【摘要】：溫度是影響木材力學(xué)性能的重要因素之一。有關(guān)高溫對木材力學(xué)性能的影響已有諸多報道,而低溫作用(包括低溫環(huán)境下以及低溫處理)對木材力學(xué)性能影響的研究尚未系統(tǒng)化,特別是低溫下不同水分存在狀態(tài)對木材性能的影響機制尚不清楚。因此,系統(tǒng)研究低溫環(huán)境下以及低溫處理后木材力學(xué)性能變化規(guī)律,揭示水分和溫度在低溫作用下對木材性能的影響機理,可以為木材及木制品在低溫環(huán)境下的安全使用和木材改性等相關(guān)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo),具有重要的理論意義和實用價值。本論文以樺木(Betula platyphylla)作為研究對象,系統(tǒng)研究了0~-196℃不同含水率木材在低溫環(huán)境下,以及經(jīng)1次或多次低溫循環(huán)處理后力學(xué)性能變化規(guī)律,探討了木材含水率、溫度、低溫作用時間對木材力學(xué)性能的影響。同時分別利用X射線衍射儀(XRD)、低溫掃描電鏡(Cryo-SEM)、以及動態(tài)力學(xué)分析儀(DMA),從木材化學(xué)成分及微觀結(jié)構(gòu)多角度探討低溫作用對木材力學(xué)性能的影響機理。主要結(jié)論如下:(1)在(0~-196℃)低溫環(huán)境下,除絕干材外,不同含水率木材抗彎強度(MOR)和抗彎彈性模量(MOE)均隨著溫度的降低而顯著增加。對于飽水材、生材、纖維飽和點木材和氣干材,當(dāng)溫度在0~-160℃之間時,隨著溫度的降低,MOR和MOE顯著增加,與20℃時相比,MOR的最大增加率分別為464%、329%、189%和92%,MOE的最大增加率分別為274%、171%、133%和66%;當(dāng)溫度低于-160℃時,四種含水率試樣MOR的增加不顯著。對于絕干材,MOR和MOE隨著溫度的降低而增加,最大增加率分別為20%和26%,但不同溫度之間MOR和MOE均無顯著差異。當(dāng)溫度在0~-160℃之間時,延性系數(shù)隨著溫度的降低顯著下降,且含水率越高,延性系數(shù)下降越快。對于飽水材、生材、纖維飽和點木材、氣干材和絕干材,延性系數(shù)分別下降了87.1%、81.2%、81.1%、79.7%和71.1%;當(dāng)溫度低于-160℃時,不同含水率狀態(tài)木材延性系數(shù)無顯著差異。(2)在低溫環(huán)境下,木材同樣存在熱膨脹效應(yīng),熱膨脹系數(shù)λ與溫度和含水率呈正相關(guān)。在-150℃時,飽水材、氣干材和絕干材的徑向λ分別為21.37×10-6、14.8×10-6、14.97×10-6℃-1,當(dāng)溫度升至20℃時,三者徑向λ分別增加了227%、293%和287%。同樣,當(dāng)溫度從0℃降低至-150℃時,木材尺寸發(fā)生收縮,相對收縮量(ΔL/L)隨溫度的降低而增加,且含水率越高,ΔL/L越大。在-150℃時,飽水材ΔL/L最大(0.65%)。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)木材在低溫下的熱膨脹效應(yīng),進一步修正了低溫環(huán)境下木材MOR,通過回歸方程的建立可以推導(dǎo)出在0~-110℃任意低溫下木材MOR。(3)樺木經(jīng)1次或多次低溫循環(huán)處理后,不同含水率試樣的MOE和MOR均有所提高,相對于混凝土而言,木材具有更優(yōu)越的抗低溫能力。飽水材和生材分別在-20、-70、-100、-160、-196℃下處理48 h后,MOE及MOR均呈現(xiàn)增大趨勢,MOE最大增加率分別為7.4%和4.6%,MOR最大增加率分別為7.4%和6.8%,方差分析表明,同一溫度下處理前后試樣MOE和MOR的差異不顯著;不同溫度低溫處理后試樣之間的MOE和MOR也無顯著差異。當(dāng)處理溫度在-20至-100℃之間,飽水材和生材的延性系數(shù)顯著增加,最大增加率分別為95.4%和64.4%;當(dāng)處理溫度低于-100℃時,飽水材和生材延性系數(shù)增加不顯著。經(jīng)1~4次低溫循環(huán)處理(-196℃下處理72 h),飽水材、生材、氣干材和絕干材MOE增加,最大增加率分別為6.8、6.2、4.8、3.0%,但影響不顯著。(4)利用XRD、Cryo-SEM以及DMA對低溫環(huán)境下的纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)以及經(jīng)低溫處理后的試樣黏彈性及纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)進行了測試分析,結(jié)果表明木材經(jīng)低溫作用后半纖維素和纖維素的性能未發(fā)生改變,結(jié)晶度也無顯著變化。木材水分在低溫下結(jié)冰(通過Cryo-SEM在-180℃明顯觀察到了飽水材細胞腔中的冰柱),由于冰的強化作用提高了木材的力學(xué)強度;其次,低溫下木材尺寸發(fā)生收縮,使分子間作用力增強,從而增強了木材的力學(xué)強度。
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【學(xué)位授予單位】：中國林業(yè)科學(xué)研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S781.2

【參考文獻】

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本文編號：2331348