一种层板销接木及其制备方法与流程

1.本发明涉及绿色建材技术领域，特别是涉及一种层板销接木及其制备方法。


背景技术：

2.胶合木是由结构胶黏剂与层板施压胶合而成的一种工程木产品，是我国现代木结构中应用的最主要结构材料之一。但由于胶合木用胶黏剂一般为聚氨酯类、异氰酸酯类、酚醛树脂类等，在胶合木生产及使用过程中会释放有害化学物质，危害生产者和使用者身体健康，且后续回收利用成本高。另外，胶黏剂容易受环境温湿度的影响，出现耐久性问题。
3.层板销接木(dowel laminated timber，简称dlt)是仅由木销和层板组成的一种无胶无钉、纯实木的工程木产品，可用于替代胶合木。层板销接木在我国传统木结构建筑中往往用作拼合柱和拼合梁等构件，其木销一般采用硬质阔叶材，层板一般为杉木、落叶松等针叶材。但由于国内硬质阔叶材资源的匮乏，当前需基于同一树种木材或物理力学性能相近树种木材来同时制造木销和层板，以满足层板销接木用作不同构件的承载要求。另外传统层板销接木由于木销和层板所用木材的物理力学性能存在的显著差异，在长期使用过程中由于变形协调不一致，会议导致木销松动、甚至脱落，严重影响层板销接木的承载安全性能。
4.为解决传统层板销接木所面临的问题，现代层板销接木制造技术中开始尝试用水热法、蒸汽处理法、高频加热法、微波加热法和化学方法制取的压缩木来制造加工成木销，且木销使用木材一般往往与层板使用木材为同一树种，可用作梁、墙体和楼板等构件。但上述方法在制造压缩木的过程中，均涉及超140℃高温热处理，而木材在超过140℃时，其主要化学成分半纤维素开始分解。另外，化学方法会对木材木质素、半纤维素等进行分解。这些压缩木制取木销的方法导致木材的主要化学成分变化，木材散失了其本身变形的记忆恢复性，木销和层板用木材的物理力学性能差异大，层板销接木在长期使用过程中也会出现木销和层板变形协调不一致的问题，导致木销松动，甚至脱落。
5.中国发明专利申请“一种木钉接合的胶合木及其制备方法和应用”(cn202210247233.6)、“一种木钉接合的正交胶合木及其制备方法”(cn202111608090.9)、“木钉焊接层积材楼板组合体的制作方法”(cn201910595658.4)、“一种压缩木材变形固定的方法”(cn201710441897.5)，以及大连理工大学论文“压缩木销钉连接力学性能研究”和“压缩木销旋转摩擦焊接抗拔性能研究”等所涉及的压缩木及其木销制品，均未解决木材变形记忆恢复性散失的问题，导致层板销接木长期使用过程中会出现木销和层板变形协调不一致的问题，存在承载安全隐患，限制了其在市场中进行实际推广应用。
6.从上述文献公开内容可知，目前对于层板销接木及其制备方法尚缺乏相应的技术，尚不能满足本领域制造与安全使用的需要。


技术实现要素：

7.本发明目的在于提供一种层板销接木及其制备方法，通过低温水热和长期受压粘
弹性变形作用下的压缩木来制取记忆恢复性木销，解决层板销接木在长期使用过程中木销和层板变形协调不一致的问题，保障层板销接木的承载性能和长期安全应用。同时，本发明提供的层板销接木是一种纯实木工程产品，能同时兼具较好的承载力、刚度和延性，可用于替代胶合木。
8.具体而言，本技术提供了如下技术方案：
9.一种层板销接木，由两层或两层以上的层板层叠并通过至少一根记忆恢复性木销连接制成，所述层板设有用于插入记忆恢复性木销的贯通孔，所述层板和记忆恢复性木销采用同一树种木材或物理力学性能相近树种木材，所述记忆恢复性木销通过低温水热压缩木材制得。
10.所述记忆恢复性木销的密度范围为0.5～1.3g/cm3，是所述层板密度的1.5～3倍。
11.所述记忆恢复性木销的形状可为圆形、方形和多边形，边长d范围为10～100mm。
12.所述记忆恢复性木销的设置排列数，可以按照n＝w/150来进行控制，n为记忆恢复性木销的设置排列数，w为所述层板的宽度。
13.层板销接木受力面为层板的宽面xz面时，其可以作为梁构件，层板销接木受力面为层板的窄面xy面时，其可以作为楼板构件，层板销接木受力面为层板的端面yz面时，其可以作为柱构件。
14.一种层板销接木制备方法，包括以下步骤：
15.(1)通过压缩装置制取层板连接用的记忆恢复性木销；具体包括：
16.(1-1)预热；将木材放入热压机，通过上垫块和下垫块进行预热，使木材的材芯温度加热至70～140℃；
17.(1-2)施压：通过所述热压机对所述上垫块施加压力，对所述木材进行横纹压缩，压缩速度为1～10mm/min，每压缩3～8mm，所述热压机保持原位0.5～3min；
18.(1-3)初步定型：用厚度规来控制木材的最终压缩量，当所述上垫块接触到厚度规时，所述热压机停止压缩，立即通过螺栓和螺杆锚固固定上垫块，螺栓锚固至预定位置后，热压机卸载并停止供热，完成木材的初步定型；
19.(1-4)变形固定：待所述初步定型后的木材冷却至50℃，在保持上垫块对木材的施压下，将初步定型木材放入常规干燥箱，采用60～100℃进行低温热处理，使木材含水率低于5％，然后将木材自然冷却至常温20℃左右，再置入常温环境下放置养生2-7天；
20.养生后的木材再放入常规干燥箱中，重复上述低温热处理、冷却、养生等步骤3-7次，完成木材的压缩变形固定；
21.(1-5)木销制取：通过拧松螺栓对上垫块进行卸压，取出已压缩变形固定的木材，采用铣床加工木销，制得记忆恢复性木销。
22.(2)制取层板；具体包括：
23.将层板四面刨光、沿层板厚度方向进行层叠组坯，并采用夹紧装置进行固定。
24.(3)连接组装；具体包括：
25.(3-1)将上述组坯、固定后的层板进行开孔；
26.(3-2)将上述制得的记忆恢复性木销垂直钉入所述层板的开孔处，制得层板销接木，再将层板销接木在常温环境中放置养生7～10天。
27.所述步骤(1-1)中的木材可以为生材或含水率超过纤维饱和点的木材。
28.所述步骤(1-3)中木材的初步定型的压缩率可按照δ＝aε来进行控制，δ为木材的初步定型的压缩率，a为调整系数，取值范围为0.8～0.95，ε为木材的硬化点应变值。
29.所述步骤(2)中层板的含水率比所述记忆恢复性木销的含水率大5％～10％。
30.所述步骤(3-1)中层板开孔的直径比所述记忆恢复性木销的直径小0～0.5mm。
31.与现有技术相比，本发明的层板销接木及其制备方法至少具有以下有益效果：
32.本发明创造性地提出了通过低温水热和长期受压粘弹性变形作用下的压缩木来制取木销，木销由于其木材主要化学成分未发生变化保留了变形记忆恢复性，可显著提升层板销接木在长期使用过程中木销和层板变形协调一致的能力；本发明提出的层板销接木制备方法，制备设备简单、能耗低、无污染，可显著降低层板销接木的制造成本。
33.下面结合附图对本发明的层板销接木及其制备方法作进一步说明。
附图说明
34.图1为本发明层板销接木的结构示意图。
35.图2为本发明层板销接木中记忆恢复性木销的形状示意图。
36.图3为本发明层板销接木的制备过程中制取记忆恢复性木销的压缩装置结构示意图。
37.图4为本发明层板销接木的制备过程中制取记忆恢复性木销用木材的初步定型的压缩率选取图。
38.图5为实施例和对比例中木销的抗拔试验装置示意图。
39.其中，10-层板，20-记忆恢复性木销，30-施压夹具；
40.1-螺栓，2-上垫块，3-木材，4-厚度规，5-下垫块，6-螺杆。
具体实施方式
41.下面结合附图1-5对本发明做更进一步的说明。
42.一种层板销接木，如图1所示，层板销接木由两层或两层以上的层板10层叠并通过9根记忆恢复性木销20连接制成，所述层板10设有用于插入记忆恢复性木销20的贯通孔，所述层板10和记忆恢复性木销20采用同一树种木材或物理力学性能相近树种木材，所述记忆恢复性木销20通过低温水热压缩木材制得。在其他有益实施例中，记忆恢复性木销20的数量可根据实际需求进行增加或减少。
43.记忆恢复性木销20的密度范围为0.5～1.3g/cm3，是所述层板10密度的1.5～3倍。
44.记忆恢复性木销20的形状可为圆形、方形和多边形(如正八边形)，如图2所示，边长d范围为10～100mm。
45.记忆恢复性木销20的设置排列数，可以按照n＝w/150来进行控制，n为记忆恢复性木销的设置排列数，w为所述层板的宽度。
46.层板销接木受力面为层板的宽面xz面时，其可以作为梁构件，层板销接木受力面为层板的窄面xy面时，其可以作为楼板构件，层板销接木受力面为层板的端面yz面时，其可以作为柱构件。
47.一种层板销接木制备方法，包括以下步骤：
48.(1)通过压缩装置制取层板连接用的记忆恢复性木销，如图3所示；具体包括：
49.(1-1)预热；将木材3放入热压机，通过上垫块2和下垫块5进行预热，使木材3的材芯温度加热至70～140℃；
50.(1-2)施压：通过所述热压机对所述上垫块2施加压力，对所述木材3进行横纹压缩，压缩速度为1～10mm/min，每压缩3～8mm，所述热压机保持原位0.5～3min；
51.(1-3)初步定型：用厚度规4来控制木材3的最终压缩量，当所述上垫块2接触到厚度规4时，所述热压机停止压缩，立即通过螺栓1和螺杆6锚固固定上垫块2，螺栓1锚固至预定位置后，热压机卸载并停止供热，完成木材的初步定型；
52.(1-4)变形固定：待所述初步定型后的木材3冷却至50℃，在保持上垫块2对木材3的施压下，将初步定型的木材3放入常规干燥箱，采用60～100℃进行低温热处理，使木材3含水率低于5％，然后将木材3自然冷却至常温20℃左右，再置入常温环境下放置养生2-7天；
53.养生后的木材3再放入常规干燥箱中，重复上述低温热处理、冷却、养生等步骤3-7次，完成木材的压缩变形固定；
54.(1-5)木销制取：通过拧松螺栓1对上垫块2进行卸压，取出已压缩变形固定的木材，采用铣床加工木销，制得记忆恢复性木销。
55.(2)制取层板；具体包括：
56.将层板20四面刨光、沿层板厚度方向进行层叠组坯，并采用夹紧装置进行固定。
57.(3)连接组装；具体包括：
58.(3-1)将上述组坯、固定后的层板20进行开孔；
59.(3-2)将上述制得的记忆恢复性木销10垂直钉入所述层板20的开孔处，制得层板销接木，再将层板销接木在常温环境中放置养生7～10天。
60.所述步骤(1-1)中的木材可以为生材或含水率超过纤维饱和点的木材。
61.所述步骤(1-3)中木材的初步定型的压缩率可按照δ＝aε来进行控制，δ为木材的初步定型的压缩率，a为调整系数，取值范围为0.8～0.95，ε为木材的硬化点应变值，如图4所示。
62.所述步骤(2)中层板的含水率比所述记忆恢复性木销的含水率大5％～10％。
63.所述步骤(3-1)中层板开孔的直径比所述记忆恢复性木销的直径小0～0.5mm。
64.实施例1
65.一种层板销接木，如图1所示，层板销接木由6层杉木层板层叠并通过9根记忆恢复性木销连接制成，所述记忆恢复性木销通过低温水热压缩杉木制得，杉木层板的尺寸为35mm(厚度)
×
150mm(宽度)
×
4000mm(长度)。
66.层板的密度平均值为0.41g/cm3，记忆恢复性木销的密度不小于0.80g/cm3。
67.记忆恢复性木销的形状为圆形，如图2中的左图所示，边长d为30mm。
68.记忆恢复性木销的设置排列数为1排，布置在层板宽度的中间位置，木销间距为200mm。
69.层板销接木受力面为层板的宽面xz面，用作梁构件。
70.该层板销接木的制备方法，包括以下步骤：
71.(1)通过压缩装置制取杉木层板连接用的记忆恢复性木销，如图3所示；具体包括：
72.(1-1)预热；将含水率超过纤维饱和点的杉木木材3放入热压机，通过上垫块2和下
垫块5进行预热，使杉木木材的材芯温度加热至100℃，杉木木材3的尺寸为100mm(厚度)
×
200mm(宽度)
×
500mm(长度)；
73.(1-2)施压：通过所述热压机对所述上垫块2施加压力，对所述杉木木材3进行横纹压缩，压缩速度为5mm/min，每压缩5mm，所述热压机保持原位1min；
74.(1-3)初步定型：根据杉木木材的压缩应力-应变曲线，杉木木材的硬化点应变值大于60％，如图4所示，采用厚度规4来控制杉木木材3的最终压缩量，厚度规高度为45mm，当所述上垫块2接触到厚度规4时，所述热压机停止压缩，立即通过螺栓1和螺杆6锚固固定上垫块2，螺栓1锚固至预定位置后，热压机卸载并停止供热，完成杉木木材3的初步定型；
75.(1-4)变形固定：待所述初步定型后的杉木木材冷却至50℃，在保持上垫块2对杉木木材的施压下，将初步定型杉木木材放入常规干燥箱，采用80℃进行低温热处理，使杉木木材含水率低于5％，然后将杉木木材自然冷却至常温20℃左右，再置入常温环境下放置养生2-7天；
76.养生后的杉木木材再放入常规干燥箱中，重复上述低温热处理、冷却、养生等步骤5次，完成杉木木材的压缩变形固定；
77.(1-5)木销制取：通过拧松螺栓1对上垫块2进行卸压，取出已压缩变形固定的杉木木材，采用铣床加工成直径30mm的记忆恢复性木销，记忆恢复性木销的含水率为5％。
78.(2)制取杉木层板；具体包括：
79.将杉木层板四面刨光，每块杉木层板的尺寸为35mm(厚度)
×
150mm(宽度)
×
4000mm(长度)，将6块杉木层板沿板材厚度方向进行叠放组坯，并采用夹紧装置进行固定，杉木层板的含水率为15％。
80.(3)连接组装；具体包括：
81.(3-1)将上述组坯、固定后的层板进行开孔，开孔直径为29.5mm；
82.(3-2)将上述制得的记忆恢复性木销垂直钉入所述层板的开孔处，制得层板销接木，再将层板销接木在常温环境中放置养生7～10天。
83.对比例1
84.按照实施例1制取杉木层板，不同的是，层板连接直接采用结构用聚氨酯胶黏剂进行连接。
85.对比例2
86.按照实施例1制取杉木层板。不同的是，在木销制取过程中，木销直接选用榆木气干木材制取，木材不进行任何热处理和化学处理，木销密度为0.72g/cm3，其含水率为15％。
87.对比例3
88.按照实施例1制取杉木层板。不同的是，在木销制取过程中，预热使杉木木材的材芯温度加热至140℃，变形固定通过热压机直接高温180℃保压2h的方法来进行。
89.按照上述实施例和对照例制得尺寸为210mm(高度)
×
150mm(宽度)
×
4000mm(长度)梁构件，参照gb/t 50329-2012《木结构试验方法标准》进行梁弯曲试验，得到梁构件的抗弯强度、抗弯刚度和延性系数；另外，针对上述实施例和对比例制取的层板胶合木，锯取加工成抗拔试件，抗拔试件尺寸为35(厚度)
×
150mm(宽度)
×
150mm(长度)，木销位于抗拔试件的中心，针对抗拔试件开展常温环境下(温度为20
±
2℃、湿度为65
±
5％)木销的抗拔试验测试，以及循环温湿度环境下(先在温度为20℃、湿度为90％的环境下养护30天，再放
入103℃的干燥箱中干燥48h，循环10次)木销的抗拔试验测试，如图5所示。抗弯构件和木销抗拔的力学性能统计结果见表1。
90.结果表明，按照本发明提供的层板销接木及其制备方法，木销在常温以及循环温湿度环境下均具有较好的抗拔承载力，即说明长期使用过程中木销和层板变形能够协调一致。另外，按照本发明提供的层板销接木及其制备方法，其层板销接木的延性系数最佳，且抗弯强度和抗弯刚度均仅略低于胶合木梁构件的抗弯强度和抗弯刚度。本发明创造性地提出了通过低温水热和长期受压粘弹性变形作用下的压缩木来制取木销，木销由于其木材主要化学成分未发生变化保留了变形记忆恢复性，显著提升了层板销接木在长期使用过程中木销和层板变形协调一致的能力；本发明提出的层板销接木制备方法，制备设备简单、能耗低、无污染，可显著降低层板销接木的制造成本。
91.表1抗弯构件和木销抗拔的力学性能统计
[0092][0093]
总之，本技术通过提出一种层板销接木及其制备方法，保留木销用木材变形的记忆恢复性，实现木销和层板的变形协调一致，保障层板销接木的承载性能和长期安全应用，这对促进人工林木材多为结构材在木结构中的高附加值应用，推进我国建立自主知识产权的木结构体系，具有十分重要的意义。
[0094]
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种层板销接木，其特征在于，由两层或两层以上的层板(10)层叠并通过至少一根记忆恢复性木销(20)连接制成，所述层板(10)设有用于插入记忆恢复性木销(20)的贯通孔，所述层板和记忆恢复性木销采用同一树种木材或物理力学性能相近树种木材，所述记忆恢复性木销(20)通过低温水热压缩木材制得。2.根据权利要求1所述的层板销接木，其特征在于，所述记忆恢复性木销(20)的密度范围为0.5～1.3g/cm3，是所述层板(10)密度的1.5～3倍。3.根据权利要求1所述的层板销接木，其特征在于，所述记忆恢复性木销(20)的形状为圆形、方形或多边形，边长d范围为10～100mm。4.根据权利要求1所述的层板销接木，其特征在于，所述记忆恢复性木销(20)的设置排列数，按照n＝w/150来进行控制，n为记忆恢复性木销的设置排列数，w为所述层板的宽度。5.根据权利要求1所述的层板销接木，其特征在于，层板销接木受力面为层板的宽面xz面时，其用于梁构件；层板销接木受力面为层板的窄面xy面时，其用于楼板构件；层板销接木受力面为层板的端面yz面时，其用于柱构件。6.权利要求1～5任意一项所述的层板销接木的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过压缩装置制取层板(10)连接用的记忆恢复性木销(20)；具体包括：(1-1)预热；将木材(3)放入热压机，通过上垫块(2)和下垫块(5)进行预热，使木材的材芯温度加热至70～140℃；(1-2)施压：通过所述热压机对所述上垫块(2)施加压力，对所述木材(3)进行横纹压缩，压缩速度为1～10mm/min，每压缩3～8mm，所述热压机保持原位0.5～3min；(1-3)初步定型：用厚度规(4)来控制木材的最终压缩量，当所述上垫块(2)接触到厚度规(4)时，所述热压机停止压缩，立即通过螺栓(1)和螺杆(6)锚固固定上垫块(2)，螺栓(1)锚固至预定位置后，热压机卸载并停止供热，完成木材(3)的初步定型；(1-4)变形固定：待所述初步定型后的木材(3)冷却至50℃，在保持上垫块(2)对木材(3)的施压下，将初步定型的木材(3)放入常规干燥箱，采用60～100℃进行低温热处理，使木材(3)的含水率低于5％，然后将木材(3)自然冷却至常温20℃左右，再置入常温环境下放置养生2-7天；养生后的木材(3)再放入常规干燥箱中，重复上述低温热处理、冷却、养生步骤3-7次，完成木材(3)的压缩变形固定；(1-5)木销制取：通过拧松螺栓(1)对上垫块(2)进行卸压，取出已压缩变形固定的木材(3)，采用铣床加工木销，制得记忆恢复性木销；(2)制取层板；具体包括：将层板四面刨光、沿层板厚度方向进行层叠组坯，并采用夹紧装置进行固定；(3)连接组装；具体包括：(3-1)将所述组坯、固定后的层板进行开孔；(3-2)将所述制得的记忆恢复性木销垂直钉入所述层板的开孔处，制得层板销接木，再将层板销接木在常温环境中放置养生7～10天。7.根据权利要求6所述的层板销接木制备方法，其特征在于，所述步骤(1-1)中的木材为生材或含水率超过纤维饱和点的木材。8.根据权利要求6所述的层板销接木制备方法，其特征在于，所述步骤(1-3)中木材的
初步定型的压缩率按照δ＝aε来进行控制，δ为木材的初步定型的压缩率，a为调整系数，取值范围为0.8～0.95，ε为木材的硬化点应变值。9.根据权利要求6所述的层板销接木制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中层板的含水率比所述记忆恢复性木销的含水率大5％～10％。10.根据权利要求6所述的层板销接木制备方法，其特征在于，所述步骤(3-1)中层板开孔的直径比所述记忆恢复性木销的直径小0～0.5mm。

技术总结
本发明涉及绿色建材技术领域，具体为一种层板销接木及其制备方法。其中，层板销接木由两层或两层以上的层板层叠并通过记忆恢复性木销连接制成，所述层板和记忆恢复性木销采用同一树种木材或物理力学性能相近树种木材。其中，层板销接木制备中记忆恢复性木销通过低温水热压缩木材制得，包括预热、施压、初步定型、变形固定和木销制取等步骤，能够解决层板销接木在长期使用过程中木销和层板变形协调不一致的问题，保障层板销接木的承载性能和长期安全应用。全应用。全应用。


技术研发人员：钟永 武国芳 任海青 李明月
受保护的技术使用者：中国林业科学研究院木材工业研究所
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/8/14