腐朽木材力学性能退化研究

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古建筑木结构是中华民族历史、文化的重要载体,是祖先留给我们的稀世瑰宝。但其所用材料─木材作为种生物质材料,在自然环境中易遭受腐朽菌的侵蚀,进而造成构件承载力下降、结构安全性受到严重威胁。因此,研究木材腐朽后的力学性能退化规律对于古建筑木结构的科学保护具有重要意义。然而,目前有关木材腐朽的研究大多是从林业科学角度开展的,且大多集中在腐朽菌的分类以及腐朽机理的探究等方面,对腐朽后力学性能退化规律的研究相对不足。本文致力于研究木材腐朽后力学性能的退化规律,并揭示引起其力学性能退化的微观机理。主要研究内容和相关结论总结如下:(1)针对木材材性试验规范中的试件(顺纹抗压、抗弯、顺纹抗拉、顺纹抗压弹性模量试件)设计开展了为期14周的实验室加速褐腐试验,包括简易腐朽试件培养箱的改造,蛭石锯屑培养基的制作,接种前的准备,接种的全过程等。(2)对褐腐后试件的表面颜色形貌、质量损失率进行了分析。褐腐后试件表面颜色发生明显变化,随着腐朽时间的增加,逐渐由浅黄色变为黄褐色。腐朽程度越大,试件表面越松软,表面纤维流失越严重,部分试件甚至出现明显的边角缺失现象。试件的质量在腐朽后也发生了明显的损失。随着腐朽时间的增加,试件的质量损失率大致呈增长趋势。(3)对经过褐腐处理的试件,进行力学性能测试。褐腐后的红松试件的顺纹抗压强度、抗弯强度、顺纹抗拉强度,都有明显的下降,且强度损失率与腐朽时间和质量损失率都大致呈正相关关系。抗弯弹性模量在腐朽后也有所下降,但降低程度低于抗弯强度。在腐朽14周后,顺纹抗压强度、抗弯强度、顺纹抗拉强度的平均损失率分别为32.13%、40.81%、41.13%。顺纹抗压弹性模量随着腐朽时间的增加,退化程度不明显。(4)为探究褐腐后木材力学性能降低的微观机理,对已经经过材性测试的褐腐试件进行扫描电镜观察,化学成分分析,纤维素结晶度的测定。扫描电镜观察发现腐朽导致的强度损失较高的试件相对空白对照组试件而言,细胞壁溃烂严重,菌丝大量聚集,细胞壁抵抗外力能力下降。褐腐程度越大,强度损失越多的试件,其棕纤维素、纤维素、半纤维素含量就越低。褐腐后,试件的结晶度有所下降,但晶胞构造并未改变,并且强度损失越多,结晶度越低。研究表明,腐朽后力学性能下降的主要原因在于木材细胞壁的降解,组成细胞壁的重要化学成分的减少。(5)总结归纳了不同微观指标与强度损失之间的相关关系。并针对不同力学性能,从腐朽损伤的微观机理出发,选用最佳的微观指标,建立了腐朽后强度退化定量预测的数学回归模型,实现了微观机理到宏观力学的贯通。
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