竹木复合正交胶合木胶合工艺及力学性能评价

来源 :南京林业大学 | 被引量 : 6次 | 上传用户:yuxiaohe19861111
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正交胶合木(Cross-laminated timber,CLT)作为一种新型的重型木结构建筑材料,目前主要由云杉-松-冷杉(Spruce-pine-fir,SPF)、欧洲云杉等针叶材制作而成,国内外相关学者也尝试采用加拿大西部铁杉、国产日本落叶松等其它针叶材,杨木、桉木、桦木等阔叶材,或单板层积材(Laminated veneer lumber,LVL)、长条刨片层积材(Laminated strand lumber,LSL)等工程木产品(Engineered wood product,EWP)用于CLT的生产制造。根据我国丰富的竹材资源以及短缺的木材资源现状,将竹材和木材结合用于CLT的生产制造,可以综合利用竹材和木材各自的优势。因此,论文主要进行了竹木复合CLT胶合工艺、竹产品滚动剪切性能以及不同结构竹木复合CLT抗弯性能的测试与评价。采用L9(34)正交试验设计研究了胶粘剂、施胶量、加压压力和加压时间对竹木复合CLT胶合性能的影响,通过评价其胶层剪切强度、木破率和浸渍(或煮沸)剥离率等指标,获取了较优的胶合工艺参数。结果表明:胶粘剂对竹木复合CLT胶合性能的影响较为显著;干态下,优选的胶合工艺参数为A2B2C2D3,即胶粘剂为双组份聚异氰酸酯乳液型胶粘剂(EPI),施胶量为270 g/m2,加压压力为1.0 MPa,加压时间为140 min;湿态下,优选的胶合工艺参数为A3B1C2D2,即胶粘剂为间苯二酚胶粘剂(PRF),施胶量为250 g/m2,加压压力为1.0 MPa,加压时间为420 min。竹木复合CLT的胶合性能优于其它替代树种生产的CLT胶合性能,且EPI和PRF胶粘剂基本满足标准EN 16351-2015、GB/T 50329-2012和GB/T 26899-2011中的指标要求。CLT常用作楼面板或屋面板等承重结构,当其受到垂直于板面的面外荷载作用时,横向层容易发生滚动剪切(Rolling shear)破坏,滚动剪切性能是CLT设计中的关键因素。为优选出一种工程竹产品以提高CLT的滚动剪切性能,采用基于压缩剪切法优化的两平板法分别测试了重组竹、竹胶板和SPF(对照组)的滚动剪切性能,并研究了宽厚比对竹产品滚动剪切性能的影响。结果表明:竹产品的滚动剪切性能明显优于SPF,且重组竹的滚动剪切性能明显优于竹胶板,如重组竹试样RB(F)-4.5的滚动剪切模量GR,12和强度?R,12分别是试样SPF-4.5的4.4倍和2.2倍,是竹胶板试样BP-4.5的1.9倍和2.0倍;横向层宽厚比对不同竹产品滚动剪切模量和强度的影响趋势不同,通过方差分析,可知横向层宽厚比对竹产品CLT的滚动剪切模量具有显著影响,但是对于其强度的影响,仅对重组竹试样RB(Z)的滚动剪切强度具有显著影响;对于每种竹产品而言,横向层宽厚比对其主要的破坏模式没有明显影响,但不同竹产品的破坏模式略有差异,主要是由于每种竹产品的组成竹质单元不同造成的。根据竹产品的滚动剪切性能以及宽厚比对其滚动剪切性能影响的分析,优选了重组竹材料RB(F)-4.5,其滚动剪切模量RG和强度?R分别为1048 MPa和7.28 MPa。为进一步研究竹木复合CLT的弯曲性能,基于前期优选的胶合工艺参数和重组竹材料设计并压制了2种结构形式的竹木复合CLT,即仅将重组竹作为横向层的3层结构CLT(WBW-CLT)和将重组竹同时作为横向层及表层平行层的5层结构CLT(BWBWB-CLT),并采用SPF制作普通3层结构CLT(WWW-CLT)用作对照组,3种不同结构CLT试样的厚度均为80 mm,根据三等分点加载的四点弯曲试验方法测试并分析了上述3种不同结构CLT试样的弯曲性能。结果表明:相比于SPF制作的普通3层结构CLT试样(WWW-CLT),仅将重组竹作为横向层时(WBW-CLT),表观弯曲弹性模量提高了3.92%,抗弯强度反而下降了19.35%,说明重组竹良好的滚动剪切性能在弯曲测试中未能充分发挥,与SPF的力学性能未能达到协调一致;将重组竹同时作为横向层和表层平行层时(BWBWB-CLT),表观弯曲弹性模量和强度分别提高了23.69%和64.44%;相比于WWW-CLT和WBW-CLT试样,BWBWB-CLT在破坏时表现出了较好的延性。在CLT的理论模型中,类比剪切理论应用最为广泛,为探究其在竹木复合CLT刚度预测中的适用性,采用动态法分别测试了竹木复合CLT的基材及成品梁的力学性能,通过类比剪切理论计算,比较和分析了动态法和类比剪切理论在竹木复合CLT刚度预测中的适用性。结果表明:WWW-CLT、WBW-CLT和BWBWB-CLT的表观弯曲刚度动态测试值与类比剪切理论值分别为35.12×109 N·mm2、34.51×109 N·mm2,37.44×109 N·mm2、36.56×109 N·mm2和45.64×109 N·mm2、40.05×109 N·mm2;相比于5层结构CLT,3层结构CLT的表观弯曲刚度动态测试值、类比剪切理论值与静态实测值更为接近,但误差范围均在10%以内;相比于类比剪切理论,CLT表观弯曲刚度的动态测试值与静态实测值更为接近,在4%以内,满足EIapp,s=0.855×EIapp,d+5.206(109 N·mm2),且两者的相关程度较高,R2=0.99;对于3种结构CLT试样,其表观弯曲刚度动态测试值、类比剪切理论值与静态实测值均比较接近,误差范围在10%以内,准确性较高,因而动态法和类比剪切理论可以用于竹木复合CLT表观弯曲刚度的预测。
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