戶外用層板膠合木濕熱老化耐久性能研究*

楊茹元 吳岳虹 張曉鳳 孫友富 翟 偉

（1.南京工業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 211816; 2.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211800；3.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

我國在《建筑業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中強(qiáng)調(diào)推廣綠色建筑和綠色建材，倡導(dǎo)在具備條件的地方，例如景區(qū)、農(nóng)村采用現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)[1-2]。層板膠合木是應(yīng)森林資源結(jié)構(gòu)變化和現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展需要而產(chǎn)生的一種新型工程木質(zhì)材料，該產(chǎn)品不僅保留了天然實(shí)木鋸材的一些優(yōu)良特性，還能克服天然木材材質(zhì)不均、尺寸受限、干燥及防腐處理困難等不足[3-4]。隨著膠合木在木結(jié)構(gòu)和其他特定場合中應(yīng)用的增多[5-6]，為保證結(jié)構(gòu)的安全和提高材料的使用壽命，對膠合木耐久性能的研究十分必要[7-8]。

國外對于木質(zhì)復(fù)合材料的研究起步較早，對木結(jié)構(gòu)耐久性能的研究也較為領(lǐng)先。Francis等[9]研究了經(jīng)水溶性防腐劑銅鉻砷（chromium-copper-arsenic，CCA）防腐處理的膠合木梁在不同環(huán)境下的膠合性能變化，結(jié)果表明，CCA防腐處理和戶外暴露會降低膠合木的膠合剪切強(qiáng)度；Senalik等[10]研究了幾種人工加速老化方法對預(yù)處理結(jié)構(gòu)膠合板物理性能和防腐劑保留率的影響；Szmutku 等[11]發(fā)現(xiàn)快速冷卻對木材力學(xué)性能影響不大，而緩慢冷卻則會顯著降低木材的力學(xué)性能，木材在自然環(huán)境中的力學(xué)性能因多次凍融循環(huán)而降低。我國對木結(jié)構(gòu)耐久性能的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)，尤其是結(jié)構(gòu)、構(gòu)件層面的耐久性問題[12-13]。GB 50292—2015《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[14]新增了混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)的耐久性評估方法，唯獨(dú)缺失木結(jié)構(gòu)耐久性的評估內(nèi)容。張晶[15]采用4種人工加速老化方法對使用單組分聚氨酯膠合的南方松層板膠合木進(jìn)行老化處理，試驗結(jié)果表明：BS EN1087-1老化法更適合被應(yīng)用于對層板膠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種人工加速老化方法，分別檢測了以EPI（聚醋酸乙烯異氰酸酯）和PVAc（聚醋酸乙烯酯）為膠黏劑膠合的6種人工林木材的膠層耐久性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同樹種和不同膠黏劑種類對膠合性能耐久性影響均較大，EPI比PVAc膠合耐久性更好。溫度和水分是影響木質(zhì)材料老化的重要因素，濕熱沸水老化是木質(zhì)復(fù)合材料領(lǐng)域最常見的老化方式[17-18]。基于以上研究，本文以未經(jīng)防腐處理的樟子松與經(jīng)水溶性防腐劑銅鉻砷（CCA）防腐處理的樟子松制備的膠合木為研究對象，探究濕熱沸水老化處理對其耐久性能的影響，以期為層板膠合木在實(shí)際使用中耐久性能的預(yù)測評估及其加工工藝的改進(jìn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

未防腐處理與經(jīng)CCA防腐處理后的樟子松制備的層板膠合木。未處理樟子松（Pinus sylvestris）密度為0.43 g/cm3，含水率為9.61%；CCA防腐處理后的樟子松密度為0.54 g/cm3，含水率為10.40%。木材產(chǎn)地均為俄羅斯，由安徽金色田園木結(jié)構(gòu)制造股份有限公司提供。

單組分聚氨酯膠（PUR），米黃色粘稠液體，固體含量為100%，黏度為9 Pa·s，型號R645/30，富樂（H.B.Fuller）粘合劑有限公司。

1.2 設(shè)備

試驗所用主要儀器設(shè)備有：萬能力學(xué)測試分析儀（AG-IC 100 kN：日本島津株式會社；UTM4304：深圳三思縱橫有限公司）；電熱恒溫水槽（DK-600B：上海森信實(shí)驗儀器有限公司）；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（OH6-914385-Ⅱ：上海新苗醫(yī)療器械有限公司）；調(diào)溫調(diào)濕箱（HY-831F-408：天津尼克斯測試技術(shù)有限公司）；電子天平（精確到0.001g），電子數(shù)顯卡尺（精確到0.01mm），鋼尺，溫濕度計。

1.3 試件制作

試驗用膠合木層板數(shù)量為2層，層板尺寸為20 mm×50 mm×1 700 mm（厚×寬×長）。由 于 木材是各向異性材料，紋理不同的層板膠合時會因?qū)影逍阅艿牟町愂鼓z合木產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，降低膠合木成品的強(qiáng)度和剛度，紋理一致的層板配置比不同紋理錯落配置具有更好的膠合性能和力學(xué)性能[19-20]，因此試件制作時，組坯采用同等組合配置，單面涂膠，涂膠量為300 g/m2，在25 ℃環(huán)境中，膠合壓力為1 MPa，加壓時間為180 min。

1.4 性能測試

本研究選取吸水厚度膨脹率、抗彎彈性模量、靜曲強(qiáng)度、膠層剪切強(qiáng)度及膠層剝離率為耐久性能評價指標(biāo)。參照BS EN 1087-1Particle boards -Determination of moisture resistance - Particle boards -Determination of moisture resistance - Boil test[21]進(jìn)行試件的制作與人工加速老化試驗，2種層板膠合木的加速老化試驗用試件共計240個，具體參數(shù)見表1。參照GB/T 17657—2013 《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》[22]，每種層板膠合木制作吸水厚度膨脹率試件（50 mm×50 mm×40 mm）各30個；根據(jù)GB/T 26899—2011 《結(jié)構(gòu)用集成材》[23]要求，制作抗彎彈性模量和靜曲強(qiáng)度（500 mm×50 mm×20 mm）、膠層順紋剪切強(qiáng)度（55 mm×50 mm×40 mm）、膠層浸漬剝離率（75 mm×50 mm×40 mm）各30個。每種試件在老化的每個階段測試6個試件以減少誤差，測定值取平均值。

表1 試件參數(shù)Tab.1 Parameters for specimens

1.5 老化處理試驗

參照BS EN1087-1老化處理法對試件進(jìn)行老化處理，為探究層板膠合木在老化過程中各性能的變化趨勢，按以下4個階段進(jìn)行老化試驗：

1）第一階段：試件浸泡于pH=7±0.5的清水中，在(90±10) min內(nèi)將水加熱至沸點(diǎn)；

2）第二階段：將試件在沸水中煮60 min；

3）第三階段：繼續(xù)在沸水中煮60 min；

4）第四階段：從沸水中取出試件立即放入溫度為(20±5) ℃的清水里冷卻60～120 min。冷卻后，將試件在溫度(20±3) ℃、相對濕度(65±5)%的環(huán)境下調(diào)質(zhì)48 h后進(jìn)行性能測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 吸水厚度膨脹率變化規(guī)律

膠合木試件在人工加速老化試驗的每一老化階段的吸水厚度膨脹率測定結(jié)果見表2。在老化處理過程中，2種膠合木試件的2 h和24 h吸水厚度膨脹率總體都呈增加趨勢。經(jīng)老化處理后，A組膠合木試件2 h和24 h吸水厚度膨脹率最高達(dá)3.32%與3.92%；B組膠合木試件的2 h和24 h吸水厚度膨脹率最高達(dá)3.73%和4.41%。老化處理后2種膠合木試件的吸水厚度膨脹率均高于未老化處理試件，這是由于高溫水煮破壞了木材微觀結(jié)構(gòu)，木質(zhì)素發(fā)生部分水解，木材尺寸穩(wěn)定性變差，濕脹發(fā)生更快[24-25]。

表2 2種層板膠合木試件老化處理后的吸水厚度膨脹率Tab.2 Thickness swelling rate of specimens after accelerated aging process

圖1反映了2種層板膠合木在老化處理過程中的吸水厚度膨脹率變化趨勢，B組層板膠合木試件2 h、24 h吸水厚度膨脹率始終高于A組試件。由于第四階段是冷卻階段，試件從沸水中直接放入室溫水中冷卻，因熱脹冷縮會產(chǎn)生一定的收縮，使得部分試件吸水厚度膨脹率在第四階段結(jié)束后出現(xiàn)一定程度的下降。A組試件的24 h吸水厚度膨脹率在第一個老化階段結(jié)束后有略微下降，這可能是由于第一個階段是將室溫水加熱至沸點(diǎn)的過程，老化處理對試件的影響不是很大，加之木材為非勻質(zhì)材料，每一組試件的木材不完全相同，從而出現(xiàn)吸水厚度膨脹率測試結(jié)果下降的現(xiàn)象。

圖1 2種層板膠合木試件老化處理過程中的吸水厚度膨脹率變化Fig.1 Changes of thickness swelling rate of two glulam specimens after aging process

2.2 靜曲強(qiáng)度與抗彎彈性模量變化規(guī)律

采用三點(diǎn)彎曲中心加載方式進(jìn)行抗彎試驗，跨距為350 mm，測定結(jié)果見表3。在老化處理過程中，2種膠合木試件的靜曲強(qiáng)度和抗彎彈性模量都呈下降趨勢。老化處理后，A組膠合木試件的靜曲強(qiáng)度和抗彎彈性模量較未老化試件分別下降了45.07%和30.01%，老化后保留率分別為54.92%和69.99%；B組膠合木試件的靜曲強(qiáng)度和抗彎彈性模量較未老化試件分別下降了43.59%和30.35%，老化后保留率分別為56.41%和69.65%。

表3 2種層板膠合木試件老化處理后的靜曲強(qiáng)度和抗彎彈性模量Tab.3 Bending strength and MOE of specimens after accelerated aging process

圖2反映了2種膠合木試件在老化處理過程中的靜曲強(qiáng)度和抗彎彈性模量變化趨勢。由圖可見，在老化處理過程中，2種層板膠合木的靜曲強(qiáng)度和抗彎彈性模量均呈下降趨勢，其中A組和B組試件的抗彎彈性模量在老化的第3階段和第4階段有一定程度重合，這可能是由于B組試件在水煮過程中，防腐成分發(fā)生流失，從而對層板膠合木抗彎彈性模量產(chǎn)生了影響。

圖2 2種層板膠合木試件老化處理過程中的靜曲強(qiáng)度和抗彎彈性模量變化Fig.2 Bending strength and MOE of specimens after accelerated aging process

值得注意的是，B組試件在濕熱沸水老化處理后表面出現(xiàn)大量樹脂狀物質(zhì)，經(jīng)過第3、4階段老化的個別抗彎試件甚至出現(xiàn)了端部膠層開裂現(xiàn)象（圖3），這說明B組試件的抗?jié)駸岱兴匣芰^差。

圖3 老化后的防腐樟子松-單組分聚氨酯膠合木試件Fig.3 The specimens of group B after accelerated aging process

2.3 膠層順紋剪切強(qiáng)度變化規(guī)律

每一老化階段試件的膠層順紋剪切強(qiáng)度測定結(jié)果見表4。老化處理過程中，2種膠合木試件的膠層順紋剪切強(qiáng)度均呈下降趨勢。A組膠合木試件的膠層順紋剪切強(qiáng)度較未老化試件下降了45.07%（膠層順紋剪切強(qiáng)度保留率為54.93%），木破率降至46.67%；B組膠合木試件的膠層順紋剪切強(qiáng)度較未老化處理試件下降了50.08%（保留率為49.92%），木破率降至36.67%。由此可以看出，使用單組分聚氨酯膠黏劑膠合的A組與B組膠合木經(jīng)老化處理后膠合性能不佳，原因可能是樟子松木材在水煮處理時，脫出樹脂影響了膠合界面強(qiáng)度。

表4 2種膠合木試件老化處理后的膠層順紋剪切強(qiáng)度Tab.4 Shearing strength of specimens after accelerated aging process

注：老化階段0表示未老化處理試材性能；表中數(shù)據(jù)均為各個階段所有試件的平均值。

如圖4所示，在老化處理過程中，2種層板膠合木的膠層順紋剪切強(qiáng)度均呈下降趨勢，其中B組試件的膠層順紋剪切強(qiáng)度下降更快，這可能由防腐樟子松在水煮處理過程中脫出防腐劑所致。

圖4 2種膠合木試件老化處理過程中膠層順紋剪切強(qiáng)度與木破率的變化Fig.4 Shearing strength and wood failure percentage of specimens after accelerated aging process

2.4 膠層浸漬剝離率變化規(guī)律

每一老化階段試件的膠層浸漬剝離率測定結(jié)果見表5。在老化處理過程中，2種膠合木試件的膠層浸漬剝離率總體呈上升趨勢。A組試件剝離率均符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求；B組試件2次循環(huán)剝離總剝離率最高達(dá)39.49%，單一膠層剝離率最高達(dá)90.65%，結(jié)合B組抗彎試件在沸水浴處理后出現(xiàn)膠層開裂現(xiàn)象，說明CCA處理樟子松對其膠合性能有極大影響，故不建議使用CCA防腐處理樟子松與單組分聚氨酯膠合生產(chǎn)層板膠合木。

表5 2種膠合木試件老化處理后的膠層浸漬剝離率Tab.5 Delamination percentage of specimens under wet condition after accelerated aging process

3 濕熱沸水老化力學(xué)性能方差分析

為分析濕熱沸水老化的老化階段和膠合木材料種類對靜曲強(qiáng)度、抗彎彈性模量、膠層順紋剪切強(qiáng)度3個主要力學(xué)性能的影響，采用SPSS 21軟件進(jìn)行隨機(jī)區(qū)組設(shè)計的方差分析。對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，老化時間的4個階段分別設(shè)置為名義變量1，2，3，4；2種不同材料也做同樣的處理，即設(shè)置為名義變量1，2。在濕熱沸水老化試驗確定自由度的前提下，靜曲強(qiáng)度、抗彎彈性模量、膠層順紋剪切強(qiáng)度3個主要力學(xué)性能作為因變量，將濕熱沸水老化的4個階段作為主效應(yīng)因子，材料種類作為隨機(jī)效應(yīng)因子進(jìn)行分析。選擇a=0.05的檢驗水準(zhǔn)進(jìn)行方差分析，計算結(jié)果見表6。

表6 老化對3種力學(xué)性能影響的方差分析Tab.6 Variance analysis of three mechanical properties

通過表格的檢驗概率sig的p值可以看出：靜曲強(qiáng)度老化周期p=0.000，材料種類p=0.000；抗彎彈性模量老化周期p=0.010，材料種類p=0.000、膠層順紋剪切強(qiáng)度老化周期p=0.023，材料種類p=0.053。表明這3個力學(xué)性能在材料種類和老化周期上的顯著水平均小于檢驗統(tǒng)計量，證明數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計學(xué)差異，濕熱沸水的老化時間和材料種類對試件的3種力學(xué)性能均會產(chǎn)生顯著性影響，其中，老化時間對靜曲強(qiáng)度的影響最為顯著，材料種類對靜曲強(qiáng)度和抗彎彈性模量的影響更顯著。

4 結(jié)論

本研究以未防腐處理的樟子松與經(jīng)CCA防腐處理的樟子松制備的膠合木為研究對象，對2種層板膠合木進(jìn)行濕熱沸水老化處理，并對老化處理后試件的耐久性能進(jìn)行測試，得出以下結(jié)論：

1）老化處理后，2種膠合木試件的吸水厚度膨脹率均高于未老化處理試件，說明老化處理方式對試件的浸水尺寸穩(wěn)定性有負(fù)面影響，其中，對CCA防腐樟子松-單組分聚氨酯試件影響更為顯著；

2）經(jīng)老化處理后，膠合木試件的靜曲強(qiáng)度、抗彎彈性模量均發(fā)生下降，未防腐樟子松-單組分聚氨酯和CCA防腐樟子松-單組分聚氨酯膠合木試件靜曲強(qiáng)度及抗彎彈性模量損失率相似；

3）經(jīng)老化處理后，所有膠合木試件的膠層順紋剪切強(qiáng)度下降，膠層剝離率上升。CCA防腐處理樟子松對其膠合性能有極大影響，因此不建議使用CCA處理樟子松與單組分聚氨酯膠合生產(chǎn)層板膠合木；

4）老化時間和材料種類對試件的3種力學(xué)性能均產(chǎn)生顯著性影響。