。2o試驗機準備： 預先開動試驗機，確定試驗機工作正常。打開相機，確認圖像可以正常采集。3o安裝試樣：手持試件安放在下壓平臺，使用面板的上下控制鍵控制壓頭輕微壓緊木塊，使試樣的縱軸與試驗機的加載軸基本保持平行。4o設(shè)定實驗方案： 再次檢查試驗機工作狀態(tài)，調(diào)整相機位置，保證圖像采集。5o進行試驗：以預先設(shè)定的加載速度連續(xù)加載至試樣破壞，記錄破壞荷載和試樣破壞的最大位移。6o試樣斷后尺寸測定：取出試樣斷體，觀察斷口情況。然后將試樣在斷裂處緊密對接在一起，并盡量使其軸線處于同一直線上，測量試樣斷后標距L（可直接用游標卡尺測量標距兩端點的距離）。7o歸整實驗設(shè)備結(jié)束試驗：完成全部測量后，將所使用的儀

6、器設(shè)備全部復原，并將試驗數(shù)據(jù)記錄拷入U盤，關(guān)閉試驗機。3 實驗結(jié)果及分析3.1試驗數(shù)據(jù)記錄 拉伸方向原始尺寸（中部）/ mm3原始截面積（中部）/ mm2順紋60.00×20.02×19.96399.60橫紋60.00×20.12×19.90400.393.2數(shù)據(jù)處理拉伸方向抗拉強度 b/MPa彈性模量 E/GPa順紋496.06橫紋390.773.3 過程分析3.3.1 破壞過程及特征加載初期試件外觀等沒有明顯變化，隨著載荷加大，當加載到試件的極限荷載時木塊開始破壞，明顯開始傾斜，并且逐漸開裂。圖3所示為順紋壓縮木塊最后的破壞結(jié)果。 圖3：順紋壓縮破壞

7、圖3.3.2 順紋壓縮的力學性能順紋方向壓縮典型載荷-位移曲線，應(yīng)力-時間曲線，應(yīng)變-時間曲線，應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別見圖4，圖5，圖6，圖7所示。 圖4：順紋壓縮載荷-位移曲線 圖5：順紋壓縮應(yīng)力-時間曲線 圖6：順紋壓縮應(yīng)變(-1)-時間曲線注：圖中的應(yīng)力為名義應(yīng)力，利用荷載值除以試件截面面積得到，后文中應(yīng)力均為名義應(yīng)力。圖4中荷載-位移曲線上升階段基本呈一條直線，直到最大應(yīng)力達到49MPa，載荷值約為19.78kN時開始階梯狀下降，這是由于木塊開裂引起的。圖5中應(yīng)力-時間曲線與圖4類似。圖6中所示為應(yīng)變-時間曲線，由于應(yīng)變?yōu)樨撝?，所以繪圖時乘上了一個負號。由于圖5曲線采集了6000多組數(shù)據(jù)，

8、圖6曲線僅僅采集了約300多組。因此，為了得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對圖6曲線進行插值。最后繪出應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。截取線性段（應(yīng)力從0上升到45MPa中間的區(qū)段）做線性擬合，得到擬合曲線，進一步得到彈性模量值約為E=6.06GPa。圖7：順紋壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線3.3.3 橫紋壓縮的力學性能橫紋方向壓縮典型載荷-位移曲線，應(yīng)力-時間曲線，應(yīng)變-時間曲線，應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別見圖8，圖9，圖10，圖11所示。圖8：橫紋壓縮載荷-位移曲線 圖9：橫紋壓縮應(yīng)力-時間曲線 圖10：橫紋壓縮應(yīng)變-時間曲線 圖11：橫紋壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖8中荷載-位移曲線有兩個上升階段，直到最大應(yīng)力達到39MPa后開始下

9、降，載荷值約為19.78kN。呈現(xiàn)階梯狀下降，同樣是由于木塊開裂引起的，見圖12。圖9中應(yīng)力-時間曲線與圖8類似。圖10中所示為應(yīng)變-時間曲線，由于應(yīng)變?yōu)樨撝担岳L圖時乘上了一個負號。由于圖9曲線采集了7000多組數(shù)據(jù)，圖10曲線僅僅采集了約380組。因此，為了得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對圖10曲線進行插值。最后，由數(shù)據(jù)直接得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖11所示。事實上，由于橫紋壓縮最后的破壞方式為崩裂，因此，該曲線后面部分是不合理的，所以只截取線性段（應(yīng)變0.018）做線性擬合，得到擬合曲線，進一步得到彈性模量值約為E=0.77GPa。 圖12：木塊橫紋壓縮破壞圖3.3.4 由上述圖表可得到木材兩個方

10、向的力學性能特點：（1）順紋壓縮的強度極限比橫紋壓縮大得多。（2）對于順紋壓縮，彈性階段內(nèi)，需要很大的負荷才能使試件發(fā)生較大的變形；在彈性階段之后沒有明顯的屈服階段。（3）對于橫紋壓縮，彈性階段中，試件的變形不需要很大的外載荷；而且在彈性階段之后，有明顯的屈服階段，之后經(jīng)歷較長的強化之后才出現(xiàn)斷裂。（4）木材順紋壓縮的彈性模量要比橫紋壓縮大得多。3.3.5 微觀結(jié)構(gòu)分析：順紋壓縮：木材順紋方向相當于無數(shù)纖維管束的集合體，如圖1。因此，順紋壓縮可以類似于纖維增強復合材料的順纖維壓縮過程。木材在順紋壓力的作用下，細胞壁中微纖絲之間產(chǎn)生滑移，導致木材細胞壁的壁層縱向產(chǎn)生褶皺1。這些褶皺主要集中在細胞

11、的內(nèi)壁，如果木材在持續(xù)的外力作用下被壓縮，這些纖維管會分離（破壞了半纖維素，纖維管失去固定作用），這也解釋了圖3為什么是開裂破壞。橫紋壓縮：在橫紋壓縮過程中，徑向加載時，木射線是以縱向支撐受力，因此徑向應(yīng)力和彈性模量會大于弦向。弦向壓縮時, 由于早晚材同時受壓力影響，使之徑向應(yīng)力值大于弦向值略高些2。事實上，本次試驗研究的對象是木材大變形壓縮試驗，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有如下所述的模型3：木材是多孔性材料, 由許多含有空腔的細胞所組成。一般來說, 當其受到橫紋方向的大變形范圍壓縮的情況下, 可由屈服點應(yīng)變y和細胞壁壓密化臨界應(yīng)變d（即壓縮過程中細胞腔完全被填充而消失時刻的應(yīng)變），將應(yīng)力-應(yīng)變曲線為三個

12、階段。即細胞發(fā)生微小變形, 應(yīng)力與應(yīng)變呈比例關(guān)系的領(lǐng)域，即彈性變形領(lǐng)域（y）；在越過屈服點之后較寬的變形范圍, 細胞逐漸被壓潰，胞壁發(fā)生向腔內(nèi)塌陷的彎曲和壓屈變形，應(yīng)變迅速增大而應(yīng)力僅略有增加, 應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于平坦的領(lǐng)域（yd）；壓縮進行至原來對面的細胞壁相互接觸, 細胞腔被完全充填, 細胞壁實質(zhì)物質(zhì)被壓縮, 應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而急劇增大的領(lǐng)域。木材橫紋壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變特性曲線，一般都具有這樣的三段特征。按照這一模型，完全可以解釋為什么載荷-位移曲線（圖8）會有一個交替上升的過程。并且還可以得到y(tǒng)=0.045，d=0.39。結(jié)論：1、 木材的確是一種多孔的天然復合材料，其具有明顯的各向異性。

13、2、 木材細胞具有相當大的空隙，由y=0.045知，橫紋方向空隙之和約2.7mm。3、 木材順紋方向適合用于承壓結(jié)構(gòu)，而橫紋方向有良好的減震效果。4、 鑒于木材的承壓特性，橫梁之類的結(jié)構(gòu)不能使用橫紋木材。改進建議：1、不同樹種木材由于其內(nèi)部組分和構(gòu)造的差異性，使其具有特殊的物理力學性能，即使是同一地區(qū)的樹種，由于受周圍氣候、環(huán)境等諸多因素影響，也會具有不同的性能，甚至是同一株樹上不同部位的木材差異性也很大。此外，對于不同樹種而言，在相同含水率的條件下，木材的密度越大，說明木材細胞間的排列越緊密，當受到軸向壓力時，木材由于細胞間的相互作用會表現(xiàn)出較大的抗壓強度，壓縮過程中也不易出現(xiàn)“壓潰”現(xiàn)象，

14、當密度過大時，木材的順紋壓縮率會減小。因此，實驗用的對比材料應(yīng)該選取同一棵樹同一部位。2、木材軟化的目的是使木材實現(xiàn)可塑化、木材膨脹變形和降低木材細胞壁化學組分中半纖維素、木質(zhì)素的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。因此，實驗時為了更好的觀察實驗現(xiàn)象，建議以后試驗件事先水軟化處理。3、壓縮試驗的壓力作用在試件的端頭，壓縮過程中壓力由木材兩端向中間傳遞，壓縮速度過慢雖然可以使壓力充分向內(nèi)部傳遞，但應(yīng)用于生產(chǎn)時生產(chǎn)效率低；壓縮速度過快，作用在木材兩端的壓力來不及向木材內(nèi)部傳遞就已經(jīng)壓縮，會出現(xiàn)兩端密度過大現(xiàn)象，如果繼續(xù)施壓，木材在沒有達到最大壓縮率時兩端就會被壓潰，影響木材順紋壓縮的成功率。所以，在順紋壓縮過程中，選

15、擇合理的壓縮速度對獲得最大順紋壓縮率是非常重要的。因此，建議試驗速度應(yīng)該從3mm/min進一步下降，國標建議值為0.2mm/min。4、溫度升高必然導致木材軟化，塑性增大，其力學強度大幅度下降。為了觀察這一現(xiàn)象，對木材的性能有進一步認識，建議以后實驗加入溫度因素。參考文獻：1 張燕、宋魁彥、佟達等，木材順紋壓縮率與PDR的影響機制研究，林業(yè)機械與木工設(shè)備（Forestry Machinery & Woodworking Equipment），第40卷第11期，2012年11月，35-37頁；2 孫麗萍、崔永志、劉一星，木材橫紋壓縮過程中徑向弦向加載差異性分析，林業(yè)科技（Forestry

16、 Science & Technology），第22卷第3期，1997年5月，38-41頁；3 劉一星、則元京、師岡淳郎，木材橫紋壓縮大變形應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的定量表征，林業(yè)科學（Scientia Silvae Sinicae），第31卷第5期，1995年9月，436-442頁;附錄：延伸率計算公式：光學引申計測量：=y2n-y1(n)y21-y1(1)-1×100% 順紋抗壓強度計算公式為：式中，Pmax為最大載荷（N），b、t為試件寬度、長度（mm）橫紋抗壓強度計算公式： 式中，P為比例極限載荷（N），b為試件寬度（mm），t為試件長度（mm）。橫紋抗壓彈性模量計算公式：（根據(jù)GB19432009規(guī)定，試樣含水率為W%）式中，E