膠合木設(shè)計(jì)制作與質(zhì)量控制

周先雁，曹 磊，周佳樂(lè)，曾 丹

（中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

膠合木設(shè)計(jì)制作與質(zhì)量控制

周先雁，曹 磊，周佳樂(lè)，曾 丹

（中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

膠合木是一種強(qiáng)質(zhì)比高、美觀、可降解的工程復(fù)合材，且被廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑等工程領(lǐng)域。而落葉松在我國(guó)分布面廣，蓄產(chǎn)量豐富且強(qiáng)度高，適合于木材的工業(yè)化加工利用。針對(duì)國(guó)內(nèi)落葉松結(jié)構(gòu)用膠合木制造及利用現(xiàn)狀，結(jié)合工廠的制造試驗(yàn)情況，本研究從層板的選擇、指接工藝、膠合工藝、組坯工藝、質(zhì)量檢驗(yàn)等方面介紹了膠合木生產(chǎn)工藝及其質(zhì)量控制，簡(jiǎn)述了整個(gè)制造流程中的工藝參數(shù)和要求，為膠合木的工業(yè)化生產(chǎn)提供了依據(jù)。最后提出了膠合木制造在我國(guó)推廣存在的問(wèn)題及建議。

膠合木；組坯工藝；指接工藝；質(zhì)量控制

木材是一種可再生的、可循環(huán)利用的、容易生物降解的自然資源，能夠加工成各種各樣的形狀。因其存在節(jié)子、孔洞、樹(shù)脂道、斜紋等自身缺陷，因而沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。膠合木是以木材為原材料，經(jīng)指接、膠合、層壓等技術(shù)處理而形成的一種工程復(fù)合木，承載力高，且不受尺寸的限制。自從20世紀(jì)以來(lái)，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)因其美觀、施工周期短、高強(qiáng)質(zhì)比、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)而在北美、歐洲、新西蘭等國(guó)家的建筑、橋梁、樁基等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于我國(guó)對(duì)木材的不合理利用和砍伐，導(dǎo)致森林資源嚴(yán)重匱乏，我國(guó)的木結(jié)構(gòu)研究也因此停滯了20多年，從而加劇了我國(guó)木材市場(chǎng)的供需矛盾。隨著我國(guó)天然林的保護(hù)實(shí)施，大徑級(jí)原木減少，發(fā)展膠合木技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“劣材優(yōu)用，小材大用”顯得尤為重要[1]。目前，國(guó)內(nèi)膠合木技術(shù)的應(yīng)用僅局限于家具、輕型木結(jié)構(gòu)房屋、扶欄等，用于橋梁、大跨空間結(jié)構(gòu)的承重型膠合木則是鳳毛麟角。此外，國(guó)內(nèi)對(duì)于膠合木的制造缺乏一套完整的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一些企業(yè)生產(chǎn)工藝不正確，加工質(zhì)量較差，強(qiáng)度較低，加工設(shè)備落后等原因，無(wú)法滿(mǎn)足橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)用，降低了產(chǎn)品的附加值和綜合利用率。因此優(yōu)化膠合工藝、強(qiáng)化質(zhì)量控制是目前木結(jié)構(gòu)制造中最迫切的問(wèn)題。

1 制造工藝流程介紹

制材→干燥→板刨削加工→板材分等→剔除木材缺陷→板材長(zhǎng)度、寬度方向膠合→膠合面刨削→配板→涂膠→加壓膠合→膠合木整形加工→檢驗(yàn)→成品。

2 層板的選擇及處理

落葉松分布廣泛，資源豐富，且樹(shù)干干型通直，具有密度高、強(qiáng)度高、天然耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，故選擇落葉松作為高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的研究樹(shù)種，具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值[2]。

2.1 原木鋸解

根據(jù)膠合木制造生產(chǎn)規(guī)格要求，并考慮刨削等損耗，因此原木鋸解后的鋸材尺寸規(guī)格一般比膠合后的層板尺寸稍大。膠合木的強(qiáng)度與層板的厚度有關(guān)，承重型膠合木層板厚度一般要求在20 mm～50 mm，因同一層層板之間距離大于1.8 m，故鋸材的最小長(zhǎng)度應(yīng)大于1.8 m，此外，鋸材也不宜過(guò)長(zhǎng)，鋸材過(guò)長(zhǎng)，缺陷過(guò)多，強(qiáng)度降低，同時(shí)也容易發(fā)生彎曲變形，不利于加工制作[3]。本實(shí)驗(yàn)采用的鋸材尺寸為30 mm×100 mm×2 000 mm。

2.2 干燥

大氣溫度和相對(duì)濕度的變化引起了木材含水率的變化，由于木材具有膨脹、收縮的性質(zhì)，因而不同的含水率會(huì)引起層板內(nèi)部應(yīng)力的變化，從而影響膠合木的強(qiáng)度，故需要根據(jù)使用環(huán)境進(jìn)行干燥處理，使含水率調(diào)控在一定的范圍內(nèi)。根據(jù)日本研究測(cè)定，層板含水率保持8%～12%具有較好的膠合性能。經(jīng)過(guò)干燥處理的鋸材，需要放在干料棚內(nèi)儲(chǔ)存15 d左右，一方面進(jìn)一步平衡鋸材內(nèi)部的含水率，另一方釋放鋸材的內(nèi)部應(yīng)力[4]。此外，膠合相鄰層板之間的含水率之差不大于5%。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，本批試驗(yàn)鋸材的含水率為9.69%，符合干燥處理的要求[5]。

2.3 層板分等及缺陷剔除

經(jīng)過(guò)刨光后，沿層板寬度方向上層板厚度的偏差不超過(guò)±0.2 mm，沿層板長(zhǎng)度方向上，層板厚度的偏差不超過(guò)±0.3 mm，所有層板的厚度不宜大于45 mm[6-8]。落葉松節(jié)子數(shù)量多、節(jié)徑大、且含有較多的斜紋、夾皮、樹(shù)脂等缺陷，由于實(shí)驗(yàn)條件所限，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行機(jī)械分等。根據(jù)集中節(jié)徑比、寬面材邊節(jié)徑比、斜紋傾斜比、彎曲變形等情況對(duì)鋸材進(jìn)行強(qiáng)度分等，將興安落葉松分為Ⅰd、Ⅱd、Ⅲd 3個(gè)等級(jí)，其Ⅰd等級(jí)相對(duì)應(yīng)的彈性模量、抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的平均值分別為14 000 MPa、54 MPa、32 MPa。根據(jù)層板強(qiáng)度等級(jí)的需要剔除相應(yīng)的缺陷，并做好相應(yīng)的標(biāo)記，目測(cè)強(qiáng)度等級(jí)高的層板置于受拉方向的最外側(cè)。此外，心材相對(duì)于邊材，比重大、顏色深、含水率低，目測(cè)分等時(shí)需要加以區(qū)分[9]。選取基材要盡量是徑向切板或是紋理比較均勻的弦向切板。

3 指接工藝

3.1 膠種的選擇

作為木結(jié)構(gòu)橋梁工程構(gòu)件，長(zhǎng)期暴露在高溫、高輻射、濕度變化大、腐蝕性大的環(huán)境中，而且承受的使用荷載較大，因此膠合木制造中的膠應(yīng)具有較好的耐高溫、耐磨、耐候、耐腐蝕的膠合性能。常用的膠黏劑有間苯二酚膠、尿醛樹(shù)脂膠、異氰酸酯膠，每個(gè)膠種都有自己本身的性能參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)采用間苯二酚膠、異氰酸酯膠對(duì)落葉松的膠合性能試驗(yàn)進(jìn)行了預(yù)試驗(yàn)對(duì)比，其木破率及膠層剪切強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：間苯二酚膠具有更優(yōu)越的膠合性能，更適合應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)橋梁膠合木構(gòu)件的制造。

3.2 銑齒質(zhì)量要求

膠合木連接的形式嵌接、對(duì)接、指接三種形式。大跨度承重型木結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般采用指接的連接形式。指接形式主要有兩種：垂直型指接形式和水平型指接形式；本試驗(yàn)的層板厚度為30 mm，指榫長(zhǎng)度為25 mm，如果采用水平型指接方式，則只能銑出4個(gè)完整的齒，因而指接咬合力不夠。另外，從這兩種不同指接形式的抗拉、抗彎等力學(xué)性能預(yù)實(shí)驗(yàn)也表明：垂直型指接形式的指接強(qiáng)度要優(yōu)于水平型指接形式。故本試驗(yàn)制作采用垂直型指接形式。

根據(jù)《膠合木技術(shù)規(guī)范》，對(duì)用于承重結(jié)構(gòu)的膠合木，其指榫長(zhǎng)度不應(yīng)小于15 mm～20 mm，指端寬度bf宜取0.1 mm～0.25 mm，嵌合度大于0.1 mm，指榫斜面傾斜比小于1/10，木板指接情況如圖一。本試驗(yàn)制作的指榫長(zhǎng)度為25 mm。為了使銑出的齒完整（無(wú)壞齒）或是破壞盡量不發(fā)生在指接部位，故指接端部需滿(mǎn)足：直徑5mm以上的節(jié)子與指接部位的距離要大于相應(yīng)節(jié)子直徑3倍的距離；在距離指接齒底部75 mm之內(nèi)不允許有鈍棱、裂紋、夾皮以及樹(shù)脂囊[6-8]。

3.3 指接端壓值的確定

在進(jìn)行層板縱向接長(zhǎng)時(shí)，如果指接端壓值過(guò)大，就會(huì)容易引起齒端開(kāi)裂，強(qiáng)度降低，容易在指接處產(chǎn)生破壞；如果指接端壓值過(guò)小，則指接不密實(shí)，指接膠合強(qiáng)度降低，同樣影響指接強(qiáng)度。根據(jù)相關(guān)的研究表明：端壓值的大小主要與指榫長(zhǎng)度有關(guān)，一般而言，指榫長(zhǎng)度越長(zhǎng)，端壓值越小。在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)25 mm指榫長(zhǎng)度的試塊進(jìn)行了相關(guān)的預(yù)實(shí)驗(yàn)，由力-位移曲線可以得出其合理端壓值為5.0 MPa。

圖1 木板指接Fig.1 Board’s fi nger jointing

3.4 其他指接要求

為了保證層板有較好的膠合性能，需在開(kāi)榫后24小時(shí)之內(nèi)完成了膠接。實(shí)驗(yàn)制作采用人工涂膠，涂膠充足均勻。同一層板內(nèi)兩縱接之間的距離要不小于1 500 mm[7]。

4 組胚工藝

4.1 層板等級(jí)配置

組坯工藝是對(duì)定級(jí)分等后的不同力學(xué)性能的層板組合，以滿(mǎn)足不同膠合木結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學(xué)性能的要求，同時(shí)也高效合理地利用了層板。對(duì)于軸心受力構(gòu)件以及在受彎構(gòu)件中當(dāng)何在作用方向與層板窄邊垂直時(shí)，因構(gòu)件兩側(cè)的受力形式和情況都相同，故采用層板等級(jí)相同的同等組合結(jié)構(gòu)的組坯形式。根據(jù)《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》，同等組合結(jié)構(gòu)分為T(mén)CT30、TCT27、TCT24、TCT21、TCT18五個(gè)等級(jí)，其順紋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為27 MPa、25 MPa、22 MPa、20 MPa、17 MPa，試驗(yàn)柱的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為27 MPa，所采用的目測(cè)等級(jí)為Ⅰd級(jí)。在木結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件以及壓彎和拉彎結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，外層的層板受力較大，采用異等組合結(jié)構(gòu)形式。由材料力學(xué)中的平截面假定，層板以中性軸上下對(duì)稱(chēng)布置，也可以非對(duì)稱(chēng)布置，前者為對(duì)稱(chēng)異等組合結(jié)構(gòu)形式，后者為非對(duì)稱(chēng)異等組合結(jié)構(gòu)形式。梁構(gòu)件的制作采用對(duì)稱(chēng)異等組合結(jié)構(gòu)形式，其強(qiáng)度等級(jí)分為T(mén)CYD30、TCYD27、TCYD24、TCYD21、TCYD18五個(gè)等級(jí)，受拉一側(cè)層板宜采用機(jī)械分等。由于國(guó)內(nèi)企業(yè)加工條件有限，故只能采用目測(cè)分等，設(shè)計(jì)強(qiáng)度值為27 MPa，其組坯級(jí)別為CY級(jí)。

4.2 層板紋理配置

木材是一種各項(xiàng)異性材料，縱向、徑向、弦向3個(gè)方向的力學(xué)性能和干縮濕脹性能存在較大的差異，因此紋理不同的層板膠合時(shí)會(huì)因?qū)影逍阅艿牟町惗鼓z合木產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，從而降低膠合木強(qiáng)度和剛度。此外紋理不同的層板指接時(shí)，就相當(dāng)于在指接處用受力方向不同的材料指接，在受力時(shí)，整個(gè)層板受力方向不一致，指接處也會(huì)紋理差異而產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)部?jī)?nèi)力，也因此變得更加脆弱。相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果也表明：紋理一致的層板配置比不同紋理錯(cuò)落配置具有較好的膠合性能和力學(xué)性能[10]。下圖二中Ⅰ、Ⅲ紋理配置的剪切強(qiáng)度及木破率比Ⅱ、Ⅳ紋理配置好。因此在進(jìn)行層板配置時(shí)，盡量將紋理一致的層板配置在一起。

圖2 不同紋理層板的膠合Fig.2 Laminate glued with different texture

5 膠合工藝

5.1 膠合工藝參數(shù)的確定

層板縱向接長(zhǎng)后，在層板寬度和厚度方向上對(duì)其進(jìn)行拼寬、拼厚，而影響其膠合性能的因素主要有壓力、時(shí)間（膠合時(shí)間與養(yǎng)護(hù)時(shí)間）、施膠量。壓力過(guò)大，會(huì)引起層板膠層缺膠，影響膠合強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)于軟木樹(shù)種會(huì)影響出材率；壓力過(guò)小，膠層剪切強(qiáng)度和木破率都較小，膠合木的整體強(qiáng)度會(huì)降低。在試驗(yàn)制作前，選取0.5 MPa、1 MPa、1.5 Mpa 3種不同的單位壓力和200 g/m2、250 g/m2、300 g/m23個(gè)不同的施膠量對(duì)其進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，采用單因素試驗(yàn)方法，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化配置，同時(shí)參考膠種生產(chǎn)商提供的數(shù)據(jù)，確定最佳的膠合工藝參數(shù)。根據(jù)其試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)制作采用的膠合工藝參數(shù)為：壓力為1 MPa/m2～1.25 MPa/m2、采用單面施膠的施膠量為250 g/m2～300 g/m2，加壓固化時(shí)間需根據(jù)空氣相對(duì)濕度和溫度確定，在相對(duì)濕度30%及溫度20 ℃～25 ℃時(shí)采用的的加壓時(shí)間為2.5 T，固化時(shí)間為4 T[11]。

5.2 層板橫向拼寬

膠合木的橫向拼寬采用平接，對(duì)于承重結(jié)構(gòu)的膠合木，上下相鄰兩層層板平接線水平距離不應(yīng)小于40 mm（如圖3），以防止破壞發(fā)生在膠縫處，其次，橫向拼寬的膠合性能（木破率、膠層剪切強(qiáng)度等）也應(yīng)滿(mǎn)足要求。

圖3 層板橫向拼寬Fig.3 Width of laminates assembled transversely

5.3 膠合質(zhì)量要求

對(duì)于落葉松層板，為了防止膠合層面污染、氧化、吸濕等而影響膠合性能，需要在拋光后6 T內(nèi)膠合。經(jīng)層壓固化而形成的膠合木，其膠縫應(yīng)均勻，厚度應(yīng)為0.1～0.3 mm，厚度超度0.3 mm的膠縫的連續(xù)長(zhǎng)度不應(yīng)大于300 mm，且厚度不得超過(guò)1 mm。在構(gòu)件承受平行于膠縫平面剪力的部位，漏膠長(zhǎng)度不應(yīng)大于75 mm，其它部位不大于150 mm[6-8]。

6 質(zhì)量檢驗(yàn)

膠合木制造的日常質(zhì)量控制包含在整個(gè)生產(chǎn)線中，包括工廠生產(chǎn)條件及儀器設(shè)備的鑒定、層板質(zhì)量、膠種的檢測(cè)、縱接層板強(qiáng)度測(cè)定等。根據(jù)不同的用途，膠合木成品也需要滿(mǎn)足不同產(chǎn)品需求的各項(xiàng)性能要求，因此需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行抽樣檢測(cè)評(píng)定，以保證供應(yīng)產(chǎn)品的質(zhì)量。主要從以下幾方面的對(duì)其評(píng)定[8]。

（1）外觀結(jié)構(gòu)尺寸，包括其長(zhǎng)、寬、高；

（2）構(gòu)件的性質(zhì)，包括弧形和正方形截面；

（3）結(jié)構(gòu)膠層的質(zhì)量、類(lèi)型、位置及強(qiáng)度；

（4）含水率的測(cè)定；

（5）產(chǎn)品力學(xué)性能（抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度）的測(cè)定；

（6）樹(shù)種及等級(jí)的測(cè)定；

（7）膠縫寬度的檢測(cè)。

7 膠合木制造及推廣應(yīng)用在我國(guó)存在的問(wèn)題及建議

目前，低碳經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保是我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)基本政策，而膠合木結(jié)構(gòu)具有節(jié)能、環(huán)保、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用，已逐漸成為了綠色建材的一個(gè)重要的研究和發(fā)展方向。膠合木制造和應(yīng)用在我國(guó)仍處于起步階段，因此有許多的問(wèn)題和研究尚待迫切解決[12]。

（1）國(guó)內(nèi)對(duì)于膠合木作為承載建材仍存在疑惑。許多人認(rèn)為木材作為一種建材，耗費(fèi)了天然的森林資源，破壞環(huán)境。尤其隨著我國(guó)實(shí)行“天保工程”以后，木材作為一種建材被廣泛應(yīng)用并沒(méi)有被看好。此外相比鋼筋混凝土來(lái)說(shuō)，其強(qiáng)度和耐久性等性能都較低。其實(shí)，這是我們認(rèn)識(shí)的一個(gè)誤區(qū)，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)是經(jīng)膠合、層壓、組坯等技術(shù)加工而成的工程復(fù)合材，不受尺寸和形狀的限制，其強(qiáng)度比原木高?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)是對(duì)我國(guó)人工速生林和天然森林資源更為有效合理利用的一種途徑[13]。

（2）缺乏相應(yīng)的制造和質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。目前，國(guó)內(nèi)的膠合木制造仍都是采用國(guó)外的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)內(nèi)沒(méi)有形成套行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此外，膠合木的強(qiáng)度缺乏一個(gè)定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量得不到保證，故無(wú)法在國(guó)內(nèi)推廣。

（3）國(guó)內(nèi)的木工機(jī)械較落后。目前，大型的膠合木制造機(jī)械都是由國(guó)外進(jìn)口的，價(jià)格昂貴。國(guó)內(nèi)的許多生產(chǎn)企業(yè)加工設(shè)備落后，因而效率較低，質(zhì)量也得不到保證。因此國(guó)內(nèi)木工機(jī)械的開(kāi)發(fā)和研究能夠促進(jìn)膠合木推廣和應(yīng)用。

（4）國(guó)內(nèi)對(duì)于膠合木基礎(chǔ)材性的研究較少。國(guó)內(nèi)用于核心承載力的膠合木材料都是靠進(jìn)口國(guó)外的規(guī)格材，因?yàn)槲覈?guó)對(duì)于國(guó)內(nèi)樹(shù)種的基礎(chǔ)材性數(shù)據(jù)研究不夠全面、深入，因此加強(qiáng)國(guó)內(nèi)樹(shù)種基礎(chǔ)材性的研究顯得尤為重要。

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Design and fabrication of glulam timber and products quality control

ZHOU Xian-yan, CAO Lei, ZHOU Jia-le, ZENG Dan
(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Glulam is an engineering wood composite which is high ratio of strength to mass, beauty, biodegradable and widely applied in engineering fi elds such as bridge, building. Larch is widely spread in China and not only abundant in production and storage, but also it has properties of high strength and is suitable for industrial processing and utilization. According to the status of manufacturing and utilizing of domestic larch glulam for structure and combining manufacturing test in the factory, the production process of glulam and quality control from the choice of layer board, fi nger technology, gluing technology, assembly technology and quality inspection and so on were introduced, and the technological parameters and requirements of the whole manufacturing process were brief l y described.Finally, the existing problems and suggestions on the glulam manufacture promotion in our country are put forward.

laminated wood (glulam); assembly technique; products quality control; fi nger jointing technique

S781

A

1673-923X(2014)12-0136-05

2014-03-03

國(guó)家林業(yè)局公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（201304504）；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（12JJ5012）；湖南省研究生科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目（CX2013B351）；中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金（CX2013A05）

周先雁（1956-），男，湖北黃梅人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事結(jié)構(gòu)損傷診斷與加固的研究；E-mail：zxy560805@163.com

[本文編校：文鳳鳴]