加拿大西部铁杉正交胶合木胶合性能与耐久性初探∗

王建和 卫佩行 高子震 顾蓉蓉 王 正

正交胶合木（Cross Laminated Timber, CLT）是一种新型的工程木制品，近几年来广泛应用于欧洲的住宅建筑和非住宅建筑。在20世纪90年代中期，奥地利率先开展了CLT的研发和产业化，但CLT产业化进展缓慢。直到21世纪初，由于人们对绿色建筑的青睐和对建筑效率的崇尚，CLT产业才有了快速的发展[1,2]。

CLT具有非常明显的优势，如：可预制，根据设计在生产流水线上进行窗或门的裁切和加工；可装配，使用预制构件在现场组装，极大地提高了现场施工效率，尤其适用于中高层建筑；CLT建筑还有质轻高强、结构完整性好、保温隔热性能好、耐久性好等优点。因此，CLT被视为增加林木产品附加值的一个良好选择。

最近十年，北美也开展了CLT的研发和产业化。值得一提的是，加拿大林产品创新研究院(FPInnovations)、加拿大UBC、UNB等科研院所开展了利用北美SPF等树种制造CLT及应用研究,为CLT在北美的推广奠定了技术基础[3]。然而，尽管CLT在欧洲和北美已经得到了广泛应用，但是现有的CLT厂家在生产CLT时仅仅是局限于某几个常规树种，工艺条件也并不稳定。2016年，中国宁波中加低碳新技术研究院有限公司吸收了欧美国家CLT的研发和生产经验，在浙江宁海建成了中国第一条大幅面CLT建筑预制板中试生产线，开展了CLT国产化的尝试[4]。

加拿大铁杉是一种生长于加拿大BC省沿海林区的主要树种之一，然而铁杉的利用目前仅限于造纸和胶合板等低附加值产业，其价值未得到充分体现[3,5]。根据加拿大铁杉材性等特点，找到其新的使用领域，将其转化为具有更高附加价值的生物质建材产品成为加拿大林产品加工领域的当务之急。CLT的优势使其成为人们增值利用铁杉的理想选择。为此，需要从技术上分析加拿大铁杉等树种制造CLT的可行性，并分析评估CLT在加拿大、中国等国家的市场前景，为铁杉的应用和CLT推广找到新的突破点。

在CLT的生产过程中，胶黏剂的种类、施胶量、木材外观分等及应力分等、锯材含水率控制、组坯时间的控制、冷压过程中的温度、压力、时间的控制等工艺参数对CLT的各项性能指标均有较大影响。一个成功的CLT制造工艺必须兼顾各个工艺条件的协调，以保证所产CLT的质量。而作为工程木制品来讲，胶合性能是最基本的性能，决定了产品的成败。从制造工艺的角度而言，胶黏剂的种类和胶合压力是两大关键因素。

基于胶层剪切和浸渍剥离试验，很多欧洲和北美标准对集成材的胶合性能评价方法有详细的规定[6-9]。作为加拿大西部铁杉CLT研发的一部分，为了确定加拿大西部铁杉用于制造CLT的技术可行性，评价铁杉CLT的胶合质量和耐久性至关重要。笔者在不同的工艺条件（不同的胶黏剂和不同的胶合压力）下制备CLT，并通过胶层剪切测试和浸渍剥离测试来评估胶合和耐久性[6-9]，以期为后续研究提供借鉴和参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试件制备

测试所用铁杉锯材规格为2 700 mm×140 mm×19 mm，采购自加拿大BC省某锯木厂。为了检验铁杉CLT的胶合质量和耐久性，在中试车间生产了609 mm×609 mm的CLT样品。CLT样品采用五层结构，选用两种北美CLT常用的胶黏剂，即：单组分聚氨酯胶（PUR）（Henkel公司生产）和双组分异氰酸酯胶黏剂（EPI）（Hexion公司生产）。对于CLT生产而言，其胶合压力一般在0.28～0.83 MPa之间，笔者取0.28 MPa和0.83 MPa两个边界压力参数。两种胶黏剂和两个胶合压力参数产生4种工艺组合，每组重复3次。根据北美CLT的生产经验，使用PUR的CLT施胶量为140 g/m2，冷压时间为150 min；使用EPI的CLT施胶量为300 g/m2，冷压时间为60 min；组坯时间均为15 min/块。具体工艺参数组合如表1所示。

表1 CLT试件工艺组合参数与测试标准Tab. 1 Process combination parameters and test standards of CLT specimens

图1 生产的CLT试件Fig.1 Produced hemlock CLT specimens

1.2 测试方法

1.2.1 胶层剪切试验

首先，将CLT板坯在65%的空气湿度、20 ℃的条件下养生72 h后，加工成76 mm×76 mm的剪切试件，每块CLT板可以加工出12个试件。然后依据标准CSA O112.10-08测试干燥和真空-加压两种状态下的胶层剪切强度和木材破坏率。

测试时，每个工艺条件和测试条件取5个试件，对每个试件的4个胶层分别进行测试，即每个工艺条件和测试条件下，胶层剪切强度和木材破坏率测试分别取20个数据，结果取20个数据的平均值。

式中：fv——剪切强度，MPa;

P——破坏载荷，N;

S——胶层受剪面积，mm2。

图2 铁杉CLT的取样和测试Fig. 2 Sampling and testing of hemlock CLT

1.2.2 浸渍剥离试验测试过程

依据标准CSA O122-06加工浸渍剥离试件，尺寸参数为76 mm×76 mm。测试过程为：试件称重-试件浸没水中-抽真空-释放真空并施加压力-释放压力并抽真空-释放真空并施加压力-试件干燥-称重并记录开裂胶层长度-再循环2次，此试验需12 d完成。

2 结果与分析

据文献报道，实体木材的横纹剪切强度大概是顺纹剪切强度的3～4倍[10]。对于西部铁杉，其顺纹剪切强度是5.9 MPa[11]，则其横纹剪切强度必定不会小于17 MPa。五层CLT试件胶层剪切测试结果如表2所示。显然，无论是干态还是真空-加压状态，CLT的胶层剪切强度远小于实体铁杉木材的剪切强度。换言之，铁杉CLT的层间剪切破坏只会发生在胶层上。和干态试验相比，真空-加压状态下的胶层剪切强度降低，这是由于水引起木材微结构的膨胀效应所致。不同的胶黏剂和胶合压力会产生不同的胶层剪切强度。根据表2，对于PUR，干态剪切强度随着胶合压力的增大而降低，而对于EPI则反之，即干态剪切强度随着胶合压力增大而增大。然而，可以得出的是对于PUR胶合的铁杉CLT，胶合压力对真空-加压状态的胶层剪切强度的影响并不明显。同样对于EPI胶合试件，胶合压力对真空-加压状态的胶层剪切强度的影响也不明显。铁杉CLT的此胶合性能和北美SPF-CLT相似。

从木破率来看，胶黏剂种类和胶合压力对胶合质量影响甚大。使用EPI的CLT木破率高于使用PUR的CLT，且压力为0.83 MPa时的木破率明显高于压力为0.28 MPa条件下制作的CLT。

表2 CLT试件胶层剪切测试结果Tab.2 Bondline shear test results of hemlock CLT specimens

尽管浸渍剥离在不同试件间变异较大，但导致胶层剥离的机理对于所有试件而言极有可能是一样的。对于大多数试验而言，浸渍剥离发生在单侧胶层。由于真空-加压循环导致木材弦向和径向膨胀远大于长度方向上的膨胀。这会导致胶合界面形成层间剪切正应力。此外，由于CLT板是正交胶合的，相邻两层板间也会产生微缝。表3总结了CLT试件的浸渍剥离情况。无论是PUR-CLT还是EPI-CLT，增加胶合压力都会降低浸渍剥离率。由于胶黏剂种类和压力大小的差异，所测试件的剥离率变化区间为8.7%～24.2%。使用PUR胶黏剂的CLT剥离率要明显高于使用EPI的CLT。增加胶合压力会明显降低使用同种胶黏剂的CLT的剥离率。该现象可能是由于较大的胶合压力会促使多余胶黏剂被挤出，胶层较薄。在较低胶合压力下，胶黏剂渗透木材较浅则胶层较厚，会导致更多的胶结面直接暴露于水中导致剥离率增加。此外，PUR可以和水发生化学反应，所以增加胶合压力提高耐久性，PUR的效果更加明显。铁杉CLT的该胶合耐久性性能和北美SPF-CLT也相似。

表3 CLT试件浸渍剥离测试结果Tab.3 Delamination test results of hemlock CLT specimens

对CLT试件的干态胶层剪切试验结果、真空-加压状态的胶层剪切试验结果和浸渍剥离试验结果进行方差分析，如表4所列。分析结果表明：干态下胶黏剂种类和胶合压力两个因素P值为0.05水平，说明这两个因素对CLT胶层剪切结果影响显著。在真空-加压状态下胶黏剂种类对木破率影响显著（P=0.05），使用EPI作为胶黏剂的CLT木破率明显高于使用PUR作为胶黏剂的CLT。在浸渍剥离测试中，胶黏剂种类比胶合压力对浸渍剥离测试结果的影响更为显著（胶合压力因素P值为0.05水平，而胶黏剂种类为0.01水平）。

表4 胶黏剂种类与压力双因素方差分析结果Tab.4 Variance analysis results of adhesive type and pressure

为分析不同胶黏剂和胶合压力对CLT胶合的敏感性，使用了JMP统计分析软件对试验结果进行分析（图3）。根据图3斜率可知，在CLT制造中，胶黏剂种类和胶合压力对木破率和浸渍剥离率的影响要明显大于其对干态和真空-加压状态下胶层剪切强度的影响。在使用PUR作为胶黏剂时，0.28 MPa的胶合压力下的CLT木破率要明显低于0.83 MPa压力下的木破率，且0.83 MPa时胶层剥离率更低。进一步预测可知，若使用PUR，压力在0.83 MPa以上，CLT的浸渍剥离率将低于15%。

图3 胶黏剂种类与胶合压力对CLT胶合质量的敏感性分析Fig.3 Sensitivity analysis of adhesive and pressure on hemlock CLT bondline quality

综上分析，加拿大BC省铁杉制造的CLT胶合质量能够满足使用要求。而且和SPF木材相比，加拿大西部铁杉具有更高的刚度，则铁杉CLT应有更好的发展前景。但作为一种新树种制造的CLT，铁杉CLT的制造工艺参数仍需进一步研究。

3 结论与建议

加拿大BC省产的铁杉用于制造CLT至少在胶合性能和耐久性方面具有可行性。对于铁杉CLT而言，胶黏剂类型和胶合压力对木破率和浸渍剥离影响甚大。而剪切强度相对而言，对胶合条件敏感度较低。和EPI胶黏剂相比，PUR胶黏剂对胶合压力更为敏感，而且产生了较低的木破率和较高的浸渍剥离率。对于单组分商用PUR胶黏剂而言，胶合压力为0.83 MPa时，所制备的铁杉CLT有更高的木破率和较低的浸渍剥离率。据预测，对于PUR胶黏剂，可以施加大于0.83 MPa的胶合压力可获得更好的胶合和耐久性能。

今后的研究可从优化铁杉CLT的工艺参数，如CLT的结构, 胶黏剂的选用和涂布量等方面展开，以提高胶合质量和耐久性。同时需要将铁杉CLT和欧洲云杉CLT和北美SPF-CLT的性能进行全面的比较，制定产品的等级和设计值, 为铁杉CLT的工程应用奠定基础。

致谢:该文的部分工作是笔者在加拿大FPInnovations任职时完成的, 特向相关单位和同事们表示感谢!

[1]Julien F. Manufacturing cross-laminated timber (CLT):technological and economic analysis[R]. Report to Quebec Wood Export Bureau,201001259-3257AAM, 2010, 176.

[2]Wang B J, Pirvu C, Lum C. Cross-laminated timber manufacturing.Chapter 2. Canadian CLT Handbook[R]. FPInnovations, Special Publication SP-528E, 2011, 18.

[3]Wang B J, Dai C. Present utilization and outlook of BC Hem-fir for composite products[R]. A report prepared for BC Coastal Forest Sector Development Program. FPInnovations-Forintek Division, 2008, 15.

[4]加拿大木业协会. 世界上首条大幅面铁杉正交胶合木(CLT)建筑预制板生产线在中国宁波建成投产[EB/OL]. (2016-06-28) [2017-03-13]. http://diyitui.com/content-1467045811. 46914284. html.

[5]Wang B J, Dai C. Development of structural laminated veneer lumber from stress graded short-rotation hem-fir veneer[J]. Construction and Building Materials, 2013, 47:902-909.

[6]ANSI/APA PRG 320 APA Standard for performance-rated crosslaminated timber[S]. Tacoma: The Engineered Wood Association, 2012.

[7]CAN / CSA-O122-06 Structural glued-laminated timber[S]. Mississauga:Canadian Standards Association(CSA), 2006.

[8]CSA O177-06 Qualification code for manufacturers of structural glued–laminated timber[S]. Mississauga:Canadian Standard Association (CSA),2006.

[9]CSA O112.10-08 Evaluation of adhesives for structural wood products(limited moisture exposure)[S]. Mississauga:Canadian Standard Association (CSA), 2008.

[10]徐有明. 木材学[M]. 北京:中国林业出版社, 2006:182-204.

[11]Forest Products Laboratory (FPL), USDA. Wood handbook-Chapter 4 Mechanical properties of wood[M]. Madison:U.S. Department of Agriculture,Forest Service, Forest Products Laboratory, 1999:4-9.