魏欣越，張明輝

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

木材作為一種非勻質(zhì)的、各向異性的天然高分子材料，許多性質(zhì)都有別于其他材料，其力學(xué)性質(zhì)更是與其他材料有著明顯的差異。木材承受載荷的過程中，其變形會隨著時間的推移顯著增大，甚至在應(yīng)力遠小于其極限破壞力之前，木質(zhì)材料就會因為變形過大而使整個構(gòu)件失去穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生危險。木質(zhì)材料隨著承載時間的延長而發(fā)生極大變形而失效[1]。掌握木材在載荷作用下的變形特性，對指導(dǎo)工程中合理選材用材以及木材耐久性研究有著重要的實際意義[2]。

木材及不同木制品的各種強度性能很大程度上取決于其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特征[3-6]。對于木材微觀結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究，可以把木材看成以纖維素為增強材料、半纖維素和木素為基體的復(fù)合材料。針葉材主要由管胞組成，組織結(jié)構(gòu)簡單。與針葉材相比，闊葉材結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括導(dǎo)管、木纖維、木射線和薄壁組織等。其中導(dǎo)管細胞為闊葉材主要承載物質(zhì)。因此木材的微觀力學(xué)研究以針葉材的基本組織單元管胞和闊葉材的導(dǎo)管細胞為基礎(chǔ)。通過分析細胞的形態(tài)及細胞壁分子結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為把木材力學(xué)研究從宏觀引向微觀。

二階矩被認為是一種用來表示結(jié)構(gòu)強度的函數(shù)。迄今為止，國內(nèi)的文獻對二階矩的研究大部分集中于數(shù)理統(tǒng)計方面[7]。國外文獻中對二階矩的研究相對較多。有學(xué)者將二階矩與核磁共振弛豫信息聯(lián)系在一起研究聚合物的分子動力學(xué)體系[8]。通過核磁共振譜線擬合二階矩來模擬分子內(nèi)部的各向異性運動已經(jīng)成為一種研究磁偶極子相互作用的新方法[9-10]。L.Latanowicz[11]等利用基于質(zhì)子的自旋-晶格弛豫時間以及質(zhì)子核磁共振譜線的二階矩，研究多晶樣品的分子動力學(xué)，結(jié)果表明分子內(nèi)部的各向同性翻轉(zhuǎn)使二階矩的值明顯減小。R.Goc[12]通過范弗萊克(Van Vleck)公式計算復(fù)雜固體分子內(nèi)運動的二階矩，進而通過核磁共振二階矩的測量分析樣品結(jié)構(gòu)和樣品動力學(xué)的相關(guān)信息。有學(xué)者通過Abragam方程擬合自由感應(yīng)衰減曲線，進而計算二階矩值[13]，結(jié)果表明，木材內(nèi)部分子的各向異性運動增強，木材結(jié)構(gòu)變?yōu)橄鄬λ沙跔顟B(tài)，二階矩的值減小,木材細胞壁材料的剛性強度降低[14]。

當(dāng)木材作為結(jié)構(gòu)支撐時，對力學(xué)性能的檢測便成為重要指標(biāo)。只有了解木材在載荷作用下的變化趨勢，才能更好地合理利用木材[15]。木材的無損檢測技術(shù)能在不破壞木材使用價值的基礎(chǔ)上對木材的使用性能進行評價，提供精準的檢測數(shù)據(jù)，便于針對檢測數(shù)據(jù)確定科學(xué)的木材使用計劃[16]。因此無損檢測技術(shù)在木質(zhì)材料檢測方面起到了舉足輕重的作用[17]。其中，核磁共振技術(shù)作為一種高效、快速、便捷的檢測方法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于木質(zhì)材料的性能研究中。

本研究將核磁共振弛豫技術(shù)與木材結(jié)合，通過弛豫特征信息的變化來探究載荷下木質(zhì)材料的物理力學(xué)性質(zhì)以及內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用木材為青皮楊(Populusplatyphyllavar.glauca)和樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)。在木材心、邊材同一年輪區(qū)域內(nèi)相鄰位置各截取若干試件，截取時保持試件的橫切面、徑切面、弦切面分明，試件規(guī)格為18 mm(L)×18 mm(T)×18 mm(R)。其中，青皮楊和樟子松均采伐于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市周邊地區(qū)。

1.2 方法

1.2.1 試驗儀器 主要儀器為德國Bruker公司的Bruker Minispec LF 90時域核磁共振儀電子箱，探頭直徑為30 mm，磁體的磁場頻率為21.28 MHz，探頭死時間為10.2 μs，90°脈沖寬度12.94 μs，180°脈沖寬度25.84 μs。磁體箱溫度 37℃。

1.2.2 試驗方法 將所用的青皮楊和樟子松試件全部置于環(huán)境溫度(約26℃)下，待試件達到相對平衡狀態(tài)(平衡狀態(tài)下青皮楊氣干材含水率約為9%，樟子松氣干材松含水率約為15%)。分別施加不同大小載荷于青皮楊心、邊材及樟子松心、邊材的橫切面、徑切面、弦切面，并在載荷作用過程中使用時域核磁共振儀采集FID信號。操作過程中分別改變載荷大小依次為0、40、60、80、100、120、140、160、180 kg。FID信號采集完畢后，選取FID衰減曲線上60 μs之前代表木材固體信號的數(shù)據(jù)作為分析對象，在電腦上使用Origin軟件擬合FID曲線，通過Abragam公式擬合求得二階矩。

2 結(jié)果與分析

2.1 載荷作用量變化對木材二階矩的影響

環(huán)境溫度下的氣干材樟子松和青皮楊木材試件，在不同載荷大小的作用下二階矩的變化過程見圖1。圖1中a、b分別表示樟子松邊材和心材的徑切面、橫切面以及弦切面在載荷作用下二階矩的變化過程；c、d分別表示青皮楊邊材和心材的徑切面、橫切面以及弦切面在載荷作用下二階矩的變化過程。由圖1可見，松木試件和楊木試件的二階矩值均隨著載荷的增加而逐漸增大。從二階矩曲線的變化趨勢可以看出，當(dāng)載荷作用于木材橫切面、徑切面或弦切面時，隨著載荷作用量的增加，木材試件的二階矩值均呈現(xiàn)上升趨勢。同樣對于青皮楊的心材和邊材，隨著載荷作用量的增加，試件的二階矩值亦呈現(xiàn)上升趨勢。這表明，載荷作用下木材細胞壁聚合物的剛性強度增加，并隨著載荷作用量的增加，剛性強度逐漸增大，木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加緊密。

2.2 二階矩計算

FID曲線由木材和水2部分信號量組成[18]。此研究中主要擬合木材組分FID曲線，即弛豫時間在60 μs之前的數(shù)據(jù)。對于含有大量亞甲基(CH2)組分的聚合物，所測得的FID信號可以利用Abragam公式擬合，并且由此計算的二階矩主要取決于2個重要的參數(shù)a和b[19]。通過二階矩的計算進而得出木質(zhì)材料吸濕過程中含水率與細胞壁剛性強度的關(guān)系。FID譜線FM(t)可以通過泰勒展開式寫成與階矩Mn(n=2,4,6,…,n)之間的函數(shù)：

(1)

圖1 載荷作用下木材二階矩的變化過程

式中,M表示階矩，本研究為載荷作用下木材二階矩的變化，因此，n=2。公式(1)可通過Abragam[20]公式與sinc函數(shù)(sinbt/bt)和Gaussian函數(shù)結(jié)合，其表達式為：

(2)

其擴展式為：

(3)

由式(1)和式(3)可知：

(4)

式中,a為高斯函數(shù)的標(biāo)準偏差；b為光譜的特征寬度。其中，sinc函數(shù)擴展式(2)能夠精確擬合試驗所測得的FID數(shù)據(jù)。

2.3 載荷作用量與木材二階矩之間的關(guān)系

研究表明[21]，木材的二階矩值增加，其剛性強度變大。當(dāng)載荷作用于木材時，木材試件的剛性強度增加，木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得緊實。因為載荷作用初期，木材纖維素分子鏈發(fā)生卷曲和伸展等形變，分子鏈之間的氫鍵發(fā)生斷裂、滑移和重新組合[22]。隨著載荷的增加，木材細胞壁在載荷的作用下，胞間層之間出現(xiàn)剪切滑移等現(xiàn)象。當(dāng)載荷增加到一定程度時，木材細胞發(fā)生形變，細胞壁被壓潰，相鄰細胞之間產(chǎn)生重疊。木材結(jié)構(gòu)呈相對密實狀態(tài)，木材細胞壁聚合物剛性強度增加。

當(dāng)載荷作用于木材試件的不同受力面時，二階矩值隨著載荷的增加而逐漸增大。其中弦切面受力時的二階矩值最大，其次為徑切面受力時的二階矩值，橫切面受力時的二階矩值最小。這表明相同載荷作用下，木材弦切面細胞壁的剛性強度最高，木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)最密實。當(dāng)載荷作用于弦切面初期，木材細胞內(nèi)腔大壁薄的導(dǎo)管細胞首先被壓縮變形，隨著載荷的增加，厚壁細胞開始發(fā)生形變，木材密度差異變小，木材結(jié)構(gòu)趨于均勻，隨著載荷的繼續(xù)增加，坍塌的細胞壁不斷被擠壓而致密化[23]，木材試件強度增加，宏觀表現(xiàn)為二階矩值逐漸增大；當(dāng)載荷作用于徑切面時，木材細胞壁發(fā)生剪切破壞，隨著載荷作用量增加，木材纖維受力彎曲，細胞腔被壓潰，細胞壁發(fā)生扭曲變形，宏觀表現(xiàn)為徑切面受力時其細胞壁物質(zhì)剛性強度<弦切面；當(dāng)載荷作用于木材的橫切面時，木材纖維受壓變得緊密，細胞發(fā)生變形，并隨著載荷的增加，變形繼續(xù)擴大，相鄰纖維之間細胞壁向細胞腔內(nèi)潰陷，并變得緊密[24]，細胞壁剛性強度增加，宏觀表現(xiàn)為橫切面受力時二階矩值最小。

3 結(jié)論與討論

對比青皮楊和樟子松的邊材及心材，發(fā)現(xiàn)相同載荷作用下，邊材的二階矩值均>心材的二階矩值，并且木材試件邊材的二階矩曲線變化趨勢明顯，心材的二階矩曲線變化趨勢平緩。因為邊材組織內(nèi)部的薄壁細胞在載荷作用下發(fā)生微小形變，并隨著載荷的增加，細胞逐漸被壓潰，細胞壁開始向細胞腔內(nèi)塌陷彎曲，并產(chǎn)生形變，隨著載荷的持續(xù)增加，細胞壁相互接觸，細胞腔被完全填充，細胞壁實質(zhì)物質(zhì)被壓縮，木材結(jié)構(gòu)變得致密[25]，其剛性強度顯著增加，二階矩曲線呈逐漸上升趨勢。在心材組織內(nèi)部細胞腔內(nèi)含有大量的單寧、色素、樹膠、樹脂以及碳酸鈣等沉積物。心材材質(zhì)密度大，硬度高。在相同載荷的作用下，組織內(nèi)部細胞壓縮變形程度<邊材，緊密程度低，所以其載荷作用下的二階矩值<邊材載荷作用下的二階矩值。

綜上所述，隨著載荷量的增加，樟子松和青皮楊試材的二階矩值也隨之增加。木材細胞壁聚合物剛性強度增加，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈相對密實狀態(tài)；當(dāng)載荷作用于木材不同切面時，其弦切面受力時二階矩值最大，其次為徑切面，橫切面受力時其二階矩值最??；相同載荷作用時，樟子松和青皮楊邊材的二階矩值均>心材。