单板条层积材（PSL）力学性能的各向异性

单板条层积材（PSL）力学性能的各向异性王慧;张娅梅;朱越骅;潘彪;於朝广【摘要】为研究单板条层积材（PSL）的力学性能,以5和20 mm两种宽度的杨木单板条PSL为材料,对垂直和平行于单板条层积材层积方向分别进行了抗弯、冲击韧性及握钉力的试验,并对两个方向结果进行了差异显著性分析,探究单板条层积材不同加载方向力学强度指标的差异。

结果表明：PSL力学性能存在各向异性,5和20mm宽单板条制成的PSL抗弯强度、抗弯弹性模量均为平行加载大于垂直加载,冲击韧性和握钉力为垂直加载大于平行加载;5 mm宽单板条制成的PSL抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性值在两个方向差异不显著,只有握钉力在0.05水平下差异显著,20 mm宽单板条制成的PSL所有强度指标在两个方向上差异均显著（P 〈0.01）。

单板条宽度的增加,使得PSL主要力学强度指标各向异性更为显著。

【期刊名称】《林业工程学报》【年(卷),期】2018(003)004【总页数】5页(P51-55)【关键词】单板条层积材;杨木;力学性能;各向异性【作者】王慧;张娅梅;朱越骅;潘彪;於朝广【作者单位】[1]南京林业大学材料科学与工程学院,南京210037;;[1]南京林业大学材料科学与工程学院,南京210037;;[1]南京林业大学材料科学与工程学院,南京210037;;[1]南京林业大学材料科学与工程学院,南京210037;;[2]江苏省中国科学院植物研究所南京中山植物园,南京210014;【正文语种】中文【中图分类】S792.11单板条层积材(parallel strand lumber，PSL)是一种层积复合材料，它利用小径木或生产人造板时产生的边角料为原料，将其切割成一定尺寸的单板条，再将其沿木材顺纹方向铺装热压成型的一种板材[1]。

由于其优异的高强度性能且对原料的形态限制小，故碎单板可作为PSL的绝佳原料[2]。

它可利用小径原木或低等级单板，生产出高强度、大规格结构材产品，具有质量均匀、尺寸稳定[3]、刚性大于层叠木片胶合材(laminated strand lumber,LSL)[4]等优点，主要用于建筑托梁、内部墙壁支柱和门框窗框、楼梯扶手等部件[5]。

我国学者对PSL的研究大多偏工艺方面[6]，得出PSL的性能受树种、单板条尺寸、含水率、表芯层质量比、施胶方式、施胶量、热压温度和热压时间等因素的影响。

陈桂华等[3]研究泡桐PSL时发现施胶量、热压温度和热压时间3个因素对纵向静曲强度和抗弯弹性模量均有显著影响。

陈志林等[7]研究单板条厚度、宽度、施胶量与物理力学性能之间的关系时，发现单板条的宽度是影响横向静曲强度和抗弯弹性模量最显著的因素。

单板条宽度增加，则横向强度增大，由于实验受铺装影响，增加不明显。

国外关于PSL结构材的研究主要侧重在力学性能方面。

PSL弹性模量介于LVL(laminated veneer lumber)和LSL之间[8]，具有良好的承载能力，可用于桥梁[9]，其制成的枕木握钉力相当于实木[10]。

有关PSL力学性能各向异性的研究较少，本研究在各种工艺因子相同的情况下，对PSL两个方向的几个基本力学性能指标进行差异分析，探究其差异性的来源，以期对PSL的合理应用提供参考依据。

1 材料与方法1.1 试验材料单板条：取自泗阳久和木业有限公司，树种为美洲黑杨(Populus deltoides)无性系，气干密度0.455 g/cm3[11]。

单板条厚度1.5 mm，标准LY/T 2916—2017《单板条层积材》中单板条宽度宜为15～30 mm。

为了更好地体现试验结果的差异性，选取了一个较小值5 mm以及标准范围内的20 mm两种宽度，含水率为7.0%～8.5%。

胶黏剂：水溶性酚醛树脂胶黏剂(PF)，固体质量分数为18%～20%。

1.2 试验方法1.2.1 PSL的制备制备工艺流程及主要参数：单板条→浸胶(时间30 s)→沥胶→陈化→干燥(含水率≤15%)→组坯(设计密度0.8 g/cm3，全部顺纹组坯)→热压(具厚度规，分段升压，热压温度140 ℃，热压时间1.5 min/mm板厚)→热堆放(12 h)→砂光→成品。

1.2.2 试件性能测试由于实验条件限制，最终压制得的板材幅面为700 m m×700 mm，试件尺寸不足而无法进行结构材足尺力学性能测试，故抗弯强度、抗弯弹性模量及冲击韧性参照国家标准进行实验。

5和20 mm宽单板条制成的PSL试件密度分别是0.88 和0.95 g/cm3，试件含水率为6%～10%。

抗弯强度、抗弯弹性模量：试验分别按照国家标准GB/T 1936.1—2009《木材抗弯强度试验方法》、GB/T 1936.2—2009《木材抗弯弹性模量测定方法》执行。

冲击韧性：试验按照国家标准GB/T 1940—2009《木材冲击韧性试验方法》执行。

握钉力：试验参考国家标准GB/T 17657—2013《人造板及饰面板人造理化性能试验方法》中握螺钉力的测试方法。

试验数据均换算成含水率为12%时的值。

2 结果与分析力垂直加载于单板条层积材层积方向，称为垂直加载，力平行加载于单板条层积材层积方向称为平行加载(图1)。

PSL单板条的宽度方向远大于其厚度方向，组坯时由于自然界重力的影响，板坯的宽度方向大多呈原单板条宽度方向，而板坯的厚度方向大多呈原单板条厚度方向。

当热压时，垂直向下方向的压力又强化了这一趋势。

图1 杨木PSL试件上力的加载方向Fig. 1 Force loading direction of poplar PSL specimen2.1 抗弯强度和抗弯弹性模量杨木PSL平行和垂直加载的差异如表1：平行加载抗弯强度、抗弯弹性模量大于垂直加载。

5 mm、20 mm宽单板条PSL垂直加载抗弯强度分别为平行加载方向的96.13%和82.87%；垂直加载抗弯弹性模量分别为平行加载方向的90.92%和88.92%。

5 mm宽单板条的PSL抗弯强度、抗弯弹性模量两个方向差异不显著；20 mm宽单板条PSL在0.01水平差异显著。

表1 杨木PSL力学性能的变异统计Table 1 Variance statistics of mechanical properties of poplar PSL注：“*”表示0.05水平差异显著，“**”表示0.01水平差异显著。

典型的PSL主要破坏机理不仅涉及弯曲破坏，而且涉及剪切破坏和单板条间的黏合效果。

这是由于PSL本身的性质，它是由长单板条制成的胶合制造品。

在加载初期，杨木PSL试件处于弹性阶段，其荷载-位移曲线表现为线性，载荷随位移呈线性递增，20 mm宽度的单板条杨木PSL平行加载斜率大于垂直加载(图2)。

随着载荷的进一步增加，杨木PSL试件受压侧的纤维首先出现褶皱受压破坏，当加载到极限荷载的50%左右时进入塑性发展阶段，其荷载-位移曲线表现为非线性递增。

在加载后期，PSL试件受拉面的纤维持续被拉断，荷载开始出现明显下降，试件进入破坏阶段，平行加载达到最大力时其位移小于垂直加载。

图2 20 mm宽度单板条杨木PSL的抗弯曲线Fig. 2 Bending curves of poplarPSL made of 20 mm width strands图3 杨木PSL抗弯试件在垂直加载(a)和平行加载(b)下的破坏形态Fig. 3 Destructive forms of poplar PSL after bending test in load perpendicular to wide face of strand (a) and load parallel to wide face of strand (b)当加载方向为垂直加载时，试件底部单板条受到拉伸，剪切层由单板条和胶层间隔组成，从断裂结果看，底部纤维拉断后，胶层剥离，此后试件失效。

因为PSL几乎是由单板条平行铺装而成，板材压制，胶层与单板条之间存在着界面应力，当受到外界作用力时，其界面应力释放，而容易在胶层处破坏(图3a)。

由于木材存在早晚材，结构是不均匀的，早材细胞壁薄，试件受到剪切应力后易破坏。

因此其抗弯强度和抗弯弹性模量相对较小。

当加载方向为平行加载时，剪切层或为单板条，或为胶层，拉力由单板条纤维和胶层共同承担。

加载时，试件上层纤维压溃，试件受拉面的纤维沿胶线开裂后(图3b)，单板条间的胶层没有剥离，而是由剩下的纤维继续承受拉力，试件不容易破坏，因此获得了较高的抗弯强度和抗弯弹性模量。

2.2 冲击韧性PSL在冲击载荷下的破坏模式与静载荷相似[12]，静载荷是缓慢加载，而在冲击载荷下失效发生得更快；试件主要由剪切和弯曲模式组合破坏而失效。

虽然冲击载荷下的破坏模式与静载荷相似，杨木PSL两个方向比较由表1可知，垂直加载冲击韧性大于平行加载。

5和20 mm宽单板条PSL平行加载的冲击韧性分别为垂直加载的89.48%和75.79%。

5 mm宽单板条PSL冲击韧性两个方向差异不显著；20 mm宽单板条PSL则在0.01水平差异显著。

影响冲击韧性的因子有破坏时纤维抵抗力的大小，其决定于木材横纹的内聚力，韧性好的木材难以劈开，所以也受横纹抗拉强度、抗劈力及顺纹抗剪强度的影响。

杨木木材的横纹抗拉强度径向大于弦向，但因为杨木是散孔材，木射线也较少，所以径弦向横纹抗拉强度相差不大。

杨木弦面的抗劈力大于径面，这是因为木材弦面抗劈时木射线呈轴向受拉状态[13]。

垂直加载时，试件表面纤维吸收能量，试件受到顺纹方向的剪切力，破坏的面在木材的径面上，破坏发生在木射线细胞处，主要原因是射线细胞胞壁比较薄弱。

裂纹沿射线延展，断裂面粗糙(图4a)，表明断裂得艰难，它可能会产生大变形使缺口钝化，延缓了试件裂纹的扩展，有助于材料吸收更多的能量[14]。

因为单板条平行铺装、平行加载时，剪切层或为胶层，胶层比木胶合板更脆弱，当试件受到快速冲击时，只有表面的木材纤维吸收冲击能量[15]，其断裂面见图4b。

虽然PSL在冲击载荷下的破坏模式与静载荷相似，但其对杨木PSL力学性能各向异性的影响却是不同的，从图2也可看出垂直方向韧性更好。

图4 杨木PSL冲击试件在力垂直方向加载(a)和力平行方向加载(b)下的断裂形态Fig. 4 Crack forms of poplar PSL after impact test in load perpendicular to wide face of strand (a) and load parallel to wide face of strand (b)2.3 握钉力由表1可知，垂直加载方向握钉力大于平行加载方向，5和20 mm宽单板条PSL 的平行加载方向握钉力分别为垂直加载的79.68%和77.33%，其各向异性分别在0.05和0.01水平差异显著。