CN106290004A - 一种交叉层积材滚动剪切测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交叉层积材滚动剪切的测试装置，其中所述装置由可移动压板、位移测量计、滚动剪切试件构成，并配合万能力学试验机一起使用。其中，所述滚动剪切试件至少由三层材料复合而成，待测木块横纹排列，位于芯层，两块硬质阔叶木板顺纹排列，位于两侧表层，表层木板根据需要分别在上下两端沿宽度方向锯切呈一定角度。由于在滚动剪切试件表层使用硬质阔叶材代替钢板，显著降低了操作的困难程度。另外，由于在表层木板上下两端沿宽度方向锯切呈一定角度，使滚动剪切试件受力方向偏离力学试验机加载方向，能有效避免试件的胶层破坏，并最大程度保证滚动剪切破坏，从而提高测量精度。

Description

一种交叉层积材滚动剪切测试装置

技术领域

本发明涉及木材测试领域，尤其涉及一种用于测试交叉层积材滚动剪切强度与滚动剪切模量的改进装置。

背景技术

在木材测试领域，国内暂时无测试交叉层积材滚动剪切的相关标准，美国材料与试验协会标准ASTM D2718《Standard Test Methods for Structural Panels in PlanarShear(Rolling Shear)》中规定了结构用木质复合材平面剪切(滚动剪切)的两平板法和五点弯曲法。在两平板法中，需使用两块450mm×150mm(长×宽)的钢板将待测试件胶合固定，再在钢板的上下两端加装V型块进行固定，以保证荷载呈线性加载避免发生偏移。实际操作中，主要存在以下方面的问题：1)由于需将待测试件与钢板进行紧密胶合，试验完成后很难将待测试件从钢板上卸除；2)钢板与试件垂直放置于力学试验机中加载进行试验，由于垂直加载以及钢板与木材之间胶合不良易导致发生钢板-待测试件间胶层破坏而不是待测试件破坏；3)由于上下两端需加装V型块进行固定，所以被测试件的厚度尺寸受限。

欧洲标准DIN EN 408《Structural timber and glued laminated timber:Determination of some physical and mechanical properties》中在结构材与胶合木顺纹剪切强度测量方法中规定，测量中使用钢板厚度为10±1mm，可根据树种和木材强度调整厚度，并规定加载方向和试件轴向所成角度为14°，由于角度固定，难于根据试件厚度进行调节；欧洲标准EN 789《Determination of mechanical properties of wood-basedpanels》中规定了人造板平面剪切性能的测试方法，其测试装置在钢板两侧进行了加固，垂直加载必然会出现胶层破坏等问题。

Thomas在《Rolling Shear Properties of some European Timber Specieswith Focus on Cross Laminated Timber(CLT):Test Configuration and ParameterStudy》一文中采用榉木代替测试钢板测量针叶材和杨木的滚动剪切强度，同时根据欧洲标准中的规定加载方向与试件轴向所成角度为14°。同样由于加载头位置及角度的固定，难于根据试件厚度进行调整，从而导致剪切木板无法与加载头很好的吻合。

综上所述，现有的测量交叉层积材滚动剪切的装置需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的交叉层积材滚动剪切测试装置，旨在解决现有国外标准中关于木材滚动剪切测试装置存在操作困难、胶层破坏、测试结果不准确等技术问题。

本发明所设计的技术方案如下：

一种交叉层积材滚动剪切测试装置，其特征在于：所述交叉层积材滚动剪切测试装置由可移动压板、位移测量计和滚动剪切试件构成，并配合万能力学试验机一起使用。

所述可移动压板可沿垂直于加载方向左右移动，分别由两颗M14螺钉与万能力学试验机加载头和支撑头紧固连接；所述压板尺寸为175mm×120mm(长×宽)，由钢材制得。可根据滚动剪切试件厚度和锯切角度左右移动调整，保证垂直加载；

所述位移测量计由自攻木螺钉安装固定在滚动剪切试件表层硬质阔叶木板上；

所述滚动剪切试件由至少三层材料复合而成，其中包括一块芯层待测木块及两块表层硬质阔叶木板。如图3a-图3c所示，所述待测木块横纹排列，位于芯层，a为9mm-36mm。两块硬质阔叶木板顺纹排列，位于两侧表层，b为18mm-36mm。表层木板根据需要分别在上下两端沿宽度方向锯切成一定角度，其中θ为8°-12°。滚动剪切试件宽度c为150mm-175mm，长度l为450mm。三层结构试件经胶黏剂胶合压制而成。

综上所述，本发明提供的木材滚动剪切装置使用阔叶材，显著降低了试验操作的困难程度。另外，为解决现有标准采用的滚动剪切装置所造成的胶层破坏问题，本发明采用在表层木板上下两端沿宽度方向锯切呈一定角度，使滚动剪切试件受力方向偏离力学试验机加载方向，能有效避免试件的胶层破坏，并最大程度保证试件发生纯滚动剪切破坏，从而提高测量精度。

附图说明

图1a-图1d是本发明所提供的交叉层积材滚动剪切测试装置的结构示意图。

图2是本发明所提供的交叉层积材滚动剪切测试装置位移测量计的安装示意图。

图3a-图3c是本发明所提供的交叉层积材滚动剪切试样侧视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

针对现有标准中的交叉层积材滚动剪切测试装置存在的操作困难、容易在胶层出现破坏、测量不精确等问题，本发明提供的木材滚动剪切测试装置目的在于：1)解决试验完成后很难将待测试件从钢板上卸除问题；2)解决由于垂直加载以及钢板与木材之间胶合不良易导致发生钢板-待测试件间胶层破坏而不是待测试件破坏；3)解决由于上下两端需加装V型块进行固定而导致的被测试件厚度尺寸受限问题。

如图1a-图1d所示，本发明提供的交叉层积材滚动剪切装置，其中，所述可移动压板可沿垂直于加载方向左右移动，分别由两颗M14螺钉与万能力学试验机加载头和支撑头紧固连接；

如图2所示，本发明提供的交叉层积材滚动剪切装置，其中，所述位移测量计由自攻木螺钉安装固定在滚动剪切试件表层硬质阔叶木板上；

如图3a-图3c所示，本发明提供的滚动剪切试件结构，其中，所述滚动剪切试件至少由三层材料复合而成，包括一块芯层待测木块及两块表层硬质阔叶木板，所述待测木块横纹排列，位于芯层，a为9mm-36mm。两块硬质阔叶木板顺纹排列，位于两侧表层，b为18mm-36mm。表层木板根据需要分别在上下两端沿宽度方向锯切成一定角度，其中θ为8°-12°。滚动剪切试件宽度c为150mm-175mm，长度l为450mm。所述表层与芯层之间通过胶黏剂在一定压力下胶合固定。

与现有标准中的滚动剪切测试装置相比，本发明所提供的木材滚动剪切测试装置具有以下几个优点：

一是，本发明采用硬质阔叶材替代钢板，由于木材不需要像钢板一样重复利用，另外使用木材作为模具比钢板更易于加工制造，显著降低了试验的操作难度。

二是，本发明使用可移动压板与万能力学试验机相匹配，可做到根据试件厚度和加工角度通过左右移动进行调整，以保证垂直加载。

三是，本发明在外层硬质阔叶材上下两端沿宽度方向锯切成一定角度，使滚动剪切试件受力方向偏离力学试验机加载方向，能有效避免试件的胶层破坏，并最大程度保证滚动剪切破坏，从而提高测量精度。

为了更清楚地说明本发明的原理和操作方法，以下结合附图和具体实施例对交叉层积材结构及制造方法做进一步说明：

实施例1：

本实施例所述木材滚动剪切测试装置由可移动压板、位移测量计、滚动剪切试件构成，并配合万能力学试验机一起使用，其中滚动剪切试件参照图3a-图3c尺寸及形状进行锯制，将两块表层硬质阔叶木板与待测木块在一定压力下经胶黏剂压制而成。

所述木材滚动剪切测试具体步骤为：

1)制样：根据需求制作滚动剪切试件，本实施例中选取速生桉木作为芯层待测木材，菠萝格木材作为表层硬质阔叶材，木材胶黏剂选取聚氨酯胶黏剂。先使用高精度圆锯机将速生桉木锯至尺寸：450mm×150mm×9mm(R×L×T)；将菠萝格木材锯至尺寸：450mm×150mm×18mm(L×R×T)。如图3a-图3c所示，分别将两块菠萝格木板上下两端锯切至θ为8°。将聚氨酯胶黏剂均匀涂施于桉木两表面，并与菠萝格木板纹理相互垂直组胚，施以1.0MPa压力并保持200min以上直至胶黏剂完全固化。

2)安装位移测量计：如附图2所示，使用自攻木螺钉将上固定装置固定于在一侧表层菠萝格木板上，并使用L板将位移测量计连接在上固定装置上，再根据位移测量计的位置，将下固定装置固定于另一侧表层菠萝格木板上。

3)安装试件：将上下两块可移动压板分别与万能力学试验机施载头和支撑头通过M14螺钉连接但不锁紧，再将已安装完位移测量计的滚动剪切试件竖直置于力学试验机施载头和支撑头之间，通过操作力学试验机与上下压板，使滚动剪切试件如附图1a-图1d所示，与上下压板紧密贴合但不施加荷载，以保证试件呈θ角度倾斜，而不至滑移。

4)加载与结果记录：设定力学试验机以0.5mm/min速率加载，直至试件破坏，记录下试件实际测量尺寸、破坏形式、最大荷载P_max、并根据位移变形对应荷载绘制出荷载-位移图。

5)滚动剪切强度计算：

$f_v=\frac{\cos \mathrm{\θ}\·P_{\max }}{c\·l}---\left(1\right)$

式中，f_v为滚动剪切强度(MPa)，θ为偏转角度(本实施例中θ为4°)，P_max为最大荷载(N)，c为试件实际测量宽度(mm)，l为试件实际测量长度(mm)。

6)滚动剪切模量计算：

$G_{rt}=\frac{a}{c\·l}\·\frac{\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\Δ}y}---\left(2\right)$

式中，G_rt为滚动剪切模量(MPa)，a为试件实际测量厚度(mm)，c为试件实际测量宽度(mm)，l为试件实际测量长度(mm)，为荷载-位移曲线中直线部分的斜率。

实施例的技术效果：

本实施例中，测量计算得9mm厚速生桉木试件滚动剪切强度f_v为0.9MPa，滚动剪切模量G_rt为3.6MPa。

实施例2：

本实施例所述木材滚动剪切测试装置由可移动压板、位移测量计、滚动剪切试件构成，并配合万能力学试验机一起使用，其中滚动剪切试件参照图3a-图3c尺寸及形状进行锯制，将两块表层硬质阔叶木板与待测木块在一定压力下经木材胶黏剂压制而成。

所述木材滚动剪切测试具体步骤为：

1)制样：根据需求制作木材滚动剪切试件，本实施例中选取速生桉木作为芯层待测木材，菠萝格木材作为表层硬质阔叶材，木材胶黏剂选取聚氨酯胶黏剂。先使用高精度圆锯机将速生桉木锯至尺寸：450mm×165mm×18mm(R×L×T)；将菠萝格木材锯至尺寸：450mm×165mm×25mm(L×R×T)。如图3a-图3c所示，分别将两块菠萝格木板上下两端锯切至θ为10°。将聚氨酯胶黏剂均匀涂施于桉木两平面，并与菠萝格木板纹理相互垂直组胚，施以1Mpa压力并保持200min以上直至胶黏剂完全固化。

2)安装位移测量计：如附图2所示，使用自攻木螺钉将上固定装置固定于在一侧表层菠萝格木板上，并使用L板将位移测量计连接在上固定装置上，再根据位移测量计的位置，将下固定装置固定于另一侧表层菠萝格木板上。

3)安装试件：将上下两块可移动压板分别与万能力学试验机施载头和支撑头通过M14螺钉连接但不锁紧，再将已安装完位移测量计的滚动剪切试件竖直置于力学试验机施载头和支撑头之间，通过操作力学试验机与上下压板，使滚动剪切试件如图1a-图1d所示，与上下压板紧密贴合但不施加荷载，以保证试件呈θ角度倾斜，而不至滑移。

4)施载与结果记录：设定力学试验机以0.5mm/min速率施载，直至试件破坏，记录下试件实际测量尺寸、破坏形式、最大荷载P_max、并根据位移变形对应荷载绘制出荷载-位移图。

5)滚动剪切强度计算：

$f_v=\frac{\cos \mathrm{\θ}\·P_{\max }}{c\·l}---\left(3\right)$

式中，f_v为滚动剪切强度(MPa)，θ为偏转角度(本实施例中θ为4°)，P_max为最大荷载(N)，c为试件实际测量宽度(mm)，l为试件实际测量长度(mm)。

6)滚动剪切模量计算：

$G_{rt}=\frac{a}{c\·l}\·\frac{\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\Δ}y}---\left(4\right)$

式中，G_rt为滚动剪切模量(MPa)，a为试件实际测量厚度(mm)，c为试件实际测量宽度(mm)，l为试件实际测量长度(mm)，为荷载-位移曲线中直线部分的斜率。

实施例的技术效果：

本实施例中，测量计算得18mm厚速生桉木试件滚动剪切强度f_v为1.1MPa，滚动剪切模量G_rt为3.9MPa。

实施例3：

本实施例所述木材滚动剪切测试装置由可移动压板、位移测量计、滚动剪切试件构成，并配合万能力学试验机一起使用，其中滚动剪切试件参照图3a-图3c尺寸及形状进行锯制，将两块表层硬质阔叶木板与待测木块在一定压力下经木材胶黏剂压制而成。

所述木材滚动剪切测试具体步骤为：

1)制样：根据需求制作木材滚动剪切试件，本实施例中选取速生桉木作为芯层待测木材，菠萝格木材作为表层硬质阔叶材，木材胶黏剂选取聚氨酯胶黏剂。先使用高精度圆锯机将速生桉木锯至尺寸：450mm×175mm×36mm(R×L×T)；将菠萝格木材锯至尺寸：450mm×175mm×36mm(L×R×T)。如图3a-图3c所示，分别将两块菠萝格木板上下两端锯切至θ为12°。将聚氨酯胶黏剂均匀涂施于桉木两平面，并与菠萝格木板纹理相互垂直组胚，施以1Mpa压力并保持200min以上直至胶黏剂完全固化。

2)安装位移测量计：如附图2所示，使用自攻木螺钉将上固定装置固定于在一侧表层菠萝格木板上，并使用L板将位移测量计连接在上固定装置上，再根据位移测量计的位置，将下固定装置固定于另一侧表层菠萝格木板上。

3)安装试件：将上下两块可移动压板分别与万能力学试验机施载头和支撑头通过M14螺钉连接但不锁紧，再将已安装完位移测量计的滚动剪切试件竖直置于力学试验机施载头和支撑头之间，通过操作力学试验机与上下压板，使滚动剪切试件如图1a-图1d所示，与上下压板紧密贴合但不施加荷载，以保证试件呈θ角度倾斜，而不至滑移。

4)施载与结果记录：设定力学试验机以0.5mm/min速率施载，直至试件破坏，记录下试件实际测量尺寸、破坏形式、最大荷载P_max、并根据位移变形对应荷载绘制出荷载-位移图。

5)滚动剪切强度计算：

$f_v=\frac{\cos \mathrm{\θ}\·P_{\max }}{c\·l}---\left(5\right)$

式中，f_v为滚动剪切强度(MPa)，θ为偏转角度(本实施例中θ为4°)，P_max为最大荷载(N)，c为试件实际测量宽度(mm)，l为试件实际测量长度(mm)。

6)滚动剪切模量计算：

$G_{rt}=\frac{a}{c\·l}\·\frac{\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\Δ}y}---\left(6\right)$

式中，G_rt为滚动剪切模量(MPa)，a为试件实际测量厚度(mm)，c为试件实际测量宽度(mm)，l为试件实际测量长度(mm)，为荷载-位移曲线中直线部分的斜率。

实施例的技术效果：

本实施例中，测量计算得36mm厚速生桉木试件滚动剪切强度f_v为1.5MPa，滚动剪切模量G_rt为4.9MPa。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，例如，对本发明中的各组分的常见/惯用的替换等，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种交叉层积材滚动剪切测试装置，其特征在于：所述交叉层积材滚动剪切测试装置由可移动压板、位移测量计和滚动剪切试件构成，并配合万能力学试验机一起使用。

2.根据权利要求1所述的一种交叉层积材滚动剪切测试装置，其特征在于，所述可移动压板可沿垂直于加载方向左右移动，分别由两颗M14螺钉与万能力学试验机加载头和支撑头紧固连接；所述压板尺寸为175mm×120mm(长×宽)，由钢材制得，可根据滚动剪切试件厚度和锯切角度左右移动调整，保证垂直加载。

3.根据权利要求1所述的一种交叉层积材滚动剪切测试装置，其特征在于，所述位移测量计由自攻木螺钉安装固定在滚动剪切试件表层硬质阔叶木板上。

4.根据权利要求1所述的一种交叉层积材滚动剪切测试装置，其特征在于，所述滚动剪切试件由至少三层材料复合而成，其中包括一块芯层待测木块及两块表层硬质阔叶木板，所述待测木块横纹排列，位于芯层，厚度a为9mm-36mm。两块硬质阔叶木板顺纹排列，位于两侧表层，每块厚度b为18mm-36mm。表层木板根据需要分别在上下两端沿宽度方向锯切成角度θ，θ为8°-12°角，滚动剪切试件宽度c为150mm-175mm，长度l为450mm，三层结构试件经胶黏剂胶合压制而成。