# 一、标题 胶层连接与木销连接对三层苏格兰松（*Pinus sylvestris* L.）层积材弯曲性能与破坏机制的影响：层间接合方式与年轮朝向的对比试验研究

《Land》：Inheritance of Rural Homestead Use Rights Under China’s “Separation of Three Rights” Framework: Judicial Observations, Legal Dilemmas, and Institutional Pathway

　　

无胶层积木复合材料的发展需要有效的机械连接，以确保各层之间具有足够的组合作用。本研究考察了层间接合方式（聚氨酯胶黏剂胶接与木销连接）以及芯层年轮朝向对三层苏格兰松（*Pinus sylvestris* L.）复合材料弯曲性能与破坏机制的影响。通过弯曲试验对四种构型进行评价，考察表观弹性模量（MOE_app）、表观断裂模量（MOR_app）、表观弯曲刚度（EI_app）、能量吸收能力（EC）及密度。采用双因素方差分析评估两个试验因素及其交互作用的影响。接合方式是影响力学性能的主导因素。胶接复合材料的MOE_app为8.35–9.82 GPa，MOR_app为134–141 MPa；而木销连接复合材料分别为1.36–1.40 GPa和71–74 MPa。平均而言，与胶接相比，木销连接使MOE_app降低约85%，MOR_app降低约47%。相反，木销连接试件的能量吸收能力约为胶接试件的2.1–2.7倍。构成复合材料中间层的板材年轮朝向对MOE_app具有统计学显著但相对较小的影响，而对其他力学参数的影响不显著。在所考察的各构型之间未发现密度的统计学显著差异。胶接试件主要发生木材破坏而无可见胶缝损伤，而木销连接试件表现出更为复杂的破坏行为，涉及木材断裂、连接件损伤及层间位移。未观察到破坏机制与芯层年轮朝向之间存在明显差异。研究结果突显了层间接合方式在层积木复合材料整体弯曲响应中的主导作用，并表明有必要进一步研究无胶体系中的连接件刚度与部分组合作用。

# 四、论文解读

**研究背景与问题**

工程木制品，尤其是正交胶合木（CLT）与层积木复合材料，因其力学性能高、环境影响低、可预制化等优势，在住宅与商业项目中应用日益广泛，并与降低隐含碳、促进可再生资源利用及循环经济的全球战略密切相关。层积木构件的结构性能不仅取决于原材料属性，还取决于层间连接方式与各组分排列。工业实践中以胶黏剂胶接为主导，采用聚氨酯（PU）、三聚氰胺-尿素-甲醛（MUF）或酚-间苯二酚-甲醛（PRF）等合成树脂，可实现有效的组合作用与应力传递，其设计方法在工程标准中已较为成熟。但胶接方案在报废处理、可回收性与环境影响方面存在挑战，尤其涉及挥发性有机化合物（VOC）排放及多数商用胶黏剂的化石来源问题。机械紧固件（木销、螺钉、钉子）通过离散连接点而非连续胶接传递层间荷载，有利于拆解、再利用与回收，但以离散机械连接替代连续胶接可能导致整体刚度下降、破坏模式改变以及对水分与长期荷载的敏感性增加；木销类连接可能易发生层间滑移、滚动剪切及紧固件几何与木材各向异性之间的复杂相互作用。既有研究多聚焦于连接件材料、几何、布置或湿依赖行为，而木材作为正交各向异性材料，其年轮朝向可能影响局部变形与应力传递，这种影响在整体弯曲性能中的体现程度取决于相邻层间的力学相互作用。因此，尚需在等效的三层构型内进行受控试验比较，以确定当层间连接由连续胶接变为离散木销时，年轮朝向变化是否可测量地影响弯曲刚度与强度，相关破坏机制亦具有参考价值。

**研究内容与结论**

为此，研究人员旨在考察层间接合方式与年轮朝向对三层苏格兰松（*Pinus sylvestris* L.）复合材料弯曲性能与破坏机制的影响，通过将两种连接体系——连续聚氨酯（PUR）胶接与光滑松木销——与芯层两种年轮朝向组合，制备四种试验构型，采用配对木材单元并测定其初始弹性模量以获得可比材料属性，在四点弯曲下评价密度、弯曲弹性模量（MOE_app）、断裂模量（MOR_app）、表观弯曲刚度、能量吸收能力与破坏机制。研究表明，层间接合方式是决定复合材料力学行为的主导因素，年轮朝向作用次要；木销连接显著降低表观刚度与强度但明显提高能量吸收能力，两种连接体系产生根本不同的结构响应，其意义在于为无胶层积木体系中连接件刚度与部分组合作用的进一步研究提供了试验依据。

**关键技术方法**

木材取自波兰供应商Kleniewski Tartak（Bondyrz, Poland），据供方信息原材来自波兰Mazowiecko-Podlaska森林区，经目视筛选剔除大节子、可见裂纹、明显纹理偏差、生物降解迹象或显著几何畸变等缺陷板。板材加工至22 mm×140 mm截面，每根2000 mm长板锯为两段1000 mm“孪生”单元，分作同一复合梁的上、下外层以减少拉压区间解剖结构与力学性质差异；在22 °C、65% RH条件下调湿，含水率由MERLIN Technology EVO WW含水率仪测定（均值9.3%，范围8.7%–9.6%），质量用精度±0.02 g的实验室天平测定，尺寸用数显卡尺测定并取三次测量均值，密度按立体测量法计算。各外层单板弹性模量（MOE_lam）按EN 408:2012以静态四点弯曲（平放、跨距900 mm、支座至最近加载点300 mm、位移控制0.06 mm/s、最大总荷载2 kN、加载后卸载以免损伤）测定，跨中挠度用Novotechnik TRS 75位移传感器（精度±0.01 mm）测量，由线弹性段荷载–挠度曲线斜率按式(1)计算，并据此将孪生外层板分配至四个试验组以保证各组MOE_lam范围与变异性可比。芯层另备公称尺寸22 mm×100 mm×140 mm的松木单板，按截面年轮朝向分类为立置（竖向）与平置（横向）。每根复合梁由两根纵向外层板与十根连续排列的横向芯层板组成，芯层十根板年轮朝向一致。胶接体系（构型1、2）采用单组分湿固化聚氨酯胶Chemolan B（45版，D4耐水等级），刷涂双面，名义涂胶量约180–220 g/m²，开放陈化15 min、闭合陈化约20 min，冷压0.4 N/mm²（0.4 MPa）持续3 h，压后调湿72 h；木销体系（构型3、4）采用20根公称直径16 mm、含水率约8%的光滑松木销，木纹沿销轴纵向，贯穿三层全厚，每根销为双剪连接件（芯层与两外层界面处两个潜在剪切面），以立柱钻床钻15.5 mm孔形成0.5 mm公称直径过盈，销按预定钻孔图布置（两方向名义间距100 mm与80 mm），手工压机无胶插入。所有复合梁（每构型6个试件）进行单调位移控制弯曲试验（0.08 mm/s至破坏），跨中挠度用Novotechnik TRS 75传感器测量，采样率2 Hz。表观弯曲刚度EI_app由线弹性段荷载–挠度曲线斜率按对称四点弯曲梁挠度关系计算，MOE_app为EI_app除以复合截面毛截面二次矩，MOR_app由最大弯矩与毛截面模量计算；能量吸收能力（EC）以梯形法则对力–位移曲线数值积分，自加载开始至下降段荷载降至最大荷载（F_max）85%处，对突发脆性破坏无法可靠识别85% F_max准则者，积分终止于突发破坏前最后一个有效数据点，按式(4)计算。统计分析采用双因素方差分析（ANOVA）评估接合方式与年轮朝向的主效应及交互作用对MOE_app、EI_app、MOR_app与EC的影响，ANOVA前以Shapiro–Wilk与Levene检验分别评价残差正态性与方差齐性，四构型间两两比较采用Welch t检验并以Holm法校正多重比较，显著性水平α=0.05。

**研究结果**

*复合前木材组分的物理力学性能*：外层板平均密度541 kg/m³、平均弹性模量12 953 MPa；分配至四构型的外层板初始性能组间无统计学显著差异（p > 0.05），表明初始材料性能可比，复合材料力学性能差异主要与层间接合方式相关而非初始木材变异性，接合方式与年轮朝向效应可在初始密度混杂影响有限条件下评价。芯层十根单元平均密度544 kg/m³（标准差25 kg/m³），单件密度378–661 kg/m³。组装后四构型平均密度518–562 kg/m³，构型1（胶接、立置年轮）最高为562 kg/m³，构型2（胶接、平置年轮）551 kg/m³，木销连接梁构型3（立置）与构型4（平置）分别为518与529 kg/m³；尽管接合方式与年轮朝向不同，组装复合材料密度仍处于较窄范围。

*方差分析*：接合方式（A）对所有分析力学性能均有统计学显著影响（p < 0.001），分别解释MOE_app总方差的94.74%、MOR_app的87.60%、EI_app的94.75%与EC的74.46%；对MOE_app与EI_app的贡献尤高，表明层间接合方式是决定刚度相关行为的主导因素；对密度影响不显著（p = 0.517），贡献仅0.84%。年轮朝向（B）影响小得多，仅对MOE_app显著（p = 0.0168），对总方差贡献仅1.22%，其余性能（含密度）无显著效应（p > 0.05），贡献0.11%–1.99%。接合方式与年轮朝向交互作用（A×B）仅对MOE_app显著（p = 0.0362），解释其总方差0.90%，其余性能交互作用不显著（p > 0.05），贡献0.36%–3.87%；表明接合方式对力学性能的影响在很大程度上独立于年轮朝向。MOE_app（3.14%）、MOR_app（11.86%）、EI_app（3.70%）与EC（19.68%）的残差方差相对较低，说明所考察因素解释了力学性能变异的相当部分；密度残差方差达95.87%，其变异主要与模型未纳入因素尤其是木材天然非均质性相关。总体确认层间接合方式是支配复合材料力学行为的主要因素，年轮朝向起次要作用；接合方式对MOE_app与EI_app的显著效应与不同连接体系组合作用程度差异一致，但层间滑移与剪切变形的各自贡献未被独立测量。

*构型力学性能与两两比较*：胶接构型的MOE_app、MOR_app与EI_app显著高于木销连接构型。MOE_app最高为构型2（9818 MPa），比构型1高约17.5%，差异显著（p = 0.0347），而两木销构型间差异不显著（p = 0.7955），提示年轮朝向对整体弯曲响应的影响可能取决于层间接合体系。MOE_app变异性在构型间不同：构型1标准差1085 MPa（CV = 13.0%），构型4为87 MPa（CV = 6.4%）；V1绝对变异性明显较高，但相对其均值表达时差异较小，该变异性可能反映木材天然非均质性与连接体系变形行为差异。MOR_app在同一连接体系内相近，表明层间接合类型是影响名义弯曲强度的主导因素；表观弯曲刚度呈相似格局，胶接构型显著更高，但多重比较校正后两胶接构型间无统计学显著差异。EC呈不同响应，构型4均值最高（648 J），约为构型1的2.65倍，提示机械连接复合材料尽管整体刚度较低，但可能表现更大变形与能量吸收；此解释需考虑层间滑移、连接件变形与所观察破坏过程可能的不同贡献。Rostampour Haftkhani与Hematabadi [24]证实了层排列与剪切相关行为在决定CLT板表观弯曲性能中的重要性；Ren等 [22]强调了连接体系与滚动剪切性能在层积木结构力学行为中的意义；因此木销连接复合材料表观刚度的降低应解释为多种变形机制的共同效应，而非仅归因于连接件柔度。木销连接复合材料平均MOE_app较胶接低约85%，表明离散连接体系伴随整体弯曲刚度的显著降低，与既有无胶层积木研究一致。Derikvand等 [18]表明改变连接件材料可显著改善DLT梁的组合行为，其采用回收胶合板榫的试件弯曲刚度较常规橡木销试件高约40%，归因于端部滑移更低与组合效应更大；这一观察对本文结果尤为重要，说明所测木销连接复合材料的低刚度不应视为所有无胶木体系的固有局限，而反映本研究所用特定连接件与连接几何的特征。类似地，Xu等 [19]研究致密化木销连接的三层CLT，报道木销元件有效弯曲刚度低于常规CLT，同时观察到无胶体系延性更大，并表明致密化木销数量与布置影响无胶CLT的有效弯曲刚度与弯曲强度，木销元件可在延性大于常规CLT的同时获得有用的结构性能。两连接体系差异可由相邻单板间剪力传递机制解释：胶接试件中连续胶层沿整个界面提供分布应力传递并强烈限制单板间相对位移，各层能更有效地参与全截面抗弯；木销连接试件中荷载传递集中于离散连接点，销周木材局部变形与销自身变形可显著贡献总挠度，从而降低组合作用程度与有效弯曲刚度；整体挠度还可能包含横向芯层的剪切变形，但由于层间滑移、连接件变形与芯层剪切变形未被独立测量，其各自对表观弯曲刚度的贡献无法量化。Dourado等 [20]亦报道了胶接与机械连接木板间的类似差异，其采用结构胶或木钉连接的木板试验中木销连接方案刚度约为胶接参照的一半，表明连接刚度在组装木构件弯曲响应中的重要性；本文结果差异更为显著，木销元件平均MOE_app仅为胶接元件的约15%，该差异可能与连接件几何与间距、本研究所用木销刚度及所考察连接有限的组合作用有关。结果因此表明，在未考虑层间连接刚度的情况下，组成松木单板的力学性能不能直接移植至组装元件；DLT与无胶CLT体系中亦有类似行为报道，即连接件柔度支配构件整体变形 [14,15,25]。

*年轮朝向的影响*：年轮朝向影响远小于连接体系影响。朝向由立置改为平置使胶接试件MOE_app由8353增至9818 MPa，增幅约18%；年轮朝向对总方差贡献较小，提示径向与切向材料行为差异在所考察条件下对整体弯曲响应影响有限。MOE_app的显著交互作用表明该效应可能取决于连接体系，但层间接合类型的主导影响在很大程度上决定复合材料刚度相关行为。木销连接试件MOE_app仅由1395变为1365 MPa，降幅约2%；因此尽管观察到两种朝向间存在一定差异，其效应远小于层间接合类型所致差异。双因素ANOVA确认年轮朝向（p = 0.0168）及其与连接类型交互作用（p = 0.0362）对MOE_app的统计学显著效应，但其对总方差贡献分别限于1.22%与0.90%，实际重要性明显小于连接类型；年轮朝向亦应与纵向木纹方向相区别，其对整体弯曲响应的影响可能与径向与切向材料行为差异有关，但本研究未独立考察其内在机制；层积木复合材料中亦有类似结论，即界面剪切刚度的影响远大于单板朝向 [26]。弯曲强度呈相似趋势：胶接试件MOR_app立置构型为134.4 MPa、平置构型为140.8 MPa，木销连接试件相应为73.8与71.6 MPa，木销连接复合材料平均MOR_app较胶接元件低约47%。MOR_app的降低明显小于MOE_app的降低：以木销替代胶层后平均刚度下降约85%，平均弯曲强度下降约47%，表明连接体系对变形行为的影响强于对极限抗弯承载力的影响；木销元件因此柔度大得多，但仍能达到胶接复合材料极限弯曲强度的相当比例，与既有无胶木复合材料研究一致——Xu等 [19]发现木销CLT弯曲强度与有效弯曲刚度低于常规CLT，而其更大延性被视为无胶构型的特征优势之一。

*能量吸收能力*：EC呈不同趋势：胶接试件EC为244与239 J，木销连接试件为501与648 J；因此尽管刚度和弯曲强度显著较低，木销连接复合材料吸收的能量约为胶接试件的2.1–2.7倍。该结果尤为重要，表明木销连接复合材料的力学性能不能仅依据MOE_app与MOR_app评价；较高EC表明在规定的峰后终点前具有更显著的变形能力，低初始刚度、渐进式连接件变形与层间位移的组合使木销连接试件在持续承载的同时经历大得多的变形，与Xu等 [19]报道的无胶木销CLT更大延性一致。因此木销连接试件较高的EC应与其显著较低的表观刚度一并解读，较高能量吸收可能与变形增加和渐进损伤相关而非更高承载能力，但各变形与损伤机制对总吸收能量的贡献未被量化。年轮朝向对EC的影响在木销连接复合材料中亦更明显：胶接试件EC由244变为239 J，差异约2%；平置木销构型达647 J，而立置构型为501 J，增幅约29%，但构型3与构型4间差异无统计学显著性，故该趋势应谨慎解读。

*破坏机制*：胶接与木销连接复合材料破坏机制不同。胶接试件破坏主要发生于木材内部，无可见胶缝损伤，表明界面在破坏前维持组合作用；木销连接试件呈现更复杂损伤机制，包括木材拉伸断裂、连接件周围局部压溃、木销剪切及渐进层间位移。所观察滑移表明部分组合作用，可解释木销连接复合材料显著较低的表观刚度与较高能量吸收能力。机械连接木体系中剪力通过离散连接件传递，其刚度、嵌入行为及与周围木材的配合影响整体弯曲响应，Dourado等 [20]亦证实连接件特性对组装木构件刚度与强度的重要性；然而由于各变形分量未被独立测量且缺乏完整照片记录，所观察破坏机制的相对贡献与发生频率无法量化。所观察层间位移与木销连接复合材料显著较低的MOE_app与部分组合作用一致，但连接件变形与层间滑移对实测挠度的贡献程度无法定量确定。因此木销连接复合材料的有效弯曲响应应视为木材单板与可变形层间连接的共同响应。相反，胶接试件在整个加载过程中保持层间完整性，未观察到胶缝可见破坏且破坏发生于木材内部，表明在本弯曲试验条件下胶接界面并非复合材料的临界组分；连续胶层使相邻单板间实现有效应力传递并在木材破坏前维持组合作用，但无可见胶缝破坏本身并不能证明满足结构胶合木产品的胶合要求。破坏机制比较因此支持力学结果：胶接元件兼具高初始刚度与高弯曲强度以及破坏前相对较低的变形与能量吸收；木销连接元件则刚度与强度低得多但能量吸收显著更大；两种连接体系由此产生根本不同的结构响应——胶接体系促进有效荷载传递与高组合作用，木销体系则允许渐进变形与滑移。本研究局限于单一树种、复合材料几何与木销构型，且未独立测量连接件荷载–滑移行为及层间滑移、连接件变形与横向芯层剪切的各自贡献，故所观察表观力学性能差异应解释为所考察构型复合材料的整体响应；未来研究应包括连接件层面力学试验、层间位移定量测量与部分组合作用的解析建模。

**结论与讨论总结**

本研究考察层间接合方式与年轮朝向对三层苏格兰松复合材料弯曲性能与破坏机制的影响，基于试验结果与统计分析得出以下结论：层间接合方式对弯曲性能影响最大，木销连接复合材料表观弹性模量（MOE_app）较胶接试件低约85%，表观弯曲强度（MOR_app）低约47%；年轮朝向对力学性能影响相对有限，虽对MOE_app识别出年轮朝向（p = 0.0168）及其与连接类型交互作用（p = 0.0362）的统计学显著效应，但其对总方差贡献仅1.22%与0.90%，相较接合方式的94.74%，且年轮朝向对MOR_app或表观弯曲刚度（EI_app）无统计学显著效应；木销连接复合材料尽管刚度与强度较低，但能量吸收能力更大，平均约为胶接试件的2.1–2.7倍，表明在达到规定峰后破坏准则前具有更大变形能力；两种连接体系破坏机制不同，胶接试件主要在木材内部破坏而无可见胶缝破坏，木销连接复合材料则表现木材断裂、连接件相关局部损伤与层间位移，木销连接试件较低的表观刚度可能反映连接件变形、层间滑移与横向芯层剪切变形的共同影响，但基于所进行的测量无法量化这些变形机制的各自贡献。讨论部分进一步指出：接合方式对MOE_app与EI_app的高方差贡献与组合作用程度差异一致，但层间滑移与剪切变形贡献未独立测量；木销连接低刚度反映特定连接件与连接几何特征而非无胶体系固有局限；年轮朝向效应须与纵向木纹方向相区别，其影响可能与径向与切向材料行为差异相关但机制未独立考察；较高EC与低表观刚度应联合解读，其与变形增加及渐进损伤相关而非承载能力提高；研究局限包括单一树种、几何与木销构型，以及缺乏连接件荷载–滑移与各变形分量的独立测量，未来需开展连接件层面试验、层间位移定量测量与部分组合作用解析建模。