人工林杉木层板分级及性能研究

乔鹭婷，谢力生*，唐子燊，徐竹华

(中南林业科技大学材料科学与工程学院，长沙410004)

人工林杉木层板分级及性能研究

乔鹭婷，谢力生*，唐子燊，徐竹华

(中南林业科技大学材料科学与工程学院，长沙410004)

对人工林杉木层板按照GB/T 50708—2012进行目测分级和机械弹性模量分级，探讨两种分级方法的适用性和科学合理性。通过测定各层板的年轮宽度、绝干密度、弹性模量和静曲强度并进行处理与分析发现：对于目测分级，各等级层板的弹性模量值其离散度非常大且没有规律性，其特征值(平均值和5%分位值)也达不到标准规定的要求，静曲强度值的离散度也很大但其特征值随层板等级的提高而增大，等外层板的弹性模量和静曲强度值反而比等内层板的要大；层板密度与其静曲强度基本上没有相关性，而层板的年轮宽度与其静曲强度有一定的负相关性；层板的弹性模量与其静曲强度有较好的正相关性，采用机械弹性模量分级，静曲强度的特征值随层板等级的提高而成比例地提高。研究表明，目前的目测分级方法不适合于人工林杉木层板的分级，目测分级层板因弹性模量达不到要求不能用于胶合木制造，而采用机械弹性模量分级法则可以制造出强度性能可靠的胶合木。

杉木；层板；分级；年轮；弹性模量；静曲强度

近年来我国木结构建筑的研究和制造正在悄然兴起[1]。现代木结构大量使用胶合木等强度性能可靠并可以设计的工程木质材料，我国也开展了不少有关胶合木的研究工作[2-3]，并发布了国家标准《胶合木结构技术规范》(GB/T 50708—2012)。为保证胶合木的强度性能可靠，用于制造胶合木的层板必须进行分级，制作胶合木结构构件时必须根据其主要用途所要求的层板等级配置进行组坯[4-5]。层板分级主要有目测分级和机械弹性模量分级，目测分级因无需设备、简单易行而受到工厂的欢迎，机械弹性模量分级则更加准确、可靠[6-8]。标准中给出了主要胶合木适用树种及其分级层板的强度和弹性模量性能指标，其适用树种大多为欧美地区的松、杉类针叶材树种，列入表中的国产树种仅有东北落叶松以及其他符合强度等级的树种。杉木生长快，纹理通直，结构均匀，不易变形，材质轻韧，强度适中，抗虫耐腐，自古就是我国良好的建筑材料[9]。我国杉木林栽培面积为主要用材林之最，达8.5×106hm2，蓄积量达6.2×108m3[10]。若能用人工林杉木制造胶合木，则可大量替代进口优质结构用木材，不但能缓解我国结构用材严重供不应求的矛盾，更能高效利用我国南方丰富的人工林杉木，促进林业的持续发展。有关学者对用人工林杉木制造非结构用集成材进行过一些研究[11-12]，但有关用人工林杉木制造结构用集成材(胶合木)的研究[13]还少有报道。为此，笔者以足尺人工林杉木层板为对象，研究分级层板的强度性能特征值及其特点，探讨是否适合目前的层板分级方法，能否用于胶合木的制造。

1 材料与方法

1.1 试验材料

杉木(Cunninghamialanceolata)板材：产自湖南邵阳，树龄约25 a，直径约160 mm，气干锯材，含水率约16%，密度约0.34 g/cm3，宽×厚×长为135 mm×30 mm×2 100 mm(含少量径切板和弦切板，大部分为斜切板)，共286块。

1.2 仪器设备

10 t万能力学试验机：型号E43.104，由MTS公司生产。木工精密圆锯机：型号为MJ-90，新宇木工机械厂生产。电热恒温干燥箱：型号为SKFG-01，湖北黄石医疗机械厂生产。木工平刨床、木工单面压刨床和电子天平等。

1.3 试验方法

用木工精密圆锯机将杉木锯材的端部锯平齐，以便观测年轮和髓心，然后用木工平刨床和单面压刨床分别刨平其上、下两平面，以便观测板面上的各种缺陷。

观察杉木板端面年轮，计算年轮个数，用直尺沿年轮径向(木射线方向)测量数个年轮之间的距离，记录并计算各层板的平均年轮宽度。径向距离/年轮数即为层板的平均年轮宽度。若不同部位的年轮宽度存在明显差异，则多处测量后取其平均值。

按照国家标准GB/T 50708—2012《胶合木结构技术规范》中的“目测分级层板材质等级标准”，根据板面上可见缺陷的类型、大小和分布等情况，对已两面刨光的杉木板材进行目测分级，由3人共同判定等级。

对通过目测分级得到的各等级杉木层板，全部根据国家标准GB/T 26899—2011《结构用集成材》中的“抗弯试验方法B”测定其弹性模量和静曲强度，两支点跨距为1 600 mm。

将测定完静曲强度的各层板锯掉中间破坏部分，按照GB/T 1931—2009《木材含水率测定方法》的要求，从各层板的两端及中间部分分别锯取含水率测试试件各2个，共6个，采用绝干法测试试件含水率，分别计算各层板的平均含水率；同时，测定绝干状态下各试件的尺寸，计算各试件的绝干密度和各层板的平均密度值。

根据标准《结构用集成材》中给定的公式E12=E[1+0.015(W-12)]和σb12=σb[1+0.04(W-12)]，将测定的弹性模量和静曲强度值折算成含水率为12%时的标准弹性模量和标准静曲强度。

统计、处理所获得的数据，分析各等级材质杉木层板所对应的弹性模量和静曲强度值及离散情况，探讨人工林杉木层板目测分级是否科学、合理。分析包含木材缺陷的足尺人工林杉木层板其平均年轮宽度、绝干密度和弹性模量与静曲强度的相关性。根据标准《胶合木结构技术规范》中的“机械弹性模量分级层板弹性模量的性能指标”对所有层板进行分级，考察各等级层板的静曲强度的离散程度，探讨人工林杉木层板机械弹性模量分级的科学、合理性。

2 结果与分析

2.1 层板目测分级

对286块人工林杉木层板进行目测分级，各等级层板的数量及特征值如表1所示。目测分级层板中的主要缺陷为木节及由木节所引起的局部木纹涡旋，等外材质层板的主要缺陷为髓心和缺棱。各等级层板的弹性模量和静曲强度值的分布情况如图1和图2所示。

表1 目测分级层板的数量及特征值

GB/T 50708—2012和GB/T 26899—2011中都规定，目测分级层板强度和弹性模量的性能指标用平均值和5%分位值表示。5%分位值是指对有一定离散度的许多试件的实测值按照由低往上的顺序排列时第5%的值(即95%保证率，0.05分位值)。由图1可见，一等至四等层板的弹性模量的平均值和5%分位值的变化没有规律性，二等层板的值最高；等外层板的弹性模量的平均值反而比等内的更高，其5%分位值也比一等、三等和四等层板的更高；各等级层板弹性模量值的离散度虽然与没分等相比有所减小，但仍然很大。这说明对于人工林杉木层板，根据层板缺陷进行目测分级不能有效地反映其材质的弹性模量，分级没有意义。这是由层板上所存在的各种缺陷的复杂性及其对弹性模量影响的复杂性所决定的。人工林杉木层板其材质比较软，木节小而多，木节及其周边组织比正常部位的木材硬，能够增加层板的整体刚度，因此含木节较多的低等级层板其整体弹性模量并不一定下降。

图1 各等级杉木层板的弹性模量Fig. 1 The MOE of Chinese fir lamina in various grade level

图2 各等级杉木层板的静曲强度Fig. 2 The MOR of Chinese fir lamina in various grade level

由图2可以看出，静曲强度的平均值及5%分位值都随目测分级层板等级从一级至四级而下降，即目测等级高的层板其静曲强度的平均值和5%分位值大，而目测等级低的层板其静曲强度的平均值和5%分位值小。这说明根据层板缺陷进行目测分级能够基本反映其材质的静曲强度，具有一定的科学、合理性，但各等级层板静曲强度值的离散度很大，说明目测分级不准确、可靠。另外，值得注意的是等外层板的静曲强度其平均值比等内层板的都要高，其5%分位值也比三等和四等层板的高。木节对木材的抗拉强度有十分显著的影响，层板弯曲时其下表层承受拉力，因此含木节较多的低等级层板其静曲强度较低，而含髓心的等外层板由于很少有木节其静曲强度相对较高。

对于人工林杉木，一般树龄不长，木材直径不大，1根圆木只能锯取厚度25～35 mm的板材3块左右，含髓心板材约占1/3。根据GB/T 50708—2012中的“目测分级层板材质等级标准”，含髓心层板即被判定为等外材，不能用于胶合木制造，这对于人工林杉木的有效利用十分不利。而实际上由图1及图2可知，被判定为等外材的含髓心层板的弹性模量和静曲强度并不比等内层板差，甚至更好。这说明目前的目测分级方法不合适于人工林杉木层板的分级。

表2 目测分级层板强度和弹性模量的性能指标

表2为GB/T 50708—2012中要求的SZ4树种目测分级层板强度和弹性模量的性能指标。SZ4为该标准中的最低级别树种。比较表1和表2可知，对于人工林杉木层板，采用目测分级，二等和三等层板的弹性模量平均值满足SZ4树种的标准要求，但一等至三等层板的弹性模量其5%分位值均低于标准的要求；一等至三等层板的静曲强度值，无论是平均值还是5%分位值均高于标准的要求。因此，总体来说，人工林杉木目测分级层板因弹性模量达不到要求而不能用于胶合木制造，同时也可以看出，人工林杉木其强度并不低，但刚度(弹性模量)较低。

2.2 层板密度和年轮宽度与静曲强度的关系

层板密度与其静曲强度的关系如图3所示。由图3可知，人工林杉木层板其密度与静曲强度的相关性很小，与小尺寸清材试件的密度与静曲强度之间有很好的相关性[14]截然不同，这是由于大尺寸足尺材包含各种缺陷的缘故。由此说明，对于人工林杉木层板，不能根据层板的密度来推测其静曲强度或进行分等。

图3 层板密度与静曲强度的关系Fig. 3 The relation between the annual ring width of lamina and MOR

层板的平均年轮宽度与其静曲强度的关系如图4所示。层板的静曲强度有随其年轮宽度的增大而减小的趋势，但其离散性很大，相关性并不强。因此，对于人工林杉木层板，也不宜根据层板的平均年轮宽度来推测其静曲强度，但在进行目测分等时可以作为一个重要的参考因子。

图4 层板年轮密度与静曲强度的关系Fig. 4 Relation between density of annual rings and MOR

2.3 层板机械弹性模量分级

各层板的弹性模量值与其静曲强度值的关系如图5所示。人工林杉木层板的静曲强度与弹性模量有较好的正相关性，因此可以根据层板的机械弹性模量值来进行强度分级。根据GB/T 50708—2012中的“机械弹性模量分级层板弹性模量的性能指标”进行分级，可以分为ME7至ME16(ME后面的数字代表弹性模量值，单位为GPa)的8个等级共计259块(其余27块达不到ME7的要求)，各等级的层板数量如表3所示。

图5 层板弹性模量与静曲强度的关系Fig. 5 Relation between of lamina’s MOE and MOR

等级ME7ME8ME9ME10ME11ME12ME14ME16数量374250382338238

统计分析各等级层板所对应的静曲强度值及其分布，结果如图6所示。由图6可以看出，静曲强度的平均值及5%分位值都随机械弹性模量分级层板等级的提高而明显增大，这说明根据层板的弹性模量进行分级能够较好地反映其材质性能，具有较好的科学、合理性。同时也可以看出，各等级机械弹性模量分级层板的静曲强度值分布范围仍然较大，即离散度仍然较大。这主要是由于层板上所存在的各种缺陷及其位置对弹性模量和静曲强度的影响程度不同所引起的[9]。

图6 机械弹模量分级层板的静曲强度Fig. 6 The MOR of mechanical graded lamina

GB/T 50708—2012中规定的机械分级层板抗弯强度性能指标和由实测得到的各机械分级层板静曲强度的特征值如表4所示。比较表4中的性能指标和实测值可知，人工林杉木层板按照机械弹性模量分级，各等级层板的弯曲强度的平均值和5%分位值均高于国家标准中所要求的性能指标。由此说明，人工林杉木层板采用机械弹性模量分级，可以制造出强度性能可靠的胶合木。

表4 机械分级层板抗弯强度性能指标及实测值

3 结 论

对286块人工林杉木层板进行目测分级，测定其平均年轮宽度、层板密度、弹性模量和静曲强度并进行机械弹性模量分级，通过分析可以得出如下结论：

1)目前的目测分级方法不合适于人工林杉木层板的分级。

2)人工林杉木目测分级层板因弹性模量达不到要求而不能用于胶合木制造。

3)人工林杉木层板的密度与其静曲强度基本上不相关，而其年轮宽度与静曲强度有一定的负相关性。

4)人工林杉木层板采用机械弹性模量分级，可以制造出强度性能可靠的胶合木。

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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

湖南省高校创新平台开放基金项目(14K113)；国际科技合作专项(2014DFA53120)。

乔鹭婷，女，研究方向为木质结构材料。通信作者：谢力生，男，教授。E-mail：xlisheng@126.com

TU531.2；TS653.3

A

2096-1359(2017)01-0041-05