罗义汉，张荣波，梁建新，卢翠香，刁海林

（1.广西国有大桂山林场，广西 贺州542899；2.广西林业科学研究院，南宁530002；3.广西大学林学院，南宁530004）

邓恩桉（Eucalyptus dunnii）是桃金娘科桉属（Eu⁃calyptus）树种，树体中等偏大，枝浓叶密，树干通直，心材淡红色，心边材颜色差异不明显。自从澳大利亚引进以来，在中国广西、福建、江苏、云南、湖南等地均有人工林种植。该树种具有较强的耐寒能力，纤维比较长，是制浆造纸的优良材种［1］。此外，由于在桉树类中邓恩桉具有较高的密度，所以其锯材在木结构方面也有很大的应用潜力。为了解邓恩桉木材的流变学特性，以帮助工程人员对其在木结构中的耐久性及结构稳定性有个正确的评估，本研究借助于电测法及流变学理论对邓恩桉木材进行蠕变特性分析研究，以获得其主要蠕变特性指标，为对邓恩桉木材相关性能的后续研究提供基础数据和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试件的制备

试验样本选自广西柳州沙塘林场邓恩桉种源试验林，根据CB/T 1927—2009《木材物理力学试材采集方法》［2］国家标准采集标准样本。每株样木按上、中、下部位分别截取长2.0～2.5 m的原木作为试材，并进行标记。自然气干后，锯取径切板，制备20枚长方体试件，如图1a；锯取弦切板，制备20枚长方体试件，如图1b，试件规格尺寸均为宽×厚×长=10 mm×4 mm×140 mm［3］。

图1 试件采样示意

1.2 试验仪器与试验方法

1.2.1 主要试验仪器YJ-22型数字静态应变测量仪（华东电子仪器厂）；YZ-22型转换箱（华东电子仪器厂）；BX120-10AA型箔式纸基应变片（浙江黄岩测试仪器厂），灵敏系数2.08，名义阻值为120.3Ω，丝栅面积为10 mm×2 mm；试验支架（自制）；其他试验材料：砝码、电烙铁、焊锡、502胶水、砂纸、玻璃片等。

1.2.2 试验方法依据刁海林［4］提出的电测法，首先对邓恩桉木材试件进行恒应力弯曲蠕变试验，获取试件的弯曲应变-时间特性曲线ε（t），然后由木制材料流变学中蠕变柔量的定义式（1）计算蠕变柔量J（t），绘制蠕变柔量-时间特性曲线，进而确定蠕变特性曲线方程（2）中的常数J0、η0和ΣJi［5-9］。

式（1）中：σ0为加于试件的恒弯曲应力；ε（t）为对应时间t时的应变值。

式（2）中：J0为瞬间弹性柔量；Jη（t）为粘性柔量；η0为粘性系数；ΣJi为延迟弹性柔量。

试验环境和条件相同时，J0、η0和ΣJi是只与树种相关的粘弹性元件常数，可以作为评价树种木材蠕变特性的主要参数。这3个常数是从蠕变柔量-时间特性曲线J（t）图中直接量取的，J0是曲线跟J轴的交点，表征材料的抗瞬间弹性变形的能力，值越小则瞬间弹性变形越小，其抵抗瞬间弹性蠕变能力也就越强；η0是曲线在稳定蠕变阶段的渐近线的斜率的倒数，表征材料的抗长期粘性变形的能力，值越大则斜率越小，长期粘性变形越小，其抗长期粘性蠕变能力愈强；ΣJi是渐近线与J轴的交点到J0的距离，表征材料的抗延迟弹性变形的能力，值越小则延迟弹性变形越小，其抵抗延迟弹性蠕变的能力也就越强。

试验采用半桥接法单臂测量［10］，在广西大学林学院力学实验室进行，室内温度22～24℃，相对湿度57%～59%。试验装置根据本试验研究的要求定制，将试件放置于室内一段时间使含水率平衡，同时制备不同应力水平下的【型分力器。试验分4组进行，每组取10个小试件，为确保每一组试件获得试验要求的恒应力σ0，分力器的跨度须通过材料力学计算来确定，基础数据见表1。

试验采用4点加载方式进行，试验时将试件两端简支，支座距离为120 mm，试件中间用【型分力器将砝码载荷进行分解，使试件在分离器a区段受纯弯曲作用。试验前先用铅笔画出试件的中心线和其他定位参考线，然后用502胶水将箔式纸基应变片粘贴在试件中部纯弯区的受拉一侧位置，同时将玻璃片贴于试件两端与支座相对应的位置以减少摩擦阻力，并对每一组试件进行标记。然后将试件按照标记顺序安装到支架上，焊接应变片与转换箱的引出线，将转换箱和数字静态应变测量仪进行连接，用来观测每组应变片的应变值，如图2。准备无误后，预热仪器并进行调零，然后按标记序号加载。在短时间（420 min）内，0～60 min的测量时间间隔为5 min，60～180 min的测量 时间间隔 为10 min，180～420 min的测量时间间隔为30 min，做好试验记录，获取每组试件的应变-时间特性曲线ε（t）。

表1 试验的基础数据

图2 仪器连接示意

2 结果与分析

2.1 邓恩桉木材的应变-时间特性曲线

取每一组的试件在同一测量时间的应变量进行算术平均，得到邓恩桉木材的应变-时间特性曲线ε（t），如图3。

图3 邓恩桉木材的应变-时间特性曲线

2.2 拟合度分析

根据式（1），计算每组试件的蠕变柔量J，得到蠕变柔量-时间特性曲线J（t），如图4。选取每组试件在稳定蠕变阶段的数据绘制渐近线y（t）=Ax+B（图4虚线），确定邓恩桉木材在不同应力水平下的粘弹性元件常数，见表2。A的倒数为粘性系数η0，B是瞬间弹性柔量J0与延迟弹性柔量ΣJi的和，R2为回归方程的决定系数，它表明y与变量x的线性相关程度，其值越接近1则线性关系越显著，越接近0则越不显著，R≈0时则不存在线性关系，这里R2均大于0.8，表明稳定蠕变阶段存在显著的线性关系。

图4 邓恩桉的蠕变柔量-时间特性曲线

表2 邓恩桉木材的蠕变特性常数

2.3 邓恩桉木材蠕变特性分析

2.3.1 邓恩桉木材径向蠕变特性分析对于邓恩桉木材，随着应力水平的增大，瞬间弹性柔量J0增大，抗瞬间弹性蠕变能力减弱；粘性系数η0减小，即粘性柔量Jη（t）增大，抗长期粘性蠕变能力减弱；延迟弹性柔量ΣJi波动性变化，40%σb应力水平下有最小值，抗延迟弹性蠕变能力最强。

2.3.2 邓恩桉木材径向与弦向蠕变特性比较分析

对于邓恩桉木材，在相同的40%σb的应力水平下，弦向的瞬间弹性柔量比径向的大，表明弦向的抗瞬间弹性蠕变能力比径向的弱；弦向的粘性系数比径向的小（粘性柔量大），表明弦向的抗长期粘性蠕变能力比径向的弱；弦向的延迟弹性柔量比径向的大，表明木材弦向的抗延迟蠕变能力比径向的弱。

2.4 邓恩桉与赤尾桉、马尾松木材的蠕变特性比较

赤尾桉和马尾松的蠕变特性常数参数来自文献［11］。已知赤尾桉的抗弯强度为95 MPa，马尾松的抗弯强度为66.5 MPa。

由于木材的蠕变特性受树种、含水率和温度等因素的影响，至今还没有确切的评价方法。虽然本试验与赤尾桉和马尾松木材的蠕变特性试验的环境因素相同，但是由于分力器的影响，试件的载荷不能作为比较的依据。在日常生活中，同一个物体放置于不同树种相同形状尺寸的物体上所产生的应力相同，因此可通过比较相同应力下不同树种的蠕变特性常数对木材的蠕变特性进行评价。

如图5，在27 MPa应力附近，邓恩桉木材的瞬间弹性柔量明显比赤尾桉和马尾松的小；随着应力的增加，瞬间弹性柔量越来越接近。表明低应力状态下，邓恩桉木材的抗瞬间弹性蠕变能力比较强，瞬间变形相对小；随着应力的增加，抗瞬间弹性蠕变能力无明显差异。

如图6，在27 MPa以上的应力状态，邓恩桉木材的粘性系数η0均比赤尾桉和马尾松的大，粘性柔量比较小。表明其抗长期粘性蠕变能力比较强，长期粘性变形较小。

图5 瞬间弹性柔量特性

图6 粘性系数特性

如图7，在27 MPa应力附近，邓恩桉和马尾松木材的延迟弹性柔量接近，且明显小于赤尾桉，随着应力的增加，邓恩桉木材的延迟弹性柔量无明显变化，赤尾桉的延迟弹性柔量明显增加。表明邓恩桉和马尾松木材的抗延迟弹性蠕变能力相近，且明显强于赤尾桉，延迟弹性变形较小。

图7 延迟弹性柔量特性

综合上述，邓恩桉木材的抗长期粘性蠕变能力比较强，抗瞬间弹性蠕变能力和抗延迟弹性蠕变能力与马尾松的相近且优于赤尾桉木材，初步认定邓恩桉木材蠕变特性良好，作为木结构构件将具有较好的耐久性。

3 小结

随着应力的增大，邓恩桉木材的抗瞬间弹性蠕变能力和抗长期粘性蠕变能力减弱，抗延迟弹性蠕变能力波动性变化，在40%σb应力水平下的抗延迟弹性蠕变能力最强。在40%σb应力状态下，邓恩桉木材径向的抗瞬间弹性蠕变能力、抗长期粘性蠕变能力和抗延迟弹性蠕变能力均比弦向的好。

即使试验的载荷不一样，但是只要试件内部产生的应力相同，在该应力状态下木材表现出的蠕变特性是一定的，具有可比性，因此通过比较相同应力下不同树种的3个蠕变特性常数可以实现对木材蠕变特性的评价。

实际生活中，蠕变是材料的普遍现象，如木材、竹材和钢铁等［12，13］，在持续应力作用下会产生蠕变变形，研究木材蠕变特性对家具和木结构建筑等领域有很重要的意义。研究者们建立过许多模型来探索木材的蠕变特性，本试验也只是在探究阶段，期望木材蠕变特性试验的标准化进程得到加快。