木质梁变湿蠕变行为规律的研究

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木质梁在湿度动态变化环境中发生的变湿蠕变(变蠕)行为被称之为“Mechano-sorptive creep”(MSC;本文称之为:吸着蠕变)。由于MSC与恒湿环境中的蠕变(恒蠕)行为——普通蠕变(普蠕)有着本质上的区别,且MSC挠度又远远大于普蠕静曲挠度,因此,自1960年Armstrong发现MSC以来,MSC的行为规律和行为结果一直受到发达国家的深切关注。然而,由于对MSC行为规律的研究至今尚未获得公认的科学论断,致使对MSC行为结果的定量分析受阻或失效,产业界对MSC的工程应用因缺乏足够的科学依据而举步不前,其突出标志就是:发达国家乃至我国至今对木质梁蠕变性能的检测标准仍然还是一种“恒蠕”标准。对MSC的悬念导致人们对已经广泛用作木质工字梁(IB)翼缘等承重构件的单板层积材(LVL)在室内湿度动态变化环境中的长期承弯能力的质疑和担忧。为此,本研究通过试验装备的创新和一系列试验,尤其借用正交试验科学的因素分析功能,以杨木实木为切入和参照,对杨木实木(PSW)和杨木酚醛树脂单板层积材(P-PF-LVL)的MSC(特别是首次吸湿蠕变)的行为规律和表现及其含水状态、含水率、荷载以及变蠕过程中的湿胀干缩等影响因素作出深入研究。为了满足变湿蠕变特性对恒温变湿/恒湿空间系统、多种木质梁蠕变挠度和湿胀干缩量的测试、监控和分析系统、试件支撑、荷载及其启动系统、动力支持系统动态性、实时性、精密性、连续性、稳定性、安全性和可控性等各方面的要求,本研究首先通过对试验原理及其与试验系统技术条件关系的研究,通过机械系统的自行设计、自行制作或外加工,委托专业单位按本研究提出的技术要求对测试、监控、数据采集分析储存系统硬、软件的研究设计和制作等,形成了一套完整的木质梁变湿蠕变小型试验系统,从而保证了本研究的顺利开展和试验过程、结果的科学性、有效性和可靠性。对木质梁变蠕与恒蠕行为规律的对比试验结果不仅按(本研究提出的蠕变方向的观点)证实了前人之见:a)恒蠕发生的是一种持续产生正挠度的普通蠕变,而变蠕发生的是一种除首次吸湿蠕变(首吸蠕)以外,吸湿蠕变(吸蠕)和解吸蠕变(解蠕)分别产生不同方向挠度的吸着蠕变;b)含水梯度差(DMG)可能是MSC规律的动因;c)变蠕总挠度大于恒蠕挠度;更重要地是发现并确认了:1)尽管变蠕的总体行为规律和蠕变方向与恒蠕一样,但按含水状态动、静态之分,其根本区别在于,普蠕是一种含水状态和含水率恒定不变、材料基本性质恒定不变和蠕变总体规律不变的静态蠕变,而变蠕则是一种含水状态和含水率动态变化从而导致木质梁基本力学性能和截面尺寸动态变化的、吸、解蠕具体行为规律显著有别的动态蠕变;2)吸湿负蠕变只发生在吸湿初期,而吸湿中、后期(即含水梯度差(DMG)的显著减小期)发生的还是正蠕变。以含水梯度差(DMG)和荷载(P)为变量的变湿蠕变L9(34)正交试验的结果前所未有地发现并验证了:1)P是变蠕的基本动因,P的独立作用是造就正蠕变(P正蠕),P的大小决定P正蠕产生的正挠度的大小;2)DMG是变蠕方向和变蠕挠度的激发性动因;按本研究对梯度方向的定义“解吸时DMG为正,吸湿时DMG为负”的梯度方向的定义,DMG的方向决定着吸着蠕变的方向,正DMG决定了解蠕必为正蠕,负DMG一方面决定了吸蠕的基本方向必为负蠕,另一方面可以在P的联合作用下改变吸蠕表现出来的方向,吸蠕挠度的大小取决于DMG的大小和DMG与P的互动效应;3)DMG对P产生类似正幂指数关系的正蠕助推效应(DMGp),从而导致解蠕产生一个正挠度增量(表现为解吸总挠度一定大于变湿用最高湿度条件下的恒蠕挠度),刺激时处蠕变初期(即蠕变高峰期)的首吸蠕产生极大的正挠度,甚至刺激后续吸蠕产生正挠度;解蠕正挠度增量的大小、首吸蠕正挠度的大小和后续吸蠕正挠度的产生与否均取决于DMG和P的大小以及DMG对P的助推效应DMGp的大小;4)因为反向关系,P对DMG的负蠕效应产生阻滞作用,其大小取决于P的大小以及DMG的大小;这种阻滞作用决定了吸蠕挠度是负还是正的表现,决定了吸蠕负挠度表现量的大小;5)对MSC行为规律全新的完整概括:DMG和P的独立作用、作用方向和它们相互之间的动态竞争、助推或牵制作用及其在蠕变进程中的发生时间是MSC行为规律和蠕变挠度正负、大小之差的根本原因;DMG的方向决定了MSC中的解蠕一定是正向蠕变;吸蠕(特别是首吸蠕)的方向取决于DMG和P的大小、DMG对P的助推效应和P对DMG负蠕效应阻滞作用的大小以及它们在蠕变进程中的作用时间;DMG对P助推效应为主导时的吸蠕表现为正蠕,P对DMG负蠕效应的阻滞作用为主导时的吸蠕表现为负蠕。上述条件下对P-PF-LVL的蠕变试验、分析结果表明:1)LVL的恒蠕和变蠕行为规律与实木的总体一致;2)因为LVL与实木的内部结构不同,且本试验P-PF-LVL的静曲弹性模量(10370MPa)比PSW的(14730MPa)低,即P-PF-LVL的抗静曲变形的能力比PSW低,P和DMGp对P-PF-LVL的正蠕效应比PSW的大,且出现吸湿负蠕的时机与实木不同,P-PF-LVL的首吸蠕挠度更大,甚至出现二吸正蠕的情况;3)P-PF-LVL的首吸蠕大挠度和二吸正蠕的出现进一步验证了本研究的上述重大发现,即:木质梁首吸蠕的方向和挠度的大小取决于DMG与荷载相互之间的动态竞争、助推或牵制作用。上述条件下的试验、分析结果同时表明:1)变蠕过程中木质梁内部的含水状态和含水率的动态变化导致木质梁在发生变湿蠕变的同时发生动态湿胀或干缩;与变蠕挠度一样,木质梁的湿胀干缩主要发生在吸湿或解吸初期;2)湿胀干缩不改变木质梁吸着蠕变的行为规律,但影响吸蠕和解蠕挠度的测量值;3)2个变蠕周期中PSW和P-PF-LVL在挠度方向上发生的厚度湿胀干缩累积量分别占了变湿蠕变总挠度的-0.63%和1.27%。变湿蠕变挠度远远大于恒湿蠕变挠度。长*宽*高为100*10*5mm的PSW在25%破坏荷载下、2.5个RH42%→80%→42%变湿周期的变湿蠕变总挠度为0.468mm,是其取变蠕最高湿度RH80%为恒湿环境的同时长恒湿蠕变总挠度0.260mm的1.80倍;P-PF-LVL的变湿蠕变总挠度为1.403mm,是RH80%下的同时长恒湿蠕变总挠度0.961mm的1.46倍。由于本试验P-PF-LVL的抗恒湿蠕变能力不如PSW(其恒湿蠕变挠度(0.961mm)是PSW(0.260mm)的3.70倍),或者是由于P-PF-LVL的静曲弹性模量低于PSW,尽管P-PF-LVL的抗变湿蠕变能力优于PSW(其变湿/恒湿蠕变挠度比1.46明显低于PSW的1.80),25%破坏荷载下、2.5个RH42%→80%→42%的变湿周期的P-PF-LVL的变湿蠕变总挠度(1.403mm)达到了PSW(0.468mm)的3.00倍。由此强调,提高承重性LVL抗蠕变能力的根本在于提高LVL的弹性模量、降低LVL的吸湿能力和对LVL制造工艺的严格控制(尤其对杨木LVL)。综上,本文建议:1)木质梁的设计、制造和使用者以及我国相关标准和规范对木质梁蠕变性能的衡量应该考虑到“变湿蠕变”对木质梁承弯能力和服役挠度及其显著的影响;2)我国相关标准和规范考虑增补“恒湿蠕变”、“变湿蠕变”、“名义含水率”等统一名词及其定义,以便清晰描述、分析、检测和鉴定木质梁的蠕变行为。本研究的科学性在于对MSC行为规律的揭示。本研究的实用性在于为MSC的定量分析和工程应用,为木质工字梁IB服役能力的分析、判别和设计以及为IB的制造和质量控制提供了科学思路、理论依据和具体参考数据。本研究的首要创新性在于在国内外首次对MSC行为规律特别是首次吸湿蠕变规律完整的全新解说,其次还有试验思路和方法、装备的创新和对“变湿蠕变”、“吸着蠕变”、“含水梯度方向”、“名义含水率”等一些名词概念的提出或澄清。本研究的不足在于研究力量和装备的不足所致的试验量和试验规模的不足。
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