孫玉慧 龔靖雅 霍子微 徐建峰*

（1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091；2.壽光市魯麗木業(yè)股份有限公司，山東 壽光 262700）

結(jié)構(gòu)復(fù)合木材（Structural Composite Lumber，SCL）是采用單板、單板條或刨花等沿構(gòu)件長(zhǎng)度方向排列組坯疊層膠合而成的復(fù)合材料。以單板條或刨花為構(gòu)成單元的SCL主要包括單板條層積材（Parallel Strand Lumber，PSL）、定向木片層積材（Laminated Strand Lumber，LSL）、定向刨花層積材（Oriented Strand Lumber，OSL）等。這些材料以小徑材為主要原材料，利用率高，且材質(zhì)均勻、變異系數(shù)低，有效避免了由木材天然缺陷如節(jié)子、斜紋理、腐朽等引起的強(qiáng)度弱等問(wèn)題，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于建筑、電力輸送、家具和裝飾裝修等行業(yè)，在國(guó)內(nèi)外得到大力推廣，發(fā)展前景廣闊[1-2]。

1 SCL種類及應(yīng)用

1.1 單板條層積材（PSL）

20世紀(jì)60年代，PSL的命名由加拿大麥克米蘭·布隆迪爾公司提出，并于1988年在加拿大建立了生產(chǎn)工廠。目前，國(guó)外PSL已規(guī)?；a(chǎn)使用，而國(guó)內(nèi)尚處于試驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段[3]。PSL，商品名稱Parallam?，其構(gòu)成單元是以旋切或刨切單板為主所切割出的單板條。參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 2916—2017《單板條層積材》，長(zhǎng)度通常為厚度的300倍，一般長(zhǎng)度為0.6～2.44 m，寬度為15～30 mm，厚度小于6 mm，基本以1～3.2 mm為主。原料包括花旗松、冷杉、南方松、西部鐵杉、北美喬柏以及熱帶闊葉材等[4-5]。結(jié)構(gòu)用PSL尺寸通常與膠合木或鋸材相同，具有紋理美觀、力學(xué)性能高、機(jī)械加工性能好等優(yōu)點(diǎn)[6]，主要用作承重建筑構(gòu)件，如圖1、2的梁和柱。結(jié)構(gòu)用PSL還可作為電力輸送的線桿、支撐桿、撐線壁等。作為裝飾用材，主要用作室內(nèi)門框窗框和樓梯扶手等部件[5]。

圖1 PSL梁Fig.1 PSL beam

圖2 PSL柱Fig.2 PSL column

1.2 定向木片層積材（LSL）

20世紀(jì)90年代，定向刨花板（Oriented strand board，OSB）在美國(guó)和加拿大人造板市場(chǎng)上獲得廣泛認(rèn)可，LSL和OSL這兩種基于刨花為構(gòu)成單元的產(chǎn)品被開(kāi)發(fā)利用，主要作為單板層積材（LVL）和OSB的替代品。1991年，生產(chǎn)LSL的工廠在美國(guó)明尼蘇達(dá)州建成，在美國(guó)和加拿大取得一定的進(jìn)展，初步開(kāi)始了工業(yè)化生產(chǎn)，而我國(guó)此類產(chǎn)品還處在研發(fā)階段。LSL，商品名稱TimberStrand?，其刨花制備工藝與OSB的刨花類似，刨花長(zhǎng)度通常為厚度的150倍，長(zhǎng)度一般為200～300 mm，大于OSL和OSB所用刨花長(zhǎng)度[4]，寬度為20～30 mm，厚度為0.8～1.2 mm。LSL原料為直徑小、中低密度的成熟材或幼齡材，如云杉（Picea asperataMast.）、歐洲白杉（Abies alba）、白楊（Populus tomentosaCarr）等，枝丫材，森林殘余物，以及生產(chǎn)鋸材或單板產(chǎn)生的廢料等[7]。通常LSL比OSB需要更大程度的刨花定向排列和更大的熱壓壓力，并且LSL成板厚度一般大于OSB。LSL和OSL的強(qiáng)度和剛度以及尺寸穩(wěn)定性一般略低于LVL和PSL。如圖3～5所示，LSL可被用作結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如墻骨、梁、柱、樓板擱柵、門頭等；也可作為窗臺(tái)板、樓梯扶手，門、窗或其他木質(zhì)建筑材料的芯層材料等裝修用材和家具用材[8]。

圖3 LSL墻骨Fig.3 LSL studs

圖4 LSL樓板擱柵Fig.4 LSL floor joists

圖5 LSL芯層材料Fig.5 LSL core material

1.3 定向刨花層積材（OSL）

OSL，外觀類似于LSL，但其使用的刨花比LSL的更短。用于制造OSL的刨花長(zhǎng)度至少為厚度的75 倍，長(zhǎng)度一般為78～150 mm，寬度為12.7～25.4 mm，厚度為0.55～0.8 mm[8-9]。OSL的原料來(lái)源與LSL類似。與LSL相比，OSL 是一種相對(duì)較新的SCL產(chǎn)品，其市場(chǎng)仍在開(kāi)發(fā)中。

2 SCL相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及性能的影響因素研究

2.1 SCL相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

與鋸材不同，SCL沒(méi)有建立標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)或設(shè)計(jì)應(yīng)力，每件產(chǎn)品可以有各自的設(shè)計(jì)指標(biāo)。制備工藝參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量是由制造商確定和控制，但必須經(jīng)第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量審查。標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 5456:2019Standard Specification for Evaluation of Structural Composite Lumber Products提供了SCL產(chǎn)品性能的設(shè)計(jì)方法，并與其他美國(guó)測(cè)試材料協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，如ASTM D 198:2015Standard Test Methods of Static Tests of Lumber in Structural Sizes、ASTM D 143:2014Standard Test Methods for Small Clear Specimens of Timber和ASTM D 1037:2012Standard Test Methods for Evaluating Properties of Wood-Base Fiber and Particle Panel Materials等，針對(duì)不同使用環(huán)境確保結(jié)構(gòu)用SCL性能符合標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量要求。我國(guó)GB 50206—2012《木結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中的規(guī)定，所有進(jìn)口SCL產(chǎn)品必須提供質(zhì)量證明和產(chǎn)品標(biāo)示，還應(yīng)經(jīng)過(guò)中國(guó)相關(guān)部門的批準(zhǔn)，產(chǎn)品必須符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 SCL 主要工藝參數(shù)與物理力學(xué)性能

SCL制備工藝參數(shù)和性能總結(jié)見(jiàn)表1。生產(chǎn)SCL的膠黏劑，主要包括聚合物二苯基甲烷二異氰酸酯（pMDI)、酚醛樹(shù)脂（PF）、脲醛樹(shù)脂（UF）等，膠黏劑的選擇與使用環(huán)境和性能要求有關(guān)[10]。原料、密度、膠黏劑類型、施膠量、構(gòu)成單元尺寸等工藝參數(shù)不同的條件下，其抗彎性能、剪切強(qiáng)度等物理力學(xué)性能在一定范圍內(nèi)變化。

表1 SCL制備工藝參數(shù)和性能Tab.1 Production technology and characteristics of SCL

2.3 原料對(duì)性能的影響

不同原料質(zhì)量和性能不同，對(duì)SCL性能影響顯著。利用質(zhì)量好、密度合適、缺陷少原料制備的PSL強(qiáng)度較優(yōu)[14]。Liu等[11]以南方松（Pinus palustrisMill.）為原料制備的PSL，發(fā)現(xiàn)其順紋抗壓強(qiáng)度和MOE大于利用黃楊[Buxus sinica(Rehd.et Wils.) Cheng]制備的PSL，兩者剪切強(qiáng)度無(wú)顯著差異。陳桂華[17]研究發(fā)現(xiàn)，由于泡桐木材強(qiáng)度較低，利用泡桐[Paulownia fortunei(Seem.) Hemsl.]制備的PSL強(qiáng)度低，不適合作為大型結(jié)構(gòu)材使用。PSL高強(qiáng)度和良好的物理性能可通過(guò)將木材的自身良好特性轉(zhuǎn)移到板材中來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，原料質(zhì)量?jī)?yōu)劣對(duì)PSL物理力學(xué)性能影響較大[18-19]。Bayatkashkoli等[20]研究發(fā)現(xiàn)，利用楊木刨花制備的LSL性能優(yōu)于利用泡桐刨花制備LSL，低密度泡桐刨花制備的LSL膠合強(qiáng)度較低。Beck等[15]分別以樺木和楊木為原材料制備OSL，研究發(fā)現(xiàn)，與樺木相比，利用楊木制備的OSL具有更好的彎曲性能，且OSL在平行于刨花鋪裝方向和垂直于刨花鋪裝方向上性能差異較大[21]。

2.4 構(gòu)成單元尺寸對(duì)性能的影響

構(gòu)成單元的尺寸大小會(huì)影響施膠，機(jī)械加工與定向鋪裝等，是影響SCL性能的重要因素之一[5,22]。Wei[23]指出單板條長(zhǎng)度與厚度的比率是影響PSL制備的關(guān)鍵技術(shù)因素。王慧等[24]研究發(fā)現(xiàn)，PSL力學(xué)性能存在各向異性，并且隨著單板條寬度的增大，PSL主要強(qiáng)度指標(biāo)各向異性更為顯著。彭明凱等[25]分析了刨花尺寸對(duì)LSL性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著刨花長(zhǎng)度增加，LSL平行刨花鋪裝方向的MOR和MOE增加，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度略有下降，刨花長(zhǎng)度的增加有利于刨花長(zhǎng)度上的相互重疊和應(yīng)力傳遞。LSL物理力學(xué)性能隨著刨花厚度的增加而下降，主要由于刨花厚度的增加導(dǎo)致了板坯的孔隙率增大[26]。Ferraz等[27]研究表明：刨花長(zhǎng)度對(duì)OSL的尺寸穩(wěn)定性影響較大。Meyers[7]使用不同寬度（12.5、19 mm和25 mm）的楊木刨花制備OSL，發(fā)現(xiàn)刨花寬度對(duì)板材內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度影響顯著，對(duì)其它性能影響不顯著。

2.5 熱壓工藝對(duì)性能的影響

SCL屬于重組型復(fù)合材料，需要通過(guò)調(diào)整熱壓工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)材料重組。調(diào)整溫度和時(shí)間使膠黏劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終固化；調(diào)整壓力使膠黏劑產(chǎn)生流動(dòng)，板坯壓實(shí)，使木質(zhì)單元材料之間緊密接觸。那斌等[28]采用噴膠方式施加酚醛樹(shù)脂膠，選擇熱壓溫度為150 ℃，熱壓時(shí)間為2.3 min/mm板厚度時(shí)，PSL板性能較優(yōu)。Kurt等[29]針對(duì)非結(jié)構(gòu)場(chǎng)所使用的PSL，選用膠黏劑為UF，壓力為12.5 kg/cm2，此時(shí)制備的PSL性能較優(yōu)。熱壓工藝參數(shù)的設(shè)定取決于木材種類、木材的水分含量、膠黏劑性質(zhì)、工廠條件、強(qiáng)度要求等。

2.6 膠種與施膠量對(duì)性能的影響

膠黏劑通過(guò)粘附作用使用木質(zhì)單元粘合成一體，是使SCL的性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效果達(dá)到最佳的關(guān)鍵因素。Mirski等[26]研究發(fā)現(xiàn)：利用pMDI膠黏劑制備OSL比利用三聚氰胺改性脲醛樹(shù)脂膠黏劑OSL的MOR和MOE高20%以上。Malanit等[2]研究發(fā)現(xiàn)，利用pMDI以橡膠木枝材為原料制備OSL的MOR高于PF制備OSL。Taghiyari等[9]使用UF，在施膠量分別為8%和10%的條件下制備了OSL，其密度分別為0.7 g/cm3和0.8 g/cm3，而其MOR和MOE值差別不大。Yingprasert[30]綜合考慮強(qiáng)度和成本等因素，使用比例為75/25的PF與MDI混合膠黏劑制備了OSL，發(fā)現(xiàn)其性能優(yōu)良。

3 SCL性能改進(jìn)技術(shù)研究

對(duì)SCL改性更易于實(shí)現(xiàn)SCL產(chǎn)品的高附加值應(yīng)用，同時(shí)可滿足不同使用功能的要求[31]。為擴(kuò)展SCL在戶外場(chǎng)所和白蟻嚴(yán)重地區(qū)室內(nèi)等高濕或易濕環(huán)境要求較高的領(lǐng)域應(yīng)用，王志強(qiáng)[32]等對(duì)PSL進(jìn)行ACQ（氨溶季銨銅）防腐劑浸漬改性處理，制備出具有良好力學(xué)和防腐性能的PSL。Choowang[33]研究發(fā)現(xiàn)，采用溫度為130～190 ℃處理OSL 30～110 min，可以有效改善OSL的物理力學(xué)性能和抗白蟻性。Aro等[34]對(duì)LSL進(jìn)行了熱處理，發(fā)現(xiàn)熱改性后LSL具有不同外觀質(zhì)量，并且最低抗拉強(qiáng)度是未熱處理材抗拉強(qiáng)度的70%，可作為對(duì)板材抗拉性能有嚴(yán)格要求的構(gòu)件使用，如木桁架等。為擴(kuò)展SCL用于阻燃功能要求較高的領(lǐng)域，Denizli等[35]通過(guò)滿細(xì)胞法，將磷銨硼絡(luò)合物阻燃劑浸漬到LSL中，改善了LSL的燃燒性能。為提高LSL的力學(xué)性能，Bayatkashkoli和Faegh[20]在UF膠黏劑中加入納米黏土，增加了UF黏度，從而使LSL強(qiáng)度提高。Moradpour等[13]利用玻璃纖維聚合物作為增強(qiáng)材料制備LSL，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：其能顯著增強(qiáng)板材的力學(xué)性能，但板材的TS略有增加。

4 SCL性能理論預(yù)測(cè)

性能及失效行為預(yù)測(cè)是安全經(jīng)濟(jì)地應(yīng)用材料的前提[36]。目前，層合理論模型用于SCL彈性模量預(yù)測(cè)研究較為廣泛。該模型首先要假定SCL由刨花或單板條作為增強(qiáng)體，樹(shù)脂作為基體的薄層組成，薄層具有不同彈性模量和鋪裝方向[37]。Benabou等[38]利用Mori-Tanaka微機(jī)械模型計(jì)算每一薄層的性能，然后利用層合理論預(yù)測(cè)板材彈性模量。其他研究者根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試和彈性力學(xué)能量原理計(jì)算出每一薄層的彈性模量后，利用層合理論計(jì)算了LSL的彈性模量[37,39]。Moses等[40]使用層合理論和Tsai-Wu失效理論預(yù)測(cè)了LSL的彈性模量和失效行為。除了層合理論模型外，Malekmohammadi等[36]根據(jù)木材微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在微觀、細(xì)觀和宏觀多尺度框架上對(duì)板材力學(xué)性能進(jìn)行了建模分析。該框架基于從微觀力學(xué)的基本原理推導(dǎo)出刨花為構(gòu)成單元的板材宏觀性能。Malek等[41]利用形態(tài)學(xué)方法模擬各向異性PSL的黏彈性特征。Amini等[42]將PSL中空隙等效為橢球進(jìn)行抗壓強(qiáng)度有限元模型。

有關(guān)SCL的研究主要圍繞工藝參數(shù)對(duì)SCL物理力學(xué)性能的影響、SCL改性技術(shù)研究、性能及失效行為預(yù)測(cè)等方面展開(kāi)，這對(duì)于SCL的實(shí)際生產(chǎn)與應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。然而，SCL主要作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用，其在長(zhǎng)期載荷和循環(huán)動(dòng)態(tài)荷載下的物理力學(xué)性能、動(dòng)態(tài)行為、可靠性、阻燃性能、疲勞性能、連接件在環(huán)境作用下的抗腐蝕等方面還有待深入研究。

5 結(jié)語(yǔ)

以單板條或刨花為構(gòu)成單元的SCL提供了一種利用小徑級(jí)和低質(zhì)量木材制備結(jié)構(gòu)材的方法。隨著市場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)材需求增加以及優(yōu)質(zhì)木質(zhì)資源的不斷減少，未來(lái)SCL的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用將不斷增加。但目前SCL存在如下問(wèn)題，如OSL和LSL外觀斑駁，沒(méi)有木材紋理圖案，限制了其在對(duì)外觀有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域中應(yīng)用。今后，需加強(qiáng)LSL和OSL改性技術(shù)研究，解決尺寸穩(wěn)定性能差和外觀問(wèn)題。

PSL、OSL和LSL主要替代鋸材和膠合木，應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)建筑當(dāng)中，密度一般控制在0.8 g/cm3之內(nèi)，存在吸水厚度膨脹率比鋸材大，尺寸穩(wěn)定性相對(duì)較差，比相同尺寸的鋸材重等問(wèn)題?？山梃b高性能重組竹/木，制備出高性能的SCL，以拓展SCL的應(yīng)用領(lǐng)域，如作為重型建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件、室外高耐候材料等。

相對(duì)于國(guó)外對(duì)SCL的研究，我國(guó)對(duì)SCL研究還不夠深入和完善。為實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)SCL在市場(chǎng)上應(yīng)用，應(yīng)加強(qiáng)國(guó)內(nèi)SCL規(guī)范化生產(chǎn)所需的一系列設(shè)備研發(fā)，如單板條鋸切機(jī)、定向鋪裝槽、微波加熱熱壓機(jī)等。此外，對(duì)于原料可采取集中收購(gòu)、集中加工、集中干燥、工藝流程細(xì)化等措施，促使專業(yè)化程度提高，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本。