CN114274282B - 一种木钉接合的正交胶合木及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种木钉接合的正交胶合木，包括正交胶合木，正交胶合木的每层均由多个层板（3）组坯而成；上下相邻两块相互垂直的层板（3）相交部分为一个叠交单元（5），木钉（6）错开设置，钉入点位于叠交单元（5）中心线上，同一钉入水平的木钉（6）为一个钉层（7），相邻钉层（7）的木钉（6）在竖直方向相互错开，且相邻钉层（7）的木钉（6）的钉入角度（9）相反。本发明还公开了一种木钉接合的正交胶合木的制备方法。本发明无需利用任何胶黏剂作为胶合媒介，能够有效减少甲醛等有害气体的释放，减轻环境负担，并且加工高效、钉入构件也便于后期处理和回收利用。

Description

一种木钉接合的正交胶合木及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种木钉接合的正交胶合木及其制备方法，属于木质工程材生产技术创新技术领域。

背景技术

正交胶合木（Cross-laminated timber，CLT）是一种至少由3层实木锯材或结构复合板材正交组坯，采用结构胶黏剂压制而成的矩形、直线、平面板材形式的工厂预制工程木产品。CLT可用于建造中高层民用和非民用建筑，既可以完全替代传统钢筋混凝土和砖混结构，又可以与钢筋混凝土或其他工程木产品形成混合结构，能够实现木材“劣材优用、小材大用”的高附加值利用，并且具有组装快、噪音低等优点，有利于推动现场装配式木结构建筑的跨越式发展，为更低碳、更环保的可持续城市发展做出贡献。

现在住宅使用的CLT木材大多是采用冷固化型胶黏剂，目前采用的胶黏剂主要有单组分聚氨酯胶黏剂、双组份聚氨酯胶黏剂、聚醋酸乙烯酯-异氰酸酯胶黏剂和间苯二酚甲醛树脂胶黏剂。大多数胶水耐热、耐强酸和强碱性能较差，在高温、高湿下易水解而降低粘接强度，从而降低其使用寿命；并且在施工和使用过程中会释放刺激性的有毒气体，在一定程度上危害了人们的身体健康；胶水的使用不利于CLT的再回收利用，大面积的胶层加大了其拆卸难度，不仅增加了建筑废物，而且降低了资源回收率。因此，找到一种更加绿色环保、高效便捷的连接方式显得尤为重要。

我国自古代建筑里就有使用木钉的历史，在传统木结构建筑中使用木钉来对榫卯结构进行加强，即传统木结构中需要榫卯和木钉配合使用，起到加强结构的作用。

随着工业革命的发展，各种金属钉、金属连接件以及工业胶水不断涌现，传统的木钉逐渐淡出人们视野。

基于现代木结构建筑强节点弱构件的设计理念，节点连接通常作为木结构研究中的重要环节。以钉、螺栓、销等为代表的销轴类金属连接件，以其良好的韧性和安全可靠性，在现代重型木结构中得到了广泛的应用。但是金属紧固件随着时间的推移会出现不可避免的松动、生锈等情况（如图1），降低结构的稳定性；并且还会在木材中形成热桥，降低室内的保温效果等等（如图2）。

木钉作为最环保的销轴类连接件自古就有之，具有质量轻、兼容性强、无需预钻孔、施工效率高等优点，并且与金属制成的销钉类紧固件相比，木钉不会形成冷热桥，也不会在木材中留下腐蚀的痕迹。

然而传统的木钉主要由硬木或竹材制成，并且传统木钉的钉入方式均为垂直钉入，在暴露于潮湿的环境中往往会发生不可逆的弯曲变形，难以满足重型木建筑大尺寸构件连接与复杂结构设计的需要。

目前，木钉作为连接件应用于CLT的连接未见报道，亦未见仅靠木钉接合的CLT在重型木建筑大尺寸构件中的应用报道。而本发明的研究成果能够为此项技术的实现提供有力的科学支撑。随着世界各国对环境的愈加重视，木钉在绿色低碳、健康生活、建设生态文明的背景下将具有广泛的应用前景，将助力我国绿色制造、减碳降碳“3060”目标的早日实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，本发明提供一种木钉接合的正交胶合木，该正交胶合木具有较高承载力的同时，还有较高的刚度和良好的延性。

同时，本发明提供一种木钉接合的正交胶合木的制备方法，采用该法制得的仅利用木钉作为连接件的正交胶合木可应用于重型木建筑大尺寸构件。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种木钉接合的正交胶合木，包括正交胶合木，正交胶合木的每层均由多个层板组坯而成；上下相邻两块相互垂直的层板相交部分为一个叠交单元，木钉错开设置，钉入点位于叠交单元中心线上，同一钉入水平的木钉为一个钉层，相邻钉层的木钉在竖直方向相互错开，且相邻钉层的木钉的钉入角度相反，即，一个钉层的木钉的钉入角度为45~60°，与其相邻的钉层的木钉的钉入角度则为120~135°。

优选地，一个钉层的木钉的钉入角度为60°，与其相邻的钉层的木钉的钉入角度则为120°。

优选地，正交胶合木由三层或三层以上的奇数层正交组坯而成，相邻的两层为平行层和垂直层。

优选地，平行层为奇数层，垂直层为偶数层。

优选地，层板由针叶材通过弦向锯切制得，层板的最小宽度为50mm，最小厚度为12mm。

优选地，针叶材包括杉木、杨木或松木等等。

优选地，针叶材包括单一树种或混合树种，同一层所用层板原则上为同一树种，不同树种混用时，选择材性相近的树种；材性包括气干密度、含水率、干缩度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等基础物理力学性能。

材性相近的树种，需要评价同属木材的产地、同属不同种木材的差异，是否改性、改性程度等等。

优选地，木钉为由阔叶材制得的密实化木钉；木钉是一端为圆锥体、另一端为无帽头的圆形钉；木钉的直径范围是2.5mm ~ 6.5mm，长度范围是35mm ~ 90mm。

优选地，阔叶材包括榉木、橡木或柚木等等。

优选地，钉层的厚度不小于层板宽度的2倍。

一种木钉接合的正交胶合木的制备方法，包括以下步骤：

S01，根据所需制备的正交胶合木的尺寸规格，制定层板和木钉的尺寸，钉层的厚度，层板的组坯方式以及气动钉枪的气压；

S02，制备层板，在干燥处理后，将层板沿长度方向的四个对称面平压刨光，两端垂直锯切，要求所有层板尺寸相同；

S03，调试气动钉枪，要求气动钉枪气压正好将木钉打入钉层，并确保木钉不在钉层最上端层板上突出，且木钉周围层板不会开裂；

S04，层板组坯，在水平工作台上，将上述层板接长至所需长度，重复接长步骤进行层板拼宽，将另一组接长层板与相邻组之间交错排列至所需宽度，要求交错界面与层板中心横截面平行，最后利用液压装置将层板横向压紧；

S05，层间组坯，要求平行层为奇数层，垂直层为偶数层，总层数为奇数层，依次将第一个钉层所需的层板自下而上对齐铺设，保持层板横向压紧且上下层板间紧密贴合；

S06，层间接合，用气动钉枪将木钉错开打入每个叠交单元中心线上，钉入角度为45~60°，要求钉入的叠交单元的上下左右四个叠交单元无钉，重复S04和S05，使层板厚度达到第二个钉层的深度，用气动钉枪将木钉错开打入每个叠交单元中心线上，钉入角度与第一个钉层相反，即120~135°，要求相邻的两个钉层在竖直方向只有一个钉层的叠交单元内有木钉；

S07，重复S04 ~ S06，直至所需尺寸的正交胶合木制备完成。

一种木钉接合的正交胶合木在重型木建筑大尺寸构件中的应用。

重型木建筑包括休闲会所，学校，体育馆，图书馆，展览厅，会议厅，餐厅，教堂，火车站，走道门廊，桥梁，户外景观设施，住宅等；大尺寸构件包括墙体、楼板、梁柱等。

本发明具有如下有益效果：

本发明研究了钉入角度对木钉剪切性能的影响，试验发现当木钉倾斜钉入试件时，当试件受到剪-压（CS：Compressive-shear，剪-压）复合应力试件的承载力、刚度和延性没有显著对比性，可以确定在此状态下角度对其抗剪性能的影响并不显著；当试件受到剪-拉（TS：Tensile shear，剪-拉）复合应力试件的承载力和刚度都显著提高，其中 TS45°的承载力最大为 2.45 kN，TS60°的承载力次之为 2.33 kN，两者相比，TS45° 的承载力仅比TS60°高 0.12 kN，但在刚度和延性上，TS60°分别比 TS45°高 9.70%和 7.51%。 总体评价来看，在剪-压和剪-拉两种复合应力状态下，60°为最佳钉入角度，具有较高承载力的同时，还有较高的刚度和良好的延性。

本发明的木钉与基材界面处两侧的木纤维受到明显的挤压破坏，且沿着木钉钉入路径基材颜色变深。木钉被拔出后，钉入部分表面均黏附木纤维，且不易脱落。本研究发现将木钉利用***在高压强下钉入木材，由于材料表面的高速摩擦，产生的热量能够使木钉和木材接触面的木质素和半纤维素受热软化、融合，冷却固化后可实现两者的无胶胶合，并且无胶胶合的木钉在暴露于潮湿的环境中，不会发生不可逆的弯曲变形，完全满足重型木建筑大尺寸构件连接与复杂结构设计的需要。

本发明无需利用任何胶黏剂作为胶合媒介，能够有效减少甲醛等有害气体的释放，减轻环境负担，并且加工高效、钉入构件也便于后期处理和回收利用。

附图说明

图1为现有技术中使用金属连接件的木结构建筑的生锈图；

图2为现有技术中金属连接件的热桥形成示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为本发明的层板组坯示意图；

图5为本发明的层间组坯示意图；

图6为本发明的木钉交错排列示意图；

图7为本发明的层板正交组坯方式图；

图8为本发明的实施案例（三层）最终效果图；

图9为本发明的木钉钉入不同角度的试件加载设计图；

图10为本发明的不同钉入角度各组试件的钉槽现象图；

图11为本发明的不同钉入角度各组试件的极限荷载示意图；

图12为本发明的不同钉入角度各组试件的刚度示意图；

图13为本发明的不同钉入角度各组试件的延性系数示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图3所示，一种木钉接合的正交胶合木，正交胶合木由三层或三层以上的奇数层正交组坯而成，相邻的两层为平行层1和垂直层2，每层由多个层板3纵向接长后沿横向交错界面4排列组坯而成，上下相邻两块相互垂直的层板3相交部分为一个叠交单元5，木钉6错开设置于每个叠交单元5中心线上，同一钉入水平的木钉6为一个钉层7，相邻钉层7的木钉6在竖直方向相互错开8，且相邻钉层7的木钉6在正交胶合木长度方向的钉入角度9相反。

所述的层板3由针叶材通过弦向锯切制得，如杉木、杨木、松木等速生材，且层板3无明显缺陷，其最小宽度为50mm，最小厚度为12mm。

所述的木钉6由阔叶材通过密实化处理后制得，如榉木、橡木、柚木等等，木钉6是一端为圆锥体、另一端为无帽头的圆形钉，木钉的直径范围是2.5mm ~ 6.5mm，长度范围是35mm ~ 90mm。

所述平行层1和垂直层2由多个层板3纵向接长后沿横向交错排列组坯而成，交错界面4与层板3中心横截面平行，且同一层所用层板3尺寸相同，平行层1和垂直层2正交组坯。

所述的叠交单元5是上下相邻两块层板3的相交部分，木钉6错开设置于每个叠交单元5中心，且每根嵌入的木钉6至少与1个叠交单元5相交。

所述的钉层7由同一钉入水平的木钉6组成，且所述正交胶合木至少包含两个钉层7，要求上下两个钉层7的木钉6错开设置，保证相邻钉层7的木钉6在正交胶合木长度方向的钉入角度9相反，钉入角度9为60°，钉层7的厚度不小于层板3宽度的2倍。

一种木钉接合的正交胶合木的制备方法，包括以下步骤：

S01，根据所需制备的正交胶合木的尺寸规格，制定实施方案，包括材料（层板3和木钉6）的尺寸，钉层7的厚度，层板3的组坯方式以及气动钉枪的气压等等；

S02，制备所述层板，要求在干燥处理后，将层板3沿长度方向的四个对称面平压刨光，两端垂直锯切，要求所有层板3尺寸相同；

S03，调试气动钉枪，要求钉枪气压正好能将木钉6打入钉层7，并确保木钉6不在钉层7最上端层板3上突出，且木钉6周围层板3不会开裂；

S04，如图4所示，层板组坯，在水平工作台上将上述层板3接长至所需长度，重复接长步骤进行层板3拼宽，将另一组接长层板3与相邻组之间交错排列至所需宽度，要求交错界面4与层板3中心横截面平行，层板3接头和侧边无需胶接或榫接，最后利用液压装置将层板3横向压紧；

S05，如图5、图7所示，层间组坯，要求平行层1为奇数层，垂直层2为偶数层，总层数为奇数层，依次将第一个钉层7所需的层板3自下而上对齐铺设，保持层板3横向压紧且上下层板3间紧密贴合；

S06，如图6所示，层间接合，用气动钉枪将木钉6错开打入每个叠交单元5中心线上，钉入角度9为60°，要求钉入的叠交单元5上下左右四个叠交单元5无钉，重复步骤S04和S05，使层板3厚度达到第二个钉层7的深度，用气动钉枪将木钉6错开打入每个叠交单元中心线上，钉入角度9与第一个钉层7相反，即120°，要求相邻的两个钉层7在竖直方向只有一个钉层7的叠交单元5内有钉；

S07，如图8所示，重复步骤S04 ~ S06，直至所需尺寸的正交胶合木制备完成。

本发明进一步研究了钉入角度对木钉剪切性能的影响，由表1和图11~13可知，试验发现当木钉倾斜钉入试件时，当试件受到剪-压（CS：Compressive-shear，剪-压）复合应力试件的承载力、刚度和延性没有显著对比性，可以确定在此状态下角度对其抗剪性能的影响并不显著；当试件受到剪-拉（TS：Tensile shear，剪-拉）复合应力试件的承载力和刚度都显著提高，其中 TS45°的承载力最大为 2.45 kN，TS60°的承载力次之为 2.33 kN，两者相比，TS45° 的承载力仅比 TS60°高 0.12 kN，但在刚度和延性上，TS60°分别比 TS45°高 9.70%和 7.51%。 总体评价来看，在剪-压和剪-拉两种复合应力状态下，60°为最佳钉入角度，具有较高承载力的同时，还有较高的刚度和良好的延性。

表1不同钉入角度对剪切性能的影响

不同钉入角度试件加载破坏后的木钉及钉槽见图9~图10，从图中可以看到木钉与基材界面处两侧的木纤维受到明显的挤压破坏，且沿着木钉钉入路径基材颜色变深。木钉被拔出后，钉入部分表面均黏附木纤维，且不易脱落。研究发现将木钉利用***在高压强下钉入木材，由于材料表面的高速摩擦，产生的热量能够使木钉和木材接触面的木质素和半纤维素受热软化、融合，冷却固化后可实现两者的无胶胶合。并且无胶胶合的木钉在暴露于潮湿的环境中，不会发生不可逆的弯曲变形，完全满足重型木建筑大尺寸构件连接与复杂结构设计的需要。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于：一个钉层7的木钉6的钉入角度9为45°，与其相邻的钉层7的木钉6的钉入角度9为135°。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种木钉接合的正交胶合木的制备方法，其特征在于：包括正交胶合木，正交胶合木的每层均由多个层板（3）组坯而成；上下相邻两块相互垂直的层板（3）相交部分为一个叠交单元（5），木钉（6）错开设置，钉入点位于叠交单元（5）中心线上，同一钉入水平的木钉（6）为一个钉层（7），相邻钉层（7）的木钉（6）在竖直方向相互错开，且相邻钉层（7）的木钉（6）的钉入角度（9）相反，即，一个钉层（7）的木钉（6）的钉入角度（9）为45~60°，与其相邻的钉层（7）的木钉（6）的钉入角度（9）则为120~135°；

包括以下步骤：

S01，根据所需制备的正交胶合木的尺寸规格，制定层板（3）和木钉（6）的尺寸，钉层（7）的厚度，层板（3）的组坯方式以及气动钉枪的气压；

S02，制备层板（3），在干燥处理后，将层板（3）沿长度方向的四个对称面平压刨光，两端垂直锯切，要求所有层板（3）尺寸相同；

S03，调试气动钉枪，要求气动钉枪气压正好将木钉（6）打入钉层（7），并确保木钉（6）不在钉层（7）最上端层板（3）上突出，且木钉（6）周围层板（3）不会开裂；

S04，层板组坯，在水平工作台上，将上述层板（3）接长至所需长度，重复接长步骤进行层板（3）拼宽，将另一组接长层板（3）与相邻组之间交错排列至所需宽度，要求交错界面（4）与层板（3）中心横截面平行，最后利用液压装置将层板（3）横向压紧；

S05，层间组坯，要求平行层（1）所在的层数为奇数层，垂直层（2）所在的层数为偶数层，总层数为奇数个，依次将第一个钉层（7）所需的层板（3）自下而上对齐铺设，保持层板（3）横向压紧且上下层板间紧密贴合；

S06，层间接合，用气动钉枪将木钉（6）错开打入每个叠交单元（5）中心线上，钉入角度（9）为45~60°，要求钉入的叠交单元（5）的上下左右四个叠交单元（5）无钉，重复S04和S05，使层板（3）厚度达到第二个钉层（7）的深度，用气动钉枪将木钉（6）错开打入每个叠交单元（5）中心线上，钉入角度（9）与第一个钉层（7）相反，即120~135°，要求相邻的两个钉层（7）在竖直方向只有一个钉层（7）的叠交单元（5）内有木钉（6）；

S07，重复S04 ~ S06，直至所需尺寸的正交胶合木制备完成。

2.根据权利要求1所述的一种木钉接合的正交胶合木的制备方法，其特征在于：一个钉层（7）的木钉（6）的钉入角度（9）为60°，与其相邻的钉层（7）的木钉（6）的钉入角度（9）则为120°。

3.根据权利要求1所述的一种木钉接合的正交胶合木的制备方法，其特征在于：正交胶合木由三层或三层以上的奇数层正交组坯而成，相邻的两层为平行层（1）和垂直层（2）。

4.根据权利要求1所述的一种木钉接合的正交胶合木的制备方法，其特征在于：层板（3）由针叶材通过弦向锯切制得，层板（3）的最小宽度为50mm，最小厚度为12mm。

5.根据权利要求4所述的一种木钉接合的正交胶合木的制备方法，其特征在于：所述针叶材包括单一树种或混合树种，同一层所用层板（3）为同一树种，不同树种混用时，选择材性相近的树种；材性包括气干密度、含水率、干缩度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度。

6.根据权利要求1所述的一种木钉接合的正交胶合木的制备方法，其特征在于：木钉（6）为由阔叶材制得的密实化木钉；木钉（6）是一端为圆锥体、另一端为无帽头的圆形钉；木钉（6）的直径范围是2.5mm ~ 6.5mm，长度范围是35mm ~ 90mm。

7.根据权利要求6所述的一种木钉接合的正交胶合木的制备方法，其特征在于：阔叶材包括榉木、橡木或柚木。

8.根据权利要求1所述的一种木钉接合的正交胶合木的制备方法，其特征在于：钉层（7）的厚度不小于层板（3）宽度的2倍。

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