ESWood复合木材料物理力学性能试验研究∗

2017-04-26杨林清

林产工业 2017年11期

杨林清葛鹏付豪

我国森林资源相对匮乏，随着中国天然林资源保护工程的推进，天然木材作为结构用材在相当长的时间里处于供不应求的状态。虽然国家采取一系列措施鼓励木材进口，但也面临进口价格过高、木材输出国限制天然林原木出口等问题[1]。基于此，利用人工林开发新型结构材料可在一定程度上解决结构材供给不足的问题。

ESWood复合木（易饰工程木）[2-3]是一种以人工桉树林速生材为原料，在单板条层积材加工工艺[4]的基础上，采用特殊技术工艺制造的新型复合木。

桉树是一种优质速生树种，多生长于澳大利亚，近几十年来已被许多国家引种作为人工林的造林树种，不同种的桉树的木材性质之间存在很大的差异性，可满足不同的产品和市场的需要。早在1963年，Roger G.Skolmen通过研究指出，桉树具有较高的承载力和耐久性，其原木可用作围桩、基础桩、承板、铁路枕木等，并提出桉树可以作为墙板在建筑中使用，同时指出桉树片层胶合材已在进行试验研究[5]。2008年，巴西建筑师Andre Eisenlohr设计了一座森林木屋（如图1），其中梁和柱均采用经处理的桉树原木[6]。

图1 桉树木屋Fig.1 Eucalyptus house

目前，世界人工桉树林中低龄材占较大比例，由于桉树本身的生长特性，其木材存在高生长应力、脆心、干燥困难、容易翘曲等缺陷。故20世纪60年代以来，大部分桉树都用于木片和纸浆生产。巴西等国家也利用桉树作为原料生产硬质纤维板、刨花板等板材。为提高桉树的利用价值，国外许多机构开展了相应研究，随着木材性质改良技术、锯解技术和干燥技术的发展[7]，低龄桉树展现出其作为实体木材加工利用的巨大潜力和价值。

1954年，我国广东省建立粤西桉树林场（现雷州林业局）率先开始营造桉树人工林，经多年发展，目前桉树人工林已遍及广东、广西等南方省份。我国的桉树人工林面积为450万 hm2，居我国人工林面积第三位，仅占我国森林面积的2%，年产木材却超过3 000万 m3，占全国年木材产量的26.9%。现主要推广的桉树树种有尾叶桉、巨桉、细叶桉、蓝桉及其杂交组合，约10多个品种，其中的优良品系，一年生树干高达4～5 m，木材年生产量可达45～50 m3/hm2[8]。

ESWood复合木的加工工艺解决了桉树木材干燥、锯解、胶合困难的问题，克服了桉树木材本身存在的缺陷，使木材性能得到了改善，有望在木结构建筑中使用。

基本材性是衡量材质的主要依据，笔者对ESWood复合木的基本力学性能进行试验研究并探讨其作为承重结构使用的可能性。

1 木材力学性能试验方法

ESWood复合木的胶合工艺如下：原木旋切单板—单板干燥—单板裁条—单板条施胶干燥—单板板条铺装组坯—热压成型—堆垛养生—锯切刨光—二次冷压胶合成木结构部件规格料。

定义ESWood复合木沿其胶合面长度方向为顺纹方向，与其胶合面垂直方向为横纹方向。为研究ESWood复合木的材性，笔者对ESWood复合木顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、横纹抗拉强度、横纹全部抗压强度、横纹局部抗压强度、顺纹销槽承压强度以及横纹销槽承压强度进行试验。

1.1 试件设计

按照GB 1938—2009《木材顺纹抗拉强度试验方法》、GB 1934—2009《木材横纹抗压强度试验方法》、GB 1935—2009《木材顺纹抗压强度试验方法》、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分别对试件进行设计。木材顺纹抗拉强度试验试件尺寸为20 mm×14 mm，长370mm，有效截面尺寸为15 mm×4 mm。木材顺纹抗压强度试验试件尺寸为20 mm×20 mm，高30 mm。木材横纹抗拉强度试验试件尺寸为62 mm×50 mm，高50 mm，有效截面尺寸为50 mm×25 mm。木材横纹全部抗压强度试验试件尺寸为20 mm×20 mm，长30 mm。木材横纹全部抗压强度试验试件尺寸为20 mm×20 mm，长60 mm。木材销槽承压强度试验试件尺寸为50 mm×50 mm，厚38mm，销槽有效直径为14 mm，分别制作顺纹试件及横纹试件。试件的制作情况明细如图2所示。其中，ESWood复合木销槽承压强度试验有效试件数为20个，其余试验为30个。

1.2 加载装置

实验设备为杭州SHENLI 有限公司生产的WDW-50 kN型微机控制电子万能试验机，最大载荷为50 kN，如图3所示。通过更换试验机夹持装置以实现不同类型的试验，图4为顺纹抗拉强度试验照片。

木材的含水率对木结构的受力性能影响较大，试验采用Lignomat含水率测试仪。将测试仪一头的探测针敲入木材便能实时测出木材的含水率。

2 木材物理力学性能测试方法

图2 ESWood复合木材料性能试验Fig.2 The material properties test of ESWood

图3 加载试验Fig.3 Loading device

图4 试验照片Fig.4 Test photo

试验前对试件进行编号，采用电子数显卡尺对每个试件的实际截面尺寸进行测量，准确至0.1 mm。木材顺纹抗拉强度试验以均匀速度加荷，使试样在1.5～2 min内破坏。如拉断处不在试样有效部分，试验结果应予舍弃。木材顺纹抗压强度试验以均匀速度加荷，在1.5～2.0 min内使试样破坏。木材横纹抗拉强度试验以均匀的速度加载，加载速度为2.5 mm/min。木材横纹全部抗压强度试验以均匀的速度加载，在1～2 min达到比例极限。木材横纹全部抗压强度试验试件的受压面上，沿60 mm长度方向距两端20 mm处划两条垂直于长轴的平行线，在试件中央放置长、宽、厚尺寸为30 mm×20 mm×10 mm的加压钢块。试验以均匀的速度加载，在1～2 min达到比例极限。木材销槽承压强度试验以1.0 mm/min的稳定速率加载，在1～10 min内到达最大荷载。试样试验后，立即在整个试样或在有效部分选取一段测定试样含水率。

顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、横纹抗拉强度、横纹全部抗压强度、横纹局部抗压强度、根据试验规范要求对数据进行处理，同时根据实测含水率对结果进行调整。

销槽承压强度依据美国木结构设计规范，以螺栓直径的5%为偏移距离，做荷载-位移曲线弹性阶段的平行线，以两者的交点为屈服点，得到屈服荷载，屈服荷载对应的位移为屈服位移。

3 试验结果与分析

试件主要试验及破坏情况如下：

1）顺纹抗拉试验初期，木材有细碎劈裂声，表面出现裂缝，当达到比例极限荷载时，有效截面处突然断裂发出劈裂声，丧失承载力，破坏模式主要为有效截面处断裂，为脆性破坏，如图5（a）。

2）顺纹抗压试件随荷载增加变形均匀增加，为弹性变形阶段，进入塑形变形阶段后，试件变形明显增大，木材胶合处出现撕裂情况，试件被压溃，破坏模式主要为试件压溃破坏，有少数构件出现劈裂破坏，如图5（b）。

3）横纹抗拉试验初期，木材有细碎劈裂声，表面出现裂缝，随位移进一步增大，木材沿胶缝被撕开，丧失承载力，破坏模式主要为沿胶缝的木材撕裂破坏，如图5（c）。

4）横纹抗压试件随荷载增加变形均匀增加，为弹性变形阶段，随着木材纤维被逐渐压密，荷载逐步增大，难以确定最大荷载。破坏模式主要为木材压坏，如图5（d）、（e）。

（5）销槽承压试件在达到极限荷载之前，木材发出开裂声，达到比例极限后，顺纹试件进入屈服阶段，随着位移增大，销槽处以下出现较大的开裂，逐渐丧失承载力，如图5（f）；横纹试件侧面出现明显的开裂并逐渐发展，达到极限荷载时，试件发出清脆断裂声，同时失去承载力，如图5（g）。主要破坏模式为木材承压破坏。

图5 试件破坏情况Fig.5 Failure modes of specimens

各试验试件力-位移曲线及拟合曲线如图6所示。

图6 试验力-位移曲线及拟合曲线Fig.6 Load-displacement curves and fitting curve

依据GB/T 1928—2009《木材物理力学试验方法总则》及GB/T 50329—2012《木结构试验方法标准》（公式1～4）对试验结果进行处理，木材力学性能测试结果见表1。

其中为算术平均值，s为标准差，ν为变异系数，μ为置信水平为0.95的总体均值，当n=20时，t0.95=1.729；当n=30 时，t0.95=1.699。

根据GB 50005—2003《木结构设计规范》中以概率理论为基础的极限状态设计方法，以考虑荷载效应及构件抗力（天然缺陷、干燥缺陷、长期荷载、尺寸影响等）的抗力分项系数γf确定木材设计值（公式5）。规范中强度设计值主要为抗弯、顺纹抗压、顺纹抗拉、顺纹抗剪及横纹承压强度，结合本文试验，选择顺纹抗压、顺纹抗拉、及横纹承压强度进行计算及对比，结果如表2。

由表1和表2可知，ESWood复合木密度较大，为0.725 g/cm3。尽管ESWood复合木含水率为18.5%，但可以通过控制单板含水率来达到GB/T 50708—2012《胶合木设计规范》对胶合木产品的要求。同时，ESWood复合木为深度复合工程木产品，正常使用情况下，不会存在较大的干缩开裂。ESWood复合木顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度和横纹全部抗压较高，而其横纹抗拉强度较低。试验结果离散程度较大，各组数据的准确指数均大于5%，但在10%以下。ESWood复合木以宽30 mm、厚2 mm薄木片为基材，通过结构胶黏剂形成板材，板材再胶粘为复合木材，材料破坏主要是沿胶缝的木材撕裂破坏。同时，ESWood复合木横纹抗拉清样小试件加工时易出现边沿破损，导致胶粘处出现局部撕裂，因此ESWood复合木横纹抗拉强度值偏小。ESWood复合木销槽承压强度较大，且其准确指数均小于5%，结果离散程度较小。同时，ESWood各项强度值均不低于规范中TB13的强度设计值，因此，笔者认为，ESWood完全可以作为承重结构用材应用于木结构。