不同胶黏剂对南方松CLT胶合性能的影响*

张 龙 彭 思 王建和 卫佩行 黄素涌

（1.西南林业大学材料科学与工程学院，昆明 650224； 2.宁波中加低碳新技术研究院有限公司，宁海315600； 3.江苏农林职业技术学院风景园林学院，句容 212400）

正交胶合木（Cross Laminated Timber，简称CLT）是一种将实木锯材或结构复合材表面刨光处理后均匀涂布结构用胶黏剂，经正交组坯、冷压制成的三层或三层以上的结构用工程木质产品[1-2]，现被广泛应用于建筑楼板、墙板和屋面板。

北美和欧洲主要用云杉-松木-冷杉（SPF）、花旗松和落叶松等树种作为CLT的原料[1]。南方松是美国东部主要针叶树种，主要包括火炬松（P.taeda）、长叶松（P.palustris）、短叶松（P.echinate）和湿地松（P.elliotii）4 种。Hindman和Bouldin[3]研究发现：南方松CLT的抗弯强度和抗弯刚度均大于北美标准ANSI/APA PRG 320-2018 V3级的规定值，表明南方松可用于CLT生产。

不同胶黏剂、组坯时间、压力、加压时间和胶合界面处理条件对CLT胶合性能影响程度不同。而在所有的影响因素中，胶黏剂的类型至关重要，但研究较少[3-8]，关于胶黏剂种类对CLT胶合质量的影响尚未得到进一步深入研究[3-4]。本文选择胶合木生产企业常用的5种结构用胶黏剂，依据北美标准ANSI/APA PRG 320-2018[2]，从胶层耐久性和胶层剪切性能两方面考察不同胶黏剂对南方松CLT胶合性能的影响，为CLT制备参数优化提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

所用南方松规格材来自美国东部，其平均气干密度为570.79 kg/m3，平均含水率为11.82%。

胶黏剂分别为A-PUR、A-API、B-PUR1、B-PUR2和C-PUR（A、B、C分别指代3个厂家），此5种胶黏剂特性见表1。

表1 胶黏剂特性Tab.1 Adhesives properties

1.2 设备

双面刨，型号MB-204，安吉德迈竹木机械有限公司。小型液压机，型号SA-7A，Samkoon Automation Technology（Shenzhen）Co.，Ltd。微机控制电子万能试验机，型号WDW-T100，济南天辰试验机制造有限公司。自配真空—加压循环系统1套，其中60 L抽真空压力桶、真空缓冲瓶，浙江飞越机电有限公司；喷油螺杆空气压缩机，型号XMTE-2100，浙江威普机电科技有限公司。数显恒温鼓风干燥箱，型号XMTE-2100，沧州华阳试验机制造有限公司。

1.3 试件制备

采用来自3个厂家的5种胶黏剂分别制备尺寸为700 mm×700 mm×105 mm的三层结构南方松CLT。根据胶黏剂使用说明和CLT生产要求，采用A-PUR和A-API制造南方松CLT时，压制时间为60 min；用B-PUR1、B-PUR2和C-PUR时，压制时间为120 min，并且每种胶黏剂对应制作2块CLT样板。试验采用手工涂胶、正交组坯方式，开放时间为15 min，压力为0.8 MPa，施胶量为160 g/m2。

1.4 性能测试

1.4.1 浸渍剥离试验

依据北美标准ANSI/APA PRG 320-2018，每块CLT样板取3个浸渍剥离试件，试件尺寸80 mm×80 mm×105 mm。浸渍剥离试验依据加拿大标准CSA O122-16[9]，首先对每个气干试件称重并记录质量，之后将试件置于压力罐中，加足量22 ℃的水淹没试件，再将压力罐抽真空至67 kPa并保持30 min，然后解除真空，施加560 kPa的压力并维持2 h后，取出试件，将其置于70 ℃的干燥箱内干燥，当试件干燥至真空-加压处理前质量的112%～115%时，停止干燥，取出试件并立即进行浸渍剥离测试。

1.4.2 胶层剪切试验

首先，将CLT样板置于温度为20 ℃、相对湿度为65%的条件下养生72 h。依据北美标准ANSI/APA PRG 320-2018，每块CLT样板取3个剪切试件。然后，依据加拿大标准CSA-O112-08[10]测试养生状态下CLT的胶层剪切强度和木破率。测试时，采用中间块剪切测试，并按加载方向平行于表层纹理方向和胶合界面进行测试[6-8]。CLT试样取6个试件，对每个试件的两个胶层分别进行测试，即每种压制条件下，胶层剪切强度和木破率测试分别取12个数据，并求平均值。

2 结果与分析

2.1 胶层耐久性

按照1.3章节所述工艺条件制造的南方松CLT浸渍剥离试验结果如图1所示。采用A-PUR、A-API、B-PUR1、B-PUR2、C-PUR胶黏剂的南方松CLT浸渍剥离率分别为13.11%、9.59%、5.38%、50.61%和72.84%。试验结果表明：不同胶黏剂的胶层耐久性大小为：B-PUR1＞A-API＞A-PUR＞B-PUR2＞C-PUR，来自不同企业的胶黏剂胶层耐久性有差异，其差异主要由胶黏剂的配方、配比以及合成工艺条件等决定。通常聚酯型聚氨酯胶黏剂的酯键易水解，产品耐久性不理想，而聚醚型聚氨酯胶黏剂的醚键不易水解，产品耐久性较好[11]，B-PUR2和C-PUR为发泡聚酯型胶黏剂，固化速度慢，且在固化过程中会产生二氧化碳，形成较厚胶层，胶层耐久性较差。A-PUR和B-PUR1为聚醚型胶黏剂，胶层耐久性较好。A-API为水性胶黏剂，易于浸润木材表层，主剂和固化剂能与木材胶接表面形成三维交联[12]，胶接良好，且胶接接头形成薄薄的胶层，胶层耐久性较好。

图 1 浸渍剥离试验结果Fig.1 The results of delamination

5种胶黏剂中，用A-API和B-PUR1制造的南方松CLT胶层耐久性达到了加拿大标准CAN/CSA-O122-16要求，而A-PUR、B-PUR2、C-PUR的胶层耐久性均不合格。虽然A-API和B-PUR1制造的南方松CLT胶层耐久性均满足标准要求，但采用B-PUR1需要的加压时间是A-API的两倍，从生产成本考虑，宜采用A-API胶黏剂。

对5种胶黏剂制造的南方松CLT胶层耐久性测试结果进行单因素方差分析，结果如表2所示。不同胶黏剂对南方松CLT的胶层耐久性影响显著（P＜0.005）。

表2 浸渍剥离率单因素方差分析结果Tab.2 One-way variance analysis results of delamination rate

2.2 胶层剪切性能

按照前述工艺条件制造的南方松CLT胶层剪切试验结果如图2所示。采用A-PUR、A-API、B-PUR1、B-PUR2、C-PUR胶黏剂的南方松CLT胶层剪切强度分别为3.23、3.84、2.60、3.18MPa和3.14 MPa，木破率分别为78.33%、67.92%、41.67%、37.50%和55.00%。依据加拿大标准CAN/CSA-O122-16，每种生产条件下的木破率均未达到要求，而剪切强度与Hindman等研究结果（2.86～4.38MPa）相似[3-4]。南方松CLT胶层剪切强度与文献[12]报道相似，一般双组分聚氨酯胶黏剂有较大的黏合力，最终黏合强度比单组分胶黏剂大。采用双组分胶黏剂B-PUR2和C-PUR制造的南方松CLT胶层剪切强度比采用B-PUR1制造的高出20%多。有研究指出，木材横纹抗剪强度是顺纹抗剪强度的3～4倍[13]，而南方松顺纹抗剪强度为9.60～11.60 MPa[14]，即南方松横纹抗剪强度最小为28.80 MPa，本试验表明所有南方松CLT的胶层剪切强度均小于实木剪切强度，换言之，南方松CLT的剪切破坏发生在胶层，并且相对应胶层木破率较低。

图2 剪切测试结果Fig.2 The results of shear test

试验结果表明：采用不同胶黏剂制造的南方松CLT胶层剪切强度大小依次为：A-API＞A-PUR＞BPUR2＞C-PUR＞B-PUR1，木破率大小为：A-PUR＞AAPI＞C-PUR＞B-PUR1＞B-PUR2。加压时间为60 min时，相比于A-PUR，采用A-API制造的南方松CLT胶层剪切强度高出将近19%，其原因在于木材表面分子极性较高且A-API为高分子水性胶黏剂，因此A-API易于浸润木材，并且形成的胶层较薄，因而胶层剪切强度较高。A-PUR在南方松木材中与木材形成较好的交联，破坏较多且破坏程度较深，因此采用A-PUR制作的南方松CLT胶层木破率会比A-API高出27%。理想的胶合情况下，胶层剪切破坏应该发生在木质部[15]。而木破率描述的是在胶层剪切中，木材在胶合界面处木材纤维破坏的程度[16]，因而很大程度上木破率对于粘合质量的描述比剪切强度还重要，从这个层面上来看，A-PUR显示较好的剪切性能。

加压时间为120 min时，采用B-PUR1制造的南方松CLT表现出较差的剪切性能，剪切强度和木破率分别仅为2.60 MPa和41.67%，而采用B-PUR2和C-PUR制造的南方松CLT却显示出较好的胶层剪切强度，比B-PUR1分别高出22.31%和20.77%。这是因为B-PUR1固化速度慢，胶黏剂渗入到木材表层较多，因此胶层剪切强度较差。

对5种胶黏剂制造的南方松CLT胶层剪切强度和木破率测试结果进行单因素方差分析，结果如表3所示。不同胶黏剂对南方松CLT的剪切强度和木破率影响显著（P＜0.005）。

表3 剪切强度和木破率单因素方差分析结果Tab.3 One-way variance analysis results of block shear strength and percentage wood failure

A-API制造的南方松CLT胶层剪切强度试验结果如图3所示，CLT-1数据组存在疑似异常值，该异常值为1.58 MPa。抽提物在粘合表面会对胶黏剂润湿和渗透有影响，导致胶合性能下降，南方松锯材之间存在树脂是导致该异常值出现的原因。从图3可见， CLT-1和CLT-2两块样板所制试件剪切强度数据值离散程度相差较大，这是由锯材之间胶合界面变异性所致。

分析结果表明：从胶合质量而言，A-PUR、A-API和B-PUR1胶黏剂均可用于制造南方松CLT。但从成本角度考虑，使用B-PUR1制造南方松CLT的加压时间比采用A-PUR和A-API多出一倍。综合考虑，南方松CLT实际生产中宜采用A-PUR和A-API胶黏剂。

图3 胶层剪切强度离散值Fig.3 The fluctuating values of shear strength of adhesive layers

2.3 试件破坏形式

2.3.1 浸渍剥离

浸渍试验中，由于径向和弦向的湿涨率大于长度方向，胶层剪切界面产生层间剪切应力，从而导致胶层剥离。由于正交胶合木特殊的结构，浸渍剥离常发生在单侧胶层[7]，并且胶层剥离常出现在髓心、节子以及层板间隙处，如图4所示。髓心由轴向薄壁组织构成，材质疏松脆弱[13]，受水分变化影响，髓心处应力集中，胶层易于剥离。而木节纤维常与周围纤维形成一定角度，破坏木材纤维的相对均质性，因而节子对胶合木胶层耐久性有显著影响[13]，在湿涨干缩过程中，节子部分会产生较大应力，易出现开裂。当CLT侧面不胶合时，CLT层板之间会产生间隙，在浸渍-干燥过程中，吸湿和干燥的面积比其他地方大，间隙处很容易出现胶层剥离。CLT在使用过程中，应避免上述部分接触水分。

图4 浸渍剥离试件Fig.4 Delamination specimens

2.3.2 胶层剪切

剪切试验中，胶合界面破坏形式分为4种，如图5所示，分别为滚动剪切破坏、木材破坏、胶层剪切破坏和混合破坏，大部分试件破坏形式为胶层剪切破坏，滚动剪切破坏、木材破坏和混合破坏较少，试验中出现的破坏模式与Hindman等研究描述一致[3]。当木材剪切强度小于胶层剪切强度时，胶层剪切破坏常发生在木质部上，如图5（a）、（b）所示。当中间层沿厚度方向上材质不均匀时，加载力引起的木材内应力与加载力形成剪切力，CLT中间层发生滚动剪切破坏，如图5（a）所示。当中间层材质相对均匀时，木材常沿年轮和早晚材交界处破坏，如图5（b）所示。早材和木射线由薄壁细胞组成，破坏易发生在早晚材交界处的早材部分、年轮处以及木射线处，如图5（a）、（b）和（d）所示。而当木材剪切强度大于胶层内聚力时，剪切破坏易发生在胶层，如图5（c）所示。

图5 剪切破坏模式Fig.5 Shear failure models

3 结论

为降低生产成本、提高胶合质量，研究了5种不同胶黏剂对南方松CLT胶合性能的影响。分析对比测试结果，得出以下结论：

1）5种胶黏剂对南方松CLT的胶层耐久性有显著影响（P＜0.005），其中仅A-API和B-PUR1 制造的南方松CLT胶层耐久性达到标准要求。从胶层耐久性考虑，宜采用A-API和B-PUR1制造南方松CLT；

2）5种胶黏剂对南方松CLT的胶层剪切性能有显著影响（P＜0.005），其胶层剪切强度范围为2.60～3.84 MPa，而木破率却均未达到标准要求。从剪切性能考虑，宜采用A-API和A-PUR制造南方松CLT。同样，从胶层耐久性、胶层剪切性能以及生产成本综合考虑，这两种胶均适用于制造南方松CLT；

3）浸渍剥离试验中，胶层剥离常出现在髓心、节子及层板间隙处。胶层剪切试验中，胶合界面破坏形式有滚动剪切破坏、木材破坏、胶层剪切破坏和混合破坏4种，大部分试件破坏形式为胶层剪切破坏，滚动剪切破坏、木材破坏和混合破坏较少。