人工林杉木層板分級及性能研究

喬鷺婷，謝力生*，唐子燊，徐竹華

(中南林業科技大學材料科學與工程學院，長沙410004)

人工林杉木層板分級及性能研究

喬鷺婷，謝力生*，唐子燊，徐竹華

(中南林業科技大學材料科學與工程學院，長沙410004)

對人工林杉木層板按照GB/T 50708—2012進行目測分級和機械彈性模量分級，探討兩種分級方法的適用性和科學合理性。通過測定各層板的年輪寬度、絕干密度、彈性模量和靜曲強度并進行處理與分析發現：對于目測分級，各等級層板的彈性模量值其離散度非常大且沒有規律性，其特征值(平均值和5%分位值)也達不到標準規定的要求，靜曲強度值的離散度也很大但其特征值隨層板等級的提高而增大，等外層板的彈性模量和靜曲強度值反而比等內層板的要大；層板密度與其靜曲強度基本上沒有相關性，而層板的年輪寬度與其靜曲強度有一定的負相關性；層板的彈性模量與其靜曲強度有較好的正相關性，采用機械彈性模量分級，靜曲強度的特征值隨層板等級的提高而成比例地提高。研究表明，目前的目測分級方法不適合于人工林杉木層板的分級，目測分級層板因彈性模量達不到要求不能用于膠合木制造，而采用機械彈性模量分級法則可以制造出強度性能可靠的膠合木。

杉木；層板；分級；年輪；彈性模量；靜曲強度

近年來我國木結構建筑的研究和制造正在悄然興起[1]。現代木結構大量使用膠合木等強度性能可靠并可以設計的工程木質材料，我國也開展了不少有關膠合木的研究工作[2-3]，并發布了國家標準《膠合木結構技術規范》(GB/T 50708—2012)。為保證膠合木的強度性能可靠，用于制造膠合木的層板必須進行分級，制作膠合木結構構件時必須根據其主要用途所要求的層板等級配置進行組坯[4-5]。層板分級主要有目測分級和機械彈性模量分級，目測分級因無需設備、簡單易行而受到工廠的歡迎，機械彈性模量分級則更加準確、可靠[6-8]。標準中給出了主要膠合木適用樹種及其分級層板的強度和彈性模量性能指標，其適用樹種大多為歐美地區的松、杉類針葉材樹種，列入表中的國產樹種僅有東北落葉松以及其他符合強度等級的樹種。杉木生長快，紋理通直，結構均勻，不易變形，材質輕韌，強度適中，抗蟲耐腐，自古就是我國良好的建筑材料[9]。我國杉木林栽培面積為主要用材林之最，達8.5×106hm2，蓄積量達6.2×108m3[10]。若能用人工林杉木制造膠合木，則可大量替代進口優質結構用木材，不但能緩解我國結構用材嚴重供不應求的矛盾，更能高效利用我國南方豐富的人工林杉木，促進林業的持續發展。有關學者對用人工林杉木制造非結構用集成材進行過一些研究[11-12]，但有關用人工林杉木制造結構用集成材(膠合木)的研究[13]還少有報道。為此，筆者以足尺人工林杉木層板為對象，研究分級層板的強度性能特征值及其特點，探討是否適合目前的層板分級方法，能否用于膠合木的制造。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

杉木(Cunninghamialanceolata)板材：產自湖南邵陽，樹齡約25 a，直徑約160 mm，氣干鋸材，含水率約16%，密度約0.34 g/cm3，寬×厚×長為135 mm×30 mm×2 100 mm(含少量徑切板和弦切板，大部分為斜切板)，共286塊。

1.2 儀器設備

10 t萬能力學試驗機：型號E43.104，由MTS公司生產。木工精密圓鋸機：型號為MJ-90，新宇木工機械廠生產。電熱恒溫干燥箱：型號為SKFG-01，湖北黃石醫療機械廠生產。木工平刨床、木工單面壓刨床和電子天平等。

1.3 試驗方法

用木工精密圓鋸機將杉木鋸材的端部鋸平齊，以便觀測年輪和髓心，然后用木工平刨床和單面壓刨床分別刨平其上、下兩平面，以便觀測板面上的各種缺陷。

觀察杉木板端面年輪，計算年輪個數，用直尺沿年輪徑向(木射線方向)測量數個年輪之間的距離，記錄并計算各層板的平均年輪寬度。徑向距離/年輪數即為層板的平均年輪寬度。若不同部位的年輪寬度存在明顯差異，則多處測量后取其平均值。

按照國家標準GB/T 50708—2012《膠合木結構技術規范》中的“目測分級層板材質等級標準”，根據板面上可見缺陷的類型、大小和分布等情況，對已兩面刨光的杉木板材進行目測分級，由3人共同判定等級。

對通過目測分級得到的各等級杉木層板，全部根據國家標準GB/T 26899—2011《結構用集成材》中的“抗彎試驗方法B”測定其彈性模量和靜曲強度，兩支點跨距為1 600 mm。

將測定完靜曲強度的各層板鋸掉中間破壞部分，按照GB/T 1931—2009《木材含水率測定方法》的要求，從各層板的兩端及中間部分分別鋸取含水率測試試件各2個，共6個，采用絕干法測試試件含水率，分別計算各層板的平均含水率；同時，測定絕干狀態下各試件的尺寸，計算各試件的絕干密度和各層板的平均密度值。

根據標準《結構用集成材》中給定的公式E12=E[1+0.015(W-12)]和σb12=σb[1+0.04(W-12)]，將測定的彈性模量和靜曲強度值折算成含水率為12%時的標準彈性模量和標準靜曲強度。

統計、處理所獲得的數據，分析各等級材質杉木層板所對應的彈性模量和靜曲強度值及離散情況，探討人工林杉木層板目測分級是否科學、合理。分析包含木材缺陷的足尺人工林杉木層板其平均年輪寬度、絕干密度和彈性模量與靜曲強度的相關性。根據標準《膠合木結構技術規范》中的“機械彈性模量分級層板彈性模量的性能指標”對所有層板進行分級，考察各等級層板的靜曲強度的離散程度，探討人工林杉木層板機械彈性模量分級的科學、合理性。

2 結果與分析

2.1 層板目測分級

對286塊人工林杉木層板進行目測分級，各等級層板的數量及特征值如表1所示。目測分級層板中的主要缺陷為木節及由木節所引起的局部木紋渦旋，等外材質層板的主要缺陷為髓心和缺棱。各等級層板的彈性模量和靜曲強度值的分布情況如圖1和圖2所示。

表1 目測分級層板的數量及特征值

GB/T 50708—2012和GB/T 26899—2011中都規定，目測分級層板強度和彈性模量的性能指標用平均值和5%分位值表示。5%分位值是指對有一定離散度的許多試件的實測值按照由低往上的順序排列時第5%的值(即95%保證率，0.05分位值)。由圖1可見，一等至四等層板的彈性模量的平均值和5%分位值的變化沒有規律性，二等層板的值最高；等外層板的彈性模量的平均值反而比等內的更高，其5%分位值也比一等、三等和四等層板的更高；各等級層板彈性模量值的離散度雖然與沒分等相比有所減小，但仍然很大。這說明對于人工林杉木層板，根據層板缺陷進行目測分級不能有效地反映其材質的彈性模量，分級沒有意義。這是由層板上所存在的各種缺陷的復雜性及其對彈性模量影響的復雜性所決定的。人工林杉木層板其材質比較軟，木節小而多，木節及其周邊組織比正常部位的木材硬，能夠增加層板的整體剛度，因此含木節較多的低等級層板其整體彈性模量并不一定下降。

圖1 各等級杉木層板的彈性模量Fig. 1 The MOE of Chinese fir lamina in various grade level

圖2 各等級杉木層板的靜曲強度Fig. 2 The MOR of Chinese fir lamina in various grade level

由圖2可以看出，靜曲強度的平均值及5%分位值都隨目測分級層板等級從一級至四級而下降，即目測等級高的層板其靜曲強度的平均值和5%分位值大，而目測等級低的層板其靜曲強度的平均值和5%分位值小。這說明根據層板缺陷進行目測分級能夠基本反映其材質的靜曲強度，具有一定的科學、合理性，但各等級層板靜曲強度值的離散度很大，說明目測分級不準確、可靠。另外，值得注意的是等外層板的靜曲強度其平均值比等內層板的都要高，其5%分位值也比三等和四等層板的高。木節對木材的抗拉強度有十分顯著的影響，層板彎曲時其下表層承受拉力，因此含木節較多的低等級層板其靜曲強度較低，而含髓心的等外層板由于很少有木節其靜曲強度相對較高。

對于人工林杉木，一般樹齡不長，木材直徑不大，1根圓木只能鋸取厚度25～35 mm的板材3塊左右，含髓心板材約占1/3。根據GB/T 50708—2012中的“目測分級層板材質等級標準”，含髓心層板即被判定為等外材，不能用于膠合木制造，這對于人工林杉木的有效利用十分不利。而實際上由圖1及圖2可知，被判定為等外材的含髓心層板的彈性模量和靜曲強度并不比等內層板差，甚至更好。這說明目前的目測分級方法不合適于人工林杉木層板的分級。

表2 目測分級層板強度和彈性模量的性能指標

表2為GB/T 50708—2012中要求的SZ4樹種目測分級層板強度和彈性模量的性能指標。SZ4為該標準中的最低級別樹種。比較表1和表2可知，對于人工林杉木層板，采用目測分級，二等和三等層板的彈性模量平均值滿足SZ4樹種的標準要求，但一等至三等層板的彈性模量其5%分位值均低于標準的要求；一等至三等層板的靜曲強度值，無論是平均值還是5%分位值均高于標準的要求。因此，總體來說，人工林杉木目測分級層板因彈性模量達不到要求而不能用于膠合木制造，同時也可以看出，人工林杉木其強度并不低，但剛度(彈性模量)較低。

2.2 層板密度和年輪寬度與靜曲強度的關系

層板密度與其靜曲強度的關系如圖3所示。由圖3可知，人工林杉木層板其密度與靜曲強度的相關性很小，與小尺寸清材試件的密度與靜曲強度之間有很好的相關性[14]截然不同，這是由于大尺寸足尺材包含各種缺陷的緣故。由此說明，對于人工林杉木層板，不能根據層板的密度來推測其靜曲強度或進行分等。

圖3 層板密度與靜曲強度的關系Fig. 3 The relation between the annual ring width of lamina and MOR

層板的平均年輪寬度與其靜曲強度的關系如圖4所示。層板的靜曲強度有隨其年輪寬度的增大而減小的趨勢，但其離散性很大，相關性并不強。因此，對于人工林杉木層板，也不宜根據層板的平均年輪寬度來推測其靜曲強度，但在進行目測分等時可以作為一個重要的參考因子。

圖4 層板年輪密度與靜曲強度的關系Fig. 4 Relation between density of annual rings and MOR

2.3 層板機械彈性模量分級

各層板的彈性模量值與其靜曲強度值的關系如圖5所示。人工林杉木層板的靜曲強度與彈性模量有較好的正相關性，因此可以根據層板的機械彈性模量值來進行強度分級。根據GB/T 50708—2012中的“機械彈性模量分級層板彈性模量的性能指標”進行分級，可以分為ME7至ME16(ME后面的數字代表彈性模量值，單位為GPa)的8個等級共計259塊(其余27塊達不到ME7的要求)，各等級的層板數量如表3所示。

圖5 層板彈性模量與靜曲強度的關系Fig. 5 Relation between of lamina’s MOE and MOR

等級ME7ME8ME9ME10ME11ME12ME14ME16數量374250382338238

統計分析各等級層板所對應的靜曲強度值及其分布，結果如圖6所示。由圖6可以看出，靜曲強度的平均值及5%分位值都隨機械彈性模量分級層板等級的提高而明顯增大，這說明根據層板的彈性模量進行分級能夠較好地反映其材質性能，具有較好的科學、合理性。同時也可以看出，各等級機械彈性模量分級層板的靜曲強度值分布范圍仍然較大，即離散度仍然較大。這主要是由于層板上所存在的各種缺陷及其位置對彈性模量和靜曲強度的影響程度不同所引起的[9]。

圖6 機械彈模量分級層板的靜曲強度Fig. 6 The MOR of mechanical graded lamina

GB/T 50708—2012中規定的機械分級層板抗彎強度性能指標和由實測得到的各機械分級層板靜曲強度的特征值如表4所示。比較表4中的性能指標和實測值可知，人工林杉木層板按照機械彈性模量分級，各等級層板的彎曲強度的平均值和5%分位值均高于國家標準中所要求的性能指標。由此說明，人工林杉木層板采用機械彈性模量分級，可以制造出強度性能可靠的膠合木。

表4 機械分級層板抗彎強度性能指標及實測值

3 結 論

對286塊人工林杉木層板進行目測分級，測定其平均年輪寬度、層板密度、彈性模量和靜曲強度并進行機械彈性模量分級，通過分析可以得出如下結論：

1)目前的目測分級方法不合適于人工林杉木層板的分級。

2)人工林杉木目測分級層板因彈性模量達不到要求而不能用于膠合木制造。

3)人工林杉木層板的密度與其靜曲強度基本上不相關，而其年輪寬度與靜曲強度有一定的負相關性。

4)人工林杉木層板采用機械彈性模量分級，可以制造出強度性能可靠的膠合木。

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Study on the grading and property of plantation Chinese fir lamina

QIAO Luting, XIE Lisheng*, TANG Zishen, XU Zhuhua

(CollegeofMaterialScienceandEngineering,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China)

According to the GB/T 50708-2012, visual grading and mechanical grading were used respectively to grade the plantation Chinese fir (Cunninghamialanceolata). The applicability and scientific rationality of the two approaches were explored. By measuring and analyzing the annual ring width, absolute dry density, modulus of elasticity (MOE), and modulus of rupture (MOR) of each lamina, the results showed that as for the visual graded lamina, the discreteness of MOE value was very high with no regularity, and its characteristic value (at the average or 5% quantile) could not achieve the required standard value either; the discreteness of MOR was also very high and its eigenvalue increased with the development of the lamina’s grade level; the MOE and MOR of substandard lamina were higher than the original ones; there was no correlation between the density of lamina and MOR, while there was a little minus correlation between annual rings width and MOR, and there was rather better positively correlation between MOE and MOR. By contrast, under machanical grading, the eigenvalue of MOR increased proportionally with the development of lamina grade. The research results indicated that the way of visual grading has not been applicable to the grading of plantation Chinese fir by now since the MOR of visual graded lamina could not meet the processing requirement of glulam, while the machanical grading could be applied to manufacture the glulam with reliable structural strength.

Chinese fir； lamina； grading； annual ring； modulus of elasticity (MOE)； modulus of rupture (MOR)

2016-05-27

2016-06-29

湖南省高校創新平臺開放基金項目(14K113)；國際科技合作專項(2014DFA53120)。

喬鷺婷，女，研究方向為木質結構材料。通信作者：謝力生，男，教授。E-mail：xlisheng@126.com

TU531.2；TS653.3

A

2096-1359(2017)01-0041-05