ESWood復(fù)合木材料物理力學(xué)性能試驗(yàn)研究?

楊林清 葛 鵬 付 豪

我國(guó)森林資源相對(duì)匱乏，隨著中國(guó)天然林資源保護(hù)工程的推進(jìn)，天然木材作為結(jié)構(gòu)用材在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。雖然國(guó)家采取一系列措施鼓勵(lì)木材進(jìn)口，但也面臨進(jìn)口價(jià)格過(guò)高、木材輸出國(guó)限制天然林原木出口等問(wèn)題[1]?；诖耍萌斯ち珠_發(fā)新型結(jié)構(gòu)材料可在一定程度上解決結(jié)構(gòu)材供給不足的問(wèn)題。

ESWood復(fù)合木（易飾工程木）[2-3]是一種以人工桉樹林速生材為原料，在單板條層積材加工工藝[4]的基礎(chǔ)上，采用特殊技術(shù)工藝制造的新型復(fù)合木。

桉樹是一種優(yōu)質(zhì)速生樹種，多生長(zhǎng)于澳大利亞，近幾十年來(lái)已被許多國(guó)家引種作為人工林的造林樹種，不同種的桉樹的木材性質(zhì)之間存在很大的差異性，可滿足不同的產(chǎn)品和市場(chǎng)的需要。早在1963年，Roger G.Skolmen通過(guò)研究指出，桉樹具有較高的承載力和耐久性，其原木可用作圍樁、基礎(chǔ)樁、承板、鐵路枕木等，并提出桉樹可以作為墻板在建筑中使用，同時(shí)指出桉樹片層膠合材已在進(jìn)行試驗(yàn)研究[5]。2008年，巴西建筑師Andre Eisenlohr設(shè)計(jì)了一座森林木屋（如圖1），其中梁和柱均采用經(jīng)處理的桉樹原木[6]。

圖1 桉樹木屋Fig.1 Eucalyptus house

目前，世界人工桉樹林中低齡材占較大比例，由于桉樹本身的生長(zhǎng)特性，其木材存在高生長(zhǎng)應(yīng)力、脆心、干燥困難、容易翹曲等缺陷。故20世紀(jì)60年代以來(lái)，大部分桉樹都用于木片和紙漿生產(chǎn)。巴西等國(guó)家也利用桉樹作為原料生產(chǎn)硬質(zhì)纖維板、刨花板等板材。為提高桉樹的利用價(jià)值，國(guó)外許多機(jī)構(gòu)開展了相應(yīng)研究，隨著木材性質(zhì)改良技術(shù)、鋸解技術(shù)和干燥技術(shù)的發(fā)展[7]，低齡桉樹展現(xiàn)出其作為實(shí)體木材加工利用的巨大潛力和價(jià)值。

1954年，我國(guó)廣東省建立粵西桉樹林場(chǎng)（現(xiàn)雷州林業(yè)局）率先開始營(yíng)造桉樹人工林，經(jīng)多年發(fā)展，目前桉樹人工林已遍及廣東、廣西等南方省份。我國(guó)的桉樹人工林面積為450萬(wàn) hm2，居我國(guó)人工林面積第三位，僅占我國(guó)森林面積的2%，年產(chǎn)木材卻超過(guò)3 000萬(wàn) m3，占全國(guó)年木材產(chǎn)量的26.9%?，F(xiàn)主要推廣的桉樹樹種有尾葉桉、巨桉、細(xì)葉桉、藍(lán)桉及其雜交組合，約10多個(gè)品種，其中的優(yōu)良品系，一年生樹干高達(dá)4～5 m，木材年生產(chǎn)量可達(dá)45～50 m3/hm2[8]。

ESWood復(fù)合木的加工工藝解決了桉樹木材干燥、鋸解、膠合困難的問(wèn)題，克服了桉樹木材本身存在的缺陷，使木材性能得到了改善，有望在木結(jié)構(gòu)建筑中使用。

基本材性是衡量材質(zhì)的主要依據(jù)，筆者對(duì)ESWood復(fù)合木的基本力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究并探討其作為承重結(jié)構(gòu)使用的可能性。

1 木材力學(xué)性能試驗(yàn)方法

ESWood復(fù)合木的膠合工藝如下：原木旋切單板—單板干燥—單板裁條—單板條施膠干燥—單板板條鋪裝組坯—熱壓成型—堆垛養(yǎng)生—鋸切刨光—二次冷壓膠合成木結(jié)構(gòu)部件規(guī)格料。

定義ESWood復(fù)合木沿其膠合面長(zhǎng)度方向?yàn)轫樇y方向，與其膠合面垂直方向?yàn)闄M紋方向。為研究ESWood復(fù)合木的材性，筆者對(duì)ESWood復(fù)合木順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋抗拉強(qiáng)度、橫紋全部抗壓強(qiáng)度、橫紋局部抗壓強(qiáng)度、順紋銷槽承壓強(qiáng)度以及橫紋銷槽承壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)。

1.1 試件設(shè)計(jì)

按照GB 1938—2009《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、GB 1934—2009《木材橫紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、GB 1935—2009《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、ASTM D 143-09Standard Test Methods for Small Clear Specimens of Timber和ASTM D 5764-97 aStandard Test Method for Evaluating Dowel-Bearing Strength of Wood and Wood Based Products分別對(duì)試件進(jìn)行設(shè)計(jì)。木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)試件尺寸為20 mm×14 mm，長(zhǎng)370mm，有效截面尺寸為15 mm×4 mm。木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件尺寸為20 mm×20 mm，高30 mm。木材橫紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)試件尺寸為62 mm×50 mm，高50 mm，有效截面尺寸為50 mm×25 mm。木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件尺寸為20 mm×20 mm，長(zhǎng)30 mm。木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件尺寸為20 mm×20 mm，長(zhǎng)60 mm。木材銷槽承壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件尺寸為50 mm×50 mm，厚38mm，銷槽有效直徑為14 mm，分別制作順紋試件及橫紋試件。試件的制作情況明細(xì)如圖2所示。其中，ESWood復(fù)合木銷槽承壓強(qiáng)度試驗(yàn)有效試件數(shù)為20個(gè)，其余試驗(yàn)為30個(gè)。

1.2 加載裝置

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為杭州SHENLI 有限公司生產(chǎn)的WDW-50 kN型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，最大載荷為50 kN，如圖3所示。通過(guò)更換試驗(yàn)機(jī)夾持裝置以實(shí)現(xiàn)不同類型的試驗(yàn)，圖4為順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)照片。

木材的含水率對(duì)木結(jié)構(gòu)的受力性能影響較大，試驗(yàn)采用Lignomat含水率測(cè)試儀。將測(cè)試儀一頭的探測(cè)針敲入木材便能實(shí)時(shí)測(cè)出木材的含水率。

2 木材物理力學(xué)性能測(cè)試方法

圖2 ESWood復(fù)合木材料性能試驗(yàn)Fig.2 The material properties test of ESWood

圖3 加載試驗(yàn)Fig.3 Loading device

圖4 試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.4 Test photo

試驗(yàn)前對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)，采用電子數(shù)顯卡尺對(duì)每個(gè)試件的實(shí)際截面尺寸進(jìn)行測(cè)量，準(zhǔn)確至0.1 mm。木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)以均勻速度加荷，使試樣在1.5～2 min內(nèi)破壞。如拉斷處不在試樣有效部分，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)予舍棄。木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以均勻速度加荷，在1.5～2.0 min內(nèi)使試樣破壞。木材橫紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)以均勻的速度加載，加載速度為2.5 mm/min。木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以均勻的速度加載，在1～2 min達(dá)到比例極限。木材橫紋全部抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件的受壓面上，沿60 mm長(zhǎng)度方向距兩端20 mm處劃兩條垂直于長(zhǎng)軸的平行線，在試件中央放置長(zhǎng)、寬、厚尺寸為30 mm×20 mm×10 mm的加壓鋼塊。試驗(yàn)以均勻的速度加載，在1～2 min達(dá)到比例極限。木材銷槽承壓強(qiáng)度試驗(yàn)以1.0 mm/min的穩(wěn)定速率加載，在1～10 min內(nèi)到達(dá)最大荷載。試樣試驗(yàn)后，立即在整個(gè)試樣或在有效部分選取一段測(cè)定試樣含水率。

順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋抗拉強(qiáng)度、橫紋全部抗壓強(qiáng)度、橫紋局部抗壓強(qiáng)度、根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)含水率對(duì)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

銷槽承壓強(qiáng)度依據(jù)美國(guó)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，以螺栓直徑的5%為偏移距離，做荷載-位移曲線彈性階段的平行線，以兩者的交點(diǎn)為屈服點(diǎn)，得到屈服荷載，屈服荷載對(duì)應(yīng)的位移為屈服位移。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試件主要試驗(yàn)及破壞情況如下：

1）順紋抗拉試驗(yàn)初期，木材有細(xì)碎劈裂聲，表面出現(xiàn)裂縫，當(dāng)達(dá)到比例極限荷載時(shí)，有效截面處突然斷裂發(fā)出劈裂聲，喪失承載力，破壞模式主要為有效截面處斷裂，為脆性破壞，如圖5（a）。

2）順紋抗壓試件隨荷載增加變形均勻增加，為彈性變形階段，進(jìn)入塑形變形階段后，試件變形明顯增大，木材膠合處出現(xiàn)撕裂情況，試件被壓潰，破壞模式主要為試件壓潰破壞，有少數(shù)構(gòu)件出現(xiàn)劈裂破壞，如圖5（b）。

3）橫紋抗拉試驗(yàn)初期，木材有細(xì)碎劈裂聲，表面出現(xiàn)裂縫，隨位移進(jìn)一步增大，木材沿膠縫被撕開，喪失承載力，破壞模式主要為沿膠縫的木材撕裂破壞，如圖5（c）。

4）橫紋抗壓試件隨荷載增加變形均勻增加，為彈性變形階段，隨著木材纖維被逐漸壓密，荷載逐步增大，難以確定最大荷載。破壞模式主要為木材壓壞，如圖5（d）、（e）。

（5）銷槽承壓試件在達(dá)到極限荷載之前，木材發(fā)出開裂聲，達(dá)到比例極限后，順紋試件進(jìn)入屈服階段，隨著位移增大，銷槽處以下出現(xiàn)較大的開裂，逐漸喪失承載力，如圖5（f）；橫紋試件側(cè)面出現(xiàn)明顯的開裂并逐漸發(fā)展，達(dá)到極限荷載時(shí)，試件發(fā)出清脆斷裂聲，同時(shí)失去承載力，如圖5（g）。主要破壞模式為木材承壓破壞。

圖5 試件破壞情況Fig.5 Failure modes of specimens

各試驗(yàn)試件力-位移曲線及擬合曲線如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)力-位移曲線及擬合曲線Fig.6 Load-displacement curves and fitting curve

依據(jù)GB/T 1928—2009《木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法總則》及GB/T 50329—2012《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（公式1～4）對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，木材力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表1。

其中為算術(shù)平均值，s為標(biāo)準(zhǔn)差，ν為變異系數(shù)，μ為置信水平為0.95的總體均值，當(dāng)n=20時(shí)，t0.95=1.729；當(dāng)n=30 時(shí)，t0.95=1.699。

根據(jù)GB 50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，以考慮荷載效應(yīng)及構(gòu)件抗力（天然缺陷、干燥缺陷、長(zhǎng)期荷載、尺寸影響等）的抗力分項(xiàng)系數(shù)γf確定木材設(shè)計(jì)值（公式5）。規(guī)范中強(qiáng)度設(shè)計(jì)值主要為抗彎、順紋抗壓、順紋抗拉、順紋抗剪及橫紋承壓強(qiáng)度，結(jié)合本文試驗(yàn)，選擇順紋抗壓、順紋抗拉、及橫紋承壓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算及對(duì)比，結(jié)果如表2。

由表1和表2可知，ESWood復(fù)合木密度較大，為0.725 g/cm3。盡管ESWood復(fù)合木含水率為18.5%，但可以通過(guò)控制單板含水率來(lái)達(dá)到GB/T 50708—2012《膠合木設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)膠合木產(chǎn)品的要求。同時(shí)，ESWood復(fù)合木為深度復(fù)合工程木產(chǎn)品，正常使用情況下，不會(huì)存在較大的干縮開裂。ESWood復(fù)合木順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度和橫紋全部抗壓較高，而其橫紋抗拉強(qiáng)度較低。試驗(yàn)結(jié)果離散程度較大，各組數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確指數(shù)均大于5%，但在10%以下。ESWood復(fù)合木以寬30 mm、厚2 mm薄木片為基材，通過(guò)結(jié)構(gòu)膠黏劑形成板材，板材再膠粘為復(fù)合木材，材料破壞主要是沿膠縫的木材撕裂破壞。同時(shí)，ESWood復(fù)合木橫紋抗拉清樣小試件加工時(shí)易出現(xiàn)邊沿破損，導(dǎo)致膠粘處出現(xiàn)局部撕裂，因此ESWood復(fù)合木橫紋抗拉強(qiáng)度值偏小。ESWood復(fù)合木銷槽承壓強(qiáng)度較大，且其準(zhǔn)確指數(shù)均小于5%，結(jié)果離散程度較小。同時(shí)，ESWood各項(xiàng)強(qiáng)度值均不低于規(guī)范中TB13的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，因此，筆者認(rèn)為，ESWood完全可以作為承重結(jié)構(gòu)用材應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)。

表1 ESWood復(fù)合木物理力學(xué)性能Tab.1 The physical and mechanic properties of ESWood

表2 ESWood復(fù)合木設(shè)計(jì)值確定及對(duì)比Tab.2 The design value and comparison of ESWood

4 結(jié)論與展望

對(duì)ESWood復(fù)合木木材材性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：

1）ESWood復(fù)合木密度為0.725g/cm3，盡管含水率為18.5%，但不影響其加工性能。

2）ESWood復(fù)合木木材順紋抗拉強(qiáng)度71.61MPa、順紋抗壓強(qiáng)度53.05MPa、橫紋全部抗壓強(qiáng)度7.91MPa、橫紋部分抗壓強(qiáng)度12.29MPa、橫紋抗拉強(qiáng)度1.53MPa，試驗(yàn)結(jié)果離散程度較大，準(zhǔn)確指數(shù)均大于5%，但在10%以下。

3）ESWood復(fù)合木順紋銷槽承壓強(qiáng)度30.73MPa，橫紋銷槽承壓強(qiáng)度18.29MPa，結(jié)果離散程度較小，準(zhǔn)確指數(shù)小于5%。

4）ESWood各項(xiàng)強(qiáng)度值均高于規(guī)范中TB13的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，因此，筆者認(rèn)為，ESWood完全可以作為承重結(jié)構(gòu)用材應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)。

可以初步得出結(jié)論：ESWood復(fù)合木的木材性能良好，可對(duì)其結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接性能進(jìn)行進(jìn)一步研究，為建立ESWood木結(jié)構(gòu)房屋體系的設(shè)計(jì)方法，推廣人工桉樹林的高效應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

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