郭 宇 紅 嶺 胡建鵬 徐偉濤 姚利宏

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，呼和浩特 010018； 2.國(guó)家林業(yè)和草原局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100010）

木材是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中必不可少的重要物資，具有紋理美觀、可循環(huán)利用、低碳環(huán)保等特點(diǎn)，被廣泛用于家具、建筑、裝飾裝修等領(lǐng)域[1-3]。在綠色發(fā)展的大趨勢(shì)下，木材的需求量激增。然而森林資源有限，特別是在我國(guó)實(shí)施天然林保護(hù)工程后，木材資源的供給量遠(yuǎn)不能滿足日益增長(zhǎng)的木材資源需求量。實(shí)現(xiàn)木材小材大用，劣材優(yōu)用可有效緩和木材供需矛盾。

膠合木是由結(jié)構(gòu)用鋸材通過(guò)分等，施加膠黏劑并以一定的組坯方式壓制而成的具有尺寸穩(wěn)定性高、設(shè)計(jì)性強(qiáng)、力學(xué)性能和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)的工程材料。在其制備過(guò)程中將不同等級(jí)的層板進(jìn)行優(yōu)化組合，可達(dá)到提高木材利用率，劣材優(yōu)用的目的[4]。以結(jié)構(gòu)用鋸材為基本單元制成的膠合木被廣泛應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)建筑、橋梁，正部分取代鋼筋混凝土和磚混結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，開(kāi)始大量應(yīng)用于一些高層建筑。

鋸材分等是膠合木制備的重要環(huán)節(jié)，是影響膠合木力學(xué)性能的關(guān)鍵因素之一，指接工藝、組坯方式以及膠合工藝對(duì)膠合木的質(zhì)量也有重要影響。本文主要介紹國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)用鋸材的等級(jí)評(píng)價(jià)及其膠合木制備相關(guān)工藝研究；結(jié)合我國(guó)實(shí)際，就膠合木的進(jìn)一步發(fā)展提出建議，以期為我國(guó)膠合木工業(yè)化生產(chǎn)提供借鑒。

1 鋸材等級(jí)評(píng)價(jià)

在膠合木制備前期對(duì)鋸材進(jìn)行質(zhì)量分等，然后按照不同等級(jí)制備具有不同力學(xué)特性膠合木。鋸材分等方法主要分為目測(cè)分等與機(jī)械應(yīng)力分等。

1.1 目測(cè)分等

目測(cè)分等也稱(chēng)目測(cè)分級(jí)（Visual Grading），即依據(jù)目測(cè)分等規(guī)則用肉眼觀察木材外觀缺陷狀況，確定材質(zhì)等級(jí)。該方法直觀、簡(jiǎn)單。目測(cè)分級(jí)主要由經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)的目測(cè)分級(jí)技術(shù)人員人工完成，而在歐洲某些鋸材廠已經(jīng)開(kāi)始采用計(jì)算機(jī)圖像智能識(shí)別技術(shù)進(jìn)行目測(cè)分級(jí)。

目前目測(cè)分等有不同的標(biāo)準(zhǔn)體系。采用日本JAS 235《構(gòu)造用集成材日本農(nóng)林規(guī)格》、美國(guó)ASTM D245《確定外觀分等木材結(jié)構(gòu)用等級(jí)和可許特性標(biāo)準(zhǔn)》與我國(guó)的GB 50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（輕型木結(jié)構(gòu)規(guī)格材材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)）3 種不同的目測(cè)分等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)落葉松（Larixolgensis Henry）進(jìn)行分等，結(jié)果表明：美國(guó)與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)目測(cè)分等結(jié)果相近；按照日本外觀分等標(biāo)準(zhǔn)分等，結(jié)果顯示，隨著等級(jí)的降低，各等級(jí)的機(jī)械應(yīng)力分等彈性模量集中態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且各等級(jí)的離散分布程度大致相當(dāng)；比較上述3 種標(biāo)準(zhǔn)，日本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)節(jié)子的要求相對(duì)而言更為嚴(yán)格，從木材資源利用角度，日本目測(cè)分等標(biāo)準(zhǔn)不利于木材的有效利用[5]。目測(cè)分等規(guī)則源于北美早期的一些分等方法，隨著鋸材生產(chǎn)的不斷發(fā)展，目測(cè)分等的方法在實(shí)踐中得以不斷修正和完善，至今依然是北美鋸材分等的主要方法和基礎(chǔ)[6]。依據(jù)北美規(guī)格材目測(cè)分等規(guī)則NLGA（National Lumber Grades Authority）對(duì)不同產(chǎn)地人工林杉木（Cunninghamia lanceolata）進(jìn)行目測(cè)分等，結(jié)果表明：節(jié)子是最主要的降等缺陷，但對(duì)不同產(chǎn)區(qū)的杉木規(guī)格材等級(jí)的影響程度不同。相關(guān)分析表明：不能以節(jié)子數(shù)量作為劃分杉木規(guī)格材強(qiáng)度等級(jí)的依據(jù)；目測(cè)分等的等級(jí)對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響極顯著；各目測(cè)等級(jí)MOR特征值及強(qiáng)度比均比NLGA規(guī)定的低，今后相關(guān)研究中應(yīng)重點(diǎn)考察目測(cè)分等方法對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響。

江京輝[7]等對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)體系的結(jié)構(gòu)用規(guī)格材目測(cè)分級(jí)規(guī)則進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：北美與我國(guó)在結(jié)構(gòu)用規(guī)格材的分等體系中對(duì)于缺陷的測(cè)量方法相同，如對(duì)于蟲(chóng)孔缺陷，均按照蟲(chóng)孔的大小和數(shù)量來(lái)確定規(guī)格材等級(jí)，對(duì)于節(jié)子均按照節(jié)子尺寸和類(lèi)型進(jìn)行分級(jí)，對(duì)鈍棱、輪裂、腐朽等缺陷的界定規(guī)則也一致。英國(guó)針葉材強(qiáng)度目測(cè)分級(jí)規(guī)則與國(guó)際結(jié)構(gòu)用規(guī)格材強(qiáng)度目測(cè)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)基本相近，結(jié)構(gòu)用規(guī)格材均分為兩個(gè)等級(jí)；澳大利亞結(jié)構(gòu)用針葉材鋸材目測(cè)分等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鈍棱、輪裂和生長(zhǎng)輪平均寬度的計(jì)算及界定，均與上述4 種標(biāo)準(zhǔn)體系不同。何林等[8]基于ASTM D245 美國(guó)外觀分等相關(guān)規(guī)則，對(duì)落葉松鋸材進(jìn)行目測(cè)外觀分等，結(jié)果表明：利用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)直接預(yù)測(cè)鋸材抗彎強(qiáng)度的決定系數(shù)低，不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鋸材的抗彎強(qiáng)度。僅利用美國(guó)目測(cè)分等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋸材進(jìn)行分等不科學(xué)，應(yīng)綜合多種方法，提高準(zhǔn)確性。

木材前期的機(jī)械加工過(guò)程和干燥處理對(duì)目測(cè)分等有著舉足輕重的作用，若能更好地控制機(jī)械加工與木材干燥，可以大幅度提高鋸材的目測(cè)等級(jí)，充分發(fā)揮鋸材的力學(xué)性能，從而達(dá)到材盡其用，增加生產(chǎn)效益的目的[9]。

目測(cè)分等還存在諸多局限，如對(duì)于不同樹(shù)種的節(jié)子對(duì)強(qiáng)度的影響沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范；對(duì)木材的強(qiáng)度預(yù)測(cè)值比實(shí)際值低；木材的彈性模量無(wú)法衡量等。目前機(jī)械應(yīng)力分等被認(rèn)為是一種能實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確評(píng)價(jià)木材力學(xué)性能的有效方法[10]。

1.2 機(jī)械應(yīng)力分等

機(jī)械應(yīng)力分等（Machine Stress Rating，MSR），即采用機(jī)械應(yīng)力測(cè)定設(shè)備對(duì)木材進(jìn)行非破壞性試驗(yàn)，在不破壞木材內(nèi)部組織的情況下無(wú)損檢測(cè)木材彎曲強(qiáng)度和彈性模量或者密度，確定木材材質(zhì)等級(jí)[11]。機(jī)械應(yīng)力分等以靜載荷彎曲檢測(cè)方法為基礎(chǔ)，通過(guò)試件的變形與被施加的載荷得出木材的彈性模量。被測(cè)木材一般經(jīng)過(guò)3 到4 次加載過(guò)程，得到3 到4 個(gè)相對(duì)應(yīng)的彈性模量值，從中選取最低值作為被測(cè)木材的最終分等彈性模量值[12]。機(jī)械應(yīng)力分等采用彎曲應(yīng)力法，分為三點(diǎn)式彎曲和四點(diǎn)式彎曲。依據(jù)木材靜態(tài)彈性模量參數(shù)對(duì)鋸材進(jìn)行等級(jí)劃分，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線快速分等，分等效率高。對(duì)規(guī)格化鋸材進(jìn)行機(jī)械應(yīng)力分等研究，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)抗彎強(qiáng)度與動(dòng)態(tài)抗彎強(qiáng)度之間的相關(guān)性有較大差異，且靜態(tài)抗彎強(qiáng)度與靜態(tài)抗彎彈性模量的相關(guān)性要優(yōu)于動(dòng)態(tài)抗彎強(qiáng)度與動(dòng)態(tài)抗彎彈性模量[13]。采用機(jī)械應(yīng)力分等法評(píng)估人工林落葉松結(jié)構(gòu)用鋸材力學(xué)性質(zhì)，結(jié)果顯示：動(dòng)態(tài)抗彎彈性模量與靜態(tài)抗彎彈性模量具有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.942 3，且在0.01 水平顯著；動(dòng)態(tài)彈性模量的平均值比靜態(tài)抗彎彈性模量的平均值高3.45%（0.56 GPa）[14]。所測(cè)試件的動(dòng)態(tài)彈性模量平均值為15.43 GPa，中位值為15.43 GPa，動(dòng)態(tài)彈性模量的數(shù)據(jù)結(jié)果基本成正態(tài)分布，但有數(shù)值偏低的情況[12]。研究表明：縱向振動(dòng)法可作為規(guī)格材分等的有效方法，密度是影響規(guī)格材強(qiáng)度的主要因素，機(jī)械應(yīng)力分等可快速高效且準(zhǔn)確地對(duì)足尺結(jié)構(gòu)用材進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)[15]。

將分等后的鋸材制備成三個(gè)等級(jí)結(jié)構(gòu)膠合木，發(fā)現(xiàn)所制備的膠合木抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度的相關(guān)性與鋸材相似，且通過(guò)膠合木測(cè)試過(guò)程中的力-位移曲線可以預(yù)測(cè)抗彎強(qiáng)度值，在組坯設(shè)計(jì)中可讓其力-位移曲線斜率較小，在最后階段出現(xiàn)緩慢增加，出現(xiàn)韌性階段，最大化利用木材特性[16]。

機(jī)械應(yīng)力分等因其諸多優(yōu)點(diǎn)而成為規(guī)格化鋸材性能評(píng)估的主要方法。然而，單獨(dú)依靠機(jī)械分等來(lái)檢測(cè)與評(píng)價(jià)木材質(zhì)量不夠全面，在實(shí)際應(yīng)用中機(jī)械分等應(yīng)結(jié)合其他無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)鋸材進(jìn)行等級(jí)劃分。

2 膠合木制備工藝

膠合木也稱(chēng)為集成材，由分等后的木材經(jīng)指接、加壓膠合而成[17]，主要用于工程建筑體系中的梁、桁架和拱[18-19]，其具有的高強(qiáng)度與優(yōu)良的抗震性能[20-21]與制備過(guò)程中的指接工藝、組坯方式和膠合工藝等密切相關(guān)。

2.1 指接工藝

對(duì)木材進(jìn)行指接，可實(shí)現(xiàn)小材大用，在增加幾何尺寸的同時(shí)，還可以避免影響木材力學(xué)性能的天然缺陷。對(duì)于膠合木抗彎強(qiáng)度，指接部位是膠合木中較薄弱、易發(fā)生破壞的區(qū)域[22]，因此指接工藝對(duì)于膠合木性能具有決定性的作用。

指接材的指接部位根據(jù)銑齒時(shí)使用的底刀分為羽型、翼型和嵌入型，其中羽型的膠合界面最大，結(jié)合強(qiáng)度最高，目前多數(shù)膠合木都選擇該形式[23]。對(duì)結(jié)構(gòu)用膠合木層板指接研究發(fā)現(xiàn)，指接層板的抗彎強(qiáng)度會(huì)因指長(zhǎng)的變化而發(fā)生變化，25 mm指長(zhǎng)試樣抗彎強(qiáng)度變異系數(shù)較12.7、19 mm試樣的抗彎強(qiáng)度變異系數(shù)高，且抗彎強(qiáng)度平均值也略高于12.7、19 mm指長(zhǎng)試樣的抗彎強(qiáng)度平均值，但指長(zhǎng)參數(shù)對(duì)抗彎彈性模量不會(huì)產(chǎn)生顯著影響[24-25]。在生產(chǎn)過(guò)程中，可優(yōu)先選擇短指，同時(shí)根據(jù)刀具和木材樹(shù)種特性等因素調(diào)節(jié)嵌合度[26]。指接的開(kāi)齒方式分為垂直型與水平型，在對(duì)日本落葉松（Larix kaempferi）的研究中發(fā)現(xiàn)，開(kāi)齒方式對(duì)膠合木的抗彎強(qiáng)度影響不大，對(duì)抗彎彈性模量會(huì)產(chǎn)生顯著的影響[26]。指接材的指接部位宜置于膠合木中層，有研究表明無(wú)指接的膠合木底板比有指接的膠合木底板抗彎承載力高25.4%[27]。在指接過(guò)程中，端壓也是非常重要的影響因素，一般與木材紋理結(jié)構(gòu)有關(guān)，紋理較為通直的木材端壓可相應(yīng)較高，反之紋理歪斜的木材在加壓時(shí)容易出現(xiàn)木材指接部位劈裂的情況，因此不宜過(guò)高[22]。指接時(shí)，結(jié)合角度也會(huì)影響指接材的力學(xué)強(qiáng)度，對(duì)落葉松指接材研究發(fā)現(xiàn)，斜指接及加大膠合的前齒間隙對(duì)提高指接材的力學(xué)強(qiáng)度有顯著貢獻(xiàn)[28]。

指接強(qiáng)度是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)用指接材質(zhì)量的主要指標(biāo)。膠合木制備過(guò)程中影響指接強(qiáng)度的因素較多，如何獲得穩(wěn)定、可靠的指接強(qiáng)度對(duì)于膠合木的生產(chǎn)和發(fā)展至關(guān)重要。

2.2 組坯方式

組坯方式對(duì)膠合木性能有重要影響。用不同等級(jí)的層板坯料分組制備不同力學(xué)強(qiáng)度的膠合木，可實(shí)現(xiàn)低成本生產(chǎn)，最大化利用木質(zhì)資源[29-30]。

根據(jù)分等后獲得的層板力學(xué)性能參數(shù)設(shè)計(jì)組坯制成的膠合木，其力學(xué)性能與層板的強(qiáng)度、彈性模量等性能參數(shù)有著密切關(guān)系，可通過(guò)層板分等時(shí)獲得的力學(xué)性能參數(shù)預(yù)測(cè)膠合木的力學(xué)性能。有研究發(fā)現(xiàn)，膠合木的抗彎強(qiáng)度主要取決于組坯層板中最外層板的抗拉性能，且膠合木的強(qiáng)度與剛度主要由組坯層板中最弱區(qū)域的性能決定[31]。對(duì)對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)異等組坯膠合木研究分析表明，當(dāng)膠合木被彎曲時(shí)，最外層的兩層層板分別受拉和受壓，數(shù)據(jù)顯示，影響膠合木抗彎性能的主要是受拉的最外層層板，組坯時(shí)應(yīng)將最高等級(jí)層板用于受拉最外層，受壓最外層層板次之。如此可提高膠合木的力學(xué)性能，同時(shí)提高木材的利用率[32]。此外，組坯層數(shù)也是膠合木力學(xué)強(qiáng)度的重要影響因素，膠合層數(shù)與膠合木的抗彎強(qiáng)度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。同理，膠合木的破壞撓度與彈性模量也隨著膠合層數(shù)的增加呈顯著的增大趨勢(shì)[33]。

2.3 膠合工藝

層板之間的膠合質(zhì)量很大程度上決定了膠合木成品的力學(xué)性能[34]。膠黏劑的選擇、涂膠量、膠合時(shí)間和壓力等是影響膠合木膠合強(qiáng)度的重要因素。

采用水性高分子異氰酸酯與單組分聚氨酯兩種膠黏劑對(duì)落葉松鋸材進(jìn)行指接膠合，檢測(cè)膠合性能，結(jié)果表明：膠黏劑為干態(tài)時(shí)，水性高分子異氰酸酯的抗拉強(qiáng)度優(yōu)于單組分聚氨酯；膠合壓力為1.2 MPa時(shí)，水性高分子異氰酸酯的干、濕剪切強(qiáng)度較好；在真空加壓和循環(huán)煮沸條件下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，用單組分聚氨酯制備的膠合木抗拉強(qiáng)度較好[16]。異氰酸酯膠黏劑可制備出具有良好彎曲和拉伸性能的指接接頭[35-36]。對(duì)比間苯二酚與高分子異氰酸酯兩種膠黏劑制備的膠合木膠合性能發(fā)現(xiàn)，在加壓時(shí)間充分的條件下，間苯二酚膠黏劑膠合木的順紋剪切強(qiáng)度要優(yōu)于高分子異氰酸酯膠黏劑膠合木，且間苯二酚膠黏劑制備的膠合木，其干態(tài)、濕態(tài)順紋剪切木破率也相對(duì)較大[37]。膠黏劑對(duì)膠合木強(qiáng)度具有重要作用，應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境選擇不同的膠黏劑。

膠合過(guò)程中膠黏劑的用量應(yīng)適宜，涂膠過(guò)多，膠液會(huì)被擠出，造成膠黏劑浪費(fèi)和環(huán)境污染；涂膠過(guò)少則會(huì)因膠合界面缺膠，導(dǎo)致膠合性能下降。一般涂膠量以200 ～300 g/m2為宜，固化后可形成工整的膠線[38-39]。

加壓時(shí)間通常為3～5 s，溫度以20～30 ℃為宜。膠合壓力應(yīng)根據(jù)膠黏劑性質(zhì)、用量及木材的樹(shù)種、表面特性等確定。針葉材的膠合壓力一般為4～8 MPa，闊葉材為8～14 MPa[39-40]。在一定范圍內(nèi)，膠合壓力的增大會(huì)使膠合強(qiáng)度相應(yīng)增大，原因在于膠合壓力越大，膠黏劑膠液滲入量越多，膠合面積越大，膠合強(qiáng)度越高，但膠黏劑也會(huì)因膠合壓力過(guò)大導(dǎo)致膠液過(guò)量滲入，造成膠合界面缺膠，致使膠合強(qiáng)度下降。膠合工藝是決定膠合木力學(xué)強(qiáng)度、耐久性等的重要因素，對(duì)膠合工藝的深入研究對(duì)于大力發(fā)展膠合木有重要意義。

3 結(jié)語(yǔ)

膠合木在國(guó)內(nèi)外木結(jié)構(gòu)建筑領(lǐng)域具有巨大的市場(chǎng)與應(yīng)用前景，為進(jìn)一步推進(jìn)膠合木的發(fā)展，今后可在前述研究基礎(chǔ)上，對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行探索：

1）進(jìn)一步完善結(jié)構(gòu)用鋸材分等標(biāo)準(zhǔn)體系，研發(fā)鋸材快速分等設(shè)備，優(yōu)化膠合木分等、制備生產(chǎn)線；

2）深入探究木材指接技術(shù)，優(yōu)化膠合木指接工藝，提高膠合木指接材的力學(xué)性能及材料利用率；

3）針對(duì)應(yīng)用于不同使用環(huán)境及使用條件的膠合木，研制適用的新型膠黏劑，深化研究不同膠合工藝參數(shù)對(duì)膠合木性能的影響。