意楊旋切板膠合木材料的物理力學(xué)性能*

劉 雁 王洪鶴 丁佩蓉 宋亞磊

20世紀(jì)六七十年代，江蘇北部地區(qū)成功從意大利引種美洲黑楊，在國(guó)內(nèi)通稱為意楊。意楊生長(zhǎng)十分迅速，7～10年可以成材，平均10年一個(gè)輪伐期。7年生樹高可達(dá)22～25 m，平均胸徑30～32 cm，單株材積可達(dá)到0.4～0.6 m3。1984年意楊被國(guó)家確定為平原綠化樹種，其中I-69，I-72，I-214等品種在黃河、長(zhǎng)江中下游地區(qū)被廣泛種植和用于造林[1,2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)意楊引種面積已逾300萬(wàn) hm2，其中江蘇泗陽(yáng)現(xiàn)擁有楊樹成片林4萬(wàn)多 hm2，楊樹年生產(chǎn)量100萬(wàn) m3，7.066 7萬(wàn) hm2耕地均已實(shí)現(xiàn)農(nóng)田林網(wǎng)化，全縣境內(nèi)森林覆蓋率達(dá)42%，活立木蓄積量550萬(wàn) m3，被譽(yù)為“中國(guó)意楊之鄉(xiāng)”[3,4]。在江蘇、山東等地以意楊木材為原料生產(chǎn)的產(chǎn)品涉及到膠合板、旋切單板、刨花板、纖維板、造紙紙漿、包裝材、細(xì)木工板的夾心以及建筑中的小構(gòu)件如小跨度梁、檀條、櫞子、天花板、隔板等。泗陽(yáng)等地已形成了集良種選育繁殖—規(guī)模集約化造林—木材深加工和出口貿(mào)易—利潤(rùn)返還用于林業(yè)擴(kuò)大再生產(chǎn)為一體的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)化發(fā)展格局。國(guó)內(nèi)豐富的意楊資源，為意楊LVL的生產(chǎn)和應(yīng)用提供了持續(xù)可靠的保障，通過(guò)對(duì)意楊LVL材料物理力學(xué)性能進(jìn)行深入研究，以拓展意楊LVL在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 材性試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為江蘇省泗陽(yáng)縣久和木業(yè)有限公司生產(chǎn)的意楊LVL(如圖1)。試驗(yàn)主要參照GB/T 20241—2006《單板層積材》[5]、GB/T 1928—2009《木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法總則》[6]、GB/T 50329—2012《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]、GB/T 1935—2009《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》[8]、GB/T 15777—1995《木材順紋抗壓彈性模量測(cè)定方法》[9]、GB/T 1939—2009《木材橫紋抗壓試驗(yàn)方法》[10]和GB/T 1943—2009《木材橫紋抗壓彈性模量測(cè)定方法》[11]等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)。所有試驗(yàn)均在揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院材料試驗(yàn)室完成。

圖1 試驗(yàn)用意楊LVLFig.1 Poplar LVL for the test

1.1 意楊LVL材料含水率

參考GB/T 1931—2009《木材含水率測(cè)定方法》[12]測(cè)定意楊LVL材料的含水率。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，選取6個(gè)尺寸為25 mm×40 mm×150 mm試件，采用烘干法來(lái)測(cè)定試件的含水率。試驗(yàn)開(kāi)始前將試件表面木屑等雜物清理干凈，并保持表面光滑。試驗(yàn)所使用儀器為：電子天平(精確到0.01 g)、DC-B80/10非標(biāo)智能箱式高溫爐。表1列出了各試件的含水率和平均含水率，由表1可知，意楊LVL材料的平均含水率為 13.1%。

表1 意楊LVL試件含水率、平均含水率Tab.1 Water content and average water content of poplar LVL specimens

1.2 意楊LVL材料密度

依據(jù)我國(guó)GB/T 1933—2009《木材密度測(cè)定方法》[13]進(jìn)行意楊LVL材料密度測(cè)定。共選取6塊尺寸為120 mm×120 mm×150 mm的試件。試驗(yàn)所使用的儀器為：電子天平(精度為0.01 g)、游標(biāo)卡尺(精度為0.02 mm)。試件密度及其平均密度量測(cè)值見(jiàn)表2。由表2可知，試件的平均密度為0.57 g/cm3，同等條件下測(cè)量意楊原木的密度約為0.486 g/cm3，可見(jiàn)意楊LVL材料的密實(shí)性要大于意楊原木。

表2 意楊LVL試件密度、平均密度Tab.2 Density and average density of poplar LVL specimens

1.3 意楊LVL試件抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)參考GB/T 1935—2009進(jìn)行。順紋抗壓試件尺寸為40 mm×40 mm×200 mm，斜紋抗壓為40 mm×40 mm×150 mm，橫紋抗壓為40 mm×40 mm×200 mm。在試件4個(gè)面中部的橫向和縱向分別粘貼電阻應(yīng)變片，利用WDW100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行材性試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)TS3861靜態(tài)電阻應(yīng)變儀記錄應(yīng)變值。

圖2給出了三種受壓情況下試件的破壞形態(tài)。試驗(yàn)加載初期，各試件的試驗(yàn)現(xiàn)象十分相似，在加載后期，三種受壓情況的試件其破壞形態(tài)明顯不同。主要試驗(yàn)現(xiàn)象如下：在加載初期，變形隨著載荷的增加而逐漸增大，在循環(huán)加載的過(guò)程中，試件處于彈性工作階段，試件的變形值很??；當(dāng)循環(huán)加載結(jié)束后，繼續(xù)增加荷載時(shí)，試件開(kāi)始出現(xiàn)輕微響聲，變形明顯增大，并且在試件的表面出現(xiàn)凸起和褶皺現(xiàn)象；在加載后期，三種試件出現(xiàn)了不同的破壞形態(tài)，順紋試件受壓時(shí)，隨著載荷的增加，試件出現(xiàn)連續(xù)響聲，試件在層板膠接面處出現(xiàn)分層現(xiàn)象，最后試件中部壓屈破壞(如圖2a)；斜紋受壓時(shí)，隨著載荷增加，試件沿著木紋方向突然發(fā)生剪斷破壞(如圖2b)；橫紋受壓時(shí)，隨著載荷增加，試件發(fā)出連續(xù)響聲，試件的端部出現(xiàn)明顯褶皺、脫膠分層，最后試件端部發(fā)生壓屈破壞(如圖2c)。表3～5分別列出了試件順紋、斜紋和橫紋受壓的彈性模量、泊松比以及抗壓強(qiáng)度。

圖2 意楊LVL受壓試件破壞圖Fig.2 Failure phenomenon of poplar LVL compression specimens

受壓試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。

分析、比較表3～5和圖3，可以得出：1）試件受壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀大致相同，可以分為三個(gè)受力階段：在加載初期，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本處于線性狀態(tài)，試件處于彈性工作階段；在加載中期，試件應(yīng)變的增長(zhǎng)速度稍大于應(yīng)力的增長(zhǎng)速度，試件出現(xiàn)的塑性變形不大；在加載的后期，當(dāng)載荷達(dá)到最大載荷后，試件由于局部壓潰而導(dǎo)致應(yīng)力突然下降而變形突增；2）試件的三種受壓情況，其各個(gè)試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和抗壓強(qiáng)度值都十分接近，說(shuō)明試件材性變異??；3)從試件三個(gè)方向的抗壓強(qiáng)度可知，斜紋抗壓強(qiáng)度約為順紋抗壓強(qiáng)度的1/3，橫紋抗壓強(qiáng)度約為順紋抗壓強(qiáng)度的1/6，斜紋與橫紋的泊松比相差不大，約為順紋泊松比的2.3倍，因此意楊LVL材料不宜斜紋和橫紋受壓。

圖3 意楊LVL試件的受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Compressive stress-strain relationship of poplar LVL specimens

1.4 意楊LVL試件順紋抗拉強(qiáng)度

試件的設(shè)計(jì)和加工按照GB/T 1938—2009《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》[14]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，每根試材上只允許取一個(gè)試件，隨機(jī)選取6根尺寸為15 mm×15 mm×200 mm的試件，并在每個(gè)試件中部表面粘貼電阻應(yīng)變片，如圖4所示。

圖4 意楊LVL順紋抗拉強(qiáng)度試件圖Fig.4 Poplar LVL tensile strength specimens parallel to grain

試件順紋受拉試件的彈性模量和抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表6。試件順紋受拉時(shí)，隨著載荷增加，在試件的單板側(cè)面首先出現(xiàn)受拉裂縫，并且裂縫隨著載荷的增加逐漸擴(kuò)展；當(dāng)加載到最大荷載時(shí)，試件在突然發(fā)出很大響聲的同時(shí)被拉斷，為脆性破壞。圖5為試件順紋受拉時(shí)的破壞形態(tài)，圖6為試件順紋受拉時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

分析表6和圖6的試件順紋抗拉試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：1）順紋受拉試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系沒(méi)有明顯屈服和下降階段，屬于脆性破壞；2）各個(gè)受拉試件得到的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的形狀都十分接近，抗拉強(qiáng)度變異小，說(shuō)明試件順紋抗拉材性均勻。

1.5 意楊LVL試件橫紋剪切強(qiáng)度

采用WDW 100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試件的橫紋剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，試件尺寸為：150 mm×40 mm×25 mm。圖7為試件橫紋剪切強(qiáng)度試驗(yàn)裝置圖。試驗(yàn)現(xiàn)象如下：在加載初期，隨著載荷增加，在試件中部出現(xiàn)微小變形；在加載中期，試件變形隨著載荷的增大而增加，并伴隨有輕微的響聲；在加載后期，試件發(fā)出連續(xù)輕微的響聲，在試件兩端與支座的接觸部位產(chǎn)生裂縫，該裂縫隨載荷增加而不斷擴(kuò)展，當(dāng)加載到最大荷載時(shí)，試件發(fā)出很大響聲并突然破壞。上述試驗(yàn)現(xiàn)象表明，意楊LVL試件橫紋剪切破壞為脆性破壞。試件的橫紋剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7，由表7可以分析，試件的剪切強(qiáng)度較小，大約為順紋抗壓強(qiáng)度的1/5。

表3 意楊LVL試件順紋受壓彈性模量、泊松比和抗壓強(qiáng)度Tab.3 Modulus of elasticity,poisson ratio,compressive strength parallel to grain of poplar LVL specimens

表4 意楊LVL斜紋受壓彈性模量、泊松比和抗壓強(qiáng)度Tab.4 Modulus of elasticity,poisson ratio,compressive strength diagonals to grain of poplar LVL specimens

表5 意楊LVL橫紋受壓彈性模量、泊松比和抗壓強(qiáng)度Tab.5 Modulus of elasticity,poisson ratio,compressive strength vertical to grain of poplar LVL specimens

表6 意楊LVL試件順紋受拉彈性模量、抗拉強(qiáng)度Tab.6 Modulus of elasticity and tensile strength parallel to grain of poplar LVL specimens

圖5 意楊LVL試件順紋受拉破壞形態(tài)Fig.5 Poplar LVL tensile failure diagram parallel to grain

圖6 意楊LVL試件順紋抗拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.6 Tensile stress-strain relationship parallel to grain of poplar LVL specimens

圖7 意楊LVL試件橫紋剪切強(qiáng)度試驗(yàn)裝置圖Fig.7 The test setup for shear strength vertical to grain of poplar LVL specimens

表7 意楊LVL橫紋剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Test results of shear strength vertical to grain of poplar LVL specimens

2 小結(jié)

通過(guò)試驗(yàn)得出：意楊LVL平均含水率為13.1%，意楊LVL平均密度為0.570 g/mm3,順紋彈性模量為11 073 MPa，斜紋彈性模量為1 630 MPa，橫紋彈性模量為602 MPa，受拉彈性模量為9 720 MPa，順紋抗壓強(qiáng)度為27.83 MPa，斜紋抗壓強(qiáng)度為10.42 MPa，橫紋抗壓強(qiáng)度為4.3 MPa，抗拉強(qiáng)度為39.4 MPa。其中順紋彈性模量、斜紋彈性模量、橫紋彈性模量、受拉彈性模量按照相關(guān)彈性模量測(cè)定方法計(jì)算得到。并對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行了分析，可得出如下結(jié)論：

1）意楊LVL受壓和受拉時(shí)塑性變形不明顯，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本為線性關(guān)系，當(dāng)載荷達(dá)到最大載荷后，試件發(fā)生脆性破壞。

2）意楊LVL試件橫紋受剪切破壞仍為脆性破壞，且剪切強(qiáng)度較小。

3）意楊LVL試件斜紋和橫紋抗壓強(qiáng)度低，變形大，工程中不宜讓意楊LVL材料承受斜紋和橫紋壓力。

4）意楊LVL試件材性均勻，變異小，可用作建筑結(jié)構(gòu)的承重材料。

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