定向刨花板和細表面定向刨花板抗彎性能及應變分布比較

李萬兆，李東虎，陳超意，梅長彤*

(1.南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，南京 210037；2.南京林業(yè)大學林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037)

20世紀70年代美國和加拿大較早開始定向刨花板(oriented strand board，OSB)的生產，產品可替代結構膠合板而廣泛用于輕型木結構建筑(如墻面板、樓面板和屋面板等)。近年來，OSB在我國出現(xiàn)井噴式發(fā)展，產量快速增加，特色新產品不斷涌現(xiàn)。已被市場認可的代表性新產品有細表面定向刨花板(fine surface oriented strand board，F(xiàn)-OSB)，其是一種具有一定承載能力并可直接飾面的OSB產品。F-OSB是以細刨花或纖維為表層原料生產的OSB，特殊的組坯方式對其力學性能影響顯著。國內外研究人員針對OSB的力學性能開展了廣泛且深入的研究，OSB的主要組成物質長片刨花和膠黏劑是影響OSB力學性能的主要因素[1]。組坯熱壓后形成的非均質剖面結構對OSB力學性能也有重要影響。Zhou等[2-3]和Drolet等[4]系統(tǒng)地研究了OSB剖面密度梯度(vertical density profiles，VDP)的形成及其對OSB力學性能的影響，研究結果表明，調控VDP可以明顯改善高密度OSB的彈性模量(modulus of elasticity，MOE)，但VDP對低密度OSB的MOE影響不大。木基復合材料力學性能易受應用環(huán)境條件影響，其中木材刨花吸濕會造成OSB厚度增加且MOE下降[5-6]。OSB力學性能也與加載方式直接相關，循環(huán)加載會降低OSB的MOE，但下降程度較中密度纖維板和普通刨花板更小[7]，吸濕會放大循環(huán)加載對MOE的影響[8]。隨著面內應變分布、內部三維結構及振動模態(tài)等參數(shù)和方法的逐漸引入，研究人員可以更加準確地理解和預測OSB的力學性能[9-11]。本研究旨在闡明OSB和F-OSB抗彎性能存在差異的內外原因，可以為優(yōu)化OSB及OSB基產品生產工藝提供理論依據(jù)，也能夠為拓展其使用范圍提供科學指導。

筆者針對兩種厚度OSB和F-OSB的抗彎性能進行了研究，重點分析了加載過程中試件的面內應變分布，揭示影響兩類定向結構板抗彎強度的原因。采用三點彎曲法檢測試件抗彎性能，使用數(shù)字散斑應變分析技術(digital image correlation，DIC)同步記錄面內應變分布，結合抗彎強度、應變分布和VDP，闡明OSB和F-OSB抗彎性能存在差異的原因。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

選用厚度為13和18 mm的2類(干燥狀態(tài)下承載型)OSB和F-OSB為試驗對象，所選4種試材購自千年舟新材科技集團股份有限公司，并均使用輻射松(Pinusradiata)和異氰酸酯膠黏劑為原材料生產。將所有試材在相對濕度(65±3)%、溫度(20±2)℃條件下陳放至平衡含水率，測量厚度、密度并制備試件，每種試件重復6個。針對三點彎曲測試，沿試材長度(L)和寬度(W)方向分別制備試件，試材長寬方向信息由企業(yè)提供。使用細砂紙輕輕砂光三點彎曲試件一側面，后用0.5 mm黑色中性筆在試件中段區(qū)域繪制散斑；VDP試件不區(qū)分長寬方向。所有試件基本信息見表1。

表1 定向刨花板和細表面定向刨花板試件的基本信息Table 1 Basic information of OSB and F-OSB

1.2 試驗方法與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》的規(guī)定，使用Instron萬能力學試驗機和三點彎曲法測量試件的靜曲強度(modulus of rupture，MOR)和MOE，13 mm試件支撐跨距為260 mm，18 mm試件支撐跨距為360 mm，加載輥位移速度是5.0 mm/min(圖1)。加載過程中，使用高速攝像機(M2514-MP2)每200 ms拍攝1張試件散斑區(qū)域照片，之后使用Correlated Solutions和MATLAB軟件整理出散斑位置變化和應變分布。應變分布圖像精度是50像素/mm2。試件沿厚度方向彎曲變形時，應變正值和負值分別表示拉伸應變和壓縮應變。剪切應變是試件發(fā)生傾斜滑移產生的變形，剪切應變的正值和負值分別表示順時針剪切和逆時針剪切。

使用剖面密度掃描儀(GreCon DAX6000)檢測試件的VDP，計算每種試件的平均VDP。

圖1 力學性能檢測與應變分布記錄示意圖Fig.1 The diagram of bending strength and strain distribution measurements

F-OSB試件及其表層、芯層和細刨花下表層的彎曲和剪切應變平均值可根據(jù)式(1)計算得出，各層位置信息見表1。

(1)

式中：S是厚度i和i+1間的平均應變；SP是厚度i和i+1間的應變；n是厚度i和i+1間的應變值個數(shù)。

2 結果與分析

2.1 剖面密度梯度與抗彎強度

OSB和F-OSB的剖面密度分布均呈M形(圖2)。F-OSB-13芯層密度比OSB-13略高，F(xiàn)-OSB-18和OSB-18芯層密度均約為500 kg/m3。F-OSB上下表層密度比同厚度OSB高約200 kg/m3。相較于OSB，F(xiàn)-OSB密度曲線更加陡峭，這與其不同的組坯工藝有關。F-OSB表層原料是細刨花或纖維，熱壓成型時其更易密實化并造成密度增加。木基人造板表層密度對MOE的影響主要包括：表層密度與MOE呈線性正相關性[12]，MOE與表層峰值密度和峰值區(qū)域面積密切相關[13]。當峰值區(qū)域面積較小時，試件易同時受到彎曲和剪切破壞，并造成MOE偏低。F-OSB同時具有OSB和密度板的結構屬性，VDP對F-OSB抗彎強度的影響也更加復雜。

圖2 4種試材的剖面密度梯度分布Fig.2 Vertical density profiles of four types of specimens

4種試材的MOE和MOR如表2所示，其中，OSB長度方向的MOE和MOR最大。OSB沿長度和寬度方向的MOE和MOR均滿足國際標準ISO 16894:2009“Wood-based panels-Oriented strand board (OSB)-Definitions,classification and specifications”規(guī)定的最高要求。木基復合材料的抗彎強度與表層組成單元形貌、排列方向及密實程度密切相關。木材徑向抗彎強度顯著高于弦向和橫向的抗彎強度[14]。由于表層木材刨花徑向與試件長度方向一致，因此OSB長度方向的MOE和MOR明顯高于寬度方向，OSB很好地保持了木材的各向異性。F-OSB表層組成單元是細刨花或纖維，這極大地弱化了木材各向異性的力學強度，并造成了F-OSB長度和寬度方向上的MOE和MOR差異不大。木質復合材料的抗彎強度與表層密度呈正相關性[15]，盡管F-OSB表層密度較大，但其長度方向的MOE和MOR明顯低于OSB。

表2 4種試材沿長度和寬度方向的靜曲強度和彈性模量Table 2 MOR and MOE of four types of specimens along the length and width directions

最大載荷條件下，加載輥位移代表了試件的最大形變(表3)。厚度接近時，OSB試件的形變大于F-OSB試件。OSB表層長片刨花很大程度上保留了木材固有的各向異性和多級孔隙結構，這有助于在承載條件下木材發(fā)生適應性形變和內應力擴散，以防止局部應力集中并導致力學失效。相較于長度方向，木材寬度方向剛度低、易變形，這會導致較低載荷條件下，OSB寬度方向MOE和MOR低且形變明顯。F-OSB表層膠合并密實化后的細刨花或纖維的力學屬性不同于大片刨花，具體表現(xiàn)為木材黏彈性的削弱[16]。這造成在承載條件下F-OSB內部應力擴散阻滯，試件破壞多發(fā)生在表層區(qū)域，F(xiàn)-OSB長度和寬度方向的形變量差異小。

表3 最大載荷條件下4種試材的最大位移Table 3 Maximum displacements of four types of specimens at the maximum loading force

三點彎曲測試條件下，OSB試件形變由彈性形變和彈塑性形變組成(圖3中箭頭所示)，這說明OSB在一定程度上保持了木材固有的力學屬性。由于F-OSB試件彈性模量較小，彈塑性形變區(qū)間不明顯。F-OSB長度和寬度方向具有相似的載荷與位移曲線，與中密度纖維板的載荷與位移曲線相似[17]。這可能是因為與芯層縱橫交錯的長片刨花排列方式相比，表層結構對F-OSB的變形方式影響更大。

圖3 三點彎曲測試條件下載荷與位移的關系Fig.3 The relationship between loading and displacement at three-point bending test

2.2 應變分布

載荷平行和垂直于表層刨花纖維方向條件下，OSB和F-OSB的拉伸和壓縮應變分布對比見圖4。為了對比同一厚度、同一方向上OSB和F-OSB的應變分布，選取同組中較小的最大載荷作為參考。OSB試件內應變多集中于上下表層，同時芯層區(qū)域也有應變分布，上下表層拉伸和壓縮應變同時存在(圖4)。在承載條件下OSB內應力擴散遷移具有一定的隨機性，這可能與刨花形態(tài)、膠接方式及刨花排列方向有關，造成OSB的MOE和MOR標準差較大(表2)。F-OSB試件內應變多集中于上下表層，且上表層主要是壓縮應變，下表層主要是拉伸應變，芯層應變較小。F-OSB破壞主要表現(xiàn)為上下表層的應變集中，其MOE和MOR標準差較小也與破壞因素單一有關。

圖4 三點彎曲測試條件下拉伸和壓縮應變分布Fig.4 Tension and compression strain distribution at three-point bending test

F-OSB試件在圖4和圖5所示載荷條件下，上下表層和芯層的絕對應變平均值見表4。試件內應變以彎曲應變?yōu)橹?，且主要集中于上下表層；同時，剪切應變較小，層間差異性不大。

剪切應變往往會造成試件內部結構變化，具體表現(xiàn)為木材刨花間相對位置滑移。多孔的內部結構使木材刨花在承載條件下易發(fā)生孔隙壓潰、膠聯(lián)刨花開膠和錯位，并產生剪切應變[10]。8組試件的剪切應變分布見圖5。對于結構梁材料，三點彎曲測試時最大的剪切應變出現(xiàn)在中性面，表面層區(qū)域的剪切應變較小。OSB試件內上下表層和芯層區(qū)域均有明顯的剪切應變出現(xiàn)，這可能與OSB交錯組坯的長片刨花有關。在拉伸或壓縮試驗中，加載方向平行于木材紋理方向的抗彎強度明顯高于垂直于木材紋理方向的抗彎強度，但平行于木材紋理方向的抗剪強度低于垂直于木材紋理方向的抗彎強度[12]。因此，刨花方向很大程度上影響了剪切應變的分布。剪切應變集中容易造成木材刨花間相對位置滑移和試件內部結構破壞。本研究發(fā)現(xiàn)OSB試件破壞行為包括上下表層和芯層斷裂(圖5中的黑色虛線所示)，并具有一定的隨機性。F-OSB的初始破壞多集中于試件上下表層，并最終引起試件芯層斷裂(圖5中的黑色虛線所示)。F-OSB試件上下表層剪切應變較小，且多沿同一方向發(fā)生。表明失效前F-OSB試件芯層結構未發(fā)生明顯的兩個相反方向上的剪切破壞，上下表層較小的剪切應變是由于表層細刨花或纖維的壓縮或拉伸引起的局部結構變形。

圖5 三點彎曲測試條件下剪切應變分布Fig.5 Shear strain distribution at three-point bending test

表4 細表面定向刨花板各層的彎曲和剪切應變Table 4 Bending and shear strain in different layers of F-OSB

3 結 論

使用萬能力學試驗機和DIC可實現(xiàn)OSB和F-OSB的力學性能檢測和評價，為探索組坯方式對OSB和F-OSB力學性能的影響提供了新的研究思路，結果表明：

1)OSB長寬方向的MOE和MOR差異較大，F(xiàn)-OSB長寬方向的MOE和MOR差異不明顯；

2)OSB形變由彈性和彈塑性區(qū)間組成，由于F-OSB試件彈性模量較小，彈塑性形變區(qū)間不明顯；

3)在承載條件下OSB內部應變易于擴散，擴散路徑具有一定的隨機性；在承載條件下F-OSB內部應變較難擴散，彎曲應變容易集中于試件上下表面，剪切應變較小且層間無明顯差異；

4)OSB破壞包括上下表層和芯層斷裂，并具有一定的隨機性；F-OSB破壞均為上下表層斷裂。