加拿大西部鐵杉正交膠合木膠合性能與耐久性初探?

王建和 衛(wèi)佩行 高子震 顧蓉蓉 王 正

正交膠合木（Cross Laminated Timber, CLT）是一種新型的工程木制品，近幾年來廣泛應(yīng)用于歐洲的住宅建筑和非住宅建筑。在20世紀90年代中期，奧地利率先開展了CLT的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，但CLT產(chǎn)業(yè)化進展緩慢。直到21世紀初，由于人們對綠色建筑的青睞和對建筑效率的崇尚，CLT產(chǎn)業(yè)才有了快速的發(fā)展[1,2]。

CLT具有非常明顯的優(yōu)勢，如：可預(yù)制，根據(jù)設(shè)計在生產(chǎn)流水線上進行窗或門的裁切和加工；可裝配，使用預(yù)制構(gòu)件在現(xiàn)場組裝，極大地提高了現(xiàn)場施工效率，尤其適用于中高層建筑；CLT建筑還有質(zhì)輕高強、結(jié)構(gòu)完整性好、保溫隔熱性能好、耐久性好等優(yōu)點。因此，CLT被視為增加林木產(chǎn)品附加值的一個良好選擇。

最近十年，北美也開展了CLT的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。值得一提的是，加拿大林產(chǎn)品創(chuàng)新研究院(FPInnovations)、加拿大UBC、UNB等科研院所開展了利用北美SPF等樹種制造CLT及應(yīng)用研究,為CLT在北美的推廣奠定了技術(shù)基礎(chǔ)[3]。然而，盡管CLT在歐洲和北美已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但是現(xiàn)有的CLT廠家在生產(chǎn)CLT時僅僅是局限于某幾個常規(guī)樹種，工藝條件也并不穩(wěn)定。2016年，中國寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司吸收了歐美國家CLT的研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗，在浙江寧海建成了中國第一條大幅面CLT建筑預(yù)制板中試生產(chǎn)線，開展了CLT國產(chǎn)化的嘗試[4]。

加拿大鐵杉是一種生長于加拿大BC省沿海林區(qū)的主要樹種之一，然而鐵杉的利用目前僅限于造紙和膠合板等低附加值產(chǎn)業(yè)，其價值未得到充分體現(xiàn)[3,5]。根據(jù)加拿大鐵杉材性等特點，找到其新的使用領(lǐng)域，將其轉(zhuǎn)化為具有更高附加價值的生物質(zhì)建材產(chǎn)品成為加拿大林產(chǎn)品加工領(lǐng)域的當務(wù)之急。CLT的優(yōu)勢使其成為人們增值利用鐵杉的理想選擇。為此，需要從技術(shù)上分析加拿大鐵杉等樹種制造CLT的可行性，并分析評估CLT在加拿大、中國等國家的市場前景，為鐵杉的應(yīng)用和CLT推廣找到新的突破點。

在CLT的生產(chǎn)過程中，膠黏劑的種類、施膠量、木材外觀分等及應(yīng)力分等、鋸材含水率控制、組坯時間的控制、冷壓過程中的溫度、壓力、時間的控制等工藝參數(shù)對CLT的各項性能指標均有較大影響。一個成功的CLT制造工藝必須兼顧各個工藝條件的協(xié)調(diào)，以保證所產(chǎn)CLT的質(zhì)量。而作為工程木制品來講，膠合性能是最基本的性能，決定了產(chǎn)品的成敗。從制造工藝的角度而言，膠黏劑的種類和膠合壓力是兩大關(guān)鍵因素。

基于膠層剪切和浸漬剝離試驗，很多歐洲和北美標準對集成材的膠合性能評價方法有詳細的規(guī)定[6-9]。作為加拿大西部鐵杉CLT研發(fā)的一部分，為了確定加拿大西部鐵杉用于制造CLT的技術(shù)可行性，評價鐵杉CLT的膠合質(zhì)量和耐久性至關(guān)重要。筆者在不同的工藝條件（不同的膠黏劑和不同的膠合壓力）下制備CLT，并通過膠層剪切測試和浸漬剝離測試來評估膠合和耐久性[6-9]，以期為后續(xù)研究提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試件制備

測試所用鐵杉鋸材規(guī)格為2 700 mm×140 mm×19 mm，采購自加拿大BC省某鋸木廠。為了檢驗鐵杉CLT的膠合質(zhì)量和耐久性，在中試車間生產(chǎn)了609 mm×609 mm的CLT樣品。CLT樣品采用五層結(jié)構(gòu)，選用兩種北美CLT常用的膠黏劑，即：單組分聚氨酯膠（PUR）（Henkel公司生產(chǎn)）和雙組分異氰酸酯膠黏劑（EPI）（Hexion公司生產(chǎn)）。對于CLT生產(chǎn)而言，其膠合壓力一般在0.28～0.83 MPa之間，筆者取0.28 MPa和0.83 MPa兩個邊界壓力參數(shù)。兩種膠黏劑和兩個膠合壓力參數(shù)產(chǎn)生4種工藝組合，每組重復(fù)3次。根據(jù)北美CLT的生產(chǎn)經(jīng)驗，使用PUR的CLT施膠量為140 g/m2，冷壓時間為150 min；使用EPI的CLT施膠量為300 g/m2，冷壓時間為60 min；組坯時間均為15 min/塊。具體工藝參數(shù)組合如表1所示。

表1 CLT試件工藝組合參數(shù)與測試標準Tab. 1 Process combination parameters and test standards of CLT specimens

圖1 生產(chǎn)的CLT試件Fig.1 Produced hemlock CLT specimens

1.2 測試方法

1.2.1 膠層剪切試驗

首先，將CLT板坯在65%的空氣濕度、20 ℃的條件下養(yǎng)生72 h后，加工成76 mm×76 mm的剪切試件，每塊CLT板可以加工出12個試件。然后依據(jù)標準CSA O112.10-08測試干燥和真空-加壓兩種狀態(tài)下的膠層剪切強度和木材破壞率。

測試時，每個工藝條件和測試條件取5個試件，對每個試件的4個膠層分別進行測試，即每個工藝條件和測試條件下，膠層剪切強度和木材破壞率測試分別取20個數(shù)據(jù)，結(jié)果取20個數(shù)據(jù)的平均值。

式中：fv——剪切強度，MPa;

P——破壞載荷，N;

S——膠層受剪面積，mm2。

圖2 鐵杉CLT的取樣和測試Fig. 2 Sampling and testing of hemlock CLT

1.2.2 浸漬剝離試驗測試過程

依據(jù)標準CSA O122-06加工浸漬剝離試件，尺寸參數(shù)為76 mm×76 mm。測試過程為：試件稱重-試件浸沒水中-抽真空-釋放真空并施加壓力-釋放壓力并抽真空-釋放真空并施加壓力-試件干燥-稱重并記錄開裂膠層長度-再循環(huán)2次，此試驗需12 d完成。

2 結(jié)果與分析

據(jù)文獻報道，實體木材的橫紋剪切強度大概是順紋剪切強度的3～4倍[10]。對于西部鐵杉，其順紋剪切強度是5.9 MPa[11]，則其橫紋剪切強度必定不會小于17 MPa。五層CLT試件膠層剪切測試結(jié)果如表2所示。顯然，無論是干態(tài)還是真空-加壓狀態(tài)，CLT的膠層剪切強度遠小于實體鐵杉木材的剪切強度。換言之，鐵杉CLT的層間剪切破壞只會發(fā)生在膠層上。和干態(tài)試驗相比，真空-加壓狀態(tài)下的膠層剪切強度降低，這是由于水引起木材微結(jié)構(gòu)的膨脹效應(yīng)所致。不同的膠黏劑和膠合壓力會產(chǎn)生不同的膠層剪切強度。根據(jù)表2，對于PUR，干態(tài)剪切強度隨著膠合壓力的增大而降低，而對于EPI則反之，即干態(tài)剪切強度隨著膠合壓力增大而增大。然而，可以得出的是對于PUR膠合的鐵杉CLT，膠合壓力對真空-加壓狀態(tài)的膠層剪切強度的影響并不明顯。同樣對于EPI膠合試件，膠合壓力對真空-加壓狀態(tài)的膠層剪切強度的影響也不明顯。鐵杉CLT的此膠合性能和北美SPF-CLT相似。

從木破率來看，膠黏劑種類和膠合壓力對膠合質(zhì)量影響甚大。使用EPI的CLT木破率高于使用PUR的CLT，且壓力為0.83 MPa時的木破率明顯高于壓力為0.28 MPa條件下制作的CLT。

表2 CLT試件膠層剪切測試結(jié)果Tab.2 Bondline shear test results of hemlock CLT specimens

盡管浸漬剝離在不同試件間變異較大，但導(dǎo)致膠層剝離的機理對于所有試件而言極有可能是一樣的。對于大多數(shù)試驗而言，浸漬剝離發(fā)生在單側(cè)膠層。由于真空-加壓循環(huán)導(dǎo)致木材弦向和徑向膨脹遠大于長度方向上的膨脹。這會導(dǎo)致膠合界面形成層間剪切正應(yīng)力。此外，由于CLT板是正交膠合的，相鄰兩層板間也會產(chǎn)生微縫。表3總結(jié)了CLT試件的浸漬剝離情況。無論是PUR-CLT還是EPI-CLT，增加膠合壓力都會降低浸漬剝離率。由于膠黏劑種類和壓力大小的差異，所測試件的剝離率變化區(qū)間為8.7%～24.2%。使用PUR膠黏劑的CLT剝離率要明顯高于使用EPI的CLT。增加膠合壓力會明顯降低使用同種膠黏劑的CLT的剝離率。該現(xiàn)象可能是由于較大的膠合壓力會促使多余膠黏劑被擠出，膠層較薄。在較低膠合壓力下，膠黏劑滲透木材較淺則膠層較厚，會導(dǎo)致更多的膠結(jié)面直接暴露于水中導(dǎo)致剝離率增加。此外，PUR可以和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以增加膠合壓力提高耐久性，PUR的效果更加明顯。鐵杉CLT的該膠合耐久性性能和北美SPF-CLT也相似。

表3 CLT試件浸漬剝離測試結(jié)果Tab.3 Delamination test results of hemlock CLT specimens

對CLT試件的干態(tài)膠層剪切試驗結(jié)果、真空-加壓狀態(tài)的膠層剪切試驗結(jié)果和浸漬剝離試驗結(jié)果進行方差分析，如表4所列。分析結(jié)果表明：干態(tài)下膠黏劑種類和膠合壓力兩個因素P值為0.05水平，說明這兩個因素對CLT膠層剪切結(jié)果影響顯著。在真空-加壓狀態(tài)下膠黏劑種類對木破率影響顯著（P=0.05），使用EPI作為膠黏劑的CLT木破率明顯高于使用PUR作為膠黏劑的CLT。在浸漬剝離測試中，膠黏劑種類比膠合壓力對浸漬剝離測試結(jié)果的影響更為顯著（膠合壓力因素P值為0.05水平，而膠黏劑種類為0.01水平）。

表4 膠黏劑種類與壓力雙因素方差分析結(jié)果Tab.4 Variance analysis results of adhesive type and pressure

為分析不同膠黏劑和膠合壓力對CLT膠合的敏感性，使用了JMP統(tǒng)計分析軟件對試驗結(jié)果進行分析（圖3）。根據(jù)圖3斜率可知，在CLT制造中，膠黏劑種類和膠合壓力對木破率和浸漬剝離率的影響要明顯大于其對干態(tài)和真空-加壓狀態(tài)下膠層剪切強度的影響。在使用PUR作為膠黏劑時，0.28 MPa的膠合壓力下的CLT木破率要明顯低于0.83 MPa壓力下的木破率，且0.83 MPa時膠層剝離率更低。進一步預(yù)測可知，若使用PUR，壓力在0.83 MPa以上，CLT的浸漬剝離率將低于15%。

圖3 膠黏劑種類與膠合壓力對CLT膠合質(zhì)量的敏感性分析Fig.3 Sensitivity analysis of adhesive and pressure on hemlock CLT bondline quality

綜上分析，加拿大BC省鐵杉制造的CLT膠合質(zhì)量能夠滿足使用要求。而且和SPF木材相比，加拿大西部鐵杉具有更高的剛度，則鐵杉CLT應(yīng)有更好的發(fā)展前景。但作為一種新樹種制造的CLT，鐵杉CLT的制造工藝參數(shù)仍需進一步研究。

3 結(jié)論與建議

加拿大BC省產(chǎn)的鐵杉用于制造CLT至少在膠合性能和耐久性方面具有可行性。對于鐵杉CLT而言，膠黏劑類型和膠合壓力對木破率和浸漬剝離影響甚大。而剪切強度相對而言，對膠合條件敏感度較低。和EPI膠黏劑相比，PUR膠黏劑對膠合壓力更為敏感，而且產(chǎn)生了較低的木破率和較高的浸漬剝離率。對于單組分商用PUR膠黏劑而言，膠合壓力為0.83 MPa時，所制備的鐵杉CLT有更高的木破率和較低的浸漬剝離率。據(jù)預(yù)測，對于PUR膠黏劑，可以施加大于0.83 MPa的膠合壓力可獲得更好的膠合和耐久性能。

今后的研究可從優(yōu)化鐵杉CLT的工藝參數(shù)，如CLT的結(jié)構(gòu), 膠黏劑的選用和涂布量等方面展開，以提高膠合質(zhì)量和耐久性。同時需要將鐵杉CLT和歐洲云杉CLT和北美SPF-CLT的性能進行全面的比較，制定產(chǎn)品的等級和設(shè)計值, 為鐵杉CLT的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

致謝:該文的部分工作是筆者在加拿大FPInnovations任職時完成的, 特向相關(guān)單位和同事們表示感謝!

[1]Julien F. Manufacturing cross-laminated timber (CLT):technological and economic analysis[R]. Report to Quebec Wood Export Bureau,201001259-3257AAM, 2010, 176.

[2]Wang B J, Pirvu C, Lum C. Cross-laminated timber manufacturing.Chapter 2. Canadian CLT Handbook[R]. FPInnovations, Special Publication SP-528E, 2011, 18.

[3]Wang B J, Dai C. Present utilization and outlook of BC Hem-fir for composite products[R]. A report prepared for BC Coastal Forest Sector Development Program. FPInnovations-Forintek Division, 2008, 15.

[4]加拿大木業(yè)協(xié)會. 世界上首條大幅面鐵杉正交膠合木(CLT)建筑預(yù)制板生產(chǎn)線在中國寧波建成投產(chǎn)[EB/OL]. (2016-06-28) [2017-03-13]. http://diyitui.com/content-1467045811. 46914284. html.

[5]Wang B J, Dai C. Development of structural laminated veneer lumber from stress graded short-rotation hem-fir veneer[J]. Construction and Building Materials, 2013, 47:902-909.

[6]ANSI/APA PRG 320 APA Standard for performance-rated crosslaminated timber[S]. Tacoma: The Engineered Wood Association, 2012.

[7]CAN / CSA-O122-06 Structural glued-laminated timber[S]. Mississauga:Canadian Standards Association(CSA), 2006.

[8]CSA O177-06 Qualification code for manufacturers of structural glued–laminated timber[S]. Mississauga:Canadian Standard Association (CSA),2006.

[9]CSA O112.10-08 Evaluation of adhesives for structural wood products(limited moisture exposure)[S]. Mississauga:Canadian Standard Association (CSA), 2008.

[10]徐有明. 木材學(xué)[M]. 北京:中國林業(yè)出版社, 2006:182-204.

[11]Forest Products Laboratory (FPL), USDA. Wood handbook-Chapter 4 Mechanical properties of wood[M]. Madison:U.S. Department of Agriculture,Forest Service, Forest Products Laboratory, 1999:4-9.