混合組坯對楊木單板層積材彈性常數及力學性能的影響

李文玲，徐 偉，周曉燕，張占寬，王雪花

（1.南京林業(yè)大學，江蘇 南京 210037；2.江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；3.中國林業(yè)科學研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091）

隨著大徑級原木供應的減少及結構性用材需求的增加，單板層積材（Laminated Veneer Lumber，LVL）由于具有強度高、力學性能穩(wěn)定、造型靈活等特點，成為重要的結構用材[1]。通過控制加工工藝、材料種類等，可實現多樣化的生產成本和性能需求[2]。在北美市場，單板層積材大量用于工字型樓板托梁、桁架、承重墻[3]，但我國單板層積材主要被用于附加值較低的包裝箱板[4]，作為結構用材只在小范圍，比如木梁[5]上應用，且規(guī)模尚小，要實現單板層積材的大規(guī)模工業(yè)化應用，特別是用作對力學強度及穩(wěn)定性均有較高要求的結構用材，尚需大量技術數據支持。

楊木是我國重要的人工用材林，亦是單板層積材主要的原料來源。在影響單板層積材性能的諸多因素中，組坯方式對單板層積材性能影響明顯[6]。為探究組坯方式對楊木單板層積材力學性能的具體作用，本文中選取3 種縱橫混合組坯的單板層積材，采用電測法、三點彎曲及拉伸實驗，對其主要彈性常數、抗彎及抗拉強度進行了測試分析，以期通過調整楊木層積材結構形式實現其結構性應用提供理論依據。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

實驗材料為楊木單板層積材。單板產于江蘇沭陽，厚2 mm，13 層，以脲醛膠（固含量54.7%，黏度123 s）膠合。熱壓參數：溫度105 ～110 ℃，壓力1.2 MPa，時間20 min。完成后楊木單板層積材厚度為22 mm。

采用3 種組坯方式：Ⅰ型：單板均沿順紋方向組坯；Ⅱ型：4、10 層為橫紋，其余為順紋方向組坯；Ⅲ型：3、7、11 層為橫紋，其余沿順紋方向組坯。

1.2 測試方法

1.2.1 彈性常數

測量木材彈性常數的常用方法有靜態(tài)彎曲法、電測法[7]、杠桿式引申儀法及光測法等[8]。本實驗選用電測法對單板層積材彈性常數進行測定。

在彈性范圍內，應力與應變服從廣義虎克定律[9]。通過萬能力學實驗機加載可得到應力，通過數據采集儀進行應變的測量。根據各彈性常數的物理意義，通過式（1）（2）依次計算得到單板層積材不通方向的彈性模量、泊松比。

式中：Ei為以i方向為主軸方向的彈性模量，Gpa；Pn為末載荷，N；P0為初始載荷，N；A0為加載端橫截面積，mm2；εn為末應變；ε0為初始應變；Δεj/Δεi為以i為主軸應力方向在j方向的應變增量的比值。

1）試件準備

將3 種組坯方式的單板層積材分別鋸制成高度方向為順紋(L)、橫紋(T)、層積(R)方向的試樣，尺寸為22 mm×22 mm×22 mm。

2）應變片粘貼

應變片型號為BFH120-3AA-D100，阻值120 歐，靈敏系數（2±0.1）%，絲柵尺寸3.0 mm× 2.3 mm。將應變片用502 膠粘貼在試件上，布置如圖1所示。其中，a 測EL、μLT、μLR，b 測ER、μRT、μRL，c 測ET、μTR、μTL。

圖1 應變片布置示意Fig.1 Layout of strain gauges

3）壓縮測試

測試應變的儀器為TDS-530 型高性能數據采集儀，采用高分辨模式，分辨率為0.1 με，測量高達1 000 點。當連線和橋路搭建好后，進行壓縮試驗，加載等級為500 N。

1.2.2 靜曲強度

采用三點彎曲法，測試層積材T 方向的靜曲強度。按照國標GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》進行測試，試件尺寸為490 mm×50 mm×22 mm。設備為AGIC100KN 精密電子萬能力學試驗機，調節(jié)兩支座跨距為440 mm 進行實驗（如圖2所示）。

1.2.3 抗拉強度

采用拉伸試驗進行，測試層積材L 方向的抗拉強度。參照國標GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》，按圖3所示試件尺寸及設備裝置進行實驗。設備與靜曲強度測試設備相同，加載速度為3 mm/min。

圖2 靜曲強度測定示意Fig.2 Schematic diagram for static bending strength determination

圖3 抗拉強度試件Fig.3 Tensile strength testing

2 結果與分析

2.1 彈性常數

3 種組坯方式LVL 彈性常數的測量結果分別見表1、表2及表3。

從表1～3中可以看出，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型組坯彈性模量比為10.65 ∶0.20（EL）、1 ∶2.35 ∶2.82（ET）、1 ∶0.68 ∶1.31（ER），隨著LVL 中橫紋層數的增加，EL下降，ET增大，ER先降低后增大；L、T、R 彈性模量比為1 ∶0.07 ∶0.07（Ⅰ型）、1 ∶0.25 ∶0.07（Ⅱ型）、1 ∶0.97 ∶0.43（Ⅲ型），隨著LVL 中橫紋層數的增加，LVL 的各向異性降低。

組坯方式對LVL 泊松比的影響較大，全順紋組坯（Ⅰ型）時，L 方向受壓時可能對R、T 方向造成較大的橫向應變（μLT=0.570、μLR=0.466），采用縱橫紋混合，比如Ⅲ型組坯時，對應的泊松比降低為0.199、0.075；隨著橫紋層數的增加，LVL 泊松比總體降低，說明對于LVL，采用縱橫混合式組坯可能有利于抵抗由拉、壓載荷所造成的材料變形[10]。

表1 Ⅰ型LVL彈性常數Table1 Elastic constants for typeⅠ

表2 Ⅱ型LVL彈性常數Table2 Elastic constants for type Ⅱ

表3 Ⅲ型LVL彈性常數Table3 Elastic constants for type Ⅲ

隨著橫紋層數的增大，變異系數總體上增大，比如，EL 在3 種組坯方式下的變異系數分別為2.870%、9.263%、9.981%，說明隨著橫紋層數的增多，LVL 彈性常數離散性增大，但均低于20%，與木材高達30%[11]的變異系數相比，LVL力學性能更為穩(wěn)定。

2.2 靜曲強度

3 種組坯方式LVL 的破環(huán)形式及靜曲強度見表4。對比3 種組坯形式的LVL（表4）可以看出：隨著橫紋層數的增加，LVL 靜曲強度減小，3 種組坯方式的靜曲強度比為1 ∶0.84 ∶0.70；變異性逐漸增大，其中Ⅲ型的變異系數超過20%，說明隨著橫紋層數的增加，LVL 靜曲強度分布的離散性變大，進行結構設計時需更多考慮材料的性能穩(wěn)定性[12]。

全順紋組坯（Ⅰ型）時，LVL 的破壞集中于單板層；隨著橫紋層數的增加，破壞逐漸向膠層部位轉移，Ⅲ型的破壞已主要發(fā)生在膠層，且在縱橫紋層板膠合所處的膠層。這是由于相鄰層木材的紋理方向對膠層膠合強度的影響很大[13]，與木竹復合材不同[14]，木質材料全順紋理組坯可得到更佳的膠合強度。當采用縱橫紋混合組坯時，應對膠合工藝進行優(yōu)化。

表4 3種LVL破壞形式及靜曲強度Table4 Failure modes and static strength of three types of LVL

2.3 抗拉強度

不同組坯方式LVL 的抗拉強度見表5。

表5 3種抗拉強度測試值Table5 Test values of tensile strength for three types of LVL

從表5可以看到：3 種組坯方式的LVL 抗拉強度相近，與全順紋組坯（Ⅰ型）相比，縱橫混合組坯LVL 的抗拉強度略有提高，其中Ⅱ型的抗拉強度最高，適當增加橫紋層板可提高LVL 的抗拉強度[15]，但橫紋層板的數量對抗拉強度的具體影響有待進一步研究。

3 種組坯形式的LVL 變異系數均低于10%，且相差不多，表明LVL 抗拉強度的離散性不大，不同組坯方式的LVL 均體現出穩(wěn)定的抗拉性能。

3 結 論

通過電測法、三點彎曲以及拉伸測試，對楊木單板層積材的9 大彈性常數、靜曲強度及抗拉強度進行了測試分析，發(fā)現橫紋層數對楊木單板層積材力學性能有較大影響。

1）隨著橫紋層數的增加，順紋方向的彈性模量下降，橫紋方向的彈性模量增加，層積方向的彈性模量先減小后增加，LVL 的各向異性降低；變異系數總體上增大，但均低于20%。

2）隨著橫紋層數的增加，靜曲強度減小，變異性逐漸增大，其中3 層橫紋組坯時的變異系數超過20%，進行結構設計時需更多考慮材料性能的穩(wěn)定性；破壞位置從單板逐漸向膠層部位轉移，當采用縱橫紋混合組坯時，應對膠合工藝進行優(yōu)化。

3）不同組坯方式的抗拉強度相近，縱橫混合組坯時略有提高，適當增加橫紋層板可提高LVL的抗拉強度；變異系數均低于10%，組坯方式對LVL 抗拉強度的影響不大。

4）組坯方式對泊松比的影響較大，全順紋組坯時，順紋方向受壓時可能對層積、橫紋方向造成較大的橫向應變；隨著橫紋層數的增加，泊松比總體降低，采用縱橫混合式組坯有利于抵抗由拉、壓載荷所造成的材料變形。