國產(chǎn)杉木正交膠合木抗壓強(qiáng)度研究*

楊世玉 王曉歡 張秀標(biāo) 費(fèi)本華

（1.國際竹藤中心, 北京 100102；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091）

現(xiàn)代工程木材料是通過對(duì)原木進(jìn)行科學(xué)合理的開發(fā)利用而得到的產(chǎn)品，具有材料利用率高、構(gòu)件幅面大、材質(zhì)更加均勻等特性[1-3]。正交膠合木（Cross-Laminated Timber,簡稱CLT）是一種新興的重型工程木結(jié)構(gòu)材料，由三層及以上奇數(shù)層為主的鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合材通過垂直層壓膠合而成[4-6]。在工程應(yīng)用中，CLT常作為木結(jié)構(gòu)建筑的樓面板、墻面板等構(gòu)件，通過鋼連接件和膠合木梁結(jié)構(gòu)組成混合多高層木結(jié)構(gòu)建筑[7-9]。樓板、墻板及基礎(chǔ)形成連續(xù)傳遞豎向荷載的結(jié)構(gòu)體系，隨著多高層木結(jié)構(gòu)建筑的廣泛應(yīng)用與不斷創(chuàng)新，對(duì)CLT抗壓剛度和強(qiáng)度提出了更高的要求[10-12]。我國天然林資源匱乏，而速生林木材資源較為豐富[13-15]，因此將國產(chǎn)速生材應(yīng)用于CLT結(jié)構(gòu)建筑中，將有利于促進(jìn)國產(chǎn)材料的高附加值利用和建筑行業(yè)的節(jié)能減排。

此前，已有國內(nèi)外學(xué)者嘗試?yán)脳钅?、桉木和杉木等樹種開發(fā)CLT[16-23]，驗(yàn)證了速生材制備CLT的可行性。Wei等[3]研究表明，組坯結(jié)構(gòu)對(duì)CLT和膠合木抗壓性能的影響存在較大差異。龔迎春等[24]研究了不同組坯層數(shù)、鋸材厚度和鋪層方向?qū)a(chǎn)日本落葉松CLT順紋抗壓性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)組坯層數(shù)由3 層增加到5 層時(shí)，CLT的順紋抗壓模量和強(qiáng)度分別減少9.36%和17.76%；當(dāng)鋸材厚度由25 mm降低到15 mm時(shí)，CLT的順紋抗壓模量和強(qiáng)度則分別增加4.85%和4.75%；斜紋45°組坯結(jié)構(gòu)相比于正交組坯結(jié)構(gòu)，順紋抗壓模量和強(qiáng)度分別增加了15.82%和15.45%。Buck等[11]研究了組坯結(jié)構(gòu)對(duì)云杉CLT軸心受壓性能的影響，結(jié)果表明：斜向45°組坯結(jié)構(gòu)CLT的抗壓剛度和強(qiáng)度比普通正交結(jié)構(gòu)分別高30%和15%。何敏娟等[25-26]研究發(fā)現(xiàn)，五層結(jié)構(gòu)的加拿大鐵杉CLT其強(qiáng)軸和弱軸的抗壓強(qiáng)度分別為18.3 MPa和14.4 MPa；研究黑云杉CLT的面內(nèi)抗壓性能，結(jié)果表明：當(dāng)組坯層數(shù)由3 層增至5 層時(shí)，黑云杉CLT強(qiáng)軸方向和弱軸方向的抗壓模量分別減少10.19%和13.63%。

相比于彎曲、剪切等性能，目前組坯結(jié)構(gòu)對(duì)CLT抗壓性能影響的報(bào)道還不多。本研究以國產(chǎn)杉木鋸材為單元制備杉木CLT，評(píng)估組坯層數(shù)和鋸材厚度對(duì)杉木CLT強(qiáng)軸和弱軸方向抗壓強(qiáng)度的影響，研究結(jié)果將為推動(dòng)國內(nèi)速生用材在多高層木結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

杉木（Cunninghamia Lanceolata）鋸材，安徽黃山市黃山區(qū)真義木業(yè)有限公司，平均密度為0.36 g/cm3，平均含水率9.48%，鋸材目測等級(jí)為Ⅱc。壓制CLT板前，將杉木鋸材刨削至18 mm和35 mm 2 種厚度規(guī)格。

膠黏劑采用單組分聚氨酯（PUR），型號(hào)DH 106，上海東和膠粘劑有限公司，淺棕色，開放時(shí)間20～30 min。建議涂膠量200 g/m2，加壓壓力0.6 MPa，保壓時(shí)間2.5 h。

在CLT抗壓性能測試前，參考GB/T 1935—2009《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》和GB/T 1939—2009《木材橫紋抗壓試驗(yàn)方法》，對(duì)2 種厚度規(guī)格的杉木鋸材試樣進(jìn)行順紋和橫紋抗壓強(qiáng)度測試，結(jié)果如表1 所示。本研究所用杉木鋸材的壓縮強(qiáng)度可滿足正交膠合木中國產(chǎn)材C3 等級(jí)的性能要求。

表1 杉木鋸材抗壓性能Tab.1 Compressive properties of Chinese fir lumber

1.2 設(shè)備

微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)YAW-300A，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司。PEACOCK千分表，型號(hào)N0.207，日本PEACOCK尾崎制作所。靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)，型號(hào)TDS-530，日本東京測器TML。

1.3 杉木CLT及試樣制備

杉木CLT板主要為3 種類型：18 mm杉木鋸材制備的三層CLT，記為CLT-1；18 mm杉木鋸材制備的五層CLT，記為CLT-2；35 mm杉木鋸材制備的三層CLT，記為CLT-3。單元層數(shù)、層板厚度及板材尺寸等詳見表2。

表2 CLT板材類型Tab.2 Types of CLT panels

CLT板材制備與試樣加工委托寧波中加低碳新技術(shù)研究院完成，主要制備工藝如下：1）鋸材刨削，獲得48 h內(nèi)的新鮮鋸材表面，保證膠黏劑在杉木鋸材表面具有充分的流動(dòng)性和滲透性；2）層板截?cái)?，用于橫向?qū)拥纳寄句彶拈L度依據(jù)表面縱向?qū)拥匿彶目倢挾葲Q定，保證施膠組坯后的CLT在加壓過程中兩側(cè)邊緣整齊；3）淋膠組坯，杉木CLT的底層鋪裝完成后立即淋膠，之后重復(fù)進(jìn)行鋪裝和淋膠工序，直至組坯完成；4）冷壓成型，組坯完成后送入冷壓機(jī)，加壓壓力為0.6 MPa，保壓時(shí)間2.5 h；5）后處理，CLT板冷壓完成后取出、堆置靜放，在20 ℃的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)一周，待膠合性能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后進(jìn)行板材邊緣裁剪和試件加工，具體流程如圖1 所示。

圖1 杉木CLT制備流程Fig.1 The production process of Chinese fir CLT

參考ASTM D4761Standard test methods for mechanical properties of lumber and wood-base structural material制備100 mm（高）×100 mm（寬），厚度分別為54、90、105 mm的杉木CLT試件用于抗壓試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)方法

如圖2 所示位置粘貼杉木CLT壓縮試件的應(yīng)變片，以獲得壓縮試件在受壓過程中正面中心位置橫向和縱向應(yīng)變。依據(jù)ASTM D4761 進(jìn)行強(qiáng)軸和弱軸方向的壓縮性能測試，加載速度為2 mm/min，按照公式（1）計(jì)算壓縮強(qiáng)度。

圖2 杉木CLT抗壓試件尺寸示意圖Fig.2 Dimensions of compression specimen of CLT

式中：fc為試件壓縮強(qiáng)度，MPa；Pmax為最大破壞載荷，N；b為試件寬度，mm；h為試件實(shí)際厚度，mm。

1.5 壓縮性能預(yù)測方法

由表1 可知，杉木鋸材的橫紋抗壓強(qiáng)度只有順紋抗壓強(qiáng)度的1/20，根據(jù)復(fù)合層板理論，通常假設(shè)正交膠合材的抗壓強(qiáng)度只由順紋層板提供，橫向?qū)影宓膹?qiáng)度貢獻(xiàn)基本為零[10]。因此，可以通過杉木鋸材的抗壓強(qiáng)度與順紋層板橫截面積的乘積來預(yù)測CLT強(qiáng)軸和弱軸方向的抗壓承載性能，如公式（2）所示。

式中：Pc為CLT壓縮試件破壞載荷預(yù)測值，N；σparallel為層板順紋受壓強(qiáng)度，MPa；Aparallel為受壓面中順紋受壓層板的橫截面積，mm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 杉木CLT抗壓性能

對(duì)3種組坯方式的杉木CLT進(jìn)行強(qiáng)軸方向和弱軸方向的抗壓強(qiáng)度測試，結(jié)果如表3所示。CLT-1、CLT-2、CLT-3在強(qiáng)軸方向和弱軸方向的抗壓強(qiáng)度分別為23.01、20.42、21.68 MPa和11.36、12.60、11.06 MPa。從圖3可以看出，在強(qiáng)軸方向上，三層結(jié)構(gòu)的CLT-1、CLT-3的抗壓強(qiáng)度比五層結(jié)構(gòu)的CLT-2高，其中使用18 mm鋸材厚度的CLT-1抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)最好；在弱軸方向上，三層結(jié)構(gòu)的CLT-1、CLT-3的抗壓強(qiáng)度則均比五層結(jié)構(gòu)的CLT-2低。

圖3 杉木CLT壓縮強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength of Chinese fir CLT

表3 杉木CLT壓縮性能Tab.3 Compression performance of Chinese fir CLT

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可用于評(píng)估每個(gè)因素對(duì)杉木CLT抗壓性能的影響，抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果的方差分析如表4 所示。組坯層數(shù)對(duì)杉木CLT強(qiáng)軸和弱軸方向的抗壓強(qiáng)度均存在顯著影響（P＜0.05），鋸材厚度僅對(duì)強(qiáng)軸抗壓強(qiáng)度有顯著性影響（P＜0.05），弱軸抗壓強(qiáng)度受鋸材厚度的影響不顯著（P＞0.05）。

表4 杉木CLT壓縮強(qiáng)度的方差分析Tab.4 Analysis of variance for compression strength of CLT

通過試驗(yàn)驗(yàn)證可知，CLT的抗壓強(qiáng)度由CLT截面順紋層板以及層板順紋抗壓強(qiáng)度占比共同決定。相同鋸材厚度不同層數(shù)時(shí)，CLT-1 的強(qiáng)軸抗壓強(qiáng)度比CLT-2高12.68%，弱軸抗壓強(qiáng)低9.84%。三層結(jié)構(gòu)CLT在強(qiáng)軸方向上的順紋層板占比約為66.7%，五層結(jié)構(gòu)CLT約為60%；三層結(jié)構(gòu)CLT在弱軸方向上的順紋層板占比約為33.3%，五層結(jié)構(gòu)CLT約為40%。因而隨著層數(shù)的增加，三層結(jié)構(gòu)的杉木CLT強(qiáng)軸抗壓強(qiáng)度比五層結(jié)構(gòu)高，弱軸抗壓強(qiáng)度反而不如五層結(jié)構(gòu)。

當(dāng)層數(shù)相同而鋸材厚度不同時(shí)，CLT-1 的強(qiáng)軸抗壓強(qiáng)度和弱軸抗壓強(qiáng)度分別比CLT-3 高6.13%和2.71%。如表1 所示，厚度為35 mm的杉木鋸材，其順紋抗壓強(qiáng)度比厚度為18 mm的鋸材低5.71%。因此，隨著組坯厚度的增加，使用厚度較薄的杉木鋸材制備的CLT-1 抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)更好。

龔迎春等[21]研究表明，減少鋸材厚度和組坯層數(shù)，有利于提高國產(chǎn)日本落葉松CLT的順紋抗壓強(qiáng)度和模量。此外，杉木CLT的強(qiáng)軸抗壓強(qiáng)度明顯高于弱軸抗壓強(qiáng)度。其中，層數(shù)對(duì)杉木CLT在兩個(gè)方向上抗壓性能差異的影響最為明顯。三層結(jié)構(gòu)的CLT-1、CLT-3的強(qiáng)軸抗壓強(qiáng)度分別為弱軸抗壓強(qiáng)度的2.03 和1.96倍，五層結(jié)構(gòu)的CLT-2 的強(qiáng)軸/弱軸抗壓強(qiáng)度比達(dá)到1.62。由表3 數(shù)據(jù)可知，強(qiáng)軸與弱軸的抗壓強(qiáng)度比值近似于層板厚度比值，組坯層數(shù)越多，CLT在強(qiáng)軸與弱軸方向的抗壓強(qiáng)度就越接近。

2.2 杉木CLT壓縮性能預(yù)測結(jié)果

根據(jù)復(fù)合層板理論，CLT抗壓荷載預(yù)測值可通過公式（2）計(jì)算可得，預(yù)測結(jié)果如表5 所示。杉木CLT板抗壓承載性能的實(shí)測值和預(yù)測值之間的相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，其中CLT-1 的抗壓荷載實(shí)測值與預(yù)測值最為吻合，相對(duì)誤差最小。隨著層數(shù)和鋸材厚度的增加，預(yù)測精度也隨之降低。CLT-1 和CLT-2 的預(yù)測精度都保持在5%以內(nèi)，CLT-3 的預(yù)測精度最差?？赡芤?yàn)镃LT-3 組層板厚度為35 mm，鋸材存在自然缺陷的概率較大，因而相對(duì)誤差較高。此外還發(fā)現(xiàn)，理論預(yù)測模型對(duì)杉木CLT強(qiáng)軸方向抗壓荷載的預(yù)測精度要高于弱軸方向。

表5 杉木CLT抗壓荷載預(yù)測值Tab.5 Predicted values of compression load of Chinese fir CLT

2.3 破壞現(xiàn)象描述

2.3.1 荷載應(yīng)變曲線

由圖4可知，3種組坯方式抗壓試件的荷載位移曲線有著相同的變化趨勢，表現(xiàn)出明顯的彈性階段、彈塑性階段和塑性變形階段。試驗(yàn)加載初始階段，抗壓試件與試驗(yàn)設(shè)備從部分接觸到充分接觸，荷載位移曲線斜率呈逐漸增大的趨勢。杉木CLT抗壓試件的極限荷載大小由組坯層數(shù)、鋸材性能和順紋層板面積以及加載方向共同決定。3種組坯方式的抗壓試件在強(qiáng)軸方向的極限荷載全部大于弱軸方向；相同加載方向，CLT-3的抗壓試件極限荷載最大，其次是CLT-2，最后是CLT-1。

圖4 杉木CLT抗壓載荷位移曲線Fig.4 Load - displacement curves of compression specimens of Chinese fir CLT

抗壓試件在強(qiáng)軸方向和弱軸方向的荷載應(yīng)變曲線如圖5所示。荷載-應(yīng)變曲線也在加載期間表現(xiàn)出彈性和彈塑性階段。受壓過程中，杉木CLT縱向上發(fā)生壓縮應(yīng)變，橫向上產(chǎn)生拉伸應(yīng)變。加載后期抗壓試件壓縮應(yīng)變嚴(yán)重，應(yīng)變片常被撕裂損壞，因此難以統(tǒng)計(jì)荷載-縱向應(yīng)變曲線的塑性階段?？箟涸嚰诳v向上的壓縮應(yīng)變嚴(yán)重，橫向拉伸應(yīng)變不甚明顯，CLT-3強(qiáng)軸抗壓試件正面發(fā)生劈裂破壞導(dǎo)致其橫向拉伸應(yīng)變驟增。在彈性階段，曲線呈線性變化，3組杉木CLT抗壓試件的彈性階段占比不同，CLT-1和CLT-2的屈服荷載幾近90%極限荷載，CLT-3的屈服荷載約為65%極限荷載。加載進(jìn)入彈塑性階段，曲線近似于二次函數(shù)緩慢上升，抗壓試件陸續(xù)發(fā)出纖維破壞聲，抗壓試件的順紋層板出現(xiàn)沿水平方向擴(kuò)散的壓碎裂紋。當(dāng)荷載接近或已達(dá)到極限載荷時(shí)，塑性變形加劇，木材壓碎聲愈加頻繁，順紋層板出現(xiàn)縱向劈裂，橫紋層板側(cè)面輕微剪切。

圖5 杉木CLT抗壓試件荷載應(yīng)變曲線Fig.5 Load - strain curves of compression specimens of Chinese fir CLT

2.3.2 杉木CLT抗壓試件破壞模式

如圖6 所示，不同組坯層數(shù)和鋸材厚度的杉木CLT均表現(xiàn)出相同的破壞模式，主要為順紋層板的壓碎破壞和楔形劈裂，以及部分橫紋層板的剪切破壞。強(qiáng)軸和弱軸方向的抗壓試件破壞位置有所不同，強(qiáng)軸抗壓試件外側(cè)平行層順紋受壓，其試件正面和側(cè)面的平行層會(huì)出現(xiàn)明顯的沿水平擴(kuò)展的壓縮褶皺和縱向的楔形劈裂；弱軸抗壓試件中間垂直層順紋受壓，試件正面平行層未出現(xiàn)破壞，側(cè)面的垂直層可見清晰的壓縮褶皺和楔形劈裂。

圖6 杉木CLT壓縮試件的破壞形式Fig.6 Failure mode of compression specimen of Chinese fir CLT

3 結(jié)論

1）組坯層數(shù)和鋸材厚度均對(duì)杉木CLT的抗壓強(qiáng)度有一定的影響。同一鋸材厚度制備的杉木CLT，三層結(jié)構(gòu)強(qiáng)軸抗壓強(qiáng)度比五層結(jié)構(gòu)高，但弱軸方向抗壓強(qiáng)度較五層結(jié)構(gòu)低。增加組坯層數(shù)有助于縮減弱軸與強(qiáng)軸方向的抗壓強(qiáng)度差值。鋸材厚度不同時(shí)，同為三層結(jié)構(gòu)，厚度較小的鋸材制備的CLT強(qiáng)軸和弱軸方向抗壓強(qiáng)度比厚度較大的板材表現(xiàn)更好。

2）杉木CLT破壞模式與加載方向有關(guān)，而與組坯層數(shù)和鋸材厚度無關(guān)。強(qiáng)軸方向受壓時(shí)，其主要破壞模式為平行層層板的壓碎破壞和楔形劈裂破壞；弱軸方向受壓時(shí)，壓碎破壞和楔形劈裂破壞發(fā)生在垂直層。

3）基于復(fù)合層板理論計(jì)算方法對(duì)國產(chǎn)杉木CLT的抗壓性能進(jìn)行預(yù)測，理論預(yù)測值與試驗(yàn)測試值十分接近，且相對(duì)誤差在10%以內(nèi)。