doi：10.13360/j.issn.1000-8101.2015.04.021中图分类号：TS653
李荣荣1，曹平祥1*，郭晓磊1，Mats Ekevad2
（1.南京林业大学材料科学与工程学院，南京 210037；2.瑞典吕勒奥大学）
摘要：分析比较了中国国标GB/T 17517—1998、欧洲标准EN392以及美国标准ASTM D905等3种相关标准下胶合木胶层压缩剪切强度测定结果的异同。结果表明：根据现有标准测得的胶层剪切应力并非真实剪切应力，而是剪切应力与胶层正应力的合力。当正应力表现为拉力时，试验所测剪切强度值低于真实值。为避免正应力的存在，提出了一种非标准的测试方法，以提高胶层压缩剪切强度测试精度。
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关键词 ：标准；压缩剪切强度；测试方法；胶合木；比较
收稿日期：2014-11-28
修回日期：2015-02-31
基金项目：江苏省普通高校研究生科研创新计划项目（KYLX_0888）；“十二五”国家科技支撑项目（2012BAD24B01）。
作者简介：李荣荣（1990-），男，博士生，研究方向木材加工机械。通信作者：曹平祥，男，教授。E?mail：caopx@njfu.com.cn
Comparison of different standard test methods for compressive shear strength of bondline in glulam
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LI Rongrong， CAO Pingxiang， GUO Xiaolei， Mats Ekevad
Abstract：The compressive shear strength of bondline in the glulam was tested and compared according to Chinese standard GB/T 17517—1998，European standard EN392 and American standard ASTM D905.The results showed that the tested shear stress was not the true shear stress in the bondline，but a combination of shear stress and normal stress.The tested va?lues were lower than the true shear strength when the normal stress was tensile stress perpendicular to the bondline.To avoid the existence of the normal stress，a novel and non?standard test method was proposed aiming to improve the accuracy of bondline shear strength test.
Key words：standard； compressive shear strength； test method； glulam； comparison
First author’s address： College of Materials science and Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China
胶合木（glued laminated timber，简称Glulam），也称集成材，与木质工字梁、单板层积材同为3种主要的工程材之一，是小规格锯材通过涂胶冷压技术在顺纹方向胶合而成的一种工程木［1-2］。
为测试木质材料的剪切强度，国内外学者尝试了不同的测试方法，包括块状剪切强度测试法、等截面杆件扭转法、反向弯曲法、多点弯曲法以及短跨距弯曲法等［3-4］，这些方法旨在测试特定剪切区域的剪切强度，以提高测试结果的唯一性与精确性。在实际生产中，胶层压缩剪切强度是评价胶合木质量的重要指标之一。胶层压缩剪切强度测试标准是测试的重要依据，也是科学研究以及企业胶合木产品性能检测的重要工具。不同国家和地区都有胶层压缩剪切强度的相关测试标准，并且不同标准之间均有所差异。Nadir等［5］利用ASTM D905测试了橡胶木胶合性能，发现胶层剪切强度以及木破率等各项指标均达到结构用胶合木产品的相关性能要求。Arriage等［6］利用ASTM D905测试了胶合木胶层剪切强度，强度达到胶合木质量基本要求。Aicher等［7］按照欧洲标准EN392测定了欧洲山毛榉胶合木的剪切强度，测试结果为11.3~14.6 N/mm2，远高于欧洲标准EN386规定的胶合木胶层质量要求。
笔者分析比较了中国国标GB/T 17517—1998、欧洲标准EN392以及美国标准ASTM D905等3种相关标准下胶合木胶层压缩剪切强度测定结果的异同，指出现有标准的不足，并提出了一种非标准的测试方法，以期完善胶层压缩剪切强度测试方法。
1关于胶层压缩剪切强度的不同测试标准
胶层压缩剪切强度测试标准在不同国家和地区具有一定差异性，同时也具有很多相似之处。此类标准通常包含5部分内容：试件尺寸、形状及含水率等指标；试件的胶合工艺要求；试件测试前的养生、平衡等处理；试验仪器、试验环境、试件装夹以及试验步骤；结果计算。笔者列举了3种常用的标准，主要从试件尺寸、试验仪器以及试件装夹等方面进行了分析比较。
1.1中国国标GB/T 17517—1998
中国国标GB/T 17517—1998《胶粘剂压缩剪切强度试验方法木材与木材》主要用于测试规定条件下由两个平行木材试块所制单搭接结构试件的胶层剪切强度。试件胶合时，应保证胶液均匀涂布于木材表面，且施胶量误差控制在5%以内。加压过程中，应保证夹具、加压块能对试件整个胶接面均匀施压，且确保试件在（60±20）s内破坏。试件形状与尺寸如图1所示，图2 为夹持器及试件夹持形式。
1.2 欧洲标准EN392
在欧洲EN392被用于检测胶合木胶层压缩剪切强度，该标准提供了加压装置的原理图（图3）。剪切力通过一个滚珠轴承自动校准，确保试件端部在宽度方向上的应力场一致，并且胶层与剪切面的距离不超过1 mm。试件胶层的宽度（b）和高度（t）分别在40~50 mm（图4），加载面光滑且平行于试件的横断面。剪切过程中，保持均匀加载，且试件破坏时间大于20 s。剪切强度计算公式为fv，a=k×Fu/A，其中，A为剪切面积（A=b×t），mm2；k为修正系数（k=0.78+0.004 4t）；Fu为极限载荷，N。
1.3美国标准ASTM D905
ASTM D905主要用于检测胶合木的压缩剪切强度，试件胶层的宽度（b）和高度（t）要求分别为50.8和44.4 mm。加压装置如图5所示，为保证载荷均匀分布，加压装置中需包含一个自动校准的滚珠轴承，其原理类似欧洲标准。试验中，加压速率不超过5 mm/min。
2现有标准中存在的不足
现有的胶层块状剪切强度测试标准具有易操作、设备简单等优点，便于胶合木胶层质量的测试，但是，现有标准中也存在一些不足。经过对3种不同标准中的试件受力情况进行分析发现：试件与上下压板之间存在相互摩擦力，且试件所受支撑力与上压板的压力非共线（图6）。由于非共线力及压板与试件间摩擦力的存在，实际的剪切力Av在加压剪切过程中就会产生一个惯性矩（Av×e，e为非共线距离），而摩擦力也会产生一个惯性矩（Ah×h，h为试件高度）。
由图6可知，加压剪切装置及试件尺寸直接影响e和h的大小，进而影响试验过程中惯性矩的大小，并使最终剪切力与胶合面产生一定夹角。因此，试验所测剪切力并非胶层实际剪切力。
综上所述，现有标准主要包含3个方面的不足：未考虑试件尺寸对试验结果的影响；不同仪器所测结果不具备可比性；胶层剪切测试过程中存在垂直于胶合面的正应力。
针对现有标准的不足，相关学者对试件受力情况进行了深入分析与研究，并对试验装置进行了改进，以减小试验误差。Hankinson等［8］建立了剪切力与纤维方向之间夹角的数学模型， 但是Hankinson模型并没有指出不同夹角情况下的试件破坏形式。Stüssi等［9］建立了正应力σ和剪切应力的数学模型（图7），如图7（a）所示，σ1=σα，σ2=0。根据材料强度的相关理论，计算出σ0=σα·cos2 α，σ90=σα·sin2 α，0，90=σα·cos α·sin α，根据载荷与纤维方向之间的实际夹角α，可将试件破坏模式分为以下3种：
1） 平行纤维方向压缩破坏：σα=σ0/cos2 α；
2） 剪切破坏：σα=0，90/（sin α·cos α）；
3） 垂直纤维方向压缩破坏：σα=σ90/sin2 α。
综合前人的研究成果，一种非标准的胶层压缩剪切强度测试装置被提出（图8）。Steiger等［10］参考标准EN408相关内容，最终确定α为14° 。在试验过程中，压板表面添加一层特氟龙（Teflon）材料，以减小压板与试件之间的摩擦力，提高试验精度。
3一种新型非标准胶层压缩剪切强度测试方法
按现有标准测试所得结果出现误差，主要是因为摩擦力与剪切力产生的惯性矩导致剪切力方向与胶层方向非共线。这一结果将导致测试所得剪切力并非真实剪切力，而是剪切力与正应力的合力。针对这一问题，相关学者已做了研究与改进［10］，但笔者认为上述非标准检测方法操作性不强，试验过程中难以保证精确角度。因此，笔者拟采用一种对称结构以抵消惯性矩，降低试验误差。测试过程中，试件置于夹具中，限制试件水平方向的位移，试件与夹具之间添加一层特氟龙，以减小水平方向的摩擦力，进而保证整个加压过程中，剪切力与胶层平行，避免了胶层正应力的产生（图9）。胶层剪切强度以两个胶层的剪切强度平均值进行评价，剪切强度平均值计算公式为f=F/（2b×t），式中：F为最大剪切力，b为试件宽度，t为试件高度。
结合现有标准中试件的尺寸，本测试方法确定试件胶层的宽度（b）和高度（t）均为40 mm，具体试件形状与尺寸见图10。本测试方法中，试件含水率处理、胶合工艺、以及试验环境等其他操作流程遵循现有标准GB/T 17517—1998。
为验证本测试方法的可行性，通过采用相同胶合工艺，比较本测试方法与GB/T 17517—1998所得结果的差异，各组试验重复5次。试验所用树种为松木（Pinus cembra），采自瑞典北部，胶黏剂为聚醋酸乙烯酯乳液（乳白胶），单面涂胶量250 g/m2加压时间2 h，压力1.2 MPa。不同标准所测胶合木胶层剪切强度结果见表1。
由表1可知，本测试方法所得结果均大于国标GB/T 17517—1998所得结果，两组试验的均值也存在一定区别，测试结果与理论分析基本一致，因此，本测试方法具备一定可行性。
4结语
通过分析比较3种不同胶合木胶层压缩剪切强度测试标准可知，现有标准均未考虑装夹类型对试件受力平衡的影响，导致根据现有标准所测胶层剪切强度并非实际剪切强度。在现有标准以及前人研究的基础上提出一种新型非标准的测试方法，采用左右对称结构试件，并在水平方向加以固定。通过理论分析与实际验证，本方案较易操作，并能更加精确地测定胶层压缩剪切强度。
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（责任编辑 莫弦丰）