基于生长轮尺度的早材与晚材机械吸湿蠕变行为及其互作机制
批准号:
32071689
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
蒋佳荔
依托单位:
学科分类:
草种质资源与遗传育种
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
蒋佳荔
中文摘要
木材蠕变是影响木制品和工程构件质量以及结构设计安全性的一个关键特性。木材在水分-力协同作用下发生的机械吸湿蠕变行为是涉及多因素的复杂问题,其解明的途径在于能够在生长轮尺度上分别弄清楚早材与晚材的“自由缩胀”、“弹性响应”、“普通蠕变”和“机械吸湿效应”4个参量的行为规律与响应机制。本项目以楸木和马尾松木材为材料,集成应用动态力学分析技术、纳米压痕技术以及动态水分吸附分析仪联用白光显微镜成像技术等,在系统表征由水分、力以及机械吸湿效应所引发的变形规律的基础上,通过“水分-力协同作用——早材与晚材发生机械吸湿蠕变的互作方式——生长轮机械吸湿蠕变行为发生机制”关联分析,揭示机械吸湿效应对蠕变行为的促进机理,最终在生长轮尺度上阐明决定木材机械吸湿蠕变的关键因子。研究结论可以丰富和完善木材流变学的基础理论,为工程设计中合理选材、用材提供科学指导,对木结构材料耐久性的研究具有重要的理论指导意义。
英文摘要
The creep behavior of wood is the primary consideration for in-service design of wood used in load-bearing components. When wood is subjected simultaneously to load and moisture variation, the mechano-sorptive creep occurred. To better understand the mechano-sorptive creep, the characteristics and response mechanism of expansion, elastic behavior, pure viscoelastic creep and mechano-sorptive effect should be unraveled for earlywood and latewood at growth ring scale, respectively. In this project, Chinese catalpa (Catalpa bungei C.A.Mey) and Masson pine (Pinus massoniana Lamb.) are selected to investigate the strains resulted from moisture, load and mechano-sorptive effect via dynamic mechanical analysis, nano indentation technique and dynamic vapor sorption with white light microscope imaging technique et al. Moreover, the influence of mechano-sorptive effect in creep behavior was revealed through the correlation analysis of "moisture-load synergy - the interaction mode of mechano-sorptive creep between earlywood and latewood - the response mechanism of mechan-sorptive creep at growth ring scale", as a consequence the primary influence factors for mechano-sorptive creep are determined. The achievements of this project will enrich and improve wood rheology theory, give theoretical guidance for rational selection and use of wood in engineering design, and also provide scientific bases for the durability study of wooden structure materials.
本项目以楸木、马尾松和杉木为研究对象,利用动态水分吸附分析仪与视频白光显微镜相结合的方法,实现了原位实时同步测定生长轮、独立早材和独立晚材试样的水分吸着/解吸等温线和干缩湿胀应变量,从生长轮、组织和细胞尺度阐明了早材和晚材的干缩/湿胀行为规律,揭示了生长轮内晚材在生长轮的干缩/湿胀行为起主导作用;在生长轮尺度上阐明了生长轮、独立早材和独立晚材试样均存在“应变滞后”现象,而不存在“时间滞后”现象,即试样在含水率恒定阶段同步达到“含水率平衡态”和“应变平衡态”。通过在弦切面上测定早材和晚材的木纤维组织、木射线及导管尺寸的干缩湿胀应变量,揭示了早材和晚材不同类型组织的尺寸变化规律及其相互作用机理,阐明了木纤维组织对木射线的干缩湿胀起抑制作用;相较于早材,晚材木纤维组织对木射线弦向干缩湿胀行为的抑制作用更为显著。在30-80°C水热环境中探究了马尾松早材与晚材的拉伸蠕变行为,揭示了恒定外力作用下早材与晚材的弹性响应与普通蠕变行为规律,解明了早材与晚材拉伸蠕变行为对温度的响应特性。联用动态力学分析仪与动态水分吸附分析仪,同步测定了早材与晚材的水分吸着/解吸等温线、自由湿胀/干缩应变量和机械吸湿蠕变应变量,揭示了早/晚材的自由缩胀应变量对机械吸湿蠕变应变量贡献较大,晚材相较于早材更为显著,阐明了单分子层和多分子层不同类型吸着水对早/晚材拉伸蠕变行为的影响及其机制,最终探明了细胞形态、密度、化学组分和微纤丝角是决定早/晚材机械吸湿蠕变行为的关键因子。通过以上研究途径,从生长轮、组织和细胞尺度揭示了早材与晚材干缩/湿胀特性,阐明了在水分吸着/解吸过程中早材和晚材不同类型组织/细胞之间的互作机制,解明了早/晚材在水分-力协同作用下“机械吸湿效应”对蠕变行为的促进机制,丰富和发展了木材流变学的基础理论,为模拟和预测木材在温湿度环境中发生的变形行为规律提供科学依据,对木材湿热处理技术的优化具有重要的理论价值和指导意义。迄今,本项目在国内外核心学术期刊上发表论文10篇,其中SCI收录论文5篇,EI收录论文4篇;发表会议论文3篇;获国家发明专利2件;培养研究生4名,其中毕业硕士1名。
温湿度场中木材正交异向黏弹性体系表征与模型构建
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批准号:31570548
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项目类别:面上项目
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资助金额:63.0万元
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批准年份:2015
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负责人:蒋佳荔
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依托单位:
国内基金
海外基金