采用新技术和方法改良木材的弯曲性能，会大大提高木材的使用价值(李坚，1994；宋魁彦，2006；陆文达，1993)。碱液处理木材可以应用于改善木材的渗透性和吸水性、防止木材变色(张云岭等，2001；邓洪等，2006；Casilla et al., 1981)、促进木材漂白(陈玉和等，2000)、提高木材表面胶合环境和性能(李坚等，1990)、纳米纤维素的制备(陈文帅等，2010；Abraham et al., 2011)等方面。本文研究复配碱液处理榆木(Ulmus)顺纹压缩应力-应变本构关系，为改良木材弯曲性能新方法的探索提供科学依据。木材纤维素具有可以伸缩的弹性性能(Hofstetter et al., 2005；Kompella et al., 2002；Oudjene et al., 2009)，在进行碱液软化处理后，顺纹压缩过程中木材纤维素分子链之间产生纵向位移，细胞壁产生褶皱；在后续弯曲过程中，木材细胞壁上的褶皱会逐渐展平，达到最大限度地缩小弯曲曲率半径并实现多维弯曲，突破了实体木材只能进行简单的单维弯曲和不能获得较小弯曲曲率半径的难点(Reiterer et al，2001；李青，2000；宋魁彦等，2004；2009)。

1 试验和测试方法 1.1 木材碱液处理

复配碱液主要由NaOH、改性剂组成，其中NaOH质量分数为6%~7%，改性剂质量分数为10%~15%，分别对榆木的幼龄材和成熟材各18件试材进行软化处理。将尺寸为270 mm×16 mm×16 mm试材依次放入3 000 mL复配碱液中，常温常压下处理240~300 min，试材取出后直接进行软化测试。

1.2 木材化学组分测试

根据GB2677方法分别测定软化处理前后榆木幼龄材和成熟材的木质素、综纤维素、碱抽提物含量，用硝酸-乙醇法测定纤维素的含量。

其木材化学组分变化率采用下式计算：

(1)

1.3 木材顺纹压缩测试

木材顺纹压缩测试采用万能力学实验机，并配以顺纹压缩模具。为了求得试材的最大顺纹压缩率和比较合适的顺纹压缩率用于多维弯曲，设定顺纹压缩速度为3 mm·min^-1，分别对榆木的幼龄材和成熟材进行顺纹压缩。

1.4 木材微观构造观察

压缩与未压缩试材，为了防止试材水分变化引起尺寸的改变，试材测试时的含水率加权平均值为8.15%，在试材的中间部位取切片，采用日本SEM公司生产的型号为JSM-5610LV扫描电子显微镜观察试材细胞壁的变化。

2 结果与讨论 2.1 木材顺纹压缩应力-应变变化

对榆木幼龄材和成熟材分别进行最大顺纹压缩试验，通过测定应力和应变值，分析榆木幼龄材和成熟材顺纹压缩应力-应变变化。

通过图 1和表 1可以看出，复配碱液处理后幼龄材的弹性模量、比例极限应力和最大应力均高于成熟材。通过应力、应变试验数据得到，随着试材取样的部位越靠近髓心，顺纹压缩总体所需要的应力就越大，同时应力偏差值也较大；在顺纹压缩弹塑性区域内，其幼龄材的应力和应变的标准差高于成熟材；在各个区域内，幼龄材相关系数低于成熟材。

图 1是榆木顺纹压缩应力-应变变化关系，在顺纹压缩初期，顺着应变的增加，应力近似呈线形的大幅度增加，此阶段表现出木材的弹性性能；当达到屈服点ε_P时，随着应变的增加，应力增加趋势变缓，此时可以看做是木材细胞壁开始出现褶皱的初期，在应力-应变关系曲线中呈现出一段平滑的曲线，而并非和未软化木材顺纹抗压强度测定时出现的直接屈服、压溃一样，说明软化后的榆木具有较好的弹塑性，在该区域为细胞壁从开始形成褶皱到褶皱进一步增大并比较均匀形成在整个细胞壁(图 2，3)。从图 2中可以看出，在导管的弦切面上，经压缩的榆木纹孔附近出现一定程度的褶皱，并在纹孔缘形成微小的裂隙。从导管径切面形态(图 3)可以看出，纹孔被压缩后变长，并在管壁上形成微小的层层褶皱。在木材顺纹压缩的初始阶段，木材细胞壁微纤丝之间产生滑移并引起细胞层发生微小的变形，但是这种变形并没有使细胞壁层之间出现永久变形或者可能产生非常小的永久变形，因此，此阶段的变形是分子内的变形和分子间间距的伸缩，当外力撤除后，变形将会恢复；当应力继续加大时，应变出现较大的增长，宏观上体现在木材细胞壁出现了褶皱，这种褶皱在应力撤除后，不能完全恢复，出现了永久变形，体现了木材的弹塑性变形。

2.2 软化处理前后试材化学组分分析

榆木复配碱液处理前后的化学组分分析(表 2)表明：幼龄材和成熟材的木质素、硝酸纤维素相对含量均呈现缓慢下降的趋势，幼龄材木质素的降解幅度大于成熟材(图 4)；复配碱液处理使碱抽提物呈现大幅度均匀下降趋势，直至几乎全部抽出(图 5)。幼龄材化学组分较成熟材具有较大的变化率，说明其化学组分的不稳定性是导致应力-应变关系中具有较大偏差和标准差的重要原因。此外，虽然幼龄材的细胞壁径腔比和厚度较小，纤维素含量小于成熟材，但是经复配碱液处理后，其综纤维素、木质素、硝酸纤维素和抽提物含量的变化率均高于成熟材，复配碱液处理对非结晶区甚至结晶区具有溶胀作用，并使其化学组分发生较大程度降解，这样就会使较少降解的纤维素分子链趋于有序，并重新形成结晶，所以幼龄材表现出较大的应力和弹性模量。

2.3 木材顺纹压缩应力-应变本构关系建立

试验数据采用回归分析法，利用统计方法建立因变量与自变量之间的回归关系函数表达式(回归方程式)。试验数据通过图形和数据分析软件包“S-PLUS”分析计算。

2.3.1 榆木成熟材复配碱液处理

在弹性区域内，即当δ≤δ_p，其本构关系为：

考虑到误差值得：

其中：误差值k=±65.42，相关系数γ=0.982 6。

在弹塑性区域内，当δ＞δ_p，其本构关系为：

考虑到误差值得：

其中：误差值k=±3.45，相关系数γ=0.987 6。

2.3.2 榆木幼龄材复配碱液处理

在弹性区域内，即当δ≤δ_p，其本构关系为：

考虑到误差值得：

其中：误差值k=±68.70，相关系数γ=0.982 1。

在弹塑性区域内，当δ＞δ_p，其本构关系为：

考虑到误差值得：

其中：误差值k=±3.86，相关系数γ=0.987 0。

复配碱液处理榆木试材经过顺纹压缩后，建立的本构关系分为弹性和弹塑性2个区域。在弹性区域内，建立的本构关系基本符合弹性虎克定律，计算结果能够准确地得到试验条件下应力-应变的对应关系，给出的误差值与弹性模量呈相互对应关系，由此得出的相关系数可信度水平高。在弹塑性区域内，建立的本构关系由2部分构成：一是常数项，即比例极限应力；二是与应变变量与应力变量的线性关系表达式，满足弹性虎克定律关系。

3 结论

1) 复配碱液处理后幼龄材的弹性模量、比例极限应力和最大应力均高于成熟材，应力和应变的标准差也较大；木材顺纹压缩分弹性阶段和弹塑性阶段，弹塑性阶段木材应力-应变关系曲线中呈现出一段平滑的曲线，细胞壁在此阶段形成褶皱。

2) 复配碱液处理后木材各化学组分的降解和抽出是导致幼龄材变异性、应力和弹性模量较大的重要原因。

3) 复配碱液处理榆木试材经过顺纹压缩后，建立的本构关系分为弹性和弹塑性2个区域。弹性区域基本符合弹性虎克定律；弹塑性区域本构关系是由2部分构成：一是常数项(比例极限应力)；二是应力-应变的线性关系表达式。