木材干燥學(xué)：木材干燥應(yīng)力與應(yīng)變

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1、木材干燥學(xué)建筑之家第六講木材干燥應(yīng)力與應(yīng)變∑木材干燥應(yīng)力產(chǎn)生的原因及分類∑木材內(nèi)外層干縮不一致引起的應(yīng)力與變形的產(chǎn)生與發(fā)展過程∑由木材各向異性引起的變形∑木材干燥應(yīng)力的消除∑木材干燥應(yīng)力與變形的測試方法∑應(yīng)變理論的新發(fā)展?一、木材干燥應(yīng)力產(chǎn)生的原因及分類1.原因：厚度方向上含水率不均勻木材是彈塑性體、各向異性體2.分類：含水率應(yīng)力(或彈性應(yīng)力)、殘余應(yīng)力、附加應(yīng)力含水率應(yīng)力：由于含水率分布不均勻而引起板材斷面上各個(gè)區(qū)域的不均勻干縮所引起的應(yīng)力和變形，含水率均勻（平衡）后，應(yīng)力和變形隨著消失，這種應(yīng)力叫含水率應(yīng)力；這種變形叫含水率變形。殘余

2、應(yīng)力：木材具有塑性，在含水率應(yīng)力與變形持續(xù)期間，在熱濕作用下，木材的外層或內(nèi)層發(fā)生塑化變形，使得在含水率分布均勻后，塑化變形的部分不能恢復(fù)原來的尺寸，也不能達(dá)到應(yīng)當(dāng)干縮的尺寸，并且保持著一部分應(yīng)力。這種應(yīng)力叫殘余應(yīng)力，這種變形叫殘余應(yīng)力殘余變形。殘余變形附加應(yīng)力：木材由于構(gòu)造上的各向異性，弦向干縮與徑向干縮的不同而引起的應(yīng)力。?二、木材內(nèi)外層干縮不一致引起的應(yīng)力與變形的產(chǎn)生與發(fā)展過程1.關(guān)于應(yīng)力產(chǎn)生與發(fā)展描述的幾個(gè)假設(shè)：a.含水率梯度只在厚度方向上存在，即水分只沿著垂直樹木軸線方向移動(dòng)；b.同一厚度層面上含水率相同。2.應(yīng)力的產(chǎn)生發(fā)展過程

3、?⑴干燥的第一階段（前期），W＜W，而表層FSPW＞W(wǎng)。內(nèi)層FSP此階段含水率的分布和試件收縮如下圖：wwHwfb4b3b2b1b0wpw=0S?在干燥的第一階段（前期），∵W＜W，表層FSP而W＞W(wǎng)∴木材的表層收縮，內(nèi)層不收內(nèi)層FSP，縮，這樣內(nèi)層受到表層的壓縮而產(chǎn)生壓應(yīng)力；表層受內(nèi)層的擴(kuò)張而產(chǎn)生張應(yīng)力。?由于木材的橫紋抗拉強(qiáng)度最弱，因此，當(dāng)表層的張應(yīng)力超過橫紋抗拉極限強(qiáng)度時(shí)，就產(chǎn)生表裂。?在應(yīng)力的作用下，表層和內(nèi)層均產(chǎn)生塑性變形。表層即使沒有內(nèi)層的作用，也不能收縮到其自由收縮的位置。而內(nèi)層也一樣，若沒有表層的作用，也不能恢復(fù)到原始的尺

4、寸。⑵干燥第二階段(中期)，W＜W，表層FSPW＜W，W趨于W。內(nèi)層FSP表層EMC?此階段含水率的分布和試件收縮如下圖：wwHwfb0b3wpw=0S?在干燥第二階段（中期），由于表層的含水率向EMC趨近，水分蒸發(fā)速度降低，所以表層的收縮減小。?在含水率梯度的作用下，內(nèi)部的水分向表層移動(dòng)，使內(nèi)部的含水率也降到FSP以下，內(nèi)層也開始收縮，這樣內(nèi)外層之間的相互作用減弱。?隨著內(nèi)層含水率的降低，收縮加劇，內(nèi)外層之間的作用逐漸減小，直到某一時(shí)刻，內(nèi)外層之間的作用為零，即內(nèi)應(yīng)力為零。?但此時(shí)木材總體的含水率仍然高于要求的終含水率，仍然存在含水率梯

5、度，存在濕應(yīng)力。⑶木材干燥的第三階段（后期），W已接表層近W，W也向W趨近。EMC內(nèi)層EMC此階段木材斷面含水率分布及收縮如圖：wwHwfb1b0b3b2wpw=0S?在干燥第三階段（后期），表層含水率幾乎與EMC相等，而內(nèi)層含水率也接近EMC。?表層的收縮基本結(jié)束，由于含水率的降低以及在前一階段內(nèi)層的作用使得表層的塑性變形在此被固定，即表面硬化（塑化固定），而內(nèi)層卻仍然在收縮。?這樣，表層不收縮反而受到內(nèi)層收縮而導(dǎo)致的壓縮，產(chǎn)生了壓應(yīng)力；而內(nèi)層要收縮，卻受到表層的牽制，產(chǎn)生了張應(yīng)力。?當(dāng)內(nèi)層的張應(yīng)力超過橫紋抗拉極限強(qiáng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)裂。齒

6、向外彎齒保持不變齒向內(nèi)彎外層存在拉伸應(yīng)力，內(nèi)層存在拉伸應(yīng)力，木材內(nèi)部不存在應(yīng)力內(nèi)層存在壓縮應(yīng)力外層存在壓縮應(yīng)力⒊應(yīng)力形成過程在干燥曲線上的表示?干燥曲線及對(duì)應(yīng)的表層應(yīng)力曲線如下圖：wwc：中心層含水率wcws：表層含水率wswfww：平均吸濕含水率△wwp△w：含水率梯度0123a4壓應(yīng)力σ0σ0：殘余應(yīng)力σnσn：總應(yīng)力拉應(yīng)力σB：濕應(yīng)力σB4.木材干燥應(yīng)力的消除方法是在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)濕處理。根據(jù)處理階段和處理作用的不同，調(diào)濕處理可分為預(yù)熱處理、中間處理、平衡處理和終了處理四種。?預(yù)熱處理(初期處理):過程：首先使介質(zhì)溫度升高到

7、45～55℃，并維持0.5～1h，使干燥室內(nèi)的殼體表面和主要設(shè)備部件及木材表面加熱，避免在后續(xù)的高溫、高濕的工作狀態(tài)下在這些固體表面上產(chǎn)生冷凝水。然后通過噴蒸，或噴蒸與加熱相結(jié)合，使溫、濕度同時(shí)升高到要求的介質(zhì)狀態(tài)，并保持一定的時(shí)間，讓木材熱透。工藝：溫度：硬闊葉樹材預(yù)熱溫度可高5℃；軟闊葉樹材及厚度60mm以上的針葉樹材，預(yù)熱溫度可高8℃；厚度60mm以下的針葉樹鋸材，預(yù)熱溫度可高10℃。濕度：一般W＞25%時(shí)，φ=98～100﹪；W＜25%，初初φ=90～92%，或介質(zhì)EMC略高于W。初時(shí)間：應(yīng)使木材中心溫度不低于規(guī)定的介質(zhì)溫度3℃為

8、準(zhǔn)。?中間處理工藝：溫度：干球溫度比當(dāng)時(shí)干燥階段的溫度高8～10℃，但干球溫度最高不超過100℃。濕度：近似地控制干濕球溫度差為2～3℃。時(shí)間：因鋸材的樹種、厚度和應(yīng)力的嚴(yán)重程度而異，可參考相