胶合木人工模拟酸雨和海水老化耐久性能

2021-05-31杨茹元吴岳虹孙友富张晓凤翟伟

林业工程学报 2021年3期

杨茹元，吴岳虹，孙友富,2*，张晓凤，翟伟

(1. 南京林业大学材料科学与工程学院，南京 210037； 2. 南京林业大学林业资源高效加工利用协同创新中心，南京 210037)

近年来，随着层板胶合木等工程木产品的出现，木结构建筑的应用范围逐渐扩大，越来越多地被应用于户外场景[1-3]，导致其必然要遭受自然环境中的各种考验，因此，有必要对胶合木在户外环境中的耐久性能进行试验评估。一般的室外暴露老化处理方法试验周期较长，对人力、物力及场地的要求较高，且由于无法控制当地的气候条件，试验所得结论可能不适宜于另一不同的气候条件区域。为了在较短周期内得到试验结果，更快地评价各因素对试验对象产生的影响，通常使用人工加速老化试验方法。

国外对于木质复合材料的研究起步较早，对木结构耐久性能的研究也较为领先。Francis等[4]研究了经CCA(chromium-copper-arsenic)防腐处理的胶合木梁在不同环境下的胶合性能变化，CCA防腐处理和户外暴露会降低该层板胶合木的胶合剪切强度；Senalik等[5]研究了几种人工加速老化对预处理结构胶合板物理性能和防腐剂保留率的影响。我国对层板胶合木及其耐久性能的研究起步较晚，研究成果相对较少。罗志华等[6]对使用单组分聚氨酯胶合的南方松层板胶合木采用4种人工加速方法进行老化处理，发现BS EN1087-1老化法更适合应用于对层板胶合木耐久性能的研究；阙泽利等[7]研究了盐分对CFRP(carbon fiber reinforced plastics)加固胶合木顺纹抗剪强度的影响，结果表明，盐溶液和干湿交替处理会降低胶合木的顺纹剪切强度，因此，在高盐度地区不适宜建造胶合木结构建筑；杨小军等[8]采用性质稳定的高熔点聚乙烯合成蜡对户外常用木材进行高压浸注处理，研究了蜡浸注木材的物理力学性能，结果表明，浸注蜡可使木材硬度和弹性模量略有提高，使木材横纹抗拉强度、抗弯强度和吸水性显著降低，樟子松和辐射松蜡浸注木抗冻融性能及抗紫外光老化性能较好。

目前，在我国东南部沿海经济发达地区，木结构建筑在度假别墅、景区建筑以及休闲会所等场合得到了广泛应用，但当地高温高盐的气候特点、日益严重的酸雨污染[9]、腐朽及白蚁等生物危害[10]影响了木构件的使用寿命。现有的研究主要集中在老化方法对胶合木剪切性能及耐腐性能的影响，对于其在酸雨及高盐环境下耐久性能的研究较少。笔者以2种相同组合层板胶合木(落叶松-间苯二酚甲醛树脂、樟子松-间苯二酚甲醛树脂)为研究对象，研究人工模拟酸雨及海水老化处理对层板胶合木各项性能的影响，比较2种层板胶合木耐各项老化性能的差异，以期为层板胶合木在实际使用中耐久性能的预测评估提供参考，也对改进层板胶合木生产工艺提供支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

层板胶合木(glue laminated timber，glulam)又称结构用集成材，是一种通过胶黏剂将组坯后的层板(通常厚度为20～45 mm)沿纤维方向相互平行，在厚度方向层积胶合的现代工程木产品。根据现有相关标准和国内市场实际层板胶合木生产应用情况，选取了2种应用较广、密度差异较大、具有代表性的针叶材树种：樟子松(Pinussylvestris)和落叶松(Larixgmelinii)。经材性试验：用于制作层板的落叶松密度为0.64 g/cm3，含水率为10.01%；樟子松密度为0.40 g/cm3，含水率为11.09%。试验用层板胶合木的层板采用相同组合，层板数量为2层，尺寸为1 700 mm×50 mm×40 mm(长×宽×高)。组坯时应注意层板纹理配置，由于木材是各向异性材料，纹理不同的层板胶合时会因层板性能的差异而使胶合木产生内部应力，从而降低胶合木成品的强度和刚度，纹理一致的层板配置比不同纹理的错落配置所制胶合木具有更好的胶合性能和力学性能[11-12]。

胶黏剂选用市场上应用较广的间苯二酚-甲醛树脂胶(phenol resorcinol formaldehyde, PRF)。GB/T 26899—2011《结构用集成材》中明确规定了间苯二酚树脂和间苯二酚-苯酚树脂可用于最严苛的使用环境(构件完全暴露于室外大气中)，作为结构用集成材层板层积方向和宽度方向胶合使用的胶黏剂。PRF胶黏剂为爱克树脂PR-1HSE/PRH-10A，主剂PR-1HSE为红褐色黏稠液体，pH为7.5；固化剂PRH-10A呈白色粉末状。胶合时的主要工艺参数为：主剂与固化剂的质量比为5∶1，单面涂胶，涂胶量300 g/m2，在29 ℃环境中，开放时间约为25 min，落叶松和樟子松试件胶合压力分别为1.0和0.8 MPa，加压时间3 h。

选取试件的吸水厚度膨胀率、弹性模量、静曲强度、胶层剪切强度及胶层剥离率作为衡量试件耐久性能的评价指标。参照GB/T 26899—2011的要求，每种胶合木在每个模拟水平下，制作用于测定弹性模量、静曲强度(尺寸为500 mm×50 mm×20 mm)、胶层浸渍剥离率(尺寸为75 mm×50 mm×40 mm)、胶层煮沸剥离率(尺寸为75 mm×50 mm×40 mm)的试件各18个，每种试件进行3个周期的老化试验。在每个老化周期完成后，选取6个试件进行测试(由于试验条件限制，测试胶层剥离率的试件也用于测试吸水厚度膨胀率)。测定胶层剪切强度的试件共30个，尺寸为60 mm×50 mm×40 mm，在每个老化周期结束后测试10个试件，为减少误差，测定值取平均值。试验设计8组共672个试件，具体试件参数见表1。

表1 试件参数Table 1 Parameters for specimens

1.2 模拟溶液的制备

1.2.1 人工模拟酸雨溶液配置

1.2.2 人工模拟海水溶液配置

天然标准海水的盐度(S)为3.5%左右，pH为7.6～8.6，海水成分复杂，但其钠离子和氯离子含量最高[15]。因此，本试验所配置的模拟海水溶液主要考虑氯化钠(NaCl)所产生的盐度，忽略其他因素的影响，分别配制S=(3.0±0.1)%和S=(6.0±0.1)%的模拟海水溶液。配置方法：先在试件箱中加入适量pH为(7.0±0.5)的清水(约20 L)；再往试件箱中缓慢倒入分析纯氯化钠并不断搅拌，直至测试溶液盐度达到目标盐度后停止。

1.3 测试方法

参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的抗硫酸盐侵蚀试验，结合实际在测试溶液配置完成后开始试验。

1)将试件放入试件箱，溶液应至少超过上层试件表面的20 mm，浸泡(24±0.5)h，溶液温度为(20±3)℃；

2)浸泡结束后，将试件置于温度(20±3)℃、相对湿度(RH)为(65±5)%的环境下晾干，时间为(36±0.5)h，晾干后放入试件箱中继续浸泡；

3)重复1～2的步骤进行下一个干湿循环，每个干湿循环总时间控制在(60±1)h；

4)每3个干湿循环为一周期，每一周期结束后更换一次试件箱内的模拟溶液；

通过对测定指标的统计分析、相关性分析和因子评价，确定了鲜切黄瓜加工适宜性的评价指标为口感、果肉厚度、TSSC、果肉硬度、果皮硬度、果肉色差a*和L*值；通过层次分析确定各主评价指标的权重分别为35.45%、23.66%、15.82%、10.50%、6.92%、4.59%和3.07%；应用灰色关联分析对19个黄瓜样品材料的鲜切加工适宜性进行了排序，结合各样品的田间栽培性状优选出较适宜的鲜切加工样品材料为4#和2#，表明该评价体系能够较合理的指导黄瓜田间育种，筛选适宜的黄瓜鲜切加工品种。

5)本试验共进行3个周期，每一周期结束后将试件置于(20±3)℃、RH为(65±5)%的环境下调质处理，至质量为试验前的100%～110%后再测试其性能。

2 结果与分析

2.1 吸水厚度膨胀率分析

三周期人工模拟酸雨和海水老化处理后，各组试件厚度膨胀率及24 h吸水厚度膨胀率对比见图1。经过老化处理后，所有试件的厚度都发生膨胀，落叶松试件老化后的膨胀率明显大于樟子松试件。原因可能是由于连续的干湿变化后，试件内部应力不断释放，老化结束后，胶黏剂和木材表面都发生破坏，增大了试件的吸水性能；落叶松密度大于樟子松，内部应力也更大，但膨胀率均未超过3.5%，试件耐水性能良好。在人工模拟酸雨老化处理中，落叶松胶合木试件经pH为2的酸雨溶液老化处理后，试件厚度膨胀量比pH为3时高25.0%，24 h吸水厚度膨胀量高39.9%。樟子松胶合木试件在pH为3的人工模拟酸雨溶液老化处理后，试件厚度膨胀量比pH为2时高14.3%，24 h吸水厚度膨胀量高14.5%，与落叶松胶合木试件表现相反。因此，模拟溶液的pH对胶合木的吸水行为有一定影响，但有待进一步研究，这与胡志坚等[16]的研究结论一致。在人工模拟海水老化处理过程中，盐分以离子形式随水分一同进入木材细胞中或分子间，并停留在材料内部，一方面使木材细胞处于充涨状态，另一方面也使水分子失去物理空间，随着盐度的提高，材料的吸水性能降低。落叶松胶合木试件经S=6%的人工模拟海水溶液老化处理后试件厚度膨胀量比S=3%时低13.4%，24 h吸水厚度膨胀量低9.1%；樟子松胶合木试件经S=6%的人工模拟海水溶液老化处理后，试件厚度膨胀量比S=3%时低12.5%，24 h吸水厚度膨胀量低6.3%。

图1 人工模拟酸雨和海水老化处理后厚度膨胀率及吸水厚度膨胀率对比Fig. 1 Comparison of thickness swelling and water absorption thickness swelling after artificial simulated acid rain and seawater aging treatment

2.2 静曲强度及弹性模量分析

人工模拟酸雨和海水老化处理对2种胶合木试件抗弯性能的影响见图2。在人工模拟酸雨和海水老化处理过程中，2种胶合木的静曲强度和弹性模量都呈下降趋势。在pH为2的酸雨溶液老化处理后，落叶松胶合木试件的静曲强度和弹性模量较未处理试件最多下降了41.2%和26.1%(保留率为58.8%和73.9%)，樟子松胶合木试件最多下降了32.5%和22.1%(保留率为67.5%和77.9%)；在pH为3的酸雨溶液老化处理后，落叶松胶合木试件的静曲强度和弹性模量较未处理试件最多下降了37.1%和25.7%(保留率为62.9%和74.3%)，樟子松胶合木试件最多下降了31.7%和23.6%(保留率为68.3%和76.4%)；在S=3%的海水溶液老化处理后，落叶松胶合木试件的静曲强度和弹性模量较未处理试件最多下降了41.7%和37.4%(保留率为58.3%和62.6%)；樟子松胶合木试件最多下降了36.3%和34.7%(保留率为63.7%和65.4%)；在S=6%的海水溶液老化处理后，落叶松胶合木试件的静曲强度和弹性模量较未处理试件最多下降了44.0%和44.3%(保留率为56.0%和45.7%)；樟子松胶合木试件最多下降了35.2%和26.0%(保留率为64.8%和74.0%)。

图2 人工模拟酸雨和海水老化处理后的静曲强度和弹性模量Fig. 2 Modulus of rupture and modulus of elasticity after artificial simulated acid rain and seawater aging treatment

对于樟子松胶合木试件，在老化的第一周期pH为2的酸雨溶液对其静曲强度及弹性模量的影响更大；而落叶松胶合木试件在2种pH酸雨溶液处理后，抗弯性能变化较小，其静曲强度在老化第二周期损失较大。这可能是由于落叶松密度较大，酸性物质较难渗透深层木材对其进行腐蚀破坏。

盐分对胶合木力学性能的影响主要可从两方面进行考虑：1)在老化处理过程中，盐分随着水分一同进入木材，当水分蒸发出来后，盐分停留在材料内部，这可能会对材料起到微弱的增强作用，盐度越大，这种效应就越明显[17]；2)随着盐度的增加，盐分会对胶层产生负面影响，从而降低材料力学性能。人工模拟海水老化处理对2种胶合木试件抗弯性能的影响见图2c和d，所有试件在老化第一周期内静曲强度和弹性模量损失最大，2种模拟盐度水平老化处理对其抗弯性能的影响较小。随着盐度的增加，抗弯性能的下降趋势减慢。这是由于溶液对试件的影响与盐溶液浓度和水解程度有关，试件在浸入盐溶液后，随着盐分的渗透，试件内外盐浓度逐渐达到平衡，而整个处理过程中盐溶液浓度基本不变，所以盐溶液的劣化效果在试验中后期逐渐减弱。阙泽利等[7]研究了盐溶液对木结构中CFRP加固胶合木构件顺纹抗剪强度的影响，也得出了相同的结论。

2.3 胶层剪切强度分析

在人工模拟酸雨和海水老化处理后，2种胶合木试件的胶层剪切强度都呈下降趋势，如图3所示。这是由于试件在泡晒循环中，存在规律性干湿交替，加上模拟溶液的渗透和腐蚀，加速了木材腐朽和胶合木胶层的老化，导致胶层剪切强度降低。在pH为2的酸雨溶液老化处理后，落叶松胶合木试件的胶层剪切强度较未处理试件最高下降了38.1%(保留率为61.9%)，木破率降至60.5%，樟子松胶合木试件剪切强度下降了30.7%(保留率为69.3%)，木破率降至69.0%；在pH为3的酸雨溶液老化处理后，落叶松胶合木试件的胶层剪切强度较未处理试件最高下降了35.7%(保留率为64.3%)，木破率降至61.5%，樟子松胶合木试件剪切强度下降了29.2%(保留率为70.8%)，木破率最低降至72.5%；在S=3%的海水溶液老化处理后，落叶松胶合木试件的胶层剪切强度较未处理试件最高下降了35.0%(保留率为65.0%)，木破率降至62.5%，樟子松胶合木试件剪切强度下降了40.9%(保留率为59.1%)，木破率降至60.0%；在S=6%的海水溶液老化处理后，落叶松胶合木试件的胶层剪切强度较未处理试件最高下降了28.0%(保留率为72.0%)，木破率降至56.0%，樟子松胶合木试件剪切强度下降了27.5%(保留率为72.5%)，木破率最低降至64.0%。因此，pH为2的酸雨溶液和S=3%的海水溶液对2种胶合木试件胶层剪切强度影响更大。

图3 人工模拟酸雨和海水老化处理后的胶层剪切强度Fig. 3 Bonding shear strength after artificial simulated acid rain and seawater aging treatment

2.4 胶层剥离率分析

人工模拟酸雨和海水老化处理三周期后的煮沸剥离试件见图4。2种老化处理后，樟子松胶合木试件的胶层剥离率均低于落叶松胶合木试件，胶合性能更好。在酸雨老化处理中，pH为2的模拟溶液对2种树种层板胶合木胶层剥离率的影响比pH为3时更强，落叶松和樟子松层板胶合木试件的胶层剥离率总体都呈上升趋势：落叶松胶合木试件2次循环煮沸总剥离率最高为18.8%，单一胶层剥离率最高为71.2%；樟子松胶合木试件2次循环煮沸总剥离率最高为9.3%，单一胶层剥离率最高为25.6%。在海水老化处理中，对于落叶松胶合木试件，2种盐度处理没有造成明显差别，在2次循环后煮沸总剥离率最高为10.4%，单一胶层剥离率最高达30.5%。S=6%的模拟溶液对樟子松胶合木试件胶层剥离率的影响比S=3%时更强，樟子松胶合木试件2次循环后煮沸总剥离率最高为7.33%，单一胶层剥离率最高达47.2%。

图4 人工模拟酸雨和海水老化处理后的煮沸剥离试件Fig. 4 Boil delamination of specimens after artificial simulated acid rain and seawater aging treatment

2.5 人工模拟酸雨及海水老化力学性能分析

为分析人工模拟酸雨和海水老化处理下的不同老化周期和材料种类对于力学强度的影响，对试验数据进行多因素多水平的方差分析。对数据进行预处理，除了对老化周期和材料种类进行名义变量复制转换，对于海水和酸雨也做同样处理，即设置为名义变量1和2。模拟酸雨溶液分pH为2和3两种水平，模拟海水溶液也分为S=3%和S=6%两种水平，在此研究水平下，结合老化周期和材料种类，采取α=0.05的检验水准，讨论检验统计量的概率是否小于检验水准，计算分析结果见表2。

表2 人工模拟酸雨及海水老化处理对3种力学性能影响的方差分析Table 2 Variance analysis of the influence of artificial simulated acid rain and seawater aging treatment on three mechanical properties

由表2可知，3种因变量(即3种力学强度)在老化周期、材料种类和不同模拟溶液水平的影响下，显著性值均小于0.05。因此，2种模拟水平老化处理对试件的力学性能，在不同老化周期和不同选材的影响下均存在显著性差异，具有统计学意义。