正交膠合木 (CLT) 防火性能的研究*

呂雯蓉 曹 龍 王思群 王建如 杜官本

(1. 西南林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南省木材膠黏劑及膠合劑制品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650224；2. 寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司，浙江 寧波 315600)

正交膠合木 (Cross-Laminated Timber, CLT) 是20世紀(jì)90年代開始出現(xiàn)的一種新型的工程木產(chǎn)品，是由三層或三層以上實(shí)心鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合材垂直正交組胚，使用結(jié)構(gòu)膠黏劑膠合而成的一種實(shí)心工程木產(chǎn)品。由于CLT這種特殊的正交結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其在各個(gè)方向的干縮濕脹的程度大致相同，與其他木質(zhì)材料相比，尺寸穩(wěn)定性大大提高，并且其物理力學(xué)性能、耐火性能、抗震性能也十分優(yōu)越。

近年來，使用CLT作為主要的承重構(gòu)件建造成的重型木結(jié)構(gòu)建筑體系在歐美等地區(qū)發(fā)展迅速，逐漸取代了部分傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)和鋼混結(jié)構(gòu)建筑，成為建筑行業(yè)新的關(guān)注焦點(diǎn)。正交膠合木建筑與傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及輕型木結(jié)構(gòu)建筑相比，有以下優(yōu)勢(shì)：1) 強(qiáng)重比高，承載性能好，尺寸穩(wěn)定性高；2) 幅面大，運(yùn)輸成本低，施工簡單方便，周期短，組裝快速安全；3) 施工現(xiàn)場噪音低，無污染，無垃圾；4) 抗震，隔音和保溫效果好；5) 綠色，低碳，節(jié)能，環(huán)保，可回收和重復(fù)利用。CLT結(jié)構(gòu)建筑擺脫了傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)對(duì)于層高的限制，可以部分或完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋混凝土和磚混結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于中高層的民用住宅和公共建筑。

自德國建成世界上第一棟CLT結(jié)構(gòu)建筑后，越來越多的國家開始采用CLT作為材料建造木結(jié)構(gòu)建筑。2009年，英國倫敦使用CLT作為承重墻和地板建成了Stadthaus公寓。2012年，墨爾本建成了10層的CLT公寓。2014年，中國臺(tái)灣建成了亞洲第一座CLT建筑——森科總部大樓。2015年在挪威卑爾根市建成了14層的CLT建筑。2017年，加拿大建成目前全世界最高的木結(jié)構(gòu)建造——Brock Commons學(xué)生公寓，是全球第一棟超過14層的混合建筑，采用了重木、輕鋼和混凝土多種結(jié)構(gòu)形式。建筑的首層是混凝土結(jié)構(gòu)，外加2個(gè)混凝土核心筒，其余17層由CLT樓板和膠合木梁組合而成。由此可見，CLT作為建筑材料已經(jīng)得到了世界各國的廣泛認(rèn)可。

眾所周知，火災(zāi)安全和防火性能是木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的重要考慮因素。CLT作為一種建筑工程材料，其基本組成單元是木材鋸材，因此，其防火性能不僅取決于木材樹種，也取決于其單元尺寸、膠黏劑、組培方式等因素，同時(shí)CLT在燃燒時(shí)力學(xué)強(qiáng)度的變化也將極大地影響木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)和安全?；诖耍疚膶?duì)目前世界各國的研究情況進(jìn)行梳理總結(jié)，以期為相關(guān)研究提供參考。

1 CLT的構(gòu)成元素對(duì)防火性能的影響

1.1 木材樹種和單元尺寸

木材受熱會(huì)發(fā)生熱降解，產(chǎn)生熱解氣體、液體焦油以及炭化層。通常認(rèn)為，炭化層基本上在燃燒溫度接近300 ℃時(shí)才開始形成。一般來說，木材的熱解和燃燒分為4個(gè)階段：1) 從燃燒開始至溫度為200 ℃時(shí)，主要為木材的加熱階段，此時(shí)存在于木材細(xì)胞孔隙中的自由水開始蒸發(fā)，木材也開始發(fā)生熱解反應(yīng)，但其速率非常緩慢。2) 在燃燒溫度在200～300 ℃時(shí)，木材的熱解反應(yīng)仍然十分緩慢，且產(chǎn)生的大部分氣體依舊是不可燃?xì)怏w。此過程中，纖維素?zé)峤鈺?huì)產(chǎn)生炭化和揮發(fā)物，但是揮發(fā)物所占有的比例很小。3) 在燃燒溫度為300～500 ℃時(shí)，熱解反應(yīng)速率增加。此時(shí)纖維素鏈斷裂，產(chǎn)生左旋葡聚糖分子，之后產(chǎn)生甲烷、甲醛、氫氣等揮發(fā)性可燃?xì)怏w，加速木材燃燒。在此狀態(tài)下，會(huì)快速形成炭化層，之后炭化速率會(huì)逐漸降低。4) 在燃燒溫度高于500 ℃時(shí)，會(huì)開始發(fā)生炭化層的二次氧化。二次氧化會(huì)降低炭化層的厚度，從而導(dǎo)致炭化層的隔熱能力降低，最終造成木材的進(jìn)一步燃燒和熱解。

CLT作為一種實(shí)心工程木產(chǎn)品，在燃燒時(shí)與實(shí)木一樣會(huì)產(chǎn)生炭化層，能夠減緩炭化層下未燃燒木材的燃燒速度，保證整體的結(jié)構(gòu)完整性。但是與實(shí)木不同的是，CLT是正交組胚的膠合木，膠黏劑受熱的變化情況會(huì)直接影響CLT的防火性能，并且燃燒中保護(hù)層的選擇以及相關(guān)的參數(shù)變化，均會(huì)對(duì)CLT炭化速率和耐火極限產(chǎn)生影響。所以部分學(xué)者針對(duì)不同形式的CLT，研究其炭化速率和防火性能，并與實(shí)木數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

Frangi等[1]分析了CLT和實(shí)木在火災(zāi)條件下CLT的燃燒行為是否相似。首先使用同等厚度的實(shí)木板材和3層復(fù)合板材在相同條件下進(jìn)行燃燒測(cè)試，結(jié)果表明，復(fù)合板材的燃燒性能取決于單層材料的燃燒性能；如果在燃燒過程中會(huì)發(fā)生膠層剝落的現(xiàn)象，則會(huì)影響板材整體的耐火性能。然后對(duì)3層 (3 × 28 mm) 和5層 (5 × 17 mm) 的CLT進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，得出2種CLT實(shí)驗(yàn)的炭化速率分別為0.64 mm/min和0.68 mm/min，與實(shí)木燃燒炭化速率相近。2種CLT實(shí)驗(yàn)的燃燒過程沒有太大差異，同時(shí)也沒有觀察到有膠層脫落的情況，證明了CLT在火災(zāi)條件下的燃燒行為與實(shí)木是相似的。之后，F(xiàn)rangi等[2]開展了進(jìn)一步試驗(yàn)，對(duì)厚度均為60 mm的3層和5層CLT板進(jìn)行燃燒，研究得出，若炭化層不發(fā)生剝落，實(shí)驗(yàn)的炭化速率會(huì)維持在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，不會(huì)發(fā)生太大波動(dòng)；如果燃燒過程中實(shí)驗(yàn)的炭化層發(fā)生剝落，那么炭化速率則會(huì)有一個(gè)顯著的上升。試驗(yàn)證明，如果CLT的外層板厚度較厚的話，那么其燃燒時(shí)炭化層不容易發(fā)生剝落，導(dǎo)致其耐火性能更好。

Klippel等[3]在建立的炭化模型的研究基礎(chǔ)上，制作了不同截面尺寸的分別用作墻體和樓板的CLT實(shí)驗(yàn)，研究其燃燒性能，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Frangi所建立的炭化模型進(jìn)場對(duì)比分析，研究表明，墻體實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)炭化層脫落的現(xiàn)象，且墻體實(shí)驗(yàn)的炭化速率略比實(shí)木的炭化速率高；而在樓板實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了有炭化層脫落，導(dǎo)致其炭化速率比實(shí)木高。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可以得到在CLT實(shí)驗(yàn)燃燒60 min后，測(cè)量數(shù)據(jù)能較好的和計(jì)算模型相吻合。Menis等[4]分別通過對(duì)有和沒有保護(hù)層的CLT進(jìn)行了耐火試驗(yàn)，得出有保護(hù)層的CLT的炭化速率約為1 mm/min，沒有保護(hù)層的實(shí)驗(yàn)炭化速率與實(shí)木炭化速率相近，與Frangi等人的研究結(jié)果相近。Friquin等[5]在CLT的燃燒試驗(yàn)中，使用了3種不同的溫度-時(shí)間燃燒曲線，希望研究不同燃燒曲線下，CLT的炭化速率是否相同，結(jié)果表明，在不同燃燒狀態(tài)下，CLT的炭化速率變化很大，且隨著溫度升高的越快，炭化的速度會(huì)隨之加快；CLT在經(jīng)過長時(shí)間燃燒后，其炭化速率會(huì)在一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定。

從上述研究中可以得出，在沒有添加保護(hù)層的情況下，CLT實(shí)驗(yàn)的炭化速率與實(shí)木相近，存在一些細(xì)微的差距，且炭化速率會(huì)受到燃燒時(shí)自身炭化層是否剝落的影響，所以增加外層板厚度能夠保證CLT炭化速率穩(wěn)定性。

1.2 膠黏劑

膠黏劑的熱穩(wěn)定性會(huì)直接影響CLT炭化層的剝落情況，最終決定了CLT整體的防火性能和火災(zāi)中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。研究人員研究了不同膠黏劑對(duì)CLT防火性能的影響。

Frangi等[6]認(rèn)為，CLT的耐火性能在很大程度上取決于所使用膠黏劑的性能。他們使用三聚氰胺尿素甲醛樹脂膠黏劑 (MUF) 和聚氨酯膠黏劑 (PU) 分別壓制CLT，并進(jìn)行耐火試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，與使用MUF膠黏劑制成的實(shí)驗(yàn)相比，發(fā)現(xiàn)使用PU膠黏劑制成的CLT的炭化層會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的剝落，炭化率較高，耐火性能較差。Craft等[7]研究了PRF和PUR2種膠黏劑對(duì)CLT防火性能的影響。研究人員制作了3層總厚度為144 mm的CLT實(shí)驗(yàn)，分別使用PRF和PUR2種膠黏劑進(jìn)行膠合，并在實(shí)驗(yàn)外層附上石膏板作為保護(hù)層。試驗(yàn)結(jié)果顯示，2種實(shí)驗(yàn)的燃燒結(jié)果存在很大的差異，使用PUR的實(shí)驗(yàn)?zāi)z合后，膠合層內(nèi)沒有間隙，而使用PRF膠黏劑會(huì)導(dǎo)致板與板之間存在較大的空氣間隙，從而導(dǎo)致火焰容易通過空氣間隙進(jìn)行傳播擴(kuò)散。所以使用PRF膠黏劑的實(shí)驗(yàn)會(huì)比使用PUR膠黏劑的實(shí)驗(yàn)更容易出現(xiàn)完整性破壞。之后，研究人員又制作2類PUR膠黏劑的實(shí)驗(yàn)，一是邊緣處無粘合的實(shí)驗(yàn)，二是邊緣處粘合的實(shí)驗(yàn)。燃燒試驗(yàn)過程中可以觀察到，邊緣處無粘合的CLT實(shí)驗(yàn)在炭化層剝落時(shí)是以碎片的形式一片一片掉落，而邊緣處粘合的CLT實(shí)驗(yàn)炭化層整塊剝落，而前者的失效時(shí)間比后者長了4 min。由此可以得出，邊緣處不粘合的CLT板材的防火性能能好。Suzuki等[8]為了研究CLT在火災(zāi)狀態(tài)下的炭化特征和破壞模式，通過改變CLT的膠黏劑類型、單板厚度、施加的荷載等參數(shù)，進(jìn)行了一系列的爐壁加熱試驗(yàn)和承重試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)LVL進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，使用API膠黏劑制成的CLT會(huì)發(fā)生膠層脫落的現(xiàn)象，而使用RPF膠黏劑的CLT板則不容易發(fā)生膠層脫落的現(xiàn)象。炭化研究得出，以日本柳杉 (Cryptomeriajaponica) 為原料，在260 ℃的燃燒條件下，以API為膠黏劑制成的CLT炭化速率為0.78 mm/min，使用RPF膠黏劑的CLT炭化速率為0.66 mm/min，而LVL的炭化速率為0.6 mm/min，比CLT板小。Hasburgh等[9]分析了使用不同膠黏劑 (MF、PRF、PUR、EPI) 的CLT實(shí)驗(yàn)的炭化速率和燃燒性能。結(jié)果表明，使用不同膠黏劑的實(shí)驗(yàn)燃燒得出的炭化速率和失效時(shí)間沒有太大的差異，但使用PUR和EPI膠黏劑的CLT實(shí)驗(yàn)，相比于另2種實(shí)驗(yàn)來說，其燃燒后更容易產(chǎn)生炭化層脫落現(xiàn)象。

目前，這一方面的研究主要集中于膠黏劑的種類和對(duì)CLT防火性能的影響，對(duì)于膠黏劑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，以及膠層和膠縫間在高溫火焰下的變化和影響，都還沒有涉及。

1.3 整 體

CLT火災(zāi)狀態(tài)下的整體耐火性能，主要是關(guān)于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和耐火極限的試驗(yàn)和研究。Schmid等[10]分別制作了3種不同規(guī)格的CLT實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了大中小3種不同規(guī)模的火災(zāi)試驗(yàn)，測(cè)量CLT實(shí)驗(yàn)遇火時(shí)的溫度分布，撓度、剛度變化以及橫截面的炭化過程，研究了厚度、層數(shù)、保護(hù)層對(duì)CLT防火性能的影響以及CLT在彎曲和遇火時(shí)的力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)束后，可以觀察到實(shí)驗(yàn)在火災(zāi)過程中發(fā)生了大量的變形，且當(dāng)施加在CLT實(shí)驗(yàn)的荷載值在常溫正常狀態(tài)下平均抗彎強(qiáng)度的26%～59%時(shí)，實(shí)驗(yàn)在火災(zāi)中能支撐的時(shí)間為106～12.8 min，說明在CLT燃燒過程中，所受到荷載的大小與其火災(zāi)承載力有密切的聯(lián)系。之后，Joachim Schmid采取2種不同的防火層：一種是12.5 mm厚的石膏板 (GtA)，另一種是20 mm厚的木板以及15 mm的石膏板 (GtF)，研究防火層的類型對(duì)CLT實(shí)驗(yàn)防火性能的影響。結(jié)果得出，在火災(zāi)試驗(yàn)中，CLT實(shí)驗(yàn)的中部和頂部分別有水平和垂直方向上的撓度變化，且使用GtF防火層的實(shí)驗(yàn)在燃燒過程中，并沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)上的破壞，而使用GtA防火層的實(shí)驗(yàn)在燃燒后23 min，便開始出現(xiàn)炭化層脫落等現(xiàn)象，影響整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。Hasburgh等[9]分析了使用不同結(jié)構(gòu)鋪裝 (LCL、LLC) 的CLT實(shí)驗(yàn)的炭化速率和燃燒性能，結(jié)果表明，采用LLC鋪裝形式的CLT實(shí)驗(yàn)，燃燒后出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)表面炭化不均勻的現(xiàn)象，表明使用這種鋪裝形式的CLT一旦作為完整的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在火災(zāi)中的結(jié)構(gòu)安全并不穩(wěn)定。Wiesner等[11]使用云杉 (Piceaasperata) 和松木 (Pinusspp.) 為原材料，MUF為膠黏劑，制作相同總厚度的3層和5層CLT實(shí)驗(yàn)。首先在環(huán)境溫度下對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行加壓至實(shí)驗(yàn)發(fā)生破壞，得出在室溫環(huán)境下，3層CLT實(shí)驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度比5層CLT要高。之后給300 mm × 300 mm范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行加熱，同時(shí)給CLT實(shí)驗(yàn)進(jìn)行加壓，直至實(shí)驗(yàn)發(fā)生破壞。通過測(cè)量CLT燃燒時(shí)的內(nèi)部溫度、炭化層深度變化，得到了實(shí)驗(yàn)的失效時(shí)間以及炭化速率變化曲線。研究得出，實(shí)驗(yàn)的平均的炭化速率為0.82～1.00 mm/min，且在燃燒條件下，3層的CLT實(shí)驗(yàn)比5層的CLT更早發(fā)生破壞。這是由于燃燒過后，3層CLT的外層因?yàn)樘炕溆行Ы孛婷娣e減小，影響了整體穩(wěn)定性。

由于CLT耐火性能測(cè)試對(duì)實(shí)驗(yàn)尺寸要求較大，對(duì)設(shè)備要求嚴(yán)格，所以部分學(xué)者嘗試建立CLT燃燒試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，達(dá)到模擬CLT板遇火時(shí)的結(jié)構(gòu)性能變化情況，希望在未來的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以直接通過模型模擬，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)不同CLT防火性能好壞，判斷CLT的耐火極限。在CLT燃燒力學(xué)性能模擬方面，Schmid等[12]提出了利用有效截面法的計(jì)算機(jī)模型對(duì)CLT進(jìn)行結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)。此模型利用木材熱學(xué)、熱機(jī)械性能、火災(zāi)時(shí)的炭化深度、抗彎能力等性質(zhì)得出CLT耐火時(shí)間的函數(shù)，并考慮到在不同溫度梯度下，CLT板在有絕緣層或石膏板保護(hù)時(shí)，其升溫速率的降低對(duì)CLT耐火性能的影響。同時(shí)，Schmid等對(duì)CLT制成的彎曲梁進(jìn)行了耐火試驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，證明了CLT的耐火性能可以通過計(jì)算機(jī)模擬得出較為準(zhǔn)確的結(jié)論。

Aguanno[13]在其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了CLT燃燒時(shí)的數(shù)學(xué)模型，希望能預(yù)測(cè)不同CLT的耐火性能。實(shí)驗(yàn)條件分為在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)狀態(tài)下以及非標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)狀態(tài)下，所以模型研究也從這兩個(gè)方面入手，探討實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)之間的異同點(diǎn)。在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)狀態(tài)下，模型預(yù)測(cè)得出的CLT實(shí)驗(yàn)的炭化和分層情況，能與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好的吻合。但是模型預(yù)測(cè)得出，CLT實(shí)驗(yàn)在加壓條件下，會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)上的破壞，但是實(shí)驗(yàn)并沒有出現(xiàn)這種情況。同時(shí)，模型預(yù)測(cè)得到的CLT實(shí)驗(yàn)的耐火極限也高于實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)。在非標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)狀態(tài)下，兩者數(shù)據(jù)并不能很好的吻合。模型并不能準(zhǔn)確的分析出燃燒過程中溫度的升高對(duì)木材本身物理性能的影響。Doyle等[14]使用分析建模與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究能雙向受力的CLT板的耐火性能。模型研究是通過改變CLT的縱橫比、炭化速率以及木材鋪裝方式來預(yù)估雙向受力CLT板每個(gè)方向上的荷載分布。實(shí)驗(yàn)研究是通過改變CLT板使用的膠黏劑、荷載、溫度、板厚以及層數(shù)，來分析變量對(duì)CLT耐火性能的影響。結(jié)果表明，隨著板材層數(shù)的增加，雙向受力的CLT板的性能越好，并且奇數(shù)層的板材的耐火性能比偶數(shù)層的要好，這是由于火災(zāi)中炭化的影響，使得奇數(shù)層的CLT板會(huì)將荷載周期性地重新分配。

現(xiàn)有的研究表明，正交膠合木 (CLT) 的耐火性能極其優(yōu)秀，且由于炭化層的存在，使得CLT板在火焰燃燒中依然能夠穩(wěn)定的保持其結(jié)構(gòu)性能，且可以通過提高CLT的厚度、層數(shù)、使用防火性能較好的膠黏劑等方式來提高CLT的防火性能。在研究中使用了分析建模與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，使研究方法更加多樣，研究結(jié)果更加精確。但是在關(guān)于防火性能的研究中，主要研究的內(nèi)容主要偏向構(gòu)件的整體性能，但少有通過研究膠層、膠縫等局部遇火后的結(jié)構(gòu)變化及其對(duì)防火性能的影響。

2 燃燒后CLT力學(xué)性能的變化

2.1 常態(tài)下

CLT作為一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其物理力學(xué)性能是評(píng)價(jià)其能否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的結(jié)構(gòu)承載力和性能指標(biāo)的重要影響因素。對(duì)于交錯(cuò)層壓木來說，所用樹種、尺寸、強(qiáng)度、膠黏劑的不同以及板材組胚方式的變化，均會(huì)對(duì)CLT樣品的物理力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

Park等[15]使用日本雪松 (Cedrusspp.) 制成生產(chǎn)3層的平行組胚和正交組胚的板材，并研究了板材通過交叉組胚后彎曲蠕變性能的提高以及垂直于木材長軸方向上的年輪傾角對(duì)其的影響。結(jié)果表明，蠕變曲線隨年輪傾角的變化而不同，而將板材正交組胚制成的CLT與普通平行組胚的板材相比，蠕變的各向異性顯著降低。Park等[16]在以往研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步使用5個(gè)樹種 (分別為日本雪松、日本扁柏 (Chamaecyparisobtusa)、泡桐 (Paulowniafortunei)、連香樹 (Cercidiphyllumjaponicum) 和山毛櫸 (Faguslongipetiolata)) 制作3層平行組胚和正交組胚的板材，并研究其彎曲蠕變性能，并且將計(jì)算值與測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)。結(jié)果表明，雖然在數(shù)值上有一定差距，但是計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，其蠕變?nèi)崃康淖兓厔?shì)是一樣的，均能反應(yīng)出幾種類型實(shí)驗(yàn)的蠕變變形量隨著垂直方向所用樹種密度的增加而降低。Hochreiner等[17]使用3種強(qiáng)度的云杉分別制作CLT實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。結(jié)果表明，3種實(shí)驗(yàn)的彈性極限荷載的平均值是一樣的，說明所用木材的強(qiáng)度等級(jí)對(duì)CLT的彈性極限荷載幾乎沒有影響，但是實(shí)驗(yàn)的極限荷載和剛度隨著所用木材強(qiáng)度等級(jí)的增大而變大，并通過對(duì)實(shí)驗(yàn)破壞形式的研究，得出主要的破壞模式有2種，即拉伸斷裂和滾動(dòng)剪切破壞。對(duì)于3類實(shí)驗(yàn)而言，都會(huì)發(fā)生滾動(dòng)剪切破壞，但是拉伸破壞發(fā)生的幾率隨材料強(qiáng)度的提高而減少。使用強(qiáng)度為C35的材料制成的實(shí)驗(yàn)均不會(huì)發(fā)生拉伸斷裂。Sikora等[18]進(jìn)行了一系列關(guān)于CLT力學(xué)性能的研究。首先，Sikora等使用北美云杉 (Sitkaspruce) 研究了CLT板厚度與其抗彎剛度、抗彎強(qiáng)度和滾動(dòng)剪切的關(guān)系。使用厚度分別為20、24、40 mm，寬度分別為96、146 mm的北美云杉鋸材制成3層和5層的CLT，測(cè)試其抗彎性能及剪切性能。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果與理論計(jì)算得出的結(jié)果有很好的關(guān)聯(lián)性，滾動(dòng)剪切強(qiáng)度隨板厚的增加而增加，即抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著板厚的增加而呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。Sikora等[19]認(rèn)為膠黏劑膠合界面的粘結(jié)質(zhì)量標(biāo)志著板材承載能力的好壞。他們使用愛爾蘭云杉為原料，在壓板過程中用聚氨酯膠黏劑 (PUR)，將冷壓壓力分別設(shè)置為0.6、0.8、1.0 N/mm2制造CLT實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行剪切試驗(yàn)和剝離試驗(yàn)。結(jié)果表明，0.6 N/mm2的冷壓壓力制成的試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)可以滿足prEN 16351標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)剪切強(qiáng)度的要求。Sikora等認(rèn)為，影響膠合質(zhì)量的因素除了壓力，還有膠黏劑類型等因素，還需進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)和驗(yàn)證。所以，Sikora等[20]繼續(xù)以愛爾蘭云杉為原樹種，分別使用聚氨酯膠黏劑 (PUR) 和苯酚-間苯二酚-甲醛樹脂膠黏劑 (PRF) 壓制試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試其剪切強(qiáng)度、剝離性能。結(jié)果表明，對(duì)于PUR和PRF2種膠黏劑而言，在不同冷壓壓力下，其剪切強(qiáng)度均符合prEN 16351標(biāo)準(zhǔn)。在使用PUR壓制實(shí)驗(yàn)的剪切強(qiáng)度比較高的同時(shí)，使用PRF壓制的實(shí)驗(yàn)在剝離試驗(yàn)中表現(xiàn)出的性能更為優(yōu)越。

雖然現(xiàn)在國外CLT的發(fā)展十分迅速，但在我國CLT的發(fā)展起步較晚，還沒有大規(guī)模進(jìn)入中國市場，與之相關(guān)的研究還在起步階段，主要涉獵的研究集中在CLT的力學(xué)性能研究，沒有形成一定的研究體系。針對(duì)CLT的物理力學(xué)性能、熱工性能等方面內(nèi)容，南京林業(yè)大學(xué)木結(jié)構(gòu)建筑系正在進(jìn)行一系列研究工作。王志強(qiáng)等[21]采用花旗松 (Pseudotsugamenziesii)、輻射松 (Pinupsradiata) 和楊木 (Populusspp.) 壓制單一樹種和混合樹種的CLT，對(duì)其進(jìn)行抗彎、抗剪測(cè)試。結(jié)果表明，與純楊木CLT相比，花旗松與楊木制成的混合樹種CLT的抗彎彈性模量提高了35%。之后，王志強(qiáng)等[22]為了改善CLT板材的力學(xué)性能，將木質(zhì)人造板引入CLT結(jié)構(gòu)體系，利用SPF和LVL進(jìn)行混合組胚，對(duì)制成的3種混合結(jié)構(gòu)CLT件進(jìn)行彎曲和剪切力學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果表明，芯層 (橫向?qū)? 剪切破壞是CLT梁試件彎曲破壞的主要破壞形式，將LVL置于表層，能較大地改善CLT材料的力學(xué)性能，其順紋抗彎彈性模量比普通結(jié)構(gòu)CLT提高17.6%。在此基礎(chǔ)上，王志強(qiáng)等[23]對(duì)單一結(jié)構(gòu)和使用LVL的混合結(jié)構(gòu)的CLT剪力墻進(jìn)行了單向和低周反復(fù)加載試驗(yàn)，測(cè)試剪力墻的抗側(cè)性能。結(jié)果表明，墻體在單向荷載作用下主要的破壞形式為一側(cè)墻角錨栓和基底錨栓的嚴(yán)重變形，在低周反復(fù)加載作用下則為墻角錨栓連接件的變形及釘子的疲勞剪斷破壞，且混合結(jié)構(gòu)CLT墻體的抗側(cè)性能比普通結(jié)構(gòu)CLT墻體的性能要好。

姜桂超等[24]使用杉木 (Cunninghamialanceolata) 制作CLT板材，并研究層板厚度對(duì)其力學(xué)性能的影響、奇、偶層層板厚度比例對(duì)其結(jié)構(gòu)性能的影響，并使用Anasys對(duì)CLT結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，將分析結(jié)果與相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，在木材用料一定的前提下，CLT層板厚度越大，則CLT結(jié)構(gòu)的抗彎性越好，而層板厚度越薄，構(gòu)件的抗剪性能越好。可以適當(dāng)增加CLT的奇數(shù)層層板的厚度，同時(shí)降低偶數(shù)層層板的厚度，這樣可以在不提高木材用量的條件下有效提高CLT構(gòu)件的抗彎、抗剪等性能。

此外，毛榮駿[25]針對(duì)CLT的平面內(nèi)力學(xué)性能研究展開了試驗(yàn)研究和理論分析，通過改變CLT梁的跨高比、層數(shù)、開口尺寸和布置方式等參數(shù)對(duì)CLT實(shí)驗(yàn)進(jìn)行平面內(nèi)單調(diào)加載試驗(yàn)以研究其平面內(nèi)力學(xué)性能。結(jié)果顯示，跨高比較大的CLT板會(huì)出現(xiàn)剪切彎曲導(dǎo)致的裂縫，當(dāng)外層為橫紋方向時(shí)的破壞形式主要是橫紋方向木材的劈裂破壞，CLT板平面內(nèi)等效剛度與開口尺寸呈現(xiàn)線性比例關(guān)系。同時(shí)，建立了CLT板彎曲力學(xué)模型，模型分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。

李敏等[26]使用復(fù)合材料力學(xué)中Hoffman強(qiáng)度準(zhǔn)則分析正交膠合木板中各單層木板的應(yīng)力狀態(tài)，判斷出CLT單板破壞的順序以及極限荷載，并利用ABAQUS有限元軟件建立面內(nèi)荷載作用下正交膠合木墻體受力模型，分析不同樹種不同尺寸的CLT墻體的極限荷載。結(jié)果得出，Hoffman強(qiáng)度準(zhǔn)則可以有效分析正交膠合木墻體變形破壞模式得出極限荷載，并且可以使用彈性模量較高的樹種或減小墻體的高寬比來提高CLT墻體的承載性能。

2.2 火災(zāi)狀態(tài)下

CLT在火災(zāi)過程中，燃燒產(chǎn)生炭化層，雖然能保證整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但其物理力學(xué)性能也會(huì)隨之降低，實(shí)驗(yàn)會(huì)發(fā)生彎曲變形等現(xiàn)象。所以研究人員希望通過對(duì)火災(zāi)條件下CLT的物理性能研究，找出其變化規(guī)律，研究其影響因素。

Aguanno[27]針對(duì)3層和5層的CLT實(shí)驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)的火災(zāi)狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量其炭化速率、溫度分布和撓度情況。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)面板溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)膠層失效、面板脫落等現(xiàn)象。此時(shí)，CLT實(shí)驗(yàn)的撓度逐漸增大，最終會(huì)達(dá)到一個(gè)最大值，之后一直保持在這個(gè)范圍內(nèi)。由不同火災(zāi)狀態(tài)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，可以得出在不同溫度狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)撓度曲線的變化趨勢(shì)是一致的。不同的是，由于在非標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)條件下，木材內(nèi)部的加熱速率較低，所以其撓度變化速率小于標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)狀態(tài)下的撓度變化速率。Klippel等[28]研究了不同層數(shù)、不同截面尺寸的CLT，在用作墻體和樓面板時(shí)，其耐火性能的變化情況。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)撓度變化測(cè)試，可以得出，墻體實(shí)驗(yàn)的垂直撓度隨著燃燒時(shí)間的延長而增加，雖然火災(zāi)中承重墻體的橫截面積至少減少了30%，但是墻體的豎向位移仍然很小。墻體的水平位移受熱膨脹、殘余截面應(yīng)力增大以及外加荷載偏心距增大的影響，在火災(zāi)發(fā)生的第一階段，墻體向火焰的方向發(fā)生偏移。樓板CLT實(shí)驗(yàn)的跨中撓度隨著火災(zāi)事件的延長而增加，并且隨著火焰的燃燒作用，實(shí)驗(yàn)的橫截面減小，實(shí)驗(yàn)殘余截面的應(yīng)力增大，導(dǎo)致其撓度越來越大。試驗(yàn)證明，撓度的變化與CLT橫截面的組胚方式?jīng)]有明顯的關(guān)系，但與所施加在實(shí)驗(yàn)的荷載大小有關(guān)。荷載越大，實(shí)驗(yàn)的撓度越大。Lineham等[29]測(cè)試了作為梁的CLT在受到持續(xù)荷載作用下，燃燒所造成的CLT抗彎強(qiáng)度以及實(shí)驗(yàn)撓度變化。在給實(shí)驗(yàn)加高溫燃燒的同時(shí)，在其兩端施加荷載，荷載值分為平均彎曲荷載值的10%和20%。記錄實(shí)驗(yàn)發(fā)生破壞失效的時(shí)間、抗彎強(qiáng)度的變化情況以及撓度的變化情況。結(jié)果得出，隨著時(shí)間的推移，3層和5層的CLT實(shí)驗(yàn)的抗彎強(qiáng)度持續(xù)降低，撓度大小也在持續(xù)增加；部分構(gòu)件在30 min左右時(shí)，其撓度大小會(huì)有一個(gè)顯著的增加。這是由于在加熱過程中，第1層與第2層的膠接強(qiáng)度受到高溫左右而降低，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降。同時(shí)，Lineham等使用歐洲標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)方法和模型，將試驗(yàn)結(jié)果與模擬預(yù)測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析，探討模擬預(yù)測(cè)的可靠程度。首先采用于歐洲規(guī)范種變形截面以及減少截面法的相關(guān)分析，制成關(guān)于抗彎強(qiáng)度的變化曲線，曲線能與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好的吻合。但是，此預(yù)測(cè)曲線不能準(zhǔn)確的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)燃燒過程中物理性能的變化情況。之后，Lineham等使用2種不同的參數(shù)方法模擬CLT梁的撓度變化：1) 使用0.65 mm/min的CLT炭化速率以及7 mm的零強(qiáng)度層；2) 使用實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的炭化深度的數(shù)據(jù)以及7 mm的零強(qiáng)度層。對(duì)比得出，2種方法均不能很好的預(yù)測(cè)CLT梁的撓度變化，相比而言，由于第2種方法使用實(shí)際的炭化深度數(shù)據(jù)，所以得到的結(jié)果更為精準(zhǔn)。經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)，Lineham等認(rèn)為應(yīng)該進(jìn)行更完整的橫截面熱機(jī)械性能分析，考慮到CLT遇火時(shí)結(jié)構(gòu)性能真正的影響因素，得出更準(zhǔn)確的模擬分析曲線。

從現(xiàn)有研究可以看出，國內(nèi)目前的研究集中于在CLT樹種和材料的選擇，組胚方式的影響以及對(duì)CLT物理力學(xué)性能的研究。國外在此研究以外，也涉獵到膠黏劑以及加壓情況的影響。同時(shí)，也進(jìn)行了CLT在火災(zāi)狀態(tài)下力學(xué)性能變化的相關(guān)研究工作。但是主要涉及的是撓度性能的變化情況，關(guān)于力學(xué)強(qiáng)度的測(cè)試還未涉及。雖然也采用模型模擬的方式進(jìn)行預(yù)測(cè)，但是模擬曲線并不能完全反應(yīng)CLT燃燒狀態(tài)下的力學(xué)性能變化情況，還需進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

3 存在問題與展望

3.1 新材料的運(yùn)用

正交膠合木 (CLT) 作為正交組胚膠合壓制的產(chǎn)品，其主要受力方向?yàn)槠鏀?shù)層板的紋理方向，偶數(shù)層的板材不作為主要受力材料?？紤]到我國木材資源緊缺，導(dǎo)致CLT的生產(chǎn)成本和銷售價(jià)格較高的大環(huán)境下，如何在保證CLT的力學(xué)性能及防火性能的條件下，降低CLT的生產(chǎn)成本，是我國現(xiàn)在需要解決的關(guān)鍵問題。所以可以考慮嘗試使用新型材料 (如鋼材、軟木等) 代替CLT的偶數(shù)層板材，制作木結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，不僅可以降低生產(chǎn)成本，還可以減少CLT自身厚度及質(zhì)量，使其運(yùn)輸組裝更為方便。

目前，已有公司采用軟木板作為CLT的內(nèi)板材料，將其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。軟木板的生產(chǎn)原材料為軟木橡樹 (Quercuspalustris) 的樹皮，主要分布在地中海沿岸的葡萄牙、西班牙、意大利、法國、摩洛哥、突尼斯和阿爾巴尼亞，距今已有6 000萬年的歷史，是世界上僅剩的最古老的樹種之一。一般在軟木橡樹樹齡有25 a、樹圍達(dá)到70 cm時(shí)開始對(duì)其進(jìn)行第1次采剝。通常是在橡樹生長最活躍的5—8月采剝橡樹皮，采剝后的橡樹皮會(huì)自然再生，以后每隔9年采剝一次。軟木板的生產(chǎn)完全采用軟木樹皮為原材料，不添加額外化學(xué)藥劑，在熱壓過程中使用軟木橡樹原生樹脂，是絕對(duì)的天然環(huán)保無污染的材料。由于軟木是由許多充滿空氣的木栓質(zhì)細(xì)胞組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一種蜂窩狀，所以軟木具有較好的柔韌性，并且具有良好的保溫隔熱、吸音降噪、凈化甲醛、防蟲蛀、減震耐沖擊、防火以及燃燒不生產(chǎn)毒性氣體等諸多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，軟木作為一種可再生資源，具有極佳的耐候性，能在惡劣的環(huán)境中保持性能穩(wěn)定。經(jīng)過證明，軟木板的使用壽命一般超過60 a，并且依舊保持其優(yōu)秀的各項(xiàng)性能。低密度的軟木板一般作為墻體填充材料使用，可改善室內(nèi)環(huán)境、隔音保溫、降低能耗；高密度的軟木板可作為建筑飾面板使用，根據(jù)建筑的風(fēng)格合理使用，可營造出良好的建筑效果。同時(shí)，由于軟木板優(yōu)秀的耐火性能，在建筑中使用軟木板作為裝飾或填充材料，均可提高房屋的防火性能，保證其火災(zāi)中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。寧波中加低碳新技術(shù)研究院于2017年10月在中加低碳基地完成了我國第1棟CLT結(jié)構(gòu)ICB生態(tài)節(jié)能系統(tǒng)示范建筑 (圖1)，使用3層CLT建成兩層的CLT木結(jié)構(gòu)建筑，并使用葡萄牙進(jìn)口隔熱節(jié)能軟木板 (ICB) 作為外墻覆面材料。

圖1CLT結(jié)構(gòu)ICB生態(tài)節(jié)能系統(tǒng)示范建筑
Fig.1 Demonstration building of ICB eco-energy saving system based on CLT structure

3.2 力學(xué)模型的建立

正交膠合木 (CLT) 的防火性能及耐火極限受到樹種、板材厚度、層數(shù)、膠黏劑、荷載條件以及溫度曲線等多方面的影響，其燃燒過程非常復(fù)雜，所進(jìn)行的實(shí)際火災(zāi)實(shí)驗(yàn)研究也要根據(jù)研究目的，改變實(shí)驗(yàn)變量，進(jìn)行多次試驗(yàn)研究，才能得到準(zhǔn)確的結(jié)論。而有些比較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)條件，如動(dòng)態(tài)條件下的性能分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件比較嚴(yán)格，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以通過測(cè)量得到。所以部分學(xué)者選擇建立CLT力學(xué)模型，不僅能給自己的實(shí)驗(yàn)研究提供驗(yàn)證和參考意見，還能模擬現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法完成的試驗(yàn)。

目前，CLT力學(xué)模型的建立還在發(fā)展階段，所建立的計(jì)算機(jī)模型能很好的預(yù)測(cè)出CLT的力學(xué)性能及其破壞形式。但是關(guān)于建立CLT在火災(zāi)條件下的模型，由于其影響因素過多，僅能預(yù)測(cè)出其炭化速率以及力學(xué)性能變化趨勢(shì)，精確度難以得到保證。所以CLT火災(zāi)狀態(tài)下的力學(xué)模型還值得學(xué)者去研究和探索。如果能保證模型的準(zhǔn)確性，那么在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，便可使用模型模擬，預(yù)測(cè)所使用的CLT板材能否達(dá)到所要求的力學(xué)性能以及耐火極限。同時(shí)，可以預(yù)測(cè)CLT在燃燒時(shí)的力學(xué)性能變化情況，探討CLT在火災(zāi)時(shí)是否能承擔(dān)原有荷載而使建筑物不發(fā)生倒塌。通過CLT模型的建立以及對(duì)性能的模擬預(yù)測(cè)，可得到CLT的最佳組胚工藝及其力學(xué)性能，可以為CLT建筑設(shè)計(jì)提供很好的參考意見。