不同膠黏劑對南方松CLT膠合性能的影響*

張 龍 彭 思 王建和 衛(wèi)佩行 黃素涌

（1.西南林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650224； 2.寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司，寧海315600； 3.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院風(fēng)景園林學(xué)院，句容 212400）

正交膠合木（Cross Laminated Timber，簡稱CLT）是一種將實木鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合材表面刨光處理后均勻涂布結(jié)構(gòu)用膠黏劑，經(jīng)正交組坯、冷壓制成的三層或三層以上的結(jié)構(gòu)用工程木質(zhì)產(chǎn)品[1-2]，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于建筑樓板、墻板和屋面板。

北美和歐洲主要用云杉-松木-冷杉（SPF）、花旗松和落葉松等樹種作為CLT的原料[1]。南方松是美國東部主要針葉樹種，主要包括火炬松（P.taeda）、長葉松（P.palustris）、短葉松（P.echinate）和濕地松（P.elliotii）4 種。Hindman和Bouldin[3]研究發(fā)現(xiàn)：南方松CLT的抗彎強度和抗彎剛度均大于北美標準ANSI/APA PRG 320-2018 V3級的規(guī)定值，表明南方松可用于CLT生產(chǎn)。

不同膠黏劑、組坯時間、壓力、加壓時間和膠合界面處理條件對CLT膠合性能影響程度不同。而在所有的影響因素中，膠黏劑的類型至關(guān)重要，但研究較少[3-8]，關(guān)于膠黏劑種類對CLT膠合質(zhì)量的影響尚未得到進一步深入研究[3-4]。本文選擇膠合木生產(chǎn)企業(yè)常用的5種結(jié)構(gòu)用膠黏劑，依據(jù)北美標準ANSI/APA PRG 320-2018[2]，從膠層耐久性和膠層剪切性能兩方面考察不同膠黏劑對南方松CLT膠合性能的影響，為CLT制備參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

所用南方松規(guī)格材來自美國東部，其平均氣干密度為570.79 kg/m3，平均含水率為11.82%。

膠黏劑分別為A-PUR、A-API、B-PUR1、B-PUR2和C-PUR（A、B、C分別指代3個廠家），此5種膠黏劑特性見表1。

表1 膠黏劑特性Tab.1 Adhesives properties

1.2 設(shè)備

雙面刨，型號MB-204，安吉德邁竹木機械有限公司。小型液壓機，型號SA-7A，Samkoon Automation Technology（Shenzhen）Co.，Ltd。微機控制電子萬能試驗機，型號WDW-T100，濟南天辰試驗機制造有限公司。自配真空—加壓循環(huán)系統(tǒng)1套，其中60 L抽真空壓力桶、真空緩沖瓶，浙江飛越機電有限公司；噴油螺桿空氣壓縮機，型號XMTE-2100，浙江威普機電科技有限公司。數(shù)顯恒溫鼓風(fēng)干燥箱，型號XMTE-2100，滄州華陽試驗機制造有限公司。

1.3 試件制備

采用來自3個廠家的5種膠黏劑分別制備尺寸為700 mm×700 mm×105 mm的三層結(jié)構(gòu)南方松CLT。根據(jù)膠黏劑使用說明和CLT生產(chǎn)要求，采用A-PUR和A-API制造南方松CLT時，壓制時間為60 min；用B-PUR1、B-PUR2和C-PUR時，壓制時間為120 min，并且每種膠黏劑對應(yīng)制作2塊CLT樣板。試驗采用手工涂膠、正交組坯方式，開放時間為15 min，壓力為0.8 MPa，施膠量為160 g/m2。

1.4 性能測試

1.4.1 浸漬剝離試驗

依據(jù)北美標準ANSI/APA PRG 320-2018，每塊CLT樣板取3個浸漬剝離試件，試件尺寸80 mm×80 mm×105 mm。浸漬剝離試驗依據(jù)加拿大標準CSA O122-16[9]，首先對每個氣干試件稱重并記錄質(zhì)量，之后將試件置于壓力罐中，加足量22 ℃的水淹沒試件，再將壓力罐抽真空至67 kPa并保持30 min，然后解除真空，施加560 kPa的壓力并維持2 h后，取出試件，將其置于70 ℃的干燥箱內(nèi)干燥，當試件干燥至真空-加壓處理前質(zhì)量的112%～115%時，停止干燥，取出試件并立即進行浸漬剝離測試。

1.4.2 膠層剪切試驗

首先，將CLT樣板置于溫度為20 ℃、相對濕度為65%的條件下養(yǎng)生72 h。依據(jù)北美標準ANSI/APA PRG 320-2018，每塊CLT樣板取3個剪切試件。然后，依據(jù)加拿大標準CSA-O112-08[10]測試養(yǎng)生狀態(tài)下CLT的膠層剪切強度和木破率。測試時，采用中間塊剪切測試，并按加載方向平行于表層紋理方向和膠合界面進行測試[6-8]。CLT試樣取6個試件，對每個試件的兩個膠層分別進行測試，即每種壓制條件下，膠層剪切強度和木破率測試分別取12個數(shù)據(jù)，并求平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 膠層耐久性

按照1.3章節(jié)所述工藝條件制造的南方松CLT浸漬剝離試驗結(jié)果如圖1所示。采用A-PUR、A-API、B-PUR1、B-PUR2、C-PUR膠黏劑的南方松CLT浸漬剝離率分別為13.11%、9.59%、5.38%、50.61%和72.84%。試驗結(jié)果表明：不同膠黏劑的膠層耐久性大小為：B-PUR1＞A-API＞A-PUR＞B-PUR2＞C-PUR，來自不同企業(yè)的膠黏劑膠層耐久性有差異，其差異主要由膠黏劑的配方、配比以及合成工藝條件等決定。通常聚酯型聚氨酯膠黏劑的酯鍵易水解，產(chǎn)品耐久性不理想，而聚醚型聚氨酯膠黏劑的醚鍵不易水解，產(chǎn)品耐久性較好[11]，B-PUR2和C-PUR為發(fā)泡聚酯型膠黏劑，固化速度慢，且在固化過程中會產(chǎn)生二氧化碳，形成較厚膠層，膠層耐久性較差。A-PUR和B-PUR1為聚醚型膠黏劑，膠層耐久性較好。A-API為水性膠黏劑，易于浸潤木材表層，主劑和固化劑能與木材膠接表面形成三維交聯(lián)[12]，膠接良好，且膠接接頭形成薄薄的膠層，膠層耐久性較好。

圖 1 浸漬剝離試驗結(jié)果Fig.1 The results of delamination

5種膠黏劑中，用A-API和B-PUR1制造的南方松CLT膠層耐久性達到了加拿大標準CAN/CSA-O122-16要求，而A-PUR、B-PUR2、C-PUR的膠層耐久性均不合格。雖然A-API和B-PUR1制造的南方松CLT膠層耐久性均滿足標準要求，但采用B-PUR1需要的加壓時間是A-API的兩倍，從生產(chǎn)成本考慮，宜采用A-API膠黏劑。

對5種膠黏劑制造的南方松CLT膠層耐久性測試結(jié)果進行單因素方差分析，結(jié)果如表2所示。不同膠黏劑對南方松CLT的膠層耐久性影響顯著（P＜0.005）。

表2 浸漬剝離率單因素方差分析結(jié)果Tab.2 One-way variance analysis results of delamination rate

2.2 膠層剪切性能

按照前述工藝條件制造的南方松CLT膠層剪切試驗結(jié)果如圖2所示。采用A-PUR、A-API、B-PUR1、B-PUR2、C-PUR膠黏劑的南方松CLT膠層剪切強度分別為3.23、3.84、2.60、3.18MPa和3.14 MPa，木破率分別為78.33%、67.92%、41.67%、37.50%和55.00%。依據(jù)加拿大標準CAN/CSA-O122-16，每種生產(chǎn)條件下的木破率均未達到要求，而剪切強度與Hindman等研究結(jié)果（2.86～4.38MPa）相似[3-4]。南方松CLT膠層剪切強度與文獻[12]報道相似，一般雙組分聚氨酯膠黏劑有較大的黏合力，最終黏合強度比單組分膠黏劑大。采用雙組分膠黏劑B-PUR2和C-PUR制造的南方松CLT膠層剪切強度比采用B-PUR1制造的高出20%多。有研究指出，木材橫紋抗剪強度是順紋抗剪強度的3～4倍[13]，而南方松順紋抗剪強度為9.60～11.60 MPa[14]，即南方松橫紋抗剪強度最小為28.80 MPa，本試驗表明所有南方松CLT的膠層剪切強度均小于實木剪切強度，換言之，南方松CLT的剪切破壞發(fā)生在膠層，并且相對應(yīng)膠層木破率較低。

圖2 剪切測試結(jié)果Fig.2 The results of shear test

試驗結(jié)果表明：采用不同膠黏劑制造的南方松CLT膠層剪切強度大小依次為：A-API＞A-PUR＞BPUR2＞C-PUR＞B-PUR1，木破率大小為：A-PUR＞AAPI＞C-PUR＞B-PUR1＞B-PUR2。加壓時間為60 min時，相比于A-PUR，采用A-API制造的南方松CLT膠層剪切強度高出將近19%，其原因在于木材表面分子極性較高且A-API為高分子水性膠黏劑，因此A-API易于浸潤木材，并且形成的膠層較薄，因而膠層剪切強度較高。A-PUR在南方松木材中與木材形成較好的交聯(lián)，破壞較多且破壞程度較深，因此采用A-PUR制作的南方松CLT膠層木破率會比A-API高出27%。理想的膠合情況下，膠層剪切破壞應(yīng)該發(fā)生在木質(zhì)部[15]。而木破率描述的是在膠層剪切中，木材在膠合界面處木材纖維破壞的程度[16]，因而很大程度上木破率對于粘合質(zhì)量的描述比剪切強度還重要，從這個層面上來看，A-PUR顯示較好的剪切性能。

加壓時間為120 min時，采用B-PUR1制造的南方松CLT表現(xiàn)出較差的剪切性能，剪切強度和木破率分別僅為2.60 MPa和41.67%，而采用B-PUR2和C-PUR制造的南方松CLT卻顯示出較好的膠層剪切強度，比B-PUR1分別高出22.31%和20.77%。這是因為B-PUR1固化速度慢，膠黏劑滲入到木材表層較多，因此膠層剪切強度較差。

對5種膠黏劑制造的南方松CLT膠層剪切強度和木破率測試結(jié)果進行單因素方差分析，結(jié)果如表3所示。不同膠黏劑對南方松CLT的剪切強度和木破率影響顯著（P＜0.005）。

表3 剪切強度和木破率單因素方差分析結(jié)果Tab.3 One-way variance analysis results of block shear strength and percentage wood failure

A-API制造的南方松CLT膠層剪切強度試驗結(jié)果如圖3所示，CLT-1數(shù)據(jù)組存在疑似異常值，該異常值為1.58 MPa。抽提物在粘合表面會對膠黏劑潤濕和滲透有影響，導(dǎo)致膠合性能下降，南方松鋸材之間存在樹脂是導(dǎo)致該異常值出現(xiàn)的原因。從圖3可見， CLT-1和CLT-2兩塊樣板所制試件剪切強度數(shù)據(jù)值離散程度相差較大，這是由鋸材之間膠合界面變異性所致。

分析結(jié)果表明：從膠合質(zhì)量而言，A-PUR、A-API和B-PUR1膠黏劑均可用于制造南方松CLT。但從成本角度考慮，使用B-PUR1制造南方松CLT的加壓時間比采用A-PUR和A-API多出一倍。綜合考慮，南方松CLT實際生產(chǎn)中宜采用A-PUR和A-API膠黏劑。

圖3 膠層剪切強度離散值Fig.3 The fluctuating values of shear strength of adhesive layers

2.3 試件破壞形式

2.3.1 浸漬剝離

浸漬試驗中，由于徑向和弦向的濕漲率大于長度方向，膠層剪切界面產(chǎn)生層間剪切應(yīng)力，從而導(dǎo)致膠層剝離。由于正交膠合木特殊的結(jié)構(gòu)，浸漬剝離常發(fā)生在單側(cè)膠層[7]，并且膠層剝離常出現(xiàn)在髓心、節(jié)子以及層板間隙處，如圖4所示。髓心由軸向薄壁組織構(gòu)成，材質(zhì)疏松脆弱[13]，受水分變化影響，髓心處應(yīng)力集中，膠層易于剝離。而木節(jié)纖維常與周圍纖維形成一定角度，破壞木材纖維的相對均質(zhì)性，因而節(jié)子對膠合木膠層耐久性有顯著影響[13]，在濕漲干縮過程中，節(jié)子部分會產(chǎn)生較大應(yīng)力，易出現(xiàn)開裂。當CLT側(cè)面不膠合時，CLT層板之間會產(chǎn)生間隙，在浸漬-干燥過程中，吸濕和干燥的面積比其他地方大，間隙處很容易出現(xiàn)膠層剝離。CLT在使用過程中，應(yīng)避免上述部分接觸水分。

圖4 浸漬剝離試件Fig.4 Delamination specimens

2.3.2 膠層剪切

剪切試驗中，膠合界面破壞形式分為4種，如圖5所示，分別為滾動剪切破壞、木材破壞、膠層剪切破壞和混合破壞，大部分試件破壞形式為膠層剪切破壞，滾動剪切破壞、木材破壞和混合破壞較少，試驗中出現(xiàn)的破壞模式與Hindman等研究描述一致[3]。當木材剪切強度小于膠層剪切強度時，膠層剪切破壞常發(fā)生在木質(zhì)部上，如圖5（a）、（b）所示。當中間層沿厚度方向上材質(zhì)不均勻時，加載力引起的木材內(nèi)應(yīng)力與加載力形成剪切力，CLT中間層發(fā)生滾動剪切破壞，如圖5（a）所示。當中間層材質(zhì)相對均勻時，木材常沿年輪和早晚材交界處破壞，如圖5（b）所示。早材和木射線由薄壁細胞組成，破壞易發(fā)生在早晚材交界處的早材部分、年輪處以及木射線處，如圖5（a）、（b）和（d）所示。而當木材剪切強度大于膠層內(nèi)聚力時，剪切破壞易發(fā)生在膠層，如圖5（c）所示。

圖5 剪切破壞模式Fig.5 Shear failure models

3 結(jié)論

為降低生產(chǎn)成本、提高膠合質(zhì)量，研究了5種不同膠黏劑對南方松CLT膠合性能的影響。分析對比測試結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1）5種膠黏劑對南方松CLT的膠層耐久性有顯著影響（P＜0.005），其中僅A-API和B-PUR1 制造的南方松CLT膠層耐久性達到標準要求。從膠層耐久性考慮，宜采用A-API和B-PUR1制造南方松CLT；

2）5種膠黏劑對南方松CLT的膠層剪切性能有顯著影響（P＜0.005），其膠層剪切強度范圍為2.60～3.84 MPa，而木破率卻均未達到標準要求。從剪切性能考慮，宜采用A-API和A-PUR制造南方松CLT。同樣，從膠層耐久性、膠層剪切性能以及生產(chǎn)成本綜合考慮，這兩種膠均適用于制造南方松CLT；

3）浸漬剝離試驗中，膠層剝離常出現(xiàn)在髓心、節(jié)子及層板間隙處。膠層剪切試驗中，膠合界面破壞形式有滾動剪切破壞、木材破壞、膠層剪切破壞和混合破壞4種，大部分試件破壞形式為膠層剪切破壞，滾動剪切破壞、木材破壞和混合破壞較少。