户外用层板胶合木湿热老化耐久性能研究*

2022-06-24杨茹元吴岳虹张晓凤孙友富

林产工业 2022年6期

杨茹元吴岳虹张晓凤孙友富翟伟

（1.南京工业大学艺术设计学院，江苏南京 211816; 2.南京工业大学土木工程学院，江苏南京 211800；3.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏南京 210037）

我国在《建筑业发展“十三五”规划》中强调推广绿色建筑和绿色建材，倡导在具备条件的地方，例如景区、农村采用现代木结构[1-2]。层板胶合木是应森林资源结构变化和现代建筑结构发展需要而产生的一种新型工程木质材料，该产品不仅保留了天然实木锯材的一些优良特性，还能克服天然木材材质不均、尺寸受限、干燥及防腐处理困难等不足[3-4]。随着胶合木在木结构和其他特定场合中应用的增多[5-6]，为保证结构的安全和提高材料的使用寿命，对胶合木耐久性能的研究十分必要[7-8]。

国外对于木质复合材料的研究起步较早，对木结构耐久性能的研究也较为领先。Francis等[9]研究了经水溶性防腐剂铜铬砷（chromium-copper-arsenic，CCA）防腐处理的胶合木梁在不同环境下的胶合性能变化，结果表明，CCA防腐处理和户外暴露会降低胶合木的胶合剪切强度；Senalik等[10]研究了几种人工加速老化方法对预处理结构胶合板物理性能和防腐剂保留率的影响；Szmutku 等[11]发现快速冷却对木材力学性能影响不大，而缓慢冷却则会显著降低木材的力学性能，木材在自然环境中的力学性能因多次冻融循环而降低。我国对木结构耐久性能的研究远远落后于混凝土结构、钢结构和砌体结构，尤其是结构、构件层面的耐久性问题[12-13]。GB 50292—2015《民用建筑可靠性鉴定标准》[14]新增了混凝土结构、钢结构和砌体结构的耐久性评估方法，唯独缺失木结构耐久性的评估内容。张晶[15]采用4种人工加速老化方法对使用单组分聚氨酯胶合的南方松层板胶合木进行老化处理，试验结果表明：BS EN1087-1老化法更适合被应用于对层板胶合木耐久性能的研究；傅峰等[16]采用沸水-干燥交替和冷水浸泡-干燥交替2种人工加速老化方法，分别检测了以EPI（聚醋酸乙烯异氰酸酯）和PVAc（聚醋酸乙烯酯）为胶黏剂胶合的6种人工林木材的胶层耐久性。结果发现，不同树种和不同胶黏剂种类对胶合性能耐久性影响均较大，EPI比PVAc胶合耐久性更好。温度和水分是影响木质材料老化的重要因素，湿热沸水老化是木质复合材料领域最常见的老化方式[17-18]。基于以上研究，本文以未经防腐处理的樟子松与经水溶性防腐剂铜铬砷（CCA）防腐处理的樟子松制备的胶合木为研究对象，探究湿热沸水老化处理对其耐久性能的影响，以期为层板胶合木在实际使用中耐久性能的预测评估及其加工工艺的改进提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

未防腐处理与经CCA防腐处理后的樟子松制备的层板胶合木。未处理樟子松（Pinus sylvestris）密度为0.43 g/cm³，含水率为9.61%；CCA防腐处理后的樟子松密度为0.54 g/cm³，含水率为10.40%。木材产地均为俄罗斯，由安徽金色田园木结构制造股份有限公司提供。

单组分聚氨酯胶（PUR），米黄色粘稠液体，固体含量为100%，黏度为9 Pa·s，型号R645/30，富乐（H.B.Fuller）粘合剂有限公司。

1.2 设备

试验所用主要仪器设备有：万能力学测试分析仪（AG-IC 100 kN：日本岛津株式会社；UTM4304：深圳三思纵横有限公司）；电热恒温水槽（DK-600B：上海森信实验仪器有限公司）；电热恒温鼓风干燥箱（OH6-914385-Ⅱ：上海新苗医疗器械有限公司）；调温调湿箱（HY-831F-408：天津尼克斯测试技术有限公司）；电子天平（精确到0.001g），电子数显卡尺（精确到0.01mm），钢尺，温湿度计。

1.3 试件制作

试验用胶合木层板数量为2层，层板尺寸为20 mm×50 mm×1 700 mm（厚×宽×长）。由于木材是各向异性材料，纹理不同的层板胶合时会因层板性能的差异使胶合木产生内部应力，降低胶合木成品的强度和刚度，纹理一致的层板配置比不同纹理错落配置具有更好的胶合性能和力学性能[19-20]，因此试件制作时，组坯采用同等组合配置，单面涂胶，涂胶量为300 g/m2，在25 ℃环境中，胶合压力为1 MPa，加压时间为180 min。

1.4 性能测试

本研究选取吸水厚度膨胀率、抗弯弹性模量、静曲强度、胶层剪切强度及胶层剥离率为耐久性能评价指标。参照BS EN 1087-1Particle boards -Determination of moisture resistance - Particle boards -Determination of moisture resistance - Boil test[21]进行试件的制作与人工加速老化试验，2种层板胶合木的加速老化试验用试件共计240个，具体参数见表1。参照GB/T 17657—2013 《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》[22]，每种层板胶合木制作吸水厚度膨胀率试件（50 mm×50 mm×40 mm）各30个；根据GB/T 26899—2011 《结构用集成材》[23]要求，制作抗弯弹性模量和静曲强度（500 mm×50 mm×20 mm）、胶层顺纹剪切强度（55 mm×50 mm×40 mm）、胶层浸渍剥离率（75 mm×50 mm×40 mm）各30个。每种试件在老化的每个阶段测试6个试件以减少误差，测定值取平均值。

表1 试件参数Tab.1 Parameters for specimens

1.5 老化处理试验

参照BS EN1087-1老化处理法对试件进行老化处理，为探究层板胶合木在老化过程中各性能的变化趋势，按以下4个阶段进行老化试验：

1）第一阶段：试件浸泡于pH=7±0.5的清水中，在(90±10) min内将水加热至沸点；

2）第二阶段：将试件在沸水中煮60 min；

3）第三阶段：继续在沸水中煮60 min；

4）第四阶段：从沸水中取出试件立即放入温度为(20±5) ℃的清水里冷却60～120 min。冷却后，将试件在温度(20±3) ℃、相对湿度(65±5)%的环境下调质48 h后进行性能测试。

2 结果与分析

2.1 吸水厚度膨胀率变化规律

胶合木试件在人工加速老化试验的每一老化阶段的吸水厚度膨胀率测定结果见表2。在老化处理过程中，2种胶合木试件的2 h和24 h吸水厚度膨胀率总体都呈增加趋势。经老化处理后，A组胶合木试件2 h和24 h吸水厚度膨胀率最高达3.32%与3.92%；B组胶合木试件的2 h和24 h吸水厚度膨胀率最高达3.73%和4.41%。老化处理后2种胶合木试件的吸水厚度膨胀率均高于未老化处理试件，这是由于高温水煮破坏了木材微观结构，木质素发生部分水解，木材尺寸稳定性变差，湿胀发生更快[24-25]。

表2 2种层板胶合木试件老化处理后的吸水厚度膨胀率Tab.2 Thickness swelling rate of specimens after accelerated aging process

图1反映了2种层板胶合木在老化处理过程中的吸水厚度膨胀率变化趋势，B组层板胶合木试件2 h、24 h吸水厚度膨胀率始终高于A组试件。由于第四阶段是冷却阶段，试件从沸水中直接放入室温水中冷却，因热胀冷缩会产生一定的收缩，使得部分试件吸水厚度膨胀率在第四阶段结束后出现一定程度的下降。A组试件的24 h吸水厚度膨胀率在第一个老化阶段结束后有略微下降，这可能是由于第一个阶段是将室温水加热至沸点的过程，老化处理对试件的影响不是很大，加之木材为非匀质材料，每一组试件的木材不完全相同，从而出现吸水厚度膨胀率测试结果下降的现象。

图1 2种层板胶合木试件老化处理过程中的吸水厚度膨胀率变化Fig.1 Changes of thickness swelling rate of two glulam specimens after aging process

2.2 静曲强度与抗弯弹性模量变化规律

采用三点弯曲中心加载方式进行抗弯试验，跨距为350 mm，测定结果见表3。在老化处理过程中，2种胶合木试件的静曲强度和抗弯弹性模量都呈下降趋势。老化处理后，A组胶合木试件的静曲强度和抗弯弹性模量较未老化试件分别下降了45.07%和30.01%，老化后保留率分别为54.92%和69.99%；B组胶合木试件的静曲强度和抗弯弹性模量较未老化试件分别下降了43.59%和30.35%，老化后保留率分别为56.41%和69.65%。

表3 2种层板胶合木试件老化处理后的静曲强度和抗弯弹性模量Tab.3 Bending strength and MOE of specimens after accelerated aging process

图2反映了2种胶合木试件在老化处理过程中的静曲强度和抗弯弹性模量变化趋势。由图可见，在老化处理过程中，2种层板胶合木的静曲强度和抗弯弹性模量均呈下降趋势，其中A组和B组试件的抗弯弹性模量在老化的第3阶段和第4阶段有一定程度重合，这可能是由于B组试件在水煮过程中，防腐成分发生流失，从而对层板胶合木抗弯弹性模量产生了影响。

图2 2种层板胶合木试件老化处理过程中的静曲强度和抗弯弹性模量变化Fig.2 Bending strength and MOE of specimens after accelerated aging process

值得注意的是，B组试件在湿热沸水老化处理后表面出现大量树脂状物质，经过第3、4阶段老化的个别抗弯试件甚至出现了端部胶层开裂现象（图3），这说明B组试件的抗湿热沸水老化能力较差。

图3 老化后的防腐樟子松-单组分聚氨酯胶合木试件Fig.3 The specimens of group B after accelerated aging process

2.3 胶层顺纹剪切强度变化规律

每一老化阶段试件的胶层顺纹剪切强度测定结果见表4。老化处理过程中，2种胶合木试件的胶层顺纹剪切强度均呈下降趋势。A组胶合木试件的胶层顺纹剪切强度较未老化试件下降了45.07%（胶层顺纹剪切强度保留率为54.93%），木破率降至46.67%；B组胶合木试件的胶层顺纹剪切强度较未老化处理试件下降了50.08%（保留率为49.92%），木破率降至36.67%。由此可以看出，使用单组分聚氨酯胶黏剂胶合的A组与B组胶合木经老化处理后胶合性能不佳，原因可能是樟子松木材在水煮处理时，脱出树脂影响了胶合界面强度。

表4 2种胶合木试件老化处理后的胶层顺纹剪切强度Tab.4 Shearing strength of specimens after accelerated aging process

注：老化阶段0表示未老化处理试材性能；表中数据均为各个阶段所有试件的平均值。

如图4所示，在老化处理过程中，2种层板胶合木的胶层顺纹剪切强度均呈下降趋势，其中B组试件的胶层顺纹剪切强度下降更快，这可能由防腐樟子松在水煮处理过程中脱出防腐剂所致。

图4 2种胶合木试件老化处理过程中胶层顺纹剪切强度与木破率的变化Fig.4 Shearing strength and wood failure percentage of specimens after accelerated aging process

2.4 胶层浸渍剥离率变化规律

每一老化阶段试件的胶层浸渍剥离率测定结果见表5。在老化处理过程中，2种胶合木试件的胶层浸渍剥离率总体呈上升趋势。A组试件剥离率均符合相关国家标准要求；B组试件2次循环剥离总剥离率最高达39.49%，单一胶层剥离率最高达90.65%，结合B组抗弯试件在沸水浴处理后出现胶层开裂现象，说明CCA处理樟子松对其胶合性能有极大影响，故不建议使用CCA防腐处理樟子松与单组分聚氨酯胶合生产层板胶合木。

表5 2种胶合木试件老化处理后的胶层浸渍剥离率Tab.5 Delamination percentage of specimens under wet condition after accelerated aging process

3 湿热沸水老化力学性能方差分析

为分析湿热沸水老化的老化阶段和胶合木材料种类对静曲强度、抗弯弹性模量、胶层顺纹剪切强度3个主要力学性能的影响，采用SPSS 21软件进行随机区组设计的方差分析。对数据进行预处理，老化时间的4个阶段分别设置为名义变量1，2，3，4；2种不同材料也做同样的处理，即设置为名义变量1，2。在湿热沸水老化试验确定自由度的前提下，静曲强度、抗弯弹性模量、胶层顺纹剪切强度3个主要力学性能作为因变量，将湿热沸水老化的4个阶段作为主效应因子，材料种类作为随机效应因子进行分析。选择a=0.05的检验水准进行方差分析，计算结果见表6。

表6 老化对3种力学性能影响的方差分析Tab.6 Variance analysis of three mechanical properties

通过表格的检验概率sig的p值可以看出：静曲强度老化周期p=0.000，材料种类p=0.000；抗弯弹性模量老化周期p=0.010，材料种类p=0.000、胶层顺纹剪切强度老化周期p=0.023，材料种类p=0.053。表明这3个力学性能在材料种类和老化周期上的显著水平均小于检验统计量，证明数据存在统计学差异，湿热沸水的老化时间和材料种类对试件的3种力学性能均会产生显著性影响，其中，老化时间对静曲强度的影响最为显著，材料种类对静曲强度和抗弯弹性模量的影响更显著。