意杨旋切板胶合木材料的物理力学性能*

刘 雁 王洪鹤 丁佩蓉 宋亚磊

20世纪六七十年代，江苏北部地区成功从意大利引种美洲黑杨，在国内通称为意杨。意杨生长十分迅速，7～10年可以成材，平均10年一个轮伐期。7年生树高可达22～25 m，平均胸径30～32 cm，单株材积可达到0.4～0.6 m3。1984年意杨被国家确定为平原绿化树种，其中I-69，I-72，I-214等品种在黄河、长江中下游地区被广泛种植和用于造林[1,2]。据统计，国内意杨引种面积已逾300万 hm2，其中江苏泗阳现拥有杨树成片林4万多 hm2，杨树年生产量100万 m3，7.066 7万 hm2耕地均已实现农田林网化，全县境内森林覆盖率达42%，活立木蓄积量550万 m3，被誉为“中国意杨之乡”[3,4]。在江苏、山东等地以意杨木材为原料生产的产品涉及到胶合板、旋切单板、刨花板、纤维板、造纸纸浆、包装材、细木工板的夹心以及建筑中的小构件如小跨度梁、檀条、橼子、天花板、隔板等。泗阳等地已形成了集良种选育繁殖—规模集约化造林—木材深加工和出口贸易—利润返还用于林业扩大再生产为一体的现代产业化发展格局。国内丰富的意杨资源，为意杨LVL的生产和应用提供了持续可靠的保障，通过对意杨LVL材料物理力学性能进行深入研究，以拓展意杨LVL在建筑领域的应用。

1 材性试验

试验材料为江苏省泗阳县久和木业有限公司生产的意杨LVL(如图1)。试验主要参照GB/T 20241—2006《单板层积材》[5]、GB/T 1928—2009《木材物理力学试验方法总则》[6]、GB/T 50329—2012《木结构试验方法标准》[7]、GB/T 1935—2009《木材顺纹抗压强度试验方法》[8]、GB/T 15777—1995《木材顺纹抗压弹性模量测定方法》[9]、GB/T 1939—2009《木材横纹抗压试验方法》[10]和GB/T 1943—2009《木材横纹抗压弹性模量测定方法》[11]等标准进行试件设计及试验。所有试验均在扬州大学建筑科学与工程学院材料试验室完成。

图1 试验用意杨LVLFig.1 Poplar LVL for the test

1.1 意杨LVL材料含水率

参考GB/T 1931—2009《木材含水率测定方法》[12]测定意杨LVL材料的含水率。根据该标准，选取6个尺寸为25 mm×40 mm×150 mm试件，采用烘干法来测定试件的含水率。试验开始前将试件表面木屑等杂物清理干净，并保持表面光滑。试验所使用仪器为：电子天平(精确到0.01 g)、DC-B80/10非标智能箱式高温炉。表1列出了各试件的含水率和平均含水率，由表1可知，意杨LVL材料的平均含水率为 13.1%。

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

1.2 意杨LVL材料密度

依据我国GB/T 1933—2009《木材密度测定方法》[13]进行意杨LVL材料密度测定。共选取6块尺寸为120 mm×120 mm×150 mm的试件。试验所使用的仪器为：电子天平(精度为0.01 g)、游标卡尺(精度为0.02 mm)。试件密度及其平均密度量测值见表2。由表2可知，试件的平均密度为0.57 g/cm3，同等条件下测量意杨原木的密度约为0.486 g/cm3，可见意杨LVL材料的密实性要大于意杨原木。

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

1.3 意杨LVL试件抗压强度

试验参考GB/T 1935—2009进行。顺纹抗压试件尺寸为40 mm×40 mm×200 mm，斜纹抗压为40 mm×40 mm×150 mm，横纹抗压为40 mm×40 mm×200 mm。在试件4个面中部的横向和纵向分别粘贴电阻应变片，利用WDW100电子万能试验机进行材性试验，试验过程中通过TS3861静态电阻应变仪记录应变值。

图2给出了三种受压情况下试件的破坏形态。试验加载初期，各试件的试验现象十分相似，在加载后期，三种受压情况的试件其破坏形态明显不同。主要试验现象如下：在加载初期，变形随着载荷的增加而逐渐增大，在循环加载的过程中，试件处于弹性工作阶段，试件的变形值很小；当循环加载结束后，继续增加荷载时，试件开始出现轻微响声，变形明显增大，并且在试件的表面出现凸起和褶皱现象；在加载后期，三种试件出现了不同的破坏形态，顺纹试件受压时，随着载荷的增加，试件出现连续响声，试件在层板胶接面处出现分层现象，最后试件中部压屈破坏(如图2a)；斜纹受压时，随着载荷增加，试件沿着木纹方向突然发生剪断破坏(如图2b)；横纹受压时，随着载荷增加，试件发出连续响声，试件的端部出现明显褶皱、脱胶分层，最后试件端部发生压屈破坏(如图2c)。表3～5分别列出了试件顺纹、斜纹和横纹受压的弹性模量、泊松比以及抗压强度。

图2 意杨LVL受压试件破坏图Fig.2 Failure phenomenon of poplar LVL compression specimens

受压试件的应力-应变关系如图3所示。

分析、比较表3～5和图3，可以得出：1）试件受压的应力-应变曲线形状大致相同，可以分为三个受力阶段：在加载初期，应力-应变曲线基本处于线性状态，试件处于弹性工作阶段；在加载中期，试件应变的增长速度稍大于应力的增长速度，试件出现的塑性变形不大；在加载的后期，当载荷达到最大载荷后，试件由于局部压溃而导致应力突然下降而变形突增；2）试件的三种受压情况，其各个试件的应力-应变关系和抗压强度值都十分接近，说明试件材性变异小；3)从试件三个方向的抗压强度可知，斜纹抗压强度约为顺纹抗压强度的1/3，横纹抗压强度约为顺纹抗压强度的1/6，斜纹与横纹的泊松比相差不大，约为顺纹泊松比的2.3倍，因此意杨LVL材料不宜斜纹和横纹受压。

图3 意杨LVL试件的受压应力-应变关系Fig.3 Compressive stress-strain relationship of poplar LVL specimens

1.4 意杨LVL试件顺纹抗拉强度

试件的设计和加工按照GB/T 1938—2009《木材顺纹抗拉强度试验方法》[14]标准进行。根据标准，每根试材上只允许取一个试件，随机选取6根尺寸为15 mm×15 mm×200 mm的试件，并在每个试件中部表面粘贴电阻应变片，如图4所示。

图4 意杨LVL顺纹抗拉强度试件图Fig.4 Poplar LVL tensile strength specimens parallel to grain

试件顺纹受拉试件的弹性模量和抗拉强度见表6。试件顺纹受拉时，随着载荷增加，在试件的单板侧面首先出现受拉裂缝，并且裂缝随着载荷的增加逐渐扩展；当加载到最大荷载时，试件在突然发出很大响声的同时被拉断，为脆性破坏。图5为试件顺纹受拉时的破坏形态，图6为试件顺纹受拉时的应力-应变关系。

分析表6和图6的试件顺纹抗拉试验结果，可以发现：1）顺纹受拉试件的应力-应变关系没有明显屈服和下降阶段，属于脆性破坏；2）各个受拉试件得到的应力-应变关系的形状都十分接近，抗拉强度变异小，说明试件顺纹抗拉材性均匀。

1.5 意杨LVL试件横纹剪切强度

采用WDW 100电子万能试验机进行试件的横纹剪切强度试验，试件尺寸为：150 mm×40 mm×25 mm。图7为试件横纹剪切强度试验装置图。试验现象如下：在加载初期，随着载荷增加，在试件中部出现微小变形；在加载中期，试件变形随着载荷的增大而增加，并伴随有轻微的响声；在加载后期，试件发出连续轻微的响声，在试件两端与支座的接触部位产生裂缝，该裂缝随载荷增加而不断扩展，当加载到最大荷载时，试件发出很大响声并突然破坏。上述试验现象表明，意杨LVL试件横纹剪切破坏为脆性破坏。试件的横纹剪切强度试验结果见表7，由表7可以分析，试件的剪切强度较小，大约为顺纹抗压强度的1/5。

表3 意杨LVL试件顺纹受压弹性模量、泊松比和抗压强度Tab.3 Modulus of elasticity,poisson ratio,compressive strength parallel to grain of poplar LVL specimens

表4 意杨LVL斜纹受压弹性模量、泊松比和抗压强度Tab.4 Modulus of elasticity,poisson ratio,compressive strength diagonals to grain of poplar LVL specimens

表5 意杨LVL横纹受压弹性模量、泊松比和抗压强度Tab.5 Modulus of elasticity,poisson ratio,compressive strength vertical to grain of poplar LVL specimens

表6 意杨LVL试件顺纹受拉弹性模量、抗拉强度Tab.6 Modulus of elasticity and tensile strength parallel to grain of poplar LVL specimens

图5 意杨LVL试件顺纹受拉破坏形态Fig.5 Poplar LVL tensile failure diagram parallel to grain

图6 意杨LVL试件顺纹抗拉应力-应变关系Fig.6 Tensile stress-strain relationship parallel to grain of poplar LVL specimens

图7 意杨LVL试件横纹剪切强度试验装置图Fig.7 The test setup for shear strength vertical to grain of poplar LVL specimens

表7 意杨LVL横纹剪切强度试验结果Tab.7 Test results of shear strength vertical to grain of poplar LVL specimens

2 小结

通过试验得出：意杨LVL平均含水率为13.1%，意杨LVL平均密度为0.570 g/mm3,顺纹弹性模量为11 073 MPa，斜纹弹性模量为1 630 MPa，横纹弹性模量为602 MPa，受拉弹性模量为9 720 MPa，顺纹抗压强度为27.83 MPa，斜纹抗压强度为10.42 MPa，横纹抗压强度为4.3 MPa，抗拉强度为39.4 MPa。其中顺纹弹性模量、斜纹弹性模量、横纹弹性模量、受拉弹性模量按照相关弹性模量测定方法计算得到。并对试验现象和结果进行了分析，可得出如下结论：

1）意杨LVL受压和受拉时塑性变形不明显，应力应变关系基本为线性关系，当载荷达到最大载荷后，试件发生脆性破坏。

2）意杨LVL试件横纹受剪切破坏仍为脆性破坏，且剪切强度较小。

3）意杨LVL试件斜纹和横纹抗压强度低，变形大，工程中不宜让意杨LVL材料承受斜纹和横纹压力。

4）意杨LVL试件材性均匀，变异小，可用作建筑结构的承重材料。

[1] 张忠涛,孙乐智.我国的杨树资源与开发利用[J].林业建设,2001(5):21-24.

[2] 岳孔.速生杨木改性材力学性能及耐久性研究[D].南京:南京林业大学,2008.

[3] 张勤丽.我国意杨加工利用概况[J].林产工业,2000,27(5):3-6.

[4] 徐振球.江苏省泗阳县杨树复合经营模式分析及对策研究[D].扬州:扬州大学,2010.

[5] GB/T 20241—2006 单板层积材[S].北京:中国标准出版社,2006.

[6] GB/T 1927—2009 木材物理力学试验方法总则[S].北京:中国标准出版社,2009.

[7] GB/T 50329—2012 木结构试验方法标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[8] GB/T 1935—2009 木材顺纹抗压强度试验方法[S].北京:中国标准出版社,2009.

[9] GB/T 15777—1995 木材顺纹抗压弹性模量测定方法[S].北京:中国标准出版社,1995.

[10] GB/T 1939—2009 木材横纹抗压试验方法[S].北京:中国标准出版社,2009.

[11] GB/T 1943—2009 木材横纹抗压弹性模量测定方法[S].北京:中国标准出版社,2009.

[12] GB/T 1931—2009 木材含水率测定方法[S].北京:中国标准出版社,2009.

[13] GB/T 1933—2009 木材密度测定方法[S].北京:中国标准出版社,2009.

[14] GB/T 1938—2009 木材顺纹抗拉强度试验方法[S].北京:中国标准出版社,2009.