不同树种木材复合交错层压胶合木的力学性能

王志强，付红梅，戴骁汉，那 斌，卢晓宁

（南京林业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210037）

不同树种木材复合交错层压胶合木的力学性能

王志强，付红梅，戴骁汉，那 斌，卢晓宁

（南京林业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210037）

采用花旗松、辐射松和杨木，即将杨木置于芯层，花旗松或者辐射松置于表层，压制单一树种和混合树种交错层压胶合木（Cross-laminated timber, CLT），对材料进行顺纹抗弯、顺纹抗剪和横纹抗剪性能测试。试验表明，相比抗弯弹性模量最低的纯杨木CLT，花旗松与杨木混合CLT的性能提高35%；包含杨木和不包含杨木的不同树种CLT顺纹抗弯强度及抗剪强度差别不大。试件破坏形式与CLT材料和结构形式有很大联系，主要包含指接处破坏、胶层分层和垂直层滚动剪切破坏等。

混合树种交错层压胶合木；单一树种交错层压胶合木； 杨木；力学性能；失效形式

交错层压胶合木(Cross-laminated timber, CLT)是一种至少由3层实木锯材或结构复合板材正交组坯，采用结构胶粘剂压制而成的矩形、直线、平面板材形式的工厂预制工程木产品，应用于楼盖、屋盖和墙体中，图1[1]。这种新型的工程木产品最早于20世纪90年代在奥地利出现，近年来被广泛应用于欧洲、北美地区住宅和非住宅建筑。通过与其它材料合理搭配，CLT可用于中层（6～8层)和高层（8层以上)建筑[2]。2013年2月，奥地利研究人员利用CLT建成了目前世界上最高的现代木结构建筑，高32.17 m，2009年英国研究人员也利用CLT建成了9层木结构建筑。现代木结构建筑向中、高层发展已成为国外木结构建筑研究的新热点。2012年全球大约有20家CLT生产厂家，产量发展迅速，预计到2015年，全球CLT产量将达到1.00×106m3[3]，如图2。

图 1 交错层压胶合木示意Fig.1 Conf i guration of CLT

CLT研究和应用的快速发展，主要是由于这种新型工程木产品不仅具有其它工程木产品，如胶合木，的强度高、防火性等优点，还具有尺寸稳定性好，可直接为墙板、楼板和屋顶板，通过紧固件连接直接构成整栋木结构，适用于中、高层住宅和非住宅建筑等特性。

近十多年国内现代木结构技术有了很大进步，但和国外还有较大差距。目前国内轻型木结构建筑最高层数为3层[4]，这很大程度上限制了木结构建筑的发展，国内大部分民用建筑在7层及以下，这也给类似CLT的中高层木结构建筑提供了很大的发展空间。当然，国内发展中高层木结构建筑还有许多问题需要解决。国内速生木材生长快，力学性能较差，在速生木材改性增强作为承重结构材方面做了大量研究[5]。本研究对CLT工艺及混合树种CLT力学性能进行了初步研究，旨在考察速生杨木作为CLT的可行性及方式。

图 2 全球CLT产量发展趋势Fig.2 Wordwide development of CLT production

1 材料与方法

1.1 试验材料

杨 木Populus euramericana cv. 1-214， 密度 0.41 g/cm3，产地山东。花旗松Pseudotsuga menziesii，密度0.47 g/cm3，产地美国。辐射松Pinus radiata D. Don，密度0.45 g/cm3，产地新西兰。

杨木板为刨光、无节材，厚度29 mm，宽度90 mm，长度为1 000 mm，1 100 mm和1 200 mm 3种；花旗松为有节材，长度2 100 mm；辐射松为无节材，长度2 100 mm。3种木材含水率均为10%～12%。

木板指接用木工专用指接胶，广州原野实业有限公司生产，CLT压制采用单组分聚氨酯胶，富乐（南京)化学有限公司生产。

1.2 CLT结构设计

将杨木板置于芯层，花旗松或者辐射松板置于表层，3种木材进行不同组合，形成单一树种和复合树种的CLT，如表1。

表1 不同的CLT结构Table1 Various configurations of CLT

1.3 CLT 加工工艺

在参考国外CLT工艺研究的基础上，根据原料特点，使用国内胶合木和胶合板生产设备压制CLT。实验所用的3种木材最初尺寸、等级不同，为了控制产品质量和力学性能，在进行CLT压制前，对有节材花旗松去除节子，对尺寸较短的花旗松和杨木进行铣齿、指接接长，铣齿、指接工艺参考GB 50005—2003《木结构设计规范》[4:50]，齿长200 mm，指端宽度 0.3 mm，最后对所有木板进行四面刨光，得到厚度25 mm，宽度85 mm和长度1 000 mm（用于中间垂直层)和2 000 mm（用于表层平行层)的木板。进行手工涂胶，木板宽面单面涂胶量为180 g/m2，胶粘剂为单组分聚氨酯胶，木板侧面不涂胶，无连接。按照相邻层木板纹理正交铺设的原则进行手工组坯，采用冷压机进行上下表面加压，压力1.0 MPa，压制时间3小时，加压环境温度20℃。压制的CLT板共3层，长2 100 mm，宽1 000 mm，厚75 mm。每种结构CLT压制1～2块板。制板工艺路线如图3。

图 3 CLT加工工艺流程Fig.3 Manufacturing process of CLT products

根据美国CLT性能评价标准ANSI/APA PRG 320-2012《Standard for performance-rated crosslaminated timer》测试CLT的顺纹抗弯性能和抗剪性能[6-11]。抗弯性能测试试件跨度为1 860 mm，略小于厚度的30倍。每块板锯制抗弯试件1个，顺纹和横纹抗剪试件各5个，同时参考国家结构用集成材标准（GB/T 26899-2011)[7]进行浸渍剥离性能测试，每种结构8个试件。

2 结果与分析

2.1 浸渍剥离性能

目前国内没有关于CLT涂胶的相关设备，实验过程采用手工涂胶，尽量缩短涂胶时间和提高涂胶均匀性。实验所采用的单组分湿固化聚氨酯胶胶粘剂是利用聚合物中游离活性基团（-NCO)与大气中的水汽或粘结基材中的活泼氢原子发生反应，从而达到粘结目的的一类胶粘剂[8]。由于板幅面较大，而且每层又由若干块木板组成，手工涂胶的方式容易导致涂胶工序与冷压工序脱离时间太长且涂胶不均匀，降低了胶层性能，试件浸渍剥离性能如图4。从图中可以看出，浸渍剥离性能显示了较大的变异性，纯杨木CLT和杨木复合CLT的胶层显示了相对较好的浸渍剥离性能，而另外两种CLT胶层的浸渍剥离性能相对较差。

图 4 试件浸渍剥离率Fig.4 Specimens impregnated stripping rate

2.2 力学性能

各种CLT的力学性能如表2。从表2中可以看出，单一树种花旗松CLT顺纹抗弯弹性模量（E0)值8 690 MPa，在几种CLT结构中最大。其次是花旗松与杨木混合CLT的E0，其值比与纯杨木CLT的E0提高35%。单一辐射松或者辐射松与杨木复合CLT的E0与单一杨木CLT差别不大。这说明将花旗松这类高力学性能的树种与杨木复合能显著提升CLT的顺纹抗弯弹性模量。

另外，将试验结果与美国CLT性能评价标准ANSI/APA PRG 320-2012中要求的指标值相比[6:10]，可以得到：单一树种花旗松CLT的顺纹抗弯强度（E0)值达到并超过了其中的E3等级值（8 274 MPa)，所有CLT结构的顺纹抗弯强度（fb0)都超过其最高的fb0值；所有CLT结构的抗剪强度（fv)都未达到其最低fv值。从这个比较可以看出，包含杨木及不含杨木的CLT都显示了较好的顺纹抗弯强度性能，提高杨木CLT的抗弯弹性模量仍是主要需要解决的问题，这与杨木本身的材质软、刚度低有直接的关系。

另外，在本试验条件下压制的CLT，fv性能都相对较低，其原因主要由于实验条件限制，手工涂胶导致涂胶工序与冷压工序脱离时间太长且涂胶不均匀，降低了胶层性能；另一方面，冷压过程中没有侧面加压，在压制过程中木板会产生相当滑移错位，导致木板间缝隙较大，这也是造成CLT力学性能降低的一个原因。国外已有CLT生产专门设备，采用机械自动化生产，生产中为减少木板之间的缝隙，在压制工序中采用四面加压，首先侧面加压（即垂直于板长度方向加压)，加压压力0.3～0.55 MPa，然后上下表面加压，加压压力0.8～1.5 MPa[1:82]。国内目前如果要开展CLT生产，可以在现有的胶合木生产设备上，采用机器淋胶组坯后，再在四面加压压机完成压制工序，进行半自动化生产。

表2 CLT力学性能†Table2 Mechanical properties of CLT

国外研究表明，由于木材力学性能各向异性以及CLT正交铺设的结构特点，导致CLT的滚动剪切（Rolling shear)刚度和强度是控制CLT楼面和屋面板设计和性能的关键因素[1:107]。CLT中滚动剪切行为是指剪切应力引起木板在其横切面（RT面)产生剪切应变[9]，如图5。木材的横切面剪切模量（GRT)很低，在北美CLT标准中将北美地区常用来生产CLT的木材，如花旗松，云杉-松-冷杉等GRT取值为52 MPa[1:107]。在抗弯和抗剪受力过程中，垂直层往往受到滚动剪切作用，由于木材较低的横纹抗剪能力，导致垂直层容易发生滚动剪切破坏（图6，图7）。另一方面，受拉面指接处破坏也是主要破坏形式（图8），纯辐射松CLT较低的胶层性能导致了胶层分层破坏（图9）。对于横纹抗剪试件，大部分的破坏形式为板与板相接处发生破坏（图10），这主要由于板与板之间侧面没有胶粘剂连接, 在北美CLT标准中对于板与板之间侧面是否需要胶粘剂连接没有硬性的规定[1:81]，这主要原因在于板与板之间的，尤其是垂直层板与板之间的缝隙有助于缓解CLT板坯的尺寸变形，生产相对简单。但这种缝隙也会对CLT的力学和防火性能产生一定的影响。对于不含指接的辐射松CLT，其顺纹抗弯破坏形式为下层受拉面木板被拉断（图11），显示了较强的脆性。

图 5 CLT中的滚动剪切变形Fig.5 Rolling shear deformation in CLT

图 6 顺纹抗弯垂直层滚动剪切破坏Fig.6 Rolling shear failure of anti-bending vertical layers paralleled to the grain in specimens

图 7 顺纹抗剪垂直层滚动剪切破坏Fig.7 Rolling shear failure of anti-shear vertical layers paralleled to the grain in specimens

图 8 指接处破坏Fig.8 Finger joint failure

图 9 胶层分离Fig.9 Delamination failure

图 10 木板之间破坏Fig.10 Failure between lumbers

图 11 木板被拉断Fig.11 Lumber fracture by tension

从以上破坏形式可以看出，与其他工程木产品（如胶合木）相比，除了胶层和指接处容易破坏[10]，由于CLT结构和木材特性，还存在滚动剪切破坏和木板与木板未连接的缝隙处破坏等形式。

3 结 论

（1）将杨木放在芯层，力学性能好的树种，如花旗松放在表层，形成的复合树种CLT，这种复合方式可以显著提高杨木CLT的抗弯弹性模量，同时具有相当的抗弯和抗剪强度。

（2）在本实验条件下，试件破坏形式与CLT材料和结构形式有较大联系，主要包含指接处破坏，胶层分层和垂直层滚动剪切破坏等。

（3）目前国内发展CLT生产，可以在现有胶合木生产设备基础上，采用机器淋胶组坯后，再在4面加压压机完成压制工序，进行半自动化生产。

[1] Sylvain Ggnon, E. M.(Ted) Bilek and Lisa Podsto, et al. CLT Handbook: cross-laminated timber[M]. U.S.A: FPInnovation,2012: 1-3.

[2] J.W.G.VAN DE KUILEN, A.Ceccotti, ZHOUYAN Xia, et al.Very tall wooden buildings with cross laminated timber[J].Procedia Engineering, 2011, 14:1621-1628.

[3] Ying-Hei Chui. Cross Laminated Timber[R]. Nanjing, 2012.

[4] GB 50005—2003,木结构设计规范[S].

[5] 张冬梅,杨亮庆. 速生杨木改性研究进展[J]. 林业机械与木工设备,2012,40(3):16-20.

[6] ANSI/APA PRG 320-2012, Standard for performance-rated cross-laminated timer[S].

[7] GB/T 26889-2011,结构用集成材[S].

[8] 何瑞红,胡孝勇,陈锦凡. 单组分湿固化聚氨酯胶粘剂的研究进展[J]. 中国胶粘剂,2012,21(9):49-53.

[9] Fellmoser P, Blaß HJ. Influence of rolling shear modulus on strength and stiffness of structural bonded timber elements.Proceeding of CIB-W18 Meeting, Edinburgh, United Kingdom,2004, paper 37-6-5.

[10] 樊承谋,安玉杰,祝恩淳,等. 木结构设计指南[M].第1版.北京:中国建筑工业出版社,2010,30-32.

[11] 刘巧玲,刘保华. 秸秆基建材研究现状及进展[J]. 生物灾害科学, 2013, 36(4): 448-450.

Experimental study on mechanical properties of cross-laminated timber with different tree species wood

WANG Zhi-qiang, FU Hong-mei, DAI Xiao-han, NA Bin, LU Xiao-ning
(College of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China)

Three different wood species, such as Douglas fi r, Radiata pine and Poplar were used to make pure wood species and mixed wood species cross-laminated timber (CLT) by putting Poplar lumbers at the core and other two wood lumbers at the outer surfaces. The mechanical properties tested in this study were the bending strength in the major direction, modulus of elasticity in the major direction,shear strength parallel to the grain and shear strength perpendicular to the grain. The results show the CLT panels only made of Poplar had the least E0value, which was about 35% lower than that made of mixed Douglas fi r and Poplar. It was found that the mechanical strength of CLT panels containing poplar were similar to those made of non-poplar wood. The wood species and conf i guration of CLT signif i cantly affected the failure mode. The main failure found were fi nger joint failure, delamination and rolling shear failure.

mixed species cross-laminated timber(CLT); single species cross-laminated timber(CLT); poplar; composite; mechanical properties; failure mode

S781.2

A

1673-923X(2014)12-0141-05

2014-02-07

2012年苏北科技发展计划项目（BC2012414）；2011年林业公益性行业科研专项项目（201104042）；江苏高校优势学科建设工程资助项目

王志强（1978-），男，湖南衡阳人，副教授，博士，主要研究方向为木结构建筑；E-mail：wangzhiqiang@njfu.edu.cn

卢晓宁（1957-），男，江苏南京人，教授，博导，主要研究方向为木质复合材料；E-mail：luxiaoning@njfu.edu.cn

[本文编校：文凤鸣]