楊木單板層積材力學(xué)性能足尺檢測試驗(yàn)分析

劉一楠，鄭海威，劉巍巖，孫玉慧，顧　顏，林利民

(黑龍江省木材科學(xué)研究所，哈爾濱 150081)

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楊木單板層積材力學(xué)性能足尺檢測試驗(yàn)分析

劉一楠，鄭海威，劉巍巖，孫玉慧，顧顏，林利民*

(黑龍江省木材科學(xué)研究所，哈爾濱 150081)

首次通過足尺檢測的方式對(duì)不同規(guī)格楊木單板層積材性能進(jìn)行檢測。分析試驗(yàn)方法和試件規(guī)格尺寸等因素對(duì)楊木單板層積材靜曲強(qiáng)度、彈性模量、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能影響。測試結(jié)果顯示：楊木單板層積材試件的幅面寬度對(duì)于材料的性能影響較大，幅面越寬試件中出現(xiàn)的缺陷越多，性能越低。

單板層積材；力學(xué)性能；足尺檢測

0　引　言

輕型木結(jié)構(gòu)建筑具有節(jié)能環(huán)保、設(shè)計(jì)靈活、易于施工和結(jié)構(gòu)堅(jiān)固穩(wěn)定等特點(diǎn)，相對(duì)鋼鐵等建筑中常用的材料更加輕質(zhì)且節(jié)能[1-2]。木結(jié)構(gòu)建筑在歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)十分普及，且對(duì)于木結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材的標(biāo)準(zhǔn)體系也已經(jīng)十分完善[3-4]，近年來輕型木結(jié)構(gòu)建筑在我國的發(fā)展也非常迅速，對(duì)于木結(jié)構(gòu)材料的研究也更加全面[5-6]。單板層積材作為輕型木結(jié)構(gòu)建筑常用的材料之一，不但能保持木材原有的天然特性，還具有強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[7]。國際上對(duì)結(jié)構(gòu)用單板層積材的研究主要針對(duì)材料本身的性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[8-9]。然而建筑結(jié)構(gòu)用材的特殊性，使得材料的足尺檢測研究能夠更加真實(shí)的反應(yīng)材料在使用中的極限狀態(tài)。ESA Wahab主要針對(duì)當(dāng)?shù)爻Ｓ玫哪静摹鹉z木制成的單板層積材進(jìn)行了足尺性能研究[10]。楊木作為東北地區(qū)的主要闊葉速生材，產(chǎn)品具有質(zhì)量輕、材質(zhì)均勻、節(jié)子少等優(yōu)點(diǎn)，其材質(zhì)特性與北美輕型木結(jié)構(gòu)單板層積材常用的SPF(spruce-pine-fir)十分相似。目前，國內(nèi)對(duì)于楊木單板層積材的足尺力學(xué)性能研究尚屬空白。因此，筆者參照北美木結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)不同規(guī)格尺寸的結(jié)構(gòu)用楊木單板層積材進(jìn)行足尺檢測，分析不同尺寸對(duì)其性能的影響，以填補(bǔ)相關(guān)研究的空白，為國內(nèi)研究部門和生產(chǎn)企業(yè)提供參考。

1　試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

楊木(Populusspp.)單板層積材，在山東臨沂某企業(yè)訂制生產(chǎn)。由23層厚度為2 mm的單板組坯，壓縮率15%，采用搭接方式接長，采用酚醛樹脂膠粘劑，其技術(shù)指標(biāo)為：固體含量48.5%，pH值11.38，游離酚含量0.38%，游離甲醛含量0.32%，可被溴化物12.32%。制成板材規(guī)格為：3 500 mm×1 200 mm×40 mm(長×寬×厚)。依照GB/T 20241-2006《單板層積材》檢測，其主要性能指標(biāo)為：密度0.61 g/cm3，含水率13.2%，浸漬剝離率為0[11]。材料力學(xué)性能測試參照ASTM D4761-02“Test Methods for Mechanical Properties of Lumber and Wood-Base Structural Material(木基結(jié)構(gòu)材力學(xué)性能測試方法)”中的要求將試件經(jīng)縱向刨分鋸解成厚度為40 mm，寬度分別為50、60、80、100 mm的木方。再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D4761-02中不同測試的要求將木方截成適合的長度[12]。

1.2試驗(yàn)方法

主要參考北美標(biāo)準(zhǔn)ASTM D4761-02“Test Methods for Mechanical Properties of Lumber and Wood-Base Structural Material(木基結(jié)構(gòu)材力學(xué)性能測試方法)”確定測試方法；主要參照ASTM D 5456-09“Standard Speci cation for Evaluation of Structural Composite Lumber Products(結(jié)構(gòu)用復(fù)合木材產(chǎn)品的評(píng)估規(guī)范)”和ASTM D 2915-03“Practice for Evaluating Allowable Properties for Grades of Structural Lumber(各等級(jí)木質(zhì)結(jié)構(gòu))”等[12-14]，進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定及材料性能特征值的計(jì)算。

測試試驗(yàn)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　楊木單板層積材測試試驗(yàn)主要技術(shù)參數(shù)

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

表2列出各規(guī)格楊木單板層積材力學(xué)性能的平均值和特征值。

表2　楊木單板層積材力學(xué)性能檢測結(jié)果

2.1抗彎性能

圖1為楊木單板層積材靜曲強(qiáng)度和彈性模量測試試驗(yàn)結(jié)果。從圖1中可以看出，垂直膠層加載測試方法所得到的靜曲強(qiáng)度和彈性模量均存在一定差異，分別為7.4%和4.3%。在試件高度和跨距不變的情況下，試件的寬度越寬，其靜曲強(qiáng)度和彈性模量就越小，通過標(biāo)準(zhǔn)方法所得到的特征值也具有相同的規(guī)律。產(chǎn)生此種差異的原因是由于制作試件的單板在鋪裝方向是一致的，試件的寬度越大，單位長度上單板出現(xiàn)的缺陷就越多，因此試件的靜曲強(qiáng)度和彈性模量也越低。

(a)靜曲強(qiáng)度(垂直膠層加載)

(b)彈性模量(垂直膠層加載)

(c)靜曲強(qiáng)度(平行膠層加載)

(d)彈性模量(平行膠層加載)

在平行膠層加載測試中試件的寬度不變，實(shí)驗(yàn)跨距隨著試件高度的增加而增加。側(cè)彎實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果表明，試件的靜曲強(qiáng)度及其特征值的整體變化趨勢(shì)會(huì)隨著試件高度的增加而降低，最大值與最小值相差16.5%。造成此種差異的原因除了上面提到的缺陷增多的問題之外，不同的試件高度所產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)也是造成此種變化趨勢(shì)的原因[7]。側(cè)彎彈性模量的變化規(guī)律并不顯著，這種無規(guī)律不明顯的差異應(yīng)為材質(zhì)缺陷和試驗(yàn)誤差引起。

2.2橫紋抗壓強(qiáng)度

圖2給出了楊木單板層積材橫紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，試件截面規(guī)格為50 mm×40 mm。

從測試試驗(yàn)結(jié)果可知，楊木單板層積材同一樣本不同加載方向的橫紋抗壓強(qiáng)度值差異較明顯，使用垂直膠層方向加載所得到的抗壓強(qiáng)度值要顯著高于平行膠層方向加載所得強(qiáng)度值約10%；這主要是由于單板層積材在生產(chǎn)加工過程中需要在垂直膠層的方向?qū)Π宀氖┘虞^大壓力，使膠黏劑滲入板坯之中，增強(qiáng)板坯與膠層之間的結(jié)合強(qiáng)度。在升溫加壓過程中，垂直膠層方向的壓力會(huì)壓縮單板，使單板纖維在垂直膠層方向上的空隙減小密度和強(qiáng)度增加。因此試件在垂直膠層方向的橫紋抗壓強(qiáng)度要高于平行膠層方向的抗壓強(qiáng)度。

圖2　楊木單板層積材橫紋抗壓強(qiáng)度測試試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Compressive strength of poplar laminated veneer lumber under load perpendicular the grain

2.3順紋平行抗剪

圖3為楊木單板層積材順紋抗剪強(qiáng)度(平行膠層加載)測試試驗(yàn)結(jié)果，圖中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)截面厚度一致，樣品截面寬度為60 mm的樣品的順紋平行抗剪強(qiáng)度的平均值和特征值均要顯著低于截面寬度為50 mm的樣品。產(chǎn)生此種差異的原因依然是較寬幅面的試件在單位面積上含有的缺陷較多致使其抗剪強(qiáng)度較低。

圖3　楊木單板層積材順紋抗剪強(qiáng)度測試試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Shearing strength of poplar laminated veneer lumber under load along the grain

2.4順紋抗拉

圖4給出了楊木單板層積材順紋抗拉強(qiáng)度測試試驗(yàn)結(jié)果。

圖4　楊木單板層積材順紋抗拉強(qiáng)度測試試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Extension strength of poplar laminated veneer lumber under load along the grain

從測試試驗(yàn)結(jié)果可知，不同橫截面尺寸(LVL50和LVL60)楊木單板層積材的順紋抗拉強(qiáng)度值差異不大，特征值也比較接近，產(chǎn)生細(xì)微差異的原因依然是較寬幅面的試件的缺陷較多，致使其抗拉強(qiáng)度較低，同時(shí)尺寸效應(yīng)也對(duì)材料的強(qiáng)度有一定的影響[15-16]。

3　結(jié)　論

(1)對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的全尺寸試件，結(jié)構(gòu)用楊木單板層積材的截面尺寸，對(duì)材料的各項(xiàng)力學(xué)性能影響較大。

(2)由于單板層積材制作工藝的特殊性使得其試件在不同方向上的強(qiáng)度差異較大，較大幅面單板的缺陷情況更多，會(huì)在一定程度上影響材料本身的性能。

建議企業(yè)在生產(chǎn)加工過程中，在保證使用功能和承載強(qiáng)度的前提下，可以適當(dāng)減小單板層積材試件幅面的寬度。如果需要較大幅面的試件，原料的篩選要更加嚴(yán)格，以保證木材的缺陷不要過于集中。

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Mechanical Capacity Test and Analysis of Full ScalePoplar Structural Laminated Veneer Lumber

Liu Yinan，Zheng Haiwei，Liu Weiyan，Sun Yuhui，Gu Yan，Lin Limin*

(Heilongjiang Institute of Wood Science，Harbin 150081)

In this paper，the performances of poplar structural laminated veneer lumber(LVL)with different dimensions were tested by using full scale testing.The impacts of different factors such as testing methods，sample dimension，and others on the mechanical performance of LVL including MOR，modulus elasticity of compressive intensity，and tensile strength were analyzed.The results indicated that the width of the samples had the largest impact on the mechanical capacities of poplar structural laminated veneer lumber.The more flaws observed in the wide samples the lower the performance.

structural laminated veneer lumber；mechanical performance；full scale testing

2016-01-13

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201304514)

劉一楠，碩士，助理研究員。研究方向：人造板及復(fù)合材料。

林利民，研究員。研究方向：人造板及結(jié)構(gòu)材。E-mail：linlimin0451@126.com

劉一楠，鄭海威，劉巍巖，等.楊木單板層積材力學(xué)性能足尺檢測試驗(yàn)分析[J].森林工程，2016，32(5)：31-34.

TS 653

A

1001-005X(2016)05-0031-04