Effect of water on the mechanical performance of OSB in compression tests

2类OSB购自加拿大Norbord公司，分别采用杨木Populus euramericana刨花和异氰酸酯胶黏剂为原料生产，气干条件下厚度和密度分别为13.0 mm、594.4 kg·m⁻³和19.0 mm、605.1 kg·m⁻³。每种OSB制备36个截面尺寸为(35.1±0.2) mm×(35.1±0.2) mm的试件，将每种厚度的试件均分为6组，对应不同的水分条件。水分条件包括对照组，(65±3)%相对湿度(RH)；A，(83±3)%RH；B，(95±3)%RH；C，1次吸放水循环；D，2次吸放水循环；E，8次吸放水循环。1次吸放水循环将试件置于(20±1) ℃水中1 h，后取出放在40 ℃的烘箱中干燥2 h，之后在(65±3)％RH和(20±1) ℃条件下陈放2 d。这一干燥条件旨在模拟实际应用环境下的风干条件。每次吸放水循环前后，采集试件质量和厚度信息。将3组试件分别在(20±1) ℃和3种不同空气湿度条件下陈放4周，采集陈放前后试件质量和厚度信息。力学测试完成后，记录所有试件的绝干质量。

压缩试验对试件质量的影响忽略不计，计算试件含水率: C_M=[(m−m₀)/m₀]×100%。其中：C_M是试件的含水率(％)，m是试件的质量(g)，m₀是试件的绝干质量(g)。不同水分条件下试件的厚度变化C_T=(T−T₀)×100%/T₀。其中：C_T是试件的厚度变化(％)，T是不同水分条件下试件的厚度(mm)，T₀是对照条件下试件的厚度(mm)。试件压缩强度S_C=F/S。其中：S_C是试件的压缩强度(N·mm⁻²)，F是加载载荷(N)，S是试件的接触面积(mm²)。

试件沿厚度方向变形时，应变正值和负值分别表示拉伸应变和压缩应变。剪切应变是试件发生倾斜滑移产生的变形，剪切应变的正值和负值分别表示顺时针剪切和逆时针剪切。试件沿厚度方向每毫米的应变分布，根据${{S}}=\left(\displaystyle \sum_{{i}}^{{{i}} + 1} {{{P_{{\rm{S}}i}}}} \right)/{{n}}$计算获得。试件沿厚度方向的剪切应变分布，根据${{{{S}}_{{{{{\rm{S}}}}}}}}=\left(\displaystyle \sum_{{i}}^{{{i}} + 1}\left| {{{P_{{\rm{SS}}i}}}} \right| \right)/{{n}}$计算得出。其中：S是厚度方向的平均压缩应变，$P_{{\rm{S}}i} $是厚度i和 (i+1) 间的压缩应变，S_S是厚度i和 (i+1) 间的平均剪切应变，P_SSi是厚度i和 (i+1) 间的剪切应变，n是单位厚度间的应变值个数。

使用细砂纸轻轻砂光OSB试件一个侧面，后用0.5 mm黑色中性笔绘制散斑。为防止吸放水过程影响散斑质量，C、D、E组试件的散斑是在吸放水过程后绘制。A、B组试件的散斑是在陈放前绘制。

本研究聚焦于试件的压缩强度测试，使用Instron万能力学试验机对试件平面加压。加载过程中压头以0.2 mm·min⁻¹匀速位移，每100 ms记录1次压头高度(±0.001 mm)和载荷(±0.001 N)。加载流程：手动调整压头初始载荷至980.0 N (0.8 N·mm⁻²)，之后开始匀速自动加载，载荷达到8 575.0 N (7.0 N·mm⁻²)时加载结束。自动加载过程中，使用数字散斑相关分析技术同步记录试件表面应变分布。具体为使用高速摄像机(M2514-MP2)每100 ms拍摄1张试件表面照片，并使用Correlated Solutions软件计算散斑位置变化和应变分布。

如图1所示：相较于C组试件，E组试件的厚度变化更大，这说明多次吸放水会引起试件内部结构变化。刨花的干缩湿胀会释放固定在OSB内部的热压应力，并使得刨花间孔隙扩大^[4]。吸放水循环8次后，E组试件13.0和19.0 mm的含水率分别升高4.38％和3.81％，这归因于吸湿滞后现象。含水率升高是造成多次吸放水循环后试件厚度增加的另一重要原因。吸放水循环会增加样品的厚度，循环次数与厚度变化正相关。相较于其他试件，B组试件的含水率最高，厚度变化也最大。

Figure 1.  Thickness change and moisture content of samples at different water situations

表1显示不同水分条件下试件变形的差异性，试件变形(加压头位移)越大代表试件压缩强度越低。其中，B组试件的变形显著增加(P＜0.05)，说明(95±3)%RH条件下OSB的压缩强度下降显著(P＜0.05)。E组试件也发生显著变形，说明多次吸放水循环同样会明显降低OSB的压缩强度。相较于19.0 mm试件，13.0 mm试件更易受环境湿度和吸放水循环影响。试件厚度变化比例大是13.0 mm试件位移显著增加的重要原因。具体表现为(83±3)％RH条件下和1个吸放水循环后，位移已经有显著性增加。较大的原始厚度使得19.0 mm试件厚度变化比例较小，因此仅在(95±3)％RH条件下和8个吸放水循环后位移会有显著性增加。

图2表明：7 MPa载荷条件下，B组试件的最终厚度最小。这说明含水率增加软化了木材刨花，并造成载荷条件下木材刨花的大幅变形。吸放水循环后，厚度为13.0 mm试件的最终厚度均比对照组低。吸湿会软化刨花纤维，吸放水循环可以引起刨花间孔隙放大和扩散，这均会降低OSB试件的压缩强度^[18]。以上理论可以解释13.0 mm试件的最终厚度结果，但并不能完全解释19.0 mm试件的最终厚度变化。与对照试件相比，吸放水循环后，载荷条件下试件的最终厚度甚至小幅增加。该现象的原因是吸放水循环释放了热压时聚集在试件内部的应力，这使得试件压缩变形困难。厚OSB加工成型往往需要更大的压力，因此吸放水循环释放出的内部应力也更大。

Figure 2.  Thickness of samples at 7 MPa compressive strength

以厚度为19.0 mm试件为例，相较于对照组，B组试件压缩变形增加约70%，E组试件压缩变形增加约30%。为进一步探索试件压缩强度的发生机制，需要分析试件压缩强度与厚度方向变形(加压头位移)之间的关系(图3)。不同水分行为下，试件发生了内部结构变化和刨花软化，这会影响强度与变形关系曲线。吸放水循环和高含水率均弱化了曲线的拐点，这说明试件的弹性形变区间变窄，更多变形是由塑性形变造成。循环吸放水使得刨花间孔隙放大，刨花的完整形态被破坏，刨花在负载条件下的承载能力随之降低。高含水率条件下[(95±3)％RH]，B组试件极易发生变形，变形曲线没有明显拐点，这表明水分使刨花软化，降低了刨花刚度，使刨花更易于压缩变形^[19]。

Figure 3.  Relationship between compressive strength and displacement of samples at different water conditions

2种厚度试件的应变分布相似，以13.0 mm试件为分析对象。图4和图5结果显示：压缩应变主要集中在沿试件厚度方向的中心区域，这归因于OSB中心区域低密度和表层区域高密度^[20]。木质复合材料的密度和刚度往往正相关^[21]。因此，应变容易发生在试件沿厚度方向上的中心区域。吸放水循环次数增加，试件内应变增加，但应变分布变化较小。含水率升高会使试件内应变增加，同时改变应变分布。木材刨花会因为含水率升高而软化，这会降低木材刚度。OSB中心区域密度低，单位体积内刨花数量少，因此含水率对该区域应变的影响被弱化。此外，胶黏剂分布对试件内的应变分布也有重要影响，胶黏剂往往可以改善木材的力学性能和尺寸稳定性^[22]。OSB表层施胶量通常比中心层多，因此试件表层区域力学性能受吸放水或含水率影响较小，具体体现为B组和E组试件表层区域的应变普遍较小。

Figure 4.  Compression strain distribution along the thickness direction of the 13.0 mm samples under four compression strengths(CS=1, 3, 5, 7 MPa)

Figure 5.  Shear strain distribution along the thickness direction of the 13.0 mm samples under four compression strengths (CS=1, 3, 5, 7 MPa)

为进一步探索试件内应变的动态迁移过程，区分B组和E组试件的应变分布，由图6和图7结果显示：载荷低于3 MPa时，2组试件内均未出现明显应变，且应变均匀分布。载荷增加时，试件内部结构持续变化，部分区域出现明显的应变集中(图6蓝色区域）。结合图3可知：压缩应变随压缩强度的增大而增加，且主要集中在试件的中心区域。B组试件的应变始于中心区域，但E组试件的应变则从下表面开始。自由水易积聚在近OSB试件侧面和上下表面的孔隙中，或者沿着长刨花向试件内部迁移^[4]。多次吸放水循环使得E组试件下表面的结构不再密实，载荷作用下，这一区域容易被再次压缩变形，并产生应变集中。该区域密实化后，应变集中则更多发生在试件中心区域。

Figure 6.  Compression strain distribution of 13.0 mm sample B (left) and sample E (right) under four compressive strengths

Figure 7.  Shear strain distribution of 13.0 mm sample B (left) and sample E (right) under different compression strengths

图7所示：剪切应变分布不连续且主要集中于中心区域。剪切应变往往造成试件内部结构变化，具体表现为木材刨花间相对位置滑移。多孔的内部结构使刨花在载荷状态下易发生开胶和错位，并产生剪切应变。由于MDI胶黏剂的耐水性和稳定性，水分吸着很难将胶黏着的木材刨花分离^[23]，因此试件上下表面紧凑的内部结构和充分的胶黏剂渗透，可以有效避免水分行为对内部结构的影响，这表现为上下表面区域剪切应变较小。

本研究结果表明：①含水率的升高和吸放水循环会使OSB厚度增加和压缩强度降低。薄OSB的厚度和压缩强度更容易受含水率和吸放水循环影响。②含水率增加会使木材刨花软化润胀，含水率20%时，较未吸湿试件，OSB试件压缩变形增加约70%。含水率增加使试件厚度方向上的应变增加且应变分布改变，具体表现为试件厚度中心区域的应变集中现象弱化。③较未吸放水试件，8次吸放水后，OSB压缩变形增加约30%。试件厚度方向上的应变增加，但应变分布变化不明显。④压缩载荷作用下，压缩和剪切应变均多始于OSB试件厚度方向上的中心区域。吸放水循环会释放OSB表层内应力，这引起试件表层区域结构疏松和载荷作用下表层压缩应变集中。