-
木材具有易加工，强重比高等优点，被广泛应用于家装和建筑领域[1-3]。力学性能表现是决定木材应用范围的重要指标。长期以来，科学评价和理解木质产品的力学性能表现，是木材科学领域的研究热点[4]。作为一种多孔结构的生物质材料，木材的力学性能表现与其内部结构紧密相关。载荷作用下，木材的内部结构易变形，而结构与性能的关联机制也随之动态演化，这最终造成木质产品力学性能改变。为探索木材的内部结构，研究人员尝试使用了电子显微镜、声波场检测技术、X射线断层扫描仪（X-ray CT）等多种表征手段。扫描电镜可在微纳米尺度上表征木材内部结构，但需破坏试件且仅局限于二维尺度[5]。声波检测技术是一种无损检测木材内部结构缺陷的重要手段[6]。X射线对不同物质的衰减率各异，因此X-ray CT可以实现木材内部三维结构在毫微米尺度上的可视化[7-9]。结合图像数字分析软件，能够进一步得出木材内部密度分布、裂痕演化、孔隙率变化等信息[10-11]。X-ray CT结合图像深度分析和识别技术，可计算试件内部空间应变的动态演化数据[12]。目前，该技术存在的瓶颈问题主要有单次扫描时间长、数据量巨大、试件尺寸小。这些问题使得多试件重复性研究较难开展，因此X-ray CT适合少量代表性试件的深度研究分析。基于以上技术特点，X-ray CT是一种深度探索载荷作用下木材内部结构变化和失效过程的有效手段。目前，针对木材内部结构变化与力学行为的协同研究仍鲜有报道。结合内部空间结构变化和力学性能表现，可以为理解木材力学行为的发生机制提供理论依据，也能为优化木材加工工艺给予技术支撑。
本研究聚焦于木材常见的两种应用状态（实体木材和胶合材），选用花旗松（Pseudotsuga menziesii）实体木材和速生杨木（ Populus spp.）胶合材加工试件。使用微型加载设备压缩试件，并在加压过程中使用X-ray CT周期性地扫描试件，后对扫描结果进行三维重建。结合试件力学性能和内部空间结构变化，分析木材力学行为的发生机制。研究结果以期为优化木材的加工工艺和应用环境提供一定的理论参考和借鉴。
-
选用花旗松和杨木为试验材料。目前，花旗松是实木结构建筑领域的重要原材料，杨木被广泛应用于木质人造板材的生产。因此，本研究选用以上两种木材代表木材常见的两种应用状态。使用3.0 mm厚旋切杨木单板和酚醛树脂胶生产胶合材，组坯层数为两层，单板纹理方向一致，热压后胶合材试件厚度为5.0 mm。具体的热压工艺为：施胶量100 g/m2、热压压力1.2 MPa、热压时间10 min、热压温度140 ℃。花旗松木材取自树龄为25年的国产花旗松木树干部位，选用距离髓心第18个生长轮附近木材加工成3.0 mm厚试样，保证早材和晚材同时存在。花旗松实木和杨木胶合材试件横截面积均为5.0 mm × 5.0 mm，且无节子等天然缺陷。测试前，将所有试件在恒温恒湿箱内（相对湿度65%、温度20 ℃）放置14 d，以平衡试件含水率至（8 ± 2）%。
-
采用微型加压器压缩试件，加载状态可以通过记录上压头位移（± 0.001 mm）或加载压力（± 0.1 N）控制。两种试件的承载方向均是沿木材横切面，这也是木材作为人造板材和梁结构材的主要承载方向。微型加压器加压过程中，使用X射线断层扫描仪（X-ray CT）周期性记录试件内部的三维结构（图1）。使用X-ray CT扫描试件，扫描完成后采用Octopus Reconstruction软件完成二维图片的三维重建。该软件可以将原始的X射线扫描图片重构成试件的三维结构图像，图像信息包含灰度值和孔隙三维分布等。本试验控制单次扫描时长为30 min，所得图像像素约是12 µm。
图 1 加载条件下X射线断层扫描仪扫描试件示意图
Figure 1. Schematic overview for X-ray computed tomographyscanning a sample under loading force
将横截面积5.0 mm × 5.0 mm的试件放置在微型加压器中，闭合加压器，调整加载压力为20 N，设置压头位移为0 mm，使用X-ray CT扫描试件。首次扫描完成后，控制压头向下移动，移动速度为0.1 mm/min，当位移达到0.5、1.0和2.0 mm时，固定压头位置，并保持位置恒定10 min，再使用X-ray CT扫描试件。整个加载过程完成后，单个试件共计被X-ray CT扫描4次。单次扫描所得图片数据约为1.5 GB。
试件内部空间结构可视化和数据分析是使用dragonfly软件完成。Dragonfly软件可以计算试件内孔隙分布、灰度值分布，并实现空间结构的个性化展示。沿试件厚度方向密度分布是通过X-ray图片灰度值间接得出[13]。具体方法是计算试件厚度方向上单张图片的平均灰度值，本试验每张图片对应试件实际厚度为0.012 mm。微型加压器压力除以试件表面积可以计算出试件承载压强。
-
加压头向下位移，试件承受的载荷逐步增加（表1）。杨木刚度明显小于花旗松木材，这一属性也很大程度上决定了两种木材的主要应用范围。杨木材质偏软，适合生产各类板材，并主要用于室内装饰装修。花旗松则被广泛应用于建筑领域，作为工程材使用。当压头位移达到2.0 mm时，杨木与花旗松木刚度差异显著增加。这一现象的主要原因是当花旗松木的早材区域被压溃后，晚材区域开始承压变形。晚材中大量的厚壁细胞使得试件压缩变形困难，表现为承载能力增加。为进一步理解以上力学行为，探索各载荷下试件内部空间结构的演变过程。
表 1 4个位移条件下试件承受的载荷
Table 1. Loading force of the samples under 4 different displacement conditions
MPa 试件类型 Sample type 位移 Displacement/mm 0 0.5 1.0 2.0 杨木胶合材 Poplar plywood 0.01 3.32 4.28 7.88 花旗松木 Douglas fir wood 0.01 5.30 5.62 25.26 -
X-ray CT图片的灰度值与木材密度线性相关，相关系数由木材材性决定。X-ray CT图片中的灰度值代表X射线穿过物体时的衰减率，由于X射线衰减率与木材密度线性正相关，因此可以用灰度值间接表征木材内部密度分布。因此，研究人员常以灰度值为依据表征密度分布[14]。加载条件下，试件沿厚度方向上被压缩，这造成局部密度增加（图2）。花旗松木试件的厚度和密度变化主要集中在早材区域。杨木胶合材厚度方向上0.5 ~ 1.5 mm，密度增加最显著。当加载载荷为3.32和4.28 MPa时，试件内密度增加几乎完全集中在这一区域。当加载载荷达到7.88 MPa时，其他区域内的密度才明显增加。以上现象说明，试件内结构变化易发生在刚度最小的区域，而这一区域的刚度会因为持续变形而增加。最终，当其刚度能够匹配其他区域刚度时，试件内局部变形开始重新分配，这反映为其他区域内的密度开始增加。加压过程中，杨木胶合材试件胶层附近密度变化并不明显（图2），这是因为胶黏剂的存在可以增加木材细胞的刚度[14]。试件内密度变化的根本原因是其内部结构的变化，为揭示密度变化的发生机制，本研究继续梳理了试件内部空间结构的演变过程。
图 2 载荷作用下花旗松木和杨木胶合材试件沿厚度方向的平均灰度值变化
Figure 2. Grey scale value changes of Douglas fir wood and poplar plywood along thickness direction under loading force
-
图3所示为花旗松木试件内部结构变化，结果表明结构变形主要集中在早材区域。当加载载荷是5.30 MPa时，部分早材细胞被明显压溃。随着载荷继续变大，早材细胞压溃范围逐渐扩大，直至被完全压溃。早材细胞被完全压溃之前，晚材细胞变形并不明显。早材细胞壁薄、腔大、刚度低，因此载荷条件下更易变形。当早材细胞被完全压溃或密实化后，其刚度显著增加。木材内刚度弱项也由早材转移到晚材，晚材内部结构随之产生变化。图4为花旗松木试件生长轮附近区域内部结构变化，结果显示：早材细胞压溃路径与生长轮平行，加载压力趋向于沿生长轮分布，原因是压力沿晚材区域刚性传递。
图 3 不同载荷下花旗松木试件内部空间结构变化示意图
Figure 3. Internal structure changes of Douglas fir wood samples under different loading forces
图 4 不同载荷下花旗松木试件生长轮附近区域内部结构变化示意图
Figure 4. Internal structure changes in regions adjacent to growth ring of Douglas fir wood samples under different loading forces
晚材细胞壁厚、腔小、刚度大，这确保了载荷条件下晚材区域的结构稳定，也是花旗松木试件刚度明显大于杨木试件的主要原因。加载载荷达到25.26 MPa后，早材已被完全压溃，试件进一步变形趋于发生在晚材区域。图5展示了花旗松木试件晚材区域的内部结构变化。晚材结构改变主要体现为树脂道压缩变形和木射线压裂。当木射线穿过树脂道时，树脂道和木射线刚度均降低。这一现象的原因是树脂道为中空结构，而木射线大都为薄壁细胞，两者互传时易造成载荷作用下形变集中，并引起结构变化。树脂道和木射线的结构变化与纳米尺度细胞壁的结构变化密切相关，这需要使用更高精度的仪器设备继续研究探索。
图 5 不同载荷下花旗松木试件晚材区域内部结构变化示意图
Figure 5. Internal structure changes in latewood regions of Douglas fir wood samples under different loading forces
-
图6为杨木胶合材试件内生长轮附近结构变化图，当加载载荷是3.32 MPa时，试件内部结构已发生显著变化，具体表现为大孔径导管被压溃。压溃区域主要集中在生长轮附近，压溃路径与生长轮保持平行（图6b内黑色实线）。这一现象的原因是木材生长轮两侧细胞类型和结构差异较大，容易造成载荷条件下压力集中。相较于小孔径导管，大孔径导管区域密度更小，刚度更低，因此后者导管容易被压溃变形。小孔径导管区域刚度大，压力传递过程中容易保持原有形态，因此压力传递至大孔径导管区域时，压力趋向于沿生长轮分布，这造成了大孔径导管压溃路径与生长轮保持平行。
图 6 不同载荷下杨木胶合材试件内生长轮附近结构变化示意图
Figure 6. Internal structure changes in regions adjacent to growth ring of poplar plywood samples under different loading forces
为继续深入探究导管压溃过程的形成原因，研究者分析了生长轮附近导管的微观结构变化（图7）。杨木中大孔径导管直径约为120 µm。当加载载荷达到4.28 MPa时，部分导管被压溃，且压溃轨迹连续，这说明导管压溃发生扩散。加载载荷达到7.88 MPa时，导管被大面积压溃。如图7中黑色椭圆区域所示，导管压溃容易发生在管孔集聚区域，这可能是管孔团或径列复管孔。该区域为连续大孔径导管，纤维组织少，局部刚度低，一旦部分导管被压溃，压溃过程将向邻近导管快速扩散，最终导致导管被大面积压溃。受限于扫描精度，木材内木射线、细胞壁等其他结构特征的变形过程无法可视化追踪，但这些结构特征对导管变形过程的影响不能忽视，有待继续研究。
图 7 不同载荷下杨木胶合材试件导管压溃过程示意图
Figure 7. Internal structure changes of vessels in poplar plywood samples under different loading forces
-
使用X-ray CT可实现载荷作用下木材内部空间结构演变的可视化与量化，为探索木材受载时力学失效机制提供了新的研究思路，结果表明：
（1）形变集中是引起木材内部结构局部变化的主要原因。
（2）花旗松木晚材结构改变主要体现为树脂道压缩变形和木射线压裂。当木射线与树脂道互穿时，树脂道和木射线刚度均降低。
（3）导管压溃容易发生在拥有连续大孔径导管的区域，之后压溃过程将向邻近导管快速扩散。
（4）生长轮附近大尺寸管孔或早材区域细胞易发生压溃，压溃路径与生长轮平行。
Exploring the internal deformation of wood under loading based on X-ray CT
-
摘要:
目的 木材是重要的室内装饰和建筑用工程材料，具有易加工，强重比高等优点。作为生物质多孔材料，载荷作用下木材内部结构易发生变化，进而对其力学性能产生重要影响。研究载荷作用下木材内部结构变形可为理解其力学行为提供基础理论支撑。 方法 为探索压缩载荷作用下木材内部空间结构的演变规律，使用微型加载设备对实体木材（花旗松）和胶合材（杨木）试件进行横纹压缩，实时记录加压头位移和加载压力，加载过程中使用X射线断层扫描仪周期性扫描试件，对扫描结构进行三维重建，实现试件内部空间结构可视化，结合力学性能和内部空间结构演变解析实体木材和胶合材力学失效机制。 结果 实体木材在受载时，早材部分密度快速增加，载荷达到25.26 MPa时，晚材部分密度开始增加。早材管胞压溃是木材内部结构变化的主要原因，压溃路径与生长轮平行；晚材结构改变主要体现为树脂道压缩变形和木射线压裂。胶合材在受载时，局部形变集中是杨木内部结构变形的主要原因，尤其是大孔径导管极易压溃；另外，胶黏剂能够明显增加胶层区域杨木刚度，提高导管结构的稳定性。 结论 本研究解析了横纹载荷作用下实体木材和胶合材内部空间结构的演变规律，为优化木材加工工艺和指导木材的科学利用提供了理论基础。新型三维动态检测技术为解析木材力学行为的发生机制提供了新的思路。 Abstract:Objective Wood is easy to process and has high strength/mass ratio. It has been widely applied in the decoration and construction fields in solid wood as well as wood-based panel formats. As bio-based porous materials, the internal structure of wood is prone to change in compression conditions, which has an essential impact on the mechanical performance of wood based materials. Hence, it is important to understand the interaction between loading force and internal deformation of wood. This shall contribute to better understand and evaluate the mechanical performances of wood. Method In order to study the internal structure changes of wood, samples from Douglas fir and poplar based panels were prepared. X-ray computed tomography (X-ray CT) was used to periodically monitor the internal structure of samples when they were compressed by a customized loading cell. X-ray CT was able to visualize the 3D internal structural changes of samples during compression. The compression conditions of customized load cell could be controlled by both loading wedge movement and loading force. Based on the results from X-ray CT and loading cell, the mechanisms of mechanical performance of solid wood and glued panels were discussed. Result The stiffness of Douglas fir was much higher than that of poplar. Density increase in Douglas fir sample mainly occurred in earlywood and density increase in latewood was found only when loading reaching 25.26 MPa. Regional stress accumulation was the main cause of internal structure changes. Structural changes could be re-distributed as increasing the stress. The existence of glue can significantly enhance the stiffness of wood and we found that the morphology of wood vessels adjacent to the glue line was kept well during compression. Large vessels were prone to be collapsed during compression and route of collapsing was parallel to the growth ring. Internal structure changes in latewood mainly occurred as the squeeze of resin canals and the crack of rays. Conclusion The results obtained from this study could be used in optimizing the processing technology and application approaches of wood and wood based materials. Combining the X-ray CT and loading cell is a promising way to reveal the mechanisms of wood based materials under loading. In order to further reveal the internal structure changes in wood cell wall, studies with even better resolution are required. Hence, a possible solution is to combine X-ray CT with other techniques that can reach the nano-scale resolutions. -
Key words:
- wood /
- loading force /
- structure change /
- X-ray computed tomography
-
图 1 加载条件下X射线断层扫描仪扫描试件示意图
Figure 1. Schematic overview for X-ray computed tomographyscanning a sample under loading force
图 2 载荷作用下花旗松木和杨木胶合材试件沿厚度方向的平均灰度值变化
Figure 2. Grey scale value changes of Douglas fir wood and poplar plywood along thickness direction under loading force
图 3 不同载荷下花旗松木试件内部空间结构变化示意图
Figure 3. Internal structure changes of Douglas fir wood samples under different loading forces
图 4 不同载荷下花旗松木试件生长轮附近区域内部结构变化示意图
Figure 4. Internal structure changes in regions adjacent to growth ring of Douglas fir wood samples under different loading forces
图 5 不同载荷下花旗松木试件晚材区域内部结构变化示意图
Figure 5. Internal structure changes in latewood regions of Douglas fir wood samples under different loading forces
图 6 不同载荷下杨木胶合材试件内生长轮附近结构变化示意图
Figure 6. Internal structure changes in regions adjacent to growth ring of poplar plywood samples under different loading forces
图 7 不同载荷下杨木胶合材试件导管压溃过程示意图
Figure 7. Internal structure changes of vessels in poplar plywood samples under different loading forces
表 1 4个位移条件下试件承受的载荷
Table 1. Loading force of the samples under 4 different displacement conditions
MPa 试件类型 Sample type 位移 Displacement/mm 0 0.5 1.0 2.0 杨木胶合材 Poplar plywood 0.01 3.32 4.28 7.88 花旗松木 Douglas fir wood 0.01 5.30 5.62 25.26 
下载: 导出CSV
-
[1] Satoshi F, Keita O, Masaki N, et al. Shear properties of metal-free wooden load-bearing walls using plywood jointed with a combination of adhesive tape and wood dowels[J]. European Journal of Wood and Wood Products, 2016, 75(3): 1−9. [2] Dukarska D, Czarnecki R, Dziurka D, et al. Construction particleboards made from rapeseed straw glued with hybrid pMDI/PF resin[J]. European Journal of Wood and Wood Products, 2017, 75(2): 175−184. [3] 吕超, 詹天翼, 王旋, 等. 木材内部水分扩散特性研究现状及发展趋势[J]. 世界林业研究, 2019, 32(6):43−48. Lü C, Zhan T Y, Wang X, et al. A review and development of water diffusion characteristics in wood[J]. World Forestry Research, 2019, 32(6): 43−48. [4] 詹天翼, 蒯炳斌, 吕超, 等. 杨木和杉木横纹抗拉强度的含水率依存性[J]. 林业工程学报, 2019, 4(5):34−39. Zhan T Y, Kuai B B, Lü C, et al. Moisture dependence of the tensile strength perpendicular to grain of poplar and Chinese fir[J]. Journal of Forestry and Engineering, 2019, 4(5): 34−39. [5] Ong H R, Khan M R, Prasad D M, et al. Palm kernel meal as a melamine urea formaldehyde adhesive filler for plywood applications[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2018, 85(10): 8−14. [6] Najafi S K, Sharifnia H, Najafabadi M A, et al. Acoustic emission characterization of failure mechanisms in oriented strand board using wavelet-based and unsupervised clustering methods[J]. Wood Science and Technology, 2017, 51(6): 1433−1446. [7] Li W Z, van den Bulcke J, Mannes D, et al. Impact of internal structure on water-resistance of plywood studied using neutron radiography and X-ray tomography[J]. Construction and Building Materials, 2014, 73(24): 171−179. [8] Baekyong C, Khoirul H S, Tsuyoshi Y. Quantitative observation of the foraging tunnels in Sitka spruce and Japanese cypress caused by the drywood termite Incisitermes minor (Hagen) by 2D and 3D X-ray computer tomography (CT)[J]. Holzforschung, 2017, 33(6): 211−220. [9] 李万兆, 陈玉瑜, 梅长彤. 胶合板层间水分迁移规律的研究[J]. 林业工程学报, 2019, 4(5):29−33. Li W Z, Chen Y Y, Mei C T. Exploration of water transport behavior among layers in plywood[J]. Journal of Forestry Engineering, 2019, 4(5): 29−33. [10] Li W Z, van den Bulcke J, Dhaene J, et al. Investigating the interaction between internal structural changes and water sorption of MDF and OSB using X-ray computed tomography[J]. Wood Science and Technology, 2018, 52(3): 701−716. [11] 李万兆, 詹先旭, 杨勇, 等. 木质人造板吸水过程中内部单元体尺寸及相对位置的变化[J]. 林业工程学报, 2018, 3(3):24−28. Li W Z, Zhan X X, Yang Y, et al. Changes of size and relative position of the internal unit during water uptake of wood-based panels[J]. Journal of Forestry Engineering, 2018, 3(3): 24−28. [12] Deklerck V, de Mil T, Kondjo P, et al. Sleeping beauties in materials science: unlocking the value of xylarium specimens in the search for timbers of the future[J]. Holzforschung, 2019, 73(10): 889−897. [13] Li W Z, van den Bulcke J, de Schryver T, et al. Investigating water transport in MDF and OSB using a gantry-based X-ray CT scanning system[J]. Wood Science and Technology, 2016, 50(6): 1197−1211. [14] Wang X Z, Zhao L G, Deng Y H, et al. Effect of the penetration of isocyanates (pMDI) on the nanomechanics of wood cell wall evaluated by AFM-IR and nanoindentation (NI)[J]. Holzforschung, 2018, 72(4): 301−309. -
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 96
- HTML全文浏览量: 23
- PDF下载量: 20
- 被引次数: 0
