基于目標(biāo)力學(xué)性能的鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)單板層積材制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種適用于各種工程結(jié)構(gòu)材料的基于目標(biāo)力學(xué)性能的 鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)單板層積材制備方法。屬于工程結(jié)構(gòu)用材領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 單板層積材(Laminated Veneer Lumber)，簡(jiǎn)稱LVL，主要是以小徑原木為原料，原 木鋸斷、旋切成單板進(jìn)行干燥，干燥后的單板經(jīng)拼接與涂膠、順紋組坯后熱壓而成為多層板 材。單板層積材極大地提高了木材的綜合利用率，其特殊的生產(chǎn)工藝也使板材保留了木材 的天然特性，并能有效地控制板材的含水率，避免了板材的干燥開裂、扭曲，同時(shí)將木材上 降低強(qiáng)度的節(jié)疤、裂縫等缺陷均勻地分布在產(chǎn)品之中，因而具有工程性能均勻、穩(wěn)定、強(qiáng)度 尚于原木等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 目前，我國(guó)采用速生木材作為生產(chǎn)LVL原料。由于速生木材自身強(qiáng)度較低，國(guó)產(chǎn)LVL 的強(qiáng)度很低。此外，我國(guó)的《單板層積材》GBT 20241-2006國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)層積材的物理性能描 述非常模糊，無法根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來直接確定所選材料的物理性能，材料生產(chǎn)廠家不能提供力學(xué) 參數(shù)穩(wěn)定的單板層積材板材產(chǎn)品?？梢?，不能滿足結(jié)構(gòu)用材的強(qiáng)度與剛度要求。故立足現(xiàn)有 技術(shù)，對(duì)國(guó)產(chǎn)LVL進(jìn)行增強(qiáng)，使之符合現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)對(duì)材料的穩(wěn)定性、強(qiáng)度與剛度要求，是發(fā)展 新型綠色結(jié)構(gòu)材料的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出了一種基于目標(biāo)力學(xué)性能的鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)單板層積材制備方法，即根據(jù) 工程結(jié)構(gòu)對(duì)材料物理力學(xué)性能的需求，通過材料的組份與層鋪幾何設(shè)計(jì)、組份界面性質(zhì)控 制等技術(shù)，將高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)按一定的比例，鋪設(shè)于LVL特定部位，獲得滿足目標(biāo)物理力學(xué)性能 的高強(qiáng)單板層積材結(jié)構(gòu)材料。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案:基于目標(biāo)力學(xué)性能的鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)單板層積材制 備方法，包括如下步驟： 1) 將砍伐的成年速生材除去枝葉、樹皮、斷料、軟化、旋切成單板(單板厚度t的規(guī)定為： 1.5mm < t < 5.0mm)，經(jīng)恒溫干燥處理，使其含水率達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)(不大于12%); 2) 采用數(shù)碼成像技術(shù)對(duì)干燥后的單板根據(jù)木材等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分等級(jí)堆放，木材等 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1: 表1承重結(jié)構(gòu)板材目測(cè)分類材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)
3) 依據(jù)終端產(chǎn)品的目標(biāo)力學(xué)性能，順紋抗拉、抗壓、抗彎、抗剪強(qiáng)度值、順紋彈性模量， 通過數(shù)值試驗(yàn)和精細(xì)化材料結(jié)構(gòu)分析，確定增強(qiáng)LVL的含鋼量與鋼絲網(wǎng)鋪設(shè)位置； 4) 按照上述分析結(jié)果，選取符合要求的原材，進(jìn)行層鋪幾何設(shè)計(jì)，即板材受壓面一頂面 與受拉面一底面層采用高等級(jí)木材，根據(jù)目標(biāo)性能要求、分析結(jié)果確定高等級(jí)木材層數(shù);根 據(jù)目標(biāo)性能要求及數(shù)值分析結(jié)果確定鋼絲直徑、鋼絲網(wǎng)眼尺寸及鋪設(shè)位置，單層鋼絲網(wǎng)設(shè) 置在板中間部位，雙層鋼絲網(wǎng)在板上部、下部各設(shè)置一層； 5) 選擇膠黏劑:選擇耐久性不少于50年的膠黏劑，通過試驗(yàn)確定膠黏劑施加量與成型 壓力與加壓時(shí)間，通過標(biāo)準(zhǔn)剪切試驗(yàn)，確定界面連接強(qiáng)度，試件數(shù)量不少于5組，每組不少于 10個(gè)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照ASSTM-D1084-97執(zhí)行； 6) 根據(jù)上述材料組份與層鋪幾何設(shè)計(jì)結(jié)果及選擇的粘膠劑，進(jìn)行涂膠、鋪裝、陳放、預(yù) 壓、高頻熱壓，涂膠量要求達(dá)到160~200g/m 2，陳放時(shí)間lOmin，組坯放入高頻熱壓機(jī)中，預(yù)壓 時(shí)間lOmin，熱壓壓力1.2~1.4MPa，加熱時(shí)間15分鐘，加熱溫度由20度均勻升到120度，保壓 lOmin后卸板，將制作好的滿足目標(biāo)力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)板材放在室溫冷卻1周； 7) 產(chǎn)品檢驗(yàn):在批量產(chǎn)品中隨機(jī)抽取3%，根據(jù)以下方法測(cè)定相關(guān)力學(xué)性能指標(biāo)，上述測(cè) 定參數(shù)不低于目標(biāo)參數(shù)的3%、不大于目標(biāo)參數(shù)的10%，即為合格。
[0006] 本發(fā)明的有益效果在于： (1) 可以達(dá)到高強(qiáng)單板層積材生產(chǎn)的可控性、可設(shè)計(jì)性； (2) 能生產(chǎn)出滿足各種工程結(jié)構(gòu)用材目標(biāo)力學(xué)性能的高強(qiáng)單板層積材結(jié)構(gòu)材料； (3) 發(fā)展綠色、可再生工程結(jié)構(gòu)材料，緩減環(huán)境、資源壓力。
【附圖說明】
[0007] 圖1順紋抗拉試件尺寸示意圖。
[0008] 圖2順紋抗壓試件尺寸示意圖。
[0009] 圖3結(jié)構(gòu)膠合板彎曲強(qiáng)度性能檢測(cè)示意圖。
[0010] 圖4順紋抗剪試件尺寸示意圖。
[0011] 圖5-1是單層鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)單板層積材的示意圖。
[0012] 圖5-2是雙層鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)單板層積材的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 基于目標(biāo)力學(xué)性能的鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)單板層積材制備方法，包括如下步驟： 1) 將砍伐的成年速生材除去枝葉、樹皮、斷料、軟化、旋切成單板(單板厚度t的規(guī)定為： 1.5mm < t < 5.0mm)，經(jīng)恒溫干燥處理，使其含水率達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)(不大于12%); 2) 采用數(shù)碼成像技術(shù)對(duì)干燥后的單板根據(jù)木材等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分等級(jí)堆放，木材等 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1: 衷1承重結(jié)構(gòu)板材目測(cè)分類材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)
3) 依據(jù)終端產(chǎn)品的目標(biāo)力學(xué)性能，順紋抗拉、抗壓、抗彎、抗剪強(qiáng)度值、順紋彈性模量， 通過數(shù)值試驗(yàn)和精細(xì)化材料結(jié)構(gòu)分析，確定增強(qiáng)LVL的含鋼量與鋼絲網(wǎng)鋪設(shè)位置； 4) 按照上述分析結(jié)果，選取符合要求的原材，進(jìn)行層鋪幾何設(shè)計(jì)，即板材受壓面一頂面 與受拉面一底面層采用高等級(jí)木材，根據(jù)目標(biāo)性能要求、分析結(jié)果確定高等級(jí)木材層數(shù);根 據(jù)目標(biāo)性能要求及數(shù)值分析結(jié)果確定鋼絲直徑、鋼絲網(wǎng)眼尺寸及鋪設(shè)位置，單層鋼絲網(wǎng)設(shè) 置在板中間部位，雙層鋼絲網(wǎng)在板上部、下部各設(shè)置一層； 5) 選擇膠黏劑:選擇耐久性不少于50年的膠黏劑，通過試驗(yàn)確定膠黏劑施加量與成型 壓力與加壓時(shí)間，通過標(biāo)準(zhǔn)剪切試驗(yàn)，確定界面連接強(qiáng)度，試件數(shù)量不少于5組，每組不少于 10個(gè)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照ASSTM-D1084-97執(zhí)行； 6) 根據(jù)上述材料組份與層鋪幾何設(shè)計(jì)結(jié)果及選擇的粘膠劑，進(jìn)行涂膠、鋪裝、陳放、預(yù) 壓、高頻熱壓，涂膠量要求達(dá)到160~200g/m 2，陳放時(shí)間lOmin，組坯放入高頻熱壓機(jī)中，預(yù)壓 時(shí)間lOmin，熱壓壓力1.2~1.4MPa，加熱時(shí)間15分鐘，加熱溫度由20度均勻升到120度，保壓 lOmin后卸板，將制作好的滿足目標(biāo)力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)板材放在室溫冷卻1周； 7)產(chǎn)品檢驗(yàn):在批量產(chǎn)品中隨機(jī)抽取3%，根據(jù)以下方法測(cè)定相關(guān)力學(xué)性能指標(biāo)，上述測(cè) 定參數(shù)不低于目標(biāo)參數(shù)的3%、不大于目標(biāo)參數(shù)的10%，即為合格。
[00M] (1)鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)單板層積材順紋抗拉性能，如圖1所示， (1.1) 試件制作 根據(jù)ASTM D143-09《木材小樣品的試驗(yàn)》的標(biāo)準(zhǔn)要求，順紋抗拉試件及尺寸如圖1所示。 層積材紋理方向與膠層方向、拉伸方向平行。試件破壞有效部分與試件夾持部分應(yīng)平滑過 渡，不得有突出或凹陷使應(yīng)力集中。
[0015] (1.2)試驗(yàn)步驟 1.測(cè)量截面尺寸。分別測(cè)量三次破壞抗拉試件截面寬度和厚度，精確至0.01 mm，取平 均值并記錄。
[0016] 2.布置應(yīng)變片。標(biāo)記試件正反兩個(gè)面中心線并粘貼應(yīng)變片，試驗(yàn)采用應(yīng)變片柵格 大小為3mm X 10mm，靈敏系數(shù)為2.06。
[0017] 3.安裝試件。將受拉試件安裝到試驗(yàn)機(jī)，并將力傳感器、應(yīng)變片與TDS-530靜態(tài)數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)連接。
[0018] 4.加載。對(duì)順紋受拉試件按50N/S的加載速度，在5KN~15KN之間反復(fù)循環(huán)加載6次， 6次加載循環(huán)完后采用位移加載制度，加載速度為0.4mm/min，直至試件破壞。
[0019] 5.數(shù)據(jù)處理。
[0020] (1-1) 式中：
--抗拉彈性模量，MPa; AF一一受拉荷載增量，； Δε--受拉縱向應(yīng)變?cè)隽浚?A--試件有效截面面積，.rnni2.。
[0021 ]
(1-2) 式中:?--泊松比； ε2一一橫向應(yīng)變； El--縱向應(yīng)變。
[0022]
(1-3) 式中：(Jt--抗拉強(qiáng)度，MPa; %-一極限拉力，N; A--試件抗拉截面積，.πι?τι2。
[0023] (2)鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)單板層積材順紋抗壓性能 (2.1) 試件制作，如圖2所示， 參考ASTM D143-09關(guān)于木材材抗壓試件的相關(guān)要求，本次試驗(yàn)采用的順紋抗壓試件尺 寸如圖2所示。順紋抗壓試件尺寸為:200mm X 50mm X 50mm的棱柱體。試件長(zhǎng)度、寬度和厚度 的允許誤差為，整個(gè)試樣上各尺寸的相對(duì)偏差，不應(yīng)大于〇 . 1mm。根據(jù)單板層積材的種類分 為兩組。
[0024] (2.2)試驗(yàn)步驟 1.測(cè)量截面尺寸。分別測(cè)量三次抗壓試件截面長(zhǎng)度、寬度和高度，精確至〇. 01 mm，取 平均值并記錄。
[0025] 2.布置應(yīng)變片。標(biāo)記試件側(cè)向四個(gè)面中心線并粘貼應(yīng)變片，試驗(yàn)采用應(yīng)變片柵格 大小為3mm X 10mm，靈敏系數(shù)為2.06。
[0026] 3.加載。對(duì)順紋受壓試件按50N/s的加載速度，在5kN~15kN(取抗壓極限荷載值的 10%~30%)之間反復(fù)循環(huán)加載6次，6次加載循環(huán)完后采用位移加載制度，加載速度為0.4mm/ min直至試件破壞。
[0027] 4.安裝試件。將受壓試件安裝到試驗(yàn)機(jī)，并將力傳感器、應(yīng)變片與TDS-530靜態(tài)數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)連接。
[0028] 5.數(shù)據(jù)處理。
[0029]
(2-1) 式中：--彈性模量，MPa; AF--荷載增量，N; Δε一一縱向應(yīng)變?cè)隽浚?Α 試件抗壓截面積，ιχυη2。
[0030]
(2-2) 式中:υ--泊松比； ε2一一橫向應(yīng)變； ει--縱向應(yīng)變。
[0031 ]
(2-3) 式中一一抗壓強(qiáng)度，MPa; K一一極限壓力，N; A--試件抗壓截面積，ιπγγι_2。
[0032] (3)鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)單板層積材抗彎強(qiáng)度和彈性模量測(cè)定 原理 四點(diǎn)彎曲的抗彎強(qiáng)度和彈性模量，是在兩點(diǎn)支撐的試件上、距支座三分之一處分別施 加相同載荷進(jìn)行測(cè)定?？箯潖?qiáng)度是確定試件在最大載荷作用時(shí)的彎矩和抗彎截面模量之 比;彈性模量是確定試件在材料的彈性極限范圍內(nèi)，載荷產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變之比。
[0033] 儀器設(shè)備 萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，精度10Ν，游標(biāo)卡尺，精度0.1 mm，千分表，精度0.01 mm，百分表，精 度0.01 mm。
[0034] 試件尺寸 長(zhǎng)度為1 =試件基本厚度h的50倍mm ±1 mm，寬度為b = 400 mm ±1 mm。
[0035] 方法 在試樣上分別制取與表板纖維方向平行和垂直的試件，試件數(shù)縱向和橫向各不少于6 個(gè)。
[0036]如圖3所示，支座跨距為試件基本厚度的45倍，雙壓頭間距為試件基本厚度的15 倍。試件長(zhǎng)度達(dá)不到基本厚度h的50倍時(shí)，按能夠達(dá)到的最大跨距和最大三等分雙壓頭間距 的基本厚度計(jì)算。壓輥和支承輥直徑為30 ± 0.5mm，其長(zhǎng)度應(yīng)大于試件寬度。試驗(yàn)時(shí)試件放 置應(yīng)使背板受拉伸力、表板受壓力；加荷輥軸線必須與試件長(zhǎng)軸中心線垂直，加載速度為 14.7MPa/min以下，并使背板在受拉伸狀態(tài)下對(duì)表板均勻加載。測(cè)量試件長(zhǎng)度方向跨距中心 線撓度和相應(yīng)的載荷值，繪制載荷一撓度曲線圖；記錄最大破壞載荷值，精確至10N。
[0037] 單位:毫米 試件的彈性模量E，按式(3-1)計(jì)算，精確至lOMPa。
[0038]
(3-1) 式中： E一一試件的彈性模量，單位為兆帕(MPa); AP 一一在載荷一撓