杨木单板层积材力学性能足尺检测试验分析

刘一楠，郑海威，刘巍岩，孙玉慧，顾　颜，林利民

(黑龙江省木材科学研究所，哈尔滨 150081)



杨木单板层积材力学性能足尺检测试验分析

刘一楠，郑海威，刘巍岩，孙玉慧，顾颜，林利民*

(黑龙江省木材科学研究所，哈尔滨 150081)

首次通过足尺检测的方式对不同规格杨木单板层积材性能进行检测。分析试验方法和试件规格尺寸等因素对杨木单板层积材静曲强度、弹性模量、抗压强度和抗拉强度等力学性能影响。测试结果显示：杨木单板层积材试件的幅面宽度对于材料的性能影响较大，幅面越宽试件中出现的缺陷越多，性能越低。

单板层积材；力学性能；足尺检测

0　引　言

轻型木结构建筑具有节能环保、设计灵活、易于施工和结构坚固稳定等特点，相对钢铁等建筑中常用的材料更加轻质且节能[1-2]。木结构建筑在欧美等发达国家已经十分普及，且对于木结构建筑的结构设计和选材的标准体系也已经十分完善[3-4]，近年来轻型木结构建筑在我国的发展也非常迅速，对于木结构材料的研究也更加全面[5-6]。单板层积材作为轻型木结构建筑常用的材料之一，不但能保持木材原有的天然特性，还具有强度高、性能稳定等优点[7]。国际上对结构用单板层积材的研究主要针对材料本身的性能和结构优化[8-9]。然而建筑结构用材的特殊性，使得材料的足尺检测研究能够更加真实的反应材料在使用中的极限状态。ESA Wahab主要针对当地常用的木材——橡胶木制成的单板层积材进行了足尺性能研究[10]。杨木作为东北地区的主要阔叶速生材，产品具有质量轻、材质均匀、节子少等优点，其材质特性与北美轻型木结构单板层积材常用的SPF(spruce-pine-fir)十分相似。目前，国内对于杨木单板层积材的足尺力学性能研究尚属空白。因此，笔者参照北美木结构标准体系，对不同规格尺寸的结构用杨木单板层积材进行足尺检测，分析不同尺寸对其性能的影响，以填补相关研究的空白，为国内研究部门和生产企业提供参考。

1　试验材料与方法

1.1试验材料

杨木(Populusspp.)单板层积材，在山东临沂某企业订制生产。由23层厚度为2 mm的单板组坯，压缩率15%，采用搭接方式接长，采用酚醛树脂胶粘剂，其技术指标为：固体含量48.5%，pH值11.38，游离酚含量0.38%，游离甲醛含量0.32%，可被溴化物12.32%。制成板材规格为：3 500 mm×1 200 mm×40 mm(长×宽×厚)。依照GB/T 20241-2006《单板层积材》检测，其主要性能指标为：密度0.61 g/cm3，含水率13.2%，浸渍剥离率为0[11]。材料力学性能测试参照ASTM D4761-02“Test Methods for Mechanical Properties of Lumber and Wood-Base Structural Material(木基结构材力学性能测试方法)”中的要求将试件经纵向刨分锯解成厚度为40 mm，宽度分别为50、60、80、100 mm的木方。再根据标准ASTM D4761-02中不同测试的要求将木方截成适合的长度[12]。

1.2试验方法

主要参考北美标准ASTM D4761-02“Test Methods for Mechanical Properties of Lumber and Wood-Base Structural Material(木基结构材力学性能测试方法)”确定测试方法；主要参照ASTM D 5456-09“Standard Speci cation for Evaluation of Structural Composite Lumber Products(结构用复合木材产品的评估规范)”和ASTM D 2915-03“Practice for Evaluating Allowable Properties for Grades of Structural Lumber(各等级木质结构)”等[12-14]，进行试验结果的评定及材料性能特征值的计算。

测试试验主要技术参数见表1。

表1　杨木单板层积材测试试验主要技术参数

2　试验结果与分析

表2列出各规格杨木单板层积材力学性能的平均值和特征值。

表2　杨木单板层积材力学性能检测结果

2.1抗弯性能

图1为杨木单板层积材静曲强度和弹性模量测试试验结果。从图1中可以看出，垂直胶层加载测试方法所得到的静曲强度和弹性模量均存在一定差异，分别为7.4%和4.3%。在试件高度和跨距不变的情况下，试件的宽度越宽，其静曲强度和弹性模量就越小，通过标准方法所得到的特征值也具有相同的规律。产生此种差异的原因是由于制作试件的单板在铺装方向是一致的，试件的宽度越大，单位长度上单板出现的缺陷就越多，因此试件的静曲强度和弹性模量也越低。

(a)静曲强度(垂直胶层加载)

(b)弹性模量(垂直胶层加载)

(c)静曲强度(平行胶层加载)

(d)弹性模量(平行胶层加载)

在平行胶层加载测试中试件的宽度不变，实验跨距随着试件高度的增加而增加。侧弯实验所得结果表明，试件的静曲强度及其特征值的整体变化趋势会随着试件高度的增加而降低，最大值与最小值相差16.5%。造成此种差异的原因除了上面提到的缺陷增多的问题之外，不同的试件高度所产生的尺寸效应也是造成此种变化趋势的原因[7]。侧弯弹性模量的变化规律并不显著，这种无规律不明显的差异应为材质缺陷和试验误差引起。

2.2横纹抗压强度

图2给出了杨木单板层积材横纹抗压强度试验结果，试件截面规格为50 mm×40 mm。

从测试试验结果可知，杨木单板层积材同一样本不同加载方向的横纹抗压强度值差异较明显，使用垂直胶层方向加载所得到的抗压强度值要显著高于平行胶层方向加载所得强度值约10%；这主要是由于单板层积材在生产加工过程中需要在垂直胶层的方向对板材施加较大压力，使胶黏剂渗入板坯之中，增强板坯与胶层之间的结合强度。在升温加压过程中，垂直胶层方向的压力会压缩单板，使单板纤维在垂直胶层方向上的空隙减小密度和强度增加。因此试件在垂直胶层方向的横纹抗压强度要高于平行胶层方向的抗压强度。

图2　杨木单板层积材横纹抗压强度测试试验结果Fig.2 Compressive strength of poplar laminated veneer lumber under load perpendicular the grain

2.3顺纹平行抗剪

图3为杨木单板层积材顺纹抗剪强度(平行胶层加载)测试试验结果，图中可以发现当截面厚度一致，样品截面宽度为60 mm的样品的顺纹平行抗剪强度的平均值和特征值均要显著低于截面宽度为50 mm的样品。产生此种差异的原因依然是较宽幅面的试件在单位面积上含有的缺陷较多致使其抗剪强度较低。

图3　杨木单板层积材顺纹抗剪强度测试试验结果Fig.3 Shearing strength of poplar laminated veneer lumber under load along the grain

2.4顺纹抗拉

图4给出了杨木单板层积材顺纹抗拉强度测试试验结果。

图4　杨木单板层积材顺纹抗拉强度测试试验结果Fig.4 Extension strength of poplar laminated veneer lumber under load along the grain

从测试试验结果可知，不同横截面尺寸(LVL50和LVL60)杨木单板层积材的顺纹抗拉强度值差异不大，特征值也比较接近，产生细微差异的原因依然是较宽幅面的试件的缺陷较多，致使其抗拉强度较低，同时尺寸效应也对材料的强度有一定的影响[15-16]。

3　结　论

(1)对于实际应用中的全尺寸试件，结构用杨木单板层积材的截面尺寸，对材料的各项力学性能影响较大。

(2)由于单板层积材制作工艺的特殊性使得其试件在不同方向上的强度差异较大，较大幅面单板的缺陷情况更多，会在一定程度上影响材料本身的性能。

建议企业在生产加工过程中，在保证使用功能和承载强度的前提下，可以适当减小单板层积材试件幅面的宽度。如果需要较大幅面的试件，原料的筛选要更加严格，以保证木材的缺陷不要过于集中。

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Mechanical Capacity Test and Analysis of Full ScalePoplar Structural Laminated Veneer Lumber

Liu Yinan，Zheng Haiwei，Liu Weiyan，Sun Yuhui，Gu Yan，Lin Limin*

(Heilongjiang Institute of Wood Science，Harbin 150081)

In this paper，the performances of poplar structural laminated veneer lumber(LVL)with different dimensions were tested by using full scale testing.The impacts of different factors such as testing methods，sample dimension，and others on the mechanical performance of LVL including MOR，modulus elasticity of compressive intensity，and tensile strength were analyzed.The results indicated that the width of the samples had the largest impact on the mechanical capacities of poplar structural laminated veneer lumber.The more flaws observed in the wide samples the lower the performance.

structural laminated veneer lumber；mechanical performance；full scale testing

2016-01-13

林业公益性行业科研专项(201304514)

刘一楠，硕士，助理研究员。研究方向：人造板及复合材料。

林利民，研究员。研究方向：人造板及结构材。E-mail：linlimin0451@126.com

刘一楠，郑海威，刘巍岩，等.杨木单板层积材力学性能足尺检测试验分析[J].森林工程，2016，32(5)：31-34.

TS 653

A

1001-005X(2016)05-0031-04