水分對木質(zhì)工字梁翼緣/腹板接口性能的影響*

李軍偉，陳 竹

（云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650224）

水分對木質(zhì)工字梁翼緣/腹板接口性能的影響*

李軍偉，陳 竹

（云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650224）

木質(zhì)工字梁（Wood I-Beam，簡稱：IB）在使用過程中將不可避免地遇到潮濕環(huán)境的影響，研究水分對翼緣/腹板接口性能的影響，對確保IB接口最佳膠合狀態(tài)以及最終產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性至關(guān)重要．研究結(jié)果表明：IB的綜合性纖維飽和點(diǎn)只有25%左右；含水率從8.9%提高到25%的接口的承壓能力下降了47.2%，含水率從25%提高到53%的接口的承壓能力僅下降了0.6%；水分對IB翼緣和腹板尺寸變化的影響是水分影響接口承載能力的間接因素；吸濕后接口的承載能力并不能恢復(fù)到吸濕前的初始水平；解吸至8.9%含水率的IB接口的承載能力比吸濕前同等含水率的IB接口低了17.8%．

木質(zhì)工字梁；翼緣/腹板接口；水分

木質(zhì)工字梁（Wood I-beam，簡稱IB）作為替代實(shí)木梁的建筑構(gòu)件具有其自身特有的優(yōu)點(diǎn)，是一種資源高效利用型現(xiàn)代木質(zhì)建筑材料．木質(zhì)工字梁翼緣與腹板是由2種材性不同的材料拼裝在一起，通過一個接口結(jié)合組合成一個整體，翼緣/腹板的接口連接，一方面使IB得以成型，另一方面起到了傳遞荷載和賦予IB整體力學(xué)性能的作用[1，2]．目前人們普遍關(guān)注的是IB的整梁靜曲性能，而針對木質(zhì)工字梁翼緣/腹板接口的研究則很少．

由于木質(zhì)工字梁在使用過程中將不可避免地遇到潮濕環(huán)境的影響,研究水分對翼緣/腹板接口性能的影響對確保IB接口最佳膠合狀態(tài)以及最終產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性至關(guān)重要．目前國內(nèi)外就水分對IB性能的影響的研究，主要是針對水分對靜曲撓度的影響．Erik Serrano等就水分對采用聚氨酯為膠粘劑的IB翼緣/腹板接口水平剪切性能的影響作了研究，結(jié)果顯示在45%、65%、85%的相對濕度條件下，IB接口的水平剪切強(qiáng)度隨含水率的上升而明顯下降[3]．

本文通過單因素試驗(yàn)，檢測不同含水率下IB翼緣/腹板接口的垂向承載能力、膠合性能、以及抗劈裂性能，探究水分對IB翼緣/腹板接口力學(xué)性能及尺寸穩(wěn)定性的影響．

1 試驗(yàn)方法

1.1 材料

翼緣、腹板材料規(guī)格性能詳見表1．接口膠粘劑采用單組分聚氨酯膠粘劑，施膠量500g/m2，加壓固化時間30～45min．

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)法，取絕對含水率為變量（見表2），共6個含水率水平，每個水平8個試件．

1.3 衡量指標(biāo)

本次試驗(yàn)衡量指標(biāo)見表3．

1.4 儀器與設(shè)備

深圳三思5噸力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（精度10N）；日本島津5噸力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（精度10N）；木工立式單軸銑床MX5117B；德國費(fèi)斯托多功能木工鋸機(jī)；自制IB翼緣/腹板組裝夾具；自制抗拉夾具一套；自制60?尖劈形壓頭；游標(biāo)卡尺(精度0.01mm)；恒溫恒濕箱一個（寬×高×深：80cm×90cm×70cm）；高溫干燥箱．

表1 翼緣、腹板材料規(guī)格及性能

表2 含水率設(shè)置及其依據(jù)

表3 試驗(yàn)衡量指標(biāo)

1.5 試驗(yàn)步驟

1.5.1 試件制備及尺寸計(jì)量

按照接口角度9?，接口槽深12mm制成IB短梁，按照每個試件長度100mm截取IB短梁制得試件，對每個試件分別測量其翼緣寬度、翼緣厚度、腹板厚度及腹板高度，精確至0.01mm．

1.5.2 目標(biāo)質(zhì)量計(jì)算

用代表性試件在干燥箱中干燥至絕干，獲所有試件的起始相對含水率（GB1931-91,或ASTM D4442-92）；以此為基礎(chǔ)，計(jì)算獲得上述每一試件達(dá)目標(biāo)相對含水率時的質(zhì)量（含應(yīng)增水分的質(zhì)量）．

1.5.3 含水率控制

氣干含水率的獲得：昆明5月份大氣環(huán)境下自然陳放．12%、17.5%、25%含水率采用調(diào)試恒溫恒濕箱到預(yù)設(shè)含水率來獲得（溫度21.1℃，濕度65%～95%）．48h浸水組采用20℃冷水浸泡48h后室溫放置30min來獲得．反干組采用恒溫恒濕箱增濕至25%后室溫放置至氣干含水率．各組試件達(dá)到設(shè)定目標(biāo)重量后將試件用塑料薄膜包裹衡濕1天以上保證件內(nèi)外部含水率均勻[4]．

1.5.4 指標(biāo)測試

1）IB翼緣、腹板不同方向尺寸膨脹率測試方法：試件內(nèi)外部含水率達(dá)到平衡后，用游標(biāo)卡尺對測量其翼緣寬度、翼緣厚度、腹板厚度及腹板高度，精確至0.01mm．

2）采用垂向抗拉方法測試IB接口膠合面抗剪切性能，如圖1所示．

3）采用尖劈形壓頭垂向下壓方法測試IB接口抗劈裂性能，如圖2所示．

4）采用垂向抗壓方法測試IB接口垂向承壓性能，如圖3所示．

圖1 IB接口垂向抗拉測試

圖2 IB接口抗劈裂測試

圖3 IB接口垂向承壓能力測試圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 IB纖維飽和點(diǎn)的識別

當(dāng)木材含水率達(dá)到纖維飽和點(diǎn)以后，木材內(nèi)部吸著水達(dá)到飽和，在濕蒸汽環(huán)境下質(zhì)量不再增加，只能通過受潮或浸泡的方式增加自由水使其含水率上升，但木材力學(xué)性能不再下降，尺寸也不再發(fā)生變化．基于纖維飽和點(diǎn)的特性，對IB纖維飽和點(diǎn)進(jìn)行識別，如圖4所示，當(dāng)含水率達(dá)到25%以后，IB接口各力學(xué)性能下降趨勢以及IB翼緣、腹板不同方向的尺寸膨脹率增長趨勢均顯著減緩，但仍有微小變化，所以認(rèn)定IB纖維飽和點(diǎn)含水率為25%左右，由于膠粘劑的介入，IB纖維飽和點(diǎn)含水率低于木材的平均纖維飽和點(diǎn)含水率（30%）．

由圖4知，水分對IB翼緣/腹板接口各力學(xué)性能的影響程度大小順序?yàn)椋捍瓜虺袎耗芰?翼緣槽底抗劈裂能力>膠合面抗剪能力．

圖4 IB接口力學(xué)性能、尺寸膨脹率和含水率的關(guān)系

2.2 水分對IB翼緣/腹板接口膠合性能的影響

含水率與IB接口膠合面抗拉荷載的關(guān)系如圖5所示，隨著含水率的上升．IB接口膠合面抗拉荷載隨之下降，如圖6所示，可以看出，含水率由8.45%上升至12%，抗拉荷載較吸濕前下降了18.75%．當(dāng)含水率達(dá)到25%，抗拉荷載較吸濕前下降了35.95%．而浸泡至含水率為47.28%時，抗拉荷載較吸濕前下降了37.65%．

結(jié)果表明隨著含水率上升，IB接口膠合面剪切破壞荷載下降幅度減小，含水率上升至纖維飽和點(diǎn)（25%）之前，破壞荷載下降幅度較大，當(dāng)含水率上升至纖維飽和點(diǎn)以后，破壞荷載下降幅度顯著減?。?/p>

通過擬合，在纖維飽和點(diǎn)（25%）以下，含水率與IB接口膠合抗拉荷載為冪函數(shù)關(guān)系，y=13.604x-0.4079，擬合度較高，R2=0.971（如圖5所示）．含水率與IB接口膠合抗拉荷載下降率為對數(shù)函數(shù)關(guān)系，y=32.701lnx-66.438，擬合度較高，R2=0.9467（如圖6所示）．

當(dāng)含水率由25%反干至吸濕前的8.45%，IB接口膠合面剪切破壞荷載與吸濕前相比下降了10.56%．

在膠結(jié)合能力不受或少受水分影響為前提下，隨著含水率的上升，IB翼緣/腹板接口膠合層附近木材橫紋抗拉能力也隨之下降，IB接口木破率應(yīng)有所提高．

本次試驗(yàn)所用聚氨酯膠粘劑具有很好的耐水性，觀察得知，隨著含水率上升，IB接口膠合面木破面積增大，木破變深，如圖7所示．含水率與接口木破率關(guān)系如圖8所示，可見，達(dá)到纖維飽和點(diǎn)（25%）以后接口木破率幾乎不再增大．

圖5 IB接口垂向抗拉荷載與含水率的關(guān)系

圖6 IB接口垂向抗拉荷載下降率與含水率的關(guān)系

圖7 不同含水率IB接口木破率示意圖

2.3 水分對IB接口抗劈裂性能的影響

含水率與IB接口劈裂荷載的關(guān)系如圖9所示，隨著含水率的上升．IB接口抗劈裂荷載隨之下降，如圖10所示，從圖中看出，含水率由吸濕前的9.97%上升至12%，劈裂荷載較吸濕前下降了10.29%，當(dāng)含水率達(dá)到25%，劈裂荷載較吸濕前下降了33.14%，而浸泡至含水率為54.47%時，劈裂荷載較吸濕前下降了36%．

結(jié)果表明隨著含水率上升，IB接口抗劈裂荷載下降幅度減小，含水率上升至纖維飽和點(diǎn)（25%）之前，劈裂荷載下降幅度較大，當(dāng)含水率上升至纖維飽和點(diǎn)以后，劈裂荷載下降幅度顯著減?。?/p>

圖8 含水率與IB接口木破率的關(guān)系

通過擬合，在纖維飽和點(diǎn)（25%）以下，含水率與IB接口抗劈裂荷載為冪函數(shù)關(guān)系，y=4.6303x-0.4291，擬合度較高，R2=0.9949（如圖9）；含水率與IB接口抗劈裂荷載下降率為對數(shù)函數(shù)關(guān)系，y=35.136lnx-78.872，擬合度較高，R2=0.9846（如圖10所示）．

當(dāng)含水率由25%反干至吸濕前的9.97%，IB接口抗劈裂荷載與吸濕前相比下降了4.57%．

2.4 水分對IB接口垂向承壓性能的影響

含水率與IB接口垂向承壓破壞荷載的關(guān)系如圖11所示，隨著含水率的上升，IB接口膠合面剪切破壞荷載隨之下降，如圖12所示，可見，含水率由吸濕前的8.93%上升至12%，破壞荷載較吸濕前下降了19.59%，當(dāng)含水率達(dá)到25%，破壞荷載較吸濕前下降了47.16，而浸泡至含水率為53.35%時，破壞荷載較吸濕前下降了47.75%．

結(jié)果表明隨著含水率上升，IB垂向承壓破壞荷載下降幅度減小，含水率上升至纖維飽和點(diǎn)（25%）之前，破壞荷載下降幅度較大，當(dāng)含水率上升至纖維飽和點(diǎn)以后，破壞荷載下降幅度顯著減?。?/p>

通過擬合，在纖維飽和點(diǎn)（25%）以下，含水率與IB接口垂向承壓荷載為冪函數(shù)關(guān)系，y=53.318x-0.6172，擬合度較高，R2=0.995（如圖11）；含水率與IB接口垂向承壓荷載下降率為對數(shù)函數(shù)關(guān)系，y=45.31lnx-96.093，擬合度較高，R2=0.9741（如圖12所示）．

當(dāng)含水率由25%反干至吸濕前的8.93%，IB接口膠合面剪切破壞荷載與吸濕前相比下降了17.84%．

2.5 水分對IB翼緣和腹板尺寸的影響進(jìn)而對接口力學(xué)性能的影響

水分可通過影響IB翼緣、腹板尺寸進(jìn)而對IB接口力學(xué)性能造成影響．其中，導(dǎo)致IB翼緣/腹板接口力學(xué)性能下降的尺寸變化主要有2個方面，一是腹板的厚度脹縮和翼緣的橫紋脹縮，當(dāng)IB吸水/濕膨脹時，由于腹板厚度膨脹率大于翼緣LVL的寬度膨脹率（如圖13所示），接口槽斜面垂直方向必然產(chǎn)生膨脹壓，有可能導(dǎo)致翼緣產(chǎn)生劈裂，從而使得IB接口抗劈裂性能及垂向承壓性能下降．二是腹板的平面脹縮和翼緣的厚度脹縮，當(dāng)IB吸水/濕膨脹時，由于IB的翼緣LVL厚度膨脹率大于腹板的高度膨脹（橫向線膨脹）（圖13），因而在翼緣和腹板的膠合面必然產(chǎn)生垂向剪切的作用，膠層有可能受到剪切應(yīng)力發(fā)生破壞，從而使得IB接口膠合性能及垂向承壓性能下降．

另外，IB翼緣、腹板尺寸的變化還會引起IB接口膠合面積的變化，進(jìn)而影響IB接口的膠合強(qiáng)度．當(dāng)IB吸濕/水膨脹時，隨著翼緣厚度增大，接口槽深和膠合面積也隨之增大．分別對比用吸濕前IB氣干尺寸（不考慮水分對IB尺寸影響）計(jì)算得出的膠合強(qiáng)度和用不同含水率下實(shí)測IB尺寸（考慮水分對IB尺寸影響）計(jì)算得出的膠合強(qiáng)度，兩者之差即為尺寸變化導(dǎo)致的IB接口膠合強(qiáng)度的下降（圖14）．

圖9 IB接口劈裂破壞荷載與含水率的關(guān)系

圖10 IB接口劈裂破壞荷載下降率與含水率的關(guān)系

圖11 IB接口垂向承壓破壞荷載與含水率的關(guān)系

圖12 IB接口垂向承壓破壞荷載下降率與含水率的關(guān)系

圖13 含水率與IB接口尺寸膨脹率的關(guān)系

圖14 氣干尺寸與實(shí)測尺寸下的IB接口膠合強(qiáng)度

3 結(jié) 論

1）水分可顯著影響IB翼緣/腹板接口的各力學(xué)性能，影響程度大小順序?yàn)椋捍瓜虺袎耗芰?翼緣槽底抗劈裂能力>膠合面抗剪能力．

2）纖維飽和點(diǎn)以下范圍內(nèi)，水分對IB翼緣/腹板接口承力學(xué)性能的影響顯著，纖維飽和點(diǎn)后則大為減緩．

3）含水率與IB接口各力學(xué)性能呈冪函數(shù)關(guān)系，與IB接口各力學(xué)性能的下降率呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，且擬合度很高．

4）水分對IB翼緣和腹板尺寸變化的影響是水分對IB翼緣/腹板接口各力學(xué)性能影響的間接因素．

5）吸濕后的IB翼緣/腹板接口的承載能力并不能恢復(fù)到吸濕前的初始水平；解吸后的IB翼緣/腹板接口的承載能力比吸濕前同等含水率的接口承載能力低了17.8% ．

[1] ASTM-D5055-04.Standard Specification for Establishing and Monitoring Structural Capacities of [S]．American Society for Testing and Materials, 2004．

[2] 任曉峰，申士杰．中國工程木質(zhì)材料開發(fā)大有前景[J]．國際木業(yè)，2008（4）：20-23．

[3] Erik Serrano and Mikael Fonselius. A method for glued bond quality testing of flange/web adhesive connections of wooden I-beams[R]．Nordic Innovation Centre Report552, April 2004．

[4] 任雪瑩．腹板橫截面剪切彈性模量對木質(zhì)工字梁靜曲撓度的影響[D]．西南林業(yè)大學(xué)，2011．

Effects of Moisture on Properties of Wood I-Beam

LI Junwei, CHEN Zhu

（Yunnan Forestry Technological College, Kunming, Yunnan 650224, China）

The wood I-beam(IB) is constantly affected by the humid environment. In order to ensure the gluing effect and the size stability of final product, the research of the effect of moisture on the properties of IB joint is of great significance. The research results indicate that: 1) The comprehensive fiber saturation point (FSP) of IB is only about 25%;the bearing capacity of the joint declined 47.2% when moisture content(MC) increased from8.9%to 25%, the bearing capacity of the joint declined only 0.6% when moisture content increased from 25%to 53%. 2) The moisture effect on the flange and web dimension change is an indirect factor of moisture on properties of IB joint. 3) After the wet absorption, the carrying capacity cannot resume the initial level prior to wet absorption; the bearing capacity of the joint desorption to MC 8.9% is 17.8% lower than that of the same MC before wet absorption.

wood I-beam; flange-web joint; moisture

S784

A

1672-0318（2015）01-0033-06

10.13899/j.cnki.szptxb.2015·01, 007

2014-05-12

*項(xiàng)目來源：云南省教育廳2012年基金資助項(xiàng)目（2012Y071）和云南省教育廳2013年教改項(xiàng)目（20130106）

李軍偉（1974-），男，副教授，碩士，主要從事家具設(shè)計(jì)與制造、木材加工工藝和設(shè)備的教學(xué)與研究工作．