混合组坯对杨木单板层积材弹性常数及力学性能的影响

李文玲，徐 伟，周晓燕，张占宽，王雪花

（1.南京林业大学，江苏 南京 210037；2.江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心，江苏 南京 210037；3.中国林业科学研究院 木材工业研究所，北京 100091）

随着大径级原木供应的减少及结构性用材需求的增加，单板层积材（Laminated Veneer Lumber，LVL）由于具有强度高、力学性能稳定、造型灵活等特点，成为重要的结构用材[1]。通过控制加工工艺、材料种类等，可实现多样化的生产成本和性能需求[2]。在北美市场，单板层积材大量用于工字型楼板托梁、桁架、承重墙[3]，但我国单板层积材主要被用于附加值较低的包装箱板[4]，作为结构用材只在小范围，比如木梁[5]上应用，且规模尚小，要实现单板层积材的大规模工业化应用，特别是用作对力学强度及稳定性均有较高要求的结构用材，尚需大量技术数据支持。

杨木是我国重要的人工用材林，亦是单板层积材主要的原料来源。在影响单板层积材性能的诸多因素中，组坯方式对单板层积材性能影响明显[6]。为探究组坯方式对杨木单板层积材力学性能的具体作用，本文中选取3 种纵横混合组坯的单板层积材，采用电测法、三点弯曲及拉伸实验，对其主要弹性常数、抗弯及抗拉强度进行了测试分析，以期通过调整杨木层积材结构形式实现其结构性应用提供理论依据。

1 实验方法

1.1 实验材料

实验材料为杨木单板层积材。单板产于江苏沭阳，厚2 mm，13 层，以脲醛胶（固含量54.7%，黏度123 s）胶合。热压参数：温度105 ～110 ℃，压力1.2 MPa，时间20 min。完成后杨木单板层积材厚度为22 mm。

采用3 种组坯方式：Ⅰ型：单板均沿顺纹方向组坯；Ⅱ型：4、10 层为横纹，其余为顺纹方向组坯；Ⅲ型：3、7、11 层为横纹，其余沿顺纹方向组坯。

1.2 测试方法

1.2.1 弹性常数

测量木材弹性常数的常用方法有静态弯曲法、电测法[7]、杠杆式引申仪法及光测法等[8]。本实验选用电测法对单板层积材弹性常数进行测定。

在弹性范围内，应力与应变服从广义虎克定律[9]。通过万能力学实验机加载可得到应力，通过数据采集仪进行应变的测量。根据各弹性常数的物理意义，通过式（1）（2）依次计算得到单板层积材不通方向的弹性模量、泊松比。

式中：Ei为以i方向为主轴方向的弹性模量，Gpa；Pn为末载荷，N；P0为初始载荷，N；A0为加载端横截面积，mm2；εn为末应变；ε0为初始应变；Δεj/Δεi为以i为主轴应力方向在j方向的应变增量的比值。

1）试件准备

将3 种组坯方式的单板层积材分别锯制成高度方向为顺纹(L)、横纹(T)、层积(R)方向的试样，尺寸为22 mm×22 mm×22 mm。

2）应变片粘贴

应变片型号为BFH120-3AA-D100，阻值120 欧，灵敏系数（2±0.1）%，丝栅尺寸3.0 mm× 2.3 mm。将应变片用502 胶粘贴在试件上，布置如图1所示。其中，a 测EL、μLT、μLR，b 测ER、μRT、μRL，c 测ET、μTR、μTL。

图1 应变片布置示意Fig.1 Layout of strain gauges

3）压缩测试

测试应变的仪器为TDS-530 型高性能数据采集仪，采用高分辨模式，分辨率为0.1 με，测量高达1 000 点。当连线和桥路搭建好后，进行压缩试验，加载等级为500 N。

1.2.2 静曲强度

采用三点弯曲法，测试层积材T 方向的静曲强度。按照国标GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》进行测试，试件尺寸为490 mm×50 mm×22 mm。设备为AGIC100KN 精密电子万能力学试验机，调节两支座跨距为440 mm 进行实验（如图2所示）。

1.2.3 抗拉强度

采用拉伸试验进行，测试层积材L 方向的抗拉强度。参照国标GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》，按图3所示试件尺寸及设备装置进行实验。设备与静曲强度测试设备相同，加载速度为3 mm/min。

图2 静曲强度测定示意Fig.2 Schematic diagram for static bending strength determination

图3 抗拉强度试件Fig.3 Tensile strength testing

2 结果与分析

2.1 弹性常数

3 种组坯方式LVL 弹性常数的测量结果分别见表1、表2及表3。

从表1～3中可以看出，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型组坯弹性模量比为10.65 ∶0.20（EL）、1 ∶2.35 ∶2.82（ET）、1 ∶0.68 ∶1.31（ER），随着LVL 中横纹层数的增加，EL下降，ET增大，ER先降低后增大；L、T、R 弹性模量比为1 ∶0.07 ∶0.07（Ⅰ型）、1 ∶0.25 ∶0.07（Ⅱ型）、1 ∶0.97 ∶0.43（Ⅲ型），随着LVL 中横纹层数的增加，LVL 的各向异性降低。

组坯方式对LVL 泊松比的影响较大，全顺纹组坯（Ⅰ型）时，L 方向受压时可能对R、T 方向造成较大的横向应变（μLT=0.570、μLR=0.466），采用纵横纹混合，比如Ⅲ型组坯时，对应的泊松比降低为0.199、0.075；随着横纹层数的增加，LVL 泊松比总体降低，说明对于LVL，采用纵横混合式组坯可能有利于抵抗由拉、压载荷所造成的材料变形[10]。

表1 Ⅰ型LVL弹性常数Table1 Elastic constants for typeⅠ

表2 Ⅱ型LVL弹性常数Table2 Elastic constants for type Ⅱ

表3 Ⅲ型LVL弹性常数Table3 Elastic constants for type Ⅲ

随着横纹层数的增大，变异系数总体上增大，比如，EL 在3 种组坯方式下的变异系数分别为2.870%、9.263%、9.981%，说明随着横纹层数的增多，LVL 弹性常数离散性增大，但均低于20%，与木材高达30%[11]的变异系数相比，LVL力学性能更为稳定。

2.2 静曲强度

3 种组坯方式LVL 的破环形式及静曲强度见表4。对比3 种组坯形式的LVL（表4）可以看出：随着横纹层数的增加，LVL 静曲强度减小，3 种组坯方式的静曲强度比为1 ∶0.84 ∶0.70；变异性逐渐增大，其中Ⅲ型的变异系数超过20%，说明随着横纹层数的增加，LVL 静曲强度分布的离散性变大，进行结构设计时需更多考虑材料的性能稳定性[12]。

全顺纹组坯（Ⅰ型）时，LVL 的破坏集中于单板层；随着横纹层数的增加，破坏逐渐向胶层部位转移，Ⅲ型的破坏已主要发生在胶层，且在纵横纹层板胶合所处的胶层。这是由于相邻层木材的纹理方向对胶层胶合强度的影响很大[13]，与木竹复合材不同[14]，木质材料全顺纹理组坯可得到更佳的胶合强度。当采用纵横纹混合组坯时，应对胶合工艺进行优化。

表4 3种LVL破坏形式及静曲强度Table4 Failure modes and static strength of three types of LVL

2.3 抗拉强度

不同组坯方式LVL 的抗拉强度见表5。

表5 3种抗拉强度测试值Table5 Test values of tensile strength for three types of LVL

从表5可以看到：3 种组坯方式的LVL 抗拉强度相近，与全顺纹组坯（Ⅰ型）相比，纵横混合组坯LVL 的抗拉强度略有提高，其中Ⅱ型的抗拉强度最高，适当增加横纹层板可提高LVL 的抗拉强度[15]，但横纹层板的数量对抗拉强度的具体影响有待进一步研究。

3 种组坯形式的LVL 变异系数均低于10%，且相差不多，表明LVL 抗拉强度的离散性不大，不同组坯方式的LVL 均体现出稳定的抗拉性能。

3 结 论

通过电测法、三点弯曲以及拉伸测试，对杨木单板层积材的9 大弹性常数、静曲强度及抗拉强度进行了测试分析，发现横纹层数对杨木单板层积材力学性能有较大影响。

1）随着横纹层数的增加，顺纹方向的弹性模量下降，横纹方向的弹性模量增加，层积方向的弹性模量先减小后增加，LVL 的各向异性降低；变异系数总体上增大，但均低于20%。

2）随着横纹层数的增加，静曲强度减小，变异性逐渐增大，其中3 层横纹组坯时的变异系数超过20%，进行结构设计时需更多考虑材料性能的稳定性；破坏位置从单板逐渐向胶层部位转移，当采用纵横纹混合组坯时，应对胶合工艺进行优化。

3）不同组坯方式的抗拉强度相近，纵横混合组坯时略有提高，适当增加横纹层板可提高LVL的抗拉强度；变异系数均低于10%，组坯方式对LVL 抗拉强度的影响不大。

4）组坯方式对泊松比的影响较大，全顺纹组坯时，顺纹方向受压时可能对层积、横纹方向造成较大的横向应变；随着横纹层数的增加，泊松比总体降低，采用纵横混合式组坯有利于抵抗由拉、压载荷所造成的材料变形。