胶粘剂对指接层板静曲性能的影响

李荣帆，张 尚，倪 竣，丁青锋，邵明洁，柳蒋琼

(1.苏州昆仑绿建木结构科技股份有限公司，江苏 苏州 215000；2.悉地勘察设计顾问有限公司，江苏 苏州 215000)

1 引言

木材作为建筑材料，具有可再生、自重轻、强度高等优点。近年来，一批性能优越的现代工程木，如结构用集成材(Structura glues-laminated timber，NLT)和正交胶合木(cross-laminated timber，CLT)等[1,2]。结构用集成材是指按木材等级区分的层板和指接层板，沿木材纤维方向相互平行、在厚度方向层积胶合而成，其加工工艺如图1所示。结构用集成材通过指接和层积工艺使其尺寸不受原材料的影响，因此其指接工艺对结构用集成材的影响较大，前人对指接的研究主要集中在指接类型(垂直指接，水平指接)、指接齿长、指接斜面倾斜比等。指接示意图如图2所示。因为结构用集成材加工时尺寸不受限制，被广泛应用于木结构建筑墙体、楼板、屋面板等[3,4]。

图1 结构用集成材加工工艺流程

图2 指接示意

近些年来，国内诸多学者对木指接工艺及指接性能方面也做了一系列研究。其中李海栋[5,6]等以指榫参数、指接压力和不同规格尺寸作为参数，研究上述参数对指接层板的影响。结果表明：上述参数对指接层板的抗弯弹性模量影响较小，但是对指接层板的抗弯强度影响较大。周海宾[7]等研究了指接接头对指接胶合木力学性能的影响。结果表明：当层间接头分布距离为300 mm时，抗弯实验中指接接头处破坏的概率最低。奉佳等[8]对指接足尺胶合木梁进行了抗弯性能试验并且以梁高最为参数。结果表明：不考虑胶层质量的影响，当梁高为300 mm和400 mm时，破坏模式为梁底纤维拉断。当梁高为500 mm时，破坏模式则为弯剪段梁底指接处纤维破坏。且在保证胶层质量的前提下，指接胶合木梁的抗弯承载能力会随着梁高的增大而减小。叶琦[9]等选取不同指长的铣刀、不同大小的嵌合度以及不同端压作为参数，来分析指接工艺对指接层板性能的影响。结果表明选取指长15 mm、齿顶宽0.8 mm、齿底宽0.7 mm、齿根宽3.3 mm、嵌合度0.1 mm、端压11～19 MPa作为指接工艺的参数较为合理。孙玉慧[10]等通过正交实验分析了指榫类型、施胶量及端压对OSB指接材抗弯强度和抗拉强度的影响。结果表明：指榫类型对OSB指接材的静曲及抗拉强度影响显著。当施胶量为290 g/m2、端压为3 MPa时，OSB指接材的力学性能较为优异。谢力生等[11]探讨了榫型、嵌合度、指接压力对指榫胶接力学性能的影响规律。结果表明：指榫胶接所需的指接压力会随着嵌合度的增大而显著增大、各榫型的指接强度随着榫齿长度的增加而增加。并且推荐以榫齿角9.8°、榫齿长15～20 mm、齿槽底宽0.8～1.2 mm、指接压力10～15 MPa及嵌合度0.12～0.2 mm作为指接工艺的参数。周志芳[12]等取截面尺寸、加载方式和指接形式作为参数。并研究上诉参数对落叶松大尺寸结构指接材抗弯性能的影响。结果表明：截面尺寸和指接形式对落叶松指接材抗弯性能的影响较大。同时，在保证强度的前提下，不建议使用大截面尺寸的结构指接材。左宏亮等[13]通过四点受弯试验来分析了底部指接层板增强措施对胶合木梁受弯性能的影响。结果表明：在胶合木梁底部粘贴碳纤维布、从梁底垂直或倾斜45°旋入自攻螺钉均可改善胶合木梁的受弯性能，且其初始刚度与无指接胶合木梁刚度相近。郭萤洁[14]通过兴安落叶松的指接几何参数以及其本身的力学强度，建立指接部位破坏的强度预测模型。并且能够较好地预测出兴安落叶松成熟材指接顺纹方向的抗拉强度。黄仲华[15]、刘星雨[16]等对我国的木材、竹材的指接工艺、技术研究和发展现状做了一系列探讨。并预测其发展前景，且指出往后新型胶粘剂开发等方面的发展趋势。但目前为止，从耐久性和力学性能角度来全面评价胶黏剂种类对胶合界面性能影响的研究较为有限。对此，笔者对不同胶粘剂下指接层板的抗弯性能进行研究，为指接工艺中选择最为合适的胶粘剂提供提供科学指导。

2 材料与方法

2.1 试验材料及设备

欧洲云杉(Piceaabise)采自UPM集团，含水率为12.2%、气干密度为0.38 g/cm3、全干干密度为0.36 g/cm3、抗弯弹性模量为9000 MPa、抗弯强度为45.23 MPa。胶粘剂采自汉高集团，其中聚醋酸乙烯胶粘剂(KL 3052SR)的固含量为48%～50%、粘度6500 cps(BF RVF 5#/10rpm/27 ℃)、比重1.1、pH值2.3～3.3，聚醋酸乙烯胶粘剂(KL 3052HVD)的固含量为48%～50%、粘度8000 cps(BF RVF 5#/10rpm/27 ℃)、比重1.1、pH值2.3～3.3，单组份聚氨酯(HB S309)固含量为48%～52%、粘度7000～9000 ps(BF RVF 5#/10 rpm/27 ℃)、比重1.18、pH值7～8。

层板指接机为威力(烟台)木业技术有限公司的长料指接机 Ultra TT 3000、四面刨光机为威力(烟台)木业技术有限公司木结构重型四面刨 U800系列、力学试验机为邦威万能力学试验机。

2.2 试验方法

指接层板的指接类型为垂直型、指接齿长为19 mm、指接斜面倾斜比1/7.2、施胶量为160 g/m2、压力为10 MPa。指接层板的受弯性能试验参照GB/T 26899-2011《结构用集成材》和GB/T 50329-2021《木结构试验方法标准》[17,18]测试指接层板的抗弯强度，层板截面为33(h)×140 mm(b)×1200(L)，试验中试件的净跨取试件厚度的25倍(25 h)，加载点间跨距为264 mm(8 h)。通过量程为300 kN的万能试验机加载荷载，速率恒定为5 mm/min。同时在指接层板的跨中位置布置位移计，来测量指接层板的竖向挠度。具体试验装置见图3。

图3 加载装置

3 结果与分析

3.1 荷载-挠度

图4为不同胶粘剂作用下指接层板的荷载-挠度曲线。由图4可见，加载初期，指接层板处于弹性状态，跨中挠度与荷载呈线性增长关系。由于木材和胶粘剂本身的破坏模式均为脆性破坏，因此在指接层板到达峰值荷载，层板指接处断裂，承载力发生骤降。由于木材的含水率、初始缺陷都会对层板的力学性能造成一定的影响，因此同组的3根试件所得出的荷载-挠度曲线会存在一定的差异。其中图4(c)中一条曲线中途出现下降段的原因是由于该指接层板底部靠近跨中位置存在木节等初始缺陷，从而导致木节处先破坏，造成承载力有一定的骤降。

图4 荷载-跨中挠度曲线

3.2 指接层板与层板的性能差异

为了更直观地看出指接层板的抗弯性能，在此添加云杉层板作为对照组。图5为云杉层板的荷载-挠度曲线图，图6为指接层板与云杉层板之间的荷载-挠度曲线对比图。从图中不难发现，层板的极限承载力及初始刚度远高于指接层板。指接对木层板的初始刚度，抗弯强度影响较大，因此挑选合适的胶粘剂是弥补这一缺陷的重要手段。

图5 云杉层板荷载-挠度曲线

图6 指接层板与层板荷载-挠度曲线对比

3.3 抗弯刚度及静曲强度

借鉴欧洲规范[19]、美国规范[20]以及国内规范GB/T 26899-2011[17]中针对四点受弯试验计算试件弹性模量及抗弯强度所对应的公式，来对不同胶粘剂作用下指接层板的抗弯性能进行计算。具体公式如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：EI代表试件的抗弯刚度，l代表指接层板的净跨，s为加载点之间的距离，ΔP为弹性阶段上下限荷载的差值，Δy对应了弹性阶段相应荷载的挠度，σb为指接层板的抗弯强度，Pb为试件的极限荷载。

从图7中不难发现使用使用HB S309作为胶粘剂的指接层板的抗弯刚度及抗弯强度方面明显优于使用KL 3052SR和KL 3052HV的指接层板。

图7 指接层板抗弯刚度及抗弯强度对比

4 结论

(1)HB S309胶粘剂在指接层板抗弯强度及抗弯刚度方面要优于KL 3052SR和KL 3052HV。因此对于指接层板的制作，建议采用聚氨酯类胶粘剂。

(2)影响指接层板性能的因素有很多，胶粘剂的因素只是其中一种。后续可对指接工艺的参数对指接层板性能的影响进行一系列参数化分析。比如：指榫长度、指榫间距、指榫角度及指接压力等。

表1 各指接层板的极限承载力、跨中挠度、静曲强度及初始抗弯刚度

(3)由于我国各个地区气候不同，因此对胶粘剂的选择也不同，需要进一步通过各种试验的验证，以及对胶粘剂的不断改进和创新，来挑选出适合不同地区的胶粘剂。