国产杉木正交胶合木抗压强度研究*

杨世玉 王晓欢 张秀标 费本华

（1.国际竹藤中心, 北京 100102；2.中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091）

现代工程木材料是通过对原木进行科学合理的开发利用而得到的产品，具有材料利用率高、构件幅面大、材质更加均匀等特性[1-3]。正交胶合木（Cross-Laminated Timber,简称CLT）是一种新兴的重型工程木结构材料，由三层及以上奇数层为主的锯材或结构复合材通过垂直层压胶合而成[4-6]。在工程应用中，CLT常作为木结构建筑的楼面板、墙面板等构件，通过钢连接件和胶合木梁结构组成混合多高层木结构建筑[7-9]。楼板、墙板及基础形成连续传递竖向荷载的结构体系，随着多高层木结构建筑的广泛应用与不断创新，对CLT抗压刚度和强度提出了更高的要求[10-12]。我国天然林资源匮乏，而速生林木材资源较为丰富[13-15]，因此将国产速生材应用于CLT结构建筑中，将有利于促进国产材料的高附加值利用和建筑行业的节能减排。

此前，已有国内外学者尝试利用杨木、桉木和杉木等树种开发CLT[16-23]，验证了速生材制备CLT的可行性。Wei等[3]研究表明，组坯结构对CLT和胶合木抗压性能的影响存在较大差异。龚迎春等[24]研究了不同组坯层数、锯材厚度和铺层方向对国产日本落叶松CLT顺纹抗压性能的影响。结果表明：当组坯层数由3 层增加到5 层时，CLT的顺纹抗压模量和强度分别减少9.36%和17.76%；当锯材厚度由25 mm降低到15 mm时，CLT的顺纹抗压模量和强度则分别增加4.85%和4.75%；斜纹45°组坯结构相比于正交组坯结构，顺纹抗压模量和强度分别增加了15.82%和15.45%。Buck等[11]研究了组坯结构对云杉CLT轴心受压性能的影响，结果表明：斜向45°组坯结构CLT的抗压刚度和强度比普通正交结构分别高30%和15%。何敏娟等[25-26]研究发现，五层结构的加拿大铁杉CLT其强轴和弱轴的抗压强度分别为18.3 MPa和14.4 MPa；研究黑云杉CLT的面内抗压性能，结果表明：当组坯层数由3 层增至5 层时，黑云杉CLT强轴方向和弱轴方向的抗压模量分别减少10.19%和13.63%。

相比于弯曲、剪切等性能，目前组坯结构对CLT抗压性能影响的报道还不多。本研究以国产杉木锯材为单元制备杉木CLT，评估组坯层数和锯材厚度对杉木CLT强轴和弱轴方向抗压强度的影响，研究结果将为推动国内速生用材在多高层木结构建筑中的应用提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

杉木（Cunninghamia Lanceolata）锯材，安徽黄山市黄山区真义木业有限公司，平均密度为0.36 g/cm3，平均含水率9.48%，锯材目测等级为Ⅱc。压制CLT板前，将杉木锯材刨削至18 mm和35 mm 2 种厚度规格。

胶黏剂采用单组分聚氨酯（PUR），型号DH 106，上海东和胶粘剂有限公司，浅棕色，开放时间20～30 min。建议涂胶量200 g/m2，加压压力0.6 MPa，保压时间2.5 h。

在CLT抗压性能测试前，参考GB/T 1935—2009《木材顺纹抗压强度试验方法》和GB/T 1939—2009《木材横纹抗压试验方法》，对2 种厚度规格的杉木锯材试样进行顺纹和横纹抗压强度测试，结果如表1 所示。本研究所用杉木锯材的压缩强度可满足正交胶合木中国产材C3 等级的性能要求。

表1 杉木锯材抗压性能Tab.1 Compressive properties of Chinese fir lumber

1.2 设备

微机控制电液伺服压力试验机，型号YAW-300A，济南试金集团有限公司。PEACOCK千分表，型号N0.207，日本PEACOCK尾崎制作所。静态应变测量系统，型号TDS-530，日本东京测器TML。

1.3 杉木CLT及试样制备

杉木CLT板主要为3 种类型：18 mm杉木锯材制备的三层CLT，记为CLT-1；18 mm杉木锯材制备的五层CLT，记为CLT-2；35 mm杉木锯材制备的三层CLT，记为CLT-3。单元层数、层板厚度及板材尺寸等详见表2。

表2 CLT板材类型Tab.2 Types of CLT panels

CLT板材制备与试样加工委托宁波中加低碳新技术研究院完成，主要制备工艺如下：1）锯材刨削，获得48 h内的新鲜锯材表面，保证胶黏剂在杉木锯材表面具有充分的流动性和渗透性；2）层板截断，用于横向层的杉木锯材长度依据表面纵向层的锯材总宽度决定，保证施胶组坯后的CLT在加压过程中两侧边缘整齐；3）淋胶组坯，杉木CLT的底层铺装完成后立即淋胶，之后重复进行铺装和淋胶工序，直至组坯完成；4）冷压成型，组坯完成后送入冷压机，加压压力为0.6 MPa，保压时间2.5 h；5）后处理，CLT板冷压完成后取出、堆置静放，在20 ℃的环境下养护一周，待胶合性能达到稳定状态后进行板材边缘裁剪和试件加工，具体流程如图1 所示。

图1 杉木CLT制备流程Fig.1 The production process of Chinese fir CLT

参考ASTM D4761Standard test methods for mechanical properties of lumber and wood-base structural material制备100 mm（高）×100 mm（宽），厚度分别为54、90、105 mm的杉木CLT试件用于抗压试验。

1.4 试验方法

如图2 所示位置粘贴杉木CLT压缩试件的应变片，以获得压缩试件在受压过程中正面中心位置横向和纵向应变。依据ASTM D4761 进行强轴和弱轴方向的压缩性能测试，加载速度为2 mm/min，按照公式（1）计算压缩强度。

图2 杉木CLT抗压试件尺寸示意图Fig.2 Dimensions of compression specimen of CLT

式中：fc为试件压缩强度，MPa；Pmax为最大破坏载荷，N；b为试件宽度，mm；h为试件实际厚度，mm。

1.5 压缩性能预测方法

由表1 可知，杉木锯材的横纹抗压强度只有顺纹抗压强度的1/20，根据复合层板理论，通常假设正交胶合材的抗压强度只由顺纹层板提供，横向层板的强度贡献基本为零[10]。因此，可以通过杉木锯材的抗压强度与顺纹层板横截面积的乘积来预测CLT强轴和弱轴方向的抗压承载性能，如公式（2）所示。

式中：Pc为CLT压缩试件破坏载荷预测值，N；σparallel为层板顺纹受压强度，MPa；Aparallel为受压面中顺纹受压层板的横截面积，mm2。

2 结果与分析

2.1 杉木CLT抗压性能

对3种组坯方式的杉木CLT进行强轴方向和弱轴方向的抗压强度测试，结果如表3所示。CLT-1、CLT-2、CLT-3在强轴方向和弱轴方向的抗压强度分别为23.01、20.42、21.68 MPa和11.36、12.60、11.06 MPa。从图3可以看出，在强轴方向上，三层结构的CLT-1、CLT-3的抗压强度比五层结构的CLT-2高，其中使用18 mm锯材厚度的CLT-1抗压强度表现最好；在弱轴方向上，三层结构的CLT-1、CLT-3的抗压强度则均比五层结构的CLT-2低。

图3 杉木CLT压缩强度Fig.3 Compressive strength of Chinese fir CLT

表3 杉木CLT压缩性能Tab.3 Compression performance of Chinese fir CLT

统计数据可用于评估每个因素对杉木CLT抗压性能的影响，抗压强度测试结果的方差分析如表4 所示。组坯层数对杉木CLT强轴和弱轴方向的抗压强度均存在显著影响（P＜0.05），锯材厚度仅对强轴抗压强度有显著性影响（P＜0.05），弱轴抗压强度受锯材厚度的影响不显著（P＞0.05）。

表4 杉木CLT压缩强度的方差分析Tab.4 Analysis of variance for compression strength of CLT

通过试验验证可知，CLT的抗压强度由CLT截面顺纹层板以及层板顺纹抗压强度占比共同决定。相同锯材厚度不同层数时，CLT-1 的强轴抗压强度比CLT-2高12.68%，弱轴抗压强低9.84%。三层结构CLT在强轴方向上的顺纹层板占比约为66.7%，五层结构CLT约为60%；三层结构CLT在弱轴方向上的顺纹层板占比约为33.3%，五层结构CLT约为40%。因而随着层数的增加，三层结构的杉木CLT强轴抗压强度比五层结构高，弱轴抗压强度反而不如五层结构。

当层数相同而锯材厚度不同时，CLT-1 的强轴抗压强度和弱轴抗压强度分别比CLT-3 高6.13%和2.71%。如表1 所示，厚度为35 mm的杉木锯材，其顺纹抗压强度比厚度为18 mm的锯材低5.71%。因此，随着组坯厚度的增加，使用厚度较薄的杉木锯材制备的CLT-1 抗压强度表现更好。

龚迎春等[21]研究表明，减少锯材厚度和组坯层数，有利于提高国产日本落叶松CLT的顺纹抗压强度和模量。此外，杉木CLT的强轴抗压强度明显高于弱轴抗压强度。其中，层数对杉木CLT在两个方向上抗压性能差异的影响最为明显。三层结构的CLT-1、CLT-3的强轴抗压强度分别为弱轴抗压强度的2.03 和1.96倍，五层结构的CLT-2 的强轴/弱轴抗压强度比达到1.62。由表3 数据可知，强轴与弱轴的抗压强度比值近似于层板厚度比值，组坯层数越多，CLT在强轴与弱轴方向的抗压强度就越接近。

2.2 杉木CLT压缩性能预测结果

根据复合层板理论，CLT抗压荷载预测值可通过公式（2）计算可得，预测结果如表5 所示。杉木CLT板抗压承载性能的实测值和预测值之间的相对误差在10%以内，其中CLT-1 的抗压荷载实测值与预测值最为吻合，相对误差最小。随着层数和锯材厚度的增加，预测精度也随之降低。CLT-1 和CLT-2 的预测精度都保持在5%以内，CLT-3 的预测精度最差。可能因为CLT-3 组层板厚度为35 mm，锯材存在自然缺陷的概率较大，因而相对误差较高。此外还发现，理论预测模型对杉木CLT强轴方向抗压荷载的预测精度要高于弱轴方向。

表5 杉木CLT抗压荷载预测值Tab.5 Predicted values of compression load of Chinese fir CLT

2.3 破坏现象描述

2.3.1 荷载应变曲线

由图4可知，3种组坯方式抗压试件的荷载位移曲线有着相同的变化趋势，表现出明显的弹性阶段、弹塑性阶段和塑性变形阶段。试验加载初始阶段，抗压试件与试验设备从部分接触到充分接触，荷载位移曲线斜率呈逐渐增大的趋势。杉木CLT抗压试件的极限荷载大小由组坯层数、锯材性能和顺纹层板面积以及加载方向共同决定。3种组坯方式的抗压试件在强轴方向的极限荷载全部大于弱轴方向；相同加载方向，CLT-3的抗压试件极限荷载最大，其次是CLT-2，最后是CLT-1。

图4 杉木CLT抗压载荷位移曲线Fig.4 Load - displacement curves of compression specimens of Chinese fir CLT

抗压试件在强轴方向和弱轴方向的荷载应变曲线如图5所示。荷载-应变曲线也在加载期间表现出弹性和弹塑性阶段。受压过程中，杉木CLT纵向上发生压缩应变，横向上产生拉伸应变。加载后期抗压试件压缩应变严重，应变片常被撕裂损坏，因此难以统计荷载-纵向应变曲线的塑性阶段。抗压试件在纵向上的压缩应变严重，横向拉伸应变不甚明显，CLT-3强轴抗压试件正面发生劈裂破坏导致其横向拉伸应变骤增。在弹性阶段，曲线呈线性变化，3组杉木CLT抗压试件的弹性阶段占比不同，CLT-1和CLT-2的屈服荷载几近90%极限荷载，CLT-3的屈服荷载约为65%极限荷载。加载进入弹塑性阶段，曲线近似于二次函数缓慢上升，抗压试件陆续发出纤维破坏声，抗压试件的顺纹层板出现沿水平方向扩散的压碎裂纹。当荷载接近或已达到极限载荷时，塑性变形加剧，木材压碎声愈加频繁，顺纹层板出现纵向劈裂，横纹层板侧面轻微剪切。

图5 杉木CLT抗压试件荷载应变曲线Fig.5 Load - strain curves of compression specimens of Chinese fir CLT

2.3.2 杉木CLT抗压试件破坏模式

如图6 所示，不同组坯层数和锯材厚度的杉木CLT均表现出相同的破坏模式，主要为顺纹层板的压碎破坏和楔形劈裂，以及部分横纹层板的剪切破坏。强轴和弱轴方向的抗压试件破坏位置有所不同，强轴抗压试件外侧平行层顺纹受压，其试件正面和侧面的平行层会出现明显的沿水平扩展的压缩褶皱和纵向的楔形劈裂；弱轴抗压试件中间垂直层顺纹受压，试件正面平行层未出现破坏，侧面的垂直层可见清晰的压缩褶皱和楔形劈裂。

图6 杉木CLT压缩试件的破坏形式Fig.6 Failure mode of compression specimen of Chinese fir CLT

3 结论

1）组坯层数和锯材厚度均对杉木CLT的抗压强度有一定的影响。同一锯材厚度制备的杉木CLT，三层结构强轴抗压强度比五层结构高，但弱轴方向抗压强度较五层结构低。增加组坯层数有助于缩减弱轴与强轴方向的抗压强度差值。锯材厚度不同时，同为三层结构，厚度较小的锯材制备的CLT强轴和弱轴方向抗压强度比厚度较大的板材表现更好。

2）杉木CLT破坏模式与加载方向有关，而与组坯层数和锯材厚度无关。强轴方向受压时，其主要破坏模式为平行层层板的压碎破坏和楔形劈裂破坏；弱轴方向受压时，压碎破坏和楔形劈裂破坏发生在垂直层。

3）基于复合层板理论计算方法对国产杉木CLT的抗压性能进行预测，理论预测值与试验测试值十分接近，且相对误差在10%以内。