闊葉材CLT的研究進(jìn)展

■趙喜龍 王喜明 Hindman Zhao Xilong & Wang Ximing & Hindman

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018；2.Virginia Tech University, Blacksburg, VA 24061）

木材由于價(jià)格低廉、儲(chǔ)量豐富、優(yōu)良的強(qiáng)重比以及環(huán)保特性，幾千年來一直是首選的建筑材料。在1850年之前，木材是建筑物不可替代的材料[1]。十九世紀(jì)以來，新材料特別是鋼筋和混凝土的出現(xiàn)，使得木材的使用量大大減少。然而，在過去10年左右的時(shí)間里，隨著鋼材、混凝土等建筑結(jié)構(gòu)材料的生產(chǎn)，帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染、能源和資源匱乏。使得作為傳統(tǒng)建筑用材中唯一可再生、可循環(huán)利用的材料——木材，逐漸重新贏得了市場(chǎng)[2]。特別是一種創(chuàng)新的交叉層積材CLT（Cross-Laminated Timber）的商業(yè)性推出，使得木結(jié)構(gòu)建筑正受到越來越多的重視。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（American National Standards Institute ，ANSI）將CLT定義為“由至少三個(gè)正交粘合的固體層制成的預(yù)制工程木材產(chǎn)品，通過用結(jié)構(gòu)型膠粘劑粘合縱向和橫向?qū)觼砟z合層壓鋸材，以形成用于屋頂，地板或墻壁應(yīng)用的實(shí)心矩形構(gòu)件”。

以木質(zhì)CLT為材料的新一代工程木產(chǎn)品和建筑系統(tǒng)，與傳統(tǒng)磚混結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土和第一代輕型木框架結(jié)構(gòu)建筑系統(tǒng)相比，在抗震力、設(shè)計(jì)的靈活性、美觀舒適和生態(tài)環(huán)保等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。CLT的這些優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為：具有較高的強(qiáng)重比和承載性能，并且尺寸穩(wěn)定性好，不易變形，環(huán)保高效，低碳節(jié)能。與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，CLT可在工廠模塊化預(yù)制，因此組裝快，現(xiàn)場(chǎng)噪聲低，無污染，無建筑垃圾產(chǎn)生；建筑效率高，節(jié)約資金，由于CLT板可實(shí)現(xiàn)模塊化生產(chǎn)，因此極大的縮短工期（時(shí)間僅是傳統(tǒng)的1/4～1/2），節(jié)省了人力等各項(xiàng)成本的投入；極高的抗震與保溫和隔音效果；燃燒后形成表面炭化層使其具有優(yōu)良的防火性能，不加防火層也可達(dá)到防火1h的要求。

然而，傳統(tǒng)的CLT幾乎完全由針葉材制成，包括樟子松、挪威云杉、白杉、歐洲落葉松和花旗松等[3]。隨著一些地區(qū)森林的構(gòu)成發(fā)生變化，例如在歐洲人工林闊葉材的蓄積量持續(xù)增多[4]，以及希望低價(jià)值闊葉材實(shí)現(xiàn)高附加值應(yīng)用的期望[5-6]，人們正越來越關(guān)注使用闊葉材來制造CLT[7]。

因此，本文將主要介紹采用闊葉材進(jìn)行CLT 制造的國內(nèi)外研究進(jìn)展。并結(jié)合我國國情分析闊葉材CLT在中高層木結(jié)構(gòu)建筑中發(fā)展的機(jī)遇，為其在中國市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展提供思路。

1 闊葉材CLT國內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 闊葉材CLT的國外研究進(jìn)展

目前研究人員對(duì)闊葉材制備CLT越來越關(guān)注，一些有價(jià)值的研究成果正在不斷的涌現(xiàn)。但是相對(duì)于針葉材CLT的研究來說，闊葉材CLT的研究仍然很少。研究人員主要對(duì)樺木、黃楊、雜交楊以及櫸木等樹種進(jìn)行了相關(guān)研究。

1.1.1 樺木

澳大利亞的林產(chǎn)品公司Hasslacher Norica Timber，對(duì)樺木CLT（原材料來自俄羅斯圣彼得堡附近森林）進(jìn)行了機(jī)械性能測(cè)試[7]。試驗(yàn)表明，樺木CLT的滾動(dòng)剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)高于云杉CLT，因此，與針葉材相比，樺木CLT由于機(jī)械性能較高，相比應(yīng)用針葉材CLT而言，達(dá)到同等力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)，在住宅建筑中所需的木材料使用量會(huì)減少10-15%。

Franke[8]使用櫸木來制造CLT板材，并測(cè)試總厚度為120 mm的CLT板材，這些板材由不同厚度（2.4、10、20和33mm）的層板組成。測(cè)試指標(biāo)包括抗彎強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度和滾動(dòng)剪切強(qiáng)度等。獲得的滾動(dòng)剪切強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度和垂直于板面的抗壓強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于云杉CLT所測(cè)得的數(shù)值。因此作者認(rèn)為，使用山毛櫸進(jìn)行CLT的制造極具市場(chǎng)應(yīng)用的潛力。

1.1.2 櫸木

2015年,伯爾尼應(yīng)用科學(xué)大學(xué)(Bern University of Applied Sciences)的研究人員研究了闊葉材木質(zhì)復(fù)合產(chǎn)品的市場(chǎng)潛力。雖然闊葉材山毛櫸（Fagus sylvatica）占瑞士森林總蓄積量的18%，但在瑞士市場(chǎng)山毛櫸產(chǎn)品并沒有得到大量的高附加值應(yīng)用（市場(chǎng)上山毛櫸主要應(yīng)用于薪碳材）。因此，N?her等人重點(diǎn)研究了山毛櫸產(chǎn)品在建筑市場(chǎng)中的潛在應(yīng)用，特別是山毛櫸膠合木和山毛櫸CLT[9]。N?her等人認(rèn)為，由于闊葉材優(yōu)越的機(jī)械性能，闊葉材CLT比具有相似特性的針葉材建造建筑需要更少的木材。雖然闊葉材的價(jià)格要高于針葉材，由于闊葉材CLT主要用于存在高負(fù)荷或需要小尺寸的特定位置，這些優(yōu)勢(shì)使得在建筑中闊葉材CLT比針葉材CLT更具優(yōu)勢(shì)。

加拿大拉瓦爾大學(xué)（Laval University），研究了大葉山毛櫸（Fagus grandifolia Ehrh）作為CLT生產(chǎn)的原料可能性，作者認(rèn)為這種材料可以為使用當(dāng)?shù)卦牧系慕Y(jié)構(gòu)木制品行業(yè)帶來新的商機(jī)[9]。

1.1.3 黃楊

美國弗吉尼亞理工大學(xué)和西弗吉尼亞大學(xué)的研究人員對(duì)使用低等級(jí)闊葉材制造CLT的可行性進(jìn)行了研究。研究人員主要研究了美國最豐富的闊葉材之一的黃楊（Liriodendron tulipifera）。Hovanec[10]研究了黃楊CLT的膠合特性。他研究了層板厚度，層壓方向和各向異性等因素的影響。結(jié)果表明，層壓方向和層板厚度影響膠合強(qiáng)度。與針葉材CLT相比，未觀察到內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和木破率的存在顯著性差異。

在另一項(xiàng)涉及黃楊的研究中，弗吉尼亞理工大學(xué)的Mohamadzadeh和Hindman[11]使用美國標(biāo)準(zhǔn)ANSI /APA PRG 320研究了黃楊CLT的機(jī)械性能。黃楊CLT的剪切強(qiáng)度超過針葉材（硬松）超過20%。

1.1.4 楊樹

Kramer A等評(píng)估了楊樹和雜交楊樹作為CLT原料的可能性。在俄勒岡州立大學(xué)，研究人員使用低密度（比重為0.35）的人工林雜交楊樹木材（Pacific albus）來制造和測(cè)試北美ANSI /APA PRG 320標(biāo)準(zhǔn)下的10種CLT板材[12]。作者指出，混合楊樹CLT超過了標(biāo)準(zhǔn)所要求的剪切強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，但彈性模量（MOE）低于標(biāo)準(zhǔn)的E3級(jí)。匈牙利是一個(gè)針葉材森林相對(duì)缺乏的國家，西匈牙利大學(xué)的科研人員研究了使用I-214楊樹（Populus×euroamericana cv.'I-214'）作為CLT原料的可行性[13]。研究結(jié)果表明，人工林楊樹是用于CLT制造的可行樹種，具有較高的抗彎強(qiáng)度。然而，實(shí)驗(yàn)中獲得的彈性模量MOE值較低，因此就需要在楊樹鋸材原料中選擇較高等級(jí)板材。

1.2 闊葉材CLT的國內(nèi)研究進(jìn)展

Liao Y等人[14]研究了由小徑級(jí)桉樹制造CLT的可行性。桉樹是當(dāng)今中國重要的人工林闊葉材物種，由于市場(chǎng)需求的減少，急需要為桉樹尋找新的用途。作者的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括不同水平的膠粘劑涂布速率，膠合壓力和加壓時(shí)間作為實(shí)驗(yàn)因子；測(cè)試的性能指標(biāo)是剪切強(qiáng)度，木破率和分層速率。作者得出結(jié)論，結(jié)果顯示出桉木CLT與市場(chǎng)上銷售的針葉材CLT具有相近的機(jī)械性能。

王志強(qiáng)等研究了鋸材與單板層積材混合CLT的力學(xué)性能，結(jié)果表明將單板層積材置于表層，鋸材置于芯層能較大改善CLT板材的力學(xué)性能，而將單板層積材置于芯層，作為橫向?qū)?，鋸材（云?松-冷杉）作為表層材料形成的混合CLT板材的力學(xué)性能較低[15]。

雖然我國已經(jīng)開始對(duì)CLT進(jìn)行了研究，但是不能否認(rèn)，我國對(duì)木材CLT這一新型建材的研發(fā)和應(yīng)用還處于落后狀態(tài)，特別是闊葉材CLT的制備基本處于剛起步狀態(tài)。

1.3 闊葉材CLT的市場(chǎng)應(yīng)用

已有的這些文獻(xiàn)表明，采用一些闊葉材樹種制造CLT在技術(shù)上是可行的，它的機(jī)械性能與針葉材CLT相當(dāng)或更好。奧地利林產(chǎn)品公司Hasslacher Norica在奧地利用樺木CLT建造了一座房子，測(cè)試結(jié)果令人滿意[7]。

闊葉材CLT最值得注意的優(yōu)點(diǎn)是明顯更好的強(qiáng)度性能（彎曲強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度，滾動(dòng)剪切強(qiáng)度）。由于CLT板材的結(jié)構(gòu)性能不依賴于每個(gè)單獨(dú)組件（層板或木片）的機(jī)械性能，而是取決于整個(gè)系統(tǒng)。因此，只要這些材料的機(jī)械性能不受影響，一些劣質(zhì)樹種木材原料就可能找到高附加值用途，實(shí)現(xiàn)劣材優(yōu)用小材大用。并且通過使用低價(jià)值原材料實(shí)現(xiàn)更高價(jià)值的產(chǎn)品，不僅體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)效益方面，還可以通過木材產(chǎn)品的固碳特性，減少低價(jià)值木材由于短周期回收而釋放出二氧化碳，從而有益于環(huán)境，體現(xiàn)在生態(tài)效益方面。研究表明，利用闊葉材CLT在技術(shù)上是可行的。由于所選擇的闊葉材樹種具有較高的機(jī)械性能，闊葉材CLT可以為建筑和土木工程行業(yè)創(chuàng)新提供新的解決方案，例如更大的跨度和更高的載荷，同時(shí)減小所需的截面尺寸。如果闊葉材CLT成為現(xiàn)實(shí)，這將擴(kuò)大未充分利用和低價(jià)值闊葉材以及受疾病和害蟲影響的闊葉材的市場(chǎng)。

但是，要想讓闊葉材CLT成為建筑市場(chǎng)中有吸引力的材料，還有諸如膠合、分級(jí)等技術(shù)問題亟待解決。此外，闊葉材CLT必須具有創(chuàng)新性，以解決闊葉材和針葉材之間現(xiàn)有的成本差異[17-18]。

2 結(jié)語

目前，世界各國為了使本國豐富的和尚未充分利用的闊葉材得到更高的附加值用途，對(duì)闊葉材進(jìn)行了各種研究，闊葉材CLT成為了目前研究的熱點(diǎn)之一。我國的闊葉材資源也非常豐富，尤其是人工林闊葉材領(lǐng)域，目前的闊葉材主要集中在單板層積材和鋸材的應(yīng)用，一些尺寸不合格或者性能較差的闊葉材并沒有得到充分的利用。第八次全國森林資源清查結(jié)果:中國人工林蓄積量達(dá)到24.83億m3，其中闊葉材是人工林種植的主要樹種。在國家大力倡導(dǎo)“綠色、環(huán)保、節(jié)能、減排”建材生產(chǎn)和應(yīng)用的今天，闊葉材CLT將為我國木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展提供新的發(fā)展方向。