正交膠合木膠合耐久性能研究進展*

陳國駿 宋 煥 王志強 趙天長

（1.南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037；2.江蘇森之虎建筑工程有限公司，江蘇 南京 210012）

正交膠合木（Cross-laminated timber，CLT）是一種由三層或三層以上實木鋸材或結(jié)構復合板材垂直正交組坯，采用結(jié)構膠黏劑膠合而成的新型工程木產(chǎn)品［1］，由于其具有良好的尺寸穩(wěn)定性、耐火性能和抗震性能，在中高層建筑中越來越受到人們的青睞［2］。膠合性能是工程木產(chǎn)品的重要性能，包括膠層剪切強度和膠合耐久性能，膠合耐久性常通過浸漬剝離試驗進行評估［3-4］。正交組坯結(jié)構和層板間縫隙等構造特征增加了CLT膠合耐久性評估方法的復雜性。同時，膠黏劑種類、膠合工藝參數(shù)、試件大小及形狀和層板處理等均會影響膠合耐久性能的評價結(jié)果。本文對國內(nèi)外CLT膠合耐久性的測試方法進行分析比較，并總結(jié)了CLT膠合耐久性能主要影響因素的相關研究，為CLT膠合耐久性能的進一步研究提供參考。

1 CLT膠合耐久性能測試方法

目前代表性的CLT膠合耐久性測試標準有EN 16351—2015Timber structures—Cross laminated timber—Requirements、CSA 0112.9-10Evaluation of Adhesives for Structural Wood Products(exterior exposure)和LY/T 3039—2018《正交膠合木》，這3種標準均以浸漬剝離率和木破率評價膠合耐久性，但在試件尺寸和測試方法上有所不同。EN 16351—2015規(guī)定膠合耐久性測試試件為最小直徑(95±5) mm的圓柱形CLT，或試件最小橫向長度為(100±5) mm、頂視圖面積至少為10 000 mm2的方形CLT；而CSA 0112.9-10和LY/T 3039—2018均采用方形試件，試件邊長分別為75 mm和100 mm。膠合耐久性測試方法上，雖然三者都采用真空-加壓法，但具體的測試條件和膠合耐久性評價指標等也存在差別，如表1、2所示。

表1 膠合耐久性測試條件Tab.1 Test conditions for gluing durability

表2 膠合耐久性評價指標要求Tab.2 Requirements for gluing durability

2 CLT膠合耐久性能影響因素

2.1 膠黏劑類型

膠黏劑自身強度和膠黏劑滲透性是CLT膠合性能的主要影響因素。聚氨酯類膠黏劑屬于預聚合膠黏劑，可以滲透進入細胞腔，但基本無法進入細胞壁中，而原位聚合膠黏劑可以滲入細胞壁中［5］。用于制備CLT的膠黏劑通常為結(jié)構膠黏劑，滿足條件的膠黏劑分為兩類：1)原位聚合類膠黏劑，如三聚氰胺-甲醛樹脂（MF）、三聚氰胺-尿素-甲醛樹脂（MUF）、間苯二酚樹脂（PRF）、脲醛樹脂（UF）；2)預聚合類膠黏劑，如聚氨酯膠黏劑（PUR)［6］。張龍等［7］研究了來自不同廠家的5種膠黏劑[A-PUR、A-API（水性異氰酸酯膠黏劑）、B-PUR1、B-PUR2 和C-PUR]對制備南方松CLT膠合耐久性的影響，結(jié)果表明：僅水性異氰酸酯膠黏劑A-API和聚醚型膠黏劑B-PUR1制備的南方松CLT膠合耐久性達到了CAN/CSA-O122-16Structural gluedlaminated timber要求，5種膠黏劑對南方松CLT的膠合耐久性均有顯著影響（P＜0.005）。從膠合耐久性考慮，宜采用A-API和B-PUR1制備南方松CLT。謝力生等［8］研究了單組份聚氨酯（PUR）、雙組份聚氨酯、水性高分子異氰酸酯(EPI)膠黏劑和間苯二酚-甲醛樹脂膠黏劑（PRF）對落葉松[Larix gmelinii(Rupr.)Kuzen.]膠合耐久性的影響，發(fā)現(xiàn)4種膠黏劑的剝離率均滿足GB/T 26899—2011《結(jié)構用集成材》要求，但PRF的總剝離率達4.89%，接近GB/T 26899—2011限定的最大值5%，不推薦使用該膠黏劑。

液態(tài)膠黏劑進入木材細胞腔并在其中流動即為膠黏劑在木材表面的滲透過程，膠黏劑在木材細胞中主要起填充作用，在管孔中的縱向流動是其主要滲透路徑，膠黏劑在木材表面的流動和滲透與膠黏劑和木材表面的接觸程度有關［9］。由于不同膠黏劑與水分作用存在差異，導致膠合耐久性的差異，Sikora等［6］研究認為間苯二酚膠黏劑（PRF）膠合的CLT試件比單組份PUR試件具有更好的膠合耐久性。Yusof等［10］發(fā)現(xiàn)PRF膠合的金合歡[Acacia farnesiana(Linn.)Willd]CLT的分層率低于PUR，具有良好的膠合耐久性，但兩種膠黏劑的浸漬剝離率均滿足標準EN 16351—2015要求。

2.2 膠合工藝參數(shù)

膠合工藝參數(shù)如加壓壓力、施膠量和加壓時間等直接影響CLT的膠合耐久性能。龔迎春［11］運用正交試驗設計評估膠黏劑種類、加壓壓力和施膠量對CLT膠合性能和耐久性能的影響，優(yōu)選日本落葉松[Larix kaempferi(Lamb.)Carr.]CLT的生產(chǎn)工藝參數(shù)為單組份PUR，施膠量200 g/m2，壓力為1.2 MPa。膠合壓力過大會導致膠合界面的膠黏劑被擠出，形成較薄的膠層；過小，則較少的膠黏劑滲透進木材，膠層較厚，從而導致更多的膠合面暴露在水中，產(chǎn)生較大的浸漬剝離率。Yusof等［12］發(fā)現(xiàn)加壓壓力對浸漬剝離率影響并不顯著，但木材密度較大時采用大的膠合壓力有利于提高膠合耐久性。Santos等［13］的研究表明，施加大的壓力有利于降低CLT的浸漬剝離率和提高木破率，層板厚度不會影響CLT的浸漬剝離率。膠合過程中，施膠過多會導致膠層過厚，施膠過少則無法使膠黏劑充分滲透進層板；加壓時間會影響膠黏劑的固化效果，從而影響膠合耐久性。Liao等［14］采用單組份PUR制備桉木（Eucalyptus urophylla×E.grandis）CLT，研究施膠量、壓力和壓制時間對木破率和浸漬剝離率的影響，獲得桉木CLT的較優(yōu)工藝參數(shù)為施膠量160 g/m2、壓力0.8 MPa、加壓時間200 min。董惟群［15］研究了竹木復合CLT的膠合耐久性能，結(jié)果表明：滿足GB/T 26899—2011《結(jié)構用集成材》膠合耐久性能要求的較優(yōu)工藝參數(shù)為：干態(tài)條件下，采用EPI膠黏劑，施膠量為270 g/m2，加壓壓力為1.0 MPa，加壓時間為140 min；濕態(tài)條件下，采用PRF膠黏劑，施膠量為250 g/m2，加壓壓力為1.0 MPa，加壓時間為420 min。

2.3 試件形狀及大小

目前不同標準對CLT膠合耐久性試件尺寸有所不同。研究表明：形狀和大小不同的CLT試件在含水率變化過程中，層板間產(chǎn)生不同的收縮或膨脹應力會影響CLT的膠合耐久性［16］。Betti等［17］比較了40 mm(長) ×40 mm（寬）和75 mm(長) ×75 mm（寬）兩種不同尺寸CLT試件的浸漬剝離性能，尺寸為75 mmCLT試件的平均浸漬剝離率比40 mm試件高5.6%，最大浸漬剝離率高6.2%，研究認為:試件尺寸大小是影響浸漬剝離性能的關鍵因素。Brunetti等［18］也發(fā)現(xiàn)尺寸是影響CLT膠合耐久性的主要因素，試件尺寸越大，浸漬剝離率越大。

在膠合耐久性試驗中，浸漬和干燥過程水分梯度引起的應力很可能會隨著試件形狀的變化而變化，從而影響浸漬剝離率。Knorz等［19］研究了試件形狀（方形和圓形）、層數(shù)、層厚和壓力對云杉（Picea asperata Mast）CLT浸漬剝離性能的影響。結(jié)果表明：試件的形狀和層數(shù)對浸漬剝離性能有一定的影響，方形和高層數(shù)CLT試件浸漬剝離率高于圓形和低層數(shù)CLT試件，而層厚和壓力不影響浸漬剝離性能。然而，也有研究表明，尺寸較大的CLT試件的膠合耐久性能好于尺寸小的試件，如Dugmore等［20］研究發(fā)現(xiàn)，70 mm（長） × 70 mm（寬）的桉木CLT試件浸漬剝離率比100 mm（長）×100 mm(寬)試件高19.1%。

2.4 層板預處理

偶聯(lián)劑能夠與氫鍵結(jié)合或和膠合界面形成化學鍵，使膠合界面更加牢固和穩(wěn)定，從而提高膠合木制品的膠合耐久性。Lu等［21］選用間苯二酚（PRF）、異氰酸酯（EPI）、單組份聚氨酯膠黏劑（PUR）和環(huán)氧樹脂（EP）4種結(jié)構膠黏劑，并采用不同的木材表面預處理技術，研究桉木CLT的膠合耐久性能，發(fā)現(xiàn)只有PUR制備的桉木CLT膠合耐久性達到標準AITC Test T110—2007Cyclic Delamination Test要求。經(jīng)羥甲基間苯二酚處理后，單組份PUR、PRF和EP制備的CLT浸漬剝離率幾乎為零，而EPI制備的桉木CLT浸漬剝離率達到55.1%，是未處理前浸漬剝離率的1.5倍；經(jīng)二甲基甲酰胺處理后，4種結(jié)構膠黏劑制備的CLT試件浸漬剝離率均滿足標準AITC Test T110—2007要求。Santos等［13］研究發(fā)現(xiàn)，偶聯(lián)劑預處理可以大大降低海岸松（Pinus pinaster Ait）CLT的浸漬剝離率，提高其膠合耐久性。砂光處理能夠改變材料表面自由能，產(chǎn)生大量的極性活性基團，增強潤濕性，提高膠合耐久性能［22］。Knorz等［23］發(fā)現(xiàn)經(jīng)砂光處理后木材的耐久性較好。

木材是一種生物質(zhì)材料，易被真菌降解。防腐處理可有效防止木材的降解，但同時會在亞微觀和微觀水平上對木材的膠合性能產(chǎn)生不利影響，進而影響浸漬剝離率。防腐劑可以在物理和化學上阻斷表面膠合力的形成，降低木材的潤濕性，減少膠黏劑的粘附、滲透和擴散，并改變膠黏劑的固化率。Lim等［24］使用微粉化的C型銅氮唑(MCA-C)防腐處理(1.0、2.4 kg/m3處理水平)美國南方松CLT，研究其膠合耐久性能，結(jié)果表明：未防腐處理的CLT試件在浸漬循環(huán)條件下未出現(xiàn)浸漬剝離現(xiàn)象，使用三聚氰胺甲醛(MF)和間苯二酚甲醛（PRF）制備的CLT試件經(jīng)防腐處理后浸漬剝離率隨防腐處理水平的增加而增加；而使用單組份PUR制備的CLT試件在兩種防腐處理水平下的浸漬剝離率均小于1%；MCA-C防腐處理后，單組份PUR制備的CLT膠合耐久性優(yōu)于MF和PRF。Anan等［25］研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)堿性季銨銅（ACQ）防腐處理的單一和混合結(jié)構CLT未發(fā)生浸漬剝離。

3 結(jié)語

膠合耐久性是正交膠合木最基本的物理性能之一，其受多種因素影響，作用機理較復雜。制備CLT應選擇適合基材的膠黏劑類型及工藝參數(shù)，以獲得理想的膠合耐久性能。目前對CLT膠合耐久性的研究還主要集中在三層CLT和單一材料CLT，對多層和混合結(jié)構CLT的膠合耐久性能有待進一步研究，從微觀角度分析不同結(jié)構膠黏劑膠合的CLT膠合耐久性有助于完善CLT材料的膠合機理。今后應注重對國產(chǎn)木材CLT膠合耐久性的研究，規(guī)范相應的耐久性測試方法和評價指標。