高温预处理对足尺胶合木梁力学性能的影响

岳 孔 宋旭磊 焦学凯 陈 强 宋永明 刘伟庆 陆伟东

(1.南京工业大学土木工程学院 南京 211800；2.东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室 哈尔滨 150040)

环境湿度是影响木材使用的重要因素，湿度改变不仅引起木材含水率变化，也会使其产生内应力，发生翘曲和开裂。高湿度下木材含水率增大，更易受虫、菌等侵染而降等或失效，且其强度降低、变形加大(Wangetal.，2005；Korkutetal.，2008；Yangetal.，2012；Lietal.，2013；Skaar，1988；Hill，2006)。《结构用集成材》(GB/T 26899—2011)指出，完全暴露在室外大气中的木构件，木材年平均平衡含水率超过20%。为提高结构安全性，《胶合木结构技术规范》(GB/T 50708—2012)规定，使用中胶合木含水率大于15%时，其强度设计值和弹性模量均应进行折减。

以水蒸气、惰性气体或热油等为导热介质，在160～250 ℃下进行热改性，可改善木材的尺寸稳定性和防腐性能，还能满足其颜色多样化的需求(丁涛等，2012；顾炼百等，2010；Dubeyetal.，2011；Estevesetal.，2008；邓绍平等，2008；2010；李延军等，2010)。高温热改性后，木材的湿胀量降低52%～75%(Burmester，1973)。李涛等(2009)在185 ℃下对水曲柳(Fraxinusmandshurica)进行处理，发现高温热改性不能显著改变其表面硬度和顺纹抗压强度，但其抗弯强度降低。丁涛等(2010)以常压和0.35 MPa压力、205和185 ℃工艺对樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)和柞木(Xylosmaracemosum)进行高温热改性，改性后樟子松的弹性模量略有下降，柞木略有提高，但变化不显著；相对于压力高温热改性，常压高温热改性对木材强度影响更小；常压高温热改性后，木材的顺纹抗压强度提高，但抗弯强度明显下降。李惠明等(2009)对南方松(Pinusspp.)、樟子松、水曲柳和柞木进行高温热改性，改性后木材的顺纹抗压强度和抗弯弹性模量增加，但抗弯强度和冲击韧性降低。

高温热改性不引进化学物质，属于对环境和生物无危害的绿色改性方法。目前，木材高温热改性研究多基于实验室方法的小尺寸试件，并未与工厂实际工业化生产建立联系。此外，虽然高温热改性一般会降低木材力学性能，但当处理温度在200 ℃以下时其影响较小，甚至有些指标还略有提高(丁涛等，2010；Borregaetal.，2008；Sundqvistetal.，2006；Shietal.，2007；岳孔等，2018)。兴安落叶松(Larixgmelinii)是我国东北和华北地区的主要用材树种，强度高，但材质硬重、尺寸稳定性差，用于建筑中受力构件时，常因环境条件变化发生开裂，考虑到高温热改性材具有较好的尺寸稳定性和耐久性，其适于在高湿环境中使用(孙伟伦等，2010；史蔷等，2012)。鉴于此，本研究以200 ℃工业化高温热改性的兴安落叶松为研究对象，开展高湿度环境下足尺结构用层板胶合木梁抗弯性能试验，明确高温热改性和环境湿度对木材平衡含水率、木材顺纹抗剪强度和顺纹抗拉强度的影响规律，揭示高温预处理对胶合木梁抗弯性能影响的作用机制，以期为高温热改性技术在木结构领域中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 木材 兴安落叶松，购自中意森科木结构有限公司，尺寸40 mm×140 mm×3 000 mm(厚×宽×长)，平均年轮宽度1.3 mm，平均气干密度0.591 g·cm-3，平均含水率8%～10%。

1.1.2 胶黏剂 双组分室温固化型结构用间苯二酚-酚醛树脂，购自日本爱克工业株式会社。主剂为深红褐色黏性液体，固化剂为浅红棕色粉状固体，主剂和固化剂混合比例为100∶18(质量比)，20 ℃下凝胶时间100 min、黏度2 200 cps。

1.2 试件制备

足尺木材层板高温热改性在浙江世友木业有限公司40 m3高温炭化窑内完成，以常压水蒸气为保护气体，处理温度200 ℃，处理时间3.5 h。

根据《胶合木结构技术规范》(GB/T 50708—2012)，每层层板厚度经双面刨光至25 mm。参考《结构用集成材》(GB/T 26899—2011)和胶黏剂使用要求，胶合木梁制备在20～25 ℃下采用层板目测分等Ⅰd和同等组坯工艺一次成型。双组分胶黏剂混合均匀后，利用人工辊涂方式涂布，涂胶量350 g·m-2，胶黏剂自双组分混合到胶合木梁压力施加完成操作时间控制在15 min以内。涂胶和组坯完成后，在1.2 MPa下保持6 h。卸压后，胶合木梁在室温环境养护3天。根据《木结构试验方法标准》(GB/T 50329—2012)和《结构用集成材》(GB/T 26899—2011)，胶合木梁尺寸为75 mm×150 mm×3 000 mm(宽×高×长)。

木材顺纹抗拉和抗剪强度试件的制备分别按照《木材顺纹抗拉强度试验方法》(GB/T 1938—2009)和《木材顺纹抗剪强度试验方法》(GB/T 1937—2009)规定进行。

1.3 试验仪器与设备

采用JAW-300/3型多功能木结构力学性能试验装置和MAS-250型作动器(杭州邦威机电控制工程有限公司)对胶合木梁进行加载；采用BX120-50AA型应变片(浙江黄岩测试仪器厂)、YHD-200型位移计和DH3816静态应变仪(江苏东华测试技术股份有限公司)对加载过程中胶合木梁的变形进行测定。

1.4 试验方法

制备完成后的胶合木梁分为未处理和高温热改性试件2组，各取一半分别置于25 ℃、60%和90%湿度环境中3个月后，每隔3天称重1次，直至最后2次质量之差不超过最后一次质量的1%。

胶合木梁抗弯性能测试根据BS EN 408∶2010标准中四分点加载方式进行，测试方案见图1。试件端部下表面支座处各用一钢垫板传递支座反力，在钢垫板下面沿梁宽方向各设置一滚轴以保证梁端在受力时可转动。在胶合木梁跨中位置一侧沿高度均匀布置6个应变片，以采集跨中截面应变沿胶合木梁高的分布。在两端支座和跨中各布置1个位移计，测量胶合木梁全跨挠度。试验时，应变仪与作动器同步采集变形和荷载，采用连续加载方式，加载速度5 mm·min-1，直至胶合木梁破坏。60%和90%环境湿度下，未处理和高温热改性试件重复数量均为3个，共计12个试件。

图1 足尺胶合木梁抗弯性能测试方案

根据BS EN 408∶2010标准，胶合木梁抗弯强度(fm)和抗弯弹性模量(Em,g)根据下式计算：

(1)

(2)

式中：Fu为极限荷载(N)；W为试件截面抵抗矩(mm3)；a为加载点与支撑点之间的距离(mm)；l为试件跨度(mm)；b和h分别为试件宽度和高度(mm)；ΔF为试件受弯过程中弹性阶段的荷载增量(N)；ΔW为与△F对应的试件跨中挠度增量(mm)。

木材顺纹抗拉和抗剪强度的测试和计算分别按照《木材顺纹抗拉强度试验方法》(GB/T 1938—2009)和《木材顺纹抗剪强度试验方法》(GB/T 1937—2009)进行。60%和90%环境湿度下，未处理和高温热改性试件重复数量均为20个。

2 结果与分析

2.1 木材顺纹抗剪和抗拉性能

高温热改性前后落叶松木材在60%和90%环境湿度下的顺纹抗剪强度和抗拉强度见表1。

木材破坏通常由微纤丝和填充物的劈裂或剪切导致(丁涛等，2010)；而半纤维素和木质素黏结在一起，支撑着纤维素骨架(徐有明，2006)，赋予木材剪切强度(丁涛等，2010)，作为木材三大组分中对热最为敏感的高聚物(黄荣凤等，2010；邓绍平等，2009)，分布于细胞间隙胞间层中半纤维素的降解和部分脱除，可能引起木材细胞间隙增大，是木材内部的初始缺陷，在承载中极易成为应力集中的部位，从而造成木材顺纹剪切强度明显降低。当温度高于180 ℃时，纤维素热裂解反应逐渐增强，聚合度降低，引起热处理后木材强度下降(Mitchell，1988)。但总的来说，相对于其他化学组分，纤维素热稳定性较高，高温对其力学性能劣化的作用有限；高温下木质素软化经冷却重新硬固，材料仍保持较高的抗拉强度。

表1 落叶松木材的顺纹抗剪强度和抗拉强度

2.2 木材平衡含水率

木材吸湿性主要取决于其所含半纤维素和纤维素无定形区中未成键的自由羟基数量，一定湿度环境中，木材平衡含水率降低表明木材内吸湿基团减少，即木材半纤维素和纤维素无定形区的结构和比例发生变化。落叶松未改性材和高温热改性材在60%和90%环境湿度下的平衡含水率见图2。

图2 高温热改性前后落叶松木材平衡含水率

图2表明，高温热改性和环境湿度对木材平衡含水率均有明显影响。60%环境湿度下落叶松木材平衡含水率为10.74%，当环境湿度为90%时，木材平衡含水率提高92.0%，达20.62%。高温热改性后，60%环境湿度下木材平衡含水率降至4.76%，是未改性材的44.3%；当环境湿度为90%时，高温热改性材的平衡含水率为11.18%，与未改性材相比，平衡含水率仅为其54.2%。

半纤维素的化学结构决定其是木材化学组分中耐热性最差、对外界条件最敏感、最易发生化学变化和反应的碳水化合物(尹思慈，1996)，在高温热改性过程中，半纤维素最易发生降解(黄荣凤等，2010；邓绍平等，2009)。丁涛等(2016)、曹金珍等(1997)研究指出，高温热改性后，木材中苯醇抽提物含量明显增加，半纤维素降解，木材的亲水性降低，与本研究结果具有一致性。

2.3 胶合木梁抗弯性能

高温热改性对60%和90%环境湿度下胶合木梁抗弯强度和抗弯弹性模量的影响见图3。

图3 胶合木梁的抗弯性能

图3表明，胶合木梁的抗弯强度和抗弯弹性模量均随环境湿度提高而降低；在环境湿度相同时，木材经高温热改性后，其抗弯强度有所降低，抗弯弹性模量得到改善。与90%环境湿度下未处理胶合木梁相比，同湿度下高温热改性胶合木梁的抗弯强度降低29.79%，抗弯弹性模量提高23.71%。对于未处理胶合木梁，90%环境湿度比60%环境湿度下的抗弯强度和抗弯弹性模量分别降低17.07%和23.27%；对于高温热改性胶合木梁，90%环境湿度比60%环境湿度下的抗弯强度和抗弯弹性模量分别降低17.15%和7.55%。

60%和90%环境湿度下胶合木梁的荷载-位移曲线见图4。

图4 胶合木梁荷载-位移曲线

图4表明，60%环境湿度下未处理和高温热改性胶合木梁均表现为线弹性，90%环境湿度下高温热改性胶合木梁也表现出较明显的线弹性。与此相比，未处理胶合木梁在90%环境湿度下表现出明显的弹塑性，在胶合木梁承载初期为弹性阶段，中后期进入塑性阶段，直至破坏。因此，通过高温热改性，能够显著提高胶合木梁的抗弯弹性模量，减小挠度。

高温热改性胶合木梁的典型破坏模式见图5。可以看出，高温热改性胶合木梁破坏时，裂缝先沿横截面向上延伸，后沿木材纹理向构件端部延伸，为明显的脆性破坏，除个别试件为端部顺纹剪切破坏(图5a)外，其他均为受拉区纤维断裂和剪切混合破坏(图5b)，受压区无明显塑性变形。

图5 高温热改性胶合木梁的典型破坏模式

胶合木梁受弯过程中各级荷载对应的跨中截面应变分布见图6和7。

图6 未处理胶合木梁跨中截面应变分布

图7 高温热改性胶合木梁跨中截面应变分布

图6、7表明，未处理和高温热改性胶合木梁承受弯曲作用时，垂直于胶合木梁轴线的各平截面在变形后仍然为平面，均符合平截面假定。同时，所有胶合木梁在承载全过程中，中性轴基本位于其几何中心线上，无明显变化。

比较图6、7发现，对于未处理和高温热改性胶合木梁，在相同荷载水平下，各层板在90%环境湿度下的变形均高于60%环境湿度下的变形，说明环境湿度提高导致木材含水率增大，是木材抗弯强度和抗弯弹性模量降低的主要原因。同时，在相同环境湿度条件下，高温热改性胶合木梁各层板的变形均小于未处理胶合木梁对应层板的变形，这是因为高温热改性后，木材弹性模量提高导致，与图3、4具有较好的一致性。

根据材料力学基本原理(孙国钧等，2006)，弯曲时横截面上离中性轴最远处正应力最大，最大剪切应力发生在中性轴处，梁弯曲过程中，除中部纯弯曲段外的区域均有剪切应力。高温热改性后，木材纤维素发生部分热裂解(Mitchell，1988)，对湿热敏感的半纤维素发生热解(黄荣凤等，2010；邓绍平等，2009；丁涛等，2016；曹金珍等，1997)，导致纤维素更易在荷载作用下拉断或从半纤维素基质中拔出而破坏，因此高温热改性后及处于高湿环境中的木材顺纹抗剪强度下降幅度较大，这对胶合木梁的极限受弯承载力具有较大影响，也是高湿环境中高温热改性胶合木梁抗弯强度降低、中性轴附近有缺陷处易发生剪切破坏或拉伸剪切混合破坏的主要原因。

水分作为增塑剂，当木材含水率较低时，会引起力学性能提高。由于高温热改性后吸湿性强的半纤维素降解，木质素发生酯化反应，使得强吸水性羟基数量减少，木材平衡含水率明显降低。同时，高温通过纤维素准结晶无定形区纤维素分子链之间的羟基缩合反应，脱出水分、生成醚键，使无定形区内微纤丝排列更加有序，向结晶区靠拢并取向，不但减少了纤维素游离羟基的数量，弱化了木材的吸湿性能(Tjeerdsmaetal.，2005；Inarietal.，2007)，而且降低了荷载作用下微纤丝间的滑移，因此高温热改性胶合木梁抗弯弹性模量得到较明显改善。

3 结论

1)高温热改性会在一定程度上降低胶合木梁的抗弯强度，但可明显提高高湿度条件下胶合木梁的抗弯弹性模量，与90%环境湿度下未处理胶合木梁相比，高温热改性后，同湿度下胶合木梁的抗弯强度降低29.79%，抗弯弹性模量提高23.71%。

2)高温热改性可降低胶合木梁抗弯弹性模量对环境湿度的敏感性，环境湿度从60%提高到90%，未处理胶合木梁的抗弯弹性模量降低23.27%，经高温热改性预处理的胶合木梁抗弯弹性模量降低7.55%。

3)与60%环境湿度相比，90%环境湿度下胶合木梁的抗弯性能具有更明显的非线性特性；经高温热改性预处理后，胶合木梁在60%和90%环境湿度下均表现为线弹性。

4)高温热改性和高湿环境均对木材抗剪强度有较为明显的劣化作用，经高温热改性预处理的胶合木梁主要发生具有脆性特征的拉伸剪切混合破坏或剪切破坏。

5)环境湿度和高温热改性对木材平衡含水率影响明显,90%环境湿度下未改性木材平衡含水率较60%环境湿度下提高92%；高温热改性后木材平衡含水率显著降低，与90%环境湿度下未处理木材相比，高温热改性木材平衡含水率为11.18%，降低45.78%。