低温作用对桦木力学性能影响及机理研究

发布时间：2018-11-14 13:53

【摘要】：温度是影响木材力学性能的重要因素之一。有关高温对木材力学性能的影响已有诸多报道,而低温作用(包括低温环境下以及低温处理)对木材力学性能影响的研究尚未系统化,特别是低温下不同水分存在状态对木材性能的影响机制尚不清楚。因此,系统研究低温环境下以及低温处理后木材力学性能变化规律,揭示水分和温度在低温作用下对木材性能的影响机理,可以为木材及木制品在低温环境下的安全使用和木材改性等相关领域基础研究提供理论依据和科学指导,具有重要的理论意义和实用价值。本论文以桦木(Betula platyphylla)作为研究对象,系统研究了0~-196℃不同含水率木材在低温环境下,以及经1次或多次低温循环处理后力学性能变化规律,探讨了木材含水率、温度、低温作用时间对木材力学性能的影响。同时分别利用X射线衍射仪(XRD)、低温扫描电镜(Cryo-SEM)、以及动态力学分析仪(DMA),从木材化学成分及微观结构多角度探讨低温作用对木材力学性能的影响机理。主要结论如下:(1)在(0~-196℃)低温环境下,除绝干材外,不同含水率木材抗弯强度(MOR)和抗弯弹性模量(MOE)均随着温度的降低而显著增加。对于饱水材、生材、纤维饱和点木材和气干材,当温度在0~-160℃之间时,随着温度的降低,MOR和MOE显著增加,与20℃时相比,MOR的最大增加率分别为464%、329%、189%和92%,MOE的最大增加率分别为274%、171%、133%和66%;当温度低于-160℃时,四种含水率试样MOR的增加不显著。对于绝干材,MOR和MOE随着温度的降低而增加,最大增加率分别为20%和26%,但不同温度之间MOR和MOE均无显著差异。当温度在0~-160℃之间时,延性系数随着温度的降低显著下降,且含水率越高,延性系数下降越快。对于饱水材、生材、纤维饱和点木材、气干材和绝干材,延性系数分别下降了87.1%、81.2%、81.1%、79.7%和71.1%;当温度低于-160℃时,不同含水率状态木材延性系数无显著差异。(2)在低温环境下,木材同样存在热膨胀效应,热膨胀系数λ与温度和含水率呈正相关。在-150℃时,饱水材、气干材和绝干材的径向λ分别为21.37×10-6、14.8×10-6、14.97×10-6℃-1,当温度升至20℃时,三者径向λ分别增加了227%、293%和287%。同样,当温度从0℃降低至-150℃时,木材尺寸发生收缩,相对收缩量(ΔL/L)随温度的降低而增加,且含水率越高,ΔL/L越大。在-150℃时,饱水材ΔL/L最大(0.65%)。在此基础上,根据木材在低温下的热膨胀效应,进一步修正了低温环境下木材MOR,通过回归方程的建立可以推导出在0~-110℃任意低温下木材MOR。(3)桦木经1次或多次低温循环处理后,不同含水率试样的MOE和MOR均有所提高,相对于混凝土而言,木材具有更优越的抗低温能力。饱水材和生材分别在-20、-70、-100、-160、-196℃下处理48 h后,MOE及MOR均呈现增大趋势,MOE最大增加率分别为7.4%和4.6%,MOR最大增加率分别为7.4%和6.8%,方差分析表明,同一温度下处理前后试样MOE和MOR的差异不显著;不同温度低温处理后试样之间的MOE和MOR也无显著差异。当处理温度在-20至-100℃之间,饱水材和生材的延性系数显著增加,最大增加率分别为95.4%和64.4%;当处理温度低于-100℃时,饱水材和生材延性系数增加不显著。经1~4次低温循环处理(-196℃下处理72 h),饱水材、生材、气干材和绝干材MOE增加,最大增加率分别为6.8、6.2、4.8、3.0%,但影响不显著。(4)利用XRD、Cryo-SEM以及DMA对低温环境下的纤维素结晶结构及微观结构以及经低温处理后的试样黏弹性及纤维素结晶结构进行了测试分析,结果表明木材经低温作用后半纤维素和纤维素的性能未发生改变,结晶度也无显著变化。木材水分在低温下结冰(通过Cryo-SEM在-180℃明显观察到了饱水材细胞腔中的冰柱),由于冰的强化作用提高了木材的力学强度;其次,低温下木材尺寸发生收缩,使分子间作用力增强,从而增强了木材的力学强度。
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【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S781.2

【参考文献】