綠色裝配式建材CLT研發(fā)現(xiàn)狀及展望

張龍 黃素涌 彭思 王建和

摘要：介紹了正交膠合木（Cross Laminated Timber，簡稱CLT）的特點和發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了當下國內(nèi)CLT的研究現(xiàn)狀，展望了正交膠合木在國內(nèi)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：正交膠合木;特點;國內(nèi)研發(fā)現(xiàn)狀;發(fā)展前景

中圖分類號：P754.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）18-0212-05

1引言

1.1CLT及其特點

正交膠合木（Cross Laminated Timber，簡稱CLT）源于歐洲，于20世紀90年代初在奧地利和德國被研發(fā)出來，自此CLT作為創(chuàng)新型木結(jié)構(gòu)建筑材料在奧地利和德國開始應用起來。21世紀初，人們對綠色產(chǎn)品和裝配式建筑的喜愛，使得CLT在歐洲和北美的住宅和非住宅木構(gòu)建筑中越來越受歡迎，近幾年來，CLT在世界各地也不斷被開發(fā)和應用。如圖1所示，CLT是一種將實木鋸材或結(jié)構(gòu)復合材表面均勻涂布結(jié)構(gòu)用膠黏劑，經(jīng)正交組坯后，冷壓制成的3層或3層以上的結(jié)構(gòu)用工程木質(zhì)產(chǎn)品，廣泛應用于樓板、墻板和屋頂板。

CLT與傳統(tǒng)建筑材料相比，因其特殊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能而被廣泛應用于現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑當中?？茖W合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計使得CLT尺寸穩(wěn)定性好、承載能力強。不僅如此，CLT的防火、抗震性能優(yōu)越。經(jīng)測試，CLT的耐火極限能達到1 h，符合建筑的消防規(guī)范要求，且炭化速度低，為0.4～0.8 mm/min。日本對3層和7層的CLT建筑進行抗震模擬試驗，結(jié)果顯示3層和7層的CLT建筑的穩(wěn)定性和抗震性能仍然保持良好嘲。此外，CLT原材料為木材，具有多孔性質(zhì)，擁有良好的保溫隔熱性能和隔聲性能。更值得一提的是，CLT可工廠預制，現(xiàn)場施工工期短，施工噪音小，能源消耗和溫室氣體排放低，整個建筑的生命周期長，成本低，是環(huán)?？稍偕难b配式材料。

1.2CLT發(fā)展現(xiàn)狀

近10年來，CLT產(chǎn)品廣受世界人民青睞，在歐洲和北美取得了長足的發(fā)展和廣泛的應用。隨著CLT的深入開發(fā)，CLT突破了木結(jié)構(gòu)建筑層數(shù)的限制，越來越多的木構(gòu)建筑相繼建成。2014年，森科總部大樓于中國臺灣落成，是當時亞洲第一棟CLT建筑。2016年6月，寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司首次利用加拿大鐵杉鋸材制作大幅面正交膠合木建筑預制板，隨后同上海同濟大學合作，設(shè)計并搭建了中國第一棟裝配式CLT建筑。2017年lO月，寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司為了響應國家大力發(fā)展綠色節(jié)能建筑的號召，在中加低碳基地建成了我國第一棟鐵杉CLT結(jié)構(gòu)ICB生態(tài)節(jié)能系統(tǒng)示范建筑。2017年，溫哥華不列顛哥倫比亞大學建成一棟18層混合CLT學生公寓，再次刷新了木結(jié)構(gòu)建筑的高度。2019年3月，采用杉木為原料建造的挪威Mjstrnet大樓，高85.4 m，是當前世界上最高的CLT木結(jié)構(gòu)建筑。CLT建筑相繼落成證明了CLT材料的先進性，CLT對于增加林產(chǎn)品附加值重要性不言而喻。而且CLT材料可與其它建筑材料、建筑體系相結(jié)合，建造混合結(jié)構(gòu)的摩天大樓。

此外，國內(nèi)外發(fā)布了一系列的標準，積極推動CLT產(chǎn)品及其建筑的發(fā)展。2012年，北美發(fā)布了《正交膠合木額定性能標準》口。2013年，日本農(nóng)業(yè)標準批準了CLT草案。2015年，歐洲發(fā)布了《木結(jié)構(gòu)一正交膠合木的要求》。2017年我國相繼發(fā)布了《裝配式木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標準》和《多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標準》，2019年5月1日，正交膠合木行業(yè)標準正式發(fā)布，積極推動國內(nèi)綠色建材和建筑的發(fā)展。

2CLT的國內(nèi)研究現(xiàn)狀

CLT在國外的研究系統(tǒng)而全面，技術(shù)比較成熟、先進，而我國正處于起步階段，目前各個科研機構(gòu)和高等院校展開了對國內(nèi)CLT基礎(chǔ)性研究。

2.1生產(chǎn)工藝參數(shù)研究

CLT在制造中，設(shè)定的壓力、壓制的時間、膠黏劑種類、施膠量等對CLT的膠合質(zhì)量影響很大。王建和等研究膠黏劑種類和壓力對加拿大西部鐵杉CLT的膠合性能的影響，結(jié)果表明：壓力大小和膠黏劑種類對加拿大西部鐵杉CLT的膠合性能有顯著影響，當使用單組分聚氨酯、壓力為0.83 MPa時，相比于壓力為0.28 MPa，CLT的膠層浸漬剝離率更低，木破率更高。龔迎春采用膠黏劑、施膠量和壓力探討日本落葉松用于CLT制作的生產(chǎn)工藝參數(shù)，得出的較優(yōu)工藝參數(shù)為：采用聚氨酯作為粘合劑，壓力和施膠量為使用說明的最大值，分別為1.2 MPa和200 g/m²?，F(xiàn)階段國外常使用間苯二酚類膠粘劑（PRF）、聚氨酯類膠粘劑（PUR）和異氰酸酯類膠粘劑（EPI）3種膠黏劑，國內(nèi)常使用PUR膠黏劑，膠黏劑的使用類別和使用參數(shù)通常隨著天氣、氣候而變化，一般來說，膠黏劑用于CLT板生產(chǎn)的環(huán)境溫度至少為15℃。

2.2CLT性能的影響因素

雖然CLT的整體設(shè)計科學合理，但木材是各向異性材料，CLT在制造和應用過程中，影響CLT物理力學性能的因素較多，包括層板單元的種類、等級、厚度等各項物理力學參數(shù)以及CLT的連接方式、組坯方式等。

2.2.1層板性質(zhì)

2.2.1.1樹種

采用不同樹種或結(jié)構(gòu)復合材料制造的CLT的力學性能各異，將力學性能較好的樹種置于表層可提高CLT的力學性能。將花旗松置于表層，楊木置于芯層所制造的CLT的抗彎彈性模量比單一楊木CLT的抗彎彈性模量提高了35%。將LVL置于表層，SPF置于芯層所制造的CLT的順紋抗彎彈性模量比SPF制造的純CLT高出17.6%。

將SPF、落葉松、樟子松和鐵杉不同樹種置于芯層，SPF置于表層的3層混合樹種CLT，的滾動剪切性能各異，它們的滾動剪切強度和滾動剪切模量分別為1.27MPa、1.66 MPa、1.29 MPa、1.35 MPa和98 MPa、168MPa、56 MPa、104 MPa。

2.2.1.2層板的等級、厚度和宏觀特征

龔迎春研究了層板等級和厚度對國產(chǎn)日本落葉松正交膠合木的抗彎、抗剪和抗壓性能的影響，結(jié)果表明：層板模量和厚度對CLT層間剪切強度影響顯著，對CLT層間剪切彈性模量影響不顯著;層板模量對CLT的抗壓彈性模量和抗壓強度影響顯著;層板厚度對CLT抗壓強度的影響顯著，但對抗壓彈性模量影響不顯著;層板模量對CLT的抗彎彈性模量、抗彎強度影響顯著，層板厚度對CLT的抗彎彈性模量、抗彎強度影響不顯著。姜桂超研究了層板厚度對杉木CLT性能的影響，結(jié)果表明在用料一定的條件下，層板厚度越厚，CLT抗彎剛度越大，層板厚度越薄，CLT抗剪性能越好。

鋸材的宏觀特征也影響著CLT的性能，王轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的研究表明：髓心對滾動剪切性能的影響顯著，且破壞處集中在髓心;年輪走向和髓心距離對滾動剪切性能的影響不顯著。

2.2.2CLT板的結(jié)構(gòu)

CLT板的連接方式、組坯方式、尺寸比、疊合層數(shù)和層板縫隙也會影響CLT的整體物理力學性能。

2.2.2.1尺寸比和疊合層數(shù)

CLT的尺寸比和疊合層數(shù)對CLT的抗承載能力和物理性能有影響。付梅珍研究發(fā)現(xiàn)連接方式相同時，隨著CLT層數(shù)的增加，CLT板的極限承載能力提高，但在相同荷載下，CLT的層板應變隨層數(shù)的增加而降低，5層CLT頂層為3層CLT頂層應變的20%以下，底層為30%～40%。毛榮駿研究發(fā)現(xiàn)跨高比為3的3層花旗松CLT板比跨高比為4的3層花旗松CLT板的極限抗承載能力高19.28%。王章進等研究發(fā)現(xiàn)四邊簡支CLT板的層數(shù)、寬厚比以及長寬比對CLT板的各階固有頻率有影響，且四邊簡支CLT板長寬比越小，寬厚比越大，則四邊簡支CLT板各階固有頻率均相應增大;四邊簡支CLT板各階固有頻率隨層數(shù)增加而增大;寬厚比和長寬比對四邊簡支CLT板各階固有頻率影響遠大于層數(shù)對四邊簡支CLT板各階固有頻率的影響。

平面內(nèi)極限承載能力和等效剛度隨著層數(shù)的增加而提高。張延年的研究表示隨著層數(shù)的增加，釘合CLT板的抗壓承載性能得到提高，破壞程度降低。

2.2.2.2連接方式

連接方式能夠降低層數(shù)對CLT板撓度的影響，在相同荷載時，膠合的5層CLT板的撓度為3層的1/3，釘合+膠合的5層CI.T板的撓度為3層的4/7;且研究還發(fā)現(xiàn)連接方式能降低對層數(shù)對層板應變的影響，采用釘合+膠合的連接方式，相同荷載下，5層CLT的應變比3層膠合的CLT板的應變降低了50%左右，應變能力提高了。

2.2.2.3層板縫隙

CLT層板與層板的縫隙影響著CLT的保溫隔熱性能。CLT墻體的熱阻值與縫隙的寬度和縫隙的數(shù)量有關(guān)，并且CLT墻體的熱阻值隨著縫隙寬度增大和縫隙數(shù)量增加而增大，王志強等研究發(fā)現(xiàn)含有6 mm寬縫隙的3層CLT墻體的熱阻值比為未含有縫隙的高出23.75%。

2.2.2.4組坯方式

改變CLT組坯方式能夠顯著提高CLT的物理力學性能。龔迎春研究發(fā)現(xiàn)斜45。組坯的CLT與90。組坯的CLT相比，層間剪切彈性模量和剪切強度分別增加了24.94%和44.64%。董惟群等研究發(fā)現(xiàn)采用釘連接時，釘入角度為45。比釘入角度30。時的抗剪承載力提高了28.3%;自攻螺釘左右雙向斜釘比搭接的抗剪承載力提高了50.7%。

2.3評價性能的方法

研究和評價CLT性能的方法眾多，主要集中性能分等和預測方面?，F(xiàn)階段，分等常用的方法為橫向振動法和應力波法，而性能預測常采用K方法，剪切類比法和伽馬法。龔迎春采用靜力法、振動法和剪切類比法預測國產(chǎn)日本落葉松CLT層間剪切性能和抗彎性能的準確性，結(jié)果表明采用靜力法測試CLT的抗彎彈性模量時，CLT的抗彎彈性模量隨著跨高比的增加呈現(xiàn)遞增趨勢，建議靜力法測試CLT的抗彎彈性模量時跨高比≥24，而采用振動法和剪切類比法能夠有效預測國產(chǎn)日本落葉松CLT的等效剪切剛度和等效抗彎剛度值，相對誤差分別在7%和5%以內(nèi)。李敏敏等陽采用橫向振動法和應力波法對加拿大西部鐵杉規(guī)格材進行分等，結(jié)果表明采用橫向振動法的測試結(jié)果與應力波法的測試結(jié)果相關(guān)性較強，王韻璐等采用橫向振動法、K方法和靜力法分析加拿大鐵杉CLT的彎曲性能，結(jié)果顯示CLT主強度方向彈性模量預測值為11222MPa，實測值為11312 MPa，CLT板材的彎曲彈性模量的預測值與其實測值性具有很好的相關(guān)性，且決定系數(shù)為0.887，高子震采用橫向振動法、伽馬法和K方法預測了加拿大鐵杉用于制作CLT的性能，結(jié)果表明理論預測值與實際測試值相關(guān)性較高，相差在10%以內(nèi)。

此外，在CLT運用于木結(jié)構(gòu)建筑中，CLT的可靠性和極限承載能力必須考慮到。何敏娟等通過CLT結(jié)構(gòu)節(jié)點和墻體試驗數(shù)據(jù)建立有效的有限元模型，并采用增量動力分析方法結(jié)合可靠性設(shè)計計算出多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震下3層和6層CLT剪力墻結(jié)構(gòu)的層間位移角限值，作者建議在不同地震時，層間位移角限值為：多遇地震取1/350，設(shè)防地震取1/150，罕遇地震取1/75。龔迎春基于極限狀態(tài)設(shè)計法計算得出國產(chǎn)日本落葉松CLT的抗壓強度的設(shè)計參考值，結(jié)果分別為低彈性模量組11.65 MPa、中彈性模量組12.52 MPa、高彈性模量組13.84 MPa。

CLT與GLT的結(jié)構(gòu)構(gòu)造不同，CLT的應用離不開銷槽承壓性能的研究，王雪婷建議CLT的銷槽承壓強度計算方法可采用半孔測試法和全孔測試法。

2.4CLT受力破壞形式及機理

CLT在不同使用環(huán)境下，破壞的形式不盡相同。CLT在彎剪試驗中，由于CLT的正交結(jié)構(gòu)以及木材的各向異性，破壞形式常表現(xiàn)為底層的拉伸斷裂和橫向?qū)拥臐L動剪切破壞，在底層的拉伸斷裂時常常伴有底層與芯層的膠層分離以及層與層之間的層間滑移。在抗彎、抗剪的受力過程中，由于CLT的特殊結(jié)構(gòu)，頂層受壓，底層受拉，因此，芯層由于剪切應力的作用而發(fā)生剪切應變，加之木材的橫紋抗剪能力較弱，從而導致垂直層發(fā)生滾動剪切破壞，底層的拉伸斷裂，由于膠層的膠合強度不夠，也常伴隨底層與芯層的膠層分離以及層與層之間的層間滑移。在抗壓實驗中，破壞形式主要為纖維褶皺破壞和剪切破壞。

CLT破壞的原因常與層板單元的層數(shù)、宏觀特征、材料和組坯結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。層數(shù)不同，CLT的破壞形式不一樣，層數(shù)越多，破壞形式越復雜。3層CLT主要破壞形式為底層拉斷并伴有少許滾動剪切破壞，5層CLT滾動剪切破壞增多，并伴有底層拉斷、端頭層間滑移以及輕微膠層分離，7層CLT的破壞形式較為復雜，由于層數(shù)增多，膠層穩(wěn)定性下降，膠層分離和滾動剪切出現(xiàn)較多，因此7層CLT的主要破壞形式為底層斷裂、滾動剪切、膠層分離和端頭層間滑移，以膠層分離和滾動剪切破壞為主。

此外，底層除了發(fā)生拉伸斷裂和層間滑移之外，底層的破壞也常發(fā)生在層板的搭接、指接或者缺陷處。木射線細胞屬于薄壁細胞，且髓心和早晚材交界處抵抗剪切變形的能力低，因此CLT的破壞常發(fā)生在木材的髓心、早晚材交界處以及沿木射線方向。所用制作CLT的材料不同，破壞的形式也不同。LVL為同向均質(zhì)材料，作為CLT橫向?qū)樱羟衅茐谋憩F(xiàn)為水平的破裂紋走向。

2.5自攻螺釘應用

自攻螺釘?shù)目箯?、抗扭和抗拉強度良好，能將應力均勻傳遞到周圍木材，與木材連接性能優(yōu)良，不易產(chǎn)生木材劈裂，能將提高整體的抗變形能力，且自攻螺釘?shù)氖┕し椒ê唵慰旖?，因而在CLT等木構(gòu)建筑中得到廣泛的應用和發(fā)展。在施工過程中，自攻螺釘在CLT結(jié)構(gòu)建筑中的鏈接方式因不同部位而不同，姚悅等綜述了自攻螺釘在CLT建筑中常見的連接形式。在木結(jié)構(gòu)后期的維護和加固過程中自攻螺釘拆卸是否會對建筑的維護造成一定難度。因此，王志強等研究自攻螺釘?shù)奶卣鲗φ荒z合木拔出強度的影響，結(jié)果表明自攻螺釘?shù)闹睆?、長度、釘人深度和有無預鉆孔等因素對正交膠合木的拔出強度的影響不顯著，自攻螺釘容易拆卸。

2.6混合建筑體系研究

我國可用木材資源較少，CLT在國內(nèi)發(fā)展需結(jié)合其他材料來開展，國內(nèi)目前對CLT與鋼筋混凝土混合體系展開了相關(guān)的研究。2010年，高詣民釘研究CLT板與鋼梁結(jié)合運用到橋中的可行性與優(yōu)越性，結(jié)果顯示：相對于混凝土橋面板，CLT橋面板能降低近30%的撓度和應力，CLT橋面板具有更好的承載能力，可減小橋梁的自重，降低造橋成本。2017年，沈銀瀾等研究了正交膠合木填充墻一鋼框架體系受力性能，結(jié)果表明：CLT作為鋼框架的填充墻，它能提高鋼框架的抗側(cè)力性能，提供了國內(nèi)木構(gòu)建筑向中高層發(fā)展的可能性。2018年，胡德強研究了主要由CLT墻板、軟鋼阻尼器和預應力筋組成的CLT剪力墻體系的耗能性能，試驗表明，軟鋼阻尼器尺寸參數(shù)、鋼號和數(shù)量以及預應力筋產(chǎn)生的預張力大小會影響體系的耗能性能，并且存在優(yōu)化組合使體系的耗能降低。

3發(fā)展展望

CLT是由實木或復合材制成的工程木質(zhì)材料，其結(jié)構(gòu)設(shè)計科學合理，克服木材的生長缺陷、生物缺陷和加工缺陷，可實現(xiàn)了“劣材優(yōu)用，小材大用”。CLT比傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑材料輕，尺寸穩(wěn)定性好，且強重比高，承載能力強，具有優(yōu)良的抗火性能、防震性能、保溫性能和隔聲性能等，適用于中高層木構(gòu)建筑。此外，CLT能固定二氧化碳，在建造過程中污染物排放小、噪音低;在使用過程中保溫隔熱，降低能源的消耗;在使用結(jié)束后能循環(huán)再利用，并且CLT能滿足個性化建筑設(shè)計，可裝配和安裝拆卸，易于修復，是一種可持續(xù)、綠色、環(huán)保的建筑材料，符合綠色建筑材料的要求，對未來我國綠色建筑的發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)具有重大意義。

目前，在我國，CLT處于起步階段，對CLT產(chǎn)品生產(chǎn)、生產(chǎn)設(shè)備國產(chǎn)化和產(chǎn)品質(zhì)量控制等方面都有待進一步深入研究。我國天然林不足，速生竹木資源豐富，可利用CLT的加工技術(shù)，把速生材和重組材加工成CLT，實現(xiàn)材料的小材大用，提高速生竹木材料的附加值，推動國內(nèi)CLT產(chǎn)品發(fā)展。目前，國內(nèi)僅煙臺博海木工機械對CLT生產(chǎn)沒備進行了研發(fā)，國內(nèi)現(xiàn)階段應根據(jù)人造板的生產(chǎn)和質(zhì)量控制設(shè)備研發(fā)適用于CLT制造的生產(chǎn)和質(zhì)量控制設(shè)備。

對于建筑建造，現(xiàn)階段可采用不同的建筑理念，實現(xiàn)材料的優(yōu)化復合，打造混合式木構(gòu)建筑，發(fā)展適合我國國情的特色CLT建筑。發(fā)展綠色建筑需從使用材料、過程施工等方面著手，鼓勵企業(yè)進行工廠化預制和裝配化施工，減少建造過程中建筑垃圾、噪音以及粉塵的產(chǎn)生?，F(xiàn)階段我國綠色建筑發(fā)展緩慢，政府應大力支持國內(nèi)CLT產(chǎn)品市場的開發(fā)，鼓勵企業(yè)首先建成一批示范性建筑，宣傳和推廣CLT建筑，改善人們對木結(jié)構(gòu)性能方面的不足認識，逐步推進中高層木構(gòu)建筑在我國的發(fā)展。

當下，我國CLT的發(fā)展與研究的方向有：CLT原材料本土化、CLT生產(chǎn)設(shè)備國產(chǎn)化、CLT制造技術(shù)及質(zhì)量控制國有化、CLT功能性膠黏劑研究、CLT結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論計算、CLT建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及其連接件與緊固件的設(shè)計、CLT建筑的防火及抗震設(shè)計、CLT混合建筑設(shè)計、建筑規(guī)范和防火規(guī)范的完善以及CLT相關(guān)標準的制定等。