朱建偉 金銀慧 譚 民 閆培英 劉曉娜

按照推進結(jié)構(gòu)性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的要求，國家決定大力發(fā)展裝配式建筑，推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級，這一政策為木結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了難得的機遇。在木結(jié)構(gòu)建筑中，結(jié)構(gòu)用膠合木的地位至關(guān)重要，它直接關(guān)系到建筑物的安全。因此，大力研究結(jié)構(gòu)用膠合木將極大地促進木結(jié)構(gòu)建筑的產(chǎn)業(yè)升級。近年來，我國部分科研院所和生產(chǎn)企業(yè)對膠合木進行了大量研究，發(fā)現(xiàn)在我國現(xiàn)有的樹種中，落葉松強度高、致密性好、耐腐蝕，是理想的結(jié)構(gòu)材料，制造的結(jié)構(gòu)用膠合木在各項重要指標中優(yōu)于其他材種，且落葉松在我國蓄積量大，又是人工造林的主要樹種，因此，選擇落葉松膠合木作為試驗對象。在木結(jié)構(gòu)建筑中，結(jié)構(gòu)用膠合木需要承載荷載，不但要求強度高，且必須適應(yīng)周圍環(huán)境。影響膠合木強度有很多要素，其中膠黏劑是重要因素之一[1-2]。相關(guān)研究人員[3-5]已對不同樹種和不同膠黏劑的使用做過研究，表明其膠合性能存在較大差異，但關(guān)于膠黏劑的選擇缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)。目前膠黏劑品種很多，質(zhì)量方面良莠不齊，即使是同一種類膠黏劑，因成分不同，性能也存在較大差異，因此，很難選擇合適的膠黏劑，進而導(dǎo)致膠合木的性能不穩(wěn)定。

該試驗選擇膠合木生產(chǎn)企業(yè)常用的4種結(jié)構(gòu)膠黏劑，即單組份聚氨酯（PURd）、雙組份間苯二酚（苯酚-間苯二酚-甲醛膠黏劑，簡稱PRF）以及來自兩家企業(yè)的雙組份異氰酸酯（MDI-A和MDI-B），依據(jù)GB/T 26899—2011《結(jié)構(gòu)用集成材》[6]從耐久性和力學(xué)性能方面驗證不同膠黏劑對落葉松膠合木膠合強度的影響，為后期膠黏劑的選擇提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 材料與設(shè)備

層板選用興安落葉松（larix gmelinii），含水率為8%～12%。按照膠合木表層材選材，尺寸：1 000 mm（L）×100 mm（W）×25 mm（T）。試驗設(shè)備：圓鋸（MJ105A,河南黃河旋風股份有限公司）、壓機（山東臨沂中恒機械廠）、萬能力學(xué)試驗機（INSTRON-3582）等。

四種結(jié)構(gòu)膠黏劑的相關(guān)參數(shù)見表1，其中MDI-A與MDI-B是由不同企業(yè)生產(chǎn)的同種類型的膠黏劑。

1.2 試驗方法

1.2.1 落葉松膠合木制備

鋸材經(jīng)鋸解、干燥加工成標準規(guī)格的四面光鋸材，尺寸是1 000 mm(L)×100 mm(W)×25 mm(T)。根據(jù)表2膠合木制備工藝參數(shù)進行加壓膠合，其中表2膠合工藝參數(shù)均是由企業(yè)提供的膠黏劑使用說明得到。卸壓之后需陳放養(yǎng)生24 h。因木材特征、膠黏劑和膠合工藝是影響膠合性能的主要因素之一[7]，故膠合木制備過程中，為了防止其他因素的干擾，膠合工藝一定要根據(jù)實際要求進行，盡可能達到最大膠合強度。

1.2.2 膠合性能的測試

膠合性能試驗根據(jù)國家標準GB/T 26899—2011《結(jié)構(gòu)用集成材》[6]測試，包括膠層剪切試驗和浸漬剝離試驗。根據(jù)標準要求加工剪切試樣和剝離試樣。剪切試驗包括層板層積方向測試和層板寬度方向測試，計算剪切強度和木破率。浸漬剝離試驗包括常溫浸漬剝離、煮沸剝離和減壓加壓剝離測試，計算總剝離率和單一膠層最大剝離率。每組測試取5個重復(fù)樣，最終結(jié)果取平均值。浸漬剝離試驗方法[6]如下：

表1 膠黏劑相關(guān)參數(shù)Tab.1 Adhesive related parameters

表2 膠合木制備工藝參數(shù)Tab.2 Technical parameters of glulam

1）常溫剝離：試件在常溫10～25 ℃水中浸漬24 h，然后放入（70±3）℃的恒溫干燥箱中，干燥至試驗前質(zhì)量的100%～110%。在干燥過程中，試樣之間應(yīng)保持至少50 mm的距離，并且木材橫切面的紋理平行于氣流方向。

2）煮沸剝離：試件在沸水中浸漬4 h，然后在室溫0～25 ℃下的水中浸泡1 h，然后放入（70±3）℃的恒溫干燥器中，將試樣干燥至試前質(zhì)量的100%～110%范圍內(nèi)。干燥過程同常溫剝離試驗。

3）減壓加壓剝離：試樣在室溫10～25 ℃下的水中浸漬，抽真空到70～85 kPa保持5 min，釋放真空壓力，加壓到500～600 kPa，保壓1 h。上述處理反復(fù)進行2次后，把試樣從水中取出，放入（70±3）℃的恒溫干燥器中，在相對濕度不超過15%，空氣流動速度為2～3 m/s的條件下，將試樣干燥至試前質(zhì)量的100%～110%范圍內(nèi)。干燥過程同常溫剝離試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 膠合面剝離性能

表3 常溫剝離試驗數(shù)據(jù)Tab.3 Immersion delamination test data

表4 煮沸剝離試驗數(shù)據(jù)Tab.4 Boil delamination test data

表5 減壓加壓剝離試驗數(shù)據(jù)Tab.5 Vacuum-pressure delamination test data

圖1 不同剝離試驗結(jié)果Fig.1 Different peeling test results

膠層剝離試驗結(jié)果如表3～5及圖1所示，通過對比分析，常溫下膠層剝離率最小，僅2號MDI-A剝離率數(shù)值較大，總剝離率高達41.67%，未達標準要求[6]。隨著測試環(huán)境的變化，使用不同膠黏劑的膠層剝離率發(fā)生顯著差異。煮沸條件下，2號MDI-A和4號MDI-B膠層總剝離率和單一膠層最大剝離率數(shù)值較大，3號PRF剝離率最小，總剝離率僅為1%，單一膠層剝離率為2%，表明3號PRF膠層抵抗外界條件能力更強；減壓加壓條件下，1號PURd、2號MDI-A和4號MDI-B剝離率較大，均大于50%，最大可達100%。綜上，三種測試條件下，PRF膠黏劑剝離率最小，膠合性能最好，MDI膠黏劑剝離率最大，膠合性能最差，說明PRF膠黏劑可以與興安落葉松木材之間形成很好的膠合，優(yōu)于其他膠黏劑。原因是由于PRF滲入到木材孔隙中，與木材形成很好的膠合，而MDI膠黏劑未滲入到木材內(nèi)部，僅與木材表面發(fā)生膠合，因此膠合強度低；同時PRF的加壓時間較長，MDI的加壓時間較短，膠層可能未完全固化進而導(dǎo)致強度低，剝離率增大。由不同企業(yè)生產(chǎn)的MDI膠黏劑膠合性能存在區(qū)別， A企業(yè)生產(chǎn)的MDI膠黏劑在一次常溫剝離時發(fā)生41.67%的剝離率，在經(jīng)歷煮沸和加壓減壓條件下，完全剝離，與A企業(yè)相比，B企業(yè)生產(chǎn)的MDI膠黏劑表現(xiàn)較好。由此可見，由不同企業(yè)生產(chǎn)的同種膠黏劑因生產(chǎn)配方不同導(dǎo)致膠合強度存在很大差異。

2.2 膠合面剪切性能

表6 不同方向剪切強度Tab.6 The shear strengths in different directions

表7 不同方向膠層木破率Tab.7 The wood failure rates in different directions

試樣剪切強度和木破率結(jié)果如表6～7和圖2所示，根據(jù)結(jié)果分析得出：四種膠黏劑制造的膠合木在層板層積方向的剪切強度及木破率均達到GB/T 26899—2011規(guī)定的當剪切強度大于11.0 MPa, 木破率最小為45%的要求。在膠合木層積方向，剪切強度最小值為12.24 MPa, 木破率在80%～95%之間，其中2號MDI-A膠合強度最低;在層板寬度方向，剪切強度最小值為3.42 MPa，木破率在60%～80%之間，四種膠黏劑的剪切強度差距不大。對比不同剪切方向，發(fā)現(xiàn)層積方向剪切強度明顯大于寬度方向，原因是由木材纖維方向各項異性導(dǎo)致。MDI-A和MDI-B是不同企業(yè)生產(chǎn)的同一膠種，但剪切強度不同，主要原因是不同企業(yè)的生產(chǎn)配方不同導(dǎo)致，進而影響膠合性能。

3 結(jié)論

浸漬剝離試驗中，PRF膠黏劑剝離率最低，MDI膠黏劑剝離率最高；剪切測試中，PRF膠黏劑剪切強度略高于其他三種膠黏劑，且兩種不同來源的MDI膠黏劑表現(xiàn)出不同的膠合性能。綜上分析，在耐久性方面，間苯二酚類膠黏劑明顯強于聚氨酯類膠黏劑；在抗剪方面，間苯二酚類膠黏劑略優(yōu)于聚氨酯類膠黏劑。兩種異氰酸酯雖屬同一種膠黏劑，但由于配方不同，膠合性能表現(xiàn)出明顯差異，因此，建議在使用不同企業(yè)的同種膠黏劑時，應(yīng)進行相關(guān)測試，以保證產(chǎn)品性能穩(wěn)定。

[1]任曉峰. 落葉松結(jié)構(gòu)用集成材膠合工藝技術(shù)的研究[D]. 北京:北京林業(yè)大學(xué), 2008.

[2]劉佳權(quán). 落葉松工程膠合木制造工藝研究[D]. 株洲:中南林業(yè)科技大學(xué), 2015.

[3]彭立民, 王金林. 集成材膠合工藝的研究[J]. 木材工業(yè), 2004,18(3):29-31.

[4]趙立, 申士杰, 李杰. 不同膠黏劑不同樹種結(jié)構(gòu)用集成材膠合性能的研究[J]. 林產(chǎn)工業(yè), 2015 (11):39-42, 45.

[5]周先雁, 曹磊. 膠合木設(shè)計制作與質(zhì)量控制[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2014, 34(12):136-140.

[6]GB/T 26899—2011 結(jié)構(gòu)用集成材[S]. 北京:中國標準出版社, 2011.

[7]張玉萍, 傅峰. 不同水性高分子異氰酸酯膠對人工林木材膠合性能的影響[J]. 林產(chǎn)工業(yè), 2006, 10(3):10-13.