定向刨花板和细表面定向刨花板抗弯性能及应变分布比较

2022-12-05李万兆李东虎陈超意梅长彤

林业工程学报 2022年6期

李万兆，李东虎，陈超意，梅长彤*

(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)

20世纪70年代美国和加拿大较早开始定向刨花板(oriented strand board，OSB)的生产，产品可替代结构胶合板而广泛用于轻型木结构建筑(如墙面板、楼面板和屋面板等)。近年来，OSB在我国出现井喷式发展，产量快速增加，特色新产品不断涌现。已被市场认可的代表性新产品有细表面定向刨花板(fine surface oriented strand board，F-OSB)，其是一种具有一定承载能力并可直接饰面的OSB产品。F-OSB是以细刨花或纤维为表层原料生产的OSB，特殊的组坯方式对其力学性能影响显著。国内外研究人员针对OSB的力学性能开展了广泛且深入的研究，OSB的主要组成物质长片刨花和胶黏剂是影响OSB力学性能的主要因素[1]。组坯热压后形成的非均质剖面结构对OSB力学性能也有重要影响。Zhou等[2-3]和Drolet等[4]系统地研究了OSB剖面密度梯度(vertical density profiles，VDP)的形成及其对OSB力学性能的影响，研究结果表明，调控VDP可以明显改善高密度OSB的弹性模量(modulus of elasticity，MOE)，但VDP对低密度OSB的MOE影响不大。木基复合材料力学性能易受应用环境条件影响，其中木材刨花吸湿会造成OSB厚度增加且MOE下降[5-6]。OSB力学性能也与加载方式直接相关，循环加载会降低OSB的MOE，但下降程度较中密度纤维板和普通刨花板更小[7]，吸湿会放大循环加载对MOE的影响[8]。随着面内应变分布、内部三维结构及振动模态等参数和方法的逐渐引入，研究人员可以更加准确地理解和预测OSB的力学性能[9-11]。本研究旨在阐明OSB和F-OSB抗弯性能存在差异的内外原因，可以为优化OSB及OSB基产品生产工艺提供理论依据，也能够为拓展其使用范围提供科学指导。

笔者针对两种厚度OSB和F-OSB的抗弯性能进行了研究，重点分析了加载过程中试件的面内应变分布，揭示影响两类定向结构板抗弯强度的原因。采用三点弯曲法检测试件抗弯性能，使用数字散斑应变分析技术(digital image correlation，DIC)同步记录面内应变分布，结合抗弯强度、应变分布和VDP，阐明OSB和F-OSB抗弯性能存在差异的原因。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

选用厚度为13和18 mm的2类(干燥状态下承载型)OSB和F-OSB为试验对象，所选4种试材购自千年舟新材科技集团股份有限公司，并均使用辐射松(Pinusradiata)和异氰酸酯胶黏剂为原材料生产。将所有试材在相对湿度(65±3)%、温度(20±2)℃条件下陈放至平衡含水率，测量厚度、密度并制备试件，每种试件重复6个。针对三点弯曲测试，沿试材长度(L)和宽度(W)方向分别制备试件，试材长宽方向信息由企业提供。使用细砂纸轻轻砂光三点弯曲试件一侧面，后用0.5 mm黑色中性笔在试件中段区域绘制散斑；VDP试件不区分长宽方向。所有试件基本信息见表1。

表1 定向刨花板和细表面定向刨花板试件的基本信息Table 1 Basic information of OSB and F-OSB

1.2 试验方法与数据分析

根据GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》的规定，使用Instron万能力学试验机和三点弯曲法测量试件的静曲强度(modulus of rupture，MOR)和MOE，13 mm试件支撑跨距为260 mm，18 mm试件支撑跨距为360 mm，加载辊位移速度是5.0 mm/min(图1)。加载过程中，使用高速摄像机(M2514-MP2)每200 ms拍摄1张试件散斑区域照片，之后使用Correlated Solutions和MATLAB软件整理出散斑位置变化和应变分布。应变分布图像精度是50像素/mm2。试件沿厚度方向弯曲变形时，应变正值和负值分别表示拉伸应变和压缩应变。剪切应变是试件发生倾斜滑移产生的变形，剪切应变的正值和负值分别表示顺时针剪切和逆时针剪切。

使用剖面密度扫描仪(GreCon DAX6000)检测试件的VDP，计算每种试件的平均VDP。

图1 力学性能检测与应变分布记录示意图Fig.1 The diagram of bending strength and strain distribution measurements

F-OSB试件及其表层、芯层和细刨花下表层的弯曲和剪切应变平均值可根据式(1)计算得出，各层位置信息见表1。

(1)

式中：S是厚度i和i+1间的平均应变；SP是厚度i和i+1间的应变；n是厚度i和i+1间的应变值个数。

2 结果与分析

2.1 剖面密度梯度与抗弯强度

OSB和F-OSB的剖面密度分布均呈M形(图2)。F-OSB-13芯层密度比OSB-13略高，F-OSB-18和OSB-18芯层密度均约为500 kg/m3。F-OSB上下表层密度比同厚度OSB高约200 kg/m3。相较于OSB，F-OSB密度曲线更加陡峭，这与其不同的组坯工艺有关。F-OSB表层原料是细刨花或纤维，热压成型时其更易密实化并造成密度增加。木基人造板表层密度对MOE的影响主要包括：表层密度与MOE呈线性正相关性[12]，MOE与表层峰值密度和峰值区域面积密切相关[13]。当峰值区域面积较小时，试件易同时受到弯曲和剪切破坏，并造成MOE偏低。F-OSB同时具有OSB和密度板的结构属性，VDP对F-OSB抗弯强度的影响也更加复杂。

图2 4种试材的剖面密度梯度分布Fig.2 Vertical density profiles of four types of specimens

4种试材的MOE和MOR如表2所示，其中，OSB长度方向的MOE和MOR最大。OSB沿长度和宽度方向的MOE和MOR均满足国际标准ISO 16894:2009“Wood-based panels-Oriented strand board (OSB)-Definitions,classification and specifications”规定的最高要求。木基复合材料的抗弯强度与表层组成单元形貌、排列方向及密实程度密切相关。木材径向抗弯强度显著高于弦向和横向的抗弯强度[14]。由于表层木材刨花径向与试件长度方向一致，因此OSB长度方向的MOE和MOR明显高于宽度方向，OSB很好地保持了木材的各向异性。F-OSB表层组成单元是细刨花或纤维，这极大地弱化了木材各向异性的力学强度，并造成了F-OSB长度和宽度方向上的MOE和MOR差异不大。木质复合材料的抗弯强度与表层密度呈正相关性[15]，尽管F-OSB表层密度较大，但其长度方向的MOE和MOR明显低于OSB。

表2 4种试材沿长度和宽度方向的静曲强度和弹性模量Table 2 MOR and MOE of four types of specimens along the length and width directions

最大载荷条件下，加载辊位移代表了试件的最大形变(表3)。厚度接近时，OSB试件的形变大于F-OSB试件。OSB表层长片刨花很大程度上保留了木材固有的各向异性和多级孔隙结构，这有助于在承载条件下木材发生适应性形变和内应力扩散，以防止局部应力集中并导致力学失效。相较于长度方向，木材宽度方向刚度低、易变形，这会导致较低载荷条件下，OSB宽度方向MOE和MOR低且形变明显。F-OSB表层胶合并密实化后的细刨花或纤维的力学属性不同于大片刨花，具体表现为木材黏弹性的削弱[16]。这造成在承载条件下F-OSB内部应力扩散阻滞，试件破坏多发生在表层区域，F-OSB长度和宽度方向的形变量差异小。

表3 最大载荷条件下4种试材的最大位移Table 3 Maximum displacements of four types of specimens at the maximum loading force

三点弯曲测试条件下，OSB试件形变由弹性形变和弹塑性形变组成(图3中箭头所示)，这说明OSB在一定程度上保持了木材固有的力学属性。由于F-OSB试件弹性模量较小，弹塑性形变区间不明显。F-OSB长度和宽度方向具有相似的载荷与位移曲线，与中密度纤维板的载荷与位移曲线相似[17]。这可能是因为与芯层纵横交错的长片刨花排列方式相比，表层结构对F-OSB的变形方式影响更大。

图3 三点弯曲测试条件下载荷与位移的关系Fig.3 The relationship between loading and displacement at three-point bending test

2.2 应变分布

载荷平行和垂直于表层刨花纤维方向条件下，OSB和F-OSB的拉伸和压缩应变分布对比见图4。为了对比同一厚度、同一方向上OSB和F-OSB的应变分布，选取同组中较小的最大载荷作为参考。OSB试件内应变多集中于上下表层，同时芯层区域也有应变分布，上下表层拉伸和压缩应变同时存在(图4)。在承载条件下OSB内应力扩散迁移具有一定的随机性，这可能与刨花形态、胶接方式及刨花排列方向有关，造成OSB的MOE和MOR标准差较大(表2)。F-OSB试件内应变多集中于上下表层，且上表层主要是压缩应变，下表层主要是拉伸应变，芯层应变较小。F-OSB破坏主要表现为上下表层的应变集中，其MOE和MOR标准差较小也与破坏因素单一有关。

图4 三点弯曲测试条件下拉伸和压缩应变分布Fig.4 Tension and compression strain distribution at three-point bending test

F-OSB试件在图4和图5所示载荷条件下，上下表层和芯层的绝对应变平均值见表4。试件内应变以弯曲应变为主，且主要集中于上下表层；同时，剪切应变较小，层间差异性不大。

剪切应变往往会造成试件内部结构变化，具体表现为木材刨花间相对位置滑移。多孔的内部结构使木材刨花在承载条件下易发生孔隙压溃、胶联刨花开胶和错位，并产生剪切应变[10]。8组试件的剪切应变分布见图5。对于结构梁材料，三点弯曲测试时最大的剪切应变出现在中性面，表面层区域的剪切应变较小。OSB试件内上下表层和芯层区域均有明显的剪切应变出现，这可能与OSB交错组坯的长片刨花有关。在拉伸或压缩试验中，加载方向平行于木材纹理方向的抗弯强度明显高于垂直于木材纹理方向的抗弯强度，但平行于木材纹理方向的抗剪强度低于垂直于木材纹理方向的抗弯强度[12]。因此，刨花方向很大程度上影响了剪切应变的分布。剪切应变集中容易造成木材刨花间相对位置滑移和试件内部结构破坏。本研究发现OSB试件破坏行为包括上下表层和芯层断裂(图5中的黑色虚线所示)，并具有一定的随机性。F-OSB的初始破坏多集中于试件上下表层，并最终引起试件芯层断裂(图5中的黑色虚线所示)。F-OSB试件上下表层剪切应变较小，且多沿同一方向发生。表明失效前F-OSB试件芯层结构未发生明显的两个相反方向上的剪切破坏，上下表层较小的剪切应变是由于表层细刨花或纤维的压缩或拉伸引起的局部结构变形。