不同樹種木材復(fù)合交錯層壓膠合木的力學(xué)性能

王志強，付紅梅，戴驍漢，那 斌，盧曉寧

（南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

不同樹種木材復(fù)合交錯層壓膠合木的力學(xué)性能

王志強，付紅梅，戴驍漢，那 斌，盧曉寧

（南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

采用花旗松、輻射松和楊木，即將楊木置于芯層，花旗松或者輻射松置于表層，壓制單一樹種和混合樹種交錯層壓膠合木（Cross-laminated timber, CLT），對材料進行順紋抗彎、順紋抗剪和橫紋抗剪性能測試。試驗表明，相比抗彎彈性模量最低的純楊木CLT，花旗松與楊木混合CLT的性能提高35%；包含楊木和不包含楊木的不同樹種CLT順紋抗彎強度及抗剪強度差別不大。試件破壞形式與CLT材料和結(jié)構(gòu)形式有很大聯(lián)系，主要包含指接處破壞、膠層分層和垂直層滾動剪切破壞等。

混合樹種交錯層壓膠合木；單一樹種交錯層壓膠合木； 楊木；力學(xué)性能；失效形式

交錯層壓膠合木(Cross-laminated timber, CLT)是一種至少由3層實木鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合板材正交組坯，采用結(jié)構(gòu)膠粘劑壓制而成的矩形、直線、平面板材形式的工廠預(yù)制工程木產(chǎn)品，應(yīng)用于樓蓋、屋蓋和墻體中，圖1[1]。這種新型的工程木產(chǎn)品最早于20世紀90年代在奧地利出現(xiàn)，近年來被廣泛應(yīng)用于歐洲、北美地區(qū)住宅和非住宅建筑。通過與其它材料合理搭配，CLT可用于中層（6～8層)和高層（8層以上)建筑[2]。2013年2月，奧地利研究人員利用CLT建成了目前世界上最高的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑，高32.17 m，2009年英國研究人員也利用CLT建成了9層木結(jié)構(gòu)建筑?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑向中、高層發(fā)展已成為國外木結(jié)構(gòu)建筑研究的新熱點。2012年全球大約有20家CLT生產(chǎn)廠家，產(chǎn)量發(fā)展迅速，預(yù)計到2015年，全球CLT產(chǎn)量將達到1.00×106m3[3]，如圖2。

圖 1 交錯層壓膠合木示意Fig.1 Conf i guration of CLT

CLT研究和應(yīng)用的快速發(fā)展，主要是由于這種新型工程木產(chǎn)品不僅具有其它工程木產(chǎn)品，如膠合木，的強度高、防火性等優(yōu)點，還具有尺寸穩(wěn)定性好，可直接為墻板、樓板和屋頂板，通過緊固件連接直接構(gòu)成整棟木結(jié)構(gòu)，適用于中、高層住宅和非住宅建筑等特性。

近十多年國內(nèi)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)技術(shù)有了很大進步，但和國外還有較大差距。目前國內(nèi)輕型木結(jié)構(gòu)建筑最高層數(shù)為3層[4]，這很大程度上限制了木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展，國內(nèi)大部分民用建筑在7層及以下，這也給類似CLT的中高層木結(jié)構(gòu)建筑提供了很大的發(fā)展空間。當(dāng)然，國內(nèi)發(fā)展中高層木結(jié)構(gòu)建筑還有許多問題需要解決。國內(nèi)速生木材生長快，力學(xué)性能較差，在速生木材改性增強作為承重結(jié)構(gòu)材方面做了大量研究[5]。本研究對CLT工藝及混合樹種CLT力學(xué)性能進行了初步研究，旨在考察速生楊木作為CLT的可行性及方式。

圖 2 全球CLT產(chǎn)量發(fā)展趨勢Fig.2 Wordwide development of CLT production

1 材料與方法

1.1 試驗材料

楊 木Populus euramericana cv. 1-214， 密度 0.41 g/cm3，產(chǎn)地山東。花旗松Pseudotsuga menziesii，密度0.47 g/cm3，產(chǎn)地美國。輻射松Pinus radiata D. Don，密度0.45 g/cm3，產(chǎn)地新西蘭。

楊木板為刨光、無節(jié)材，厚度29 mm，寬度90 mm，長度為1 000 mm，1 100 mm和1 200 mm 3種；花旗松為有節(jié)材，長度2 100 mm；輻射松為無節(jié)材，長度2 100 mm。3種木材含水率均為10%～12%。

木板指接用木工專用指接膠，廣州原野實業(yè)有限公司生產(chǎn)，CLT壓制采用單組分聚氨酯膠，富樂（南京)化學(xué)有限公司生產(chǎn)。

1.2 CLT結(jié)構(gòu)設(shè)計

將楊木板置于芯層，花旗松或者輻射松板置于表層，3種木材進行不同組合，形成單一樹種和復(fù)合樹種的CLT，如表1。

表1 不同的CLT結(jié)構(gòu)Table1 Various configurations of CLT

1.3 CLT 加工工藝

在參考國外CLT工藝研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)原料特點，使用國內(nèi)膠合木和膠合板生產(chǎn)設(shè)備壓制CLT。實驗所用的3種木材最初尺寸、等級不同，為了控制產(chǎn)品質(zhì)量和力學(xué)性能，在進行CLT壓制前，對有節(jié)材花旗松去除節(jié)子，對尺寸較短的花旗松和楊木進行銑齒、指接接長，銑齒、指接工藝參考GB 50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[4:50]，齒長200 mm，指端寬度 0.3 mm，最后對所有木板進行四面刨光，得到厚度25 mm，寬度85 mm和長度1 000 mm（用于中間垂直層)和2 000 mm（用于表層平行層)的木板。進行手工涂膠，木板寬面單面涂膠量為180 g/m2，膠粘劑為單組分聚氨酯膠，木板側(cè)面不涂膠，無連接。按照相鄰層木板紋理正交鋪設(shè)的原則進行手工組坯，采用冷壓機進行上下表面加壓，壓力1.0 MPa，壓制時間3小時，加壓環(huán)境溫度20℃。壓制的CLT板共3層，長2 100 mm，寬1 000 mm，厚75 mm。每種結(jié)構(gòu)CLT壓制1～2塊板。制板工藝路線如圖3。

圖 3 CLT加工工藝流程Fig.3 Manufacturing process of CLT products

根據(jù)美國CLT性能評價標準ANSI/APA PRG 320-2012《Standard for performance-rated crosslaminated timer》測試CLT的順紋抗彎性能和抗剪性能[6-11]。抗彎性能測試試件跨度為1 860 mm，略小于厚度的30倍。每塊板鋸制抗彎試件1個，順紋和橫紋抗剪試件各5個，同時參考國家結(jié)構(gòu)用集成材標準（GB/T 26899-2011)[7]進行浸漬剝離性能測試，每種結(jié)構(gòu)8個試件。

2 結(jié)果與分析

2.1 浸漬剝離性能

目前國內(nèi)沒有關(guān)于CLT涂膠的相關(guān)設(shè)備，實驗過程采用手工涂膠，盡量縮短涂膠時間和提高涂膠均勻性。實驗所采用的單組分濕固化聚氨酯膠膠粘劑是利用聚合物中游離活性基團（-NCO)與大氣中的水汽或粘結(jié)基材中的活潑氫原子發(fā)生反應(yīng)，從而達到粘結(jié)目的的一類膠粘劑[8]。由于板幅面較大，而且每層又由若干塊木板組成，手工涂膠的方式容易導(dǎo)致涂膠工序與冷壓工序脫離時間太長且涂膠不均勻，降低了膠層性能，試件浸漬剝離性能如圖4。從圖中可以看出，浸漬剝離性能顯示了較大的變異性，純楊木CLT和楊木復(fù)合CLT的膠層顯示了相對較好的浸漬剝離性能，而另外兩種CLT膠層的浸漬剝離性能相對較差。

圖 4 試件浸漬剝離率Fig.4 Specimens impregnated stripping rate

2.2 力學(xué)性能

各種CLT的力學(xué)性能如表2。從表2中可以看出，單一樹種花旗松CLT順紋抗彎彈性模量（E0)值8 690 MPa，在幾種CLT結(jié)構(gòu)中最大。其次是花旗松與楊木混合CLT的E0，其值比與純楊木CLT的E0提高35%。單一輻射松或者輻射松與楊木復(fù)合CLT的E0與單一楊木CLT差別不大。這說明將花旗松這類高力學(xué)性能的樹種與楊木復(fù)合能顯著提升CLT的順紋抗彎彈性模量。

另外，將試驗結(jié)果與美國CLT性能評價標準ANSI/APA PRG 320-2012中要求的指標值相比[6:10]，可以得到：單一樹種花旗松CLT的順紋抗彎強度（E0)值達到并超過了其中的E3等級值（8 274 MPa)，所有CLT結(jié)構(gòu)的順紋抗彎強度（fb0)都超過其最高的fb0值；所有CLT結(jié)構(gòu)的抗剪強度（fv)都未達到其最低fv值。從這個比較可以看出，包含楊木及不含楊木的CLT都顯示了較好的順紋抗彎強度性能，提高楊木CLT的抗彎彈性模量仍是主要需要解決的問題，這與楊木本身的材質(zhì)軟、剛度低有直接的關(guān)系。

另外，在本試驗條件下壓制的CLT，fv性能都相對較低，其原因主要由于實驗條件限制，手工涂膠導(dǎo)致涂膠工序與冷壓工序脫離時間太長且涂膠不均勻，降低了膠層性能；另一方面，冷壓過程中沒有側(cè)面加壓，在壓制過程中木板會產(chǎn)生相當(dāng)滑移錯位，導(dǎo)致木板間縫隙較大，這也是造成CLT力學(xué)性能降低的一個原因。國外已有CLT生產(chǎn)專門設(shè)備，采用機械自動化生產(chǎn)，生產(chǎn)中為減少木板之間的縫隙，在壓制工序中采用四面加壓，首先側(cè)面加壓（即垂直于板長度方向加壓)，加壓壓力0.3～0.55 MPa，然后上下表面加壓，加壓壓力0.8～1.5 MPa[1:82]。國內(nèi)目前如果要開展CLT生產(chǎn)，可以在現(xiàn)有的膠合木生產(chǎn)設(shè)備上，采用機器淋膠組坯后，再在四面加壓壓機完成壓制工序，進行半自動化生產(chǎn)。

表2 CLT力學(xué)性能?Table2 Mechanical properties of CLT

國外研究表明，由于木材力學(xué)性能各向異性以及CLT正交鋪設(shè)的結(jié)構(gòu)特點，導(dǎo)致CLT的滾動剪切（Rolling shear)剛度和強度是控制CLT樓面和屋面板設(shè)計和性能的關(guān)鍵因素[1:107]。CLT中滾動剪切行為是指剪切應(yīng)力引起木板在其橫切面（RT面)產(chǎn)生剪切應(yīng)變[9]，如圖5。木材的橫切面剪切模量（GRT)很低，在北美CLT標準中將北美地區(qū)常用來生產(chǎn)CLT的木材，如花旗松，云杉-松-冷杉等GRT取值為52 MPa[1:107]。在抗彎和抗剪受力過程中，垂直層往往受到滾動剪切作用，由于木材較低的橫紋抗剪能力，導(dǎo)致垂直層容易發(fā)生滾動剪切破壞（圖6，圖7）。另一方面，受拉面指接處破壞也是主要破壞形式（圖8），純輻射松CLT較低的膠層性能導(dǎo)致了膠層分層破壞（圖9）。對于橫紋抗剪試件，大部分的破壞形式為板與板相接處發(fā)生破壞（圖10），這主要由于板與板之間側(cè)面沒有膠粘劑連接, 在北美CLT標準中對于板與板之間側(cè)面是否需要膠粘劑連接沒有硬性的規(guī)定[1:81]，這主要原因在于板與板之間的，尤其是垂直層板與板之間的縫隙有助于緩解CLT板坯的尺寸變形，生產(chǎn)相對簡單。但這種縫隙也會對CLT的力學(xué)和防火性能產(chǎn)生一定的影響。對于不含指接的輻射松CLT，其順紋抗彎破壞形式為下層受拉面木板被拉斷（圖11），顯示了較強的脆性。

圖 5 CLT中的滾動剪切變形Fig.5 Rolling shear deformation in CLT

圖 6 順紋抗彎垂直層滾動剪切破壞Fig.6 Rolling shear failure of anti-bending vertical layers paralleled to the grain in specimens

圖 7 順紋抗剪垂直層滾動剪切破壞Fig.7 Rolling shear failure of anti-shear vertical layers paralleled to the grain in specimens

圖 8 指接處破壞Fig.8 Finger joint failure

圖 9 膠層分離Fig.9 Delamination failure

圖 10 木板之間破壞Fig.10 Failure between lumbers

圖 11 木板被拉斷Fig.11 Lumber fracture by tension

從以上破壞形式可以看出，與其他工程木產(chǎn)品（如膠合木）相比，除了膠層和指接處容易破壞[10]，由于CLT結(jié)構(gòu)和木材特性，還存在滾動剪切破壞和木板與木板未連接的縫隙處破壞等形式。

3 結(jié) 論

（1）將楊木放在芯層，力學(xué)性能好的樹種，如花旗松放在表層，形成的復(fù)合樹種CLT，這種復(fù)合方式可以顯著提高楊木CLT的抗彎彈性模量，同時具有相當(dāng)?shù)目箯澓涂辜魪姸取?/p>

（2）在本實驗條件下，試件破壞形式與CLT材料和結(jié)構(gòu)形式有較大聯(lián)系，主要包含指接處破壞，膠層分層和垂直層滾動剪切破壞等。

（3）目前國內(nèi)發(fā)展CLT生產(chǎn)，可以在現(xiàn)有膠合木生產(chǎn)設(shè)備基礎(chǔ)上，采用機器淋膠組坯后，再在4面加壓壓機完成壓制工序，進行半自動化生產(chǎn)。

[1] Sylvain Ggnon, E. M.(Ted) Bilek and Lisa Podsto, et al. CLT Handbook: cross-laminated timber[M]. U.S.A: FPInnovation,2012: 1-3.

[2] J.W.G.VAN DE KUILEN, A.Ceccotti, ZHOUYAN Xia, et al.Very tall wooden buildings with cross laminated timber[J].Procedia Engineering, 2011, 14:1621-1628.

[3] Ying-Hei Chui. Cross Laminated Timber[R]. Nanjing, 2012.

[4] GB 50005—2003,木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[5] 張冬梅,楊亮慶. 速生楊木改性研究進展[J]. 林業(yè)機械與木工設(shè)備,2012,40(3):16-20.

[6] ANSI/APA PRG 320-2012, Standard for performance-rated cross-laminated timer[S].

[7] GB/T 26889-2011,結(jié)構(gòu)用集成材[S].

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[10] 樊承謀,安玉杰,祝恩淳,等. 木結(jié)構(gòu)設(shè)計指南[M].第1版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010,30-32.

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Experimental study on mechanical properties of cross-laminated timber with different tree species wood

WANG Zhi-qiang, FU Hong-mei, DAI Xiao-han, NA Bin, LU Xiao-ning
(College of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China)

Three different wood species, such as Douglas fi r, Radiata pine and Poplar were used to make pure wood species and mixed wood species cross-laminated timber (CLT) by putting Poplar lumbers at the core and other two wood lumbers at the outer surfaces. The mechanical properties tested in this study were the bending strength in the major direction, modulus of elasticity in the major direction,shear strength parallel to the grain and shear strength perpendicular to the grain. The results show the CLT panels only made of Poplar had the least E0value, which was about 35% lower than that made of mixed Douglas fi r and Poplar. It was found that the mechanical strength of CLT panels containing poplar were similar to those made of non-poplar wood. The wood species and conf i guration of CLT signif i cantly affected the failure mode. The main failure found were fi nger joint failure, delamination and rolling shear failure.

mixed species cross-laminated timber(CLT); single species cross-laminated timber(CLT); poplar; composite; mechanical properties; failure mode

S781.2

A

1673-923X(2014)12-0141-05

2014-02-07

2012年蘇北科技發(fā)展計劃項目（BC2012414）；2011年林業(yè)公益性行業(yè)科研專項項目（201104042）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目

王志強（1978-），男，湖南衡陽人，副教授，博士，主要研究方向為木結(jié)構(gòu)建筑；E-mail：wangzhiqiang@njfu.edu.cn

盧曉寧（1957-），男，江蘇南京人，教授，博導(dǎo)，主要研究方向為木質(zhì)復(fù)合材料；E-mail：luxiaoning@njfu.edu.cn

[本文編校：文鳳鳴]