竹材徑向壓縮的蠕變行為

竹材徑向壓縮的蠕變行為張曉敏1，2孫正軍1王喜明2（1國際竹藤網(wǎng)絡(luò)中心，北京100102；2內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與藝術(shù)設(shè)計院，呼和浩特010019）摘要：用四元件的Burger粘彈性模型擬合了毛竹竹材在壓力為6MPa時不同溫度、含水率下徑向壓縮的蠕變行為，確定了模型中的4個元件參數(shù)。結(jié)果表明：在壓應(yīng)力小于屈服極限時，Burger模型可用來描述竹材徑向壓縮的短期蠕變行為；4個元件模型參數(shù)受溫度和含水率影響較大，實驗結(jié)果表明：四元件參數(shù)與含水率成反比關(guān)系，溫度與瞬時彈性模量Ee成正比關(guān)系，與其他三元件參數(shù)成反比關(guān)系。關(guān)鍵詞：竹片單元徑向壓縮勃格模型元件參數(shù)CreepBehaviorofBambooCompressedonRadicalDirectionZHANGXIAOMIN1,2,SUNZHENGJUN1,WANGXIMING2(1.InternationalCenterforBambooandRattan,Beijing100102,China;2InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Huhhot010019,InnerMongolia,Abstract:Burgermodelwasusedtoimitatetheradicalcompressioncreepbehaviorofbamboo(Phyllostachsedulis)underthedifferenttemperature，themoisturecontent．ThefourelementparametersofBurgermodelweredeterminedinthispaper．TheresultsshowedthatthecreepbehaviorofbamboowasobtainedbymeansoftheBurgermodelintheyieldstrengthscope．Theexperimentalresultsshowthat:thefourcomponentparametersisinverselyproportionaltomoisturecontent,temperatureandtheinstantaneouselasticmodulusEeindirectproportionalrelationshipWhiletheotherthreecomponentsisinverselyproportionaltothetemperature.Keywords：Bamboo,Radicalcompression,Burgermodel,Elementparameter木材是可壓縮的多孔固體材料，在徑向和弦向具有類似高分子材料的粘彈行為，但本質(zhì)是多孔材料的壓縮。其粘彈行為受到溫度、濕度、加載時間、加載速率和應(yīng)變幅值等條件的影響。蠕變和應(yīng)力松弛為粘彈性的兩種典型加載模式。我國對木材流變學(xué)的研究始于20世紀(jì)80年代中期，王培元研究了刨片的橫紋壓縮流變性能，結(jié)果表明：刨片易于受壓變形，越薄，柔量越大，刨片厚度及刨片層疊方向都會影響到刨片流變性能。施建平等人用參數(shù)分離法研究了柞木的流變，結(jié)果表明：彈性變形與恒壓應(yīng)力成直線關(guān)系，瞬間塑性變形與其成幾個階段的直線關(guān)系，推遲彈性變形及依賴時間塑性變形都遵循以對數(shù)為主體的函數(shù)。盧寶賢等研究了粘彈性模型在木材蠕變中的應(yīng)用。顧繼友研究了人造板的變形及蠕變性能等，其成果對指導(dǎo)木基人造板生產(chǎn)及應(yīng)用有重要意義。相對木材而言，我國對于竹材粘彈性的研究卻比較少。竹材是由維管束和薄壁細胞組織組成，也屬于可壓縮的多孔材料。但竹材的變異性大，竹青部和竹黃部模量和強度有很大差距。在竹人造板及竹層積材生產(chǎn)中，很多質(zhì)量缺陷都是與竹材在壓縮過程中板坯內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生和釋放有關(guān)「1」人造板生產(chǎn)中，構(gòu)成單元的變形狀態(tài)直接影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量，通常，木質(zhì)人造板單元的粘彈性會導(dǎo)致成板的回彈，并引起內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)生較大的不可逆厚度膨脹率(顧繼友,2003)。而人造板單元的粘性則直接影響成板的密度在厚度方向上的分布和內(nèi)結(jié)合強度。所以，研究竹材在不同溫度﹑不同含水率、不同方向壓縮流變性能，對竹人造板加工及竹層積材的改進具有指導(dǎo)意義?；诖耍疚囊晕覈a(chǎn)量大，分布廣的毛竹為原料，研究其在不同含水率和不同溫度時徑向壓縮流變性能。國家十一五科技支撐項目支持通訊作者：孫正軍，博士，研究員電話mail:sunzj@材料與方法原料與試樣制備分級竹片：浙江新昌產(chǎn)毛竹(Phyllostachsedulis)，4年竹齡，胸徑90-120mm，含水率小于10%，氣干后精心磨制。密度0.8g/cm3試件規(guī)格：60×7.5×2.4mm試驗設(shè)備Instron5582型力學(xué)實驗機高溫試驗箱：力學(xué)實驗機附件Sartorius精密電子天平DHG-9146A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱等試驗方法本試驗采用Instron5582型力學(xué)實驗機進行應(yīng)力松弛，應(yīng)力應(yīng)變及蠕變實驗。實驗室溫度約26℃竹片的含水率為0，5--7，12，30%。實驗溫度分別為:252，90，110，130℃考慮到竹材在高溫時不能很準(zhǔn)確的控制水分，所以本試驗高溫90,110，130每次實驗重復(fù)4次，試驗前做了上述不同溫度和濕度下的壓縮大變形實驗，蠕變時間和恢復(fù)時間各為1h,計算機可自動繪出蠕變---時間曲線，流變模型選擇竹材細胞壁的主要成分為纖維素、半纖維素(雜多糖)和木質(zhì)素。這3種物質(zhì)緊密相連存在一個系統(tǒng)中。1982年日本浦上等人提出，可根據(jù)短時間內(nèi)測得的蠕變曲線來確定蠕變常數(shù)「2」。這就節(jié)省了大量的測試時間．迄今，關(guān)于木質(zhì)材料蠕變有Maxwell、Kelvin二元件模型，虎克彈性體與Maxwell或Kelvin結(jié)合的三元件、四元件、五元件模型。目前應(yīng)用最廣的還是Maxwell和Kelvin串聯(lián)而成的四元件Burger流變模型，其數(shù)學(xué)公式如下：(王逢瑚,1995)（1）式中;--------瞬時彈性模量-------延時彈性模量-----應(yīng)變----粘彈性系數(shù)-----粘性系數(shù)----應(yīng)力t--時間圖1勃格四元件模型Fig.1Four-Burgerelementmodel根據(jù)蠕變一回復(fù)實驗曲線(圖2)，即可標(biāo)定出各應(yīng)變組分，并由此求出Burger模型中的4個元件參數(shù)。圖2蠕變---恢復(fù)曲線Fig.2Creep-recoverycurveofbamboo3結(jié)果與分析3.1勃格模型四元件參數(shù)分析下表為根據(jù)實測恒壓應(yīng)力為6Mpa時，不同含水率和不同溫度條件下勃格四元件參數(shù)：表1四元件流變模型參數(shù)值Table1parametersofBurgerelementmodel含水率(%）MoistureContent溫度/℃TemperatureEe（Mpa）Ede（Mpa）(Gpa.s)(Gpa.s)0室溫22228573149490990224157960845001102271319550131713023371028712596室溫2181263744225012室溫2131034530164830室溫2114934371460圖3蠕變特性參數(shù)在恒定壓力下與含水率的關(guān)系(T=26℃Fig．3Parametersincreeptestwithdifferentmoisturecontents圖4蠕變特性參數(shù)在恒定壓力下與溫度的關(guān)系（MC=0%）Fig．4Parametersincreeptestwithdifferenttemperature由上可知：竹材的徑向壓縮蠕變特性參數(shù)受不同溫度和含水率變動的影響較大。將在實驗中測得元件參數(shù)取平均值，與溫度和含水率作相關(guān)分析，可得到如下結(jié)論：瞬時彈性模量，反映竹材橫紋熱壓過程中抵抗瞬時變形的能力。從圖3中可以看出，在應(yīng)力水平和溫度相同而含水率不同時，隨含水率的增大而減小，這與文獻所述木材彈性變形相一致「3」。在本次試驗范圍內(nèi)，含水率每增加1%，其值下降了0.37Mpa；而在應(yīng)力，含水率都相同的情況下（圖4），會隨著溫度的升高而增大，即升高溫度減小了彈性變形的比量，這與文獻中的分析也相一致「4」。溫度每升高1℃，其值升高了0.11Mpa；說明濕度會降低竹材抵抗瞬時變形的能力而溫度能提高竹材抵抗瞬時變形的能力。延遲彈性模量，反映竹材橫紋熱壓過程中抵抗延遲彈性蠕變的能力。從圖3和圖4可知：溫度和濕度均會降低竹材抵抗延遲彈性蠕變的能力。在本次試驗范圍內(nèi)，含水率每增加1%，其值下降了78.8Mpa；溫度每升高1℃，其值降低了20.64Mpa；粘度系數(shù)、反映了竹材橫紋壓縮時產(chǎn)生黏性流動的難易程度。隨著溫度和含水率的提高，、值都減小。說明提高溫度和增加含水率都可以使竹材黏性增加而易于滑移。在本次試驗范圍內(nèi)，含水率每增加1%，值下降了115Gpa.s，下降了90.4Gpa.s。溫度每升高1℃，ηv值降低了35.09Gpa.s，ηde下降27.52Gpa.s。這主要是由于溫度上升時，竹材產(chǎn)生熱膨脹，分子振動引起晶格間隔變大，同時內(nèi)聚力減小，纖維素分子鏈易于滑移所致。3.2竹材橫紋壓縮蠕變理論值與實測值比較下圖為絕干材在室溫實驗曲線和模擬曲線的比較：圖5竹材橫紋壓縮蠕變實測值與理論值比較（室溫，應(yīng)力=6MPa，絕干材）Fig．5ExperimentandTheoryofCreepofbamboounderradicalcompression由上圖可知，用勃格模型建立的流變模型能夠很好的模擬竹材橫紋熱壓蠕變，其相關(guān)系數(shù)達到了98%左右。4結(jié)論（1）在屈服應(yīng)力以下，四元件勃格流變模型用來描述竹材橫紋壓縮的蠕變行為具有很好的精確性。（2）四元件參數(shù)中，會隨著溫度的升高而升高，其他參數(shù)會隨著溫度的升高而減小。（3）四元件參數(shù)均會隨著含水率的增大而減小。參考文獻「1」張齊生.中國竹材工業(yè)化利用「M」.北京：中國林業(yè)出版社，1995「2」浦上弘幸，福山萬冶郎，木材學(xué)會志，28(198