专利名称：：一种结构用胶合木及其制造方法
技术领域：
：本发明是关于一种胶合木及其制造方法，具体是关于一种可用于木结构建筑或其它建筑中的梁、柱等构件的结构用胶合木及其制造方法，属于木材加工
技术领域：
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背景技术：
：胶合木产生于19世纪90年代，但20世纪80年代才传入我国，在我国已有近30年发展历史。国内生产的胶合木主要有两种类型结构用和非结构用。非结构用胶合木产量较大，生产企业多，产品主要用于家具、装修等领域；使用的树种有针叶材和阔叶材；层板尺寸变化范围大，制造过程中也不进行层板分级和配置。结构用胶合木生产企业少，产品全部出口国外；使用树种主要是进口的俄罗斯樟子松；层板加工尺寸和强度分级和配置原则均按国外标准和客户要求。近年来，随着我国木结构建筑市场的活跃，大型木结构体系在居住建筑(如普通住宅、公寓等)和公共建筑(如纪念馆、体育馆等)中应用范围不断扩展，对木质工程结构材料尤其是胶合木产品的需求量正逐年上升。但是，进口国外的胶合木主要存在以下弊端一是产品价格高，另一是产品尺寸体系不一致，测试方法存在差异。加快我国国产人工林木材的结构应用，是解决当前问题的有效办法。我国从1953年起就开始了工业人工林建设，到目前为止人工林的面积居世界首位，在所有人工林树种中杉木蓄积量最大。合理利用人工林木材特别是杉木木材制造结构用胶合木，不仅可以满足建筑市场对环境友好型结构材的需求，还可以提升我国人工林木材资源的利用水平，促进传统木材加工产业的快速升级。如何利用国产人工林木材制造结构用胶合木己成为长期以来工业界和建筑界最为关注的问题之一。
发明内容本发明的一个目的在于提供一种结构用胶合木，属于建筑材料，可作为梁和柱构件，用于居住建筑和公共建筑。本发明的另一目的在于提供一种胶合木的制造方法，提高最终产品的结构性能，提高其力学性能稳定性及减少变异性，提高木材的利用率。本发明中，主要是按照等级配置原则配置胶合木层板结构，再胶合制造结构用胶合木。一方面，本发明提供了一种结构用胶合木，该胶合木是以27层层板叠层胶合而成的，其中，该胶合木的外层层板等级等于其相邻内层层板等级、或高于其相邻内层层板，优选高于其相邻内层层板一级。根据本发明的具体实施方案，所述层板等级是根据各层板目标等级弯曲弹性模量平均值而确定的，较高等级的层板与较低等级的层板相比其目标等级弯曲弹性模量平均值较大。在本发明的优选方案中，高、低相邻两等级的层板的目标等级弯曲弹性模量平均值的差值为2GPa。根据本发明的优选具体实施方案，本发明的胶合木的最外层层板的目标等级弯曲弹性模量平均值大于等于12GPa。根据本发明的优选具体实施方案，本发明的胶合木中，各层板间涂有结构用胶，所述结构用胶优选为间苯二酚-甲醛树脂胶，具体实施时，采用双面涂胶，每面涂胶量120150g/m2。在本发明的一具体实施方案中，本发明的胶合木的荷载方向与胶层方向平行，该胶合木的层板数量为2或3层。在本发明的另一具体实施方案中，本发明的胶合木的荷载方向与胶层方向垂直，该胶合木的层板数量为3、4、5、6或7层。根据本发明的优选具体实施方案，本发明的胶合木中，每一层板与相邻层板按年轮反向方式放置。在本发明的优选具体实施方案，该胶合木为人工林杉木胶合木，其弹性模量标准值和抗弯强度标准值分别可按照公式(I)、(II)进行估算"0.8力式(I)，i其中五为胶合木弹性模量标准值；《为第/层层板等级对应的平均弹性模量(目标等级弹性模量平均值)；/i为第/层层板的惯性矩；/为"层层板胶合木的惯性矩(该惯性矩对于所属领域的技术人员而言可以按照现有技术的记载通过理论方法计算获知)；&=15.141還式(II),其中尸b为胶合木抗弯强度标准值。本发明的胶合木，符合相关标准或规范如《木结构设计规范(GB50005-2005)》等的要求，具有良好的结构性能，可作为梁和柱构件，用于居住建筑(如普通住宅、公寓等)和公共建筑(如纪念馆、体育馆等)。在本发明中，为了提高木材利用率，本发明的胶合木的层板可以是指接材。本发明中优选根据各指接单元的弯曲弹性模量进行分等，利用机械应力分等材作为指接单元进行指接，这样将利于所制造出的指接层板的结构性能。根据本发明的具体实施方案，所述胶合木的每一层层板是由同等级的、两个以上指接单元指接而成，所述同等级的指接单元是指该等级内各指接单元的弯曲弹性模量最小值最小比目标等级弯曲弹性模量平均值小lGPa。根据本发明的优选具体实施方案，所述指接单元含水率10%15%，指榫长度25mm30mm，嵌合度0.20.4mm，斜度1/101/12，指接端往里5cm内没有降等缺陷；指接结构用胶为间苯二酚-甲醛或水性高分子异氰酸酯树脂胶，单面涂胶，涂胶量0.20.4g/cm2。利用本发明的方法得到的指接材，具有良好的结构性能，其弯曲弹性模量标准值为指接单元平均值的0.800.95倍，抗弯强度和抗拉强度标准值为指接单元标准值的0.70.9倍。本发明通过将上述指接材作为层板制造胶合木，所得到的胶合木同样具有良好的结构性能，可作为结构用胶合木。另一方面，本发明还提供了所述胶合木的制造方法，该方法主要包括步骤将层板宽面涂结构用胶，叠层配置，其中，胶合木的外层层板等级等于其相邻内层层板等级、或高于其相邻内层层板，优选高于其相邻内层层板一级；在胶合木厚度方向采用持续加压方式，压力保持在0.8MPa0.9MPa之间的一固定值，常温固化，之后堆积养生78天。在本发明的一具体实施方案中，所述胶合木的层板是由两个以上指接单元指接而成，本发明的胶合木的制造方法还包括制造所述指接层板的步骤，主要是将短的规格材先机械分等再通过指接的方式接长制造指接规格材作为层板。根据本发明的具体实施方案，本发明的制造所述指接层板的步骤包括根据各指接单元的弯曲弹性模量对指接单元进行分等；对各指接单元进行铣齿；将同等级的、铣齿后的指接单元进行指接，其中，优选控制指接在203(TC进行，将指接材在指接机上保持压力2030s达到初期固化后，再堆积养生1824h，得到指接层板。利用本发明的方法，预先对指接单元进行应力分等，按照不同等级组合指接接长，不仅可以提高木材的利用率，还可以提高指接材的结构性能。根据本发明的具体实施方案，本发明的胶合木的制造方法主要按照以下操作进行(1)将原木加工成一定长度的规格材，并进行分等。根据本发明的优选实施方案，这些规格材的长度为1.03.0m,更优选为2.03.0m;截面尺寸应满足《木结构设计规范(GB50005-2005)》对规格材规格(例如40或45系列)的要求；本发明优选控制这些规格材的含水率在10%15%。本发明中，是根据弯曲弹性模量将上述规格材进行分等。所述各规格材的弯曲弹性模量可以按照现有技术的记载方法直接测量得到或通过测量试件的其他参数计算得到。在本发明的一优选具体实施方案中，是通过横向振动法测量杉木规格材的基本自振频率并优选利用下式(m)计算出弯曲弹性模量￡=0.95￡4////z2式(III)式中E为弯曲弹性模量，单位Pa;L为试件(指接单元)长度，单位m;f为基本自振频率，单位HZ;p为试件密度，单位kg/m、h为试件高度，单位m。利用本发明的上述优选方案，能够较为准确地计算得到规格材的弯曲弹性模量。然后，根据各规格材的弯曲弹性模量将其分成等级组。具体实施时，可以先根据所制造胶合板的最终用途确定目标等级的弹性模量平均值，然后按照目标等级弹性模量平均值，确定各等级的弹性模量上、下界限值。具体确定方法可以遵循以下原则①每一等级对应的弹性模量区间下限值(即最小值)最小比目标等级弯曲弹性模量平均值小lGPa(即Emin》(Eave-lGPa));②每一等级可以不设最高值，但出于经济利益等方面考虑，每一等级对应的弹性模量区间上限值(即最大值)最好小于等于高一等级的下限值(即Eg,max《Eg+1，min)，最高等级不设最高值。对规格材分等后标记每个等级组。根据建筑模数，我国国内结构用胶合木产品制造长度应为3m、6m、9m或12m。本发明中，如果制造的胶合木成品长度'洽好与上述规格材相等(例如为3m)，则上述规格材可直接作为胶合木层板；如果需制造的胶合木成品长度超过上述规格材，需要将上述规格材指接接长作为胶合木层板，这些规格材即为指接单元。本发明中，如果指接单元指接端往里5cm内如有节子等降等缺陷，在指接前应截掉。指接时，将指接单元的指接端立放进行铣齿。发明人在研究中发现，指接齿的长度是影响本发明最终指接材结构性能的关键参数之一。本发明中，优选所述指接齿为长25mm30mm的长齿。根据本发明的更优选方案，是按照0.20.4mm嵌合度(t)铣齿，齿斜度1/101/12。适于本发明的指榫结构类型为V型，本发明对指榫的其他结构参数无特殊要求。之后，将同等级的铣齿后的指接单元进行指接。本发明中，优选使用结构用胶间苯二酚-甲醛或水性高分子异氰酸酯树脂胶，进行单面涂刷，单面涂胶量控制在0.20.4g/cm2。涂胶后，将同等级的指接单元在纵向接长指接机上进行室温(2030'C)指接。指接端压对于本领域的技术人员而言可以按照现有技术的记载，根据齿长和树种来确定。根据本发明的优选实施方案，是按照指接端压为齿长的幂函数关系确定指接时的指接端压，例如人工林杉木端压(p，单位MPa)可按齿长(1,单位mm)的-0.434次方再乘以30.938倍计算出理论最佳值，实际操作时的端压可根据实际情况在该理论最佳端压的基础上进行小幅度的适当调整。本发明中，将指接材在指接机上保持压力2030s达到初期固化后，再堆积养生1824h(常温堆积养生即可)，即可得到本发明的指接规格材，可作为胶合木的层板。这些层板的等级即按照前述方法根据目标等级弹性模量平均值进行分等。利用本发明的上述指接工艺，制造出的不同等级组合指接规格材弯曲弹性模量、抗弯强度和抗拉强度等力学性能标准值与指接单元的平均值或标准值(该标准值是弹性模量概率分布曲线的5%分位值，为平均值的0.80倍)之间符合一定的函数关系。本发明中，该指接规格材的弯曲弹性模量标准值为指接单元弯曲弹性模量平均值(目标等级弯曲弹性模量平均值)的0.800.95倍，抗弯强度和抗拉强度标准值为指接单元标准值(该标准值对于所属领域的技术人员而言可以根据现有技术的记载如通过査阅《木结构设计规范(GB50005-2005)》而确定)的0.70.9倍。所述的倍数关系具体根据不同高低等级组合而有一些差异，例如，为低等级(例如弹性模量平均值89GPa)组合制造的指接规格材，弹性模量标准值为指接单元平均值的0.880.95倍，其它力学性能如抗弯强度和抗拉强度等标准值为指接单元标准值的0.80.9倍；而高等级(例如弹性模量平均值1113GPa)组合制造的指接规格材，弹性模量标准值为指接单元平均值的0.800.92倍，其它力学性能如抗弯强度和抗拉强度等标准值为指接单元标准值的0.70.8倍。另外，本发明中，单一指接规格材中指接单元的数目对指接规格材产品的性能参数无显著影响。(2)将各层板叠层配置。其中，层板配置的基本原则是将等级高的层板放置于胶合木的最外层，等级低的层板放置于胶合木的中层。具体地，胶合木的外层层板等级应等于其相邻内层层板等级、或高于其相邻内层层板，当外层层板等级高于其相邻内层层板时，优选高一级。例如，根据本发明的一具体实施方案，是将所述层板分为由低到高的四个等级Ll、L2、L3、L4，各目标等级弯曲弹性模量平均值分别为8GPa、10GPa、12GPa、14GPa。在配置胶合木层板时，最外层可使用L4或L3等级层板，外数第二层层板等级等于或低于最外层一级，外数第三层等级等于或低于外数第二层一级，依次类推，中间一层可使用低等级如L2或L1等级层板；另外，一侧层板等级可以等于或低于另一侧对称层层板等级。本发明中，可根据荷载方向与胶层方向的关系来确定胶合木层板数量，当荷载方向与胶层方向平行时，层板数量为2或3;当荷载方向与胶层方向垂直时，层板数量为3、4、5、6或7。本发明中，胶合木层板数量最大为7。例如，对于5层的胶合木，各层板等级可以依次为L4、L4、L4、L4、L4;L3、L3、L3、U、L3;L4、L3、；L2或K3、U、M;L3、L3、L2或U、IJ、L4;IJ、L2、L2或L1、L2、L3。对于3层的胶合木，各层板等级可以依次为L4、L3、L4;U、L2、L3;L4、L2、L4。在配置层板时，胶合木中每一层板与相邻层板按年轮反向方式放置。层板层积时相邻两层板接头距离在30cm以上，交错布置，沿层积方向所有层板接头不重合。另外，在层板间的层板宽面涂有结构用胶间苯二酚-甲醛树脂胶，进行双面涂刷，每面涂胶量控制在120150g/m2。(3)配置后的胶合木在厚度方向采用持续加压方式，压力保持在0.8MPa0.9MPa之间的一固定值。常温(2030°C)固化，固化时间约为12h或更长，之后堆积养生78天。养生时间结束后，按照要求尺寸加工成3m、6m、9m或12m等尺寸系列，即得本发明的胶合木成品。发明人通过大量的实验，对大批量的胶合木的力学性能进行测试，并经分析研究后发现，本发明制造出的胶合木的弯曲弹性模量、抗弯强度等力学性能标准值可以通过以下公式估计胶合木弹性模量标准值￡=0.8^>,义〃，其中￡为；五i为第/层层板1等级对应的平均弹性模量；/i为第/层层板的惯性矩；/n为w层层板胶合木的惯性矩；胶合木抗弯强度标准值《=15.14k°e743￡。从而，本发明制造出的胶合木的弯曲弹性模量、抗弯强度等力学性能标准值可以根据上述公式进行结构设计使用，而不必需要再经过力学性能测试来确定具体的标准值。本发明中，未详细提及的操作可以按照所属领域的现有技术或常规方法进行。ii综上所述，本发明通过将规格材经过机械应力分等后指接接长作为层板，再宽面施加结构用胶，按照等级配置原则配置层板结构，并冷压胶合制造出符合结构设计要求的胶合木。利用本发明的技术，工艺简单，且可提高木材利用率，可以提高最终产品的结构性能，提高其力学性能稳定性及减少变异性。并且，本发明的胶合木，其弯曲弹性模量、抗弯强度等力学性能标准值可以利用层板等级对应的平均弹性模量及层板的惯性矩进行结构设计使用，不必须再经过力学性能测试来确定。本发明的胶合木可作为结构用胶合木。具体实施例方式以下结合具体实施方案和实施例对本发明做进一步详细说明，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的技术实质和所能产生的有益效果，不能理解为对本发明实施范围的任何限定。实施例先将人工林杉木(由胸径2035cm)原木加工成截面尺寸为45mm(T)x90mm(W)、长度(L)约2000mm的规格材作为指接单元，各指接单元含水率控制在1015°/。。指接端往里5cm内没有节子、开裂等降等缺陷。按照下列等级表，将人工林杉木规格材经过弯曲分等机直接测定弯曲弹性模量而分为四个等级。^~弯曲弹性模量(GF^^_平均值_暈小值U87—L2109~L31211将指接单元指接端立放进行铣齿，按照0.30.4mm嵌合度(t)铣出25mm或30mm指接长齿，斜度1/10或1/12。使用结构用胶间苯二酚-甲醛，进行单面涂刷，单面涂胶量0.2g/Cm20.4g/cm2(在该范围内，涂胶量的差异对指接材结构性能无显著影响)。陈放60s以利胶的渗透后，将同等级规格材在纵向接长指接机上进行室温(2030°C)指接。在指接机上控制指接端压7.4MPa，保持2030s达到初期固化后，再堆积养生1824h，得到指接材，作为本发明胶合木的层板，本实施例中指接材长度约为12m,每个指接材由46个指接单元指接而成。在层板宽面施用结构用胶间苯二酚-甲醛树脂胶，进行双面涂刷，每面涂胶量控制在120g/m2。本实施例中，按照以下方式配置胶合木层板结构三层胶合木的层板配置方式为(胶合木荷载方向与胶层方向垂直)—L3五层胶合木的层板配置方式为—L4—L2—L3—L4胶合木中每一层板与相邻层板按年轮反向方式放置。层板层积时相邻两层板接头距离在30cm以上，交错布置，沿层积方向所有层板接头不重合。其中，三层胶合木的指接层板指接齿长30mm，五层胶合木的指接层板指接齿长25mm。配置后的胶合木在厚度方向采用持续加压方式，压力保持在0.8MPa。常温(203(TC)固化，固化时间约为12h。制成的胶合木再堆积养生78天。然后加工成最终尺寸为225mm(T)x90mm(W)x6000mm(L)和135mm(T)x90mm(W)x6000mm(L)两种厚度类型的胶合木。按照标准ASTMD198的方法对本实施例所制得的人工林杉木胶合木13的力学性能进行测试，结果表明，按照本发明的方法制造出的胶合木具有良好的结构性能。另外，按照本发明的式(I)和式(II)对胶合木的进行估算预测，与实测数值进行比较，可表明本发明的胶合木的弯曲弹性模量、抗弯强度等力学性能标准值可以根据本发明的所述公式估算而进行结构设计使用。下表中示例性地列出了本实施例中制得的部分胶合木产品的力学性能数据。<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>权利要求1、一种结构用胶合木，该胶合木是以2～7层层板叠层胶合而成的，其中，该胶合木的外层层板等级等于其相邻内层层板等级、或高于其相邻内层层板。2、根据权利要求1所述的结构用胶合木，其中，所述层板等级是根据各层板目标等级弯曲弹性模量平均值而确定的，较高等级的层板与较低等级的层板相比其目标等级弯曲弹性模量平均值较大；并且，高、低相邻两等级的层板的目标等级弯曲弹性模量平均值的差值为2GPa。3、根据权利要求1所述的结构用胶合木，其中，该胶合木的最外层层板的目标等级弯曲弹性模量平均值大于等于12GPa。4、根据权利要求1所述的结构用胶合木，其中，各层板间结构用胶为间苯二酚-甲醛树脂胶，双面涂胶，每面涂胶量120150g/m2。5、根据权利要求1所述的结构用胶合木，其中，该胶合木的荷载方向与胶层方向平行，该胶合木的层板数量为2或3层；或者，该胶合木的荷载方向与胶层方向垂直，该胶合木的层板数量为3、4、5、6或7层。6、根据权利要求l所述的结构用胶合木，其中，该胶合木的至少一层层板是由同等级的、两个以上指接单元指接而成，所述同等级的指接单元是指该等级内各指接单元的弯曲弹性模量最小值最小比目标等级弯曲弹性模量平均值小lGPa。7、根据权利要求6所述的结构用胶合木，其中，所述指接单元含水率10%15%，指榫长度25mm30mm，嵌合度0.20.4mm，斜度1/101/12，指接端往里5cm内没有降等缺陷；指接结构用胶为间苯二酚-甲醛或水性高分子异氰酸酯树脂胶，单面涂胶，涂胶量0.20.4g/cm2。8、根据权利要求l所述的结构用胶合木，其中，每一层板与相邻层板按年轮反向方式放置。9、根据权利要求1所述的结构用胶合木，该胶合木为人工林杉木胶合木，其弹性模量标准值和抗弯强度标准值分别为￡=0.8^￡,/,.//，其中￡为胶合木弹性模量标准值；五i为第z'层层板1等级对应的平均弹性模量；/i为第/层层板的惯性矩；/为"层层板胶合木的惯性矩；F6=15.141e,3￡,其中尸b为胶合木抗弯强度标准值。10、权利要求19任一项所述胶合木的制造方法，该方法包括步骤将层板宽面涂结构用胶，叠层配置，其中，胶合木的外层层板等级等于其相邻内层层板等级、或高于其相邻内层层板；在胶合木厚度方向采用持续加压方式，压力保持在0.8MPa0.9MPa之间的一固定值，常温固化，之后堆积养生78天。11、根据权利要求10所述的制造方法，其中所述胶合木的层板是由两个以上指接单元指接而成，该方法还包括制造所述层板的步骤根据各指接单元的弯曲弹性模量对指接单元进行分等；对各指接单元进行铣齿；将同等级的、铣齿后的指接单元进行指接，其中，控制指接在2030'C进行，将指接材在指接机上保持压力2030s达到初期固化后，再堆积养生1824h,得到指接层板。全文摘要本发明提供了一种结构用胶合木及其制造方法，所述胶合木是以2～7层层板叠层胶合而成的，其中，该胶合木的外层层板等级等于其相邻内层层板等级、或高于其相邻内层层板一级，所述层板等级是根据各层板目标等级弯曲弹性模量平均值而确定的，较高等级的层板与较低等级的层板相比其目标等级弯曲弹性模量平均值较大。本发明通过将短尺寸的规格材经过机械应力分等后指接接长作为层板，再按照等级配置原则配置层板结构，冷压胶合制造结构用胶合木。本发明的胶合木具有良好的结构性能，可用于木结构建筑或其它建筑中的梁、柱等构件。文档编号B32B21/14GK101564854SQ200910085638公开日2009年10月28日申请日期2009年5月27日优先权日2009年5月27日发明者任海青,周海宾,费本华申请人:中国林业科学研究院木材工业研究所