專利名稱：具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木及其制備方法和用途的制作方法
技術領域：
本發明涉及建筑用結構構件，具體涉及具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木及其制備方法和用途。
背景技術：
膠合木結構由于具有節能環保、結構性能優良、尺寸形狀不受原木徑級限制等優點，目前在國外建筑結構領域應用廣泛。近幾年來，由于我國的節能減排及綠色建筑技術的政策向導，膠合木結構建筑在我國也呈現出迅速發展的勢頭，因此利用先進的木材加工技術制造出輕質高強的膠合木材料，將其用于建筑領域，有廣闊的發展前景和市場。在實際使用中，常規膠合木木梁的結構梁截面如圖2所示，由膠粘劑層I和為木材層板2組合，常規膠合木木梁的彎曲破壞絕大部分是由其受拉區的木節、斜紋等木材固有天然缺陷或機械接頭部位人工缺陷等薄弱環節最先失效引起，木材強度尤其是順紋受壓強度得不到充分利用。同時，常規膠合木木梁在長期荷載作用下抗蠕變性能較差，因此在建筑結構設計中構件的截面一般較大，膠合木木梁顯得粗重而笨大，且材料浪費嚴重。同時建筑結構設計中，膠合木木梁截面尺寸的確定往往是根據其剛度進行控制，在剛度符合設計要求的條件下，構件的強度均遠超設計值，這也造成了材料的嚴重浪費，并且構件輕巧性得不到充分體現，不利于木結構的推廣使用，為解決這一問題，現有的方法是通過在膠合木木梁受拉區配置高強FRP或鋼筋等非天然材料來增強，但該方法存在以下不足粘結高強的FRP或鋼筋等非天然材料，需要特殊的膠粘劑進行粘結，這無疑使施工工藝復雜化，導致成本增加；產品加工制作的可操作性差；采用高強的FRP或鋼筋等非天然材料進行預應力的張拉，需要利用專門的錨固裝置進行高強材料在膠合木木梁端部的固定，錨固操作存在困難，現有的錨固技術和裝置不夠成熟，應用性差，且預應力損傷大，錨固裝置的加入使得產品成本增加；采用昂貴的高強FRP等材料，產品成本增加，采用高強鋼筋等金屬材料，有銹蝕的可能，從而影響構件的性能，同時這些材料的加入使產品不屬于綠色生態材料；高強的FRP或鋼筋等增強材料和木材的相容性差，產品在服役期間易與木材本體發生剝離，產品質量的可靠性差。
發明內容
發明要解決的技術問題
針對上述現有技術中存在的常規膠合木木梁在長期荷載作用下抗蠕變性能差，建筑中膠合木木梁截面過大，且受壓區木材得不到充分利用；高強的FRP或鋼筋等非天然材料增強的膠合木木梁施工工藝復雜，材料之間相容性差，容易發生剝離等問題，本發明提供了具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木及其制備方法和用途，所述預應力膠合木，用于膠合木木梁領域，通過預先在膠合木木梁高度方向層板中設定含水率梯度，通過后期含水率梯度消除，木材的干縮濕脹受到含水率不變尺寸穩定的木材的約束而無法自由變形，從而產生預應力的方式來增強木梁，克服了上述種種不足，有效解決了常規膠合木木梁和非天然材料增強木梁中存在的以上問題。技術方案
發明原理:
膠合木木梁按照建筑設計和結構使用要求，對影響木材力學性能和外觀可視性的固有天然缺陷節子、裂隙、斜紋、腐朽、蟲眼和孔洞進行剔除和控制，利用在膠合木木梁受拉、受壓區配置高應力等級結構木材，并沿構件高度的三個部分的木材設置含水率梯度，不同含水率木材達到平衡一致后，由于木材失水干縮和吸濕膨脹受到含水率未發生變化的中部木材的抑制，不能自由發生干縮濕脹變形而產生預應力，膠合木木梁的抗蠕變性能得到明顯改善；在實際加工中在膠合木層板組坯中將力學性能較高的木材層板配置在木梁底部受拉區和頂部受壓區，并在沿木梁高度方向的頂部、中部和底部三個區域內將所含木材層板的含水率分別調整到高于、等于和低于氣干平衡含水率的狀態，木梁膠合加壓成型并養護過程中，木梁高度的中 部區域內由于木材含水率基本不發生改變而尺寸恒定，頂部區域內木材解吸失水至氣干平衡含水率，底部區域內木材吸濕至氣干平衡含水率。最終膠合木木梁由于頂部木材失水變短，但受到中部木材尺寸不變的約束而承受張拉應力，同時，其底部木材吸濕變長，但受到中部木材尺寸不變的約束而承受壓縮應力，膠合木木梁頂部的張拉應力和底部的壓縮應力賦予其預應力。技術內容:
具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木的制備方法，其步驟為:
(1)將原木鋸解成規格材，規格材的尺寸為厚度范圍20mm-45mm、寬度范圍80mm 280mm、長度范圍 IOOOmm 6000mm ；
(2)對規格材干燥將其含水率控制在15%-25%，再對其固有天然缺陷節子、裂隙、斜紋、腐朽、蟲眼和孔洞進行剔除和控制，并對其進行應力分級和編號標記；
(3)對規格材進行防腐防蟲或阻燃化學藥劑浸潰改性處理；
(4)將已經強度分等后的高應力等級的作為頂部受壓區和底部受拉區的規格材的木材含水率分別調整到14°/Γ16%和6°/Γ8%的范圍內，將低應力等級的作為中部受剪區的規格材的木材含水率控制在10°/Γ12%范圍內；
(5)分別在保持含水率14°/Γ16%、10°/Γ12%和6°/Γ8%恒定的環境條件中對頂部受壓區、中部受剪區和底部受拉區的規格材進行指接接長和橫向拼寬，并養護直至膠粘劑完全固化，接長和拼寬中木材紋理方向朝向一致，最終制備得到頂部受壓區、底部受拉區和中部受剪區木材層板，在接長、拼寬和養護中，始終在維持其在對應的含水率恒定的環境條件中操作；
(6)對頂部受壓區、中部受剪區和底部受拉區的木材層板組坯，并對其進行厚度方向的疊合加壓，組坯和涂膠均在維持其各自層板含水率恒定的環境條件中操作，然后在溫度18-22°C、相對濕度60-70%的環境條件下加壓并養護至膠粘劑完全固化，壓力取值
0.6MPa-l.2MPa，最終膠合木內部各處木材含水率達到均勻一致，均達到10%_12% ；
(7 )最后對膠合木進行定尺寸加工、表面刨光磨光、修補、涂飾、檢驗、使用方向的標識，最終包裝入庫。特別在所述步驟4中將已經分等后的高應力等級的作為頂部受壓區和底部受拉區的規格材的木材含水率分別調整到159Γ15.5%和6.5°/Γ7%的最佳范圍內，將低應力等級的作為中部受剪區的規格材的木材含水率控制在11%最佳范圍內。所述頂部受壓區和底部受拉區采用花旗松、落葉松、南方松、歐洲赤松高應力等級的結構木材為原料，木梁中部受剪區使用楊木、杉木、馬尾松、桉木人工速生木材或低應力等級的結構木材為原料。所述膠粘劑層使用的膠粘劑為結構用冷固化型苯酚-間苯二酚-甲醛樹脂膠粘齊 、聚氨酯膠粘劑、尿素-三聚氰胺-甲醛樹脂膠粘劑或三聚氰胺-甲醛樹脂膠粘劑。根據上述方法制備的具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木包括沿木梁高度方向的頂部受壓區、中部受剪區、底部受拉區和膠粘劑層，所述頂部受壓區、中部受剪區和底部受拉區通過膠粘劑層相互粘結固定成型，所述含有頂部受壓區、中部受剪區和底部受拉區的膠合木，三個部分木材的最終含水率相同，均在10°/Γ12%范圍內。具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木，可以應用于膠合木木梁生產。有益效果
所述具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木，主要應用在膠合木木梁領域內，其主要技術點在于在膠合木木梁制備前，預先在膠合木木梁高度方向上設定木材含水率梯度，并將高應力等級木材層板配置在木梁的頂部和底部，其有益效果主要有以下六點:
(1)所述的具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木木梁利用木材含水率梯度產生預應力的方式，來提高木梁的結構性能，提高了構件的抗蠕變性能，不改變材料成本；
(2)與常規膠合木木梁相比，在相同力學性能的條件下，所述的具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木木梁截面面積更小，可節約使用木材，具備減碳效果；
(3)與等截面常規膠合木木梁相比，所述的全木質預應力膠合木木梁力學抗蠕變變形性能改善效果明顯，即需控制在相同的蠕變變形范圍時，所需構件的體積更小，可節約木材，具備減碳效果；
(4)所述的具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木全部采用純綠色生態的木材，避免了使用高強FRP和鋼筋等非天然材料增強帶來的環保、技術、應用和耐久性等方面問題；
(5)所述具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木木梁，其生產工藝簡單、可操作性強；
(6)所述具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木木梁在制作過程中對木材原料固有天然缺陷節子、腐朽、斜紋、裂隙、蟲眼和孔洞進行剔除和控制，構件力學性能可靠度高。
圖1為具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木的制備方法流程圖。圖2為常規膠合木木梁截面示意圖。其中I為膠粘劑層，2為木材層板。圖3a為實施例1中所述具有抗蠕變變形性能的膠合木木梁的截面示意圖。圖3b為實施例8中所述具有抗蠕變變形性能的膠合木木梁的截面示意圖。圖3c為實施例9中所述具有抗蠕變變形性能的膠合木木梁的截面示意圖。圖中標注為:1為頂部受壓區高含水率狀態下的高應力等級結構木材層板，2為中部受剪區平衡含水率狀態下的速生木材層板或低應力等級木材層板，3為底部受拉區低含水率狀態下的高應力等級結構木材層板，4為膠粘劑層，5為頂部受壓區平衡含水率狀態下的高應力等級結構木材層板，6底部受拉區平衡含水率狀態下的高應力等級結構木材層板。
具體實施方式
以下結合實施例對本發明作進一步詳細說明。實施例1
如圖1為具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木的制備方法，其步驟為:
(1)木材原料預處理:根據設計要求，通過機械鋸切的加工方式對花旗松和速生楊木木
材通過機械進行鋸解截斷、剖分制材和刨光，制出厚度20mm、寬度80mm、長度IOOOmm的規格
材。對規格材進行干燥處理，將其含水率控制在15%范圍內，并對花旗松和速生楊木木材原
料的固有天然缺陷腐朽、節子、斜紋、裂隙、蟲眼和孔洞進行剔除和控制，并對其進行應力分
級(應力分等編號標記)，應力分等一般采用機械彈性模量和機械應力分等。機械彈性模量
分等層板分為9等，各等平均彈性模量性能指標見表I。應力分等層板分為6等。機械彈性
模量分等層板等級和機械應力分等層板等級的對應關系見表2。 表I機械彈性模量分等層板強度性能指標(Mpa)
權利要求
1.具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木的制備方法，其步驟為: (1)將原木加工成規格材，規格材的尺寸為厚度20mm-45mm、寬度8(T280mm、長度1000 6000mm ； (2)對規格材干燥將其含水率控制在15%-25%范圍內，并對其進行應力分級； (3)對規格材進行防腐防蟲或阻燃改性處理； (4)將已經分等后的高應力等級的作為頂部受壓區和底部受拉區的規格材的木材含水率分別調整到14°/Γ16%和6°/Γ8%的范圍內，將低應力等級的作為中部受剪區的規格材的木材含水率控制在10°/Γ12%范圍內； (5)分別在含水率14°/Γ16%、109Γ12%和6°/Γ8%恒定的環境條件中對頂部受壓區、中部受剪區和底部受拉區的規格材進行指接接長和橫向拼寬，接長和拼寬中木材紋理方向朝向一致，經涂膠加壓并養護至膠粘劑完全固化，指接接長中指榫端部涂膠量150g/m2-350g/m2，加壓壓力3.0MPa-6.0MPa，加壓時間5s_20s，橫向拼寬中涂膠量150g/m2-500g/m2，加壓壓力0.6MPa-1.2MPa，加壓時間0.5h_2h，制得頂部受壓區層板、底部受拉區層板和中部受剪區層板，在接長和拼覽工序中，以及后期養護中始終在維持其在含水率恒定的環境條件中進行； (6)對頂部受壓區、中部受剪區和底部受拉區的層板沿厚度方向組坯配置，層板組坯和涂膠均在維持其各自層板含水率恒定的環境條件中進行，并在溫度18°C _22°C、相對濕度60%-70%的環境條件下加壓并養護至膠粘劑完全固化，其中疊厚加壓中涂膠量150g/m2-500g/m2，加壓壓力0.6MPa_l.2MPa，加壓時間2.0h-8.0h，養護完畢后的膠合木，其內部各處木材含水率均勻一致，均達到10%-12% ； (7)最后進行膠合木 的表面刨光磨光、修補、涂飾和使用方向的標識，檢驗包裝入庫。
2.根據權利要求1所述的具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木的制備方法，其特征在于，所述步驟4中將已經應力分等后的高應力等級的作為頂部受壓和底部受拉區的木材的含水率分別調整到159Γ15.5%和6.5°/Γ7%范圍內，將低應力等級的作為中部受剪區的木材的含水率調整為11%。
3.根據權利要求1或2所述的具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木的制備方法，其特征在于，所述頂部受壓區和底部受拉區采用花旗松、落葉松、歐洲赤松、南方松高應力等級的結構木材為原料，木梁中部受剪區使用楊木、杉木、馬尾松、桉木人工速生木材或低應力等級的結構木材為原料。
4.根據權利要求1或2所述的具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木的制備方法，其特征在于，所述膠粘劑使用的膠粘劑為結構用冷固化型苯酚-間苯二酚-甲醛樹脂膠粘劑、聚氨酯膠粘劑、尿素-三聚氰胺-甲醛樹脂膠粘劑或三聚氰胺-甲醛樹脂膠粘劑。
5.根據權利要求4所述的具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木的制備方法，其特征在于，所述步驟2中在對規格材干燥將其含水率控制在15%-25%范圍內后，對規格材的固有天然缺陷腐朽、節子、斜紋、裂隙、蟲眼和孔洞進行剔除和控制。
6.根據權利要求1-5所述方法制備的具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木，其特征在于:所述膠合木包括沿木梁高度方向的頂部受壓區、中部受剪區、底部受拉區和膠粘劑層，所述頂部受壓區、中部受剪區和底部受拉區通過膠粘劑層相互粘結固定成型，所述含有頂部受壓區、中部受剪區和底部受拉區的膠合木構件，三個部分木材的最終含水率相同，均為10%-12%O
7.根據權利要求6所述的具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木，應用于膠合木木梁的生產。
全文摘要
本發明公開了具有抗蠕變變形性能的預應力膠合木及其制備方法和用途，屬于建筑用結構構件領域。其包括沿木梁高度方向的頂部受壓區、中部受剪區、底部受拉區和膠粘劑層，所述頂部受壓區、中部受剪區和底部受拉區內部和之間的層板通過膠粘劑層相互粘結固定成型，所述含有頂部受壓區、中部受剪區和底部受拉區的膠合木構件，三個部分木材的最終含水率相同，均為10%-12%。其原理是在膠合木木梁受拉、受壓區配置高應力等級結構木材，并沿構件高度的三個部分的木材設置含水率梯度，不同含水率木材達到平衡一致后，由于木材的失水干縮和吸濕膨脹受到抑制，不能充分自由伸縮變形而產生預應力，長期荷載作用下膠合木木梁的抗蠕變性能得到明顯改善，并且在構件制備初期對木材中影響力學性能的固有天然缺陷進行控制，產品結構性能穩定可靠，剛度高，抗蠕變性能優異，可用作木結構建筑用承重木梁。
文檔編號B27D1/10GK103072159SQ20131002978
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月28日 優先權日2013年1月28日
發明者岳孔, 劉偉慶, 陸偉東, 劉宇, 霍瑞麗 申請人:南京工業大學