Optimization of finger joint parameters and nondestructive testing of bending properties of radiata pine laminates
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摘要:目的 通过对辐射松层板指接工艺的研究，优化指接过程中的参数，提高指接层板的力学性能；基于应力波方法，开展对指接层板抗弯性能的无损检测研究，提高指接层板的强度稳定性。方法 通过预试验过程确定端压，选择4种不同指长的铣刀，设定3种不同嵌合度大小，研究3因素对指接层板抗弯性能的影响，进而从中选出较优指接参数组合并与标准比对；采用应力波方法检测试件动态弹性模量，并分析密度与动态弹性模量两种无损检测参数与静态弹性模量、抗弯强度两种抗弯性能参数的关系，通过检测层板的密度、动态弹性模量对其抗弯性能进行评估。结果 指接参数对抗弯强度存在较大影响，其中指长与嵌合度对抗弯强度存在一定影响，端压对抗弯强度影响不大；本试验范围内，较优指接参数组合辐射松层板抗弯强度均值可达到29.80 MPa，标准值为20.64 MPa，静态弹性模量为8 533 MPa；试件动态弹性模量与静态弹性模量、抗弯强度和层板密度与静态弹性模量、抗弯强度之间均存在显著相关关系，其中使用动态弹性模量评估层板抗弯性能的预测模型要显著优于基于密度的预测模型。结论 基于端压–位移曲线理论，本研究给出的辐射松结构集成材较优指接参数组合为指长15 mm、齿顶宽0.8 mm、齿底宽0.7 mm、齿根宽3.3 mm、斜度1/12.90、嵌合度0.1 mm、端压11 ~ 17 MPa。基于应力波检测动态弹性模量的方法能够较好地评估指接后辐射松层板的抗弯性能。Abstract:Objective By the research of finger joint technology of radiated pine laminates, the parameters in finger joint process were optimized and the mechanical properties were improved. Based on the stress wave method, the bending properties of finger joint laminates were studied nondestructively and the strength stability of finger joint laminates was enhanced.Method The influence of three factors on the laminate mechanical properties was studied with ending pressure determined by pre-experiment process, four milling cutters selected with different finger lengths, three different chimerism degree and finally compared with the standard. The dynamic elastic modulus of the specimens was measured by stress wave method, and the relationship between the two non-destructive testing parameters of density and dynamic elastic modulus and the two bending property parameters of static elastic modulus and bending strength were analyzed. And the bending properties of the laminates were evaluated by testing the density and dynamic modulus of elasticity.Result The finger joint parameters had great effect on the bending strength. The finger length and chimerism degree had a degree of effect on the bending strength, while the ending pressure had little effect; within the scope of this experiment, the mean value of bending strength of radiata pine laminates with better finger joint parameters could reach 29.80 MPa, while the standard value of bending strength was 20.64 MPa and the static modulus of elasticity was 8 533 MPa; the density and dynamic elastic modulus of the specimens were significantly correlated with the dynamic elastic modulus and bending strength, and the prediction model using dynamic elastic modulus to evaluate the bending properties of the laminates was significantly better than the density-based prediction model.Conclusion Based on the end-pressure-displacement curve theory, the optimal combination of finger joint parameters for structural glued laminated timber of radiated pine was obtained as follows: finger length 15 mm, tooth tip width 0.8 mm, tooth base width 0.7 mm, tooth root width 3.3 mm, inclination ratio 1/12.90, chimerism degree 0.1 mm, and end pressure 11−17 MPa. The dynamic elastic modulus measurement method based on stress wave can evaluate the bending properties of finger-jointed radiata pine laminates well.
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木材由于其可再生、可降解、可回收及纹理美观、可加工性强、环境友好等特性，已经逐渐成为家具、建筑等领域的重要原料[1-2]。中国木材资源短缺，然而竹子生长快、生产周期短且国内竹类资源丰富，充分利用竹类资源，可以有效节约木材资源，缓解木材供需矛盾[3-4]。木竹材作为有机生物高分子材料，其主要组分纤维素、半纤维素、木质素以及内含物淀粉等，容易受到腐朽菌、霉菌、昆虫等生物降解因子的侵害[5-6]。霉菌及变色菌导致木竹材长霉变色，会严重降低木竹制品的使用价值[7]。IPBC作为一种环保、高效的有机防霉剂，已广泛应用于木材、油漆、涂料、建筑材料、化妆品等领域，它对腐朽菌具有较好的效果，于1998年作为防腐朽药剂列入美国AWPA标准[8]。IPBC具有广谱抗菌活性，对霉菌、变色菌和藻类均具有很好的防治效果，且对环境影响较小，具有广阔的应用前景[9]。
微乳液是由水、油、表面活性物质组成的透明、分散液粒径低于100 nm的热力学稳定均相液体[10]。微乳液因其粒径小、稳定性高，对木材具有较高的渗透性，在木材保护领域有着广泛的应用。IPBC微乳液可大幅降低有机溶剂的用量和防霉剂的成本，并且克服了有机防霉剂渗透性差的问题，具有重要意义[11]。
对于户外用木竹材，防霉剂抗流失性直接影响防霉剂的使用，是决定防霉效果持久性的重要指标[12]。防霉剂有效成分具有一定的水溶性，防霉处理的木竹材户外使用可能存在药剂的流失问题，影响到防霉剂的防霉持久性[13]。目前对于IPBC防霉剂的抗流失性能虽有相关研究[14]，但对其微乳制剂的抗流失性能研究鲜有报道，IPBC以不同制剂形式处理木竹材，其抗流失性能可能差异较大[15-16]。本研究建立IPBC含量HPLC分析方法，并对IPBC制剂在处理材中的抗流失性能进行评价。
1. 材料与方法
1.1 材 料
马尾松（Pinus massoniana）采自中国林业科学研究院热带林业实验中心，树龄大于20年，选取健康、无节、年轮分布较均匀的边材，含水率约9%；新西兰辐射松（Pinus radiata），外购，选取健康、无节、年轮分布较均匀的边材，含水率约9%；毛竹（Phyllostachys edulis），竹龄4年，产于中国浙江省杭州市，含水率为5% ~ 12%。
乙醇（EtOH），分析纯；甲醇（MeOH），N,N-二甲基甲酰胺（DMF），乙腈（MeCN），色谱纯；IPBC，质量分数 ≥ 99%，白色粉末；丙环唑（PPZ），质量分数 ≥ 95%，褐色黏稠状液体；戊唑醇（TEB），质量分数 ≥ 97%，白色粉末。其中EtOH、MeOH、DMF和MeCN购自赛默飞世尔科技有限公司，IPBC购自上海汇龙化工有限公司，PPZ和TEB购自上海生农生化制品有限公司；三苯基聚氧乙烯醚和蓖麻油聚氧乙烯醚（EL-90）均购自江苏省海安石油化工厂；双十烷基二甲基氯化铵购自上海诺颂实业有限公司；季铵盐购自飞翔化工（张家港）有限公司；木蜡油，植物提取物，褐色黏稠状液体，购自天津灯塔涂料工业发展有限公司。
1.2 试验方法
1.2.1 HPLC分析条件
Elite P230高效液相色谱仪，UV230+紫外–可见光检测器，Allsphere C18色谱柱（150 mm × 4.6 mm（内径），5 μm）；检测波长200 nm；柱温30 ℃；进样量20 μL；流动相：乙腈和水的体积比为60∶40，流速1.0 mL/min。在该条件下，IPBC的保留时间约为9.32 min。下次分析前，须重新平衡色谱系统。
1.2.2 标准溶液的配制
准确称取50 mg的IPBC标准品，置于50 mL容量瓶中，加入一定质量的甲醇，振荡使之溶解，用甲醇稀释至刻度，摇匀；移取上述溶液5 mL，至50 mL容量瓶中，用甲醇稀释至刻度，摇匀，配制为100 mg/L的标样，再用甲醇稀释，制得质量浓度分别为5、20、40、60、80 mg/L的IPBC系列标准溶液。
1.2.3 IPBC制剂制备
IPBC制剂及微乳D制剂：参考专利文献[17]，准确称取一定量的IPBC，将其加入环己酮或醇类溶剂中，搅拌至完全溶解后，加入适量的表面活性剂，在1 256 rad/min转速下搅拌3 ~ 5 min，即可配制为质量分数为10%的IPBC制剂和7%的微乳D制剂。其中，IPBC制剂采用聚氧乙烯醚及季铵盐类复合表面活性剂，微乳D制剂采用蓖麻油聚氧乙烯醚（EL-90）及双十烷基二甲基氯化铵复合表面活性剂。
IPBC乙醇溶液：IPBC直接加入95%的乙醇中，搅拌溶解。
IPBC/PPZ-TEB制剂：称取一定量的PPZ、TEB，加入N,N-二甲基甲酰胺搅拌溶解，加入表面活性剂三苯基聚氧乙烯醚，搅拌均匀，然后与一定质量的10%IPBC制剂进行混合，即配制成IPBC（5%）/PPZ-TEB（7%）复合制剂。
1.2.4 试件加工
马尾松、辐射松边材，锯切制成规格20 mm（纵向） × 20 mm（弦向） × 20 mm（径向）的试件；毛竹刨去竹青、竹黄后，取节间制成50 mm（纵向） × 20 mm（弦向） × 5 mm（径向）的试件，每组试验取6个试件，试件共144个，其中马尾松试件90个，辐射松试件18个，毛竹试件36个。
1.2.5 防腐处理
参照国家标准GB/T 29905—2013《木材防腐剂流失率试验方法》[18]，处理前将试件进行逐一编号、称重，然后将试件浸泡于稀释后的单一或复合制剂工作液中，置于真空干燥箱中进行浸渍处理，浸渍工艺如下：马尾松、辐射松试件真空（−0.09 MPa）浸渍15 min，常压浸渍10 min；毛竹试件真空（−0.09 MPa）浸渍60 min，常压浸渍30 min。处理完成后，取出试件，用滤纸擦去试件表面药液，称质量，计算试件载药量，置于通风良好处气干21天，备用。
防霉剂载药量计算公式如下：
R = m/V × 103
式中：R为试件中防霉剂的载药量，kg/m3；m为试件中防霉剂有效成分的总质量，g；V为防腐处理试件体积，cm3。
1.2.6 表面涂饰
疏水组马尾松试件浸渍处理后气干7天，然后以手工表层涂刷的方法，在试件表面涂刷木蜡油，每个试件重复涂刷4次，涂饰前后对试件质量分别进行称量，确定木蜡油的涂刷量。涂刷后将试件置于通风良好处气干21天，备用。
1.2.7 流失液收集提取
参照国家标准GB/T 29905—2013《木材防腐剂流失率试验方法》[18]，将载药量相近的6块试样作为一组，置于500 mL烧杯中，加入180 mL去离子水，试样应浸没在去离子水液面以下；用磁力搅拌器搅拌，在第6、24、48 h更换一次去离子水，后每隔48 h更换一次去离子水，共计14天。每次更换的滤出液收集、合并、保存。分别取各组试样的流失液200 mL，用旋转蒸发器浓缩至干；适当加入色谱纯甲醇进行提取，经0.45 μm聚四氟乙烯膜过滤后用于含量分析。
1.2.8 定量检测分析
根据1.2.1的色谱条件设定HPLC仪器参数，待仪器稳定后，连续注入数针标准溶液20 μL，直至相邻两针的响应值变化小于1%，对IPBC标准溶液进行检测分析，然后对各处理材流失提取液试样中的IPBC进行检测，并根据外标法制作标准曲线，得出流失液中IPBC的质量浓度，并根据公式计算出各处理材中IPBC的流失率。
防霉剂流失率计算公式如下：
L = kv/m × 100%
式中：L为防霉剂的流失率，%；k为流失液中待测成分的质量浓度，mg/L；v为流失液的体积，L；m为试件中防霉剂有效成分的总质量，mg。
2. 结果与分析
2.1 色谱条件的优化
2.1.1 检测波长的确定
将适当稀释后的IPBC标准溶液放置于石英比色皿中，采用赛默飞世尔科技有限公司生产的Evolution 300紫外−可见光分光光度计测定。EtOH作为空白样，扫描IPBC标准溶液在190 ~ 900 nm波长下的吸光度。获取IPBC全波长扫描图（图1），绘制曲线，确定IPBC的吸收峰194 nm。在获得较高的灵敏度和较少的杂质吸收干扰条件下，选择200 nm为检测波长。
2.1.2 流动相的确定
流动相的组成及配比的不同，经常呈现出显著的分离选择性和洗脱强度的差异。为了能够实现IPBC和木材内含物的分离，本研究通过文献检索和前期预试验对甲醇−水和乙腈−水这两种流动相进行了比较，结果表明：由于甲醇的紫外吸收，噪音增大，不适用于低波长（< 210 nm）的检测条件，因此以乙腈–水作为流动相体系。对不同体积配比的乙腈和水（55∶45、60∶40、65∶35）进行考察，试验结果表明：55∶45时，极性较小，保留时间短，但分离效果不佳；65∶35时，极性较大，但保留时间较长，出峰晚，分离速度慢；60∶40时，分离效果较好，且IPBC保留时间较短，因此选择流动相配比乙腈和水的体积比为60∶40。
2.1.3 柱温及流动相流速的选择
本研究比较了25 ~ 40 ℃柱温下IPBC的保留时间和分离效率。试验结果表明：当柱温为30 ℃时，IPBC色谱峰的保留时间和色谱峰形较为理想。综合考虑保留时间、柱压和分离效果，流动相流速选择1.0 mL/min。在上述优化的色谱条件下，质量浓度为80 mg/L的IPBC标准溶液的色谱图见图2。在此检测条件下，IPBC色谱峰峰形较好，无拖尾。
2.2 标准曲线分析
以IPBC质量浓度（x，mg/L）为横坐标，峰面积（y）为纵坐标，进行线性回归，绘制标准曲线，结果如表1和图3所示。IPBC标准溶液线性方程和相关系数分别为y = 17.195x – 15.899，r = 0.999 4。相关系数r即质量浓度与峰面积的相关性，相关系数越接近于1，则相关性越高，标准曲线线性关系越好。由图3可见：IPBC质量浓度在5 ~ 80 mg/L范围内，质量浓度与色谱峰面积具有良好的线性关系。
表 1 IPBC质量浓度与峰面积线性关系Table 1. Linear relationship between IPBC concentration and peak area of HPLC试样编号
Sample No.质量浓度
Mass concentration/
(mg·L−1)进样量
Sample size/
μL峰面积
Peak area/
(mV·s)1 5 20 83.37 2 20 20 322.21 3 40 20 661.67 4 60 20 1 003.73 5 80 20 1 374.45 2.3 分析方法的精密度和准确度
准确称取0.035 1 g的10% IPBC制剂，置于50 mL容量瓶中，用甲醇溶解并定容至刻度，摇匀，用0.45 μm聚四氟乙烯膜过滤，制得待分析样品。从待分析样品中称取一定质量的5份平行试样，在上述色谱条件下进行进样分析，结果见表2。测得IPBC的平均质量分数为10.1%，标准偏差为0.05，变异系数为0.5%，表明该方法重现性好。
表 2 精密度试验结果Table 2. Precision test results有效成分
Active ingredient质量分数 Mass concentration/% 标准偏差
Standard deviation变异系数
Coefficient of variation/%1 2 3 4 5 平均值 Mean IPBC 10.2 10.2 10.2 10.1 10.1 10.1 0.05 0.5 称取5份已知质量分数的IPBC制剂样品，计算其有效成分质量，分别在其中添加一定质量的IPBC标准品，制备成待测样品溶液，在上述色谱条件下进行测定进样分析，计算加标回收率，样品和标准品称样量及结果见表3。测得IPBC的回收率为99.5% ~ 100.4%，表明该方法准确度较高。
表 3 准确度试验结果Table 3. Accuracy test results试样编号
Sample No.称样量
Sample mass/mg有效成分
Active ingredient/mg加入标样
Adding standard sample/mg理论量
Theoretical quantity/mg实测量
Actual quantity/mg回收率
Recovery rate/%1 44.8 4.52 17.4 21.92 21.92 100.0 2 48.5 4.90 20.1 25.00 24.87 99.5 3 49.2 4.97 21.9 26.87 26.77 99.6 4 52.5 5.30 30.5 35.80 35.86 100.2 5 39.1 3.95 30.9 34.85 34.98 100.4 综合以上，采用优化后的色谱条件对IPBC标准溶液和10%的IPBC制剂进行检测，IPBC色谱峰峰形较好，无拖尾，质量浓度与色谱峰面积相关性高，标准偏差为0.05，变异系数为0.5%，回收率接近100%，表明该分析方法标准曲线线性相关性较好，待分析样品各测值的分散程度小，精密度高，误差较小，准确度较高，可用于有效成分IPBC的含量分析。
2.4 处理材中IPBC的流失性能
2.4.1 树种及IPBC处理浓度对IPBC抗流失性能的影响
表4试验结果表明IPBC制剂的抗流失性较好，各处理材中的流失率均低于7.1%，保留率均在92.9%以上。马尾松和辐射松处理材中，IPBC的平均流失率分别为1.24%和0.35%，毛竹的平均流失率为5.21%，IPBC在竹处理材中的流失率稍高于木质处理材中的流失率，这可能是因为竹材与木材相比，内部无径向分布的薄壁细胞和射线细胞，缺乏横向传导方式[19]，药液只能从维管束渗透至竹材内部，药液难以渗透及其渗透性较差，导致毛竹处理材的载药量稍低于马尾松和辐射松。因IPBC仅靠物理吸附作用沉积于竹材中，经水流失多次浸泡，水也从维管束进入，不利于IPBC在竹材中的固着[20]。
表 4 IPBC各制剂处理木竹材流失率Table 4. Leaching rates of IPBC in treated wood and bamboo by different formulations树种
Tree species制剂
FormulationIPBC质量浓度
IPBC mass concentration/%IPBC载药量
Retention of IPBC/(kg·m−3)流失率
Leaching rate/%平均流失率
Average leaching rate/%0.02 0.13 1.99 马尾松 Masson pine IPBC 0.05 0.30 1.63 1.24 0.10 0.67 0.11 0.02 0.13 0.48 辐射松 Radiant pine IPBC 0.05 0.34 0.46 0.35 0.10 0.67 0.10 0.02 0.08 3.11 毛竹 Bamboo IPBC 0.05 0.21 5.45 5.21 0.10 0.39 7.08 0.02 0.08 3.89 毛竹 Bamboo IPBC/PPZ-TEB 0.05 0.21 0.38 2.29 0.10 0.39 2.59 各处理材载药量随着IPBC质量浓度的增加而增加。马尾松和辐射松处理材中，IPBC的流失率随着IPBC质量浓度的增加而降低。在质量浓度为0.02%时，流失率最大，质量浓度为0.1%时，流失率最小。马尾松的最大流失率为1.99%，最小流失率为0.11%，辐射松的最大流失率为0.48%，最小流失率为0.10%。毛竹中，IPBC的流失率随着IPBC质量浓度的增加而增加。在质量浓度为0.1%时，流失率最大为7.08%，浓度为0.02%时，流失率最小为3.11%。这可能由于马尾松和辐射松处理材药剂渗透并物理沉积在木材细胞壁上，IPBC在水中有一定的溶解度，虽流失率均较低，但载药量较高时，流失总量占总载药量的比例更低。
鉴于以上各处理浓度下IPBC的流失率均较低，在实际应用中选择药剂处理浓度时，应尽量以能达到防霉效果的处理浓度为选择依据。
2.4.2 复合制剂剂型对IPBC抗流失性能的影响
分别采用单一IPBC制剂和IPBC/PPZ-TEB复合制剂对毛竹试材进行浸渍处理，IPBC制剂的平均流失率为5.21%，IPBC/PPZ-TEB制剂中IPBC的平均流失率为2.29%，IPBC单一制剂的流失率稍高于IPBC/PPZ-TEB复合制剂的流失率（表4）。由此可见，IPBC/PPZ-TEB复合制剂可以提高IPBC的抗流失性能。表4结果显示：单一IPBC制剂毛竹处理材中，IPBC流失率随着载药量的增加而增加，添加PPZ-TEB后，流失率普遍降低。
2.4.3 微乳剂型及表面涂饰对IPBC抗流失性能的影响
分别采用微乳D制剂和IPBC乙醇溶液对马尾松试材进行浸渍处理，微乳剂型和表面涂饰对IPBC抗流失性能的影响见表5。微乳D制剂处理材IPBC的流失率高于IPBC乙醇溶液处理材的流失率，与不使用表面活性剂的IPBC乙醇工作液相比，微乳液中表面活性剂的存在，将难溶于水的IPBC制备成了IPBC微乳工作液，处理材中IPBC可能更容易流失。
表 5 不同剂型IPBC处理马尾松及表面涂饰对流失率的影响Table 5. Leaching rates of IPBC in Masson pine treated by different formulations and surface coating剂型
Formulation表面涂饰
Surface finishing质量浓度
Mass concentration/%载药量
Drug loading/(kg·m−3)流失率
Leaching rate/%平均流失率
Average leaching rate/%微乳 D Micro emulsion D 无 None 0.04 0.23 19.72 0.08 0.44 11.98 15.09 0.12 0.68 13.56 乙醇溶液 Ethanol solution 无 None 0.04 0.18 4.88 0.08 0.39 5.20 4.54 0.12 0.56 3.55 微乳 D Micro emulsion D 木蜡油 Hard wax oil 0.04 0.22 − 0.08 0.43 − − 0.12 0.66 − 乙醇溶液 Ethanol solution 木蜡油 Hard wax oil 0.04 0.19 − 0.08 0.37 − − 0.12 0.54 − 注：“−”表示未检出，流失率 < 0.1%。Notes: “−” means not detected, the leaching rate is less than 0.1%. 真空浸渍处理马尾松试件干燥后，通过表层涂刷的方法用木蜡油对试件进行疏水处理，经过表面涂饰的IPBC制剂处理材流失率低于未涂饰的IPBC制剂处理材，经过表面涂饰的IPBC制剂的不同载药量处理材的抗流失性均较好。本研究结果表明表面涂饰木蜡油可以增加IPBC制剂的抗流失性能。
3. 结 论
（1）HPLC检测IPBC含量的色谱条件：C18色谱柱，以乙腈–水（体积比为60∶40）为流动相，流速为1.0 mL/min，紫外检测波长为200 nm；在5 ~ 80 mg/L浓度范围内，标准曲线的相关系数为0.999 4，线性相关性较好，精密度及准确度较高，分析方法可靠，可用于IPBC含量分析及流失率检测。
（2）IPBC制剂的抗流失性能较好，各处理材中的流失率均低于7.1%，保留率均在92.9%以上。
（3）IPBC处理材中，毛竹的流失率稍高于马尾松和辐射松的流失率；马尾松和辐射松处理材中，IPBC的流失率随着IPBC质量浓度的增加而降低；毛竹处理材中，IPBC的流失率随着IPBC质量浓度的增加而增加；IPBC单一制剂的流失率稍高于复合制剂IPBC/PPZ-TEB的流失率。
（4）为了抵抗药剂的流失，在IPBC防霉剂实际应用中，可以考虑与其他防霉或防腐剂进行复配，或利用木蜡油对试材进行表面涂饰，提高IPBC制剂的抗流失性能，以达到防霉的持久性。
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图 2 基于端压–位移曲线理论的预试验验证曲线
Figure 2. Preliminary test verification curves based on the theory of end pressure-displacement curve
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图 5 指接层板抗弯试件破坏模式
Figure 5. Failure modes of bending specimens with finger-jointed laminates
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图 6 不同指长下试件
的σb12 均值比较Figure 6. Comparison of mean values for
σb12 of specimens with different lengths![]()
图 7 不同嵌合度下试件
σb12 均值比较Figure 7. Comparison of mean values for
σb12 of specimens with different chimerism![]()
图 8
Ed12−Es12 线性拟合曲线Px. 拟合变量的P值 P value of fitting variable; Pa. 拟合常量的P值 P value of fitting constant; N. 拟合样本个数 The number of fitting specimen.
Figure 8. Linear fitting curve of
Ed12-Es12 表 1 铣刀参数
Table 1 Parameters of milling cutter
铣刀种类
Type of
milling cutter内径
Diameter
inside/mm外径
Diameter
outside/mm参考指长
Referenced finger
length/mm厚度
Thickness/
mm刀尖宽度
Tip width/
mm斜度
SlopeⅠ型铣刀 Type Ⅰ milling cutter 50 160 12 4.0 0.6 1/8.87 Ⅱ型铣刀 Type Ⅱ milling cutter 50 160 15 4.0 0.7 1/12.90 Ⅲ型铣刀 Type Ⅲ milling cutter 50 160 19 6.0 1.2 1/10.51 Ⅳ型铣刀 Type Ⅳ milling cutter 50 160 25 7.0 1.2 1/11.27 注：铣刀的斜度数值上表示为刀刃倾斜角度的正切函数值，且与所铣出指榫的斜面倾斜比数值相同。 GB/T 26899—2011《结构用集成材》规定指接材指榫斜面倾斜比应小于1/7.5，内层层板指榫长度不小于10 mm，外层层板指榫长度不小于15 mm，本研究所选铣刀满足要求。Notes: the slope of the milling cutter is shown as the tangent function of the angle of the blade, which is as same as the value of inclination ratio of the finger joint milled by this cutter. GB/T 26899—2011 Structural Glued Laminated Timber stipulated that the inclination ratio of the finger joint shall be less than 1/7.5, the length of the inner layer plate shall be no less than 10 mm, and the length of the outer layer plate shall be no less than 15 mm. The milling cutter selected in this paper meets the requirements. 
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表 2 试件指接参数及端压选择
Table 2 Selection of finger joint parameters and end pressure
铣刀种类
Types of
milling cutter嵌合度
Chimerism
degree/mm指榫长度
Finger
length/mm小端压
Small end
pressure/MPa中端压
Medium end
pressure/MPa大端压
Big end
pressure/MPaⅠ型铣刀 Type Ⅰ milling cutter 0.1 12.01 13.17 18.27 23.37 0.2 11.63 11.26 14.86 18.45 0.3 10.97 10.83 14.40 17.98 Ⅱ型铣刀 Type Ⅱ milling cutter 0.1 16.10 10.94 14.39 17.85 0.2 15.54 10.10 13.44 16.78 0.3 14.81 7.54 9.46 11.37 Ⅲ型铣刀 Type Ⅲ milling cutter 0.1 18.40 9.42 12.56 15.70 0.2 17.90 7.76 9.54 11.31 0.3 17.30 6.47 7.98 9.50 Ⅳ型铣刀 Type Ⅳ milling cutter 0.1 25.50 9.81 13.45 17.09 0.2 24.70 8.57 11.20 13.82 0.3 24.20 5.01 5.84 6.67
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表 3 不同指长组在12%含水率条件下抗弯强度值（
σb12 ）的方差齐性检验Table 3 Homogeneity test of variance for bending strength (
σb12 ) under 12% moisture content with different lengths莱文统计 Levin statistics df1 df2 P 重复次数 Repeat time 1.669 3 248 0.174 84
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表 4 不同指长组的
σb12 均值差异显著性检验Table 4 Significance test of mean difference for
σb12 values with different length检验方法
Test
methodm组指长
Finger length
of group m/mmn组指长
Finger length
of group n/mm两组σb12均值差
Numerical difference
of mean σb12 of the two
groups/MPaP 95%置信区间 95% confidence interval 置信下限
Confidence lower limit置信上限
Confidence upper limit图基 HSD
Tukey HSD12 15 −1.276 0.504 −3.641 1.090 12 19 1.315 0.477 −1.050 3.680 12 25 0.376 0.977 −1.990 2.741 15 19 2.591 0.026* 0.226 4.956 15 25 1.651 0.273 −0.714 4.016 19 25 −0.940 0.733 −3.305 1.425 LSD 12 15 −1.276 0.164 −3.077 0.525 12 19 1.315 0.152 −0.486 3.116 12 25 0.376 0.682 −1.425 2.177 15 19 2.591 0.005* 0.790 4.392 15 25 1.651 0.072 −0.150 3.452 19 25 −0.940 0.305 −2.741 0.861 邦弗伦尼
Bonferroni12 15 −1.276 0.986 −3.708 1.156 12 19 1.315 0.909 −1.117 3.747 12 25 0.376 1.000 −2.056 2.807 15 19 2.591 0.030* 0.159 5.023 15 25 1.651 0.433 −0.781 4.083 19 25 −0.940 1.000 −3.372 1.492 注：*表示该行两组数据均值在95%置信度下存在显著差异。Note: * indicates that there is a significant difference between the mean values of the two groups with 95% confidence.
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表 5 不同嵌合度下
σb12 值的方差齐性检验Table 5 Homogeneity test of variance for
σb12 values with different chimerism莱文统计 Levin statistics df1 df2 P 重复次数 Repeat time 0.749 2 249 0.474 84
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表 6 不同嵌合度下
σb12 均值差异显著性检验Table 6 Significance test of mean difference for
σb12 values with different chimerism检验方法
Test methodm组嵌合度
Chimerism degree
of group m/mmn组嵌合度
Chimerism degree
of group n/mm两组σb12均值差
Numerical difference of
mean σb12 of the
two groups /MPaP 95%置信区间 95% confidence interval 置信下限
Confidence lower limit置信上限
Confidence upper limit图基HSD
Tukey HSD0.1 0.2 2.481 0.005* 0.627 4.335 0.1 0.3 1.905 0.042* 0.051 3.759 0.2 0.3 −0.576 0.744 −2.430 1.278 LSD 0.1 0.2 2.481 0.002* 0.933 4.030 0.1 0.3 1.905 0.016* 0.357 3.454 0.2 0.3 −0.576 0.465 −2.125 0.973 邦弗伦尼
Bonferroni0.1 0.2 2.481 0.005* 0.586 4.376 0.1 0.3 1.905 0.048* 0.010 3.801 0.2 0.3 −0.576 1.000 −2.471 1.319
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表 7 不同端压组下
σb12 值描述性统计Table 7 Descriptive statistics of
σb12 values in different end pressure groups组别
Group样本数
Sample number均值
Mean/MPa标准差
Standard deviation/MPa变异系数
Variation coefficient/%最小值
Min. value/MPa最大值
Max. value/MPa小端压 Small end pressure 84 27.66 4.965 17.95 16.56 39.61 中端压 Medial end pressure 84 26.10 5.006 19.18 14.96 41.53 大端压 Large end pressure 84 26.92 5.509 20.47 13.02 39.93 总计 Total 252 26.89 5.185 19.28 13.02 41.53
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表 8 不同端压组下
σb12 值的方差齐性检验Table 8 Homogeneity test of variance for
σb12 under different end pressure莱文统计
Levin statisticsdf1 df2 P 重复次数
Repeat time0.803 2 249 0.449 84
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表 9 不同端压组的
σb12 均值差异显著性检验Table 9 Significance test of mean difference for
σb12 values with different end pressure检验方法
Test methodm组端压
End pressure
of group mn组端压
End pressure
of group n两组σb12均值差
Numerical difference
of mean σb12 of the
two groups/MPaP 95%置信区间
95% confidence interval置信下限
Confidence lower limit置信上限
Confidence upper limit图基 HSD
Tukey HSD小 Small 中 Medial 1.565 0.124 −0.315 3.445 小 Small 大 Large 0.747 0.617 −1.133 2.627 中 Medial 大 Large −0.818 0.561 −2.698 1.062 LSD 小 Small 中 Medial 1.565 0.051 −0.005 3.135 小 Small 大 Large 0.747 0.350 −0.823 2.317 中 Medial 大 Large −0.818 0.306 −2.388 0.752 邦弗伦尼
Bonferroni小 Small 中 Medial 1.565 0.152 −0.356 3.486 小 Small 大 Large 0.747 1.000 −1.174 2.668 中 Medial 大 Large −0.818 0.918 −2.739 1.103
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表 10 指接层板性能参数均值简化
Table 10 Simplified mean performance parameters of finger joint laminates
指长
Finger
length/mm嵌合度
Chimerism
degree/mmρ12/
(g·cm−3)Ed12/
GPaEs12/
GPaσb12/
MPa12 0.1 0.466 7.032 8.266a 30.409a 0.2 0.445 6.236 7.021 26.831 0.3 0.452 5.363 7.542 23.752 15 0.1 0.449 7.032 8.533b 29.803b 0.2 0.449 6.204 7.351 26.532 0.3 0.463 7.251 8.693c 28.485c 19 0.1 0.452 6.356 7.486 26.165 0.2 0.448 6.283 7.953 24.847 0.3 0.431 5.628 6.842 26.034 25 0.1 0.434 5.664 6.638 27.046 0.2 0.438 6.206 7.509 25.288 0.3 0.461 6.835 7.697 27.531 注：ρ12、Ed12、Es12和σb12分别为层板在12%含水率条件下的密度、动态弹性模量、静态弹性模量和抗弯强度。取本试验范围内力学性能最好的3组指接参数组合，分别标记为a组、b组、c组。抗弯强度：a组 > b组 > c组；静态弹性模量：c组 > b组 > a组。Notes: ρ12, Ed12, Es12 and σb12 are the density, dynamic elastic modulus, static elastic modulus and bending strength of laminates under 12% moisture content. The three groups of finger joint parameter combinations with the best mechanical property within the test range are labeled as group a, group b and group c, respectively. In bending strength, group a >group b > group c; in static modulus of elasticity, group c > group b> group a.
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表 11 性能参数分布模型拟合
Table 11 Performance parameter distribution model fitting
概率密度函数
Probability density
function正态分布
Normal distribution对数正态分布
Lognormal distribution威布尔分布
Weibull distribution95%置信度临界值
Critical value
of 95%
confidencef(x)=1β√2π e−(x−α)22β2 f(x)=1xβ√2π e−(lnx−α)22β2 f(x)=βxβ−1αβe−(xα)β ρ α 0.449 −0.803 0.464 β 0.0352 0.0780 15.4860 K-S检验 K-S test 0.0359 0.0335 0.0814 0.0857 Ed α 6.341 1.827 6.822 β 1.275 0.201 6.164 K-S检验K-S test 0.0664 0.0303 0.0969 0.0857 Es α 7.628 2.011 8.215 β 1.564 0.205 6.041 K-S检验K-S test 0.0511 0.0334 0.0731 0.0857 σb α 26.894 3.273 28.887 β 5.185 0.195 6.365 K-S检验K-S test 0.0642 0.0464 0.0951 0.0857 注：ρ、Ed、Es和σb分别为层板的密度、动态弹性模量、静态弹性模量和抗弯强度；α和β为概率密度函数公式中的对应参数。Notes：ρ, Ed, Es and σb are the density, dynamic elastic modulus, static elastic modulus and bending strength of laminates; α and β are the corresponding parameters in formulae of probability density function.
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表 12 不同指接参数组合下试件力学性能参数
Table 12 Mechanical performance parameters of specimens under different finger joint parameter combinations
MPa 指接参数组合
Finger joint parameter combinationEs12均值
Mean of Es12σb12均值
Mean of σb12σb12标准值 Standard value of σb12 参数法–正态分布
Parametric method-normal distribution参数法–对数正态
Parametric method-lognormal distribution非参数法
Nonparametric methoda组 Group a 8 266 30.41 20.39 21.62 20.90 b组 Group b 8 533 29.80 20.31 21.29 19.98 c组 Group c 8 693 28.49 17.94 19.07 18.40 总体 Total 7 628 26.89 18.01 18.90 19.55
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表 13 4项指标的双变量相关性检验
Table 13 Bivariate correlation test of four indicators
检验变量
Test variable检验参数
Test parameterEs12 σb12 Ed12 皮尔逊系数 Pearson coefficient 0.886** 0.603** P < 0.001 < 0.001 ρ12 皮尔逊系数 Pearson coefficient 0.553** 0.448** P < 0.001 < 0.001 注： **表示在99%置信度（双尾）条件下，相关性显著。Notes: ** means the correlation is significant under 99% confidence (two tails) condition.
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表 14 不同指接参数组合的
Ed12−Es12 拟合曲线参数及显著性检验Table 14 Fitting curve parameters and significance test of
Ed12-Es12 with different joint parameter combinations指长
Finger length/mm嵌合度
Chimerism degree/mm变量系数
Coefficient of variation标准差
Standard deviationPx值
Px value常数项
Constant term标准差
Standard deviationPa值
Pa value12 0.1 1.120 0.132 0.806x* 0.394 0.938 0.719a* 0.2 0.880 0.096 0.045x* 1.532 0.613 0.210a* 0.3 1.279 0.147 0.206x* 0.680 0.801 0.945a* 15 0.1 1.118 0.077 0.689x* 0.671 0.548 0.907a* 0.2 1.134 0.077 0.546x* 0.314 0.488 0.398a* 0.3 1.322 0.125 0.077x* −0.890 0.925 0.095a* 19 0.1 1.212 0.107 0.255x* −0.220 0.691 0.183a* 0.2 1.335 0.118 0.048x* −0.437 0.749 0.134a* 0.3 1.283 0.148 0.200x* −0.378 0.843 0.202a* 25 0.1 1.138 0.112 0.653x* 0.192 0.644 0.409a* 0.2 1.394 0.193 0.127x* −1.143 1.208 0.136a* 0.3 0.799 0.110 0.017x* 2.235 0.763 0.065a* 注： x*为不同指接参数组变量系数与整体变量系数1.087之间的差异显著性；a*为不同指接参数组常数项与整体常数项0.737之间的差异显著性。Notes: x* means the degree of difference between the variable coefficient of different joint parameter groups and the global variable coefficient 1.087;
a* means the degree of difference between the constant term of different joint parameter groups and the global constant term 0.737.
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