1、木材橫紋與順紋壓縮實驗摘要：為了解影響木材壓縮性能的一些因素和機制并測量橫紋與順紋的彈性模量，抗拉強度以及比較二者的區別。本文用兩塊取自橫紋和順紋兩個不同方向的木塊的壓縮試驗結果做了一個對比，簡要分析了不同構造的木材其不同的壓縮力學性能，得到了兩個不同方向的應力-應變特性曲線，證實了木材的各向異性以及得到了木材橫紋和順紋的力學性能。關鍵詞：木材各向異性；橫紋方向;順紋方向1 .引言：我國森林覆蓋率較低，木材資源較為匱乏，研究木材的壓縮特性有助于讓不同性能的木材各盡其用，節約成本。生活中，人們對木材這種材料有著非常感性的認識，比如“劈柴沿著順紋方向比較輕松”、“砍樹要比劈柴費勁得多”。事實上，木

2、材是一種極為特殊的各向異性多孔材料，作為一種天然的復合材料，在外加載荷作用下有著非常復雜的力學特性。木材微觀上由許多含有空腔的細胞所組成。其中近于沿樹干主軸方向排列者占絕大多數，該方向稱為軸向或順紋方向；而與樹干主軸相垂直的方向，包括徑向、弦向、半弦向等，統稱為橫紋方向。2 .試驗方案：2.1 使用設備WDW3050電子萬能試驗機、光學引伸計、計算機、游標卡尺、橫紋木材試件、順紋木材試件各一件。2.2 試樣2.3 實驗原理2.3.1 木材的微觀組成木材由纖維素、半纖維素和木質素三大組分構成。組成木材細胞壁的主要化學成分，按其物理作用可分為3類：骨架物質、基體物質和結殼物質。有人形象的將骨架物質

3、、基體物質、結殼物質分別比作鋼筋、沙石、水泥。骨架物質：以纖維素的微纖絲狀態存在于細胞壁中，賦予細胞拉壓強度。纖維素為線形、長的大分子結構，其分子鏈不是筆直成線，而是具有一定程度的卷曲，這就決定了纖維素具有可以伸縮的彈性性能。纖維素作為木材的骨架結構元素，其含量主要影響木材的剛度。基體物質：指半纖維素和其它碳水化合物。滲透于骨架物質，增加細胞的剛性。結殼物質：指木質素，遍布于細胞壁之中，使細胞獲得硬度。1 .測量試樣原始尺寸：用游標卡尺測量試件基本尺寸，如標記段原始長度，寬度，厚度，多測幾次取平均。由于要使用光學引伸計，應該用快干墨水或帶色涂料標出兩個標記點。2 .試驗機準備：預先開動試驗機，

4、確定試驗機工作正常。打開相機，確認圖像可以正常采3 .安裝試樣：手持試件安放在下壓平臺，使用面板的上下控制鍵控制壓頭輕微壓緊木塊,使試樣的縱軸與試驗機的加載軸基本保持平行。4 .設定實驗方案：再次檢查試驗機工作狀態，調整相機位谿，保證圖像采集。5 .進行試驗：以預先設定的加載速度連續加載至試樣破壞，記錄破壞荷載和試樣破壞的最大位移。6 .試樣斷后尺寸測定：取出試樣斷體，觀察斷口情況。然后將試樣在斷裂處緊密對接在一起，并盡量使其軸線處于同一直線上，測量試樣斷后標距L（可直接用游標卡尺測量標距兩端點的距離）。7 .歸整實驗設備結束試驗：完成全部測量后，將所使用的儀器設備全部復原，并將試驗數據記錄拷

5、入U盤，關閉試驗機。由上述圖表可得到木材兩個方向的力學性能特點：(1)順紋壓縮的強度極限比橫紋壓縮大得多。(2)對于順紋壓縮，彈性階段內，需要很大的負荷才能使試件發生較大的變形；在彈性階段之后沒有明顯的屈服階段。(3)對于橫紋壓縮，彈性階段中，試件的變形不需要很大的外載荷；而且在彈性階段之后,有明顯的屈服階段，之后經歷較長的強化之后才出現斷裂。(4)木材順紋壓縮的彈性模量要比橫紋壓縮大得多。3.試驗結果及分析橫紋順紋20.3019.9820.1419.9220.0020.00長度/mm寬度/mm厚度/mm長度/mm寬度/mm厚度/mm160.1020.0019.9260.64260.3019.

6、9820.0060.66360.1020.1619.9260.56平均值 /mm 60.1720.05 19.9560.6220.1519.97橫截面積/mm2400402微觀結構分析：順紋壓縮：木材順紋方向相當于無數纖維管束的集合體。因此，順紋壓縮可以類似于纖維增強復合材料的順纖維壓縮過程。木材在順紋壓力的作用下，細胞壁中微纖絲之間產生滑移，導致木材細胞壁的壁層縱向產生褶皺。這些褶皺主要集中在細胞的內壁，如果木材在持續的外力作用下被壓縮，這些纖維管會分離（破壞了半纖維素，纖維管失去固定作用），這也解釋了為什么是開裂破壞。橫紋壓縮：在橫紋壓縮過程中，徑向加載時，木射線是以縱向支撐受力，因此徑向

7、應力和彈性模量會大于弦向。弦向壓縮時,由于早晚材同時受壓力影響，使之徑向應力值大于弦向值略高些。事實上，本次試驗研究的對象是木材大變形壓縮試驗，應力-應變關系有如下所述的模型：木材是多孔性材料,由許多含有空腔的細胞所組成。一般來說,當其受到橫紋方向的大變形范圍壓縮的情況下,可由屈服點應變y和細胞壁壓密化臨界應變d（即壓縮過程中細胞腔完全被填充而消失時刻的應變），將應力-應變曲線為三個階段。即a.細胞發生微小變形，應力與應變呈比例關系的領域，即彈性變形領域；b.在越過屈服點之后較寬的變形范圍，細胞逐漸被壓潰，胞壁發生向腔內塌陷的彎曲和壓屈變形，應變迅速增大而應力僅略有增加,應力-應變曲線趨于平坦的領域；c.壓縮進行至原來對面的細胞壁相互接觸，細胞腔被完全充填，細胞壁實質物質被壓縮，應力隨應變的增加而急劇增大的領域。木材橫紋壓縮的應力-應變特性曲線，一般都具有這樣的三段特征。按照這一模型，完全可以解釋為什么載荷-位移曲線會有一個交替上升的過程。并且還可以得到y0.045，d=0.39。0GS螭紋木材應力一亶變曲線順紋的應力應變曲線是有很大不同的取彈性階段的但是橫紋應變較小，故可以作為良好的減震材料?？赡軐嶒灤嬖谡`上面的兩張圖片都是用MATLAB軟件擬合實驗數據得出，由上面兩張圖片可以看出，橫紋與20%-80%