王 静，蒋峻峰，董春雷

（西南林业大学材料工程学院，云南昆明 650224）

酚醛树脂单板层积材（PF－LVL）是一种经热压胶合成型的结构用木质材料，广泛用作木结构建筑中的梁、柱、桁架等承重性构件。在实际使用过程中，PF－LVL可能在极端或意外情况（如浸水）下接触到大量的液态自由水而影响其承载能力。因此，研究浸水条件下PF－LVL的吸水特性、截面尺寸变化及其对力学性能的影响，是评价其承载能力持久性的重要指标。

众所周知，纤维饱和点以下实木材料的力学性能与吸着水的含量呈负相关关系，而与自由水的含量则关系不大。然而，当今所用的木质建筑材料多为重组型胶合材料，有了胶粘剂的介入和作用，加上制造过程中的热、水和压缩效应等，这些重组型木质胶合材料是否还遵循实木与自由水之间的关系，却是一个值得探讨的问题，因为它关乎到这些材料力学性能的持续性和长期可靠性。

1 试验方法

1.1 原材料

意杨酚醛树脂单板层积材（PF－LVL），气干密度为500 kg/m3;截面尺寸为:垂直胶层方向的高度为40 mm，平行胶层的宽度为50 mm;山东寿光市富士木业公司生产。

1.2 试验设计

1.2.1 试验变量和水平设置

取水温20℃为常量，取不同的浸泡时间（12 h、36 h、60 h、84 h、132 h、204 h、444 h 和900 h）为变量。

1.2.2 衡量指标

①剖面密度（VDP），kg/m3;②试件厚度（h），mm;③试件宽度（b），mm;④静曲弹性模量MOE（4点弯，加载方向垂直于胶层），MPa。

1.3 试件规格和数量

随机选取截面尺寸为50×40 mm的PF－LVL原料，剖锯得到长×宽×厚=534×50×20 mm（含15个胶层）的试件6根，再分别将同一根试件锯截成50 mm长的短试件和480 mm长的长试件各一截，前者用以检测剖面密度，如图1所示，将后者再剖锯成480×20×20 mm用以检测MOE。

图1 试件尺寸和扫描方向Fig.1 Dimensions of sample and scanning direction

1.4 试验设备

（1）Binder KBF720恒温恒湿箱一台，温度精度±0.1℃，湿度精度±2%。

（2）格雷康剖面密度仪一台，型号为DAX300，主要参数指标:X射线强度30eKV。

（3）烘箱一台，温度精度±2℃。

（4）数显游标卡尺一把，精度0.01 mm。

（5）外显式电子天平一台，精度0.01 g。

（6）封口式密封袋若干。

1.5 操作步骤

将所有试件放入烘箱内，按国标GB/T 1931－2009要求烘至绝干，称重并测量试件外形尺寸。随后，将试件放入温度20℃，相对湿度65%的恒温恒湿箱中平衡约一个月至恒重，再测试件重量和外形尺寸。接着将试件放入20±2℃不锈钢水浴锅水面以下50mm处作浸泡。达预设浸泡时间时捞起试件，快速吸干其表面水分，称重，测量外形尺寸后，立即将短试件送入剖面密度仪，按图1中箭头所指X射线入射方向扫描试件厚度方向上的密度分布，同时按美国标准ASTM－D4761［1］给出的力学性能测试方法测试长试件的MOE。测试和记录所需指标后立即将全部试件送回换水后的水浴锅。保持每一预定浸泡时间时的处理和测试方法相同。

2 结果与分析

2.1 PF－LVL中的吸水特性

如图2所示，给出了PF－LVL在各设定浸泡时间后其厚度方向上材料密度的大小及分布情况。为清楚地显示PF－LVL胶层部分浸水后发生的变化，将图2中各时段所测剖面密度线沿y轴做线性平移得到图3。

图2 各时刻PF－LVL剖面密度的分布Fig.2 Profile density distributions of PF-LVL at different time图中各线自下而上分别代表绝干、12h、36h、60h、84h、132h、204h、444h和900h 9个时刻浸水PF－LVL的剖面密度分布

由图2和图3可知，随着浸泡时间的增加，PF－LVL主要发生了以下3个方面的变化:

（1）PF－LVL厚度方向上各微层的密度也随之增加。Lindgren 和 Macdeo，A.等人［2－3］的研究证实木材的三大组分 （纤维素、半纤维素和木素）对X射线的吸收率是几乎一样的，Laufenberg，T.L通过研究证实胶层和胶粘剂对X射线的吸收几乎不影响［4］，因此PF－LVL厚度方向上各微层密度的增加实际上是水分的增加造成的。

图3 PF－LVL胶合层及原料层密度和厚度的变化Fig.3 Varieties of adhesive layer and material layer in PF-LVL a～i分别代表绝干、12h、36h、60h、84h、132h、204h、444h和900h 9个时刻浸水PF－LVL的剖面密度分布

（2）由图2还可明显看出与绝干状态试件较均恒的无水密度分布不同，后续浸水试件外层（距试件上下表层约2 mm，跨越两个胶层）的密度明显高于芯层密度，亦即存在着含水梯度差，但这一差异随浸水时间的增加呈逐渐减小的趋势。

（3）PF－LVL单板与单板间没有形成连续胶层。因为代表PF－LVL胶层部分的剖面密度线波峰（图2）部分所对应的密度值随浸水时间的增加仍持续上升，说明水分渗透进了胶层所在的位置。由图3可知，胶层所对应的所有剖面密度线的尖波峰随浸水时间增加逐渐“变胖”，意味着有胶钉钉着效应的被胶合层发生了部分胶钉的脱落和水分渗透使其厚度发生了膨胀。

2.2 水分对PF－LVL厚度和宽度的影响

由图4可知，PF－LVL试件厚度在前60 h内从19.81 mm骤增至20.89 mm，增长了5.45%，而从第60 h至900 h虽历经了35 d却仅增长了0.86%，这与图2给出的试件吸水密度变化（即含水变化）趋势是一致的。由此说明在经过60 h吸水后，PF－LVL原料层木材细胞壁已基本充满了吸着水，在湿胀作用下其在热压过程中的压缩得到了回复且被胶合部分的木材（有胶钉存在且被束缚部分）不再明显的发生脱胶回弹［5－6］。

PF－LVL试件宽度膨胀规律与厚度相似，在前60 h（2.5 d）内从19.61 mm骤增至20.64 mm，增长了5.25%，而从60 h（2.5d）至900 h（37.5d）虽历经了35 d也仅增长了0.48%。这说明除单板宽度上的湿胀以外，也有伴随着厚度方向热压压缩而发生的试件宽度方向的热压压缩的回复。

在经历60 h的浸水后PF－LVL的宽度和厚度尺寸增长非常缓慢，但其名义含水率（吸水量与PF－LVL绝干重量的比值）仍增长迅速。这是因为在PF－LVL木材细胞壁吸着水饱和后，细胞腔中仍有较大的空间吸收自由水并最终导致PF－LVL的名义含水率超过100%并继续上升，如图5示，而木材细胞腔中自由水的多寡并不影响木材骨架物质细胞壁的形态和大小。因此60 h后虽经35 d的浸水，PF－LVL的宽度和厚度膨胀率还不到1%，这应是被胶合层少量胶钉脱落造成的极微尺寸增长，这也印证了图3或图4中代表被胶层的剖面密度线波峰“变胖”的事实。

图4 浸水时间对PF－LVL宽度和厚度的影响Fig.4 Effect of soaking time on width and thickness

图5 浸水时间与PF－LVL名义含水率的关系Fig.5 Relationship between soaking time and nominal MC

2.3 水分对PF－LVL静曲弹性模量的影响

由图5和图6可知:吸水过程中，PF－LVL的名义含水率从0吸水到70.59%时（0～60 h），MOE从10 409 MPa下降到了4 518 MPa，下降量为5 891 MPa，占初始 MOE的 56.60%。从 60 h（2.5d）开始，PF－LVL的含水率虽在继续大幅增加，但其MOE仅下降了351～4 167 MPa，占初始MOE的3.37%。

假设试件尺寸不因含水率的变化而变化，其（取绝干时试件的厚度和宽度为分母计算所得的）MOE（图6中的b线）与上述实测MOE（图6中的a线）的差距，就是因含水率变化对本试验吸水过程中P－PF－LVL尺寸的影响而带给对应的MOE的影响;本试验名义含水率为129.11%时，对应于膨胀后截面尺寸的MOE为4 167 MPa，对应于膨胀前初始截面尺寸的MOE为5 348 MPa，两者相减，即为因尺寸膨胀带来MOE的损失量1 181 MPa，占增水损失总量（6 242 MPa）至少为18.92%，占初始MOE（104 091 MPa）至少为11.34%。

图6 浸水时间对PF－LVL静曲MOE的影响Fig.6 Effect of soaking time on static bending MOE

由于宽度膨胀远小于厚度膨胀，加上在MOE的计算式（MOE=23△Fl3/108bh3△y）中，处分母位置的宽度b为一次方，因此可以认为上述11.34%的MOE的损失主要源自于试件厚度的膨胀，宽度方向上的膨胀可忽略不计。

3 结论

（1）浸水过程中，PF－LVL内水分分布处于梯度状态，随浸水时间的增加含水率梯度呈逐渐减小的趋势。

（2）PF－LVL单板与单板间没有形成连续胶，水分仍可渗透进胶层所在的位置。

（3）PF－LVL试件厚度和宽度在前60 h（1.5 d）内分别增长了5.45%和5.25%，而从第60 h（2.5 d）至900 h（37.5 d）虽历经了35 d却仅分别增长了0.86%和0.48%。说明PF－LVL原料木材的细胞壁在60 h浸水后已完全充满了吸着水，被压缩部分的木材也回弹完毕且被胶合部分的木材（有胶钉存在且被束缚部分）不再发生脱胶回弹，PF－LVL的厚度就几乎不发生变化了。

（4）PF－LVL的名义含水率从0吸水到70.59%时（0～60 h），MOE下降了56.60%。从60 h（2.5d）开始，PF－LVL的含水率虽在继续大幅增加，但其MOE仅下降3.37%。其中因厚度膨胀带来MOE的损失量为1 181 MPa，占增水损失总量（6 242 MPa）的18.92%，占初始MOE（104 091 MPa）的11.34%。宽度方向上的膨胀引起的MOE的损失可忽略不计。

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［1］International Standards Worldwide.ASTM D 4761-11 Standard Test Methods for Mechanical Properties of Lumber and Wood-Base StructuralMaterial［EB/OL］.http://www.astm.org/Standards/D4761.htm.

［2］Lindgren L O.Medical cat-scanning:X-ray absorption coefficients，connecticut-studies and their relations to wood density［J］.Wood Science and Technology，1991，25:341-349.

［3］Macedo A，Vaz C M P，J.C.D.Pereira J C D，et al.Wood density determination by x-and gamma-raytomography［J］.Holzforschung，2002，56:535-540.

［4］Laufenberg T L.Using gamma radiation to measure density gradients in reconstituted wood products［J］.Forest Products Journal，1986，36（2）:59-62.

［5］Zhang H，Chui Y，Schneider M H.Compression control and its significance in the manufacture and effects on properties of poplar LVL［J］.Wood Science and Technology，1994，28（4）:285-290.

［6］韩宇光，曹 军，朱良宽.刨花板热压控制系统模糊自适应PID控制［J］.森林工程，2011，27（4）:30 －33.