楊林清 葛 鵬 付 豪

我國森林資源相對匱乏，隨著中國天然林資源保護工程的推進，天然木材作為結構用材在相當長的時間里處于供不應求的狀態(tài)。雖然國家采取一系列措施鼓勵木材進口，但也面臨進口價格過高、木材輸出國限制天然林原木出口等問題[1]?；诖?，利用人工林開發(fā)新型結構材料可在一定程度上解決結構材供給不足的問題。

ESWood復合木（易飾工程木）[2-3]是一種以人工桉樹林速生材為原料，在單板條層積材加工工藝[4]的基礎上，采用特殊技術工藝制造的新型復合木。

桉樹是一種優(yōu)質(zhì)速生樹種，多生長于澳大利亞，近幾十年來已被許多國家引種作為人工林的造林樹種，不同種的桉樹的木材性質(zhì)之間存在很大的差異性，可滿足不同的產(chǎn)品和市場的需要。早在1963年，Roger G.Skolmen通過研究指出，桉樹具有較高的承載力和耐久性，其原木可用作圍樁、基礎樁、承板、鐵路枕木等，并提出桉樹可以作為墻板在建筑中使用，同時指出桉樹片層膠合材已在進行試驗研究[5]。2008年，巴西建筑師Andre Eisenlohr設計了一座森林木屋（如圖1），其中梁和柱均采用經(jīng)處理的桉樹原木[6]。

圖1 桉樹木屋Fig.1 Eucalyptus house

目前，世界人工桉樹林中低齡材占較大比例，由于桉樹本身的生長特性，其木材存在高生長應力、脆心、干燥困難、容易翹曲等缺陷。故20世紀60年代以來，大部分桉樹都用于木片和紙漿生產(chǎn)。巴西等國家也利用桉樹作為原料生產(chǎn)硬質(zhì)纖維板、刨花板等板材。為提高桉樹的利用價值，國外許多機構開展了相應研究，隨著木材性質(zhì)改良技術、鋸解技術和干燥技術的發(fā)展[7]，低齡桉樹展現(xiàn)出其作為實體木材加工利用的巨大潛力和價值。

1954年，我國廣東省建立粵西桉樹林場（現(xiàn)雷州林業(yè)局）率先開始營造桉樹人工林，經(jīng)多年發(fā)展，目前桉樹人工林已遍及廣東、廣西等南方省份。我國的桉樹人工林面積為450萬 hm2，居我國人工林面積第三位，僅占我國森林面積的2%，年產(chǎn)木材卻超過3 000萬 m3，占全國年木材產(chǎn)量的26.9%。現(xiàn)主要推廣的桉樹樹種有尾葉桉、巨桉、細葉桉、藍桉及其雜交組合，約10多個品種，其中的優(yōu)良品系，一年生樹干高達4～5 m，木材年生產(chǎn)量可達45～50 m3/hm2[8]。

ESWood復合木的加工工藝解決了桉樹木材干燥、鋸解、膠合困難的問題，克服了桉樹木材本身存在的缺陷，使木材性能得到了改善，有望在木結構建筑中使用。

基本材性是衡量材質(zhì)的主要依據(jù)，筆者對ESWood復合木的基本力學性能進行試驗研究并探討其作為承重結構使用的可能性。

1 木材力學性能試驗方法

ESWood復合木的膠合工藝如下：原木旋切單板—單板干燥—單板裁條—單板條施膠干燥—單板板條鋪裝組坯—熱壓成型—堆垛養(yǎng)生—鋸切刨光—二次冷壓膠合成木結構部件規(guī)格料。

定義ESWood復合木沿其膠合面長度方向為順紋方向，與其膠合面垂直方向為橫紋方向。為研究ESWood復合木的材性，筆者對ESWood復合木順紋抗拉強度、順紋抗壓強度、橫紋抗拉強度、橫紋全部抗壓強度、橫紋局部抗壓強度、順紋銷槽承壓強度以及橫紋銷槽承壓強度進行試驗。

1.1 試件設計

按照GB 1938—2009《木材順紋抗拉強度試驗方法》、GB 1934—2009《木材橫紋抗壓強度試驗方法》、GB 1935—2009《木材順紋抗壓強度試驗方法》、ASTM D 143-09Standard Test Methods for Small Clear Specimens of Timber和ASTM D 5764-97 aStandard Test Method for Evaluating Dowel-Bearing Strength of Wood and Wood Based Products分別對試件進行設計。木材順紋抗拉強度試驗試件尺寸為20 mm×14 mm，長370mm，有效截面尺寸為15 mm×4 mm。木材順紋抗壓強度試驗試件尺寸為20 mm×20 mm，高30 mm。木材橫紋抗拉強度試驗試件尺寸為62 mm×50 mm，高50 mm，有效截面尺寸為50 mm×25 mm。木材橫紋全部抗壓強度試驗試件尺寸為20 mm×20 mm，長30 mm。木材橫紋全部抗壓強度試驗試件尺寸為20 mm×20 mm，長60 mm。木材銷槽承壓強度試驗試件尺寸為50 mm×50 mm，厚38mm，銷槽有效直徑為14 mm，分別制作順紋試件及橫紋試件。試件的制作情況明細如圖2所示。其中，ESWood復合木銷槽承壓強度試驗有效試件數(shù)為20個，其余試驗為30個。

1.2 加載裝置

實驗設備為杭州SHENLI 有限公司生產(chǎn)的WDW-50 kN型微機控制電子萬能試驗機，最大載荷為50 kN，如圖3所示。通過更換試驗機夾持裝置以實現(xiàn)不同類型的試驗，圖4為順紋抗拉強度試驗照片。

木材的含水率對木結構的受力性能影響較大，試驗采用Lignomat含水率測試儀。將測試儀一頭的探測針敲入木材便能實時測出木材的含水率。

2 木材物理力學性能測試方法

圖2 ESWood復合木材料性能試驗Fig.2 The material properties test of ESWood

圖3 加載試驗Fig.3 Loading device

圖4 試驗照片F(xiàn)ig.4 Test photo

試驗前對試件進行編號，采用電子數(shù)顯卡尺對每個試件的實際截面尺寸進行測量，準確至0.1 mm。木材順紋抗拉強度試驗以均勻速度加荷，使試樣在1.5～2 min內(nèi)破壞。如拉斷處不在試樣有效部分，試驗結果應予舍棄。木材順紋抗壓強度試驗以均勻速度加荷，在1.5～2.0 min內(nèi)使試樣破壞。木材橫紋抗拉強度試驗以均勻的速度加載，加載速度為2.5 mm/min。木材橫紋全部抗壓強度試驗以均勻的速度加載，在1～2 min達到比例極限。木材橫紋全部抗壓強度試驗試件的受壓面上，沿60 mm長度方向距兩端20 mm處劃兩條垂直于長軸的平行線，在試件中央放置長、寬、厚尺寸為30 mm×20 mm×10 mm的加壓鋼塊。試驗以均勻的速度加載，在1～2 min達到比例極限。木材銷槽承壓強度試驗以1.0 mm/min的穩(wěn)定速率加載，在1～10 min內(nèi)到達最大荷載。試樣試驗后，立即在整個試樣或在有效部分選取一段測定試樣含水率。

順紋抗拉強度、順紋抗壓強度、橫紋抗拉強度、橫紋全部抗壓強度、橫紋局部抗壓強度、根據(jù)試驗規(guī)范要求對數(shù)據(jù)進行處理，同時根據(jù)實測含水率對結果進行調(diào)整。

銷槽承壓強度依據(jù)美國木結構設計規(guī)范，以螺栓直徑的5%為偏移距離，做荷載-位移曲線彈性階段的平行線，以兩者的交點為屈服點，得到屈服荷載，屈服荷載對應的位移為屈服位移。

3 試驗結果與分析

試件主要試驗及破壞情況如下：

1）順紋抗拉試驗初期，木材有細碎劈裂聲，表面出現(xiàn)裂縫，當達到比例極限荷載時，有效截面處突然斷裂發(fā)出劈裂聲，喪失承載力，破壞模式主要為有效截面處斷裂，為脆性破壞，如圖5（a）。

2）順紋抗壓試件隨荷載增加變形均勻增加，為彈性變形階段，進入塑形變形階段后，試件變形明顯增大，木材膠合處出現(xiàn)撕裂情況，試件被壓潰，破壞模式主要為試件壓潰破壞，有少數(shù)構件出現(xiàn)劈裂破壞，如圖5（b）。

3）橫紋抗拉試驗初期，木材有細碎劈裂聲，表面出現(xiàn)裂縫，隨位移進一步增大，木材沿膠縫被撕開，喪失承載力，破壞模式主要為沿膠縫的木材撕裂破壞，如圖5（c）。

4）橫紋抗壓試件隨荷載增加變形均勻增加，為彈性變形階段，隨著木材纖維被逐漸壓密，荷載逐步增大，難以確定最大荷載。破壞模式主要為木材壓壞，如圖5（d）、（e）。

（5）銷槽承壓試件在達到極限荷載之前，木材發(fā)出開裂聲，達到比例極限后，順紋試件進入屈服階段，隨著位移增大，銷槽處以下出現(xiàn)較大的開裂，逐漸喪失承載力，如圖5（f）；橫紋試件側面出現(xiàn)明顯的開裂并逐漸發(fā)展，達到極限荷載時，試件發(fā)出清脆斷裂聲，同時失去承載力，如圖5（g）。主要破壞模式為木材承壓破壞。

圖5 試件破壞情況Fig.5 Failure modes of specimens

各試驗試件力-位移曲線及擬合曲線如圖6所示。

圖6 試驗力-位移曲線及擬合曲線Fig.6 Load-displacement curves and fitting curve

依據(jù)GB/T 1928—2009《木材物理力學試驗方法總則》及GB/T 50329—2012《木結構試驗方法標準》（公式1～4）對試驗結果進行處理，木材力學性能測試結果見表1。

其中為算術平均值，s為標準差，ν為變異系數(shù)，μ為置信水平為0.95的總體均值，當n=20時，t0.95=1.729；當n=30 時，t0.95=1.699。

根據(jù)GB 50005—2003《木結構設計規(guī)范》中以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法，以考慮荷載效應及構件抗力（天然缺陷、干燥缺陷、長期荷載、尺寸影響等）的抗力分項系數(shù)γf確定木材設計值（公式5）。規(guī)范中強度設計值主要為抗彎、順紋抗壓、順紋抗拉、順紋抗剪及橫紋承壓強度，結合本文試驗，選擇順紋抗壓、順紋抗拉、及橫紋承壓強度進行計算及對比，結果如表2。

由表1和表2可知，ESWood復合木密度較大，為0.725 g/cm3。盡管ESWood復合木含水率為18.5%，但可以通過控制單板含水率來達到GB/T 50708—2012《膠合木設計規(guī)范》對膠合木產(chǎn)品的要求。同時，ESWood復合木為深度復合工程木產(chǎn)品，正常使用情況下，不會存在較大的干縮開裂。ESWood復合木順紋抗拉強度、順紋抗壓強度和橫紋全部抗壓較高，而其橫紋抗拉強度較低。試驗結果離散程度較大，各組數(shù)據(jù)的準確指數(shù)均大于5%，但在10%以下。ESWood復合木以寬30 mm、厚2 mm薄木片為基材，通過結構膠黏劑形成板材，板材再膠粘為復合木材，材料破壞主要是沿膠縫的木材撕裂破壞。同時，ESWood復合木橫紋抗拉清樣小試件加工時易出現(xiàn)邊沿破損，導致膠粘處出現(xiàn)局部撕裂，因此ESWood復合木橫紋抗拉強度值偏小。ESWood復合木銷槽承壓強度較大，且其準確指數(shù)均小于5%，結果離散程度較小。同時，ESWood各項強度值均不低于規(guī)范中TB13的強度設計值，因此，筆者認為，ESWood完全可以作為承重結構用材應用于木結構。

表1 ESWood復合木物理力學性能Tab.1 The physical and mechanic properties of ESWood

表2 ESWood復合木設計值確定及對比Tab.2 The design value and comparison of ESWood

4 結論與展望

對ESWood復合木木材材性試驗結果進行對比可以發(fā)現(xiàn)：

1）ESWood復合木密度為0.725g/cm3，盡管含水率為18.5%，但不影響其加工性能。

2）ESWood復合木木材順紋抗拉強度71.61MPa、順紋抗壓強度53.05MPa、橫紋全部抗壓強度7.91MPa、橫紋部分抗壓強度12.29MPa、橫紋抗拉強度1.53MPa，試驗結果離散程度較大，準確指數(shù)均大于5%，但在10%以下。

3）ESWood復合木順紋銷槽承壓強度30.73MPa，橫紋銷槽承壓強度18.29MPa，結果離散程度較小，準確指數(shù)小于5%。

4）ESWood各項強度值均高于規(guī)范中TB13的強度設計值，因此，筆者認為，ESWood完全可以作為承重結構用材應用于木結構。

可以初步得出結論：ESWood復合木的木材性能良好，可對其結構構件和連接性能進行進一步研究，為建立ESWood木結構房屋體系的設計方法，推廣人工桉樹林的高效應用奠定理論基礎。

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[3] 深圳普蘭太森新材料科技有限公司. 單板條斜向組合膠合木:中國,2013300138535[P]. 2013-01-16.

[4] 韋亞南, 楊娜, 李艷云, 等. 單板條層積材(PSL)的研究進展[J].木材加工機械, 2015(8):53-56.

[5] Skolmen R G. Robusta Eucalyptus wood: its properties and uses[J].U.s.for.serv.res.pap.pacif.sthwest.for.range Exp.sta, 1963, 009.

[6] Eucalyptus an Underused Building Material[Z].[2015-12-10] https://sourceable.net/eucalyptus-underused-building-material/.

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[8] 殷亞方, 姜笑梅, 呂建雄, 等. 我國外桉樹人工林資源和木材利用現(xiàn)狀[J]. 木材工業(yè), 2001, 15(5):3-5.