一种杉木正交胶合木工艺参数的优化、制备方法

本公开涉及木材科学与技术、建筑结构等领域，具体涉及一种杉木正交胶合木工艺参数的优化、制备方法。背景技术：1、随着建筑业绿色发展理念的不断深入，木结构建筑和木质绿色建材逐渐受到人们的青睐，并且木结构建筑有向多高层发展的趋势。正交胶合木(clt)是一种新型木结构材料，由3层及以上锯材或结构复合板材垂直正交组坯，采用结构用胶黏剂压制而成。具有强度高、幅面大、尺寸稳定性好等优点，可预制、另具有良好的隔热、隔音和防火等性能，可以应用于多高层木结构建筑的楼板、屋板及墙板。clt楼板-立柱点支承结构是目前最主流的结构系统之一。双向、点支承的正交胶合木结构体系在面内正交方向的力学性能趋于同一性，具有较高的面内抗压刚度及承载力、良好的面外抗弯及抗剪力学性能等，能够大大减小所需楼板的厚度，因此多应用于高层、大跨度楼中，性价比尤其高。2、国外制造clt的原材料主要为云杉-松木-冷杉(spruce-pine-fir，spf)、花旗松和落叶松等树种，而我国目前工程木结构材主要以进口为主。木结构建筑的发展需要大量的木材，国内主要依赖进口木材的问题亟待解决。杉木是我国人工林种植面积居于首位的针叶速生商品材树种，具有纹理通直、易加工、耐腐蚀等优点，广泛使用于传统建筑、船舶和家居制造。但大量种植的人工林杉木由于径级小、材质弱、尺寸稳定性差等因素，不满足现代建筑对材料和构件的基本要求，需要研制强度高、幅面大、尺寸稳定性好、可预制化的工程木产品用于现代木结构建筑体系。我国人工林杉木资源丰富，若能将我国大量的人工林杉木加工制作成优良的正交胶合木，助力发展我国林业和绿色建筑产业，将具有十分重要的经济效益和社会效益。3、正交胶合木的制备主要由原料分选加工、铺板、施胶组坯、成型加压4个环节组成。其中对clt各项性能指标影响较大的工艺流程是原料分选加工、组坯胶合工艺。目前市场很少使用杉木制备clt，主要是针对国产人工林杉木制备clt的较佳工艺参数未有确定。施胶量、压力和保压时间这些工艺参数，层板的纹理、等级和含水率等组坯方式都需要进行深入探究并进行最佳组合，才能制备出性能优良的杉木clt。需要特别指出的是，单组分聚氨酯胶黏剂(1c-pur)是杉木制作clt的主要应用的胶种之一，但其颜色跟杉木木材的色彩十分相近，导致通过数玻璃尺上方格或目测方法均不适合用于测量1c-pur制备的杉木胶合木的木破率，而木破率是评价木材胶合制品胶接质量的重要指标。4、因此，亟需一种杉木正交胶合木制备工艺参数的优化方法，为杉木正交胶合木的生产制造提供基础数据。技术实现思路1、本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。2、为此，本公开提供了一种杉木正交胶合木工艺参数的优化、制备方法，特别适用于由国产人工林杉木和1c-pur制备的杉木clt，可以充分研究胶合工艺和组坯工艺对杉木clt胶合性能的影响，提供杉木clt生产制造的基础数据。3、为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：4、本公开第一方面提供的一种杉木正交胶合木工艺参数的优化方法，制备所述杉木正交胶合木采用的胶黏剂为1c-pur胶黏剂，所述优化方法包括以下步骤：5、s1、针对1c-pur胶黏剂选取施胶量、胶合压力和保压时间三因素在三水平下进行正交试验设计，根据正交试验设计采用的多组胶合工艺参数分别压制杉木正交胶合木；6、s2、针对步骤s1制得的各杉木正交胶合木分别进行胶合性能测试，其中，通过干态、湿态胶层剪切测试，并记录剪切强度；获取不同破坏模式下剪切破坏胶合面的图像，根据该图像确定木破率值；通过真空-加压浸渍剥离测试获取剥离率值；将剪切强度、木破率和剥离率作为胶合性能指标；7、s3、对步骤s2得到的所有胶合性能指标值进行极差分析，得到初步优化参数；利用所述初步优化参数制备杉木正交胶合木，作为对照组，对其按照步骤s2进行胶合性能测试，将正交试验设计的各组胶合工艺参数制备的杉木正交胶合木作为测试组，将所述对照组与所述测试组的胶合性能指标值进行对比，若对照组的胶合性能指标值优于测试组，则将对照组的胶合工艺参数作为最优胶合工艺参数，否则，按照步骤s1～s2重新进行正交试验设计及胶合性能测试，直至对照组的胶合性能指标值优于测试组。8、进一步地，步骤s2中，所述木破率值按照以下步骤确定：9、s221、拍摄并记录不同破坏模式的剪切试样图像，所述剪切试样是由所述杉木正交胶合木锯切成的阶梯状试样，观察剪切试样中两个相对的剪切面的破坏状况，如果剪切试样中两个相对的剪切面因木材被撕裂呈一面凹槽另一面凸起的形态，则将此处统计为木破率需要计算的部位，即木材破坏区域，在剪切试样图像中提取所述杉木破坏区域的边缘，得到木破率区域图像；10、s222、对各木破率区域图像均依次进行如下处理：确定图像像素与实际尺寸比例关系、对比度增强处理、图像类型转换处理和杉木破坏区域标记处理；11、s223、对步骤s222标记得到的杉木破坏区域进行面积测量，得到杉木管胞撕裂部分的面积，将该面积与胶合面积之比作为剪切试样的木破率值。12、进一步地，步骤s221中，参照国家标准gb/t 26899-2022和欧洲标准en16351-2021对所述剪切试样进行胶层剪切测试。13、进一步地，步骤s221中，利用ps软件在所述剪切试样图像中提取所述杉木破坏区域的边缘。14、进一步地，步骤s222中，利用image j软件确定所述图像像素和实际尺寸的比例关系。15、进一步地，步骤s222中，所述图像类型转换处理为将经所述对比度增强处理得到的图像转换成二进制灰度图像。16、进一步地，步骤s222中，所述杉木破坏区域标记处理具体包括：17、利用image j软件将所述二进制灰度图像通过选取阈值对其中的杉木破坏区域进行标记，不同阈值的二进制灰度图像中的木材破坏区域表现出的色彩不同，当只有杉木管胞被胶粘连或撕裂部分全部为指定颜色时即设定为最佳阈值，通过该最佳阈值获取的图像即已将该图像中的杉木破坏区域进行了标记处理。18、进一步地，步骤s223中，在对步骤s222标记得到的杉木破坏区域进行面积测量后，通过目测方式剔除其中未被撕裂的部分，将剩余的部分作为所述杉木管胞撕裂部分的面积。19、进一步地，所述优化方法，还包括对所述杉木正交胶合木的组坯方式进行优化，具体为：20、s4、基于步骤s3确定的最优胶合工艺参数，分别对不同纹理、不同密度和不同含水率的层板进行组坯制备杉木正交胶合木，然后按照步骤s2对各杉木正交胶合木进行胶合性能测试，并利用单因素分析方法分别确定最优纹理、密度和含水率，以此作为最优组坯方式。21、本公开第二方面提供的一种基于本公开第一方面任一实施例所述优化方法的杉木正交胶合木的制备方法，所述制备方法采用的胶合工艺参数为按照步骤s1～s3确定的最优胶合工艺参数，组坯方式为按照步骤s4确定的最优组坯方式。22、本公开的特点及有益效果：23、本公开提供了一种杉木正交胶合木工艺参数的优化方法，首先基于正交试验设计选定不同施胶量、不同压力及不同保压时间制备杉木clt；针对9种工艺参数组合制备的clt进行胶合性能测试。通过干态、湿态胶层剪切测试，并记录剪切强度；获取不同破坏模式下剪切破坏胶合面的图像，并计算木破率值；通过真空-加压浸渍剥离测试获取剥离率值；通过胶合性能对比、极差分析以及优化验证，确定1c-pur胶黏剂制备杉木正交胶合木最优胶合工艺参数；应用筛选出的最优胶合工艺参数分别对不同纹理，不同密度和不同含水率的层板进行组坯制备杉木clt，确定1c-pur胶黏剂制备杉木clt最优组坯工艺。本公开方法基于正交试验和单因素试验设计，可以有效优化杉木clt的胶合工艺和组坯工艺，适用于1c-pur制备杉木clt，丰富了生产制造杉木clt的基础数据，对评价层板正交胶合质量以及杉木推广应用于木结构建筑材料具有重要作用。另一方面，本公开在木破率检测上基于数字图像处理技术，可以实现图像的批量处理，可以有效提取低维度和高维度的图像特征，准确识别杉木破坏区域的同时，又能快速地计算出木破率，减轻了人工目测读方格的负担，缩小了人为测量所引起的误差，提升了工作效率和测量精度，对评价层板胶合质量具有重要作用。