水分对木质工字梁翼缘/腹板接口性能的影响*

李军伟，陈 竹

（云南林业职业技术学院，云南 昆明 650224）

水分对木质工字梁翼缘/腹板接口性能的影响*

李军伟，陈 竹

（云南林业职业技术学院，云南 昆明 650224）

木质工字梁（Wood I-Beam，简称：IB）在使用过程中将不可避免地遇到潮湿环境的影响，研究水分对翼缘/腹板接口性能的影响，对确保IB接口最佳胶合状态以及最终产品尺寸稳定性至关重要．研究结果表明：IB的综合性纤维饱和点只有25%左右；含水率从8.9%提高到25%的接口的承压能力下降了47.2%，含水率从25%提高到53%的接口的承压能力仅下降了0.6%；水分对IB翼缘和腹板尺寸变化的影响是水分影响接口承载能力的间接因素；吸湿后接口的承载能力并不能恢复到吸湿前的初始水平；解吸至8.9%含水率的IB接口的承载能力比吸湿前同等含水率的IB接口低了17.8%．

木质工字梁；翼缘/腹板接口；水分

木质工字梁（Wood I-beam，简称IB）作为替代实木梁的建筑构件具有其自身特有的优点，是一种资源高效利用型现代木质建筑材料．木质工字梁翼缘与腹板是由2种材性不同的材料拼装在一起，通过一个接口结合组合成一个整体，翼缘/腹板的接口连接，一方面使IB得以成型，另一方面起到了传递荷载和赋予IB整体力学性能的作用[1，2]．目前人们普遍关注的是IB的整梁静曲性能，而针对木质工字梁翼缘/腹板接口的研究则很少．

由于木质工字梁在使用过程中将不可避免地遇到潮湿环境的影响,研究水分对翼缘/腹板接口性能的影响对确保IB接口最佳胶合状态以及最终产品尺寸稳定性至关重要．目前国内外就水分对IB性能的影响的研究，主要是针对水分对静曲挠度的影响．Erik Serrano等就水分对采用聚氨酯为胶粘剂的IB翼缘/腹板接口水平剪切性能的影响作了研究，结果显示在45%、65%、85%的相对湿度条件下，IB接口的水平剪切强度随含水率的上升而明显下降[3]．

本文通过单因素试验，检测不同含水率下IB翼缘/腹板接口的垂向承载能力、胶合性能、以及抗劈裂性能，探究水分对IB翼缘/腹板接口力学性能及尺寸稳定性的影响．

1 试验方法

1.1 材料

翼缘、腹板材料规格性能详见表1．接口胶粘剂采用单组分聚氨酯胶粘剂，施胶量500g/m2，加压固化时间30～45min．

1.2 试验设计

本试验采用单因素试验法，取绝对含水率为变量（见表2），共6个含水率水平，每个水平8个试件．

1.3 衡量指标

本次试验衡量指标见表3．

1.4 仪器与设备

深圳三思5吨力学试验机（精度10N）；日本岛津5吨力学试验机（精度10N）；木工立式单轴铣床MX5117B；德国费斯托多功能木工锯机；自制IB翼缘/腹板组装夹具；自制抗拉夹具一套；自制60˚尖劈形压头；游标卡尺(精度0.01mm)；恒温恒湿箱一个（宽×高×深：80cm×90cm×70cm）；高温干燥箱．

表1 翼缘、腹板材料规格及性能

表2 含水率设置及其依据

表3 试验衡量指标

1.5 试验步骤

1.5.1 试件制备及尺寸计量

按照接口角度9˚，接口槽深12mm制成IB短梁，按照每个试件长度100mm截取IB短梁制得试件，对每个试件分别测量其翼缘宽度、翼缘厚度、腹板厚度及腹板高度，精确至0.01mm．

1.5.2 目标质量计算

用代表性试件在干燥箱中干燥至绝干，获所有试件的起始相对含水率（GB1931-91,或ASTM D4442-92）；以此为基础，计算获得上述每一试件达目标相对含水率时的质量（含应增水分的质量）．

1.5.3 含水率控制

气干含水率的获得：昆明5月份大气环境下自然陈放．12%、17.5%、25%含水率采用调试恒温恒湿箱到预设含水率来获得（温度21.1℃，湿度65%～95%）．48h浸水组采用20℃冷水浸泡48h后室温放置30min来获得．反干组采用恒温恒湿箱增湿至25%后室温放置至气干含水率．各组试件达到设定目标重量后将试件用塑料薄膜包裹衡湿1天以上保证件内外部含水率均匀[4]．

1.5.4 指标测试

1）IB翼缘、腹板不同方向尺寸膨胀率测试方法：试件内外部含水率达到平衡后，用游标卡尺对测量其翼缘宽度、翼缘厚度、腹板厚度及腹板高度，精确至0.01mm．

2）采用垂向抗拉方法测试IB接口胶合面抗剪切性能，如图1所示．

3）采用尖劈形压头垂向下压方法测试IB接口抗劈裂性能，如图2所示．

4）采用垂向抗压方法测试IB接口垂向承压性能，如图3所示．

图1 IB接口垂向抗拉测试

图2 IB接口抗劈裂测试

图3 IB接口垂向承压能力测试图

2 试验结果分析

2.1 IB纤维饱和点的识别

当木材含水率达到纤维饱和点以后，木材内部吸着水达到饱和，在湿蒸汽环境下质量不再增加，只能通过受潮或浸泡的方式增加自由水使其含水率上升，但木材力学性能不再下降，尺寸也不再发生变化．基于纤维饱和点的特性，对IB纤维饱和点进行识别，如图4所示，当含水率达到25%以后，IB接口各力学性能下降趋势以及IB翼缘、腹板不同方向的尺寸膨胀率增长趋势均显著减缓，但仍有微小变化，所以认定IB纤维饱和点含水率为25%左右，由于胶粘剂的介入，IB纤维饱和点含水率低于木材的平均纤维饱和点含水率（30%）．

由图4知，水分对IB翼缘/腹板接口各力学性能的影响程度大小顺序为：垂向承压能力>翼缘槽底抗劈裂能力>胶合面抗剪能力．

图4 IB接口力学性能、尺寸膨胀率和含水率的关系

2.2 水分对IB翼缘/腹板接口胶合性能的影响

含水率与IB接口胶合面抗拉荷载的关系如图5所示，随着含水率的上升．IB接口胶合面抗拉荷载随之下降，如图6所示，可以看出，含水率由8.45%上升至12%，抗拉荷载较吸湿前下降了18.75%．当含水率达到25%，抗拉荷载较吸湿前下降了35.95%．而浸泡至含水率为47.28%时，抗拉荷载较吸湿前下降了37.65%．

结果表明随着含水率上升，IB接口胶合面剪切破坏荷载下降幅度减小，含水率上升至纤维饱和点（25%）之前，破坏荷载下降幅度较大，当含水率上升至纤维饱和点以后，破坏荷载下降幅度显著减小．

通过拟合，在纤维饱和点（25%）以下，含水率与IB接口胶合抗拉荷载为幂函数关系，y=13.604x-0.4079，拟合度较高，R2=0.971（如图5所示）．含水率与IB接口胶合抗拉荷载下降率为对数函数关系，y=32.701lnx-66.438，拟合度较高，R2=0.9467（如图6所示）．

当含水率由25%反干至吸湿前的8.45%，IB接口胶合面剪切破坏荷载与吸湿前相比下降了10.56%．

在胶结合能力不受或少受水分影响为前提下，随着含水率的上升，IB翼缘/腹板接口胶合层附近木材横纹抗拉能力也随之下降，IB接口木破率应有所提高．

本次试验所用聚氨酯胶粘剂具有很好的耐水性，观察得知，随着含水率上升，IB接口胶合面木破面积增大，木破变深，如图7所示．含水率与接口木破率关系如图8所示，可见，达到纤维饱和点（25%）以后接口木破率几乎不再增大．

图5 IB接口垂向抗拉荷载与含水率的关系

图6 IB接口垂向抗拉荷载下降率与含水率的关系

图7 不同含水率IB接口木破率示意图

2.3 水分对IB接口抗劈裂性能的影响

含水率与IB接口劈裂荷载的关系如图9所示，随着含水率的上升．IB接口抗劈裂荷载随之下降，如图10所示，从图中看出，含水率由吸湿前的9.97%上升至12%，劈裂荷载较吸湿前下降了10.29%，当含水率达到25%，劈裂荷载较吸湿前下降了33.14%，而浸泡至含水率为54.47%时，劈裂荷载较吸湿前下降了36%．

结果表明随着含水率上升，IB接口抗劈裂荷载下降幅度减小，含水率上升至纤维饱和点（25%）之前，劈裂荷载下降幅度较大，当含水率上升至纤维饱和点以后，劈裂荷载下降幅度显著减小．

图8 含水率与IB接口木破率的关系

通过拟合，在纤维饱和点（25%）以下，含水率与IB接口抗劈裂荷载为幂函数关系，y=4.6303x-0.4291，拟合度较高，R2=0.9949（如图9）；含水率与IB接口抗劈裂荷载下降率为对数函数关系，y=35.136lnx-78.872，拟合度较高，R2=0.9846（如图10所示）．

当含水率由25%反干至吸湿前的9.97%，IB接口抗劈裂荷载与吸湿前相比下降了4.57%．

2.4 水分对IB接口垂向承压性能的影响

含水率与IB接口垂向承压破坏荷载的关系如图11所示，随着含水率的上升，IB接口胶合面剪切破坏荷载随之下降，如图12所示，可见，含水率由吸湿前的8.93%上升至12%，破坏荷载较吸湿前下降了19.59%，当含水率达到25%，破坏荷载较吸湿前下降了47.16，而浸泡至含水率为53.35%时，破坏荷载较吸湿前下降了47.75%．

结果表明随着含水率上升，IB垂向承压破坏荷载下降幅度减小，含水率上升至纤维饱和点（25%）之前，破坏荷载下降幅度较大，当含水率上升至纤维饱和点以后，破坏荷载下降幅度显著减小．

通过拟合，在纤维饱和点（25%）以下，含水率与IB接口垂向承压荷载为幂函数关系，y=53.318x-0.6172，拟合度较高，R2=0.995（如图11）；含水率与IB接口垂向承压荷载下降率为对数函数关系，y=45.31lnx-96.093，拟合度较高，R2=0.9741（如图12所示）．

当含水率由25%反干至吸湿前的8.93%，IB接口胶合面剪切破坏荷载与吸湿前相比下降了17.84%．

2.5 水分对IB翼缘和腹板尺寸的影响进而对接口力学性能的影响

水分可通过影响IB翼缘、腹板尺寸进而对IB接口力学性能造成影响．其中，导致IB翼缘/腹板接口力学性能下降的尺寸变化主要有2个方面，一是腹板的厚度胀缩和翼缘的横纹胀缩，当IB吸水/湿膨胀时，由于腹板厚度膨胀率大于翼缘LVL的宽度膨胀率（如图13所示），接口槽斜面垂直方向必然产生膨胀压，有可能导致翼缘产生劈裂，从而使得IB接口抗劈裂性能及垂向承压性能下降．二是腹板的平面胀缩和翼缘的厚度胀缩，当IB吸水/湿膨胀时，由于IB的翼缘LVL厚度膨胀率大于腹板的高度膨胀（横向线膨胀）（图13），因而在翼缘和腹板的胶合面必然产生垂向剪切的作用，胶层有可能受到剪切应力发生破坏，从而使得IB接口胶合性能及垂向承压性能下降．

另外，IB翼缘、腹板尺寸的变化还会引起IB接口胶合面积的变化，进而影响IB接口的胶合强度．当IB吸湿/水膨胀时，随着翼缘厚度增大，接口槽深和胶合面积也随之增大．分别对比用吸湿前IB气干尺寸（不考虑水分对IB尺寸影响）计算得出的胶合强度和用不同含水率下实测IB尺寸（考虑水分对IB尺寸影响）计算得出的胶合强度，两者之差即为尺寸变化导致的IB接口胶合强度的下降（图14）．

图9 IB接口劈裂破坏荷载与含水率的关系

图10 IB接口劈裂破坏荷载下降率与含水率的关系

图11 IB接口垂向承压破坏荷载与含水率的关系

图12 IB接口垂向承压破坏荷载下降率与含水率的关系

图13 含水率与IB接口尺寸膨胀率的关系

图14 气干尺寸与实测尺寸下的IB接口胶合强度

3 结 论

1）水分可显著影响IB翼缘/腹板接口的各力学性能，影响程度大小顺序为：垂向承压能力>翼缘槽底抗劈裂能力>胶合面抗剪能力．

2）纤维饱和点以下范围内，水分对IB翼缘/腹板接口承力学性能的影响显著，纤维饱和点后则大为减缓．

3）含水率与IB接口各力学性能呈幂函数关系，与IB接口各力学性能的下降率呈对数函数关系，且拟合度很高．

4）水分对IB翼缘和腹板尺寸变化的影响是水分对IB翼缘/腹板接口各力学性能影响的间接因素．

5）吸湿后的IB翼缘/腹板接口的承载能力并不能恢复到吸湿前的初始水平；解吸后的IB翼缘/腹板接口的承载能力比吸湿前同等含水率的接口承载能力低了17.8% ．

[1] ASTM-D5055-04.Standard Specification for Establishing and Monitoring Structural Capacities of [S]．American Society for Testing and Materials, 2004．

[2] 任晓峰，申士杰．中国工程木质材料开发大有前景[J]．国际木业，2008（4）：20-23．

[3] Erik Serrano and Mikael Fonselius. A method for glued bond quality testing of flange/web adhesive connections of wooden I-beams[R]．Nordic Innovation Centre Report552, April 2004．

[4] 任雪莹．腹板横截面剪切弹性模量对木质工字梁静曲挠度的影响[D]．西南林业大学，2011．

Effects of Moisture on Properties of Wood I-Beam

LI Junwei, CHEN Zhu

（Yunnan Forestry Technological College, Kunming, Yunnan 650224, China）

The wood I-beam(IB) is constantly affected by the humid environment. In order to ensure the gluing effect and the size stability of final product, the research of the effect of moisture on the properties of IB joint is of great significance. The research results indicate that: 1) The comprehensive fiber saturation point (FSP) of IB is only about 25%;the bearing capacity of the joint declined 47.2% when moisture content(MC) increased from8.9%to 25%, the bearing capacity of the joint declined only 0.6% when moisture content increased from 25%to 53%. 2) The moisture effect on the flange and web dimension change is an indirect factor of moisture on properties of IB joint. 3) After the wet absorption, the carrying capacity cannot resume the initial level prior to wet absorption; the bearing capacity of the joint desorption to MC 8.9% is 17.8% lower than that of the same MC before wet absorption.

wood I-beam; flange-web joint; moisture

S784

A

1672-0318（2015）01-0033-06

10.13899/j.cnki.szptxb.2015·01, 007

2014-05-12

*项目来源：云南省教育厅2012年基金资助项目（2012Y071）和云南省教育厅2013年教改项目（20130106）

李军伟（1974-），男，副教授，硕士，主要从事家具设计与制造、木材加工工艺和设备的教学与研究工作．