CN105599064A - 基于目标力学性能的钢丝网增强单板层积材制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是基于目标力学性能的钢丝网增强单板层积材制备方法，包括如下步骤：1）原料处理：2）木材分等级堆放：3）确定增强LVL的含钢量与铺设位置；4）层铺几何设计：5）选择胶黏剂：6）涂胶：7）产品检验；本发明的有益效果在于：（1）可以达到高强单板层积材生产的可控性、可设计性；（2）能生产出满足各种工程结构用材目标力学性能的高强单板层积材结构材料；（3）发展绿色、可再生工程结构材料，缓减环境、资源压力。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种适用于各种工程结构材料的基于目标力学性能的
钢丝网增强单板层积材制备方法。属于工程结构用材领域。
背景技术
单板层积材(LaminatedVeneerLumber)，简称LVL，主要是以小径原木为原料，原木锯断、旋切成单板进行干燥，干燥后的单板经拼接与涂胶、顺纹组坯后热压而成为多层板材。单板层积材极大地提高了木材的综合利用率，其特殊的生产工艺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，避免了板材的干燥开裂、扭曲，同时将木材上降低强度的节疤、裂缝等缺陷均匀地分布在产品之中，因而具有工程性能均匀、稳定、强度高于原木等优点。
目前，我国采用速生木材作为生产LVL原料。由于速生木材自身强度较低，国产LVL的强度很低。此外，我国的《单板层积材》GBT20241-2006国家标准对层积材的物理性能描述非常模糊，无法根据标准来直接确定所选材料的物理性能，材料生产厂家不能提供力学参数稳定的单板层积材板材产品。可见，不能满足结构用材的强度与刚度要求。故立足现有技术，对国产LVL进行增强，使之符合现代木结构对材料的稳定性、强度与刚度要求，是发展新型绿色结构材料的需要。
发明内容
本发明提出了一种基于目标力学性能的钢丝网增强单板层积材制备方法，即根据工程结构对材料物理力学性能的需求，通过材料的组份与层铺几何设计、组份界面性质控制等技术，将高强钢丝网按一定的比例，铺设于LVL特定部位，获得满足目标物理力学性能的高强单板层积材结构材料。
本发明的技术解决方案：基于目标力学性能的钢丝网增强单板层积材制
备方法，包括如下步骤：
1）将砍伐的成年速生材除去枝叶、树皮、断料、软化、旋切成单板（单板厚度t的规定为：1.5mm≤t≤5.0mm），经恒温干燥处理，使其含水率达到预定标准（不大于12%）；
2）采用数码成像技术对干燥后的单板根据木材等级划分标准进行分等级堆放，木材等级标准见表1：
表1承重结构板材目测分类材质标准
3）依据终端产品的目标力学性能，顺纹抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度值、顺纹弹性模量，通过数值试验和精细化材料结构分析，确定增强LVL的含钢量与钢丝网铺设位置；
4）按照上述分析结果，选取符合要求的原材，进行层铺几何设计，即板材受压面—顶面与受拉面—底面层采用高等级木材，根据目标性能要求、分析结果确定高等级木材层数；根据目标性能要求及数值分析结果确定钢丝直径、钢丝网眼尺寸及铺设位置，单层钢丝网设置在板中间部位，双层钢丝网在板上部、下部各设置一层；
5）选择胶黏剂：选择耐久性不少于50年的胶黏剂，通过试验确定胶黏剂施加量与成型压力与加压时间，通过标准剪切试验，确定界面连接强度，试件数量不少于5组，每组不少于10个，试验标准参照ASSTM-D1084-97执行；
6）根据上述材料组份与层铺几何设计结果及选择的粘胶剂，进行涂胶、铺装、陈放、预压、高频热压，涂胶量要求达到160~200g/m2,陈放时间10min，组坯放入高频热压机中，预压时间10min，热压压力1.2~1.4MPa，加热时间15分钟，加热温度由20度均匀升到120度，保压10min后卸板，将制作好的满足目标力学性能的结构板材放在室温冷却1周；
7）产品检验：在批量产品中随机抽取3%，根据以下方法测定相关力学性能指标，上述测定参数不低于目标参数的3%、不大于目标参数的10%，即为合格。
本发明的有益效果在于：
（1）可以达到高强单板层积材生产的可控性、可设计性；
（2）能生产出满足各种工程结构用材目标力学性能的高强单板层积材结构材料；
（3）发展绿色、可再生工程结构材料，缓减环境、资源压力。
附图说明
图1顺纹抗拉试件尺寸示意图。
图2顺纹抗压试件尺寸示意图。
图3结构胶合板弯曲强度性能检测示意图。
图4顺纹抗剪试件尺寸示意图。
图5-1是单层钢丝网增强单板层积材的示意图。
图5-2是双层钢丝网增强单板层积材的示意图。
具体实施方式
基于目标力学性能的钢丝网增强单板层积材制备方法，包括如下步骤：
1）将砍伐的成年速生材除去枝叶、树皮、断料、软化、旋切成单板（单板厚度t的规定为：1.5mm≤t≤5.0mm），经恒温干燥处理，使其含水率达到预定标准（不大于12%）；
2）采用数码成像技术对干燥后的单板根据木材等级划分标准进行分等级堆放，木材等级标准见表1：
表1承重结构板材目测分类材质标准
3）依据终端产品的目标力学性能，顺纹抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度值、顺纹弹性模量，通过数值试验和精细化材料结构分析，确定增强LVL的含钢量与钢丝网铺设位置；
4）按照上述分析结果，选取符合要求的原材，进行层铺几何设计，即板材受压面—顶面与受拉面—底面层采用高等级木材，根据目标性能要求、分析结果确定高等级木材层数；根据目标性能要求及数值分析结果确定钢丝直径、钢丝网眼尺寸及铺设位置，单层钢丝网设置在板中间部位，双层钢丝网在板上部、下部各设置一层；
5）选择胶黏剂：选择耐久性不少于50年的胶黏剂，通过试验确定胶黏剂施加量与成型压力与加压时间，通过标准剪切试验，确定界面连接强度，试件数量不少于5组，每组不少于10个，试验标准参照ASSTM-D1084-97执行；
6）根据上述材料组份与层铺几何设计结果及选择的粘胶剂，进行涂胶、铺装、陈放、预压、高频热压，涂胶量要求达到160~200g/m2,陈放时间10min，组坯放入高频热压机中，预压时间10min，热压压力1.2~1.4MPa，加热时间15分钟，加热温度由20度均匀升到120度，保压10min后卸板，将制作好的满足目标力学性能的结构板材放在室温冷却1周；
7）产品检验：在批量产品中随机抽取3%，根据以下方法测定相关力学性能指标，上述测定参数不低于目标参数的3%、不大于目标参数的10%，即为合格。
（1）钢丝网增强单板层积材顺纹抗拉性能，如图1所示，
（1.1）试件制作
根据ASTMD143-09《木材小样品的试验》的标准要求，顺纹抗拉试件及尺寸如图1所示。层积材纹理方向与胶层方向、拉伸方向平行。试件破坏有效部分与试件夹持部分应平滑过渡，不得有突出或凹陷使应力集中。
（1.2）试验步骤
1.测量截面尺寸。分别测量三次破坏抗拉试件截面宽度和厚度，精确至0.01mm，取平均值并记录。
2.布置应变片。标记试件正反两个面中心线并粘贴应变片，试验采用应变片栅格大小为3mm×10mm，灵敏系数为2.06。
3.安装试件。将受拉试件安装到试验机，并将力传感器、应变片与TDS-530静态数据采集***连接。
4.加载。对顺纹受拉试件按50N/s的加载速度，在5KN~15KN之间反复循环加载6次，6次加载循环完后采用位移加载制度，加载速度为0.4mm/min，直至试件破坏。
5.数据处理。
（1-1）
式中：——抗拉弹性模量，MPa；
——受拉荷载增量，；
——受拉纵向应变增量；
——试件有效截面面积，。
（1-2）
式中：——泊松比；
——横向应变；
——纵向应变。
（1-3）
式中：——抗拉强度，MPa；
——极限拉力，N；
——试件抗拉截面积，。
（2）钢丝网增强单板层积材顺纹抗压性能
（2.1）试件制作，如图2所示，
参考ASTMD143-09关于木材材抗压试件的相关要求，本次试验采用的顺纹抗压试件尺寸如图2所示。顺纹抗压试件尺寸为：200mm×50mm×50mm的棱柱体。试件长度、宽度和厚度的允许误差为，整个试样上各尺寸的相对偏差，不应大于0.1mm。根据单板层积材的种类分为两组。
（2.2）试验步骤
1.测量截面尺寸。分别测量三次抗压试件截面长度、宽度和高度，精确至0.01mm，取平均值并记录。
2.布置应变片。标记试件侧向四个面中心线并粘贴应变片，试验采用应变片栅格大小为3mm×10mm，灵敏系数为2.06。
3.加载。对顺纹受压试件按50N/s的加载速度，在5kN~15kN（取抗压极限荷载值的10%~30%）之间反复循环加载6次，6次加载循环完后采用位移加载制度，加载速度为0.4mm/min直至试件破坏。
4.安装试件。将受压试件安装到试验机，并将力传感器、应变片与TDS-530静态数据采集***连接。
5.数据处理。
（2-1）
式中：——弹性模量，MPa；
——荷载增量，N；
——纵向应变增量；
——试件抗压截面积，。
（2-2）
式中：——泊松比；
——横向应变；
——纵向应变。
（2-3）
式中：——抗压强度，MPa；
——极限压力，N；
——试件抗压截面积，。
（3）钢丝网增强单板层积材抗弯强度和弹性模量测定
原理
四点弯曲的抗弯强度和弹性模量，是在两点支撑的试件上、距支座三分之一处分别施加相同载荷进行测定。抗弯强度是确定试件在最大载荷作用时的弯矩和抗弯截面模量之比；弹性模量是确定试件在材料的弹性极限范围内，载荷产生的应力与应变之比。
仪器设备
万能力学试验机，精度10N，游标卡尺，精度0.1mm，千分表，精度0.01mm，百分表，精度0.01mm。
试件尺寸
长度为l＝试件基本厚度h的50倍mm±1mm，宽度为b＝400mm±1mm。
方法
在试样上分别制取与表板纤维方向平行和垂直的试件，试件数纵向和横向各不少于6个。
如图3所示，支座跨距为试件基本厚度的45倍，双压头间距为试件基本厚度的15倍。试件长度达不到基本厚度h的50倍时，按能够达到的最大跨距和最大三等分双压头间距的基本厚度计算。压辊和支承辊直径为30±0.5mm，其长度应大于试件宽度。试验时试件放置应使背板受拉伸力、表板受压力；加荷辊轴线必须与试件长轴中心线垂直，加载速度为14.7MPa/min以下，并使背板在受拉伸状态下对表板均匀加载。测量试件长度方向跨距中心线挠度和相应的载荷值，绘制载荷—挠度曲线图；记录最大破坏载荷值，精确至10N。
单位：毫米
试件的弹性模量E，按式（3-1）计算，精确至10MPa。
（3-1）
式中：
E——试件的弹性模量，单位为兆帕（MPa）；
ΔP——在载荷－挠度曲线图中直线段内和载荷增加量（即载荷F1、F2差的绝对值），单位为牛（N）；
ΔY——在试件长度方向中心处变形量，单位为毫米（mm）；
L——支座跨距，单位为毫米（mm）；
b——试件宽度，单位为毫米（mm）；
h——试件厚度，单位为毫米（mm）。
试件的最大静曲强度，按式（B2）计算，精确至0.1MPa。
（3-2）式中：
——最大静曲强度，单位为兆帕（MPa）；
P——最大破坏荷载，单位为牛（N）；
L——支座跨距，单位为毫米（mm）；
b——试件宽度，单位为毫米（mm）；
h——试件厚度，单位为毫米（mm）。
（4）钢丝网增强单板层积材顺纹抗剪性能，如图4所示。
（4.1）试件制作
参考ASTMD7078/D70关于复合材料剪切性能试验方法的相关要求，本次试验采用V型槽口试样，顺纹面内剪切试样具体尺寸如图4所示。试样长度、宽度和厚度的允许误差为±0.5mm，整个试样上各尺寸的相对偏差，不应大于0.1mm。
（4.2）试验步骤
1.测量截面尺寸。测量三次破坏抗剪试件截面有效宽度和厚度，精确至0.01mm，取平均值并记录。
2.布置应变花。标记试件正反两个面中心线并粘贴应变花。试验采用应变花大小为3m×2mm。
3.安装试件。将抗剪试件安装到试验机，并将力传感器、应变片与TDS-530静态数据采集***连接。
4.加载。对顺纹受剪试件按50N/s的加载速度，在500N~1500N之间反复循环加载6次，6次加载循环完后采用位移加载制度，加载速度为0.4mm/min，直至试件破坏。
5.数据处理。
（4-1）
式中：——剪切应变；
——+45o方向应变值；
——-45o方向应变值；
（4-2）
式中：G——剪切模量，MPa；
——弹性阶段中剪切应力增量，MPa；
——弹性阶段中剪切应变增量，MPa；
（4-3）
式中：G——荷载，N；
h——试样厚度，mm；
b——槽口处宽度，mm。
Claims (5)
1.基于目标力学性能的钢丝网增强单板层积材制备方法，其特征是包括如下步骤：
1）原料处理：将砍伐的成年速生材除去枝叶、树皮、断料、软化、旋切成单板，单板厚度t的规定为：1.5mm≤t≤5.0mm），经恒温干燥处理，使其含水率达到预定标准（不大于12%）；
2）木材分等级堆放：采用数码成像技术对干燥后的单板根据木材等级划分标准进行分等级堆放，木材等级标准见表1：
表1承重结构板材目测分类材质标准
3）确定增强LVL的含钢量与铺设位置；依据终端产品的目标力学性能，顺纹抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度值、顺纹弹性模量，通过数值试验和精细化材料结构分析，确定增强LVL的含钢量与钢丝网铺设位置；
4）层铺几何设计：按照上述分析结果，选取符合要求的原材，进行层铺几何设计，即板材受压面—顶面与受拉面—底面层采用高等级木材，根据目标性能要求、分析结果确定高等级木材层数；根据目标性能要求及数值分析结果确定钢丝直径、钢丝网眼尺寸及铺设位置，单层钢丝网设置在板中间部位，双层钢丝网在板上部、下部各设置一层；
5）选择胶黏剂：选择耐久性不少于50年的胶黏剂，通过试验确定胶黏剂施加量与成型压力与加压时间，通过标准剪切试验，确定界面连接强度，试件数量不少于5组，每组不少于10个，试验标准参照ASSTM-D1084-97执行；
6）涂胶：根据上述材料组份与层铺几何设计结果及选择的粘胶剂，进行涂胶、铺装、陈放、预压、高频热压，涂胶量要求达到160~200g/m2,陈放时间10min，组坯放入高频热压机中，预压时间10min，热压压力1.2~1.4MPa，加热时间15分钟，加热温度由20度均匀升到120度，保压10min后卸板，将制作好的满足目标力学性能的结构板材放在室温冷却1周；
7）产品检验：在批量产品中随机抽取3%，根据以下方法测定相关力学性能指标，上述测定参数不低于目标参数的3%、不大于目标参数的10%，即为合格。
2.根据权利要求1所述的基于目标力学性能的钢丝网增强单板层积材制备方法，其特征是所述的钢丝网的增强单板层积材顺纹抗拉性能的测试，包括如下步骤：
（1）试件制作：
根据ASTMD143-09《木材小样品的试验》的标准要求，顺纹抗拉试件及尺寸，层积材纹理方向与胶层方向、拉伸方向平行，试件破坏有效部分与试件夹持部分应平滑过渡，不得有突出或凹陷使应力集中；
（2）试验步骤：
1）测量截面尺寸，分别测量三次破坏抗拉试件截面宽度和厚度，精确至0.01mm，取平均值并记录；
2）布置应变片，标记试件正反两个面中心线并粘贴应变片，试验采用应变片栅格大小为3mm×10mm，灵敏系数为2.06；
3）安装试件，将受拉试件安装到试验机，并将力传感器、应变片与TDS-530静态数据采集***连接；
4）加载，对顺纹受拉试件按50N/s的加载速度，在5KN~15KN之间反复循环加载6次，6次加载循环完后采用位移加载制度，加载速度为0.4mm/min，直至试件破坏；
5）数据处理：
（1-1）
式中：——抗拉弹性模量，MPa；
——受拉荷载增量，；
——受拉纵向应变增量；
A——试件有效截面面积，；
（1-2）
式中：——泊松比；
——横向应变；
——纵向应变；
（1-3）
式中：——抗拉强度，MPa；
——极限拉力，N；
A——试件抗拉截面积，。
3.根据权利要求1所述的基于目标力学性能的钢丝网增强单板层积材制备方法，其特征是所述的钢丝网的增强单板层积材顺纹抗压性能的测试步骤：（1）试件制作：
参考ASTMD143-09关于木材材抗压试件的相关要求，本次试验采用的顺纹抗压试件尺寸，顺纹抗压试件尺寸为：200mm×50mm×50mm的棱柱体，试件长度、宽度和厚度的允许误差为，整个试样上各尺寸的相对偏差，不应大于0.1mm，根据单板层积材的种类分为两组；
（2）试验步骤：
1）测量截面尺寸，分别测量三次抗压试件截面长度、宽度和高度，精确至0.01mm，取平均值并记录；
2）布置应变片，标记试件侧向四个面中心线并粘贴应变片，试验采用应变片栅格大小为3mm×10mm，灵敏系数为2.06；
3）加载，对顺纹受压试件按50N/s的加载速度，在5kN~15kN，取抗压极限荷载值的10%~30%之间反复循环加载6次，6次加载循环完后采用位移加载制度，加载速度为0.4mm/min直至试件破坏；
4）安装试件，将受压试件安装到试验机，并将力传感器、应变片与TDS-530静态数据采集***连接；
5）数据处理：
（2-1）
式中：——弹性模量，MPa；
——荷载增量，N；
——纵向应变增量；
A——试件抗压截面积，；
（2-2）
式中：——泊松比；
——横向应变；
——纵向应变；
（2-3）
式中：——抗压强度，MPa；
——极限压力，N；
——试件抗压截面积，。
4.根据权利要求1所述的基于目标力学性能的钢丝网增强单板层积材制备方法，其特征是所述的钢丝网的增强单板层积材抗弯强度和弹性模量测定步骤：
1）试件尺寸，
长度为l＝试件基本厚度h的50倍mm±1mm，宽度为b＝400mm±1mm；
2）在试样上分别制取与表板纤维方向平行和垂直的试件，试件数纵向和横向各不少于6个；
3）试件基本厚度的45倍为支座跨距，双压头间距为试件基本厚度的15倍，试件长度达不到基本厚度h的50倍时，按能够达到的最大跨距和最大三等分双压头间距的基本厚度计算，压辊和支承辊直径为30±0.5mm，其长度应大于试件宽度，试验时试件放置应使背板受拉伸力、表板受压力；加荷辊轴线必须与试件长轴中心线垂直，加载速度为14.7MPa/min以下，并使背板在受拉伸状态下对表板均匀加载，测量试件长度方向跨距中心线挠度和相应的载荷值，绘制载荷—挠度曲线图；记录最大破坏载荷值，精确至10N，单位：毫米，
试件的弹性模量E，按式（3-1）计算，精确至10MPa，
（3-1）
式中：
E——试件的弹性模量，单位为兆帕（MPa）；
ΔP——在载荷－挠度曲线图中直线段内和载荷增加量，即载荷F1、F2差的绝对值，单位为牛（N）；
ΔY——在试件长度方向中心处变形量，单位为毫米（mm）；
L——支座跨距，单位为毫米（mm）；
b——试件宽度，单位为毫米（mm）；
h——试件厚度，单位为毫米（mm）；
试件的最大静曲强度σ，精确至0.1MPa，
（3-2）式中：
σ——最大静曲强度，单位为兆帕（MPa）；
P——最大破坏荷载，单位为牛（N）；
L——支座跨距，单位为毫米（mm）；
b——试件宽度，单位为毫米（mm）；
h——试件厚度，单位为毫米（mm）。
5.根据权利要求1所述的基于目标力学性能的钢丝网增强单板层积材制备方法，其特征是所述的钢丝网增强单板层积材顺纹抗剪性能测定步骤：
（1）试件制作，
参考ASTMD7078/D70关于复合材料剪切性能试验方法的相关要求，本次试验采用V型槽口试样，试样长度、宽度和厚度的允许误差为±0.5mm，整个试样上各尺寸的相对偏差，不应大于0.1mm；
（2）试验步骤：
1）测量截面尺寸，测量三次破坏抗剪试件截面有效宽度和厚度，精确至0.01mm，取平均值并记录；
2）布置应变花，标记试件正反两个面中心线并粘贴应变花，试验采用应变花大小为3m×2mm；
3）安装试件，将抗剪试件安装到试验机，并将力传感器、应变片与TDS-530静态数据采集***连接；
4）加载，对顺纹受剪试件按50N/s的加载速度，在500N~1500N之间反复循环加载6次，6次加载循环完后采用位移加载制度，加载速度为0.4mm/min，直至试件破坏；
5）数据处理，
（4-1）
式中：——剪切应变；
——+45o方向应变值；
——-45o方向应变值；
（4-2）
式中：——剪切模量，MPa；
——弹性阶段中剪切应力增量，MPa；
——弹性阶段中剪切应变增量，MPa；
（4-3）
式中：——荷载，N；
——试样厚度，mm；
——槽口处宽度，mm。
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