SPF/COSB混合结构正交胶合木尺寸稳定性和胶合性能研究

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正交胶合木(Cross-laminated timber,CLT)胶合性能是保证其力学性能稳定的前提,当前越来越多的工程木产品与木材形成混合结构CLT(Hybrid cross-laminated timber,HCLT),由于工程木产品与锯材物理和力学性能的差异性,对其界面胶合性能的研究变得尤为重要。国内采用速生杨木压制的结构用定向刨花板(Construction oriented strand board,COSB)力学性能优异,在CLT中使用有很大的潜力。研究实木锯材与COSB板复合形成的HCLT胶合性能和机理,可完善HCLT材料的物理性能研究,并为材料后续应用提供基础数据和理论。论文主要研究云杉-松-冷杉(Spruce-pine-fir,SPF)规格材与COSB板两种不同材料组坯的HCLT界面胶合性能和机理,重点评价了CLT不同组坯结构(4种组坯结构)、层板数量(3层和5层)、不同胶黏剂种类(单组份聚氨酯胶、异氰酸酯胶和间苯二酚胶)和试件尺寸等因素对CLT/HCLT的尺寸稳定性和胶合性能的影响。参考标准ASTM D1037-2012测试了CLT/HCLT的吸水率和24h吸水厚度膨胀率,参考标准BS EN 16351-2015和GB/T26899-2011测试了试件的干态和湿态胶层剪切强度、剥离率和木破率;进一步研究了不同表面砂光处理(80、120、220和400目砂纸砂光)的SPF规格材和COSB板表面的润湿性,并采用扫面电镜观察和分析了SPF、COSB表面和SPF/COSB胶合界面微观形态。论文主要结论为:(1)CLT/HCLT吸水率。SPF锯材CLT的吸水率在11.71%~13.07%间,HCLT吸水率在9.39%~13.50%间。组坯结构对吸水率影响显著,随着COSB层数增加,HCLT吸水率降低,与SPF锯材CLT吸水率相比,PUR、EPI和PRF胶合的COSB板CLT吸水率分别降低了38.64%、44.08%和39.65%;胶粘剂对吸水率影响显著,EPI胶合CLT试件的吸水率最大,PRF胶合CLT试件吸水率最小,4种组坯结构中EPI胶合的CLT试件比PRF分别高22.31%、24.59%、15.10%和16.35%;层板数量对CLT吸水率影响不显著,单组份PUR胶合的3层SPF锯材CLT吸水率比5层高10.41%,3层COSB板CLT比5层低12.92%。(2)CLT/HCLT24h吸水厚度膨胀率。SPF锯材CLT的24h吸水厚度膨胀率在1.80%~2.20%间,HCLT的24h吸水厚度膨胀率在2.03%~2.90%间。组坯结构对24h吸水厚度膨胀率影响显著,随着COSB层数增加,HCLT的24h吸水厚度膨胀率升高,与SPF锯材CLT24h吸水厚度膨胀率相比,PUR、EPI和PRF胶合的COSB板CLT的24h吸水厚度膨胀率分别升高了31.25%、41.14%和16.28%;胶粘剂对24h吸水厚度膨胀率影响显著,PRF胶合的CLT的24h吸水厚度膨胀率最小,PUR最大,4种组坯结构中PUR胶合的CLT试件24h吸水厚度膨胀率比PRF胶合的CLT试件分别高18.18%、17.81%、23.66%和32.81%;层板数量对CLT试件24h吸水厚度膨胀率影响不显著,单组份PUR胶合的3层SPF锯材CLT24h吸水厚度膨胀率比5层高23.18%,3层COSB板CLT比5层低27.27%。(3)CLT/HCLT胶合性能。所有CLT试件的干态胶层剪切强度特征值1)6)>1.25 MPa,单个胶层剪切强度平均值1)>1.00 MPa,满足标准BS EN 16351-2015的要求。4种组坯结构中,HCLT胶层剪切强度值均大于由SPF规格材组坯形成的CLT剪切强度值。胶粘剂对胶层剪切强度影响显著,与干态胶层剪切强度相比,PRF胶合的CLT试件湿态胶层剪切强度分别降低了12.90%、25.32%、18.90%和17.23%。组坯结构对CLT试件剥离率影响并不显著,纯SPF规格材组坯的CLT浸渍剥离率在1.63%~10.71%间,煮沸剥离率在9.35%~13.71%间,随COSB层板数量的增加,HCLT剥离率降低。5层CLT试件剥离率低于3层试件,层板数量对浸渍剥离率有显著影响。胶粘剂对CLT试件剥离率影响显著,PRF胶粘剂的浸渍和煮沸剥离率均最小,具有最好的胶合耐久性。尺寸大小是影响HCLT耐久性的显著因素,大尺寸(100 mmx100 mm)的HCLT试件的剥离率大于小尺寸试件(75 mmx75 mm)。除EPI和PRF胶合的SPF锯材CLT试件外,其他类型试件木破率平均值均大于70%,满足BS EN16351-2015的要求。胶层剪切强度测试破坏模式主要有三种:SPF规格材的横纹剪切破坏、层板撕裂破坏和COSB厚度中心剪切破坏;浸渍剥离试验中,除了胶层浸渍剥离破坏,还发现了COSB层板厚度中心产生裂缝和CLT纵向层层板之间的缝隙加大(4)SPF和COSB表面润湿性、微观形态以及胶合界面微观形态。胶粘剂在SPF表面与COSB表面的初始接触角和平衡接触差异不大,胶粘剂主要通过COSB导管进入细胞腔内形成胶钉,产生较强的胶合强度,在HCLT胶合性能中起主导作用。
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