結(jié)構(gòu)復合木材的研究現(xiàn)狀與展望

孫玉慧 龔靖雅 霍子微 徐建峰*

（1.中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091；2.壽光市魯麗木業(yè)股份有限公司，山東 壽光 262700）

結(jié)構(gòu)復合木材（Structural Composite Lumber，SCL）是采用單板、單板條或刨花等沿構(gòu)件長度方向排列組坯疊層膠合而成的復合材料。以單板條或刨花為構(gòu)成單元的SCL主要包括單板條層積材（Parallel Strand Lumber，PSL）、定向木片層積材（Laminated Strand Lumber，LSL）、定向刨花層積材（Oriented Strand Lumber，OSL）等。這些材料以小徑材為主要原材料，利用率高，且材質(zhì)均勻、變異系數(shù)低，有效避免了由木材天然缺陷如節(jié)子、斜紋理、腐朽等引起的強度弱等問題，近年來被廣泛應用于建筑、電力輸送、家具和裝飾裝修等行業(yè)，在國內(nèi)外得到大力推廣，發(fā)展前景廣闊[1-2]。

1 SCL種類及應用

1.1 單板條層積材（PSL）

20世紀60年代，PSL的命名由加拿大麥克米蘭·布隆迪爾公司提出，并于1988年在加拿大建立了生產(chǎn)工廠。目前，國外PSL已規(guī)?；a(chǎn)使用，而國內(nèi)尚處于試驗開發(fā)階段[3]。PSL，商品名稱Parallam?，其構(gòu)成單元是以旋切或刨切單板為主所切割出的單板條。參考行業(yè)標準LY/T 2916—2017《單板條層積材》，長度通常為厚度的300倍，一般長度為0.6～2.44 m，寬度為15～30 mm，厚度小于6 mm，基本以1～3.2 mm為主。原料包括花旗松、冷杉、南方松、西部鐵杉、北美喬柏以及熱帶闊葉材等[4-5]。結(jié)構(gòu)用PSL尺寸通常與膠合木或鋸材相同，具有紋理美觀、力學性能高、機械加工性能好等優(yōu)點[6]，主要用作承重建筑構(gòu)件，如圖1、2的梁和柱。結(jié)構(gòu)用PSL還可作為電力輸送的線桿、支撐桿、撐線壁等。作為裝飾用材，主要用作室內(nèi)門框窗框和樓梯扶手等部件[5]。

圖1 PSL梁Fig.1 PSL beam

圖2 PSL柱Fig.2 PSL column

1.2 定向木片層積材（LSL）

20世紀90年代，定向刨花板（Oriented strand board，OSB）在美國和加拿大人造板市場上獲得廣泛認可，LSL和OSL這兩種基于刨花為構(gòu)成單元的產(chǎn)品被開發(fā)利用，主要作為單板層積材（LVL）和OSB的替代品。1991年，生產(chǎn)LSL的工廠在美國明尼蘇達州建成，在美國和加拿大取得一定的進展，初步開始了工業(yè)化生產(chǎn)，而我國此類產(chǎn)品還處在研發(fā)階段。LSL，商品名稱TimberStrand?，其刨花制備工藝與OSB的刨花類似，刨花長度通常為厚度的150倍，長度一般為200～300 mm，大于OSL和OSB所用刨花長度[4]，寬度為20～30 mm，厚度為0.8～1.2 mm。LSL原料為直徑小、中低密度的成熟材或幼齡材，如云杉（Picea asperataMast.）、歐洲白杉（Abies alba）、白楊（Populus tomentosaCarr）等，枝丫材，森林殘余物，以及生產(chǎn)鋸材或單板產(chǎn)生的廢料等[7]。通常LSL比OSB需要更大程度的刨花定向排列和更大的熱壓壓力，并且LSL成板厚度一般大于OSB。LSL和OSL的強度和剛度以及尺寸穩(wěn)定性一般略低于LVL和PSL。如圖3～5所示，LSL可被用作結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如墻骨、梁、柱、樓板擱柵、門頭等；也可作為窗臺板、樓梯扶手，門、窗或其他木質(zhì)建筑材料的芯層材料等裝修用材和家具用材[8]。

圖3 LSL墻骨Fig.3 LSL studs

圖4 LSL樓板擱柵Fig.4 LSL floor joists

圖5 LSL芯層材料Fig.5 LSL core material

1.3 定向刨花層積材（OSL）

OSL，外觀類似于LSL，但其使用的刨花比LSL的更短。用于制造OSL的刨花長度至少為厚度的75 倍，長度一般為78～150 mm，寬度為12.7～25.4 mm，厚度為0.55～0.8 mm[8-9]。OSL的原料來源與LSL類似。與LSL相比，OSL 是一種相對較新的SCL產(chǎn)品，其市場仍在開發(fā)中。

2 SCL相關標準及性能的影響因素研究

2.1 SCL相關標準

與鋸材不同，SCL沒有建立標準等級或設計應力，每件產(chǎn)品可以有各自的設計指標。制備工藝參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量是由制造商確定和控制，但必須經(jīng)第三方認證機構(gòu)進行質(zhì)量審查。標準ASTM D 5456:2019Standard Specification for Evaluation of Structural Composite Lumber Products提供了SCL產(chǎn)品性能的設計方法，并與其他美國測試材料協(xié)會標準，如ASTM D 198:2015Standard Test Methods of Static Tests of Lumber in Structural Sizes、ASTM D 143:2014Standard Test Methods for Small Clear Specimens of Timber和ASTM D 1037:2012Standard Test Methods for Evaluating Properties of Wood-Base Fiber and Particle Panel Materials等，針對不同使用環(huán)境確保結(jié)構(gòu)用SCL性能符合標準的質(zhì)量要求。我國GB 50206—2012《木結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》中的規(guī)定，所有進口SCL產(chǎn)品必須提供質(zhì)量證明和產(chǎn)品標示，還應經(jīng)過中國相關部門的批準，產(chǎn)品必須符合設計要求。

2.2 SCL 主要工藝參數(shù)與物理力學性能

SCL制備工藝參數(shù)和性能總結(jié)見表1。生產(chǎn)SCL的膠黏劑，主要包括聚合物二苯基甲烷二異氰酸酯（pMDI)、酚醛樹脂（PF）、脲醛樹脂（UF）等，膠黏劑的選擇與使用環(huán)境和性能要求有關[10]。原料、密度、膠黏劑類型、施膠量、構(gòu)成單元尺寸等工藝參數(shù)不同的條件下，其抗彎性能、剪切強度等物理力學性能在一定范圍內(nèi)變化。

表1 SCL制備工藝參數(shù)和性能Tab.1 Production technology and characteristics of SCL

2.3 原料對性能的影響

不同原料質(zhì)量和性能不同，對SCL性能影響顯著。利用質(zhì)量好、密度合適、缺陷少原料制備的PSL強度較優(yōu)[14]。Liu等[11]以南方松（Pinus palustrisMill.）為原料制備的PSL，發(fā)現(xiàn)其順紋抗壓強度和MOE大于利用黃楊[Buxus sinica(Rehd.et Wils.) Cheng]制備的PSL，兩者剪切強度無顯著差異。陳桂華[17]研究發(fā)現(xiàn)，由于泡桐木材強度較低，利用泡桐[Paulownia fortunei(Seem.) Hemsl.]制備的PSL強度低，不適合作為大型結(jié)構(gòu)材使用。PSL高強度和良好的物理性能可通過將木材的自身良好特性轉(zhuǎn)移到板材中來實現(xiàn)。因此，原料質(zhì)量優(yōu)劣對PSL物理力學性能影響較大[18-19]。Bayatkashkoli等[20]研究發(fā)現(xiàn)，利用楊木刨花制備的LSL性能優(yōu)于利用泡桐刨花制備LSL，低密度泡桐刨花制備的LSL膠合強度較低。Beck等[15]分別以樺木和楊木為原材料制備OSL，研究發(fā)現(xiàn)，與樺木相比，利用楊木制備的OSL具有更好的彎曲性能，且OSL在平行于刨花鋪裝方向和垂直于刨花鋪裝方向上性能差異較大[21]。

2.4 構(gòu)成單元尺寸對性能的影響

構(gòu)成單元的尺寸大小會影響施膠，機械加工與定向鋪裝等，是影響SCL性能的重要因素之一[5,22]。Wei[23]指出單板條長度與厚度的比率是影響PSL制備的關鍵技術因素。王慧等[24]研究發(fā)現(xiàn)，PSL力學性能存在各向異性，并且隨著單板條寬度的增大，PSL主要強度指標各向異性更為顯著。彭明凱等[25]分析了刨花尺寸對LSL性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著刨花長度增加，LSL平行刨花鋪裝方向的MOR和MOE增加，內(nèi)結(jié)合強度略有下降，刨花長度的增加有利于刨花長度上的相互重疊和應力傳遞。LSL物理力學性能隨著刨花厚度的增加而下降，主要由于刨花厚度的增加導致了板坯的孔隙率增大[26]。Ferraz等[27]研究表明：刨花長度對OSL的尺寸穩(wěn)定性影響較大。Meyers[7]使用不同寬度（12.5、19 mm和25 mm）的楊木刨花制備OSL，發(fā)現(xiàn)刨花寬度對板材內(nèi)結(jié)合強度影響顯著，對其它性能影響不顯著。

2.5 熱壓工藝對性能的影響

SCL屬于重組型復合材料，需要通過調(diào)整熱壓工藝參數(shù)實現(xiàn)材料重組。調(diào)整溫度和時間使膠黏劑發(fā)生化學反應，最終固化；調(diào)整壓力使膠黏劑產(chǎn)生流動，板坯壓實，使木質(zhì)單元材料之間緊密接觸。那斌等[28]采用噴膠方式施加酚醛樹脂膠，選擇熱壓溫度為150 ℃，熱壓時間為2.3 min/mm板厚度時，PSL板性能較優(yōu)。Kurt等[29]針對非結(jié)構(gòu)場所使用的PSL，選用膠黏劑為UF，壓力為12.5 kg/cm2，此時制備的PSL性能較優(yōu)。熱壓工藝參數(shù)的設定取決于木材種類、木材的水分含量、膠黏劑性質(zhì)、工廠條件、強度要求等。

2.6 膠種與施膠量對性能的影響

膠黏劑通過粘附作用使用木質(zhì)單元粘合成一體，是使SCL的性能指標和經(jīng)濟效果達到最佳的關鍵因素。Mirski等[26]研究發(fā)現(xiàn)：利用pMDI膠黏劑制備OSL比利用三聚氰胺改性脲醛樹脂膠黏劑OSL的MOR和MOE高20%以上。Malanit等[2]研究發(fā)現(xiàn)，利用pMDI以橡膠木枝材為原料制備OSL的MOR高于PF制備OSL。Taghiyari等[9]使用UF，在施膠量分別為8%和10%的條件下制備了OSL，其密度分別為0.7 g/cm3和0.8 g/cm3，而其MOR和MOE值差別不大。Yingprasert[30]綜合考慮強度和成本等因素，使用比例為75/25的PF與MDI混合膠黏劑制備了OSL，發(fā)現(xiàn)其性能優(yōu)良。

3 SCL性能改進技術研究

對SCL改性更易于實現(xiàn)SCL產(chǎn)品的高附加值應用，同時可滿足不同使用功能的要求[31]。為擴展SCL在戶外場所和白蟻嚴重地區(qū)室內(nèi)等高濕或易濕環(huán)境要求較高的領域應用，王志強[32]等對PSL進行ACQ（氨溶季銨銅）防腐劑浸漬改性處理，制備出具有良好力學和防腐性能的PSL。Choowang[33]研究發(fā)現(xiàn)，采用溫度為130～190 ℃處理OSL 30～110 min，可以有效改善OSL的物理力學性能和抗白蟻性。Aro等[34]對LSL進行了熱處理，發(fā)現(xiàn)熱改性后LSL具有不同外觀質(zhì)量，并且最低抗拉強度是未熱處理材抗拉強度的70%，可作為對板材抗拉性能有嚴格要求的構(gòu)件使用，如木桁架等。為擴展SCL用于阻燃功能要求較高的領域，Denizli等[35]通過滿細胞法，將磷銨硼絡合物阻燃劑浸漬到LSL中，改善了LSL的燃燒性能。為提高LSL的力學性能，Bayatkashkoli和Faegh[20]在UF膠黏劑中加入納米黏土，增加了UF黏度，從而使LSL強度提高。Moradpour等[13]利用玻璃纖維聚合物作為增強材料制備LSL，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：其能顯著增強板材的力學性能，但板材的TS略有增加。

4 SCL性能理論預測

性能及失效行為預測是安全經(jīng)濟地應用材料的前提[36]。目前，層合理論模型用于SCL彈性模量預測研究較為廣泛。該模型首先要假定SCL由刨花或單板條作為增強體，樹脂作為基體的薄層組成，薄層具有不同彈性模量和鋪裝方向[37]。Benabou等[38]利用Mori-Tanaka微機械模型計算每一薄層的性能，然后利用層合理論預測板材彈性模量。其他研究者根據(jù)試驗測試和彈性力學能量原理計算出每一薄層的彈性模量后，利用層合理論計算了LSL的彈性模量[37,39]。Moses等[40]使用層合理論和Tsai-Wu失效理論預測了LSL的彈性模量和失效行為。除了層合理論模型外，Malekmohammadi等[36]根據(jù)木材微觀結(jié)構(gòu)特點，在微觀、細觀和宏觀多尺度框架上對板材力學性能進行了建模分析。該框架基于從微觀力學的基本原理推導出刨花為構(gòu)成單元的板材宏觀性能。Malek等[41]利用形態(tài)學方法模擬各向異性PSL的黏彈性特征。Amini等[42]將PSL中空隙等效為橢球進行抗壓強度有限元模型。

有關SCL的研究主要圍繞工藝參數(shù)對SCL物理力學性能的影響、SCL改性技術研究、性能及失效行為預測等方面展開，這對于SCL的實際生產(chǎn)與應用具有重要指導意義。然而，SCL主要作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用，其在長期載荷和循環(huán)動態(tài)荷載下的物理力學性能、動態(tài)行為、可靠性、阻燃性能、疲勞性能、連接件在環(huán)境作用下的抗腐蝕等方面還有待深入研究。

5 結(jié)語

以單板條或刨花為構(gòu)成單元的SCL提供了一種利用小徑級和低質(zhì)量木材制備結(jié)構(gòu)材的方法。隨著市場對結(jié)構(gòu)材需求增加以及優(yōu)質(zhì)木質(zhì)資源的不斷減少，未來SCL的開發(fā)和應用將不斷增加。但目前SCL存在如下問題，如OSL和LSL外觀斑駁，沒有木材紋理圖案，限制了其在對外觀有嚴格要求的領域中應用。今后，需加強LSL和OSL改性技術研究，解決尺寸穩(wěn)定性能差和外觀問題。

PSL、OSL和LSL主要替代鋸材和膠合木，應用于木結(jié)構(gòu)建筑當中，密度一般控制在0.8 g/cm3之內(nèi)，存在吸水厚度膨脹率比鋸材大，尺寸穩(wěn)定性相對較差，比相同尺寸的鋸材重等問題?？山梃b高性能重組竹/木，制備出高性能的SCL，以拓展SCL的應用領域，如作為重型建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件、室外高耐候材料等。

相對于國外對SCL的研究，我國對SCL研究還不夠深入和完善。為實現(xiàn)國產(chǎn)SCL在市場上應用，應加強國內(nèi)SCL規(guī)范化生產(chǎn)所需的一系列設備研發(fā)，如單板條鋸切機、定向鋪裝槽、微波加熱熱壓機等。此外，對于原料可采取集中收購、集中加工、集中干燥、工藝流程細化等措施，促使專業(yè)化程度提高，進而降低生產(chǎn)成本。