阔叶材CLT的研究进展

■赵喜龙 王喜明 Hindman Zhao Xilong & Wang Ximing & Hindman

(1.内蒙古农业大学，内蒙古呼和浩特 010018；2.Virginia Tech University, Blacksburg, VA 24061）

木材由于价格低廉、储量丰富、优良的强重比以及环保特性，几千年来一直是首选的建筑材料。在1850年之前，木材是建筑物不可替代的材料[1]。十九世纪以来，新材料特别是钢筋和混凝土的出现，使得木材的使用量大大减少。然而，在过去10年左右的时间里，随着钢材、混凝土等建筑结构材料的生产，带来了严重的环境污染、能源和资源匮乏。使得作为传统建筑用材中唯一可再生、可循环利用的材料——木材，逐渐重新赢得了市场[2]。特别是一种创新的交叉层积材CLT（Cross-Laminated Timber）的商业性推出，使得木结构建筑正受到越来越多的重视。

美国国家标准协会（American National Standards Institute ，ANSI）将CLT定义为“由至少三个正交粘合的固体层制成的预制工程木材产品，通过用结构型胶粘剂粘合纵向和横向层来胶合层压锯材，以形成用于屋顶，地板或墙壁应用的实心矩形构件”。

以木质CLT为材料的新一代工程木产品和建筑系统，与传统砖混结构、钢筋混凝土和第一代轻型木框架结构建筑系统相比，在抗震力、设计的灵活性、美观舒适和生态环保等方面具有不可比拟的优势。CLT的这些优势主要表现为：具有较高的强重比和承载性能，并且尺寸稳定性好，不易变形，环保高效，低碳节能。与传统钢筋混凝土结构相比，CLT可在工厂模块化预制，因此组装快，现场噪声低，无污染，无建筑垃圾产生；建筑效率高，节约资金，由于CLT板可实现模块化生产，因此极大的缩短工期（时间仅是传统的1/4～1/2），节省了人力等各项成本的投入；极高的抗震与保温和隔音效果；燃烧后形成表面炭化层使其具有优良的防火性能，不加防火层也可达到防火1h的要求。

然而，传统的CLT几乎完全由针叶材制成，包括樟子松、挪威云杉、白杉、欧洲落叶松和花旗松等[3]。随着一些地区森林的构成发生变化，例如在欧洲人工林阔叶材的蓄积量持续增多[4]，以及希望低价值阔叶材实现高附加值应用的期望[5-6]，人们正越来越关注使用阔叶材来制造CLT[7]。

因此，本文将主要介绍采用阔叶材进行CLT 制造的国内外研究进展。并结合我国国情分析阔叶材CLT在中高层木结构建筑中发展的机遇，为其在中国市场的蓬勃发展提供思路。

1 阔叶材CLT国内外研究进展

1.1 阔叶材CLT的国外研究进展

目前研究人员对阔叶材制备CLT越来越关注，一些有价值的研究成果正在不断的涌现。但是相对于针叶材CLT的研究来说，阔叶材CLT的研究仍然很少。研究人员主要对桦木、黄杨、杂交杨以及榉木等树种进行了相关研究。

1.1.1 桦木

澳大利亚的林产品公司Hasslacher Norica Timber，对桦木CLT（原材料来自俄罗斯圣彼得堡附近森林）进行了机械性能测试[7]。试验表明，桦木CLT的滚动剪切强度远高于云杉CLT，因此，与针叶材相比，桦木CLT由于机械性能较高，相比应用针叶材CLT而言，达到同等力学强度指标时，在住宅建筑中所需的木材料使用量会减少10-15%。

Franke[8]使用榉木来制造CLT板材，并测试总厚度为120 mm的CLT板材，这些板材由不同厚度（2.4、10、20和33mm）的层板组成。测试指标包括抗弯强度，抗压强度和滚动剪切强度等。获得的滚动剪切强度，抗弯强度和垂直于板面的抗压强度要远远高于云杉CLT所测得的数值。因此作者认为，使用山毛榉进行CLT的制造极具市场应用的潜力。

1.1.2 榉木

2015年,伯尔尼应用科学大学(Bern University of Applied Sciences)的研究人员研究了阔叶材木质复合产品的市场潜力。虽然阔叶材山毛榉（Fagus sylvatica）占瑞士森林总蓄积量的18%，但在瑞士市场山毛榉产品并没有得到大量的高附加值应用（市场上山毛榉主要应用于薪碳材）。因此，Näher等人重点研究了山毛榉产品在建筑市场中的潜在应用，特别是山毛榉胶合木和山毛榉CLT[9]。Näher等人认为，由于阔叶材优越的机械性能，阔叶材CLT比具有相似特性的针叶材建造建筑需要更少的木材。虽然阔叶材的价格要高于针叶材，由于阔叶材CLT主要用于存在高负荷或需要小尺寸的特定位置，这些优势使得在建筑中阔叶材CLT比针叶材CLT更具优势。

加拿大拉瓦尔大学（Laval University），研究了大叶山毛榉（Fagus grandifolia Ehrh）作为CLT生产的原料可能性，作者认为这种材料可以为使用当地原材料的结构木制品行业带来新的商机[9]。

1.1.3 黄杨

美国弗吉尼亚理工大学和西弗吉尼亚大学的研究人员对使用低等级阔叶材制造CLT的可行性进行了研究。研究人员主要研究了美国最丰富的阔叶材之一的黄杨（Liriodendron tulipifera）。Hovanec[10]研究了黄杨CLT的胶合特性。他研究了层板厚度，层压方向和各向异性等因素的影响。结果表明，层压方向和层板厚度影响胶合强度。与针叶材CLT相比，未观察到内结合强度和木破率的存在显著性差异。

在另一项涉及黄杨的研究中，弗吉尼亚理工大学的Mohamadzadeh和Hindman[11]使用美国标准ANSI /APA PRG 320研究了黄杨CLT的机械性能。黄杨CLT的剪切强度超过针叶材（硬松）超过20%。

1.1.4 杨树

Kramer A等评估了杨树和杂交杨树作为CLT原料的可能性。在俄勒冈州立大学，研究人员使用低密度（比重为0.35）的人工林杂交杨树木材（Pacific albus）来制造和测试北美ANSI /APA PRG 320标准下的10种CLT板材[12]。作者指出，混合杨树CLT超过了标准所要求的剪切强度和抗弯强度，但弹性模量（MOE）低于标准的E3级。匈牙利是一个针叶材森林相对缺乏的国家，西匈牙利大学的科研人员研究了使用I-214杨树（Populus×euroamericana cv.'I-214'）作为CLT原料的可行性[13]。研究结果表明，人工林杨树是用于CLT制造的可行树种，具有较高的抗弯强度。然而，实验中获得的弹性模量MOE值较低，因此就需要在杨树锯材原料中选择较高等级板材。

1.2 阔叶材CLT的国内研究进展

Liao Y等人[14]研究了由小径级桉树制造CLT的可行性。桉树是当今中国重要的人工林阔叶材物种，由于市场需求的减少，急需要为桉树寻找新的用途。作者的实验设计包括不同水平的胶粘剂涂布速率，胶合压力和加压时间作为实验因子；测试的性能指标是剪切强度，木破率和分层速率。作者得出结论，结果显示出桉木CLT与市场上销售的针叶材CLT具有相近的机械性能。

王志强等研究了锯材与单板层积材混合CLT的力学性能，结果表明将单板层积材置于表层，锯材置于芯层能较大改善CLT板材的力学性能，而将单板层积材置于芯层，作为横向层，锯材（云杉-松-冷杉）作为表层材料形成的混合CLT板材的力学性能较低[15]。

虽然我国已经开始对CLT进行了研究，但是不能否认，我国对木材CLT这一新型建材的研发和应用还处于落后状态，特别是阔叶材CLT的制备基本处于刚起步状态。

1.3 阔叶材CLT的市场应用

已有的这些文献表明，采用一些阔叶材树种制造CLT在技术上是可行的，它的机械性能与针叶材CLT相当或更好。奥地利林产品公司Hasslacher Norica在奥地利用桦木CLT建造了一座房子，测试结果令人满意[7]。

阔叶材CLT最值得注意的优点是明显更好的强度性能（弯曲强度，抗压强度，剪切强度，滚动剪切强度）。由于CLT板材的结构性能不依赖于每个单独组件（层板或木片）的机械性能，而是取决于整个系统。因此，只要这些材料的机械性能不受影响，一些劣质树种木材原料就可能找到高附加值用途，实现劣材优用小材大用。并且通过使用低价值原材料实现更高价值的产品，不仅体现在经济效益方面，还可以通过木材产品的固碳特性，减少低价值木材由于短周期回收而释放出二氧化碳，从而有益于环境，体现在生态效益方面。研究表明，利用阔叶材CLT在技术上是可行的。由于所选择的阔叶材树种具有较高的机械性能，阔叶材CLT可以为建筑和土木工程行业创新提供新的解决方案，例如更大的跨度和更高的载荷，同时减小所需的截面尺寸。如果阔叶材CLT成为现实，这将扩大未充分利用和低价值阔叶材以及受疾病和害虫影响的阔叶材的市场。

但是，要想让阔叶材CLT成为建筑市场中有吸引力的材料，还有诸如胶合、分级等技术问题亟待解决。此外，阔叶材CLT必须具有创新性，以解决阔叶材和针叶材之间现有的成本差异[17-18]。

2 结语

目前，世界各国为了使本国丰富的和尚未充分利用的阔叶材得到更高的附加值用途，对阔叶材进行了各种研究，阔叶材CLT成为了目前研究的热点之一。我国的阔叶材资源也非常丰富，尤其是人工林阔叶材领域，目前的阔叶材主要集中在单板层积材和锯材的应用，一些尺寸不合格或者性能较差的阔叶材并没有得到充分的利用。第八次全国森林资源清查结果:中国人工林蓄积量达到24.83亿m3，其中阔叶材是人工林种植的主要树种。在国家大力倡导“绿色、环保、节能、减排”建材生产和应用的今天，阔叶材CLT将为我国木结构建筑的发展提供新的发展方向。