膠粘劑對指接層板靜曲性能的影響

李榮帆，張 尚，倪 竣，丁青鋒，邵明潔，柳蔣瓊

(1.蘇州昆侖綠建木結構科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215000；2.悉地勘察設計顧問有限公司，江蘇 蘇州 215000)

1 引言

木材作為建筑材料，具有可再生、自重輕、強度高等優點。近年來，一批性能優越的現代工程木，如結構用集成材(Structura glues-laminated timber，NLT)和正交膠合木(cross-laminated timber，CLT)等[1,2]。結構用集成材是指按木材等級區分的層板和指接層板，沿木材纖維方向相互平行、在厚度方向層積膠合而成，其加工工藝如圖1所示。結構用集成材通過指接和層積工藝使其尺寸不受原材料的影響，因此其指接工藝對結構用集成材的影響較大，前人對指接的研究主要集中在指接類型(垂直指接，水平指接)、指接齒長、指接斜面傾斜比等。指接示意圖如圖2所示。因為結構用集成材加工時尺寸不受限制，被廣泛應用于木結構建筑墻體、樓板、屋面板等[3,4]。

圖1 結構用集成材加工工藝流程

圖2 指接示意

近些年來，國內諸多學者對木指接工藝及指接性能方面也做了一系列研究。其中李海棟[5,6]等以指榫參數、指接壓力和不同規格尺寸作為參數，研究上述參數對指接層板的影響。結果表明：上述參數對指接層板的抗彎彈性模量影響較小，但是對指接層板的抗彎強度影響較大。周海賓[7]等研究了指接接頭對指接膠合木力學性能的影響。結果表明：當層間接頭分布距離為300 mm時，抗彎實驗中指接接頭處破壞的概率最低。奉佳等[8]對指接足尺膠合木梁進行了抗彎性能試驗并且以梁高最為參數。結果表明：不考慮膠層質量的影響，當梁高為300 mm和400 mm時，破壞模式為梁底纖維拉斷。當梁高為500 mm時，破壞模式則為彎剪段梁底指接處纖維破壞。且在保證膠層質量的前提下，指接膠合木梁的抗彎承載能力會隨著梁高的增大而減小。葉琦[9]等選取不同指長的銑刀、不同大小的嵌合度以及不同端壓作為參數，來分析指接工藝對指接層板性能的影響。結果表明選取指長15 mm、齒頂寬0.8 mm、齒底寬0.7 mm、齒根寬3.3 mm、嵌合度0.1 mm、端壓11～19 MPa作為指接工藝的參數較為合理。孫玉慧[10]等通過正交實驗分析了指榫類型、施膠量及端壓對OSB指接材抗彎強度和抗拉強度的影響。結果表明：指榫類型對OSB指接材的靜曲及抗拉強度影響顯著。當施膠量為290 g/m2、端壓為3 MPa時，OSB指接材的力學性能較為優異。謝力生等[11]探討了榫型、嵌合度、指接壓力對指榫膠接力學性能的影響規律。結果表明：指榫膠接所需的指接壓力會隨著嵌合度的增大而顯著增大、各榫型的指接強度隨著榫齒長度的增加而增加。并且推薦以榫齒角9.8°、榫齒長15～20 mm、齒槽底寬0.8～1.2 mm、指接壓力10～15 MPa及嵌合度0.12～0.2 mm作為指接工藝的參數。周志芳[12]等取截面尺寸、加載方式和指接形式作為參數。并研究上訴參數對落葉松大尺寸結構指接材抗彎性能的影響。結果表明：截面尺寸和指接形式對落葉松指接材抗彎性能的影響較大。同時，在保證強度的前提下，不建議使用大截面尺寸的結構指接材。左宏亮等[13]通過四點受彎試驗來分析了底部指接層板增強措施對膠合木梁受彎性能的影響。結果表明：在膠合木梁底部粘貼碳纖維布、從梁底垂直或傾斜45°旋入自攻螺釘均可改善膠合木梁的受彎性能，且其初始剛度與無指接膠合木梁剛度相近。郭螢潔[14]通過興安落葉松的指接幾何參數以及其本身的力學強度，建立指接部位破壞的強度預測模型。并且能夠較好地預測出興安落葉松成熟材指接順紋方向的抗拉強度。黃仲華[15]、劉星雨[16]等對我國的木材、竹材的指接工藝、技術研究和發展現狀做了一系列探討。并預測其發展前景，且指出往后新型膠粘劑開發等方面的發展趨勢。但目前為止，從耐久性和力學性能角度來全面評價膠黏劑種類對膠合界面性能影響的研究較為有限。對此，筆者對不同膠粘劑下指接層板的抗彎性能進行研究，為指接工藝中選擇最為合適的膠粘劑提供提供科學指導。

2 材料與方法

2.1 試驗材料及設備

歐洲云杉(Piceaabise)采自UPM集團，含水率為12.2%、氣干密度為0.38 g/cm3、全干干密度為0.36 g/cm3、抗彎彈性模量為9000 MPa、抗彎強度為45.23 MPa。膠粘劑采自漢高集團，其中聚醋酸乙烯膠粘劑(KL 3052SR)的固含量為48%～50%、粘度6500 cps(BF RVF 5#/10rpm/27 ℃)、比重1.1、pH值2.3～3.3，聚醋酸乙烯膠粘劑(KL 3052HVD)的固含量為48%～50%、粘度8000 cps(BF RVF 5#/10rpm/27 ℃)、比重1.1、pH值2.3～3.3，單組份聚氨酯(HB S309)固含量為48%～52%、粘度7000～9000 ps(BF RVF 5#/10 rpm/27 ℃)、比重1.18、pH值7～8。

層板指接機為威力(煙臺)木業技術有限公司的長料指接機 Ultra TT 3000、四面刨光機為威力(煙臺)木業技術有限公司木結構重型四面刨 U800系列、力學試驗機為邦威萬能力學試驗機。

2.2 試驗方法

指接層板的指接類型為垂直型、指接齒長為19 mm、指接斜面傾斜比1/7.2、施膠量為160 g/m2、壓力為10 MPa。指接層板的受彎性能試驗參照GB/T 26899-2011《結構用集成材》和GB/T 50329-2021《木結構試驗方法標準》[17,18]測試指接層板的抗彎強度，層板截面為33(h)×140 mm(b)×1200(L)，試驗中試件的凈跨取試件厚度的25倍(25 h)，加載點間跨距為264 mm(8 h)。通過量程為300 kN的萬能試驗機加載荷載，速率恒定為5 mm/min。同時在指接層板的跨中位置布置位移計，來測量指接層板的豎向撓度。具體試驗裝置見圖3。

圖3 加載裝置

3 結果與分析

3.1 荷載-撓度

圖4為不同膠粘劑作用下指接層板的荷載-撓度曲線。由圖4可見，加載初期，指接層板處于彈性狀態，跨中撓度與荷載呈線性增長關系。由于木材和膠粘劑本身的破壞模式均為脆性破壞，因此在指接層板到達峰值荷載，層板指接處斷裂，承載力發生驟降。由于木材的含水率、初始缺陷都會對層板的力學性能造成一定的影響，因此同組的3根試件所得出的荷載-撓度曲線會存在一定的差異。其中圖4(c)中一條曲線中途出現下降段的原因是由于該指接層板底部靠近跨中位置存在木節等初始缺陷，從而導致木節處先破壞，造成承載力有一定的驟降。

圖4 荷載-跨中撓度曲線

3.2 指接層板與層板的性能差異

為了更直觀地看出指接層板的抗彎性能，在此添加云杉層板作為對照組。圖5為云杉層板的荷載-撓度曲線圖，圖6為指接層板與云杉層板之間的荷載-撓度曲線對比圖。從圖中不難發現，層板的極限承載力及初始剛度遠高于指接層板。指接對木層板的初始剛度，抗彎強度影響較大，因此挑選合適的膠粘劑是彌補這一缺陷的重要手段。

圖5 云杉層板荷載-撓度曲線

圖6 指接層板與層板荷載-撓度曲線對比

3.3 抗彎剛度及靜曲強度

借鑒歐洲規范[19]、美國規范[20]以及國內規范GB/T 26899-2011[17]中針對四點受彎試驗計算試件彈性模量及抗彎強度所對應的公式，來對不同膠粘劑作用下指接層板的抗彎性能進行計算。具體公式如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：EI代表試件的抗彎剛度，l代表指接層板的凈跨，s為加載點之間的距離，ΔP為彈性階段上下限荷載的差值，Δy對應了彈性階段相應荷載的撓度，σb為指接層板的抗彎強度，Pb為試件的極限荷載。

從圖7中不難發現使用使用HB S309作為膠粘劑的指接層板的抗彎剛度及抗彎強度方面明顯優于使用KL 3052SR和KL 3052HV的指接層板。

圖7 指接層板抗彎剛度及抗彎強度對比

4 結論

(1)HB S309膠粘劑在指接層板抗彎強度及抗彎剛度方面要優于KL 3052SR和KL 3052HV。因此對于指接層板的制作，建議采用聚氨酯類膠粘劑。

(2)影響指接層板性能的因素有很多，膠粘劑的因素只是其中一種。后續可對指接工藝的參數對指接層板性能的影響進行一系列參數化分析。比如：指榫長度、指榫間距、指榫角度及指接壓力等。

表1 各指接層板的極限承載力、跨中撓度、靜曲強度及初始抗彎剛度

(3)由于我國各個地區氣候不同，因此對膠粘劑的選擇也不同，需要進一步通過各種試驗的驗證，以及對膠粘劑的不斷改進和創新，來挑選出適合不同地區的膠粘劑。