周先雁，曹 磊，周佳樂，曾 丹

（中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410004）

膠合木設(shè)計制作與質(zhì)量控制

周先雁，曹 磊，周佳樂，曾 丹

（中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410004）

膠合木是一種強質(zhì)比高、美觀、可降解的工程復(fù)合材，且被廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑等工程領(lǐng)域。而落葉松在我國分布面廣，蓄產(chǎn)量豐富且強度高，適合于木材的工業(yè)化加工利用。針對國內(nèi)落葉松結(jié)構(gòu)用膠合木制造及利用現(xiàn)狀，結(jié)合工廠的制造試驗情況，本研究從層板的選擇、指接工藝、膠合工藝、組坯工藝、質(zhì)量檢驗等方面介紹了膠合木生產(chǎn)工藝及其質(zhì)量控制，簡述了整個制造流程中的工藝參數(shù)和要求，為膠合木的工業(yè)化生產(chǎn)提供了依據(jù)。最后提出了膠合木制造在我國推廣存在的問題及建議。

膠合木；組坯工藝；指接工藝；質(zhì)量控制

木材是一種可再生的、可循環(huán)利用的、容易生物降解的自然資源，能夠加工成各種各樣的形狀。因其存在節(jié)子、孔洞、樹脂道、斜紋等自身缺陷，因而沒有得到廣泛的應(yīng)用。膠合木是以木材為原材料，經(jīng)指接、膠合、層壓等技術(shù)處理而形成的一種工程復(fù)合木，承載力高，且不受尺寸的限制。自從20世紀(jì)以來，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)因其美觀、施工周期短、高強質(zhì)比、環(huán)境友好等優(yōu)點而在北美、歐洲、新西蘭等國家的建筑、橋梁、樁基等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于我國對木材的不合理利用和砍伐，導(dǎo)致森林資源嚴重匱乏，我國的木結(jié)構(gòu)研究也因此停滯了20多年，從而加劇了我國木材市場的供需矛盾。隨著我國天然林的保護實施，大徑級原木減少，發(fā)展膠合木技術(shù)，實現(xiàn)“劣材優(yōu)用，小材大用”顯得尤為重要[1]。目前，國內(nèi)膠合木技術(shù)的應(yīng)用僅局限于家具、輕型木結(jié)構(gòu)房屋、扶欄等，用于橋梁、大跨空間結(jié)構(gòu)的承重型膠合木則是鳳毛麟角。此外，國內(nèi)對于膠合木的制造缺乏一套完整的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一些企業(yè)生產(chǎn)工藝不正確，加工質(zhì)量較差，強度較低，加工設(shè)備落后等原因，無法滿足橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)用，降低了產(chǎn)品的附加值和綜合利用率。因此優(yōu)化膠合工藝、強化質(zhì)量控制是目前木結(jié)構(gòu)制造中最迫切的問題。

1 制造工藝流程介紹

制材→干燥→板刨削加工→板材分等→剔除木材缺陷→板材長度、寬度方向膠合→膠合面刨削→配板→涂膠→加壓膠合→膠合木整形加工→檢驗→成品。

2 層板的選擇及處理

落葉松分布廣泛，資源豐富，且樹干干型通直，具有密度高、強度高、天然耐腐蝕性好等優(yōu)點，故選擇落葉松作為高強度結(jié)構(gòu)的研究樹種，具有較好的應(yīng)用推廣價值[2]。

2.1 原木鋸解

根據(jù)膠合木制造生產(chǎn)規(guī)格要求，并考慮刨削等損耗，因此原木鋸解后的鋸材尺寸規(guī)格一般比膠合后的層板尺寸稍大。膠合木的強度與層板的厚度有關(guān)，承重型膠合木層板厚度一般要求在20 mm～50 mm，因同一層層板之間距離大于1.8 m，故鋸材的最小長度應(yīng)大于1.8 m，此外，鋸材也不宜過長，鋸材過長，缺陷過多，強度降低，同時也容易發(fā)生彎曲變形，不利于加工制作[3]。本實驗采用的鋸材尺寸為30 mm×100 mm×2 000 mm。

2.2 干燥

大氣溫度和相對濕度的變化引起了木材含水率的變化，由于木材具有膨脹、收縮的性質(zhì)，因而不同的含水率會引起層板內(nèi)部應(yīng)力的變化，從而影響膠合木的強度，故需要根據(jù)使用環(huán)境進行干燥處理，使含水率調(diào)控在一定的范圍內(nèi)。根據(jù)日本研究測定，層板含水率保持8%～12%具有較好的膠合性能。經(jīng)過干燥處理的鋸材，需要放在干料棚內(nèi)儲存15 d左右，一方面進一步平衡鋸材內(nèi)部的含水率，另一方釋放鋸材的內(nèi)部應(yīng)力[4]。此外，膠合相鄰層板之間的含水率之差不大于5%。經(jīng)過試驗測試，本批試驗鋸材的含水率為9.69%，符合干燥處理的要求[5]。

2.3 層板分等及缺陷剔除

經(jīng)過刨光后，沿層板寬度方向上層板厚度的偏差不超過±0.2 mm，沿層板長度方向上，層板厚度的偏差不超過±0.3 mm，所有層板的厚度不宜大于45 mm[6-8]。落葉松節(jié)子數(shù)量多、節(jié)徑大、且含有較多的斜紋、夾皮、樹脂等缺陷，由于實驗條件所限，無法對其進行機械分等。根據(jù)集中節(jié)徑比、寬面材邊節(jié)徑比、斜紋傾斜比、彎曲變形等情況對鋸材進行強度分等，將興安落葉松分為Ⅰd、Ⅱd、Ⅲd 3個等級，其Ⅰd等級相對應(yīng)的彈性模量、抗彎強度、抗拉強度的平均值分別為14 000 MPa、54 MPa、32 MPa。根據(jù)層板強度等級的需要剔除相應(yīng)的缺陷，并做好相應(yīng)的標(biāo)記，目測強度等級高的層板置于受拉方向的最外側(cè)。此外，心材相對于邊材，比重大、顏色深、含水率低，目測分等時需要加以區(qū)分[9]。選取基材要盡量是徑向切板或是紋理比較均勻的弦向切板。

3 指接工藝

3.1 膠種的選擇

作為木結(jié)構(gòu)橋梁工程構(gòu)件，長期暴露在高溫、高輻射、濕度變化大、腐蝕性大的環(huán)境中，而且承受的使用荷載較大，因此膠合木制造中的膠應(yīng)具有較好的耐高溫、耐磨、耐候、耐腐蝕的膠合性能。常用的膠黏劑有間苯二酚膠、尿醛樹脂膠、異氰酸酯膠，每個膠種都有自己本身的性能參數(shù)。本實驗采用間苯二酚膠、異氰酸酯膠對落葉松的膠合性能試驗進行了預(yù)試驗對比，其木破率及膠層剪切強度的實驗結(jié)果表明：間苯二酚膠具有更優(yōu)越的膠合性能，更適合應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)橋梁膠合木構(gòu)件的制造。

3.2 銑齒質(zhì)量要求

膠合木連接的形式嵌接、對接、指接三種形式。大跨度承重型木結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般采用指接的連接形式。指接形式主要有兩種：垂直型指接形式和水平型指接形式；本試驗的層板厚度為30 mm，指榫長度為25 mm，如果采用水平型指接方式，則只能銑出4個完整的齒，因而指接咬合力不夠。另外，從這兩種不同指接形式的抗拉、抗彎等力學(xué)性能預(yù)實驗也表明：垂直型指接形式的指接強度要優(yōu)于水平型指接形式。故本試驗制作采用垂直型指接形式。

根據(jù)《膠合木技術(shù)規(guī)范》，對用于承重結(jié)構(gòu)的膠合木，其指榫長度不應(yīng)小于15 mm～20 mm，指端寬度bf宜取0.1 mm～0.25 mm，嵌合度大于0.1 mm，指榫斜面傾斜比小于1/10，木板指接情況如圖一。本試驗制作的指榫長度為25 mm。為了使銑出的齒完整（無壞齒）或是破壞盡量不發(fā)生在指接部位，故指接端部需滿足：直徑5mm以上的節(jié)子與指接部位的距離要大于相應(yīng)節(jié)子直徑3倍的距離；在距離指接齒底部75 mm之內(nèi)不允許有鈍棱、裂紋、夾皮以及樹脂囊[6-8]。

3.3 指接端壓值的確定

在進行層板縱向接長時，如果指接端壓值過大，就會容易引起齒端開裂，強度降低，容易在指接處產(chǎn)生破壞；如果指接端壓值過小，則指接不密實，指接膠合強度降低，同樣影響指接強度。根據(jù)相關(guān)的研究表明：端壓值的大小主要與指榫長度有關(guān)，一般而言，指榫長度越長，端壓值越小。在萬能試驗機上對25 mm指榫長度的試塊進行了相關(guān)的預(yù)實驗，由力-位移曲線可以得出其合理端壓值為5.0 MPa。

圖1 木板指接Fig.1 Board’s fi nger jointing

3.4 其他指接要求

為了保證層板有較好的膠合性能，需在開榫后24小時之內(nèi)完成了膠接。實驗制作采用人工涂膠，涂膠充足均勻。同一層板內(nèi)兩縱接之間的距離要不小于1 500 mm[7]。

4 組胚工藝

4.1 層板等級配置

組坯工藝是對定級分等后的不同力學(xué)性能的層板組合，以滿足不同膠合木結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學(xué)性能的要求，同時也高效合理地利用了層板。對于軸心受力構(gòu)件以及在受彎構(gòu)件中當(dāng)何在作用方向與層板窄邊垂直時，因構(gòu)件兩側(cè)的受力形式和情況都相同，故采用層板等級相同的同等組合結(jié)構(gòu)的組坯形式。根據(jù)《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》，同等組合結(jié)構(gòu)分為TCT30、TCT27、TCT24、TCT21、TCT18五個等級，其順紋抗壓強度設(shè)計值分別為27 MPa、25 MPa、22 MPa、20 MPa、17 MPa，試驗柱的設(shè)計強度為27 MPa，所采用的目測等級為Ⅰd級。在木結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件以及壓彎和拉彎結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，外層的層板受力較大，采用異等組合結(jié)構(gòu)形式。由材料力學(xué)中的平截面假定，層板以中性軸上下對稱布置，也可以非對稱布置，前者為對稱異等組合結(jié)構(gòu)形式，后者為非對稱異等組合結(jié)構(gòu)形式。梁構(gòu)件的制作采用對稱異等組合結(jié)構(gòu)形式，其強度等級分為TCYD30、TCYD27、TCYD24、TCYD21、TCYD18五個等級，受拉一側(cè)層板宜采用機械分等。由于國內(nèi)企業(yè)加工條件有限，故只能采用目測分等，設(shè)計強度值為27 MPa，其組坯級別為CY級。

4.2 層板紋理配置

木材是一種各項異性材料，縱向、徑向、弦向3個方向的力學(xué)性能和干縮濕脹性能存在較大的差異，因此紋理不同的層板膠合時會因?qū)影逍阅艿牟町惗鼓z合木產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，從而降低膠合木強度和剛度。此外紋理不同的層板指接時，就相當(dāng)于在指接處用受力方向不同的材料指接，在受力時，整個層板受力方向不一致，指接處也會紋理差異而產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)部內(nèi)力，也因此變得更加脆弱。相關(guān)的試驗結(jié)果也表明：紋理一致的層板配置比不同紋理錯落配置具有較好的膠合性能和力學(xué)性能[10]。下圖二中Ⅰ、Ⅲ紋理配置的剪切強度及木破率比Ⅱ、Ⅳ紋理配置好。因此在進行層板配置時，盡量將紋理一致的層板配置在一起。

圖2 不同紋理層板的膠合Fig.2 Laminate glued with different texture

5 膠合工藝

5.1 膠合工藝參數(shù)的確定

層板縱向接長后，在層板寬度和厚度方向上對其進行拼寬、拼厚，而影響其膠合性能的因素主要有壓力、時間（膠合時間與養(yǎng)護時間）、施膠量。壓力過大，會引起層板膠層缺膠，影響膠合強度，同時對于軟木樹種會影響出材率；壓力過小，膠層剪切強度和木破率都較小，膠合木的整體強度會降低。在試驗制作前，選取0.5 MPa、1 MPa、1.5 Mpa 3種不同的單位壓力和200 g/m2、250 g/m2、300 g/m23個不同的施膠量對其進行預(yù)實驗，采用單因素試驗方法，并對其進行優(yōu)化配置，同時參考膠種生產(chǎn)商提供的數(shù)據(jù)，確定最佳的膠合工藝參數(shù)。根據(jù)其試驗結(jié)果，試驗制作采用的膠合工藝參數(shù)為：壓力為1 MPa/m2～1.25 MPa/m2、采用單面施膠的施膠量為250 g/m2～300 g/m2，加壓固化時間需根據(jù)空氣相對濕度和溫度確定，在相對濕度30%及溫度20 ℃～25 ℃時采用的的加壓時間為2.5 T，固化時間為4 T[11]。

5.2 層板橫向拼寬

膠合木的橫向拼寬采用平接，對于承重結(jié)構(gòu)的膠合木，上下相鄰兩層層板平接線水平距離不應(yīng)小于40 mm（如圖3），以防止破壞發(fā)生在膠縫處，其次，橫向拼寬的膠合性能（木破率、膠層剪切強度等）也應(yīng)滿足要求。

圖3 層板橫向拼寬Fig.3 Width of laminates assembled transversely

5.3 膠合質(zhì)量要求

對于落葉松層板，為了防止膠合層面污染、氧化、吸濕等而影響膠合性能，需要在拋光后6 T內(nèi)膠合。經(jīng)層壓固化而形成的膠合木，其膠縫應(yīng)均勻，厚度應(yīng)為0.1～0.3 mm，厚度超度0.3 mm的膠縫的連續(xù)長度不應(yīng)大于300 mm，且厚度不得超過1 mm。在構(gòu)件承受平行于膠縫平面剪力的部位，漏膠長度不應(yīng)大于75 mm，其它部位不大于150 mm[6-8]。

6 質(zhì)量檢驗

膠合木制造的日常質(zhì)量控制包含在整個生產(chǎn)線中，包括工廠生產(chǎn)條件及儀器設(shè)備的鑒定、層板質(zhì)量、膠種的檢測、縱接層板強度測定等。根據(jù)不同的用途，膠合木成品也需要滿足不同產(chǎn)品需求的各項性能要求，因此需要對產(chǎn)品進行抽樣檢測評定，以保證供應(yīng)產(chǎn)品的質(zhì)量。主要從以下幾方面的對其評定[8]。

（1）外觀結(jié)構(gòu)尺寸，包括其長、寬、高；

（2）構(gòu)件的性質(zhì)，包括弧形和正方形截面；

（3）結(jié)構(gòu)膠層的質(zhì)量、類型、位置及強度；

（4）含水率的測定；

（5）產(chǎn)品力學(xué)性能（抗拉、抗壓、抗彎強度）的測定；

（6）樹種及等級的測定；

（7）膠縫寬度的檢測。

7 膠合木制造及推廣應(yīng)用在我國存在的問題及建議

目前，低碳經(jīng)濟、綠色環(huán)保是我國可持續(xù)發(fā)展的一項基本政策，而膠合木結(jié)構(gòu)具有節(jié)能、環(huán)保、強度高等優(yōu)點而得到廣泛的應(yīng)用，已逐漸成為了綠色建材的一個重要的研究和發(fā)展方向。膠合木制造和應(yīng)用在我國仍處于起步階段，因此有許多的問題和研究尚待迫切解決[12]。

（1）國內(nèi)對于膠合木作為承載建材仍存在疑惑。許多人認為木材作為一種建材，耗費了天然的森林資源，破壞環(huán)境。尤其隨著我國實行“天保工程”以后，木材作為一種建材被廣泛應(yīng)用并沒有被看好。此外相比鋼筋混凝土來說，其強度和耐久性等性能都較低。其實，這是我們認識的一個誤區(qū)，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)是經(jīng)膠合、層壓、組坯等技術(shù)加工而成的工程復(fù)合材，不受尺寸和形狀的限制，其強度比原木高?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)是對我國人工速生林和天然森林資源更為有效合理利用的一種途徑[13]。

（2）缺乏相應(yīng)的制造和質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)。目前，國內(nèi)的膠合木制造仍都是采用國外的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在國內(nèi)沒有形成套行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此外，膠合木的強度缺乏一個定級標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量得不到保證，故無法在國內(nèi)推廣。

（3）國內(nèi)的木工機械較落后。目前，大型的膠合木制造機械都是由國外進口的，價格昂貴。國內(nèi)的許多生產(chǎn)企業(yè)加工設(shè)備落后，因而效率較低，質(zhì)量也得不到保證。因此國內(nèi)木工機械的開發(fā)和研究能夠促進膠合木推廣和應(yīng)用。

（4）國內(nèi)對于膠合木基礎(chǔ)材性的研究較少。國內(nèi)用于核心承載力的膠合木材料都是靠進口國外的規(guī)格材，因為我國對于國內(nèi)樹種的基礎(chǔ)材性數(shù)據(jù)研究不夠全面、深入，因此加強國內(nèi)樹種基礎(chǔ)材性的研究顯得尤為重要。

[1] 周先雁,李旌豪,張仲鳳.我國現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2011,31(4):125-130.

[2] 史 薔,張守攻,呂建雄,等. 落葉松木材改性的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2012,32(4):210-215.

[3] 中國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 26899-2011 結(jié)構(gòu)用集成材[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011．

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[5] ISO/CD 8375, Timber Structures Glued Laminated Timber Test Methods: Determination of Physical and Mechanical Properties[S].

[6] EN 14080:2005, Glued laminated timber Requirements[S].

[7] 中國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB/T50708-2012 膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].北京.中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[8] ANSI/AITC A190.1-2007.Structural Glued Laminated Timber[S] .

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[12] 葉克林,呂建雄,殷亞方. 我國高強度結(jié)構(gòu)材加工利用技術(shù)的研究進展[J]. 木材工業(yè),2009,01:4-6.

[13] 李 堅.走向21世紀(jì)的木質(zhì)復(fù)合材料[J].世界林業(yè)研究,1995, 8(3):34-40.

Design and fabrication of glulam timber and products quality control

ZHOU Xian-yan, CAO Lei, ZHOU Jia-le, ZENG Dan
(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Glulam is an engineering wood composite which is high ratio of strength to mass, beauty, biodegradable and widely applied in engineering fi elds such as bridge, building. Larch is widely spread in China and not only abundant in production and storage, but also it has properties of high strength and is suitable for industrial processing and utilization. According to the status of manufacturing and utilizing of domestic larch glulam for structure and combining manufacturing test in the factory, the production process of glulam and quality control from the choice of layer board, fi nger technology, gluing technology, assembly technology and quality inspection and so on were introduced, and the technological parameters and requirements of the whole manufacturing process were brief l y described.Finally, the existing problems and suggestions on the glulam manufacture promotion in our country are put forward.

laminated wood (glulam); assembly technique; products quality control; fi nger jointing technique

S781

A

1673-923X(2014)12-0136-05

2014-03-03

國家林業(yè)局公益性行業(yè)科研專項（201304504）；湖南省自然科學(xué)基金項目（12JJ5012）；湖南省研究生科研創(chuàng)新基金項目（CX2013B351）；中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金（CX2013A05）

周先雁（1956-），男，湖北黃梅人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事結(jié)構(gòu)損傷診斷與加固的研究；E-mail：zxy560805@163.com

[本文編校：文鳳鳴]