杨木纵向压缩回弹试验研究

1、杨木纵向压缩回弹试验研究论文导读：回弹率是评定压缩木尺寸稳定性的关键指标，因为回弹率的大小是影响木材利用的主要因素，只有研究好回弹率问题才能更好地利用木材，所以一般在实际生产中接触最多的问题是木材压缩所涉及的一系列问题，杨木是江苏省种植面积最大的树种，只有充分了解其压缩回弹情况才能更好地利用杨木，因此，本试验研究了杨木纵向压缩回弹情况。当软化后的木材被压缩成某一形态后，其纤维素和纤维素之间发生了变化，纤维素分子无论是处于蜷曲程度降低状态或增加状态，都比原来分子能量高，因此变化趋势是恢复原来状态，即蜷曲程度降低者，趋于增加，蜷曲程度增加者，趋于减少，这种趋势再加上结晶区的牵制作用使压缩试件具有回

2、弹性。在纵向压缩中，木材的蠕变和松弛是如何产生的呢？显然轴向纤维素大分子非结晶区发生压缩，但是它的压缩量是有限的，而且随着试件的枯燥，纤维素非结晶区中纤维收缩，必将回到原来的位置，那么只有木材细胞壁大面积均匀地发生褶皱，才能使木材实现这样大的纵向压缩量，同时确保木材不发生破坏。关键词：杨木，纵向压缩，回弹回弹率是评定压缩木尺寸稳定性的关键指标，因为回弹率的大小是影响木材利用的主要因素，只有研究好回弹率问题才能更好地利用木材，所以一般在实际生产中接触最多的问题是木材压缩所涉及的一系列问题，杨木是江苏省种植面积最大的树种，只有充分了解其压缩回弹情况才能更好地利用杨木，因此，本试验研究了杨木纵向压缩

3、回弹情况。当软化后的木材被压缩成某一形态后，其纤维素和纤维素之间发生了变化，纤维素分子无论是处于蜷曲程度降低状态或增加状态，都比原来分子能量高，因此变化趋势是恢复原来状态，即蜷曲程度降低者，趋于增加，蜷曲程度增加者，趋于减少，这种趋势再加上结晶区的牵制作用使压缩试件具有回弹性。木素是无定型物质，能适应纤维素分子链形变。当温度低于木素的软化点，木素恢复为玻璃态，能起固定纤维素形变作用，但是只有减少水分的膨胀作用，减小了分子间的距离，增加分子间摩擦力，才能真正把形状固定下来，这个过程是一个应力松弛过程。此时木材再用蒸煮法软化，纤维素非结晶区仍然出现分子间的距离增大，摩擦减小，木素软化点降低，木材就

4、能回弹。由上述分析可以看出，木材是一种粘弹性体，具有弹性和塑性两方面性质，弯曲、压缩过程实质上是一个应力松驰过程。当解除压力后，试件尺寸稳定后，试件没有恢复到原来尺寸，产生了蠕变和松弛。在纵向压缩中，木材的蠕变和松弛是如何产生的呢？显然轴向纤维素大分子非结晶区发生压缩，但是它的压缩量是有限的，而且随着试件的枯燥，纤维素非结晶区中纤维收缩，必将回到原来的位置，那么只有木材细胞壁大面积均匀地发生褶皱，才能使木材实现这样大的纵向压缩量，同时确保木材不发生破坏。由以下公式计算木材的回弹率：1材料与方案1.1 材料I-69杨取自江苏泗阳，树龄15年生，平均胸径36cm，树干圆满通直，无偏心。锯成径切板并

5、气干以备用，根据GB/T1933-91测定锯材的气干密度，平均密度为0.525g/cm3，变异系数为1-7.8%，气干含水率为13%，变异系数为5.9%。试件四面刨光后的规格为30mmLx20mmRx20mmT。论文参考。加工后的试件进行挑选,剔除肉眼可见的缺陷如腐朽、轮裂和较大的节子等，外表纹理斜度小于10。试验以边材作为研究对象。1.2 试验方案采用水煮法预处理试件在100水中蒸煮1h，在万能力学试验机上进行纵向压缩，最后研究压缩后试件的回弹情况。试验分别采用煮沸法和气干法来测定杨木的纵向压缩回弹。煮沸法即把已测定了密度和含水率的试件先浸于(202)常温水中24h，再置于沸水中煮2h，取出

6、气干后测量其长度【4】。而气干法是把压缩后的试件直接置于大气中，测量其长度。试验的具体方案如下： 试件压缩后立即卸压，试件的压缩率分别为8、12、16、20，分别采用煮沸法和气干法，找出压缩率与回弹率之间的关系。 试件的压缩率定为12，保压时间分别为3、6、9、15、30min，采用煮沸法和气干法，找出保压时间与回弹率之间的关系和回弹率随时间的变化规律。每个试验条件取4个试件，每种条件重复3次试验。2试验结果与数据分析2.1 压缩率对回弹的影响此为试验方案的结果，其具体数值为表1。表1 试件采用煮沸法的压缩回弹结果Tab.6-1 Theresult of compression recover

7、y by the way of boiling samples 压缩率 回弹率Ra 回弹率Rb 压缩量L1 mm 压缩量L2 mm 8 88.6 91.8 0.668 0.149 12 86.4 89.9 0.825 0.194 16 81.4 90.5 1.128 0.256 20 77.6 89.9 1.355 0.306 注：Ra为试件卸载后立即测的所对应的回复率，Rb为试件压缩后经煮沸再气干时所对应的回复率，L1为煮后压缩前后试件的尺寸之差，L2为气干状态下压缩前后试件的尺寸之差。论文参考。试件在压缩率为16的条件下压缩，试件的破坏率为10，而在压缩率为20的情况下试件的破坏率到达35

8、。把表1中的结果绘制如图1和图2中。压缩率是影响压缩木回弹率的一个重要因素。图1和图2说明，随着压缩率的增大，压缩木的尺寸越稳定，回弹率减小；但是，采用煮沸法处理压缩过的试件经软化，再气干，试件的回弹率很高，均达90，这是因为木素是无定型物质，能适应纤维素分子链形变。论文参考。当温度低于木素的软化点，木素恢复为玻璃态，能起固定纤维素形变作用，但是只有减少水分的膨胀作用，减小了分子间的距离，增加分子间摩擦力，才能真正把形状固定下来，这个过程是一个应力松弛过程。此时木材再用蒸煮法软化，纤维素非结晶区仍然出现分子间的距离增大，摩擦减小，木素软化点降低，木材就能回弹。图1说明，随着压缩率的增大，试件的

9、长度压缩量也变大，压缩率为20时，湿材的压缩量L1为1.355mm，比压缩率为8时大0.678mm，但对于气干材的变形量来讲，其随压缩率的增加上升幅度很小。图2说明，当压缩率为20时，压缩回复率Ra为77.6，比压缩率为8时的回复率降低了10，但是压缩后的木材经煮沸后再气干所得的回弹率与压缩率的关系不太大。综上分析可得出：在压缩率为20的条件下，压缩试件具有较小的回弹率。根据两种不同处理压缩试件的方法，可得试件在气干状态下压缩量的值。如表2。表2 煮沸法与气干法对试件压缩量的影响Tab.2 The influence boiling way and air drying way on comp

10、ressionvalue 回弹条件 压缩后处理方法 煮沸法 气干法 压缩率% 压缩量气干材mm 压缩量气干材mm 12% 0.194 0.558 16% 0.256 0.78 从表2可以看出，比起气干法处理的压缩木，采用煮沸法处理的压缩木，其压缩量在气干状态下要小许多，这可能是因为压缩后的木材经水煮使纤维素非结晶区仍然出现分子间的距离再次增大，那么木材回弹较大。2.2 保压时间对回弹的影响此为试验方案的结果，具体数值如表3。表3 试件采用煮沸法的压缩回弹结果Tab.3 The result of compression recovery by the way of boiling sample

11、 保压时间min 回弹率R% L1mm L2mm 0 75.9 0.825 0.194 3 71.8 1.016 0.201 6 68.3 1.14 0.211 9 66 1.228 0.32 15 65.4 1.255 0.343 30 63.9 1.31 0.367 注：表中的R为试件压缩卸压后立即测试所对应的回弹率，L1为试件煮后压缩前后的尺寸之差，L2为气干状态下试件压缩前后的尺寸之差。其对应的图形如图3与图4。保压时间也是影响压缩木回弹率的一个重要因素。图3说明，随着保压时间的延长，压缩木的回弹率呈下降趋势，保压时间为30min时，试件的回弹率为63.9，比立即卸压时的回弹率要低12

12、。在内应力产生的过程中，木材被塑性处理的越充分，木材纤维抵抗变形的能力就越差，木材内部在压缩后所保存的内应力就越少。经过煮沸的试材在压缩前得到了充分的软化，发生了玻璃化转变而进入橡胶态，因此在较小的压力作用下便能够得到较大的压缩变形，而且如果保压时间越长，木质素和半纤维素的软化和分解程度越高，木质素的凝聚化程度也较高，这越有利于内应力的释放，从而使木材内部的应力逐渐松弛而呈递减趋势。同时保压时间的延长会使木材内部形成凝聚结构更完全，压缩变定程度更高，这样就能使保压后的木材压缩回弹率降低。图4说明了，随着保压时间的延长，试件的压缩量L1呈增加趋势且增加的幅度较大。而压缩量L2随也呈上升趋势但很小

13、，这是由于水煮使本来蜷曲的纤维在湿的状态下几乎回到原来状态。2.3 回弹随时间的变化规律为了准确得到试件在卸压后回弹率随时间变化的规律，试验采取的测试方法是，压缩率定于12，压后试件立即卸载，试件卸载后，0min、1min、2min、5min、10min、15min、20min、30min、40min、50min、60min、24h和煮后气干的回弹率，每个点测试试件为6个，试件在不同的试验条件下蒸煮法和气干法随时间的回弹变化规律如图5。从图5可以看出，在压缩木煮沸之前，两种情况对回弹率的影响几乎是一致的。即试件刚卸载时其回弹率到达76，在卸载后的1min中内回弹率迅速增加至80，此后试件的回弹率几乎不变。根据蠕变理论，木材压缩时的变形由三局部组成，分别是弹性变形，粘弹性变形和塑性变形，试件卸载后，弹性变形立即恢复，粘弹性变形在最初的时间恢复较快，其恢复逐渐变小，试件的长度趋于一定值，所剩即塑性变形。但图也说明，压缩后的试件经煮沸后，回弹率再次迅速上升，到达了90以上，这可能是由于热的作用使木材的剩余内力再次释放出。3 小结 随着压缩率的增大，压缩木的尺寸越稳定；但是压缩过的试件采用煮沸法处理后再经气干，试件的回弹率很高。 随着保压时间的延长，压缩木的回弹率呈