层间连接方式对三层木材复合材料弯曲性能与失效机制的影响

《Materials》：Influence of Interlayer Connection Type on the Flexural Performance and Failure Mechanisms of Three-Layer Timber Composites

　　

无胶层压木材复合材料的发展需要有效的机械连接方式，以确保各层之间具有足够的复合作用。本研究探讨了层间连接方式（聚氨酯胶粘剂胶合与木销连接）以及内层年轮方向对三层欧洲赤松（Pinus sylvestris L.）复合材料弯曲性能与失效机制的影响。研究人员通过弯曲试验评估了四种构型，考察了表观弹性模量（MOEapp）、表观抗弯强度（MORapp）、表观弯曲刚度（EIapp）、能量吸收能力（EC）和密度。采用双因素方差分析评估了两个试验因素及其交互作用的影响。连接方式是影响力学性能的主导因素。胶合复合材料表现出8.35–9.82 GPa的MOEapp和134–141 MPa的MORapp，而木销连接复合材料分别仅为1.36–1.40 GPa和71–74 MPa。平均而言，与胶合连接相比，木销连接导致MOEapp降低约85%，MORapp降低约47%。相反，木销连接试件的能量吸收能力约为胶合连接的2.1–2.7倍。构成复合材料中层板材的年轮方向对MOEapp具有统计学显著但相对较小的影响，而对其余力学参数的影响不显著。各构型之间的密度未发现统计学显著差异。胶合试件主要表现为木材破坏，未见可见的胶层损伤；而木销连接试件表现出更为复杂的失效行为，涉及木材断裂、连接件损伤和层间位移。未观察到与芯层年轮方向相关的失效机制存在明显差异。研究结果凸显了层间连接方式在层压木材复合材料整体弯曲响应中的主导作用，并表明需要进一步研究无胶系统中的连接件刚度和部分复合作用。

论文解读

一、研究背景与问题

工程木制品，尤其是正交胶合木（CLT）和层压木材复合材料，正处在当代可持续建筑的前沿。其日益广泛的应用归因于高力学性能、低环境影响和预制化优势，相比钢筋混凝土和钢材等传统方案，可缩短施工时间并降低结构重量。然而，工程木构件的结构性能不仅取决于原材料特性，还取决于层间连接方式和各组成部分的排列方式。

连接各层的方法是影响层压木材复合材料承载能力、刚度和结构行为的关键因素。工业实践中的主导方法是胶合连接，采用聚氨酯（PU）、三聚氰胺-尿素-甲醛（MUF）或酚醛-间苯二酚-甲醛（PRF）等合成树脂，可实现层间有效的复合作用和高效的应力传递。然而，胶合方案在生命周期末端处理、可回收性和环境影响方面存在挑战，尤其涉及挥发性有机化合物（VOC）排放以及大多数商业胶粘剂的化石来源问题。

机械紧固件——如木销、螺钉和钉子——通过离散连接点而非连续粘合在木材层间传递荷载。这类系统在循环经济目标下具有吸引力，因为其可能便于结构服役寿命结束时的拆卸、再利用和回收。然而，用离散机械连接替代连续胶合可能导致整体刚度降低、失效模式改变，以及对湿度和长期荷载的敏感性增加。研究表明，销类连接可能容易出现层间滑移、滚动剪切以及紧固件几何形状与木材各向异性之间的复杂相互作用。

以往研究主要关注连接件材料、几何形状、排列方式或湿度相关行为，而本研究考察了在相同三层复合构型中连接方式与年轮方向的联合影响。木材是正交各向异性材料，其纵向、径向和切向具有不同力学性能，因此年轮方向可能影响刚度、强度和变形行为，尤其在涉及横纹应力或剪切变形时。

二、研究内容与结论

本研究旨在探讨层间连接方式和年轮方向对三层欧洲赤松复合材料弯曲性能和失效机制的影响。研究人员制备了四种试验变体，组合了两种连接系统——连续聚氨酯（PUR）胶合和光滑松木销——与两种内层年轮方向。采用匹配木材元件，并测定其初始弹性模量以确保各试验变体间材料性能可比。研究评估了密度、弯曲弹性模量（MOE_app）、抗弯强度（MOR_app）、表观弯曲刚度、能量吸收能力（EC）和四点弯曲下的失效机制。

研究得出以下主要结论：层间连接方式对弯曲性能影响最大，木销连接复合材料的MOE_app比胶合试件低约85%，MOR_app低约47%；年轮方向对力学性能影响相对有限，虽对MOE_app有统计学显著影响，但其方差贡献仅1.22%；木销连接复合材料尽管刚度和强度较低，但能量吸收能力约为胶合试件的2.1–2.7倍；两种连接系统表现出不同的失效机制，胶合试件主要在木材内部破坏，而木销连接试件涉及木材断裂、连接件损伤和层间位移。

三、关键技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法：从波兰供应商处获取欧洲赤松木材，经目视检查排除有明显缺陷的板材；将板材加工至22 mm×140 mm截面，每块2000 mm长板材切成两段1000 mm孪生元件，分别用作同一复合梁的上下外层以减少拉伸区和压缩区之间的差异；外层单板在22°C、65%相对湿度条件下调湿，使用MERLIN Technology EVO WW水分计测定含水率（平均9.3%），用实验室天平称重，用数显卡尺测量尺寸并计算密度；通过基于EN 408:2012的静态四点弯曲测定每块外层单板的弹性模量（MOE_lam），支撑跨距900 mm，加载点间距300 mm，位移控制速率0.06 mm/s，最大总力2 kN；根据MOE_lam值将孪生外层分配到四个试验变体以确保各组间初始性能可比；横向芯层由十块22 mm×100 mm×140 mm板材组成，按年轮方向分为立纹和卧纹两类；胶合系统使用Chemolan B 45型单组分湿固化聚氨酯胶粘剂（D4耐水等级），涂布量约180–220 g/m2，冷压0.4 MPa持续3小时；木销系统使用20根直径16 mm光滑松木销，含水率约8%，钻孔直径15.5 mm，名义过盈量0.5 mm，按预定钻孔图案排列；四点弯曲试验以0.08 mm/s位移控制单调加载至破坏，跨中挠度用Novotechnik TRS 75位移传感器测量，采样率2 Hz；力学性能从荷载-位移曲线计算，能量吸收通过梯形法数值积分确定；统计分析采用双因素方差分析（ANOVA），事前检验用Shapiro–Wilk和Levene检验，事后两两比较用Welch t检验配合Holm校正，显著性水平α=0.05。

四、研究结果

连接方式的主导作用。 双因素方差分析表明，连接方式对所有分析的力学性能均有统计学显著影响（p<0.001），对MOE_app总方差的贡献达94.74%，对MOR_app为87.60%，对EI_app为94.75%，对EC为74.46%，而对密度的影响不显著。胶合变体的MOE_app为8.35–9.82 GPa，MOR_app为134–141 MPa；木销连接变体分别为1.36–1.40 GPa和71–74 MPa。平均而言，木销连接的MOE_app比胶合连接低约85%，MOR_app低约47%。这一差异可归因于剪切传递机制的不同：胶合层提供沿整个界面的连续应力传递，而木销连接仅通过离散点传递荷载，局部木材变形和连接件自身变形对总挠度有显著贡献。

年轮方向的有限影响。 年轮方向仅对MOE_app有统计学显著影响（p=0.0168），方差贡献仅1.22%，其与连接方式的交互作用也仅解释0.90%的方差。将年轮方向从立纹改为卧纹使胶合试件的MOE_app从8353增至9818 MPa（约增加18%），但木销连接试件仅从1395变为1365 MPa（约降低2%）。对MOR_app和EI_app，年轮方向无显著影响。

能量吸收能力的差异。 胶合试件的EC为244和239 J，而木销连接试件达到501和648 J，约为胶合试件的2.1–2.7倍。木销连接复合材料尽管刚度和强度较低，但表现出更大的变形能力，可在持续承载的同时经历大幅变形。卧纹木销连接构型（647 J）比立纹构型（501 J）高约29%，但差异未达统计显著。

失效机制。 胶合试件主要发生木材内部破坏，未见胶层可见损伤，表明界面在破坏前保持了复合作用。木销连接试件则表现出更复杂的损伤机制，包括木材拉伸断裂、连接件周围局部压溃、木销剪切和渐进式层间位移。观察到的滑移表明存在部分复合作用，可解释木销连接复合材料显著较低的刚度和较高的能量吸收能力。

五、讨论与结论

讨论部分指出，木销连接复合材料刚度的大幅降低不应被视为所有无胶木材系统的固有局限，而是反映了本研究所用特定连接件和连接几何的特征。Derikvand等人的研究表明，采用回收工程木制品制成的连接件可使DLT梁的弯曲刚度比传统橡木销提高约40%；Xu等人发现，采用密实化木销的无胶CLT虽弯曲刚度和强度低于传统CLT，但延性更佳。本研究结果与这些发现一致，表明连接件刚度和排列方式对无胶系统的结构性能至关重要。

研究结论可翻译如下：层间连接方式对弯曲性能影响最大，木销连接复合材料的MOE_app比胶合试件低约85%，MOR_app低约47%；年轮方向对力学性能影响相对有限，虽对MOE_app有统计学显著效应（p=0.0168）且与连接方式存在显著交互（p=0.0362），但其方差贡献分别仅为1.22%和0.90%，而连接方式贡献达94.74%；木销连接复合材料表现出更高的能量吸收能力，约为胶合试件的2.1–2.7倍；两种连接系统表现出不同失效机制，胶合试件主要在木材内部破坏，木销连接试件涉及木材断裂、连接件相关局部损伤和层间位移。本研究局限于单一木材树种、复合几何和木销构型，连接件荷载-滑移行为及各变形机制的独立贡献未单独测量，未来研究应包含连接件级力学试验、层间位移定量测量和部分复合作用的解析建模。