正交胶合木胶合耐久性能研究进展*

陈国骏 宋 焕 王志强 赵天长

（1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.江苏森之虎建筑工程有限公司，江苏 南京 210012）

正交胶合木（Cross-laminated timber，CLT）是一种由三层或三层以上实木锯材或结构复合板材垂直正交组坯，采用结构胶黏剂胶合而成的新型工程木产品［1］，由于其具有良好的尺寸稳定性、耐火性能和抗震性能，在中高层建筑中越来越受到人们的青睐［2］。胶合性能是工程木产品的重要性能，包括胶层剪切强度和胶合耐久性能，胶合耐久性常通过浸渍剥离试验进行评估［3-4］。正交组坯结构和层板间缝隙等构造特征增加了CLT胶合耐久性评估方法的复杂性。同时，胶黏剂种类、胶合工艺参数、试件大小及形状和层板处理等均会影响胶合耐久性能的评价结果。本文对国内外CLT胶合耐久性的测试方法进行分析比较，并总结了CLT胶合耐久性能主要影响因素的相关研究，为CLT胶合耐久性能的进一步研究提供参考。

1 CLT胶合耐久性能测试方法

目前代表性的CLT胶合耐久性测试标准有EN 16351—2015Timber structures—Cross laminated timber—Requirements、CSA 0112.9-10Evaluation of Adhesives for Structural Wood Products(exterior exposure)和LY/T 3039—2018《正交胶合木》，这3种标准均以浸渍剥离率和木破率评价胶合耐久性，但在试件尺寸和测试方法上有所不同。EN 16351—2015规定胶合耐久性测试试件为最小直径(95±5) mm的圆柱形CLT，或试件最小横向长度为(100±5) mm、顶视图面积至少为10 000 mm²的方形CLT；而CSA 0112.9-10和LY/T 3039—2018均采用方形试件，试件边长分别为75 mm和100 mm。胶合耐久性测试方法上，虽然三者都采用真空-加压法，但具体的测试条件和胶合耐久性评价指标等也存在差别，如表1、2所示。

表1 胶合耐久性测试条件Tab.1 Test conditions for gluing durability

表2 胶合耐久性评价指标要求Tab.2 Requirements for gluing durability

2 CLT胶合耐久性能影响因素

2.1 胶黏剂类型

胶黏剂自身强度和胶黏剂渗透性是CLT胶合性能的主要影响因素。聚氨酯类胶黏剂属于预聚合胶黏剂，可以渗透进入细胞腔，但基本无法进入细胞壁中，而原位聚合胶黏剂可以渗入细胞壁中［5］。用于制备CLT的胶黏剂通常为结构胶黏剂，满足条件的胶黏剂分为两类：1)原位聚合类胶黏剂，如三聚氰胺-甲醛树脂（MF）、三聚氰胺-尿素-甲醛树脂（MUF）、间苯二酚树脂（PRF）、脲醛树脂（UF）；2)预聚合类胶黏剂，如聚氨酯胶黏剂（PUR)［6］。张龙等［7］研究了来自不同厂家的5种胶黏剂[A-PUR、A-API（水性异氰酸酯胶黏剂）、B-PUR1、B-PUR2 和C-PUR]对制备南方松CLT胶合耐久性的影响，结果表明：仅水性异氰酸酯胶黏剂A-API和聚醚型胶黏剂B-PUR1制备的南方松CLT胶合耐久性达到了CAN/CSA-O122-16Structural gluedlaminated timber要求，5种胶黏剂对南方松CLT的胶合耐久性均有显著影响（P＜0.005）。从胶合耐久性考虑，宜采用A-API和B-PUR1制备南方松CLT。谢力生等［8］研究了单组份聚氨酯（PUR）、双组份聚氨酯、水性高分子异氰酸酯(EPI)胶黏剂和间苯二酚-甲醛树脂胶黏剂（PRF）对落叶松[Larix gmelinii(Rupr.)Kuzen.]胶合耐久性的影响，发现4种胶黏剂的剥离率均满足GB/T 26899—2011《结构用集成材》要求，但PRF的总剥离率达4.89%，接近GB/T 26899—2011限定的最大值5%，不推荐使用该胶黏剂。

液态胶黏剂进入木材细胞腔并在其中流动即为胶黏剂在木材表面的渗透过程，胶黏剂在木材细胞中主要起填充作用，在管孔中的纵向流动是其主要渗透路径，胶黏剂在木材表面的流动和渗透与胶黏剂和木材表面的接触程度有关［9］。由于不同胶黏剂与水分作用存在差异，导致胶合耐久性的差异，Sikora等［6］研究认为间苯二酚胶黏剂（PRF）胶合的CLT试件比单组份PUR试件具有更好的胶合耐久性。Yusof等［10］发现PRF胶合的金合欢[Acacia farnesiana(Linn.)Willd]CLT的分层率低于PUR，具有良好的胶合耐久性，但两种胶黏剂的浸渍剥离率均满足标准EN 16351—2015要求。

2.2 胶合工艺参数

胶合工艺参数如加压压力、施胶量和加压时间等直接影响CLT的胶合耐久性能。龚迎春［11］运用正交试验设计评估胶黏剂种类、加压压力和施胶量对CLT胶合性能和耐久性能的影响，优选日本落叶松[Larix kaempferi(Lamb.)Carr.]CLT的生产工艺参数为单组份PUR，施胶量200 g/m2，压力为1.2 MPa。胶合压力过大会导致胶合界面的胶黏剂被挤出，形成较薄的胶层；过小，则较少的胶黏剂渗透进木材，胶层较厚，从而导致更多的胶合面暴露在水中，产生较大的浸渍剥离率。Yusof等［12］发现加压压力对浸渍剥离率影响并不显著，但木材密度较大时采用大的胶合压力有利于提高胶合耐久性。Santos等［13］的研究表明，施加大的压力有利于降低CLT的浸渍剥离率和提高木破率，层板厚度不会影响CLT的浸渍剥离率。胶合过程中，施胶过多会导致胶层过厚，施胶过少则无法使胶黏剂充分渗透进层板；加压时间会影响胶黏剂的固化效果，从而影响胶合耐久性。Liao等［14］采用单组份PUR制备桉木（Eucalyptus urophylla×E.grandis）CLT，研究施胶量、压力和压制时间对木破率和浸渍剥离率的影响，获得桉木CLT的较优工艺参数为施胶量160 g/m2、压力0.8 MPa、加压时间200 min。董惟群［15］研究了竹木复合CLT的胶合耐久性能，结果表明：满足GB/T 26899—2011《结构用集成材》胶合耐久性能要求的较优工艺参数为：干态条件下，采用EPI胶黏剂，施胶量为270 g/m2，加压压力为1.0 MPa，加压时间为140 min；湿态条件下，采用PRF胶黏剂，施胶量为250 g/m²，加压压力为1.0 MPa，加压时间为420 min。

2.3 试件形状及大小

目前不同标准对CLT胶合耐久性试件尺寸有所不同。研究表明：形状和大小不同的CLT试件在含水率变化过程中，层板间产生不同的收缩或膨胀应力会影响CLT的胶合耐久性［16］。Betti等［17］比较了40 mm(长) ×40 mm（宽）和75 mm(长) ×75 mm（宽）两种不同尺寸CLT试件的浸渍剥离性能，尺寸为75 mmCLT试件的平均浸渍剥离率比40 mm试件高5.6%，最大浸渍剥离率高6.2%，研究认为:试件尺寸大小是影响浸渍剥离性能的关键因素。Brunetti等［18］也发现尺寸是影响CLT胶合耐久性的主要因素，试件尺寸越大，浸渍剥离率越大。

在胶合耐久性试验中，浸渍和干燥过程水分梯度引起的应力很可能会随着试件形状的变化而变化，从而影响浸渍剥离率。Knorz等［19］研究了试件形状（方形和圆形）、层数、层厚和压力对云杉（Picea asperata Mast）CLT浸渍剥离性能的影响。结果表明：试件的形状和层数对浸渍剥离性能有一定的影响，方形和高层数CLT试件浸渍剥离率高于圆形和低层数CLT试件，而层厚和压力不影响浸渍剥离性能。然而，也有研究表明，尺寸较大的CLT试件的胶合耐久性能好于尺寸小的试件，如Dugmore等［20］研究发现，70 mm（长） × 70 mm（宽）的桉木CLT试件浸渍剥离率比100 mm（长）×100 mm(宽)试件高19.1%。

2.4 层板预处理

偶联剂能够与氢键结合或和胶合界面形成化学键，使胶合界面更加牢固和稳定，从而提高胶合木制品的胶合耐久性。Lu等［21］选用间苯二酚（PRF）、异氰酸酯（EPI）、单组份聚氨酯胶黏剂（PUR）和环氧树脂（EP）4种结构胶黏剂，并采用不同的木材表面预处理技术，研究桉木CLT的胶合耐久性能，发现只有PUR制备的桉木CLT胶合耐久性达到标准AITC Test T110—2007Cyclic Delamination Test要求。经羟甲基间苯二酚处理后，单组份PUR、PRF和EP制备的CLT浸渍剥离率几乎为零，而EPI制备的桉木CLT浸渍剥离率达到55.1%，是未处理前浸渍剥离率的1.5倍；经二甲基甲酰胺处理后，4种结构胶黏剂制备的CLT试件浸渍剥离率均满足标准AITC Test T110—2007要求。Santos等［13］研究发现，偶联剂预处理可以大大降低海岸松（Pinus pinaster Ait）CLT的浸渍剥离率，提高其胶合耐久性。砂光处理能够改变材料表面自由能，产生大量的极性活性基团，增强润湿性，提高胶合耐久性能［22］。Knorz等［23］发现经砂光处理后木材的耐久性较好。

木材是一种生物质材料，易被真菌降解。防腐处理可有效防止木材的降解，但同时会在亚微观和微观水平上对木材的胶合性能产生不利影响，进而影响浸渍剥离率。防腐剂可以在物理和化学上阻断表面胶合力的形成，降低木材的润湿性，减少胶黏剂的粘附、渗透和扩散，并改变胶黏剂的固化率。Lim等［24］使用微粉化的C型铜氮唑(MCA-C)防腐处理(1.0、2.4 kg/m³处理水平)美国南方松CLT，研究其胶合耐久性能，结果表明：未防腐处理的CLT试件在浸渍循环条件下未出现浸渍剥离现象，使用三聚氰胺甲醛(MF)和间苯二酚甲醛（PRF）制备的CLT试件经防腐处理后浸渍剥离率随防腐处理水平的增加而增加；而使用单组份PUR制备的CLT试件在两种防腐处理水平下的浸渍剥离率均小于1%；MCA-C防腐处理后，单组份PUR制备的CLT胶合耐久性优于MF和PRF。Anan等［25］研究发现，经碱性季铵铜（ACQ）防腐处理的单一和混合结构CLT未发生浸渍剥离。

3 结语

胶合耐久性是正交胶合木最基本的物理性能之一，其受多种因素影响，作用机理较复杂。制备CLT应选择适合基材的胶黏剂类型及工艺参数，以获得理想的胶合耐久性能。目前对CLT胶合耐久性的研究还主要集中在三层CLT和单一材料CLT，对多层和混合结构CLT的胶合耐久性能有待进一步研究，从微观角度分析不同结构胶黏剂胶合的CLT胶合耐久性有助于完善CLT材料的胶合机理。今后应注重对国产木材CLT胶合耐久性的研究，规范相应的耐久性测试方法和评价指标。