膠粘劑對指接層板靜曲性能的影響

李榮帆，張 尚，倪 竣，丁青鋒，邵明潔，柳蔣瓊

(1.蘇州昆侖綠建木結(jié)構(gòu)科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215000；2.悉地勘察設(shè)計(jì)顧問有限公司，江蘇 蘇州 215000)

1 引言

木材作為建筑材料，具有可再生、自重輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。近年來，一批性能優(yōu)越的現(xiàn)代工程木，如結(jié)構(gòu)用集成材(Structura glues-laminated timber，NLT)和正交膠合木(cross-laminated timber，CLT)等[1,2]。結(jié)構(gòu)用集成材是指按木材等級區(qū)分的層板和指接層板，沿木材纖維方向相互平行、在厚度方向?qū)臃e膠合而成，其加工工藝如圖1所示。結(jié)構(gòu)用集成材通過指接和層積工藝使其尺寸不受原材料的影響，因此其指接工藝對結(jié)構(gòu)用集成材的影響較大，前人對指接的研究主要集中在指接類型(垂直指接，水平指接)、指接齒長、指接斜面傾斜比等。指接示意圖如圖2所示。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)用集成材加工時(shí)尺寸不受限制，被廣泛應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)建筑墻體、樓板、屋面板等[3,4]。

圖1 結(jié)構(gòu)用集成材加工工藝流程

圖2 指接示意

近些年來，國內(nèi)諸多學(xué)者對木指接工藝及指接性能方面也做了一系列研究。其中李海棟[5,6]等以指榫參數(shù)、指接壓力和不同規(guī)格尺寸作為參數(shù)，研究上述參數(shù)對指接層板的影響。結(jié)果表明：上述參數(shù)對指接層板的抗彎彈性模量影響較小，但是對指接層板的抗彎強(qiáng)度影響較大。周海賓[7]等研究了指接接頭對指接膠合木力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)層間接頭分布距離為300 mm時(shí)，抗彎實(shí)驗(yàn)中指接接頭處破壞的概率最低。奉佳等[8]對指接足尺膠合木梁進(jìn)行了抗彎性能試驗(yàn)并且以梁高最為參數(shù)。結(jié)果表明：不考慮膠層質(zhì)量的影響，當(dāng)梁高為300 mm和400 mm時(shí)，破壞模式為梁底纖維拉斷。當(dāng)梁高為500 mm時(shí)，破壞模式則為彎剪段梁底指接處纖維破壞。且在保證膠層質(zhì)量的前提下，指接膠合木梁的抗彎承載能力會隨著梁高的增大而減小。葉琦[9]等選取不同指長的銑刀、不同大小的嵌合度以及不同端壓作為參數(shù)，來分析指接工藝對指接層板性能的影響。結(jié)果表明選取指長15 mm、齒頂寬0.8 mm、齒底寬0.7 mm、齒根寬3.3 mm、嵌合度0.1 mm、端壓11～19 MPa作為指接工藝的參數(shù)較為合理。孫玉慧[10]等通過正交實(shí)驗(yàn)分析了指榫類型、施膠量及端壓對OSB指接材抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：指榫類型對OSB指接材的靜曲及抗拉強(qiáng)度影響顯著。當(dāng)施膠量為290 g/m2、端壓為3 MPa時(shí)，OSB指接材的力學(xué)性能較為優(yōu)異。謝力生等[11]探討了榫型、嵌合度、指接壓力對指榫膠接力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：指榫膠接所需的指接壓力會隨著嵌合度的增大而顯著增大、各榫型的指接強(qiáng)度隨著榫齒長度的增加而增加。并且推薦以榫齒角9.8°、榫齒長15～20 mm、齒槽底寬0.8～1.2 mm、指接壓力10～15 MPa及嵌合度0.12～0.2 mm作為指接工藝的參數(shù)。周志芳[12]等取截面尺寸、加載方式和指接形式作為參數(shù)。并研究上訴參數(shù)對落葉松大尺寸結(jié)構(gòu)指接材抗彎性能的影響。結(jié)果表明：截面尺寸和指接形式對落葉松指接材抗彎性能的影響較大。同時(shí)，在保證強(qiáng)度的前提下，不建議使用大截面尺寸的結(jié)構(gòu)指接材。左宏亮等[13]通過四點(diǎn)受彎試驗(yàn)來分析了底部指接層板增強(qiáng)措施對膠合木梁受彎性能的影響。結(jié)果表明：在膠合木梁底部粘貼碳纖維布、從梁底垂直或傾斜45°旋入自攻螺釘均可改善膠合木梁的受彎性能，且其初始剛度與無指接膠合木梁剛度相近。郭螢潔[14]通過興安落葉松的指接幾何參數(shù)以及其本身的力學(xué)強(qiáng)度，建立指接部位破壞的強(qiáng)度預(yù)測模型。并且能夠較好地預(yù)測出興安落葉松成熟材指接順紋方向的抗拉強(qiáng)度。黃仲華[15]、劉星雨[16]等對我國的木材、竹材的指接工藝、技術(shù)研究和發(fā)展現(xiàn)狀做了一系列探討。并預(yù)測其發(fā)展前景，且指出往后新型膠粘劑開發(fā)等方面的發(fā)展趨勢。但目前為止，從耐久性和力學(xué)性能角度來全面評價(jià)膠黏劑種類對膠合界面性能影響的研究較為有限。對此，筆者對不同膠粘劑下指接層板的抗彎性能進(jìn)行研究，為指接工藝中選擇最為合適的膠粘劑提供提供科學(xué)指導(dǎo)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

歐洲云杉(Piceaabise)采自UPM集團(tuán)，含水率為12.2%、氣干密度為0.38 g/cm3、全干干密度為0.36 g/cm3、抗彎彈性模量為9000 MPa、抗彎強(qiáng)度為45.23 MPa。膠粘劑采自漢高集團(tuán)，其中聚醋酸乙烯膠粘劑(KL 3052SR)的固含量為48%～50%、粘度6500 cps(BF RVF 5#/10rpm/27 ℃)、比重1.1、pH值2.3～3.3，聚醋酸乙烯膠粘劑(KL 3052HVD)的固含量為48%～50%、粘度8000 cps(BF RVF 5#/10rpm/27 ℃)、比重1.1、pH值2.3～3.3，單組份聚氨酯(HB S309)固含量為48%～52%、粘度7000～9000 ps(BF RVF 5#/10 rpm/27 ℃)、比重1.18、pH值7～8。

層板指接機(jī)為威力(煙臺)木業(yè)技術(shù)有限公司的長料指接機(jī) Ultra TT 3000、四面刨光機(jī)為威力(煙臺)木業(yè)技術(shù)有限公司木結(jié)構(gòu)重型四面刨 U800系列、力學(xué)試驗(yàn)機(jī)為邦威萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。

2.2 試驗(yàn)方法

指接層板的指接類型為垂直型、指接齒長為19 mm、指接斜面傾斜比1/7.2、施膠量為160 g/m2、壓力為10 MPa。指接層板的受彎性能試驗(yàn)參照GB/T 26899-2011《結(jié)構(gòu)用集成材》和GB/T 50329-2021《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17,18]測試指接層板的抗彎強(qiáng)度，層板截面為33(h)×140 mm(b)×1200(L)，試驗(yàn)中試件的凈跨取試件厚度的25倍(25 h)，加載點(diǎn)間跨距為264 mm(8 h)。通過量程為300 kN的萬能試驗(yàn)機(jī)加載荷載，速率恒定為5 mm/min。同時(shí)在指接層板的跨中位置布置位移計(jì)，來測量指接層板的豎向撓度。具體試驗(yàn)裝置見圖3。

圖3 加載裝置

3 結(jié)果與分析

3.1 荷載-撓度

圖4為不同膠粘劑作用下指接層板的荷載-撓度曲線。由圖4可見，加載初期，指接層板處于彈性狀態(tài)，跨中撓度與荷載呈線性增長關(guān)系。由于木材和膠粘劑本身的破壞模式均為脆性破壞，因此在指接層板到達(dá)峰值荷載，層板指接處斷裂，承載力發(fā)生驟降。由于木材的含水率、初始缺陷都會對層板的力學(xué)性能造成一定的影響，因此同組的3根試件所得出的荷載-撓度曲線會存在一定的差異。其中圖4(c)中一條曲線中途出現(xiàn)下降段的原因是由于該指接層板底部靠近跨中位置存在木節(jié)等初始缺陷，從而導(dǎo)致木節(jié)處先破壞，造成承載力有一定的驟降。

圖4 荷載-跨中撓度曲線

3.2 指接層板與層板的性能差異

為了更直觀地看出指接層板的抗彎性能，在此添加云杉層板作為對照組。圖5為云杉層板的荷載-撓度曲線圖，圖6為指接層板與云杉層板之間的荷載-撓度曲線對比圖。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，層板的極限承載力及初始剛度遠(yuǎn)高于指接層板。指接對木層板的初始剛度，抗彎強(qiáng)度影響較大，因此挑選合適的膠粘劑是彌補(bǔ)這一缺陷的重要手段。

圖5 云杉層板荷載-撓度曲線

圖6 指接層板與層板荷載-撓度曲線對比

3.3 抗彎剛度及靜曲強(qiáng)度

借鑒歐洲規(guī)范[19]、美國規(guī)范[20]以及國內(nèi)規(guī)范GB/T 26899-2011[17]中針對四點(diǎn)受彎試驗(yàn)計(jì)算試件彈性模量及抗彎強(qiáng)度所對應(yīng)的公式，來對不同膠粘劑作用下指接層板的抗彎性能進(jìn)行計(jì)算。具體公式如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：EI代表試件的抗彎剛度，l代表指接層板的凈跨，s為加載點(diǎn)之間的距離，ΔP為彈性階段上下限荷載的差值，Δy對應(yīng)了彈性階段相應(yīng)荷載的撓度，σb為指接層板的抗彎強(qiáng)度，Pb為試件的極限荷載。

從圖7中不難發(fā)現(xiàn)使用使用HB S309作為膠粘劑的指接層板的抗彎剛度及抗彎強(qiáng)度方面明顯優(yōu)于使用KL 3052SR和KL 3052HV的指接層板。

圖7 指接層板抗彎剛度及抗彎強(qiáng)度對比

4 結(jié)論

(1)HB S309膠粘劑在指接層板抗彎強(qiáng)度及抗彎剛度方面要優(yōu)于KL 3052SR和KL 3052HV。因此對于指接層板的制作，建議采用聚氨酯類膠粘劑。

(2)影響指接層板性能的因素有很多，膠粘劑的因素只是其中一種。后續(xù)可對指接工藝的參數(shù)對指接層板性能的影響進(jìn)行一系列參數(shù)化分析。比如：指榫長度、指榫間距、指榫角度及指接壓力等。

表1 各指接層板的極限承載力、跨中撓度、靜曲強(qiáng)度及初始抗彎剛度

(3)由于我國各個(gè)地區(qū)氣候不同，因此對膠粘劑的選擇也不同，需要進(jìn)一步通過各種試驗(yàn)的驗(yàn)證，以及對膠粘劑的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，來挑選出適合不同地區(qū)的膠粘劑。