CN103128824B - 一种结构用工字型集成材及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种结构用工字型集成材及其制造方法，所述制造方法包括：根据锯材的弹性模量的大小将锯材分为高等级锯材、中等级锯材以及低等级锯材；分别将同等级锯材通过指接方式制成指接层板，并将2块以上指接层板通过胶合的方式制成胶合木；以中等级胶合木为上翼缘、以低等级胶合木为腹板、以高等级胶合木为下翼缘，中等级胶合木与高等级胶合木横向平行放置、低等级胶合木竖向放置，通过指接方式制成结构用工字型集成材。利用本发明的方法制造得到的结构用工字型集成材具有较高强度和刚度，可应用于木结构建筑中的主体梁构件、搁栅梁构件等。
Description
技术领域
本发明是关于一种结构用工字型集成材及其制造方法，具体是关于一种改变传统集成材排列方式制备得到的一种“工”字形状的集成材，其具有较高强度和刚度，主要应用于木结构建筑中的主体梁构件、搁栅梁构件等。
背景技术
结构用集成材(structural glued laminatedtimber)是以承重为目的，将按等级区分的层板(可指接、斜接或拼宽)沿纤维方向相互平行在厚度方向层积胶合而成的结构用材(GB/T26899-2011《结构用集成材》)。主要用于建筑结构的承重构件。
结构用集成材在我国产量极少(我国目前的集成材产品90％以上为非结构材料)，主要出口到日本等国家，制造方法均按照使用地的产品标准进行。世界各国的结构用集成材，全部都是层板平行排列，截面形状主要以正方形、矩形为主，这种结构形式主要存在三个缺陷，一是强度、刚度相对低，二是构件结构和材料用量没有最优化应用，三是产品层间易于开胶。
另一方面，我国目前结构材来源匮乏，如何利用小径级木材制造结构用集成材已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
本发明的主要目的在于提供种结构用工字型集成材及其制造方法，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，所述的结构用工字型集成材具有较高强度和刚度，主要应用于木结构建筑中的主体梁构件、搁栅梁构件等。
本发明中主要是创新性地利用平行与垂直排列方式相结合，构成上翼缘-腹板-下翼缘的工字型结构形式，同时在翼缘和腹板结合的部位全部采用胶合面最大化的指接连接，目标化制造出高性能大弯矩的工字型结构用集成材产品。
一方面，本发明提供了一种结构用工字型集成材的制造方法，该方法包括：
步骤(1)：根据锯材的弹性模量的大小将锯材分为高等级锯材、中等级锯材以及低等级锯材；
步骤(2)：将低等级锯材通过指接方式制成低等级指接层板，并将2块以上低等级指接层板通过胶合的方式制成低等级胶合木；将中等级锯材通过指接方式制成中等级指接层板，并将2块以上中等级指接层板通过胶合的方式制成中等级胶合木；将高等级锯材通过指接方式制成高等级指接层板，并将2块以上高等级指接层板通过胶合的方式制成高等级胶合木；
步骤(3)：以中等级胶合木为上翼缘、以低等级胶合木为腹板、以高等级胶合木为下翼缘，中等级胶合木与高等级胶合木横向平行放置、低等级胶合木竖向放置，通过指接方式制成结构用工字型集成材。
根据本发明的具体实施方案，本发明的结构用工字型集成材的制造方法中，高等级锯材目标等级弹性模量平均值比中等级锯材目标等级弹性模量平均值大2GPa，中等级锯材目标等级弹性模量平均值比低等级锯材目标等级弹性模量平均值大2GPa。
根据本发明的具体实施方案，本发明的结构用工字型集成材的制造方法中，低等级锯材的弹性模量为大于等于8GPa且小于10GPa；中等级锯材的弹性模量为大于等于10GPa且小于12GPa；高等级锯材的弹性模量为大于等于12GPa，优选为大于等于12GPa且小于14GPa。
根据本发明的具体实施方案，本发明的结构用工字型集成材的制造方法中：
将低等级锯材通过指接方式制成低等级指接层板的过程是按照以下操作进行：选取2根以上的低等级锯材，长度方向进行指接；其中，指榫长度为15mm，齿顶宽为0.6～0.9mm，斜度1/10；指接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0.3～0.4g/cm2；指接端压12～15MPa，保持压力20～30s达到初期固化后，再堆积养生8～12h，得到低等级指接层板；
将中等级锯材通过指接方式制成中等级指接层板的过程是按照以下操作进行：选取2根以上的中等级锯材，长度方向进行指接；其中，指榫长度为15mm，齿顶宽为0.6～0.9mm，斜度1/10；指接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0.3～0.4g/cm2；指接端压12～15MPa，保持压力20～30s达到初期固化后，再堆积养生8～12h，得到中等级指接层板；
将高等级锯材通过指接方式制成高等级指接层板的过程是按照以下操作进行：选取2根以上的高等级锯材，长度方向进行指接；其中，指榫长度为30～35mm，齿顶宽为0.9～1.1mm，斜度1/10；指接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0.3～0.4g/cm2；指接端压8～10MPa，保持压力20～30s达到初期固化后，再堆积养生8～12h，得到高等级指接层板。
根据本发明的具体实施方案，本发明的结构用工字型集成材的制造方法中：
将2块以上低等级指接层板通过胶合的方式制成低等级胶合木的过程是按照以下操作进行：将2块以上低等级指接层板上下表面刨光后，使用间苯二酚-甲醛树脂胶，双面涂胶，每面涂胶量150～200g/m2，在厚度方向采用持续加压方式，压力保持在0.75～0.9MPa MPa固化后，堆积养生3～5天，得到低等级胶合木；
将2块以上中等级指接层板通过胶合的方式制成中等级胶合木的过程是按照以下操作进行：将2块以上中等级指接层板上下表面刨光后，使用间苯二酚-甲醛树脂胶，双面涂胶，每面涂胶量150～200g/m2，在厚度方向采用持续加压方式，压力保持在0.75～0.9MPa MPa固化后，堆积养生3～5天，得到中等级胶合木；
将2块以上高等级指接层板通过胶合的方式制成高等级胶合木的过程是按照以下操作进行：将2块以上高等级指接层板上下表面刨光后，使用间苯二酚-甲醛树脂胶，双面涂胶，每面涂胶量150～200g/m2，在厚度方向采用持续加压方式，压力保持在0.75～0.9MPa MPa固化后，堆积养生3～5天，得到高等级胶合木。
根据本发明的具体实施方案，本发明的结构用工字型集成材的制造方法，步骤(3)中，低等级胶合木竖向放置，上、下两端为窄面，两侧铣齿；中等级胶合木横向放置，下表面为宽面，一侧铣齿；高等级胶合木横向放置，上表面为宽面，一侧铣齿；指榫长度为15mm，嵌合度0mm，斜度1/10；指接使用结构用胶间苯二酚-甲醛，进行单面涂刷，单面涂胶量控制在0.3～0.4g/cm2；竖直方向采用持续加压方式，压力控制在0.75～0.9MPaMPa，常温(20～30℃)固化后堆积养生7～8天，得到结构用工字型集成材。
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。本发明中，所述“中等级胶合木与高等级胶合木横向平行放置”中的“横向”，即是指该胶合木的胶合面为水平面。所述“低等级胶合木竖向放置”中的“竖向”，即是指该胶合木的胶合面为竖直面。所述的“长”、“宽”、“高”、“厚”均按照本领域中通用的常规方式定义。
另一方面，本发明还提供了一种结构用工字型集成材，其是按照本发明所述的结构用工字型集成材的制造方法制造得到的。
根据本发明的具体实施方案，本发明的结构用工字型集成材，其上翼缘、下翼缘、腹板具有相同的长度；上翼缘、下翼缘高度相同，且上翼缘、下翼缘的高度等于腹板的宽度；上翼缘、下翼缘宽度相同，且上翼缘、下翼缘的宽度等于腹板的高度；并且，上翼缘、下翼缘的宽度大于腹板的宽度。
根据本发明的具体实施方案，本发明的结构用工字型集成材中：每块低等级指接层板是由3或4或5根低等级锯材通过指接方式接长制成，每块中等级指接层板是由3或4或5根中等级锯材通过指接方式接长制成，每块高等级指接层板是由3或4或5根高等级锯材通过指接方式接长制成。
在本发明的一具体实施方式中，所述上翼缘是由2块中等级指接层板通过胶合的方式制成，所述下翼缘是由2块高等级指接层板通过胶合的方式制成，所述腹板是2块低等级指接层板通过胶合的方式制成。
在本发明的一具体实施例中，所述高等级锯材、中等级锯材以及低等级锯材分别为厚30mm×宽100mm×长2000mm的层板；每块低等级指接层板是由4根低等级锯材通过指接方式接长制成，每块中等级指接层板是由4根中等级锯材通过指接方式接长制成，每块高等级指接层板是由4根高等级锯材通过指接方式接长制成；所述上翼缘是由2块中等级指接层板通过胶合的方式制成，所述下翼缘是由2块高等级指接层板通过胶合的方式制成，所述腹板是2块低等级指接层板通过胶合的方式制成。该实施例中所述结构用工字型集成材的最终规格为：高度220mm，其中上翼缘、下翼缘高度各60mm，中间腹板高度100mm；宽度100mm，其中上翼缘、下翼缘宽度均为100mm，腹板宽度60mm；长度8000mm。
利用本发明的方法制造工字型集成材，能够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，所制造的结构用工字型集成材具有良好的结构性能，与相同截面积的传统方式制造的矩形截面的集成材相比，其抗弯强度增大10％以上。在本发明的具体实施方式中，利用弹性模量为大于等于8GPa且小于10GPa的低等级锯材、弹性模量为大于等于10GPa且小于12GPa的中等级锯材、弹性模量大于等于12GPa且小于14GPa的高等级锯材所制造出的结构用工字型集成材，其抗弯弹性模量≥12GPa，抗弯强度≥40MPa。
由梁的弯曲正应力强度条件可知，在弯矩一定的条件下，梁的工作应力σ与抗弯截面模量Wz成反比。本发明中所制造的具有“工”字形状截面的结构用集成材，可以确保构件同等弯矩的情况下，木材节约率能达到10～15％；可以在同等截面积的情况下，最大弯矩可增加1.6～2倍。
本发明的工字型集成材可应用于木结构建筑中的主体梁构件、搁栅梁构件等。在建筑结构中使用工字型集成材作为主体梁或搁栅梁时，应上翼缘在上、下翼缘在下方式放置。
综上所述，本发明提供了一种结构用工字型集成材及其制造方法，利用本发明的技术，能够以小径级锯材制造出符合结构设计要求的工字型集成材，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，所制造的工字型集成材可应用于木结构建筑中的主体梁构件、搁栅梁构件等。
附图说明
图1为本发明一具体实施中所制造的上翼缘A、下翼缘B、腹板C的断面结构示意图。
图2为显示本发明一具体实施中腹板C与上翼缘A或下翼缘B进行指接时的结构示意图。
图3为本发明一具体实施中所制成的结构用工字型集成材的断面结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式的附图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
按照以下步骤制备本实施例的结构用工字型集成材：
1.锯材分等
选择30mm厚、100mm宽、2000mm长的日本落叶松锯材。根据日本落叶松锯材强度概率分布曲线，将弹性模量分为8～10GPa、10～12GPa以及12～14GPa三个区域，将8～10GPa定为E1等级，10～12GPa定为E2等级，12～14GPa定为E3等级。不同的强度将用于工字型集成材的不同位置。
2.上翼缘集成材的制造过程
选取E2等级4根锯材，2根两端铣齿，2根单端铣齿，不需要齿肩。齿长为15mm，齿顶宽为0.8mm，斜度1/10。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0.3～0.4g/cm2。将同等级规格材在纵向接长指接机上进行室温(20～30℃)指接，指接端压15MPa。在指接机上保持压力20～30s达到初期固化后，再堆积养生8～12h，形成名义尺寸30mm厚度、100mm宽度、8000mm长的指接层板。
将2块指接层板，上下表面刨光后，使用间苯二酚-甲醛树脂胶，双面涂胶，每面涂胶量150～200g/m2。在厚度方向采用持续加压方式，压力保持在0.8MPa，常温固化，之后堆积养生3～5天。
最终形成60mm厚度、100mm宽度、8000mm长的双拼集成材产品A(参见图1)。
3.下翼缘集成材的集成过程
选取E3等级4根锯材，2根两端铣齿，2根单端铣齿，不需要齿肩。齿长为35mm，齿顶宽为1.0mm，斜度1/10。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0.3～0.4g/cm2。将同等级规格材在纵向接长指接机上进行室温(20～30℃)指接，指接端压8MPa。在指接机上保持压力20～30s达到初期固化后，再堆积养生8～12h。形成名义尺寸30mm厚度、100mm宽度、8000mm长的指接层板。
将2块指接层板，上下表面刨光后，使用间苯二酚-甲醛树脂胶，双面涂胶，每面涂胶量150～200g/m2。在厚度方向采用持续加压方式，压力保持在0.8MPa，常温固化，之后堆积养生3～5天。
最终形成60mm厚度、100mm宽度、8000mm长的双拼集成材产品B(参见图1)。
4.腹板集成材制造过程
选取E1等级4根锯材，2根两端铣齿，2根单端铣齿，不需要齿肩。齿长为15mm，齿顶宽为0.8mm，斜度1/10。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0.3～0.4g/cm2。将同等级规格材在纵向接长指接机上进行室温(20～30℃)指接，指接端压15MPa。在指接机上保持压力20～30s达到初期固化后，再堆积养生8～12h。形成名义尺寸30mm厚度、100mm宽度、8000mm长的指接层板。
将2块指接层板，上下表面刨光后，使用间苯二酚-甲醛树脂胶，双面涂胶，每面涂胶量150～200g/m2。在厚度方向采用持续加压方式，压力保持在0.8MPa，常温固化，之后堆积养生3～5天。
最终形成60mm厚度、100mm宽度、8000mm长的双拼集成材产品C(参见图1)。
5.三部分组合
将集成材产品C窄面两侧铣齿，集成材产品A和B宽面一侧中央60mm范围内铣齿，具体铣齿位置见图1中双向箭头所示位置。齿长15mm，嵌合度0mm，斜度1/10，不需要齿肩，指接形式见图2。
使用结构用胶间苯二酚-甲醛，进行单面涂刷，单面涂胶量控制在0.3～0.4g/cm2。将集成材产品A和B平行放置，C竖向放置，形成工字型，在竖向方向采用持续加压方式，保证压力方向不变化，压力控制在0.8MPa，常温(20～30℃)固化，固化时间约为12h，之后堆积养生7～8天。
6.产品性能及使用方式
最终产品的规格为：高度220mm(上翼缘、下翼缘高度各60mm，中间腹板高度100mm)、宽度100mm(翼缘宽度100mm，腹板宽度60mm)、长度8000mm，见图3。
本实施例中采用上述方法，制造了6根厚度为220mm的工字型集成材，经测试(按照标准ASTM D198的方法测试)，其抗弯性能分别为：(1)弹性模量13.56GPa、抗弯强度64.1MPa；(2)弹性模量12.5GPa、抗弯强度56.7MPa；(3)弹性模量14.3GPa、抗弯强度75.7MPa；(4)弹性模量13.77GPa、抗弯强度60.9MPa；(4)弹性模量13.12GPa、抗弯强度62.8MPa；(6)弹性模量14.15GPa、抗弯强度79.6MPa。
本实施例中的将锯材制造成的工字型结构用集成材产品，可作为木建筑结构的主体梁构件。在建筑结构中使用工字型集成材作为主体梁或搁栅梁时，应使所述A在上、B在下方式放置。本实施例中所制造出的工字梁结构用集成材产品比同样使用6层且截面积相同的180mm厚度的集成材(每层30mm厚度)，其抗弯强度均增大10％以上。
对比例
使用12～14GPa等级、30mm(厚)×100mm(宽)×2000mm(长)的层板，采用35mm齿长，与本发明上述实施例相同的胶合工艺制造了3根6层厚度180cm的同等级组合集成材。经测试，其抗弯性能分别为：(1)弹性模量13.8GPa、抗弯强度42.7MPa；(2)弹性模量12.58GPa、抗弯强度42.7MPa；(3)弹性模量12.08GPa、抗弯强度39.7MPa。
将上述实施例与对比例的测试结果比较，充分表明按照本发明的方法制备得到的结构用工字型集成材具有良好的抗弯强度和抗弯弹性模量。
Claims (10)
1.一种结构用工字型集成材的制造方法，该方法包括：
步骤(1)：根据锯材的弹性模量的大小将锯材分为高等级锯材、中等级锯材以及低等级锯材；
步骤(2)：将低等级锯材通过指接方式制成低等级指接层板，并将2块以上低等级指接层板通过胶合的方式制成低等级胶合木；将中等级锯材通过指接方式制成中等级指接层板，并将2块以上中等级指接层板通过胶合的方式制成中等级胶合木；将高等级锯材通过指接方式制成高等级指接层板，并将2块以上高等级指接层板通过胶合的方式制成高等级胶合木；
其中，将低等级锯材通过指接方式制成低等级指接层板的过程是按照以下操作进行：选取2根以上的低等级锯材，长度方向进行指接；其中，指榫长度为15mm，齿顶宽为0.6～0.9mm，斜度1/10；指接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0.3～0.4g/cm2；指接端压12～15MPa，保持压力20～30s达到初期固化后，再堆积养生8～12h，得到低等级指接层板；
将中等级锯材通过指接方式制成中等级指接层板的过程是按照以下操作进行：选取2根以上的中等级锯材，长度方向进行指接；其中，指榫长度为15mm，齿顶宽为0.6～0.9mm，斜度1/10；指接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0.3～0.4g/cm2；指接端压12～15MPa，保持压力20～30s达到初期固化后，再堆积养生8～12h，得到中等级指接层板；
将高等级锯材通过指接方式制成高等级指接层板的过程是按照以下操作进行：选取2根以上的高等级锯材，长度方向进行指接；其中，指榫长度为30～35mm，齿顶宽为0.9～1.1mm，斜度1/10；指接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0.3～0.4g/cm2；指接端压8～10MPa，保持压力20～30s达到初期固化后，再堆积养生8～12h，得到高等级指接层板；
步骤(3)：以中等级胶合木为上翼缘、以低等级胶合木为腹板、以高等级胶合木为下翼缘，中等级胶合木与高等级胶合木横向平行放置、低等级胶合木竖向放置，通过指接方式制成结构用工字型集成材。
2.根据权利要求1所述的结构用工字型集成材的制造方法，其中，高等级锯材目标等级弹性模量平均值比中等级锯材目标等级弹性模量平均值大2GPa，中等级锯材目标等级弹性模量平均值比低等级锯材目标等级弹性模量平均值大2GPa。
3.根据权利要求1所述的结构用工字型集成材的制造方法，其中，低等级锯材的弹性模量为大于等于8GPa且小于10GPa；中等级锯材的弹性模量为大于等于10GPa且小于12GPa；高等级锯材的弹性模量为大于等于12GPa。
4.根据权利要求3所述的结构用工字型集成材的制造方法，其中，高等级锯材的弹性模量大于等于12GPa且小于14GPa。
5.根据权利要求1所述的结构用工字型集成材的制造方法，其中：
将2块以上低等级指接层板通过胶合的方式制成低等级胶合木的过程是按照以下操作进行：将2块以上低等级指接层板上下表面刨光后，使用间苯二酚-甲醛树脂胶，双面涂胶，每面涂胶量150～200g/m2，在厚度方向采用持续加压方式，压力保持在0.75～0.9MPa固化后，堆积养生3～5天，得到低等级胶合木；
将2块以上中等级指接层板通过胶合的方式制成中等级胶合木的过程是按照以下操作进行：将2块以上中等级指接层板上下表面刨光后，使用间苯二酚-甲醛树脂胶，双面涂胶，每面涂胶量150～200g/m2，在厚度方向采用持续加压方式，压力保持在0.75～0.9MPa固化后，堆积养生3～5天，得到中等级胶合木；
将2块以上高等级指接层板通过胶合的方式制成高等级胶合木的过程是按照以下操作进行：将2块以上高等级指接层板上下表面刨光后，使用间苯二酚-甲醛树脂胶，双面涂胶，每面涂胶量150～200g/m2，在厚度方向采用持续加压方式，压力保持在0.75～0.9MPa固化后，堆积养生3～5天，得到高等级胶合木。
6.根据权利要求1所述的结构用工字型集成材的制造方法，其中，步骤(3)中，低等级胶合木竖向放置，上、下两端为窄面，两侧铣齿；中等级胶合木横向放置，下表面为宽面，一侧铣齿；高等级胶合木横向放置，上表面为宽面，一侧铣齿；指榫长度为15mm，嵌合度0mm，斜度1/10；指接使用结构用胶间苯二酚-甲醛，进行单面涂刷，单面涂胶量控制在0.3～0.4g/cm2；竖直方向采用持续加压方式，压力控制在0.75～0.9MPa，常温固化后堆积养生7～8天，得到结构用工字型集成材。
7.一种结构用工字型集成材，其是按照权利要求1～6任一项所述的结构用工字型集成材的制造方法制造得到的；
其中，所述结构用工字型集成材的上翼缘、下翼缘、腹板具有相同的长度；上翼缘、下翼缘高度相同，且上翼缘、下翼缘的高度等于腹板的宽度；上翼缘、下翼缘宽度相同，且上翼缘、下翼缘的宽度等于腹板的高度；并且，上翼缘、下翼缘的宽度大于腹板的宽度；
所述结构用工字型集成材的抗弯弹性模量≥12GPa，抗弯强度≥40MPa。
8.根据权利要求7所述的结构用工字型集成材，其中：每块低等级指接层板是由3或4或5根低等级锯材通过指接方式接长制成，每块中等级指接层板是由3或4或5根中等级锯材通过指接方式接长制成，每块高等级指接层板是由3或4或5根高等级锯材通过指接方式接长制成。
9.根据权利要求7或8所述的结构用工字型集成材，其中，所述上翼缘是由2块中等级指接层板通过胶合的方式制成，所述下翼缘是由2块高等级指接层板通过胶合的方式制成，所述腹板是2块低等级指接层板通过胶合的方式制成。
10.根据权利要求9所述的结构用工字型集成材，其中：
所述高等级锯材、中等级锯材以及低等级锯材分别为厚30mm×宽100mm×长2000mm的层板；
所述结构用工字型集成材的最终规格为：高度220mm，其中上翼缘、下翼缘高度各60mm，中间腹板高度100mm；宽度100mm，其中翼缘宽度100mm，腹板宽度60mm；长度8000mm。
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