木材材料力学性能试验研究.docx
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木材材料力学性能试验研究
易饰工程木（ESWood）强度设计值及可靠度分析
（物理力学性能试验研究）
1.引言
（1）我国森林资源相对匮乏，随着中国天然林资源保护工程的推进，天然木材作为结构用材在相当长的时间里处于供不应求的状态。
虽然国家采取一系列措施鼓励木材进口，但也面临进口价格过高、木材输出国限制天然林原木出口等问题[1]。
基于此，利用人工林开发新型结构材料可在一定程度上解决结构材供给不足的问题。
（2）随着国民经济发展，木材需求量逐年增加，导致木材供需矛盾加剧，目前，木材资源短缺已成为制约我国木材工业进一步发展的瓶颈。
利用我国资源的优势，不断进行创新探索，开发新型结构材料可在一定程度上缓解木材供需矛盾[2]。
（3）高强度等级的结构用工程木的制造需要使用优质高强的木材。
但我国木材资源匮乏，供需矛盾突出，优质大径级木材资源严重短缺，开发利用速生人工林能够在一定程度上缓解优质木材缺乏的问题[3]。
通过木材功能性改良和材料复合技术提高木材的性能，实现速生人工林木材的性能优化，对推动桉木在木结构中的应用具有重要意义。
（4）随着现代木结构建筑在我国的快速发展，大量的现代结构用木质产品被应用于工程之中，但由于我国木结构产业链尚不完善，目前木结构中涉及到的现代木结构用木质产品大多从国外进口。
对于进口的现代结构用木质产品，GB50005-201X《木结构设计规范》报批稿中采用国外提供的原始数据按照我国可靠度要求进行分析，来确定其强度设计值。
对于国内现代结构用木质产品，由于前期缺乏足够的经验积累，目前仍是参照普通木结构的取值方法来确定其强度设计值。
桉树的基本特性
桉树具有速生高产、适应性广、抗性强、耐干旱瘠薄、容易种植、萌芽力强等特点，被联合国粮农组织推荐为三大速生造林树种之一。
桉树用途广泛，不但是优良的纸浆材，还是用材林树种，产品广泛用于人造板、矿柱、建筑、家具等，并且是优良的生物质能源树种。
另外，桉树的林副产品有桉叶油、桉花蜂蜜、栲胶等。
桉树人工林生态效益显著，在南方绿化荒山、减少水土流失方面做出了巨大贡献，桉树人工林平均每年可以减少土壤侵蚀4.48t/hm2。
另外，桉树人工林固碳放氧功能尤为突出，桉树的年生长量和碳吸收能力是马尾松的4.07倍、杉木的3.20倍、栎类的1.59倍、木荷的2.90倍、枫香的4.14倍。
除此之外，桉树还可用于城市园林、沿海农田、道路等防护和建设，也可利用桉树抗干旱、抗风、耐贫瘠、抗病虫害等生物学特性，可快速有效地进行一些工矿区植被恢复。
桉树自1890年引入我国以来，种植面积不断增长。
我国桉树主要产区是广东、广西、海南、云南、福建、四川和重庆等省区。
我国桉树人工林占人工林面积的5%，占现有森林面积的1.27%，提供年产约2000多万m3木材，直接木材产值超过1000亿，以加工为高附加值的人造板、纸浆来说，其产值为3倍以上，达到3000亿元以上。
目前，世界人工桉树林中低龄材占较大比例，由于桉树本身生长特性，其木材存在高生长应力、脆心、干燥困难、容易翘曲等缺陷，故20世纪60年代以来，大部分桉树都用于木片和纸浆生产，巴西等国家也利用桉树作为原料生产的硬质纤维板、刨花板等板材,而大量利用速生桉树人工林生产单板和锯材只是在近十几年才得到迅速发展。
为提高桉树的利用价值，国外许多机构开展了相应研究，随着树木材性改良技术、锯解技术和干燥技术的发展[5]，低龄桉树展现出其作为实体木材加工利用的巨大潜力和价值。
我国自引进桉树以来，人工林面积不断增加，但在桉树木材加工利用方面一直处于落后水平。
因此，研究桉树木材加工利用的成熟技术和经验，以提高我国桉树木材的利用水平，有利于我国人工林资源的合理整合利用，促进国内木材加工工业的可持续发展。
深圳嘉汉林业科技有限公司生产的易饰工程木（ESWood）便是以桉木为基材，采用平行木片胶合工艺制造的新型复合材，其加工工艺解决了桉树木材干燥、锯解、胶合困难等问题，使木材性能得到改善。
本文对易饰工程木（ESWood）的物理力学性能进行了试验研究，并通过可靠度分析，确定了材料的强度设计值，为易饰工程木（ESWood）在木结构建筑中的应用及设计提供数据支撑和理论依据，对推动现代木结构的发展具有重要的现实意义。
2.试验概况
2.1试验材料
试验材料采用深圳嘉汉林业科技有限公司生产的易饰工程木（ESWood）。
ESWood是一种以人工林速生桉木为原料，由厚度3mm左右的薄木片顺木纹多层平行施胶层叠，再用胶热压而成的一种工程木，其制造工艺与旋切板胶合木（LaminatedVeneerLumber，LVL）类似，但木片按一定方向组合进行铺装胶合，其加工主要步骤为：
原木旋切单板—单板干燥—单板裁条—单板条施胶干燥—单板条铺装组坯—热压成型—堆垛养生—锯切刨光—二次冷压胶合成木结构部件规格料。
2.2试验方法
为研究ESWood材料的物理力学性能，按照相应规范进行试验研究，内容包括：
顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、横纹抗拉强度、横纹抗压强度、抗弯强度、顺纹抗剪强度、顺纹抗压弹性模量、横纹抗压弹性模量、顺纹销槽承压强度、横纹销槽承压强度、密度、含水率。
试件的规格及试验参照标准如表1所示，试件分为12组，共960个。
ESWood复合木为桉木重组材，其顺纹、横纹方向定义与天然木材略有不同。
定义沿旋切单板条长度方向为顺纹方向，与旋切单板条长度方向垂直为横纹方向，如图1（a）、1（b）所示。
ESWood复合木胶合过程中，单板条铺装组胚会在试件中形成明显的胶结界面，定义此胶结界面为胶结层。
在横纹抗压强度、横纹抗拉强度、横纹销槽承压强度、顺纹销槽承压强度的试验中，荷载作用方向与胶结层相对位置将存在两种关系：
荷载作用方向垂直于胶结层、荷载作用方向平行于胶结层，如图1（c）、1（d）所示。
表1试件规格及参照标准
组号
试验项目
数量（个）
尺寸（mm）
参照标准
1
顺纹抗压强度
60
GB/T1935
2
顺纹抗拉强度
60
GB/T1938
3
顺纹抗压弹性模量
60
GB/T15777
4
顺纹抗剪强度
60
GB/T1937
5
顺纹销槽承压强度
120
ASTMD5764
6
横纹抗压强度
120
GB/T1939
7
横纹抗拉强度
120
ASTMD143
8
横纹抗压弹性模量
120
GB/T1943
9
横纹销槽承压强度
120
ASTMD5764
10
抗弯强度
60
GB/T1936
11
密度
20
GB/T1933
12
含水率
40
GB/T1931
（a）顺纹方向
（b）横纹方向
（c）I荷载平行于胶结层
（d）II荷载垂直于胶结层
图1ESWood小清样试件
3.试验结果与分析
3.1破坏模式
图2列出了顺纹抗压、顺纹抗拉、顺纹抗剪、抗弯、横纹抗拉、顺纹销槽承压、横纹销
槽承压试件的破坏形态。
顺纹抗压试验时，在弹性变形阶段，随荷载增加试件变形均匀增加，进入塑形变形阶段后，试件变形增大，加载至抗压强度后，竖向纤维出现褶皱，部分出现纤维外突，最终形成褶皱破坏，试件被压溃，如图2（a）。
顺纹抗拉试验初期，木材有细微劈裂响声，加载至抗拉强度后，试件有效部分中央的纵向纤维被拉断，试件发生脆性破坏，断裂口层次不齐且均在试件有效区域，如图2（b）。
顺纹抗剪试件随着荷载的增加，受剪面的纤维发生错断，试件沿受剪面发生滑移，直至沿受剪面完全脱离，试件破坏，如图2（c）。
抗弯试件随着荷载的增加，试件底部纤维逐渐被拉断，并发出轻微响声，加载至最大荷载后，存在两种破坏形态：
一是底部断裂纤维沿胶结面向侧面延伸，形成木片层间劈裂，如图2（e）所示；二是底部断裂纤维沿截面向上延伸，木片断裂，如图2（f）所示。
木材横纹抗压强度为横纹抗压比例极限应力，横纹抗压试件只加载至比例极限，仍处于弹性阶段，试件未发生明显破坏。
横纹抗拉试验初期，木材有细微劈裂响声，表面出现裂缝，随荷载进一步增大，木材在有效区域断裂，部分试件断口偏上，有些偏下，相对顺纹抗拉试件，断口较为平齐，如图2（d）。
对于顺纹和横纹抗压弹性模量试验，试件均在弹性变形阶段中的上下限之间反复加载，试件均未发生破坏。
顺纹销槽承压试件在达到极限荷载后，试件销槽底部出现裂纹，并沿顺纹向下扩展，形成劈裂裂缝，试件破坏，且销槽底部纤维被压溃，存在局部承压破坏，如图2（g）。
横纹销槽承压试件随着荷载的增加，与销槽高度平齐的侧面，出现横向裂纹，承压区域局部挤压，如图2（h）；继续加载，由于胶结层的存在，出现两种破坏形态：
一是试件下部沿胶结面挤出，出现竖向裂纹，与上部裂纹贯通，试件破坏，如图2（i）；二是试件沿胶结层出现竖向裂缝，试件下部沿胶结面挤出，试件破坏，如图2（j）。
（a）顺纹抗压
（b）顺纹抗拉
（c）顺纹抗剪
（d）横纹抗拉
（e）抗弯试件I
（f）抗弯试件II
（g）顺纹销槽承压
（h）局部承压
（i）横纹销槽承压I
（j）横纹销槽承压II
图2试件破坏形态
3.2数据统计
依据GB/T1928—2009《木材物理力学试验方法总则》及GB/T50329—2012《木结构
试验方法标准》对试验结果进行处理。
含水率对木材强度试验值的影响较为显著，在由试验值推算材料强度设计值过程中，应事先确定其对应的含水率基准点。
我国GB50005-2003《木结构设计规范》中关于木材强度设计值的含水率基准点为12%，因此参照相应标准将试验值调整至12%含水率对应下的强度值，试验统计结果见表2。
（1）
（2）
（3）
（4）
其中
为算术平均值，s为标准差，v为变异系数。
表2ESWood复合木材料试验值统计
性能指标
平均含水率（%）
含水率调整前
含水率调整后（12%）
平均值
标准差
变异系数
（%）
平均值
标准差
变异系数
（%）
气干密度/（g﹒cm-3）
12.06
0.868
0.08
9.22
0.864
0.08
9.26
顺纹抗拉强度/MPa
12.68
111.13
27.48
24.73
112.29
27.86
24.81
顺纹抗压强度/MPa
11.58
68.63
6.52
9.50
67.18
6.38
9.50
顺纹抗剪强度/MPa
12.10
11.76
1.76
14.97
11.83
2.03
17.16
抗弯强度/MPa
12.27
110.20
11.44
10.38
111.34
11.19
10.05
横纹抗压强度I/MPa
10.87
5.02
1.13
22.51
4.77
1.09
22.85
横纹抗压强度II/MPa
10.32
3.94
0.81
20.56
3.68
0.75
20.38
横纹抗拉强度I/MPa
10.50
2.34
0.51
21.79
—
—
—
横纹抗拉强度II/MPa
10.30
3.00
0.68
22.67
—
—
—
顺纹抗压弹性模量/MPa
11.38
16595
1445.92
8.71
16472
1436.77
8.72
横纹抗压弹性模量I/MPa
11.71
858
142.33
16.59
843
138.70
16.45
横纹抗压弹性模量II/MPa
11.09
560
123.14
21.99
532
118.16
22.21
顺纹销槽承压强度I/MPa
10.83
56.3
6.23
11.07
—
—
—
顺纹销槽承压强度II/MPa
12.00
53.2
6.13
11.52
—
—
—
横纹销槽承压强度I/MPa
11.56
27.38
2.35
8.58
—
—
—
横纹销槽承压强度II/MPa
11.60
29.40
1.81
6.16
—
—
—
注：
表中横纹抗拉强度、顺纹销槽承压强度、横纹销槽承压强度试验依据ASTMD143、ASTMD5764进行，规范中无含水率调整公式，故未给出含水率调整后的强度统计值。
由试件破坏模式和材料试验值统计可知，ESWood复合木密度较大，12%含水率时气干密度为0.864g/cm3。
ESWood复合木为深度复合工程木产品，正常使用情况下，不会存在较大的干缩开裂。
ESWood复合木以宽30mm厚2mm薄木片为基材，通过结构胶黏剂形成板材，板材再胶粘为复合木材，材料破坏主要是沿胶缝的木材撕裂破坏。
横纹抗拉清样小试件加工时易出现边沿破损，导致胶粘处出现局部撕裂，因此ESWood复合木横纹抗拉强度值偏小。
横纹抗压弹性模量试件I的弹性模量为858Mpa，试件II的横纹抗压弹性模量为560Mpa，相对偏差为34.7%，胶结层方向对横纹抗压弹性模量的影响较大。
顺纹销槽承压两种试件I、II的强度值分别为56.3Mpa、53.2Mpa，相对偏差为5.5%，横纹销槽承压两种试件I、II的强度值分别为27.38Mpa、29.40Mpa，相对偏差为6.8%，胶结层方向对销槽承压强度的影响较小。
4.可靠度分析
我国木结构采用基于可靠度的极限状态设计法，要求对木结构进行可靠度分析，按GB50153-2008《工程结构可靠性设计统一标准》和GB50068-2001《建筑结构可靠度设计统一标准》的规定确定木材的强度设计值[4]。
本文以抗弯强度为例，确定ESWood材料的强度设计值。
4.1抗弯强度的概率分布及标准值
对于结构用木材，通常采用正态分布（Normal）、对数正态分布（Lognormal）、两参数威布尔分布（2-P-Weibull）对强度概率分布进行拟合，并结合最小二乘法确定不同概率分布中的待定系数[5]。
采用不同分布拟合的抗弯强度概率分布的结果如图3所示。
从图中可以看出，采用两参数威布尔分布拟合的结果与实测数据偏差较大，正态分布、对数正态分布拟合的结果与实测数据更为接近。
三种不同分布类型拟合的概率分布的统计参数如表3所示。
K-S（Kolmogorov-Smirnov）检验可以被用来对分布曲线进行拟合优度检验，检验公式如下：
（5）
式中：
和是
分别为累计分布概率的实测值和理论值；D为实测值与理论值之差的最大绝对值。
在0.05显著水平下，当样本数n>50时，
。
若
，则实测值数据与指定分布无显著差异；若
，则实测值数据与指定分布差异显著。
表3抗弯强度概率分布拟合统计参数
概率分布
平均值/Mpa
标准差/Mpa
变异系数/%
Normal
111.343
11.280
10.13
Lognormal
111.358
11.422
10.26
2-P-Weibull
111.064
12.525
11.28
图3抗弯强度概率分布曲线拟合结果
K-S检验的结果见表4，不同的测试样本数对应不同的临界D值，对于抗弯强度试验，在0.05显著水平上的临界值D0.05=0.176。
正态分布、对数正态分布拟合的D值均小于在0.05显著水平的临界值D0.05，说明正态分布和对数正态分布均能拟合测试数据。
正态分布拟合的D值小于对数正态分布的D值，说明正态分布能更好地拟合ESWood抗弯强度测试数据。
抗弯强度的标准值是反映材料自身特性的一个强度指标，根据GB50068-2001《建筑结构可靠度设计统一标准》，材料强度的标准值取概率分布的0.05分位值。
为更安全地评估强度指标，比较不同分布的强度特征值，分别根据正态分布和对数正态分布计算了ESWood抗弯强度的标准值，见表4。
根据正态分布计算的标准值小于由对数正态分布得到的标准值，考虑到材料在实际工程中的使用安全，且正态分布对实测数据的拟合程度更高，故采用根据正态分布得到的标准值用于抗弯强度设计值的研究。
表4抗弯强度概率分布K-S检验及标准值
概率分布
K-S检验
标准值/Mpa
Normal
0.067
92.93
Lognormal
0.084
93.94
临界D0.05
0.176
——
4.2可靠度分析参数确定
对于结构用木材，通常采用正态分布
5.试验结果分析
5.1ESWood与SPF/LVL胶合木之间的性能对比
5.2胶结层对力学性能的影响
5.3电镜试验破坏机理分析
5.4尺寸效应
5.5强度设计值的确定及可靠度分析
6.参考文献
[1]刘能文，谢满华.中国木材进口结构分析与建议[J].林产工业，2016，43（9）：
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[2]李霞镇，钟永，任海青，等.毛竹基重组竹力学性能研究[J].木材加工机械，2016（4）：
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[3]田昭鹏，王朝晖，张忠利，等.结构用竹木复合层积材的制备及其力学性能评价[J].安徽农业大学学报，2017，44（3）：
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[4]祝恩淳，牛爽，乔梁，等.木结构可靠度分析及木材强度设计值的确定方法[J].建筑结构学报，2017，38
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[5]钟永，任海青，武国芳，等.兴安落叶松规格材抗弯强度设计值的研究[J].木材工业，2017（4）：
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