结构用锯材分等及胶合木制备工艺研究进展∗

2020-03-02胡建鹏徐伟涛姚利宏

林产工业 2020年9期

郭宇红岭胡建鹏徐伟涛姚利宏

（1.内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，呼和浩特 010018； 2.国家林业和草原局林产工业规划设计院，北京 100010）

木材是国民经济建设中必不可少的重要物资，具有纹理美观、可循环利用、低碳环保等特点，被广泛用于家具、建筑、装饰装修等领域[1-3]。在绿色发展的大趋势下，木材的需求量激增。然而森林资源有限，特别是在我国实施天然林保护工程后，木材资源的供给量远不能满足日益增长的木材资源需求量。实现木材小材大用，劣材优用可有效缓和木材供需矛盾。

胶合木是由结构用锯材通过分等，施加胶黏剂并以一定的组坯方式压制而成的具有尺寸稳定性高、设计性强、力学性能和耐久性好等优点的工程材料。在其制备过程中将不同等级的层板进行优化组合，可达到提高木材利用率，劣材优用的目的[4]。以结构用锯材为基本单元制成的胶合木被广泛应用于木结构建筑、桥梁，正部分取代钢筋混凝土和砖混结构。近年来，开始大量应用于一些高层建筑。

锯材分等是胶合木制备的重要环节，是影响胶合木力学性能的关键因素之一，指接工艺、组坯方式以及胶合工艺对胶合木的质量也有重要影响。本文主要介绍国内外结构用锯材的等级评价及其胶合木制备相关工艺研究；结合我国实际，就胶合木的进一步发展提出建议，以期为我国胶合木工业化生产提供借鉴。

1 锯材等级评价

在胶合木制备前期对锯材进行质量分等，然后按照不同等级制备具有不同力学特性胶合木。锯材分等方法主要分为目测分等与机械应力分等。

1.1 目测分等

目测分等也称目测分级（Visual Grading），即依据目测分等规则用肉眼观察木材外观缺陷状况，确定材质等级。该方法直观、简单。目测分级主要由经过专业培训的目测分级技术人员人工完成，而在欧洲某些锯材厂已经开始采用计算机图像智能识别技术进行目测分级。

目前目测分等有不同的标准体系。采用日本JAS 235《构造用集成材日本农林规格》、美国ASTM D245《确定外观分等木材结构用等级和可许特性标准》与我国的GB 50005—2003《木结构设计规范》（轻型木结构规格材材质标准）3 种不同的目测分等标准对落叶松（Larixolgensis Henry）进行分等，结果表明：美国与我国标准目测分等结果相近；按照日本外观分等标准分等，结果显示，随着等级的降低，各等级的机械应力分等弹性模量集中态势呈现下降趋势，且各等级的离散分布程度大致相当；比较上述3 种标准，日本标准对节子的要求相对而言更为严格，从木材资源利用角度，日本目测分等标准不利于木材的有效利用[5]。目测分等规则源于北美早期的一些分等方法，随着锯材生产的不断发展，目测分等的方法在实践中得以不断修正和完善，至今依然是北美锯材分等的主要方法和基础[6]。依据北美规格材目测分等规则NLGA（National Lumber Grades Authority）对不同产地人工林杉木（Cunninghamia lanceolata）进行目测分等，结果表明：节子是最主要的降等缺陷，但对不同产区的杉木规格材等级的影响程度不同。相关分析表明：不能以节子数量作为划分杉木规格材强度等级的依据；目测分等的等级对力学性质的影响极显著；各目测等级MOR特征值及强度比均比NLGA规定的低，今后相关研究中应重点考察目测分等方法对力学性质的影响。

江京辉[7]等对不同标准体系的结构用规格材目测分级规则进行比较，得出以下结论：北美与我国在结构用规格材的分等体系中对于缺陷的测量方法相同，如对于虫孔缺陷，均按照虫孔的大小和数量来确定规格材等级，对于节子均按照节子尺寸和类型进行分级，对钝棱、轮裂、腐朽等缺陷的界定规则也一致。英国针叶材强度目测分级规则与国际结构用规格材强度目测分级标准基本相近，结构用规格材均分为两个等级；澳大利亚结构用针叶材锯材目测分等标准对钝棱、轮裂和生长轮平均宽度的计算及界定，均与上述4 种标准体系不同。何林等[8]基于ASTM D245 美国外观分等相关规则，对落叶松锯材进行目测外观分等，结果表明：利用美国标准直接预测锯材抗弯强度的决定系数低，不能准确预测锯材的抗弯强度。仅利用美国目测分等标准对锯材进行分等不科学，应综合多种方法，提高准确性。

木材前期的机械加工过程和干燥处理对目测分等有着举足轻重的作用，若能更好地控制机械加工与木材干燥，可以大幅度提高锯材的目测等级，充分发挥锯材的力学性能，从而达到材尽其用，增加生产效益的目的[9]。

目测分等还存在诸多局限，如对于不同树种的节子对强度的影响没有统一的规范；对木材的强度预测值比实际值低；木材的弹性模量无法衡量等。目前机械应力分等被认为是一种能实现快速准确评价木材力学性能的有效方法[10]。

1.2 机械应力分等

机械应力分等（Machine Stress Rating，MSR），即采用机械应力测定设备对木材进行非破坏性试验，在不破坏木材内部组织的情况下无损检测木材弯曲强度和弹性模量或者密度，确定木材材质等级[11]。机械应力分等以静载荷弯曲检测方法为基础，通过试件的变形与被施加的载荷得出木材的弹性模量。被测木材一般经过3 到4 次加载过程，得到3 到4 个相对应的弹性模量值，从中选取最低值作为被测木材的最终分等弹性模量值[12]。机械应力分等采用弯曲应力法，分为三点式弯曲和四点式弯曲。依据木材静态弹性模量参数对锯材进行等级划分，可实现生产线快速分等，分等效率高。对规格化锯材进行机械应力分等研究，发现静态抗弯强度与动态抗弯强度之间的相关性有较大差异，且静态抗弯强度与静态抗弯弹性模量的相关性要优于动态抗弯强度与动态抗弯弹性模量[13]。采用机械应力分等法评估人工林落叶松结构用锯材力学性质，结果显示：动态抗弯弹性模量与静态抗弯弹性模量具有良好的相关性，相关系数为0.942 3，且在0.01 水平显著；动态弹性模量的平均值比静态抗弯弹性模量的平均值高3.45%（0.56 GPa）[14]。所测试件的动态弹性模量平均值为15.43 GPa，中位值为15.43 GPa，动态弹性模量的数据结果基本成正态分布，但有数值偏低的情况[12]。研究表明：纵向振动法可作为规格材分等的有效方法，密度是影响规格材强度的主要因素，机械应力分等可快速高效且准确地对足尺结构用材进行力学性质评价[15]。

将分等后的锯材制备成三个等级结构胶合木，发现所制备的胶合木抗弯弹性模量和抗弯强度的相关性与锯材相似，且通过胶合木测试过程中的力-位移曲线可以预测抗弯强度值，在组坯设计中可让其力-位移曲线斜率较小，在最后阶段出现缓慢增加，出现韧性阶段，最大化利用木材特性[16]。

机械应力分等因其诸多优点而成为规格化锯材性能评估的主要方法。然而，单独依靠机械分等来检测与评价木材质量不够全面，在实际应用中机械分等应结合其他无损检测方法对锯材进行等级划分。

2 胶合木制备工艺

胶合木也称为集成材，由分等后的木材经指接、加压胶合而成[17]，主要用于工程建筑体系中的梁、桁架和拱[18-19]，其具有的高强度与优良的抗震性能[20-21]与制备过程中的指接工艺、组坯方式和胶合工艺等密切相关。

2.1 指接工艺

对木材进行指接，可实现小材大用，在增加几何尺寸的同时，还可以避免影响木材力学性能的天然缺陷。对于胶合木抗弯强度，指接部位是胶合木中较薄弱、易发生破坏的区域[22]，因此指接工艺对于胶合木性能具有决定性的作用。

指接材的指接部位根据铣齿时使用的底刀分为羽型、翼型和嵌入型，其中羽型的胶合界面最大，结合强度最高，目前多数胶合木都选择该形式[23]。对结构用胶合木层板指接研究发现，指接层板的抗弯强度会因指长的变化而发生变化，25 mm指长试样抗弯强度变异系数较12.7、19 mm试样的抗弯强度变异系数高，且抗弯强度平均值也略高于12.7、19 mm指长试样的抗弯强度平均值，但指长参数对抗弯弹性模量不会产生显著影响[24-25]。在生产过程中，可优先选择短指，同时根据刀具和木材树种特性等因素调节嵌合度[26]。指接的开齿方式分为垂直型与水平型，在对日本落叶松（Larix kaempferi）的研究中发现，开齿方式对胶合木的抗弯强度影响不大，对抗弯弹性模量会产生显著的影响[26]。指接材的指接部位宜置于胶合木中层，有研究表明无指接的胶合木底板比有指接的胶合木底板抗弯承载力高25.4%[27]。在指接过程中，端压也是非常重要的影响因素，一般与木材纹理结构有关，纹理较为通直的木材端压可相应较高，反之纹理歪斜的木材在加压时容易出现木材指接部位劈裂的情况，因此不宜过高[22]。指接时，结合角度也会影响指接材的力学强度，对落叶松指接材研究发现，斜指接及加大胶合的前齿间隙对提高指接材的力学强度有显著贡献[28]。

指接强度是评价结构用指接材质量的主要指标。胶合木制备过程中影响指接强度的因素较多，如何获得稳定、可靠的指接强度对于胶合木的生产和发展至关重要。

2.2 组坯方式

组坯方式对胶合木性能有重要影响。用不同等级的层板坯料分组制备不同力学强度的胶合木，可实现低成本生产，最大化利用木质资源[29-30]。

根据分等后获得的层板力学性能参数设计组坯制成的胶合木，其力学性能与层板的强度、弹性模量等性能参数有着密切关系，可通过层板分等时获得的力学性能参数预测胶合木的力学性能。有研究发现，胶合木的抗弯强度主要取决于组坯层板中最外层板的抗拉性能，且胶合木的强度与刚度主要由组坯层板中最弱区域的性能决定[31]。对对称和非对称异等组坯胶合木研究分析表明，当胶合木被弯曲时，最外层的两层层板分别受拉和受压，数据显示，影响胶合木抗弯性能的主要是受拉的最外层层板，组坯时应将最高等级层板用于受拉最外层，受压最外层层板次之。如此可提高胶合木的力学性能，同时提高木材的利用率[32]。此外，组坯层数也是胶合木力学强度的重要影响因素，胶合层数与胶合木的抗弯强度呈显著的正相关关系。同理，胶合木的破坏挠度与弹性模量也随着胶合层数的增加呈显著的增大趋势[33]。

2.3 胶合工艺

层板之间的胶合质量很大程度上决定了胶合木成品的力学性能[34]。胶黏剂的选择、涂胶量、胶合时间和压力等是影响胶合木胶合强度的重要因素。

采用水性高分子异氰酸酯与单组分聚氨酯两种胶黏剂对落叶松锯材进行指接胶合，检测胶合性能，结果表明：胶黏剂为干态时，水性高分子异氰酸酯的抗拉强度优于单组分聚氨酯；胶合压力为1.2 MPa时，水性高分子异氰酸酯的干、湿剪切强度较好；在真空加压和循环煮沸条件下进行试验，结果表明，用单组分聚氨酯制备的胶合木抗拉强度较好[16]。异氰酸酯胶黏剂可制备出具有良好弯曲和拉伸性能的指接接头[35-36]。对比间苯二酚与高分子异氰酸酯两种胶黏剂制备的胶合木胶合性能发现，在加压时间充分的条件下，间苯二酚胶黏剂胶合木的顺纹剪切强度要优于高分子异氰酸酯胶黏剂胶合木，且间苯二酚胶黏剂制备的胶合木，其干态、湿态顺纹剪切木破率也相对较大[37]。胶黏剂对胶合木强度具有重要作用，应根据使用环境选择不同的胶黏剂。

胶合过程中胶黏剂的用量应适宜，涂胶过多，胶液会被挤出，造成胶黏剂浪费和环境污染；涂胶过少则会因胶合界面缺胶，导致胶合性能下降。一般涂胶量以200 ～300 g/m2为宜，固化后可形成工整的胶线[38-39]。

加压时间通常为3～5 s，温度以20～30 ℃为宜。胶合压力应根据胶黏剂性质、用量及木材的树种、表面特性等确定。针叶材的胶合压力一般为4～8 MPa，阔叶材为8～14 MPa[39-40]。在一定范围内，胶合压力的增大会使胶合强度相应增大，原因在于胶合压力越大，胶黏剂胶液渗入量越多，胶合面积越大，胶合强度越高，但胶黏剂也会因胶合压力过大导致胶液过量渗入，造成胶合界面缺胶，致使胶合强度下降。胶合工艺是决定胶合木力学强度、耐久性等的重要因素，对胶合工艺的深入研究对于大力发展胶合木有重要意义。