梯度含水状态对木材物理力学性能的影响研究_毕业(设计)论文.docx
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1、大学本科毕业(设计)论文(2013届)题 目: 梯度含水状态对木质材料物理力学性能影响的研究教学院系: 材料工程学院专 业: 木材科学与工程 65梯度含水状态对木质材料物理力学性能影响的研究(西南林业大学材料工程学院 昆明 650224)摘 要:为考查环境湿度对木质材料物理力学性能的影响,本文以云南松(YunNan Pine,拉丁名Pinus Yunnanensis,简称:YPSW)、意杨(拉丁文:Populus euramevicana,简称:PSW)和意杨酚醛树脂单板层积材(PF-P-LVL)为研究对象,通过测试和分析不同含水状态下试材的外形尺寸、质量和静曲弹性模量(MOE),得如下结论:
2、1)在吸湿过程中三种材料的厚度、宽度膨胀与名义含水率(Nominal moisture content,简称:NMC)增长成正相关关系,但膨胀率则相反;2)相同NMC下,三种材料梯度含水状态下的MOE均小于平衡含水状态下材料的MOE,但随材料水分梯度的减小,两者的差异也逐渐变小;3)尺寸膨胀对三种材料MOE的影响依次为P-PF-LVLYNPPSW,说明热压型人造板材料在吸湿过程中不但发生了原材料的尺寸膨胀,也发生了热压压缩的回复。建议我国相关标准关注环境湿度变化引发的木质材料由于含水不均而导致的力学性能降低问题。关键词:平衡含水状态,梯度含水状态,尺寸变化,弹性模量Study on the P
3、hysical and Mechanical Properties influence from Gradient Moisture Content(Faculty of Material Engineering,Southwest Forestry University,Kunming,650224)Abstract: In order to investigate the effects of environmental moisture on physical-mechanical properties of wood materials, the dimension, mass and
4、 modulus of elasticity (MOE) of YNP, PSW and PF-P-LVL under different moisture content distribution were measured and analyzed. Final results showed: 1) the width and thickness swelling of three materials were all positive with their Nominal moisture content (NMC), but the swelling ratios were contr
5、ary to NMC; 2) MOEs of three materials under moisture content gradient distribution (GMC) were all lower than they under equilibrium moisture distribution (EMC), but this difference was getting smaller and smaller with the GMC decreased;3) the ranges of effects of dimensions on MOEs were P-PF-LVLYNP
6、PSW, this indicated that hot-pressing material not only occurred dimensional swelling caused by moisture absorption, but also occurred dimensional recovery caused hot-pressing.Meanwhile, this paper suggested that such effects on mechanical properties caused by GMC should be pay attention to in Chine
7、se relative standards or specifications.Keywords:equilibrium moisture content, gradient moisture content, dimensional changes, modulus of elasticity梯度含水状态对木质材料物理力学性能影响的研究目 录1 绪 论21.1 引言21.2 水分的分布状态21.2.1 木材的水分分布状态21.3 问题的提出21.4 国内外研究现状和发展趋势21.3.1水分对木质材料物理力学性能的影响21.3.2 发展趋势21.5 本研究的主要内容21.6 本研究的目的与意义
8、22 材料与方法22.1 材料22.2.1 原材料22.2.2 试件规格及数量22.2.3 试件编号22.2 试验变量和水平设置22.2.1 试验常量设计22.2.2 试验变量及水平设置22.3 衡量指标22.4 测试方法和依据22.4.1 弯曲弹性模量测试方法22.4.2 尺寸测试方法22.4.3 剖面密度测试方法22.5试验设备22.6 试验操作方法23 结果与分析23.1 梯度含水状态对木质材料截面尺寸的影响23.1.1 不同水分分布状态对木质材料厚度膨胀的影响23.1.2 梯度含水状态对木质材料宽度膨胀的影响23.2 梯度含水状态对木质材料静曲MOE的影响23.2.1 吸湿过程中木质材
9、料MOE的变化23.2.2 不同水分分布状态对木质材料MOE的影响23.3不同水分分布状态对木质梁截面尺寸及致MOE的影响24 结论2参考文献2指导老师简介2致 谢21 绪论1 绪 论1.1 引言木材,是三大基本材料中唯一可以再生循环利用的绿色资源,被广泛用于建筑、室内装饰等方面。木材是属于毛细管多空有限膨胀型有机生物质材料,具有吸湿、吸水等特性,在使用过程中其物理力学性能容易受水分变化的影响1。木材内部水分的变化不仅包括含水量的变化,还有其分布状态的变化。在与周围环境含水率平衡前,木材内部含水率处于动态的变化状态,因而其水分分布状态不断变化(如含水率内高外低或外高内低)使内部处在一种复杂的含
10、水状态,对其的性能造成了一定影响。我国现有木质材料标准多以常规的静曲强度(Modulus of rupture of bending,简称:MOR)和静曲弹性模量(Modulus of elasticity of bending,简称:MOE)为分级标准,并且MOE是木质工程材料最终的设计和应用指标之一,因此,本文研究木质材料的MOE受水分的影响。本文研究了含水量和水分分布状态对木质材料物理力学性能影响,着重分析了水分分布状态对材料物理力学性能的影响。1.2 水分的分布状态1.2.1 木材的水分分布状态1)平衡含水状态平衡含水状态指的是木质试件在某一恒定温度和湿度环境中其含水量不再变化时所处的
11、状态,常用平衡含水率(Equilibrium moisture content;简称:EMC)来表达,即木质试件在某一恒定温度和湿度环境中其质量达到恒定不变时所对应的含水率2。2)梯度含水状态木材内部各层含水量不均等、必与其所处环境和在其内部不断发生水分交换时的含水状态,可以用名义含水率(Nominal moisture content;简称:NMC)来表示动态梯度含水状态的木材的平均含水率。处于大气中的木材或变温变湿箱中的木材试件均处梯度含水状态(由表及里吸湿或由里及表解吸)3。1.3 问题的提出1)梯度含水状态对木质材料的物理力学性能有何影响?2)梯度含水状态和平衡含水状态对木质材料物理力
12、学性能的影响有何不同?3)梯度含水状态下木质材料工程应用性能如何评价?1.4 国内外研究现状和发展趋势1.3.1水分对木质材料物理力学性能的影响1.3.1.1 水分对木质材料外形尺寸的影响木材及木质材料都是吸湿性材料,水分的变化会引起其干缩湿涨,在宏观上表现为尺寸的变化。根据材料力学的知识知,木材截面尺寸的变化会引起截面惯性矩、弹性模量的变化,进而会影响其刚度等性能,因此需要引起注意。LVL在加工过程中经压缩、涂胶、加压等工艺的影响,在水分的作用下其尺寸稳定性与木材还有所差别5。木质材料在水分的作用下存在可恢复膨胀和不可恢复膨胀。前者是由木材的天然吸湿性引起的,不受加工工艺的影响;后者是由压缩
13、木材的回弹和木材单元胶点的破坏造成的6。NMCatt(1982年)研究循环湿度对刨花板强度和尺寸的影响实验,发现在从30%90%循环湿度下,循环2个月,试件的含水量及厚度和长度比循环2周增加的多56;Laura等(2009年)在研究循环湿度对OSB厚度膨胀的影响中发现,经过一个90%-30%RH循环后尺寸(厚度)没有恢复到原先的尺寸,且随循环次数的增多,厚度膨胀增加。这与前面一些学者的结论相同。在水分的影响下,结构板材存在可逆和不可逆膨胀7。Gressel(1980年)报告得出在20条件下刨花板从45%到80%RH下每24小时循环一次,含水率每增加23%厚度膨胀增加0.4%。同样的试件从25%
14、95%RH条件下,每24小时循环一次含水率每增加3.55%,厚度膨胀增加1.52%。随着循环含水率范围的扩大,材料内部水分含量变化大,且对尺寸的影响也增大8。由上述学者的研究分析,无论是含水率还是含水状态对木质材料的厚度膨胀都有很大的影响。应予以考虑在吸湿、解吸过程中,尺寸有怎样的变化规律。1.3.1.2 水分对木质材料力学性能的影响木材学中介绍木材含水率影响木材的力学性质。当含水率处在纤维饱和点时,结合水吸着于木材内部表面上,随着含水率的下降,木材发生干缩,胶束之间的内聚力增大,内摩擦系数增高,密度增大,因而木材力学强度急剧增加。Liiri(1961年)、Bryan and Schniewi
15、nd (1965年)、Dinwoodie(1978年)等在研究过程中得出相类似的结论,在一定时间里经不同湿度下循环变化,人造板的弹性模量、强度、内结合强度均比平衡含水率下低,且循环周期的不同对人造板的内结合强度、刚度和强度的影响不同9-13。不同湿度交替变化,木材及木质材料内水分处在非均衡状态,因此对材料的影响不同于平衡含水状态。Ishimaru.et.al(2001年ab)研究了在四种不同湿度环境下,吸湿或解吸过程中E的变化。在吸湿过程中,随着NMC的增加E逐渐减小,但吸湿到第9周(试件基本达到均衡含水状态)后,测得的E几乎等于第1周(试件从绝干经过第一周的吸湿,内干外湿,水分分布处在梯度状
16、态)测得的E;在解吸过程中,随着时间的增加E也逐渐的增加,直到平衡达到最大。该研究也验证了前人的结论,随着名义含水率的提高直至达平衡含水率(即梯度的消失),E呈线性下降之势14-15。Takahashi et.al(2005年)在研究中得出低湿的吸湿过程中,随着名义含水率的增加MOE先降低后增加,但均低于平衡含水状态下的MOE;在高湿的吸湿过程中,随着含水率的增加,MOE不断下降直至不变,基本等于平衡状态下的MOE;在解吸过程中,随着含水率的降低,MOE逐渐增大,但均低于平衡含水状态下的MOE 16,17。木材处在由水分状态引起的不稳定状态时,无论吸湿还是解吸过程,其MOE、MOR都低于平衡含
17、水状态下 16,17。虽然Ishimaru.et.al、Takahashi都观察到了这种现象,但没有获得梯度差(含水状态变化过程)与材料E、强度变化之间的关系。综合前人研究,我们可以概括为:在纤维饱和点以下,经过吸湿解吸一个回合后力学性能及材料尺寸的变化;材料内的水分分布状态不同对材料的MOE影响不同1.3.2 发展趋势结构用木质材料受水影响后性能变化直接决定着其承载能力的设计和应用,关系着木质结构用材的安全与稳定。水分尤其是其中水分的梯度分布状态对其的影响将会继续受到人们的关注。发展趋势将会集中于:水分对木质材料物理力学性能影响的定量化分析及在此基础上构建数理模型以解决实际问题,获得科学或工
18、程相关的实用计算方法计算结果,为工程应用服务。1.5 本研究的主要内容根据以上分析,本文的研究内容如下:1)梯度含水状态对木质材料截面尺寸的影响2)梯度含水状态对木质材料静曲MOE的影响3)梯度含水状态下水分和截面尺寸对静曲MOE的综合影响1.6 本研究的目的与意义外界环境的多变造成木材中水分的动态变化,以至于木材总是处于一种梯度含水状态,这种状态可能会使木材的力学性能发生不小的变化,影响正常的使用。因此,本文通过试验和理论物理力学分析梯度含水状态和平衡含水状态下木质材料的性能的差异,并在此基础上分析其诱因,为木质工程材料的设计、制造和应用提供理论依据。2 材料与方法2 材料与方法2.1 材料
19、2.2.1 原材料意杨酚醛树脂单板层积材(简称:P-PF-LVL):气干密度为470kg/m3,气干含水率为10.90%,顺纹抗拉弹性模量为9,244MPa,山东寿光富士木业有限公司生产;云南松实木(简称:YPSW):拉丁名:Pinus yunnanensis,气干密度600kg/m3,气干含水率为10.57%,顺纹拉伸弹性模量15,651MPa;意杨实木(简称:PSW):拉丁名:Populus euramevicana,气干密度473.07kg/m3,气干含水率为11.24%,顺纹拉伸弹性模量11,299MPa。2.2.2 试件规格及数量表2.1 三种试件的规格及数量Tab.2-1 The
20、size and number of three kinds of materials材料 测量指标表层处理试件尺寸试件数量(条)预检数量(条)长(mm)宽(mm)厚(mm)YPSW弯曲MOE封边480202063剖面密度封边50502063PSW弯曲MOE封边480202063剖面密度封边50502063P-PF-LVL弯曲MOE封边480202063剖面密度封边505020632.2.3 试件编号实验材料的编号规则:“测试指标-材质号-梯度号-样本号”,梯度号“2”为大梯度组,如:E-L-2-1,表示测试弯曲E的P-PF-LVL试件大梯度的1号试件。2.2 试验变量和水平设置2.2.1 试
21、验常量设计基本性能(取材)的一致性:选材时试件的密度和弹性模量应相近,增湿、干缩环境一致,测试方法及操作规程均需一致。2.2.2 试验变量及水平设置1)均恒含水率对木质材料静曲MOE的影响试验取单因素试验法。变量为均恒含水率(UMC);UMC通过取得对应的EMC试件和对EMC试件进行封裹获得,因此以相应的EMC为替代指标,取四个水平:EMCRH42%、EMCRH65%、EMCRH75%、EMCRH85%;相应的操作指标为恒温恒湿箱的相对湿度(简称:RH)控制指标:RH42%、RH65%、RH75%、RH85%,其20下对应的空气中的含水量分别为8.0%、12.0%、14.5%、18.2%。2)
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