宽温度域桦木机械吸附蠕变研究

摘要
摘要
木材是吸湿性的黏弹性材料，人造板热压、木材干燥、木结构建筑等都会发生机械吸附蠕变现象。

本文采用带湿度附件的DMA，研究了桦木12%、18%、24%三个含水率水平在25℃、55℃、85℃三个温度水平的干燥机械吸附蠕变特性，以及12%含水率在25℃、55℃、85℃三个温度水平的交变机械吸附蠕变特性。

实验结果表明：
干燥机械吸附蠕变
桦木(Betula)干燥机械吸附蠕变与常规蠕变一样，试件刚受外力作用时会产生一个与时间无关的瞬时形变，试件含水率逐渐降低至终含水率6%，这段时间内干燥机械吸附蠕变产生很大蠕变。

在终含水率6%下继续蠕变一段时间，干燥机械吸附蠕变完全转变成常规蠕变。

最终干燥机械吸附蠕变产生的蠕变值是常规蠕变的数倍。

桦木干燥机械吸附蠕变的总柔量和蠕变柔量均随着温度和含水率的增大而变大。

温度和初含水率相同时，终含水率越低，干燥机械吸附蠕变的蠕变柔量越大。

交变机械吸附蠕变
桦木交变机械吸附蠕变的总柔量随着循环次数的增加而逐渐变大。

试件吸湿时蠕变恢复（即蠕变减小），解吸时蠕变增大，解吸时的蠕变增量大于吸湿时的蠕变恢复量，每循环一次都会产生一定的蠕变净增量（循环蠕变增量）。

随着循环次数增加，循环蠕变增量逐渐递减，最终桦木交变机械吸附蠕变趋向稳定。

温度越高、循环次数越多，桦木各个解吸蠕变终点的总柔量、吸湿蠕变终点的总柔量、解吸蠕变增量和吸湿蠕变增量越大。

桦木第一次吸湿的蠕变柔量，低温时蠕变柔量增加；高温时蠕变柔量减小。

桦木交变机械吸附蠕变滞后于湿度的变化，两者有一相位差。

温度越低，相位差越大。

关键词：桦木；机械吸附蠕变；温度；含水率；DMA
I
ABSTRACT
Abstract
Wood is viscoelastic material with hygroscopic properties. Mechano-sorptive creep occurs in hot pressing of wood-based panels, wood drying, and wood structure building, etc. In this paper, the properties of the mechano-sorptive creep during birch drying at three moisture content levels 12%, 18% and 24% , and at three temperature levels 25℃, 55℃and 85℃were studied by using DMA with humidity accessory. The properties of the mechano-sorptive creep with cycling of relative humidity at 12% MC and at three temperature levels 25℃, 55℃and 85℃were also studied. The experimental results show that:
Mechano-sorptive creep during wood drying
When the specimen is subjected to external force, it will produce an instantaneous deformation independent of time. With regard to this, mechano-sorptive creep of birch drying is the same as that of conventional creep. The moisture content of the specimen decreases gradually to 6% of the final moisture content, during which mechano-sorptive creep produces great creep. Creep continues for a period of time at the final moisture content of 6%. Mechano-sorptive creep completely change into conventional creep. Finally, the creep value of mechano-sorptive creep is several times that of the conventional creep
The total compliance and creep compliance of mechano-sorptive creep during birch drying increases with the increase of temperature and moisture content.
When the temperature and initial moisture content are the same, the lower the final moisture content is, the greater the creep compliance of the mechano-sorptive creep during birch drying is. Mechano-sorptive creep with cycling of relative humidity
The total compliance of the mechano-sorptive creep of birch with cycling of relative humidity increased with the number of cycles. Creep recovers (ie creep reduces) when the specimen absorbs moisture, and creep increases when the specimen desorbs moisture. The desorption creep compliance increment is greater than the absorption creep compliance recovery, so each cycle will produce a certain degree of net increment of creep (cyclic creep increment). With the increase of the number of cycles, cyclic creep increment gradually decreases, and eventually the mechano-sorptive creep of birch with cycling of relative humidity tends to be stable.
The higher the temperature and the greater the number of cycles are, the greater the total compliance at the end point of the desorption, the total compliance at the end point of the absorption creep, the desorption creep increment and the increase of the absorption creep are.
The creep compliance increases at low temperatures, and the creep compliance decreases at high temperatures when birch first absorbs moisture.
The mechano-sorptive creep of birch with cycling of relative humidity lags behind the change of humidity, and there is a phase difference between them. The lower the temperature is, the greater the phase difference is.
Key words：birch；mechano-sorptive creep；temperature；moisture content；DMA
II
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
1 绪论 (1)
1.1研究目的及意义 (1)
1.2国内外研究现状 (2)
1.2.1 国外研究现状 (2)
1.2.2 国内研究现状 (5)
1.3研究内容 (6)
1.4技术路线 (7)
1.5研究的特色与创新之处 (7)
2 木材机械吸附蠕变理论 (8)
2.1木材机械吸附蠕变机理 (8)
2.2木材机械吸附蠕变模型 (8)
2.2.1 力学模型 (8)
2.2.2 经验公式 (9)
3 材料与方法 (10)
3.1材料 (10)
3.2实验设备 (10)
3.2.1 动态机械分析仪 (10)
3.2.2 其他实验仪器 (11)
3.2.3 软件 (11)
3.3方法 (11)
3.3.1 实验设计 (11)
3.3.1.1 干燥机械吸附蠕变 (11)
3.3.1.2 交变机械吸附蠕变 (12)
3.3.2 试件尺寸确定与夹具选择 (12)
3.3.3 试件含水率的调整 (13)
3.3.4 机械吸附蠕变过程中试件含水率的控制 (13)
3.3.5 机械吸附蠕变实验过程 (14)
3.3.5.1 干燥机械吸附蠕变实验 (14)
3.3.5.2 交变机械吸附蠕变实验 (15)
4 干燥机械吸附蠕变研究结果与分析 (16)
4.1干燥机械吸附蠕变实验结果 (16)
III
4.2总柔量 (19)
4.2.1温度对总柔量的影响 (20)
4.2.2 含水率对总柔量的影响 (21)
4.3 蠕变柔量 (21)
4.3.1 温度对蠕变柔量的影响 (21)
4.3.2 含水率对蠕变柔量的影响 (22)
4.4本章小结 (23)
5 交变机械吸附蠕变研究结果与分析 (25)
5.1交变机械吸附蠕变实验结果 (25)
5.2总柔量 (27)
5.2.1 解吸阶段总柔量 (29)
5.2.1.1 温度对解吸阶段总柔量的影响 (29)
5.2.1.2 循环次数对解吸阶段总柔量的影响 (29)
5.2.2 吸湿阶段总柔量 (33)
5.2.2.1 温度对吸湿阶段总柔量的影响 (33)
5.2.2.2 循环次数对吸湿阶段总柔量的影响 (33)
5.3解吸蠕变增量 (36)
5.3.1 温度对解吸蠕变增量的影响 (37)
5.3.2 循环次数对解吸蠕变增量的影响 (37)
5.4吸湿蠕变恢复量 (40)
5.4.1 温度对吸湿蠕变恢复量的影响 (41)
5.4.2 循环次数对吸湿蠕变恢复量的影响 (41)
5.5蠕变滞后 (44)
5.6本章小结 (46)
6 结论 (47)
7 参考文献 (48)
个人简介 (51)
致谢 (52)
1绪论
1.1研究目的及意义
木材是一种天然的、可再生的高分子材料，其主要由纤维素、半纤维素及木质素组成，这些成分中含有羟基，羟基能与水分子结合，使得木材会受到水分的影响[1-4]。

当木材受到外力和动态含水率变化的交互作用时会产生机械吸附蠕变现象，这种现象既是优点也是缺点。

木结构建筑[5-8]中的木梁等承重部件受到环境温度和湿度变化时会产生异常的大变形，这种大变形会降低承重部件的安全性。

但其在木材的加工和保护方面具有一定的优点，如木材的塑化处理、木材大变形加工、木材弯曲加工、人造板热压、木材干燥等都会应用木材机械吸附蠕变理论。

木质丘比特箭[9]和微波弯曲木[10]的制作就是利用机械吸附蠕变理论，将箭身插入箭芯；微波弯曲木制作时，通过用2450MHz的微波照射处于饱水状态的木材，使木材热透。

当对木材受到外力和含水率逐渐降下降时就会产生机械吸附蠕变现象。

这种现象产生的变形特别大且大部分不恢复。

这一现象涉及到了机械吸附蠕变的能量理论。

木材在干燥过程中，其熵值降低，导致变形增大；木材进行吸湿时，其熵值增大，导致变形部分恢复。

实际应用中，木材都是在高温、高湿的剧烈环境中被处理的，其产生的变形需要等同的能量才能使其完全恢复，因此木材机械吸附蠕变产生的变形在常态条件下基本是被固定的。

图1-1是弯曲木和丘比特箭，
图1-1弯曲木和丘比特箭
Figure 1-1 Curved wood and Cupid arrow
木材干燥也涉及到机械吸附蠕变，这种蠕变是干燥过程中内外层干缩不均引起的应力作用下而产生的，但是木材干缩应力无法检测[11-12]，只测到蠕变大小（变形）无法计算出表征黏弹性材料的特征参数—蠕变柔量。

本文的目的旨在用带湿度附件的DMA研究宽温度域内黏弹性材料的特征参数—蠕变柔量[13-15]，深入准确地揭示干燥
宽温度域桦木机械吸附蠕变研究
机械吸附蠕变的力学行为。

综上所述，木材机械吸附蠕变不仅可对木结构建筑的承重部件的使用寿命进行预测，而且在木材加工利用和保护方面具有现实意义。

因此应该重点研究木材机械吸附蠕变。

1.2国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
木材机械吸附蠕变现象是国外学者发现并将其进行定义，随后研究人员对木材机械吸附蠕变的影响因素进行了研究。

如（1960-1962）Armstrong等、（1962）Chistension、（1964）Hermon和Paton、（1965）Gibson、（1972）Armstrong、（1976）Grossman、（1980-1991）Dixwoodie、（1983）Armstrong、（1985）Hsu、（1990）Rice、（1990）Ranta、（1993）Qinglin Wu、（2004-2006）Takahashi、（2005）Burgert、（2006）Fioravanti、（2007）Zhang等、（2013）Kaboorani，（2014）Olsson、（2015）Hassani等均对常温条件下的机械吸附蠕变进行了研究，但是高温条件下的机械吸附蠕变还未见文献报到。

在常温条件下可见到的代表文献如下：
1960年，Armstong和Kingston[16]首次从桉树制作的小木梁中发现机械吸附蠕变现象，并将结果发表在Nature上。

实验在25℃条件下进行，对含水率处于生材状态（高于30%）的桉树和气干到含水率12%的桉树进行干燥蠕变实验和含水率不变的蠕变实验。

结果发现：木梁在干燥过程中产生的总应变是含水率不变时的2倍多。

1961年，Armstrong和Cristensen[17]首次对木材在湿度交变条件下进行蠕变实验，并将结果发表在Nature上。

实验在室温（文中未提及具体温度值）条件下进行，试件初始含水率为0%，利用饱和蒸汽来实现湿度的交变。

实验结果表明：1）、当试件处于完全干燥状态下时，在较短时间内产生了一个很小的应变；2）、第一次通入饱和蒸汽，一段时间后，试件的应变几乎是原来的2倍。

3）、第二次进行解吸，应变进一步增大，但是比第一次吸湿产生的应变小。

随后开始进行解吸、吸湿交变。

结果发现：试件在解吸的时，应变变大，试件在吸湿时，应变又减小。

吸湿时产生的应变和解吸时产生的应变均比上一次交变时产生的大。

图1-2是Armstrong经典机械吸附蠕变曲线，
1 绪论
图1-2 Armstrong的交变机械吸附蠕变曲线
Figure 1-2 The mechano-sorptive creep curve with cycling of relative humidity from Armstrong
1962年，Armstrong和Kingston[18]进一步对木材含水率的变化对蠕变的影响进行研究。

实验结果表明：这种蠕变产生的最终应变值不由时间决定，只由含水率变化决定，并且这种蠕变现象只在木材纤维饱和点以下产生。

1962年，Chistensen[19]研究含水率变化对小试件（木材）的机械吸附蠕变的影响。

结果表明：小试件的蠕变速率与试件对水分的吸附速率有关。

1964年，Hearmon和Paton[20]研究了含水率的变化木材对机械吸附蠕变的影响。

实验结果表明：木材机械吸附蠕变的蠕变速率与木材的吸附速率密切相关，但是解吸-吸湿的速率对蠕变的最终结果几乎没影响。

1965年，Gibson[21]首次从分子水平提出氢键断裂-重新组合来解释木材解吸-吸湿交变条件下产生的机械吸附蠕变现象，并将结果发表在Nature上。

结果表明：当受载木材处于解吸阶段时，氢键发生暂时性的断裂和重新组合，导致应变增大；当受载木材处于吸湿阶段时，增加的蒸汽释放了能量，这些能量使得木材膨胀，另一方面作为振动能量，使木材抵抗外应力而产生蠕变恢复。

1972年，Armstrong[22]通过自制实验装置在30℃条件下对木材进行了含水率不变时的蠕变实验，然后对含水率只在木材内部移动但木材含水率保持不变时的蠕变实验。

实验结果表明：若木材内水分移动没有引起含水率的变化，其对木材的压缩应变几乎没有影响。

1976年，Grossman[23]首次将木材在机械载荷和含水率变化（吸附）交互作用称为“机械吸附效应”。

之后，其他研究人员将木材在“机械吸附效应”作用下产生的蠕变称作“木材机械吸附蠕变”。

宽温度域桦木机械吸附蠕变研究
1977-1981年，Dixwoodie[24-26]对刨花板、纤维板、胶合板、木材进行机械吸附蠕变实验，实验温度为20℃，交变为30%-90%，蠕变时间为180天。

实验结果表明：湿度交变下的机械吸附蠕变应变值比含水率不变时产生的蠕变应变值大很多。

1983年，Armstrong[27]对软木和硬木进行机械吸附蠕变实验。

将两种木材从生材干燥到纤维饱和点，再从纤维饱和点干燥到气干状态。

实验结果表明：对于软木，将其从生材干燥到纤维饱和点时，蠕变几乎增长不大。

当将其从纤维饱和点干燥到气干状态时，蠕变几乎呈直线增长。

硬木和软木产生的结果相同。

1988年，Hunt[28]对不同厚度的刨花板进行研究。

实验结果表明：在高温处理过程中，刨花板的厚度会因为其内部的含水率梯度而产生膨胀，但是随着处理进行，其厚度膨胀显著降低，且刨花板的强度基本没有改变。

Hunt认为这是机械吸附蠕变产生的。

Kamke等也认为刨花板在二次热压时发生了机械吸附蠕变，机械吸附蠕变释放了热压时产生的应力。

1990年，Rice[29]进行了木材干燥机械吸附蠕变实验。

结果表明：在干燥期间，随着木材含水率的降低，蠕变不断增大。

1990年，Ranta[30]研究了木材的含水率的分布对机械吸附蠕变的影响，实验温度为常温。

结果表明：当含水率变化幅度相同时，木材的表层对机械吸附蠕变的影响大于木材的芯层。

1993年，Qinglin Wu[31]在博士论文中指出，木材机械蠕变与时间无关。

当木材受恒定外力作用时，木材含水率变化越快，木材的变形越快；木材含水率变化越慢，木材产生的变形越慢；木材最终产生的变形与含水率的变化过程无关。

2004-2006年，Takahashi[32-34]等研究了含水率变化对机械吸附蠕变的影响。

实验结果表明：1）、当初始含水率相同时，木材进行快速吸湿比缓慢吸湿造成的非稳态程度大，因此会产生更大的变形；2）、当温度和含水率变化量相同时，初含水率较高的木材会产生较大的变形；3）、当含水率变化量较大时，木材会产生较大的变形；4）、当减小湿度的范围时，机械吸附蠕变现象会更明显。

2010年，Roszyk[35]等研究了微纤丝角对木材机械吸附蠕变的影响，含水率变化范围在7%—25%。

实验结果表民：微纤丝角在12°～18°时，木材的机械吸附应变量相近；当微纤丝角超过18°时，机械吸附蠕变的应变值随微纤丝角的增加明显增大。

2013年，Kaboorani[36]首次利用DMA进行交变的机械吸附蠕变，实验温度为30℃。

实验结果表明：DMA是快速、准确、高效测试木材机械吸附蠕变行为的设备。

2015年，Hassani[37]等利用Kelvin-V oigt模型研究了在不同纹理方向、含水率、交变湿度作用下的蠕变行为，实验结果表明：该模型预测胶合板层积材的破坏部位，在分析干燥应力的发生和发展方面也有较好的适用性，但是该模型均未考虑温度对木材蠕变的影响，模型仅用于模拟室温下含水率对木材机械吸附蠕变的影响。

1 绪论
1.2.2 国内研究现状
国内对木材机械吸附蠕变的研究较晚且只研究了木材干燥过程中产生的机械吸附蠕变，但这种蠕变不能得出表征材料的特征参数—蠕变柔量。

20世纪末，国内研究人员对国内外文献进行综述并提出个人观点。

21世纪后，相关学者对常温条件下的机械吸附蠕变进行研究。

如（1998）曹金珍、（1999-2010）李大纲、战剑锋、（2005）王喜兰等、（2007）虞华强等、（2009）熊伟等、（2010）邵环等、（2010）张文博、（2012）张淑琴、（2013）李统等、（2014）董春雷、（2015）马欣欣、（2016）彭辉等研究了木材机械吸附蠕变。

1998年，曹金珍等[38]比较、总结了前人的研究结果并在此基础上提出利用介电弛豫和水分吸着、解吸等温线方法能够从分子水平上来解释木材机械吸附蠕变现象。

1999-2011年，李大纲、战剑锋等[39-41]研究了由干燥应力作用而产生的机械吸附蠕变，实验采用切片法。

实验结果表明：木材干燥过程中测得应变的最大值是制定木材干燥基准的重要参考指标。

但是，此木材干燥过程中产生的变形都是由干燥应力作用产生的，木材干燥应力无法检测，无法知道蠕变柔量这一表征材料特性的特征参数。

2007年，虞华强等[42]总结和分析了木材机械吸附蠕变的经典模型和力学模型，然后提出木材的机械吸附蠕变研究尚缺乏系统性，应综合考虑不同的影响因素对其影响，以建立不同条件下木材机械吸附蠕变预测的模型，为国内研究木结构建筑提供基础的理论。

2010年，邵环等[43]在中国林学会木材科学分会第十二次学术研讨会上对木材干燥机械吸附蠕变机理进行阐述，随后发表会议论文。

文章从机械吸附蠕变的机理、机械吸附蠕变的研究方法、机械吸附蠕变与释放的干燥应力之间的关系系统地阐述了机械吸附蠕变在木材科学领域的重要性，特别是使用和制造试建材构件，以及船舶、桥梁、铁路等都应该产生极高的重视。

2010年，邵环等[44]分析了机械吸附蠕变产生的原因，探究了机械吸附蠕变对木材干燥应力的影响，并对目前存在的问题进行展望。

2010年，张文博[45]研究了木材在不同负载状态下的机械吸附蠕变和其回复性能，并利用同样的方法对外力作用下的解吸-吸湿交变过程、外力作用下的解吸-吸湿交变过程以及释放外力后的吸湿-解吸过程、外力作用下的吸湿-解吸交变过程以及释放外力后的解吸-吸湿过程进行实验。

实验温度为20℃，交变湿度为40%-90%，每次交变12h，共5次交变。

实验结果表明：外力作用下的吸湿-解吸过程会产生较大蠕变值。

2012年，张淑琴[46]在博士学位论文中利用自制实验装置研究了微纤丝角度和初含水率对人工林马尾松木材的纵向拉伸机械吸附蠕变的影响，实验温度为25℃，木材初含水率为9.3%、11%、26.2%。

湿度变化范围在50%-90%之间交变四次。

实验结果表明：初含水率相同时，微纤丝角度越大，机械吸附蠕变的应变越大，微纤丝角度越小，机械吸附蠕变的应变越小。

微纤丝角相同时，初含水率越大，机械吸附蠕变的
宽温度域桦木机械吸附蠕变研究
应变越大。

2013年，李统等[47]对不同含水率的杨木试木梁进行静曲蠕变实验。

实验温度为20℃下，含水率变为8%-12%-8%、8%-16%-8%和8%-20%-8%，蠕变过程为恒蠕-吸蠕-恒蠕-解蠕-恒蠕。

实验结果表明：变湿蠕变挠度主要发生在含水梯度差最大和急速变化的变湿初期。

吸湿过程产生的“恢复”实质上应该是负挠度，但不全是负挠度。

作者在文末指出变湿蠕变与恒湿蠕变之间的差异应被引起高度重视，尤其是木梁的制造和使用者。

2014年，董春雷等[48]在室内自然变湿环境中对木质工字梁进行静曲蠕变实验。

实验环境是昆明1-3月的室内温度，4-32℃，自然通风环境，湿度范围为10%-65%。

实验结果表明：木质工字梁在自然变化的环境中产生的蠕变属于“吸着蠕变”，这种蠕变的行为与常规蠕变的相似；由于气候早晚时的气候差异较大，室内环境的湿度差也会随之变化，这个差值导致木质工字梁在吸湿时蠕变减小，解吸时蠕变增大。

2015年，马欣欣[49]在博士论文中利用自制实验装置研究了交变湿度对两种结构用竹质工程材料的机械吸附蠕变特性的影响。

实验温度为16℃，湿度范围在33%-90%之间，交变循环4次，每次交变循环时间192h。

实验结果表明：竹束单板层积材在解吸过程导致蠕变值变大，竹集成材在吸湿过程导致蠕变值变大。

作者认为两种板材的组成结构和组成成分的吸湿特性和孔隙率的不同导致机械吸附蠕变现象不同。

2016年，彭辉等[50]将常规蠕变和机械吸附蠕变的研究成果进行总结，从木材机械吸附蠕变概念、特点、机理、影响因子和目前存在的问题进行阐述并做展望。

综上所述，国内外均研究了常温条件下的机械吸附蠕变，对于高温条件下的机械吸附蠕变还未见报道。

国内研究了干燥过程中，木材内应力作用下产生的机械吸附蠕变。

虽然实验温度为高温，但是干燥过程中的干燥应力无法检测，也就无法得到表征材料特性的特征参数-蠕变柔量。

因此，还需要进一步研究外力和高温条件下机械吸附蠕变，揭示机械吸附蠕变的本质。

1.3研究内容
干燥机械吸附蠕变
a) 温度对干燥机械吸附蠕变的蠕变柔亮、总柔量的影响；
b) 初含水率对干燥机械吸附蠕变的蠕变柔量、总柔量的影响；
c) 终含水率对干燥机械吸附蠕变的蠕变柔量的影响。

交变机械吸附蠕变
a) 温度对交变机械吸附蠕变的解吸总柔量、吸湿总柔量、解吸蠕变增量和吸湿蠕变恢复量的影响；
b) 循环次数对交变机械吸附蠕变的解吸总柔量、吸湿总柔量、解吸蠕变增量和吸湿蠕变恢复量的影响。

1 绪论
1.4 技术路线
技术路线如图1-3所示，
图1-3 技术路线
Figure 1-3 Technical route
1.5研究的特色与创新之处
a) 从黏弹性材料的特征参数—蠕变柔量的角度来研究木材机械吸附蠕变；
b) 在较宽温度范围内研究了机械吸附蠕变；
c) 发现蠕变滞后规律；
d) 国内首次利用DMA研究机械吸附蠕变，DMA能够快速进行实验并得到准确的数据。

7
宽温度域桦木机械吸附蠕变研究
2木材机械吸附蠕变理论
2.1 木材机械吸附蠕变机理
在恒定载荷作用下，应变随着时间而不断增加的现象称为蠕变现象，蠕变过程中伴随着木材含水率变化的蠕变称为木材机械吸附蠕变。

产生机械吸附蠕变时，木材在解吸（干燥）时蠕变增大，吸湿时蠕变恢复。

氢键断裂/再连接理论和细胞壁理论可以较好的解释这一现象。

1）、氢键断裂/再连接理论[51, 52]。

木材进行解吸时，水分子从细胞壁中移出，木材细胞壁内将形成空穴，因此，当木材受到外力作用时会产生较大的变形；木材处于吸湿过程时，其会出现一定的蠕变恢复。

有两个理论可以解释此现象：理论一，木材的记忆效应。

当木材在解吸过程中，细胞壁内的残余应力受到水分吸着、膨润而得到释放，导致蠕变产生恢复。

理论二，木材系统的熵变。

一般情况，在无外力作用时，木材系统的熵值朝着增加的方向发展；当有外力作用时，木材分子链之间的结合变得更加规则，导致木材系统的熵值下降。

当木材吸湿时，水分子进入木材时导致了氢键的重组，分子排列趋于混乱，熵值增大，因此蠕变的变形发生恢复。

2）、细胞壁理论[53, 54]。

木材发生解吸或吸湿时，细胞壁的S3层首先做出响应，然后是S2层。

当木材在解吸时，S1和S2层之间产生松散区域，使I + P + S1层在应力偏差作用下产生很大的变形。

当解吸进行到一定的程度，氢键重组完成，变形的趋势减缓。

当木材在吸湿时，其内应力由外向里分布，导致变形量下降。

当吸湿进行到一定程度时，由于S1层的“箍”作用，使得变形量保持恒定。

上述机理只能解释常温环境下产生的机械吸附蠕变现象，因此还需要做进一步研究。

2.2 木材机械吸附蠕变模型
2.2.1 力学模型
机械吸附蠕变的力学模型通常利用Maxwell模型或Kelvin模型或将这两种模型联合使用，得到机械吸附蠕变的Kelvin和Maxwell模型。

公式如下所示，Kelvin模型：
ε(t)=σ0E(1−e−tτd⁄）（2.1）式中：Kelvin模型所代表的材料称为Kelvin固体，但其没有瞬时弹性，而是按照ε(t)=σ0e−tτd⁄/η的变化率发生形变，应变随时间逐渐趋于的渐近值σ0E。

Maxwell模型：
ε(t)=ε0E+ε0ηt（2.2）式中：ε0为阶跃应力，E为弹性模量，η为黏性系数，t为时间。

2 木材机械吸附蠕变理论
王逢瑚[55]用一个弹簧将n个Kelvin体串联，最后一个Kelvin体受含水率变化的影响，表示机械吸附蠕变部分。

此模型可以描述交变湿度下的机械吸附蠕变。

Mukudai[56]从木材细胞壁的微观结构出发，阐明解吸或者吸湿过程中木材细胞壁中I+P+S1层、S2层和S3层之间的关系。

然后用弹簧、阻尼器、滑块和横杆等元件组成力学模型模拟机械吸附蠕变。

再通过计算机对模型模拟计算, 将计算值和实验值做比较来验证模型的吻合度。

但是，此模型涉及的参数较多，模型较复杂，所以在实际应用中还存在很多障碍。

图2-1是Mukudai设计的弯曲应力作用下的木材机械吸附蠕变力学模型，
图2-1 弯曲应力作用下的木材机械吸附蠕变模型
Figure 2-1 The mechano-sorptive creep model of wood under bending stress
2.2.2 经验公式
除了用力学模型来模拟机械吸附蠕变现象，同时还有一些经典的经验公式。

Ranta[57]提出了与含水率线性变化相关的经验公式，公式如下：
J=J E+J N+J E0∑αn ii=1(µii−µii−1)（2.3）式中，J E是弹性柔量，
J N是常规蠕变的柔量在实验过程中含水率和时间的积分，
J E0是含水率为0时的参考弹性柔量，
α是与含水率有关的粘弹性常数，
µi-µi-1是每个周期交变含水率的变化幅度。

注：式中α的数值由µii和µii−1的大小决定。