木材横纹与顺纹实验报告剖析

木材横纹与顺纹压缩实验

摘要：为了解影响木材压缩性能的一些因素和机制并测量横纹与顺纹的弹性模量，抗拉强度以及比较二者的区别。本文用两块取自横纹和顺纹两个不同方向的木块的压缩试验结果做了一个对比，简要分析了不同构造的木材其不同的压缩力学性能，得到了两个不同方向的应力-应变特性曲线，证实了木材的各向异性以及得到了木材横纹和顺纹的力学性能。

关键词：木材各向异性；横纹方向; 顺纹方向

1.引言：我国森林覆盖率较低，木材资源较为匮乏，研究木材的压缩特性有助于让不同性能的木材各尽其用，节约成本。生活中，人们对木材这种材料有着非常感性的认识，比如“劈柴沿着顺纹方向比较轻松”、“砍树要比劈柴费劲得多”。事实上，木材是一种极为特殊的各向异性多孔材料，作为一种天然的复合材料，在外加载荷作用下有着非常复杂的力学特性。木材微观上由许多含有空腔的细胞所组成。其中近于沿树干主轴方向排列者占绝大多数，该方向称为轴向或顺纹方向；而与树干主轴相垂直的方向，包括径向、弦向、半弦向等，统称为横纹方向。

2.试验方案：

2.1使用设备

WDW－3050电子万能试验机、光学引伸计、计算机、游标卡尺、横纹木材试件、顺纹木材试件各一件。

2.2试样

2.3实验原理

2.3.1 木材的微观组成

木材由纤维素、半纤维素和木质素三大组分构成。组成木材细胞壁的主要化学成分，按其物理作用可分为3类：骨架物质、基体物质和结壳物质。有人形象的将骨架物质、基体物质、结壳物质分别比作钢筋、沙石、水泥。

骨架物质：以纤维素的微纤丝状态存在于细胞壁中，赋予细胞拉压强度。纤维素为线形、长的大分子结构，其分子链不是笔直成线，而是具有一定程度的卷曲，这就决定了纤维素具有可以伸缩的弹性性能。纤维素作为木材的骨架结构元素，其含量主要影响木材的刚度。

基体物质：指半纤维素和其它碳水化合物。渗透于骨架物质，增加细胞的刚性。结壳物质：指木质素，遍布于细胞壁之中，使细胞获得硬度。

1.测量试样原始尺寸：用游标卡尺测量试件基本尺寸，如标记段原始长度，宽度，厚度，

多测几次取平均。由于要使用光学引伸计，应该用快干墨水或带色涂料标出两个标记点。

2.试验机准备：预先开动试验机，确定试验机工作正常。打开相机，确认图像可以正常采

集。

3.安装试样：手持试件安放在下压平台，使用面板的上下控制键控制压头轻微压紧木块，

使试样的纵轴与试验机的加载轴基本保持平行。

4.设定实验方案：再次检查试验机工作状态，调整相机位臵，保证图像采集。

5.进行试验：以预先设定的加载速度连续加载至试样破坏，记录破坏荷载和试样破坏的最

大位移。

6.试样断后尺寸测定：取出试样断体，观察断口情况。然后将试样在断裂处紧密对接在一

起，并尽量使其轴线处于同一直线上，测量试样断后标距L（可直接用游标卡尺测量标距两端点的距离）。

7.归整实验设备结束试验：完成全部测量后，将所使用的仪器设备全部复原，并将试验数

据记录拷入U盘，关闭试验机。

由上述图表可得到木材两个方向的力学性能特点：

（1）顺纹压缩的强度极限比横纹压缩大得多。

（2）对于顺纹压缩，弹性阶段内，需要很大的负荷才能使试件发生较大的变形；在弹性阶段之后没有明显的屈服阶段。

（3）对于横纹压缩，弹性阶段中，试件的变形不需要很大的外载荷；而且在弹性阶段之后，有明显的屈服阶段，之后经历较长的强化之后才出现断裂。

（4）木材顺纹压缩的弹性模量要比横纹压缩大得多。

3.试验结果及分析

横纹顺纹

长度/mm 宽度/mm 厚度/mm 长度/mm 宽度/mm 厚度/mm

1 60.10 20.00 19.9

2 60.64 20.30 19.98

2 60.30 19.98 20.00 60.66 20.14 19.92

3 60.10 20.16 19.92 60.56 20.00 20.00

平均值/mm 60.17 20.05 19.95 60.62 20.15 19.97 横截面积/mm2 400 402

微观结构分析：

顺纹压缩：

木材顺纹方向相当于无数纤维管束的集合体。因此，顺纹压缩可以类似于纤维增强复合材料的顺纤维压缩过程。木材在顺纹压力的作用下，细胞壁中微纤丝之间产生滑移，导致木材细胞壁的壁层纵向产生褶皱。这些褶皱主要集中在细胞的内壁，如果木材在持续的外力作用下被压缩，这些纤维管会分离（破坏了半纤维素，纤维管失去固定作用），这也解释了为什么是开裂破坏。

横纹压缩：

在横纹压缩过程中，径向加载时，木射线是以纵向支撑受力，因此径向应力和弹性模量会大于弦向。弦向压缩时, 由于早晚材同时受压力影响，使之径向应力值大于弦向值略高些。

事实上，本次试验研究的对象是木材大变形压缩试验，应力-应变关系有如下所述的模型：木材是多孔性材料, 由许多含有空腔的细胞所组成。一般来说, 当其受到横纹方向的大变形范围压缩的情况下, 可由屈服点应变y和细胞壁压密化临界应变d（即压缩过程中细胞腔完全被填充而消失时刻的应变），将应力-应变曲线为三个阶段。即

a.细胞发生微小变形, 应力与应变呈比例关系的领域，即弹性变形领域；

b.在越过屈服点之后较宽的变形范围, 细胞逐渐被压溃，胞壁发生向腔内塌陷的弯曲和压屈变形，应变迅速增大而应力仅略有增加, 应力-应变曲线趋于平坦的领域；

c.压缩进行至原来对面的细胞壁相互接触, 细胞腔被完全充填, 细胞壁实质物质被压缩, 应力随应变的增加而急剧增大的领域。木材横纹压缩的应力-应变特性曲线，一般都具有这样的三段特征。按照这一模型，完全可以解释为什么载荷-位移曲线会有一个交替上升的过程。并且还可以得到y0.045，d=0.39。

上面的两张图片都是用MATLAB软件拟合实验数据得出，由上面两张图片可以看出，横纹与顺纹的应力应变曲线是有很大不同的。顺纹的各个阶段的应力值都很大，抗拉强度很大。但是横纹应变较小，故可以作为良好的减震材料。可能实验存在误差，其中，取弹性阶段的20%-80%进行分析得到顺纹的弹性模量为35MPa，横纹的弹性模量为200MPa。

4.结论：

1、木材的确是一种多孔的天然复合材料，其具有明显的各向异性。

2、木材顺纹方向适合用于承压结构，而横纹方向有良好的减震效果。

3、鉴于木材的承压特性，横梁之类的结构不能使用横纹木材。