喬鷺婷，謝力生*，唐子燊，徐竹華

(中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410004)

人工林杉木層板分級(jí)及性能研究

喬鷺婷，謝力生*，唐子燊，徐竹華

(中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410004)

對(duì)人工林杉木層板按照GB/T 50708—2012進(jìn)行目測(cè)分級(jí)和機(jī)械彈性模量分級(jí)，探討兩種分級(jí)方法的適用性和科學(xué)合理性。通過(guò)測(cè)定各層板的年輪寬度、絕干密度、彈性模量和靜曲強(qiáng)度并進(jìn)行處理與分析發(fā)現(xiàn)：對(duì)于目測(cè)分級(jí)，各等級(jí)層板的彈性模量值其離散度非常大且沒(méi)有規(guī)律性，其特征值(平均值和5%分位值)也達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，靜曲強(qiáng)度值的離散度也很大但其特征值隨層板等級(jí)的提高而增大，等外層板的彈性模量和靜曲強(qiáng)度值反而比等內(nèi)層板的要大；層板密度與其靜曲強(qiáng)度基本上沒(méi)有相關(guān)性，而層板的年輪寬度與其靜曲強(qiáng)度有一定的負(fù)相關(guān)性；層板的彈性模量與其靜曲強(qiáng)度有較好的正相關(guān)性，采用機(jī)械彈性模量分級(jí)，靜曲強(qiáng)度的特征值隨層板等級(jí)的提高而成比例地提高。研究表明，目前的目測(cè)分級(jí)方法不適合于人工林杉木層板的分級(jí)，目測(cè)分級(jí)層板因彈性模量達(dá)不到要求不能用于膠合木制造，而采用機(jī)械彈性模量分級(jí)法則可以制造出強(qiáng)度性能可靠的膠合木。

杉木；層板；分級(jí)；年輪；彈性模量；靜曲強(qiáng)度

近年來(lái)我國(guó)木結(jié)構(gòu)建筑的研究和制造正在悄然興起[1]?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)大量使用膠合木等強(qiáng)度性能可靠并可以設(shè)計(jì)的工程木質(zhì)材料，我國(guó)也開(kāi)展了不少有關(guān)膠合木的研究工作[2-3]，并發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50708—2012)。為保證膠合木的強(qiáng)度性能可靠，用于制造膠合木的層板必須進(jìn)行分級(jí)，制作膠合木結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)必須根據(jù)其主要用途所要求的層板等級(jí)配置進(jìn)行組坯[4-5]。層板分級(jí)主要有目測(cè)分級(jí)和機(jī)械彈性模量分級(jí)，目測(cè)分級(jí)因無(wú)需設(shè)備、簡(jiǎn)單易行而受到工廠的歡迎，機(jī)械彈性模量分級(jí)則更加準(zhǔn)確、可靠[6-8]。標(biāo)準(zhǔn)中給出了主要膠合木適用樹(shù)種及其分級(jí)層板的強(qiáng)度和彈性模量性能指標(biāo)，其適用樹(shù)種大多為歐美地區(qū)的松、杉類針葉材樹(shù)種，列入表中的國(guó)產(chǎn)樹(shù)種僅有東北落葉松以及其他符合強(qiáng)度等級(jí)的樹(shù)種。杉木生長(zhǎng)快，紋理通直，結(jié)構(gòu)均勻，不易變形，材質(zhì)輕韌，強(qiáng)度適中，抗蟲(chóng)耐腐，自古就是我國(guó)良好的建筑材料[9]。我國(guó)杉木林栽培面積為主要用材林之最，達(dá)8.5×106hm2，蓄積量達(dá)6.2×108m3[10]。若能用人工林杉木制造膠合木，則可大量替代進(jìn)口優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)用木材，不但能緩解我國(guó)結(jié)構(gòu)用材嚴(yán)重供不應(yīng)求的矛盾，更能高效利用我國(guó)南方豐富的人工林杉木，促進(jìn)林業(yè)的持續(xù)發(fā)展。有關(guān)學(xué)者對(duì)用人工林杉木制造非結(jié)構(gòu)用集成材進(jìn)行過(guò)一些研究[11-12]，但有關(guān)用人工林杉木制造結(jié)構(gòu)用集成材(膠合木)的研究[13]還少有報(bào)道。為此，筆者以足尺人工林杉木層板為對(duì)象，研究分級(jí)層板的強(qiáng)度性能特征值及其特點(diǎn)，探討是否適合目前的層板分級(jí)方法，能否用于膠合木的制造。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

杉木(Cunninghamialanceolata)板材：產(chǎn)自湖南邵陽(yáng)，樹(shù)齡約25 a，直徑約160 mm，氣干鋸材，含水率約16%，密度約0.34 g/cm3，寬×厚×長(zhǎng)為135 mm×30 mm×2 100 mm(含少量徑切板和弦切板，大部分為斜切板)，共286塊。

1.2 儀器設(shè)備

10 t萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)：型號(hào)E43.104，由MTS公司生產(chǎn)。木工精密圓鋸機(jī)：型號(hào)為MJ-90，新宇木工機(jī)械廠生產(chǎn)。電熱恒溫干燥箱：型號(hào)為SKFG-01，湖北黃石醫(yī)療機(jī)械廠生產(chǎn)。木工平刨床、木工單面壓刨床和電子天平等。

1.3 試驗(yàn)方法

用木工精密圓鋸機(jī)將杉木鋸材的端部鋸平齊，以便觀測(cè)年輪和髓心，然后用木工平刨床和單面壓刨床分別刨平其上、下兩平面，以便觀測(cè)板面上的各種缺陷。

觀察杉木板端面年輪，計(jì)算年輪個(gè)數(shù)，用直尺沿年輪徑向(木射線方向)測(cè)量數(shù)個(gè)年輪之間的距離，記錄并計(jì)算各層板的平均年輪寬度。徑向距離/年輪數(shù)即為層板的平均年輪寬度。若不同部位的年輪寬度存在明顯差異，則多處測(cè)量后取其平均值。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50708—2012《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中的“目測(cè)分級(jí)層板材質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”，根據(jù)板面上可見(jiàn)缺陷的類型、大小和分布等情況，對(duì)已兩面刨光的杉木板材進(jìn)行目測(cè)分級(jí)，由3人共同判定等級(jí)。

對(duì)通過(guò)目測(cè)分級(jí)得到的各等級(jí)杉木層板，全部根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26899—2011《結(jié)構(gòu)用集成材》中的“抗彎試驗(yàn)方法B”測(cè)定其彈性模量和靜曲強(qiáng)度，兩支點(diǎn)跨距為1 600 mm。

將測(cè)定完靜曲強(qiáng)度的各層板鋸掉中間破壞部分，按照GB/T 1931—2009《木材含水率測(cè)定方法》的要求，從各層板的兩端及中間部分分別鋸取含水率測(cè)試試件各2個(gè)，共6個(gè)，采用絕干法測(cè)試試件含水率，分別計(jì)算各層板的平均含水率；同時(shí)，測(cè)定絕干狀態(tài)下各試件的尺寸，計(jì)算各試件的絕干密度和各層板的平均密度值。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《結(jié)構(gòu)用集成材》中給定的公式E12=E[1+0.015(W-12)]和σb12=σb[1+0.04(W-12)]，將測(cè)定的彈性模量和靜曲強(qiáng)度值折算成含水率為12%時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)彈性模量和標(biāo)準(zhǔn)靜曲強(qiáng)度。

統(tǒng)計(jì)、處理所獲得的數(shù)據(jù)，分析各等級(jí)材質(zhì)杉木層板所對(duì)應(yīng)的彈性模量和靜曲強(qiáng)度值及離散情況，探討人工林杉木層板目測(cè)分級(jí)是否科學(xué)、合理。分析包含木材缺陷的足尺人工林杉木層板其平均年輪寬度、絕干密度和彈性模量與靜曲強(qiáng)度的相關(guān)性。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中的“機(jī)械彈性模量分級(jí)層板彈性模量的性能指標(biāo)”對(duì)所有層板進(jìn)行分級(jí)，考察各等級(jí)層板的靜曲強(qiáng)度的離散程度，探討人工林杉木層板機(jī)械彈性模量分級(jí)的科學(xué)、合理性。

2 結(jié)果與分析

2.1 層板目測(cè)分級(jí)

對(duì)286塊人工林杉木層板進(jìn)行目測(cè)分級(jí)，各等級(jí)層板的數(shù)量及特征值如表1所示。目測(cè)分級(jí)層板中的主要缺陷為木節(jié)及由木節(jié)所引起的局部木紋渦旋，等外材質(zhì)層板的主要缺陷為髓心和缺棱。各等級(jí)層板的彈性模量和靜曲強(qiáng)度值的分布情況如圖1和圖2所示。

表1 目測(cè)分級(jí)層板的數(shù)量及特征值

GB/T 50708—2012和GB/T 26899—2011中都規(guī)定，目測(cè)分級(jí)層板強(qiáng)度和彈性模量的性能指標(biāo)用平均值和5%分位值表示。5%分位值是指對(duì)有一定離散度的許多試件的實(shí)測(cè)值按照由低往上的順序排列時(shí)第5%的值(即95%保證率，0.05分位值)。由圖1可見(jiàn)，一等至四等層板的彈性模量的平均值和5%分位值的變化沒(méi)有規(guī)律性，二等層板的值最高；等外層板的彈性模量的平均值反而比等內(nèi)的更高，其5%分位值也比一等、三等和四等層板的更高；各等級(jí)層板彈性模量值的離散度雖然與沒(méi)分等相比有所減小，但仍然很大。這說(shuō)明對(duì)于人工林杉木層板，根據(jù)層板缺陷進(jìn)行目測(cè)分級(jí)不能有效地反映其材質(zhì)的彈性模量，分級(jí)沒(méi)有意義。這是由層板上所存在的各種缺陷的復(fù)雜性及其對(duì)彈性模量影響的復(fù)雜性所決定的。人工林杉木層板其材質(zhì)比較軟，木節(jié)小而多，木節(jié)及其周邊組織比正常部位的木材硬，能夠增加層板的整體剛度，因此含木節(jié)較多的低等級(jí)層板其整體彈性模量并不一定下降。

圖1 各等級(jí)杉木層板的彈性模量Fig. 1 The MOE of Chinese fir lamina in various grade level

圖2 各等級(jí)杉木層板的靜曲強(qiáng)度Fig. 2 The MOR of Chinese fir lamina in various grade level

由圖2可以看出，靜曲強(qiáng)度的平均值及5%分位值都隨目測(cè)分級(jí)層板等級(jí)從一級(jí)至四級(jí)而下降，即目測(cè)等級(jí)高的層板其靜曲強(qiáng)度的平均值和5%分位值大，而目測(cè)等級(jí)低的層板其靜曲強(qiáng)度的平均值和5%分位值小。這說(shuō)明根據(jù)層板缺陷進(jìn)行目測(cè)分級(jí)能夠基本反映其材質(zhì)的靜曲強(qiáng)度，具有一定的科學(xué)、合理性，但各等級(jí)層板靜曲強(qiáng)度值的離散度很大，說(shuō)明目測(cè)分級(jí)不準(zhǔn)確、可靠。另外，值得注意的是等外層板的靜曲強(qiáng)度其平均值比等內(nèi)層板的都要高，其5%分位值也比三等和四等層板的高。木節(jié)對(duì)木材的抗拉強(qiáng)度有十分顯著的影響，層板彎曲時(shí)其下表層承受拉力，因此含木節(jié)較多的低等級(jí)層板其靜曲強(qiáng)度較低，而含髓心的等外層板由于很少有木節(jié)其靜曲強(qiáng)度相對(duì)較高。

對(duì)于人工林杉木，一般樹(shù)齡不長(zhǎng)，木材直徑不大，1根圓木只能鋸取厚度25～35 mm的板材3塊左右，含髓心板材約占1/3。根據(jù)GB/T 50708—2012中的“目測(cè)分級(jí)層板材質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”，含髓心層板即被判定為等外材，不能用于膠合木制造，這對(duì)于人工林杉木的有效利用十分不利。而實(shí)際上由圖1及圖2可知，被判定為等外材的含髓心層板的彈性模量和靜曲強(qiáng)度并不比等內(nèi)層板差，甚至更好。這說(shuō)明目前的目測(cè)分級(jí)方法不合適于人工林杉木層板的分級(jí)。

表2 目測(cè)分級(jí)層板強(qiáng)度和彈性模量的性能指標(biāo)

表2為GB/T 50708—2012中要求的SZ4樹(shù)種目測(cè)分級(jí)層板強(qiáng)度和彈性模量的性能指標(biāo)。SZ4為該標(biāo)準(zhǔn)中的最低級(jí)別樹(shù)種。比較表1和表2可知，對(duì)于人工林杉木層板，采用目測(cè)分級(jí)，二等和三等層板的彈性模量平均值滿足SZ4樹(shù)種的標(biāo)準(zhǔn)要求，但一等至三等層板的彈性模量其5%分位值均低于標(biāo)準(zhǔn)的要求；一等至三等層板的靜曲強(qiáng)度值，無(wú)論是平均值還是5%分位值均高于標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，總體來(lái)說(shuō)，人工林杉木目測(cè)分級(jí)層板因彈性模量達(dá)不到要求而不能用于膠合木制造，同時(shí)也可以看出，人工林杉木其強(qiáng)度并不低，但剛度(彈性模量)較低。

2.2 層板密度和年輪寬度與靜曲強(qiáng)度的關(guān)系

層板密度與其靜曲強(qiáng)度的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，人工林杉木層板其密度與靜曲強(qiáng)度的相關(guān)性很小，與小尺寸清材試件的密度與靜曲強(qiáng)度之間有很好的相關(guān)性[14]截然不同，這是由于大尺寸足尺材包含各種缺陷的緣故。由此說(shuō)明，對(duì)于人工林杉木層板，不能根據(jù)層板的密度來(lái)推測(cè)其靜曲強(qiáng)度或進(jìn)行分等。

圖3 層板密度與靜曲強(qiáng)度的關(guān)系Fig. 3 The relation between the annual ring width of lamina and MOR

層板的平均年輪寬度與其靜曲強(qiáng)度的關(guān)系如圖4所示。層板的靜曲強(qiáng)度有隨其年輪寬度的增大而減小的趨勢(shì)，但其離散性很大，相關(guān)性并不強(qiáng)。因此，對(duì)于人工林杉木層板，也不宜根據(jù)層板的平均年輪寬度來(lái)推測(cè)其靜曲強(qiáng)度，但在進(jìn)行目測(cè)分等時(shí)可以作為一個(gè)重要的參考因子。

圖4 層板年輪密度與靜曲強(qiáng)度的關(guān)系Fig. 4 Relation between density of annual rings and MOR

2.3 層板機(jī)械彈性模量分級(jí)

各層板的彈性模量值與其靜曲強(qiáng)度值的關(guān)系如圖5所示。人工林杉木層板的靜曲強(qiáng)度與彈性模量有較好的正相關(guān)性，因此可以根據(jù)層板的機(jī)械彈性模量值來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度分級(jí)。根據(jù)GB/T 50708—2012中的“機(jī)械彈性模量分級(jí)層板彈性模量的性能指標(biāo)”進(jìn)行分級(jí)，可以分為ME7至ME16(ME后面的數(shù)字代表彈性模量值，單位為GPa)的8個(gè)等級(jí)共計(jì)259塊(其余27塊達(dá)不到ME7的要求)，各等級(jí)的層板數(shù)量如表3所示。

圖5 層板彈性模量與靜曲強(qiáng)度的關(guān)系Fig. 5 Relation between of lamina’s MOE and MOR

等級(jí)ME7ME8ME9ME10ME11ME12ME14ME16數(shù)量374250382338238

統(tǒng)計(jì)分析各等級(jí)層板所對(duì)應(yīng)的靜曲強(qiáng)度值及其分布，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，靜曲強(qiáng)度的平均值及5%分位值都隨機(jī)械彈性模量分級(jí)層板等級(jí)的提高而明顯增大，這說(shuō)明根據(jù)層板的彈性模量進(jìn)行分級(jí)能夠較好地反映其材質(zhì)性能，具有較好的科學(xué)、合理性。同時(shí)也可以看出，各等級(jí)機(jī)械彈性模量分級(jí)層板的靜曲強(qiáng)度值分布范圍仍然較大，即離散度仍然較大。這主要是由于層板上所存在的各種缺陷及其位置對(duì)彈性模量和靜曲強(qiáng)度的影響程度不同所引起的[9]。

圖6 機(jī)械彈模量分級(jí)層板的靜曲強(qiáng)度Fig. 6 The MOR of mechanical graded lamina

GB/T 50708—2012中規(guī)定的機(jī)械分級(jí)層板抗彎強(qiáng)度性能指標(biāo)和由實(shí)測(cè)得到的各機(jī)械分級(jí)層板靜曲強(qiáng)度的特征值如表4所示。比較表4中的性能指標(biāo)和實(shí)測(cè)值可知，人工林杉木層板按照機(jī)械彈性模量分級(jí)，各等級(jí)層板的彎曲強(qiáng)度的平均值和5%分位值均高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中所要求的性能指標(biāo)。由此說(shuō)明，人工林杉木層板采用機(jī)械彈性模量分級(jí)，可以制造出強(qiáng)度性能可靠的膠合木。

表4 機(jī)械分級(jí)層板抗彎強(qiáng)度性能指標(biāo)及實(shí)測(cè)值

3 結(jié) 論

對(duì)286塊人工林杉木層板進(jìn)行目測(cè)分級(jí)，測(cè)定其平均年輪寬度、層板密度、彈性模量和靜曲強(qiáng)度并進(jìn)行機(jī)械彈性模量分級(jí)，通過(guò)分析可以得出如下結(jié)論：

1)目前的目測(cè)分級(jí)方法不合適于人工林杉木層板的分級(jí)。

2)人工林杉木目測(cè)分級(jí)層板因彈性模量達(dá)不到要求而不能用于膠合木制造。

3)人工林杉木層板的密度與其靜曲強(qiáng)度基本上不相關(guān)，而其年輪寬度與靜曲強(qiáng)度有一定的負(fù)相關(guān)性。

4)人工林杉木層板采用機(jī)械彈性模量分級(jí)，可以制造出強(qiáng)度性能可靠的膠合木。

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Study on the grading and property of plantation Chinese fir lamina

QIAO Luting, XIE Lisheng*, TANG Zishen, XU Zhuhua

(CollegeofMaterialScienceandEngineering,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China)

According to the GB/T 50708-2012, visual grading and mechanical grading were used respectively to grade the plantation Chinese fir (Cunninghamialanceolata). The applicability and scientific rationality of the two approaches were explored. By measuring and analyzing the annual ring width, absolute dry density, modulus of elasticity (MOE), and modulus of rupture (MOR) of each lamina, the results showed that as for the visual graded lamina, the discreteness of MOE value was very high with no regularity, and its characteristic value (at the average or 5% quantile) could not achieve the required standard value either; the discreteness of MOR was also very high and its eigenvalue increased with the development of the lamina’s grade level; the MOE and MOR of substandard lamina were higher than the original ones; there was no correlation between the density of lamina and MOR, while there was a little minus correlation between annual rings width and MOR, and there was rather better positively correlation between MOE and MOR. By contrast, under machanical grading, the eigenvalue of MOR increased proportionally with the development of lamina grade. The research results indicated that the way of visual grading has not been applicable to the grading of plantation Chinese fir by now since the MOR of visual graded lamina could not meet the processing requirement of glulam, while the machanical grading could be applied to manufacture the glulam with reliable structural strength.

Chinese fir； lamina； grading； annual ring； modulus of elasticity (MOE)； modulus of rupture (MOR)

2016-05-27

2016-06-29

湖南省高校創(chuàng)新平臺(tái)開(kāi)放基金項(xiàng)目(14K113)；國(guó)際科技合作專項(xiàng)(2014DFA53120)。

喬鷺婷，女，研究方向?yàn)槟举|(zhì)結(jié)構(gòu)材料。通信作者：謝力生，男，教授。E-mail：xlisheng@126.com

TU531.2；TS653.3

A

2096-1359(2017)01-0041-05