绿色装配式建材CLT研发现状及展望

张龙 黄素涌 彭思 王建和

摘要：介绍了正交胶合木（Cross Laminated Timber，简称CLT）的特点和发展现状，综述了当下国内CLT的研究现状，展望了正交胶合木在国内的发展前景。

关键词：正交胶合木;特点;国内研发现状;发展前景

中图分类号：P754.1 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）18-0212-05

1引言

1.1CLT及其特点

正交胶合木（Cross Laminated Timber，简称CLT）源于欧洲，于20世纪90年代初在奥地利和德国被研发出来，自此CLT作为创新型木结构建筑材料在奥地利和德国开始应用起来。21世纪初，人们对绿色产品和装配式建筑的喜爱，使得CLT在欧洲和北美的住宅和非住宅木构建筑中越来越受欢迎，近几年来，CLT在世界各地也不断被开发和应用。如图1所示，CLT是一种将实木锯材或结构复合材表面均勻涂布结构用胶黏剂，经正交组坯后，冷压制成的3层或3层以上的结构用工程木质产品，广泛应用于楼板、墙板和屋顶板。

CLT与传统建筑材料相比，因其特殊的结构和优异的性能而被广泛应用于现代木结构建筑当中。科学合理的结构设计使得CLT尺寸稳定性好、承载能力强。不仅如此，CLT的防火、抗震性能优越。经测试，CLT的耐火极限能达到1 h，符合建筑的消防规范要求，且炭化速度低，为0.4～0.8 mm/min。日本对3层和7层的CLT建筑进行抗震模拟试验，结果显示3层和7层的CLT建筑的稳定性和抗震性能仍然保持良好嘲。此外，CLT原材料为木材，具有多孔性质，拥有良好的保温隔热性能和隔声性能。更值得一提的是，CLT可工厂预制，现场施工工期短，施工噪音小，能源消耗和温室气体排放低，整个建筑的生命周期长，成本低，是环保可再生的装配式材料。

1.2CLT发展现状

近10年来，CLT产品广受世界人民青睐，在欧洲和北美取得了长足的发展和广泛的应用。随着CLT的深入开发，CLT突破了木结构建筑层数的限制，越来越多的木构建筑相继建成。2014年，森科总部大楼于中国台湾落成，是当时亚洲第一栋CLT建筑。2016年6月，宁波中加低碳新技术研究院有限公司首次利用加拿大铁杉锯材制作大幅面正交胶合木建筑预制板，随后同上海同济大学合作，设计并搭建了中国第一栋装配式CLT建筑。2017年lO月，宁波中加低碳新技术研究院有限公司为了响应国家大力发展绿色节能建筑的号召，在中加低碳基地建成了我国第一栋铁杉CLT结构ICB生态节能系统示范建筑。2017年，温哥华不列颠哥伦比亚大学建成一栋18层混合CLT学生公寓，再次刷新了木结构建筑的高度。2019年3月，采用杉木为原料建造的挪威Mjstrnet大楼，高85.4 m，是当前世界上最高的CLT木结构建筑。CLT建筑相继落成证明了CLT材料的先进性，CLT对于增加林产品附加值重要性不言而喻。而且CLT材料可与其它建筑材料、建筑体系相结合，建造混合结构的摩天大楼。

此外，国内外发布了一系列的标准，积极推动CLT产品及其建筑的发展。2012年，北美发布了《正交胶合木额定性能标准》口。2013年，日本农业标准批准了CLT草案。2015年，欧洲发布了《木结构一正交胶合木的要求》。2017年我国相继发布了《装配式木结构建筑技术标准》和《多高层木结构建筑技术标准》，2019年5月1日，正交胶合木行业标准正式发布，积极推动国内绿色建材和建筑的发展。

2CLT的国内研究现状

CLT在国外的研究系统而全面，技术比较成熟、先进，而我国正处于起步阶段，目前各个科研机构和高等院校展开了对国内CLT基础性研究。

2.1生产工艺参数研究

CLT在制造中，设定的压力、压制的时间、胶黏剂种类、施胶量等对CLT的胶合质量影响很大。王建和等研究胶黏剂种类和压力对加拿大西部铁杉CLT的胶合性能的影响，结果表明：压力大小和胶黏剂种类对加拿大西部铁杉CLT的胶合性能有显著影响，当使用单组分聚氨酯、压力为0.83 MPa时，相比于压力为0.28 MPa，CLT的胶层浸渍剥离率更低，木破率更高。龚迎春采用胶黏剂、施胶量和压力探讨日本落叶松用于CLT制作的生产工艺参数，得出的较优工艺参数为：采用聚氨酯作为粘合剂，压力和施胶量为使用说明的最大值，分别为1.2 MPa和200 g/m²。现阶段国外常使用间苯二酚类胶粘剂（PRF）、聚氨酯类胶粘剂（PUR）和异氰酸酯类胶粘剂（EPI）3种胶黏剂，国内常使用PUR胶黏剂，胶黏剂的使用类别和使用参数通常随着天气、气候而变化，一般来说，胶黏剂用于CLT板生产的环境温度至少为15℃。

2.2CLT性能的影响因素

虽然CLT的整体设计科学合理，但木材是各向异性材料，CLT在制造和应用过程中，影响CLT物理力学性能的因素较多，包括层板单元的种类、等级、厚度等各项物理力学参数以及CLT的连接方式、组坯方式等。

2.2.1层板性质

2.2.1.1树种

采用不同树种或结构复合材料制造的CLT的力学性能各异，将力学性能较好的树种置于表层可提高CLT的力学性能。将花旗松置于表层，杨木置于芯层所制造的CLT的抗弯弹性模量比单一杨木CLT的抗弯弹性模量提高了35%。将LVL置于表层，SPF置于芯层所制造的CLT的顺纹抗弯弹性模量比SPF制造的纯CLT高出17.6%。

将SPF、落叶松、樟子松和铁杉不同树种置于芯层，SPF置于表层的3层混合树种CLT，的滚动剪切性能各异，它们的滚动剪切强度和滚动剪切模量分别为1.27MPa、1.66 MPa、1.29 MPa、1.35 MPa和98 MPa、168MPa、56 MPa、104 MPa。

2.2.1.2层板的等级、厚度和宏观特征

龚迎春研究了层板等级和厚度对国产日本落叶松正交胶合木的抗弯、抗剪和抗压性能的影响，结果表明：层板模量和厚度对CLT层间剪切强度影响显著，对CLT层间剪切弹性模量影响不显著;层板模量对CLT的抗压弹性模量和抗压强度影响显著;层板厚度对CLT抗压强度的影响显著，但对抗压弹性模量影响不显著;层板模量对CLT的抗弯弹性模量、抗弯强度影响显著，层板厚度对CLT的抗弯弹性模量、抗弯强度影响不显著。姜桂超研究了层板厚度对杉木CLT性能的影响，结果表明在用料一定的条件下，层板厚度越厚，CLT抗弯刚度越大，层板厚度越薄，CLT抗剪性能越好。

锯材的宏观特征也影响着CLT的性能，王转转的研究表明：髓心对滚动剪切性能的影响显著，且破坏处集中在髓心;年轮走向和髓心距离对滚动剪切性能的影响不显著。

2.2.2CLT板的结构

CLT板的连接方式、组坯方式、尺寸比、叠合层数和层板缝隙也会影响CLT的整体物理力学性能。

2.2.2.1尺寸比和叠合层数

CLT的尺寸比和叠合层数对CLT的抗承载能力和物理性能有影响。付梅珍研究发现连接方式相同时，随着CLT层数的增加，CLT板的极限承载能力提高，但在相同荷载下，CLT的层板应变随层数的增加而降低，5层CLT顶层为3层CLT顶层应变的20%以下，底层为30%～40%。毛荣骏研究发现跨高比为3的3层花旗松CLT板比跨高比为4的3层花旗松CLT板的极限抗承载能力高19.28%。王章进等研究发现四边简支CLT板的层数、宽厚比以及长宽比对CLT板的各阶固有频率有影响，且四边简支CLT板长宽比越小，宽厚比越大，则四边简支CLT板各阶固有频率均相应增大;四边简支CLT板各阶固有频率随层数增加而增大;宽厚比和长宽比对四边简支CLT板各阶固有频率影响远大于层数对四边简支CLT板各阶固有频率的影响。

平面内极限承载能力和等效刚度随着层数的增加而提高。张延年的研究表示随着层数的增加，钉合CLT板的抗压承载性能得到提高，破坏程度降低。

2.2.2.2连接方式

连接方式能够降低层数对CLT板挠度的影响，在相同荷载时，胶合的5层CLT板的挠度为3层的1/3，钉合+胶合的5层CI.T板的挠度为3层的4/7;且研究还发现连接方式能降低对层数对层板应变的影响，采用钉合+胶合的连接方式，相同荷载下，5层CLT的应变比3层胶合的CLT板的应变降低了50%左右，应变能力提高了。

2.2.2.3层板缝隙

CLT层板与层板的缝隙影响着CLT的保温隔热性能。CLT墙体的热阻值与缝隙的宽度和缝隙的数量有关，并且CLT墙体的热阻值随着缝隙宽度增大和缝隙数量增加而增大，王志强等研究发现含有6 mm宽缝隙的3层CLT墙体的热阻值比为未含有缝隙的高出23.75%。

2.2.2.4组坯方式

改变CLT组坯方式能够显著提高CLT的物理力学性能。龚迎春研究发现斜45。组坯的CLT与90。组坯的CLT相比，层间剪切弹性模量和剪切强度分别增加了24.94%和44.64%。董惟群等研究发现采用钉连接时，钉入角度为45。比钉入角度30。时的抗剪承载力提高了28.3%;自攻螺钉左右双向斜钉比搭接的抗剪承载力提高了50.7%。

2.3评价性能的方法

研究和评价CLT性能的方法众多，主要集中性能分等和预测方面。现阶段，分等常用的方法为横向振动法和应力波法，而性能预测常采用K方法，剪切类比法和伽马法。龚迎春采用静力法、振动法和剪切类比法预测国产日本落叶松CLT层间剪切性能和抗弯性能的准确性，结果表明采用静力法测试CLT的抗弯弹性模量时，CLT的抗弯弹性模量随着跨高比的增加呈现递增趋势，建议静力法测试CLT的抗弯弹性模量时跨高比≥24，而采用振动法和剪切类比法能够有效预测国产日本落叶松CLT的等效剪切刚度和等效抗弯刚度值，相对误差分别在7%和5%以内。李敏敏等阳采用横向振动法和应力波法对加拿大西部铁杉规格材进行分等，结果表明采用横向振动法的测试结果与应力波法的测试结果相关性较强，王韵璐等采用横向振动法、K方法和静力法分析加拿大铁杉CLT的弯曲性能，结果显示CLT主强度方向弹性模量预测值为11222MPa，实测值为11312 MPa，CLT板材的弯曲弹性模量的预测值与其实测值性具有很好的相关性，且决定系数为0.887，高子震采用横向振动法、伽马法和K方法预测了加拿大铁杉用于制作CLT的性能，结果表明理论预测值与实际测试值相关性较高，相差在10%以内。

此外，在CLT运用于木结构建筑中，CLT的可靠性和极限承载能力必须考虑到。何敏娟等通过CLT结构节点和墙体试验数据建立有效的有限元模型，并采用增量动力分析方法结合可靠性设计计算出多遇地震、设防地震、罕遇地震下3层和6层CLT剪力墙结构的层间位移角限值，作者建议在不同地震时，层间位移角限值为：多遇地震取1/350，設防地震取1/150，罕遇地震取1/75。龚迎春基于极限状态设计法计算得出国产日本落叶松CLT的抗压强度的设计参考值，结果分别为低弹性模量组11.65 MPa、中弹性模量组12.52 MPa、高弹性模量组13.84 MPa。

CLT与GLT的结构构造不同，CLT的应用离不开销槽承压性能的研究，王雪婷建议CLT的销槽承压强度计算方法可采用半孔测试法和全孔测试法。

2.4CLT受力破坏形式及机理

CLT在不同使用环境下，破坏的形式不尽相同。CLT在弯剪试验中，由于CLT的正交结构以及木材的各向异性，破坏形式常表现为底层的拉伸断裂和横向层的滚动剪切破坏，在底层的拉伸断裂时常常伴有底层与芯层的胶层分离以及层与层之间的层间滑移。在抗弯、抗剪的受力过程中，由于CLT的特殊结构，顶层受压，底层受拉，因此，芯层由于剪切应力的作用而发生剪切应变，加之木材的横纹抗剪能力较弱，从而导致垂直层发生滚动剪切破坏，底层的拉伸断裂，由于胶层的胶合强度不够，也常伴随底层与芯层的胶层分离以及层与层之间的层间滑移。在抗压实验中，破坏形式主要为纤维褶皱破坏和剪切破坏。

CLT破坏的原因常与层板单元的层数、宏观特征、材料和组坯结构有很大关系。层数不同，CLT的破坏形式不一样，层数越多，破坏形式越复杂。3层CLT主要破坏形式为底层拉断并伴有少许滚动剪切破坏，5层CLT滚动剪切破坏增多，并伴有底层拉断、端头层间滑移以及轻微胶层分离，7层CLT的破坏形式较为复杂，由于层数增多，胶层稳定性下降，胶层分离和滚动剪切出现较多，因此7层CLT的主要破坏形式为底层断裂、滚动剪切、胶层分离和端头层间滑移，以胶层分离和滚动剪切破坏为主。

此外，底层除了发生拉伸断裂和层间滑移之外，底层的破坏也常发生在层板的搭接、指接或者缺陷处。木射线细胞属于薄壁细胞，且髓心和早晚材交界处抵抗剪切变形的能力低，因此CLT的破坏常发生在木材的髓心、早晚材交界处以及沿木射线方向。所用制作CLT的材料不同，破坏的形式也不同。LVL为同向均质材料，作为CLT横向层，剪切破坏表现为水平的破裂纹走向。

2.5自攻螺钉应用

自攻螺钉的抗弯、抗扭和抗拉强度良好，能将应力均匀传递到周围木材，与木材连接性能优良，不易产生木材劈裂，能将提高整体的抗变形能力，且自攻螺钉的施工方法简单快捷，因而在CLT等木构建筑中得到广泛的应用和发展。在施工过程中，自攻螺钉在CLT结构建筑中的链接方式因不同部位而不同，姚悦等综述了自攻螺钉在CLT建筑中常见的连接形式。在木结构后期的维护和加固过程中自攻螺钉拆卸是否会对建筑的维护造成一定难度。因此，王志强等研究自攻螺钉的特征对正交胶合木拔出强度的影响，结果表明自攻螺钉的直径、长度、钉人深度和有无预钻孔等因素对正交胶合木的拔出强度的影响不显著，自攻螺钉容易拆卸。

2.6混合建筑体系研究

我国可用木材资源较少，CLT在国内发展需结合其他材料来开展，国内目前对CLT与钢筋混凝土混合体系展开了相关的研究。2010年，高诣民钉研究CLT板与钢梁结合运用到桥中的可行性与优越性，结果显示：相对于混凝土桥面板，CLT桥面板能降低近30%的挠度和应力，CLT桥面板具有更好的承载能力，可减小桥梁的自重，降低造桥成本。2017年，沈银澜等研究了正交胶合木填充墙一钢框架体系受力性能，结果表明：CLT作为钢框架的填充墙，它能提高钢框架的抗侧力性能，提供了国内木构建筑向中高层发展的可能性。2018年，胡德强研究了主要由CLT墙板、软钢阻尼器和预应力筋组成的CLT剪力墙体系的耗能性能，试验表明，软钢阻尼器尺寸参数、钢号和数量以及预应力筋产生的预张力大小会影响体系的耗能性能，并且存在优化组合使体系的耗能降低。

3发展展望

CLT是由实木或复合材制成的工程木质材料，其结构设计科学合理，克服木材的生长缺陷、生物缺陷和加工缺陷，可实现了“劣材优用，小材大用”。CLT比传统木结构建筑材料轻，尺寸稳定性好，且强重比高，承载能力强，具有优良的抗火性能、防震性能、保温性能和隔声性能等，适用于中高层木构建筑。此外，CLT能固定二氧化碳，在建造过程中污染物排放小、噪音低;在使用过程中保温隔热，降低能源的消耗;在使用结束后能循环再利用，并且CLT能满足个性化建筑设计，可装配和安装拆卸，易于修复，是一种可持续、绿色、环保的建筑材料，符合绿色建筑材料的要求，对未来我国绿色建筑的发展和生态文明建设具有重大意义。

目前，在我国，CLT处于起步阶段，对CLT产品生产、生产设备国产化和产品质量控制等方面都有待进一步深入研究。我国天然林不足，速生竹木资源丰富，可利用CLT的加工技术，把速生材和重组材加工成CLT，实现材料的小材大用，提高速生竹木材料的附加值，推动国内CLT产品发展。目前，国内仅烟台博海木工机械对CLT生产没备进行了研发，国内现阶段应根据人造板的生产和质量控制设备研发适用于CLT制造的生产和质量控制设备。

对于建筑建造，现阶段可采用不同的建筑理念，实现材料的优化复合，打造混合式木构建筑，发展适合我国国情的特色CLT建筑。发展绿色建筑需从使用材料、过程施工等方面着手，鼓励企业进行工厂化预制和装配化施工，减少建造过程中建筑垃圾、噪音以及粉尘的产生。现阶段我国绿色建筑发展缓慢，政府应大力支持国内CLT产品市场的开发，鼓励企业首先建成一批示范性建筑，宣传和推广CLT建筑，改善人们对木结构性能方面的不足认识，逐步推进中高层木构建筑在我国的发展。

当下，我国CLT的发展与研究的方向有：CLT原材料本土化、CLT生产设备国产化、CLT制造技术及质量控制国有化、CLT功能性胶黏剂研究、CLT结构设计和理论计算、CLT建筑结构设计及其连接件与紧固件的設计、CLT建筑的防火及抗震设计、CLT混合建筑设计、建筑规范和防火规范的完善以及CLT相关标准的制定等。