结构用指接材的研究现状_贾晓娟.pdf

China Forest Products Industry林产工业，2023，60（04）：33-37结构用指接材的研究现状贾晓娟 黄素涌*王建和 龚 蒙 （西南林业大学，云南 昆明 650224）摘要：通过对建筑材料结构用指接技术的研究，介绍了指接技术概念，概括了木材结构用指接材齿榫几何参数、指接形式、指榫嵌合齿类型、以及胶黏剂的选择、施胶情况、层间接头距离研究与发展现状，拓宽了指接用木材的适用范围，讨论了指接用木材的适用性，此指接材相关适用性内容包括：胶接性能好坏、木材本身强度对指接部位强度影响、胶层厚度对指接材强度影响、层间接头距离对整体指接构件影响，并探讨了结构用指接材今后可能的研发趋势。关键词：结构用指接材；指榫参数；胶黏剂；胶接性能；层间接头距离中图分类号：TS653 文献标识码：A 文章编号：1001-5299（2023）04-0033-05DOI:10.19531/j.issn1001-5299.202304006Research Status of Finger Joints for Structural UseJIA Xiao-juan HUANG Su-yong WANG Jian-he GONG Meng(Southwest Forestry University,Kunming 650224,Yunnan,P.R.China)Abstract:The concept of finger jointing technology was introduced through the study of finger jointing technology for building material structure,the geometric parameters of the finger jointing material for wood structure,the finger jointing form,the type of finger mortise and tenon chimeric teeth,as well as the selection of adhesive,the sizing situation,the research and development status of the layer indirect head distance were summarized,the scope of the finger joint wood application was broadened,and the applicability of the finger joint wood was discussed,and the relevant applicability of the finger joint material includes:the quality of the gluing performance,the strength of the wood itself on the strength of the finger joint,the influence of the thickness of the rubber layer on the strength of the finger joint,the influence of layer indirect head distance on the overall finger joint member were discussed,and the possible future research and development trend of structural finger joint material were discussed.Key words:Finger joints for structural use;Tenon parameters;Adhesives;Bonding performance;Layer indirect head distance运用指接技术对材料进行纵向接长和横向拼宽，常用于制作胶合木1，相较于原木，胶合木力学性能可靠、尺寸稳定性好，可以实现木材的有效利用，使一些无法成为大型建筑材料的小径级原木有了用武之处。将小径级原木制作的指接集成材用于建筑材料中，可显著提高木材资源利用率和附加值。指接技术的发展增加了木材制品的产量并提高了其质量，既有经济效益又有社会效益2-3。1 指接的含义指接是将原料去除结子、裂纹等缺陷后的木材端部，加工成相同齿形状和断面的斜锥状指形榫，经过施胶、对接的一种木材接长或拼宽的方法。对木材进行指接，有纵向接长和横向拼宽两个方向，以实现短料长用、小材大用，不但可增加几何尺寸，还可避免影响木材力学性能的天然缺陷（即去除大部分缺陷，使木材上存在的缺陷在允许范围内）4。通常根据要求的指接性能、指接加工的应用部位、指接加工的精确度选择需要的拼接形式。主要分为纵向接长和横向拼宽两种方式。纵向接长是指接材有效且常用的拼接方式，按照对木材毛料进行干燥、横截、四面刨、改料、精截、铣齿、基金项目：云南省科技计划项目（2017YB236）；云南省新型生物质预制建材研发创新团队作者简介：贾晓娟，女，研究方向为木结构建筑材料E-mail:*通讯作者：黄素涌，女，副教授，研究方向为木结构建筑和民族家具E-mail:收稿日期：2022-09-05林 产 工 业34第60卷涂胶、指接的工艺步骤，对原料进行接长达到要求的长度，同时去除节疤、蓝变等缺陷，规避缺陷处的应力集中，提高材料力学性能。横向拼宽在建筑材料上的应用主要体现在正交胶合木中间横向层的铺设，是对小径级木材的利用，使间伐小径材得到高附加值的利用，可作为室内、非结构材构件的材料，缓解木材资源短缺5。1.1 对指榫几何参数的研究指榫几何参数有齿长、齿距、齿顶宽、斜角和宽距比，如图1所示。齿轮廓参数对指接材性能的影响重要程度最大，不同影响因素之间存在交互作用，使齿形对指接强度的影响复杂化。加拿大工程木制品行业常使用2229 mm的齿长，减少齿长可节省大量优质木材和胶黏剂。与木材行业常用的齿长相比，通过适当的齿长设计，具有短齿长的指接可以用于制造指接结构木材，而不会损失任何抗拉强度6。随着齿长的减小，短齿的端压应小于 6 MPa7。Rao等7通过指榫的几何参数对指接板单指极限抗拉强度（UTS）的影响研究表明：UTS随着齿斜角的减小而增加，随着齿顶宽的增加而减小，研究了结构指接木材采用短齿的可行性。在长齿的研究方面，不同齿榫形状对指榫胶接力学性能影响规律的研究表明，各齿形的指接强度随齿长的增加而增大。杨树和冷杉的指长和斜率与抗弯强度及模量的关系研究表明8，齿长对静态弯曲强度有很大影响，在一定范围内，齿长越长，抵抗断裂能力和抵抗过度变形的能力越大9，但弹性模量不受指长的影响，指榫几何形状对指接材的整体弹性模量无直接影响，对指接材的抗弯强度有显著影响10。Ayarkwa等10指出，在不同应用情况中，合适的齿长可获得最大的指接强度有效率。1.2 不同指接形式的研究1.2.1 水平指接形式及垂直指接形式根据不同的可见面，指接分为水平指接形式（也称为H型）和垂直指接形式（也称为V型）两种类型，如图2 所示。这两种指接方式从外型上很好区分，在加工工艺上也存在不同之处。指接部分的使用部位、指接所需的力学性能、榫的加工精度、材料的切削余量、安全性、生产性、经济性等，是选择垂直型或水平型的主要依据，并在此基础上综合判断决定。图2a的齿形在宽面可见，工件加工时在木材的宽面进行铣齿，这种接法既可保证足够的指榫数量，也可保证材料强度。图2b从齿形厚度面可见，加工时，对木材厚度面进行铣齿，这种接法在家具等非结构材料中较为常见，虽然美观但材料强度较低11。在加工工艺上也有所区别，铣垂直型齿时，应将宽度面朝向铣刀，厚度面放在工作台上；铣水平型齿时则恰好相反，应将厚度面朝向铣刀，而宽度面放在工作台上。1.2.2 不同指接形式不同受力部位对力学性能的影响指接材在受压和受弯矩作用时，水平型和垂直型指接材分别在不同的受力位置呈现出了不同形变形式，因其承受压力和弯曲的作用面不同，对指接材力学性能方面影响各不相同，指接材受力后破坏情况也不相同。Biblis等12认为，对强度影响显著的因素是木材受压面，在水平指接时，木材宽度方向上的2个边缘处的齿承载了大部分作用力。两种指接方式所制作的指接材都能达到结构用材的力学标准，但在指接材受压时，水平型指接材主要由上、下两个表面的位置分别承受 图1 指接齿形参数示意图Fig.1 Schematic diagram of finger gear profile parameters 图2 两种指榫形式示意图Fig.2 Schematic diagram of two types of finger tenona.V型b.H型贾晓娟，等：结构用指接材的研究现状35第4期了拉、压形变；当表面受到破坏时，很容易使整张板变得脆弱。而垂直型指接材在受压时，所有指齿共同承载压力，因此垂直型指接材的力学性能表现更优13。当受外荷载产生的弯矩作用时，指接接口抵抗弯曲能力取决于最外层或所有指榫的性能，在水平指接中，最外层指榫胶合性能决定着水平指接接口的抗弯和抗拉性能。而在垂直指接中，是所有指榫胶合性能决定着指接接口的抗弯和抗拉性能14。垂直型指接材的抗弯强度略高于水平型。当截面尺寸较小时，用侧向载荷方法（即侧向力）测量的弯曲强度和弹性系数更容易受到指接齿形的影响15。1.2.3 不同指接形式胶合后形成的胶线对力学性能的影响在接长时，作用在指接件末端的纵向压力为末端压力，其主要作用是使两指触面相互挤压16，使胶黏剂均匀分布，产生较佳的粘合线厚度。末端压力过大会降低粘合强度，末端压力过小则会导致较厚的粘合线，因其固化收缩而导致粘合层的应力集中。因此，适当增加末端压力会使指榫连接更加紧密。在接触面形成薄而连续的胶膜，从试件的厚度或宽度方向观察即可看到挤出的胶线3，进而可研究水平型和垂直型在施加端压时，试件两个不同方向产生的胶线情况对相应构件力学性能的影响17。有研究指出，V型和H型指榫接头的区别在于出现的直线胶缝长度，胶缝越长，开裂失效可能性越大。同时，产生曲线型胶缝的构件，其力学性能远优于产生直线型胶缝的构件18。1.2.4 斜指接形式为减少胶层厚度、提高胶合质量，有研究者在与木材宽边角度为45方向上进行铣齿。刘艳19指出，可通过斜接来改善指接材的力学性能，斜指接及适当增加嵌合度，指接材的强度性能将得到一定提高。Habipi 等8先进行倾斜截头，再铣出10、20和30各指尖位置不同的指接材，当齿长不变时，10的指接材表现出最佳性能，且弹性模量既不受指尖位置倾角的影响，也不受齿长影响。因此，倾斜指接能够改善指接材的力学性能，甚至不需要施加侧压就可获得较高的指接强度。然而，倾斜铣齿的加工难度较大，暂未在实际生产中大规模应用。1.3 指榫嵌合齿类型的研究如图3 所示，指榫的嵌合齿类型包括羽型、嵌入型、翼型三种。除榫肩外，齿形参数完全相同。翼型和嵌入型的外形特征是两侧存在榫肩，外表美观，常用于家具、地板等非结构材的指接12。Bustos等20研究了3种接合方式的力学性能，结果表明：羽型接合的强度最高，嵌入型次之，翼型最低。羽型接合符合木结构建筑用材料的要求。图3 指榫结合方式的应用Fig.3 Application of finger tenon joint2 胶黏剂选用及施胶情况2.1 木材密度对胶接性能的影响木材密度影响胶黏剂在木材中的渗透性。阔叶材的密度较高，当木材密度低于700 kg/m3时，其对力学性能的影响是可预测的10。针叶材的密度较低且孔隙度高，树脂的渗透性较好，因而木材与胶黏剂之间的粘结越紧密，胶合质量更高9。2.2 胶黏剂对胶接性能的影响指接材胶黏剂一般选用间苯二酚PRF、聚合物异氰酸酯胶黏剂API、单组分聚氨酯PUR等结构用胶。任晓峰21的研究表明：PRF胶合性能优于API。周先雁22在制备落叶松胶合木的研究中发现，间苯二酚胶的胶合性能优于聚合物异氰酸酯胶黏剂。对于高含水率木材胶合的研究，需利用木材中的水分与胶黏剂产生交联反应。Lange23将PUR用作生材指接用胶，证明PUR指接材强度满足结构用材要求。那斌24进一步确定并拓宽了聚氨酯在集成材制造中的应用。然而，PUR胶层厚度不宜过厚，其耐久性和脆性林 产 工 业36第60卷问题也比较突出23。如图4 所示，在木材细胞腔中，PUR产生的胶合界面厚度大于PRF，可见PRF渗透性好，在不同环境条件下如常温浸泡、蒸煮、加压、减压，集成材力学性能的差异较小，其剥离性能差异较大的主要原因是PUR粘合层脆弱，PRF渗透性好，PRF的剥离性能和抗剪性能略优于PUR25-26。2.3 施胶情况对胶接性能的影响施胶状况直接影响着胶合的质量。胶接性能与接触面的粗糙程度、胶黏剂良好的渗透程度、施胶并加压后胶层的厚度、指接效率对胶合质量的好坏都有着重要的影响。使用Veeco 3D测量粗糙度的平均值（Sa）和均方根梯度（Sdq），该方法验证了表面粗糙度在决定木材的粘接质量方面起着重要作用，并且提出不同的材料特性（如密度）和加工参数（如刀具的磨损时间）可能会导致不同程度的粗糙度进而影响胶合质量，随磨损时间的增加，试样的Sa值明显增加。因此，Sa值可作为评估木材加工后表面粗糙度的主要指标27。从界面胶合理论可看出，胶合是通过将胶钉渗入木材表面开放的管孔中来实现的。影响胶合强度的因素是胶黏剂的渗透性28。木材胶合界面层细胞的孔壁中应浸润胶黏剂，并挤出微孔内的空气，以防木材细胞的孔隙中被胶渗入，固化后形成镶嵌及啮合，便能得到较好的胶合质量29。有研究表明，在不产生缺胶的情况下，胶的厚度应薄且均匀便能得到较高胶合强度（胶层厚度范围在2050 m），胶层厚度越小胶合强度越高30。工程木制品中指接效率是产品性能的关键，指接效率又与胶合情况有紧密的关系。因此，有研究人员通过扫描电镜来观察端部压力对试样水平指接性能的影响。如图5 所示，使用异氰酸酯型胶黏剂粘合的羽型接头，随着端部压力的增加，细胞深度损伤增加，且在胶合线内形成的气泡减少，使指接材抗拉强度升高。3 层间接头距离对指接材性能的影响胶合木制品的工艺流程包括分级、接长、组装、层压和胶合等。在层压过程中，层内接缝之间的距离极大地影响指接材料的性能。由于指接部位被认为是一个不连续的点，因此可调整各层指接位置，防止指接位置过于集中造成构件应力过度集中。在层压过程中，影响集成材抗弯强度的重要因素是层间指接的分布。在弯曲强度试验中，指接处分布越集中，损伤率越高。因此，为了提高结构集成材的力学性能，相邻层板的指形接头之间的距离应300 mm18。对于受弯构件，随受拉面作用的相邻层板指形接头间距的增加，裂纹扩展路径会发生迁移，指形接头的失效概率显著降低。研究表明：接头分布集中，更容易损坏，其抗弯强度比相邻层板搭接接头的胶合木高 图5 不同指端压力时指端间隙扫描电子显微镜图Fig.5 SEM of the finger gap at different finger pressuresa)1.3 MPab)4.0 MPa 图4 不同胶合界面扫描电镜图像Fig.4 SEM images of different bonding interfacesa.PUR glue lineb.PRF glue line贾晓娟，等：结构用指接材的研究现状37第4期19%左右15。对于受压构件，对其抗压强度无显著影响，但不应放在同一位置，构件的长细比和荷载大小对节点破坏有显著影响。4 结语适用于建筑结构材的齿型参数优化依然会是研究重点之一。长指榫垂直型结构因其优越的力学性能被广泛应用在建筑材料上。然而，以往用于非结构材上的短齿，经齿型参数优化后也可应用在结构材中，这将进一步提高木材的利用率。因木材资源有限，结构材原材料的多样化将成为趋势，如使用小径材、间伐材或密度较大的阔叶材，缓解木材供应矛盾。小尺寸的试件不能完全反应出工程中大尺寸、小跨高比的胶合木梁的力学性能31，鉴于此，未来需开展更多的足尺构件试验研究，建立和完善标准尺寸试件与足尺构件之间的相关性。参考文献1 陈暑冰,佟晓超,昌文芳,等.不同国家和地区胶合木标准对比与分析J.林产工业,2021,58(01):48-53.2 张震宇,王雨,李露霏.浅析“双碳”背景下我国木材加工产业发展趋势J.森林防火,2022,40(02):90-92.3 王孟欣,张承宇,彭蓉,等.中国林业产业发展情况综述J.森林防火,2022,40(02):101-106.4 陈国骏,宋焕,王志强等.正交胶合木胶合耐久性能研究进展J.林产工业,2021,58(05):34-37.5 孙锦荣.小径材指接板横拼合理性设计及有限元分析D.北京:北京林业大学,2020.6 RAO S,GONG M,CHUI Y H,et al.Effect of geometric parameters of finger joint profile on ultimate tensile strength of single finger-joined boardsJ.Wood and Fiber Science,2012(03):263-270.7 RAO S,GONG M,CHUI Y H,et al.Effect of end pressure on performance of structural finger-joined lumber fabricated using a short joint profileJ.European Journal of Wood and Wood Products,2014,72(01):143-145.8 HABIPI B,AJDINAJ D.Wood finger-joint strength as function of finger length and slope positioning of tipsJ.International Journal of Engineering and Applied Sciences,2015,2(12):257757.9 AHMAD Z,LUM W C,LEE S H,et al.Mechanical properties of finger jointed beams fabricated from eight Malaysian hardwood speciesJ.Construction and Building Materials,2017,145:464-473.10 AYARKWA J,HIRASHIMA Y,SASAKI Y,et al.Influence of finger-joint geometry and end pressure on tensile properties of three finger-jointed tropical African hardwoodsJ.Southern African Forestry Journal,2000,188(01):37-49.11 孙玉杰,姜海波,毕先知.木材指接加工技术简述J.林业机械与木工设备,2006(04):35.12 BIBLIS E J,CARINO H F.Factors influencing the flexural properties of finger-jointed southern pine LVLJ.Forest Products Journal,1993,43(01):41.13 WU J Z,HERZOG W,EPSTEIN M.Evaluation of the finite element software ABAQUS for biomechanical modelling of biphasic tissuesJ.Journal of Biomechanics,1997,31(02):165-169.14 宋威.木质工字梁翼缘用意杨酚醛树脂单板层积材指接接口性能的研究D.昆明:西南林业大学,2012.15 赵立,申士杰,李杰.不同胶黏剂不同树种结构用集成材胶合性能的研究J.林产工业,2015,42(11):39-42+45.16 GROOM L H,LEICHTI R J.Effect of adhesive stiffness and thickness on stress distributions in structural finger jointsJ.The Journal of Adhesion,1994,44(1-2):69-83.17 BUSTOS C,HERNNDEZ R E,BEAUREGARD R,et al.Effects of end-pressure on the finger-joint quality of black spruce lumber:a microscopic analysisJ.Maderas.Ciencia y Tecnologa,2011,13(03):319-328.18 周海宾,刘晓娜,韩刘杨,等.胶黏剂和指接接头对胶合木性能的影响J.建筑材料学报,2017,20(05):752-757.19 刘艳.落叶松指接材力学性能的研究D.北京:北京林业大学.2005.20 BUSTOS C,BEAUREGARD R,MOHAMMAD M,et al.Structural performance of finger-jointed black spruce lumber with different joint configurationsJ.Forest products journal,2003,53(09):72-76.21 任晓峰.落叶松结构用集成材胶合工艺技术的研究D.北京:北京林业大学,2008.22 周先雁,曹磊,周佳乐,等.胶合木设计制作与质量控制J.中南林业科技大学学报,2014,34(12):136-140.23 LANGE D,FIELDS J T,STIRN S A.Fingerjoint application potentials for one-part polyurethanesC/Proceedings:The wood adhesives 2000 Symposium,Section A,2001(02):17-18.24 那斌.单组分聚氨酯胶粘剂用于湿材胶合蠕变特性的研究D.南京:南京林业大学,2006.25 SAIKI H.The effect of the penetration of adhesives into cell walls on the failure of wood bondingJ.Journal of the Japan Wood Research Society,1984,30(01):88-92.26 GINDL W.SEM and UV-microscopic investigation of glue lines in Parallam PSLJ.Holz als Roh-und Werkstoff,2001,59(03):211-214.27 GONG M,RAO S Z,LI L.Effects of machining parameters on surface roughness of joints in manufacturing structural finger-joined lumberJ.Journal of Forestry Engineering,2017,2(04):10-18.28 顾继友.胶粘剂与涂料M.第二版,北京:中国林业出版社,1999.29 傅峰,林兰英,付跃进.人工林木材的指接和胶合M.北京:科学出版社,2016.30 KOLLMANN F F P.木材学与木材工艺学原理M.北京:中国林业出版社,1984.31 奉佳,王雪亮,徐乾罡,等.指接足尺层板胶合木梁抗弯试验研究J.建筑结构,2020,50(S1):252-255.（责任编辑 陈 悦）