構(gòu)造特征對(duì)正交膠合木物理力學(xué)性能影響研究進(jìn)展

何 葉 王志強(qiáng)* 趙天長

（1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.江蘇森之虎建筑工程有限公司，江蘇 南京 210008）

正交膠合木（Cross-laminated timber, CLT）是一種由實(shí)木鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合木材作為層板，相鄰層板相互垂直組坯（常為三層或三層以上奇數(shù)層），并施加結(jié)構(gòu)膠黏劑加壓制成的新型工程木產(chǎn)品[1]。CLT與膠合木具有相同的層板材料（實(shí)木鋸材），但不同于一維膠合木梁或柱構(gòu)件，正交組坯結(jié)構(gòu)使得CLT為二維板構(gòu)件，在面內(nèi)兩個(gè)方向（寬度和長度）都具有較好的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。CLT與膠合板具有相同的組坯結(jié)構(gòu)（正交組坯），但由于木材在其橫切面的剪切性能較低以及CLT橫向?qū)愉彶暮穸容^膠合板單板厚，使得橫向?qū)訚L動(dòng)剪切性能成為CLT構(gòu)件受到面外加載時(shí)的關(guān)鍵力學(xué)性能，滾動(dòng)剪切也成為主要的破壞模式[2]。目前，國內(nèi)外學(xué)者圍繞CLT構(gòu)造特征對(duì)其性能的影響進(jìn)行了多方位、多層次的研究，從物理、力學(xué)、隔音、保溫和防火等多個(gè)性能方面評(píng)價(jià)構(gòu)造特征影響，不僅直觀分析破壞模式，而且采用數(shù)字圖像相關(guān)法（Digital image correlation，DIC）等方法評(píng)價(jià)破壞機(jī)理，對(duì)確保CLT在使用過程中的安全性及可靠性具有重要意義。

1 CLT主要構(gòu)造特征

CLT構(gòu)造特征主要包括：同一層層板側(cè)面之間的縫隙和層板側(cè)面之間涂膠與否，層板中設(shè)置的應(yīng)力釋放縫，層板厚度，橫向?qū)訉影鍖捄癖群蛯影宀贾梅较虻?，如圖1。

圖1 CLT構(gòu)造特征Fig.1 Structural characteristics of CLT

在CLT生產(chǎn)中，為節(jié)省成本和降低CLT板坯的變形，通常在同一層層板鋸材側(cè)面之間不涂膠，但這樣會(huì)導(dǎo)致層板側(cè)面之間存在不同寬度的縫隙。Uibel等[3]統(tǒng)計(jì)了某幾種CLT產(chǎn)品（側(cè)面未涂膠）的層板側(cè)面縫隙分布及大小。如表1所示，幾乎每一層的層板之間都存在縫隙，最大縫隙寬度達(dá)到7.3 mm。此外，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中也允許和規(guī)定了CLT層板側(cè)面之間的縫隙設(shè)置，如歐洲CLT產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)BS EN 16351[4]規(guī)定，CLT同一層板間的側(cè)面縫隙寬度不超過6 mm。

表1 不同產(chǎn)品層板中的縫隙寬度Tab.1 Width of gaps between laminates for different products

壓制CLT可以采用機(jī)械加壓或者真空加壓的方式。真空加壓是將組坯涂膠后的CLT放在密閉的容器中，通常僅施加0.1 MPa的真空壓力，將CLT冷壓成型。機(jī)械加壓壓力大，壓制出的產(chǎn)品性能好，是目前制備CLT的主要方法。與機(jī)械加壓相比，真空加壓具有設(shè)備投資少的優(yōu)點(diǎn)，但由于真空壓力小，存在層板翹曲等缺陷。為避免加壓時(shí)鋸材翹曲變形及消除鋸材表面鋸屑等因素帶來的影響，通常沿著鋸材長度方向切割一條應(yīng)力釋放縫（也稱變形縫），但這同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致鋸材和CLT強(qiáng)度的損失[5]。為降低應(yīng)力釋放縫的不利影響，BS EN 16351[4]中規(guī)定，CLT層板的應(yīng)力釋放縫深度應(yīng)小于層板厚度的90%，寬度不超過4 mm。

此外，目前對(duì)于CLT層板的厚度、寬度和寬厚比，不同CLT標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范[1,4,6]的要求不盡相同，具體如表2所示。層板寬厚比是指組成CLT的鋸材單元或結(jié)構(gòu)復(fù)合材單元的寬度和厚度的比值（圖1）。就CLT而言，大多數(shù)研究更關(guān)注橫向?qū)訉影宓膶捄癖?。有研究表明：橫向?qū)訉影宓膶捄癖葘?duì)CLT滾動(dòng)剪切性能的影響很大，隨著寬厚比的增加，滾動(dòng)剪切性能也隨之增強(qiáng)[7]。因此，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了橫向?qū)訉捄癖鹊淖钚≈担绫?所示。

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)的部分構(gòu)造特征要求Tab.2 Some structural feature requirements of different standards

CLT通常是正交組坯的，即相鄰層板間的紋理方向相互垂直。對(duì)于CLT樓板構(gòu)件，其表層層板紋理方向平行于CLT板長度方向，稱為縱向?qū)?，該方向也稱為主強(qiáng)度方向；而紋理方向平行于CLT板寬度方向的層板，稱為橫向?qū)樱摲较蛞卜Q為次強(qiáng)度方向[6]，如圖1 所示。與實(shí)木相比，CLT相鄰層的正交結(jié)構(gòu)使其在材料主、次兩個(gè)方向具有相同的干縮濕脹性能，尺寸穩(wěn)定性優(yōu)異，并且在平面內(nèi)和平面外都具有較高的強(qiáng)度和阻止連接件劈裂的性能[5]，但這種正交結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致了CLT橫向?qū)涌辜粜阅鼙∪醯炔蛔恪Ｒ虼?，為改善CLT力學(xué)性能，可以對(duì)其組坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如橫向?qū)?5°鋪設(shè)，如圖2(a)所示；或連續(xù)兩層順紋組坯，如圖2(b)所示。

圖2 CLT組坯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Lay-up structural design of CLT

2 CLT構(gòu)造特征對(duì)其性能的影響

2.1 橫向?qū)觽?cè)面縫隙影響

大部分CLT產(chǎn)品中只在鋸材上下表面涂膠，因此同一層鋸材側(cè)面會(huì)存在一定寬度的縫隙?？p隙的存在有利于減少CLT板坯變形、CLT的生產(chǎn)成本和時(shí)間[8]。相比之下，側(cè)面涂膠增加了膠黏劑的用量和生產(chǎn)時(shí)間，但也有利于提升CLT的力學(xué)性能[9-10]。國內(nèi)外研究者圍繞縫隙對(duì)CLT物理力學(xué)性能的影響和機(jī)理進(jìn)行了研究。

橫向?qū)訉影鍌?cè)面不涂膠，在未涂膠處或縫隙處易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象[9]。李橋等[10]探討了組坯結(jié)構(gòu)等因素對(duì)混合結(jié)構(gòu)CLT抗彎性能影響，研究表明：當(dāng)表層層板為橫紋組坯且側(cè)面未涂膠時(shí)，在層板縫隙處容易發(fā)生拉伸破壞。Wang等[11]通過CLT的面內(nèi)剪切試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了CLT橫向?qū)訉影鍌?cè)面是否涂膠和橫向?qū)訉影逯g縫隙寬度（0、2、4 mm和6 mm）對(duì)滾動(dòng)剪切性能的影響，發(fā)現(xiàn)側(cè)面未涂膠和橫向?qū)訉影宓目p隙會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中和初始破壞裂紋，但縫隙寬度超過2 mm時(shí)，對(duì)滾動(dòng)剪切強(qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)。Gui等[12]運(yùn)用DIC方法評(píng)價(jià)了CLT滾動(dòng)剪切應(yīng)變的發(fā)展和分布，結(jié)果表明：剪切應(yīng)變較高的區(qū)域首先出現(xiàn)在橫向?qū)影彘g的縫隙部分，在該區(qū)域試件更容易發(fā)生滾動(dòng)剪切破壞。

Flores等[8]在模擬CLT三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，與側(cè)面涂膠的試件相比，側(cè)面未涂膠試件的滾動(dòng)剪切破壞臨界荷載值降低了40%。Brandner等[13]對(duì)CLT進(jìn)行的面內(nèi)剪切試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)側(cè)面涂膠CLT試件的剪切強(qiáng)度約為側(cè)面未涂膠CLT試件的一倍。在側(cè)面未涂膠條件下，與沒有縫隙的試件相比，5 mm縫隙導(dǎo)致CLT的剪切模量降低了35%，面內(nèi)剪切強(qiáng)度降低了12%。Gardner等[14]研究了橫向?qū)涌p隙對(duì)CLT抗剪強(qiáng)度和滾動(dòng)剪切模量的影響，對(duì)縫隙分別為0、6、89 mm和178 mm的五層CLT進(jìn)行了短跨三點(diǎn)彎曲測(cè)試。結(jié)果表明：在CLT抗剪強(qiáng)度滿足北美正交膠合木性能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（ANSI/APA PRG 320）[6]前提下，小尺寸的縫隙（6 mm）不會(huì)降低其抗剪強(qiáng)度，而對(duì)于較大的縫隙，如89 mm和178 mm，滾動(dòng)剪切強(qiáng)度會(huì)隨著縫隙的增大而降低。此外，盡管縫隙降低了CLT的極限抗剪強(qiáng)度，但該研究中所有CLT的抗剪強(qiáng)度超過了PRG 320[6]中的容許值。這意味著在滿足CLT所需抗剪強(qiáng)度的同時(shí)，可以考慮在CLT的橫向?qū)愉彶闹g留出一定寬度的縫隙。如果用于隔音、隔熱或公用管道，這些縫隙可能會(huì)帶來一定益處，還能夠減少材料用量和降低構(gòu)件自重。

側(cè)面是否涂膠還會(huì)對(duì)CLT的物理性能（如隔音、保溫、防火性能）、連接性能、產(chǎn)品外觀等造成影響。Villu等[15]評(píng)估了生產(chǎn)技術(shù)對(duì)CLT氣密性的影響，結(jié)果顯示：通過側(cè)面涂膠能夠有效降低木材的收縮率，從而使CLT表面的裂紋增長率保持在較低百分比。同時(shí)該研究也指出，后續(xù)橫向?qū)涌赡軙?huì)發(fā)生膠層開裂，而導(dǎo)致CLT的氣密性降低。膠黏劑的熱穩(wěn)定性會(huì)直接影響CLT受火后炭化層的掉落情況。Craft等[16]在研究膠黏劑對(duì)CLT防火性能的試驗(yàn)中，采用單組分聚氨酯膠制作了層板側(cè)面涂膠和不涂膠的兩類CLT試件，觀察其燃燒過程，發(fā)現(xiàn)側(cè)面涂膠CLT的炭化層是整體脫落，而側(cè)面不涂膠CLT的炭化層則是以碎片形式脫落。因此，層板側(cè)面不涂膠CLT的防火性能更好。

2.2 層板厚度和橫向?qū)訉捄癖扔绊?/h3>

CLT由鋸材正交組坯膠合構(gòu)成，鋸材的質(zhì)量好壞及尺寸大小會(huì)直接影響CLT產(chǎn)品的性能。層板厚度是CLT的一個(gè)重要尺寸參數(shù)，不同層板厚度所造成的影響不可忽略。

國內(nèi)外學(xué)者探討了層板厚度對(duì)CLT滾動(dòng)剪切性能的影響。Sikora等[17]研究了不同層板厚度（20、24 mm和40 mm）對(duì)北美云杉（Sitka spruce）CLT力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：隨著層板厚度增加，滾動(dòng)剪切強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。Li[18]發(fā)現(xiàn)層板厚度對(duì)CLT的滾動(dòng)剪切強(qiáng)度有顯著影響。由于尺寸效應(yīng)，層板越厚，CLT滾動(dòng)剪切強(qiáng)度更低，且在達(dá)到峰值荷載后更容易發(fā)生二次拉伸破壞。此外，層板厚度增加，木材中存在的宏觀缺陷增多，對(duì)CLT的力學(xué)性能會(huì)造成不利影響。上述研究一致表明：層板厚度顯著影響CLT的力學(xué)性能，其中滾動(dòng)剪切強(qiáng)度隨著層板厚度的增加而降低。

除CLT抗彎和抗剪性能會(huì)受層板厚度的影響外，也有學(xué)者基于層板厚度對(duì)CLT其他力學(xué)性能的貢獻(xiàn)展開研究。Brandner[19]研究發(fā)現(xiàn)，隨著試件厚度減小，CLT平均橫紋承壓強(qiáng)度降低，但降低效果不明顯。He等[20]分析了CLT厚度對(duì)其彎曲及剪切性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在保持相同跨高比的同時(shí)增加CLT厚度，CLT特征彎曲強(qiáng)度有小幅度降低。龔迎春等[21-23]發(fā)現(xiàn)，層板厚度的變化會(huì)顯著影響CLT層間剪切強(qiáng)度，對(duì)抗彎和抗壓性能的影響相對(duì)較小。Dong等[24]采用半孔法研究了CLT橫向?qū)雍穸扰c總厚度之比對(duì)CLT銷槽承壓強(qiáng)度的影響。數(shù)據(jù)表明：橫向?qū)雍穸日急葘?duì)CLT的銷槽承壓強(qiáng)度有顯著影響，隨著橫向?qū)雍穸日急鹊脑黾樱珻LT的銷槽承壓強(qiáng)度降低，延性提高。寧凡等[25]探究了組坯方式對(duì)正交膠合木雙向板彎曲性能的影響，發(fā)現(xiàn)厚度相同的CLT，增加層板數(shù)量，即減少層板厚度能有效提高雙向板的整體承載能力。

CLT的防火性能也會(huì)受層板厚度影響。張晉等[26]發(fā)現(xiàn)，炭化層脫落的時(shí)間受CLT層板厚度影響。在總厚度相同條件下，由于層板厚度較薄，五層CLT比三層CLT更早發(fā)生炭化層脫落。Frangi等[27]對(duì)厚度均為60 mm 的三層和五層CLT板進(jìn)行防火試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果CLT的外層板較厚，其燃燒時(shí)炭化層不容易發(fā)生剝落，有更優(yōu)異的耐火性能。Wiesner等[28]研究了火災(zāi)下總厚度相對(duì)，不同層數(shù)的CLT受壓構(gòu)件的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在室溫條件下，三層CLT的抗壓強(qiáng)度高于五層CLT；而在燃燒條件下，三層CLT比五層CLT先發(fā)生破壞。這是因?yàn)槿龑覥LT受燃后外層發(fā)生炭化，有效截面面積減小，從而影響構(gòu)件的整體穩(wěn)定性。

除層板厚度外，層板寬厚比也會(huì)對(duì)CLT的性能造成較大影響。Gui等[12]為評(píng)價(jià)速生桉木（Eucalyptus urophyllaS.T.Blak）在CLT應(yīng)用中的滾動(dòng)剪切性能，對(duì)比了不同寬厚比（2，4，6）的SPF（Spruce-pine-fir）和桉木混合三層CLT試件的滾動(dòng)剪切性能。結(jié)果顯示：降低層板寬厚比，CLT更容易發(fā)生滾動(dòng)剪切破壞，且相比于滾動(dòng)剪切強(qiáng)度，層板寬厚比對(duì)滾動(dòng)剪切模量的影響更大。Li等[29]通過短跨彎曲和改進(jìn)的平面剪切試驗(yàn)方法以及數(shù)值建模，評(píng)價(jià)了不同層板寬厚比的CLT的滾動(dòng)剪切強(qiáng)度，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)層板寬厚比（4-10）與CLT滾動(dòng)剪切強(qiáng)度間存在正相關(guān)關(guān)系，且建立了線性方程。結(jié)果表明：CLT滾動(dòng)剪切強(qiáng)度隨著層板寬厚比的增加而增加，層板寬厚比從4.1增加到9.8時(shí)，平均滾動(dòng)剪切強(qiáng)度提高了約43%。

另外，CLT層板寬厚比的變化對(duì)其剛度的影響也值得關(guān)注。Turesson等[30]研究了層板的寬厚比對(duì)三層CLT面內(nèi)剪切剛度的影響，并以折減系數(shù)k88描述。研究表明：奇數(shù)層和偶數(shù)層層板的尺寸對(duì)剛度折減系數(shù)的影響顯著，CLT構(gòu)件總厚度一定時(shí)，可以通過增加奇數(shù)層層板的寬厚比提高CLT面內(nèi)剪切剛度。Berg等[31]使用有限元方法模擬了不同層板寬厚比的CLT受均布面外荷載情況下的力學(xué)性能，結(jié)果表明：CLT的剛度會(huì)隨著層板寬厚比的增加而增加。

2.3 層板布置方向影響

木材是一種正交各向異性材料，承受不同方向荷載時(shí)具有不同的力學(xué)性能。對(duì)于CLT而言，各層鋸材間組坯角度也會(huì)影響其物理力學(xué)性能。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，普通CLT的相鄰層板間的紋理應(yīng)相互垂直，即正交組坯，但該種方式會(huì)導(dǎo)致CLT的層間剪切性能與膠合木等產(chǎn)品相比較低[21,32]。趙立等[33]提出，當(dāng)木材的纖維方向平行時(shí)，膠合強(qiáng)度最大，CLT采用正交組坯，相鄰層木材的紋理方向相互垂直，其膠層剪切強(qiáng)度較順紋組坯的膠合木等產(chǎn)品膠層剪切強(qiáng)度降低了約30%～50%。相鄰層板間垂直膠合，也更容易引起膠層開裂[34]。另一方面，為了改善CLT橫向?qū)訚L動(dòng)剪切強(qiáng)度，可相應(yīng)地設(shè)計(jì)CLT的層板布置方向，如橫向?qū)愉彶某?5°布置時(shí)，其受力方式介于橫紋和順紋受力之間，抗剪能力會(huì)得到提升。龔迎春等[21]通過試驗(yàn)和理論計(jì)算證明，與普通的正交組坯方式相比，橫向?qū)有毕?5°組坯能大幅度提高CLT的層間剪切性能。Dietrich等[35]研究了橫向?qū)?5°組坯和90°組坯的CLT的彎曲性能，結(jié)果表明：前者的彎曲強(qiáng)度比后者提高了35%。隨后，該學(xué)者通過面內(nèi)壓縮試驗(yàn)比較了這兩種形式CLT的抗壓性能，與90°組坯相比，45°組坯的CLT的抗壓性能更好，抗壓剛度和強(qiáng)度分別高出30%和15%[36]。Matthias等[37]探討了橫向?qū)硬煌佋O(shè)方向（30°、±45°和60°）斜交膠合木（Diagonal laminated timber，DLT）的力學(xué)性能。與CLT相比，DLT扭轉(zhuǎn)剛度顯著提高，DLT的優(yōu)勢(shì)主要在其單軸荷載傳遞方面的力學(xué)性能，在正常使用極限狀態(tài)的樓板系統(tǒng)條件下，DLT更容易滿足要求。

3 結(jié)語

CLT獨(dú)特的構(gòu)造特征使其在平面內(nèi)和平面外都有較好的尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)性能，且抗震性能優(yōu)異、強(qiáng)重比高，在木結(jié)構(gòu)建筑用材中廣受青睞。CLT構(gòu)造特征與其物理力學(xué)性能之間的關(guān)系密不可分，單個(gè)構(gòu)造特征的變化對(duì)其性能的影響不可忽略，且不同構(gòu)造特征之間的相互影響機(jī)理也較為復(fù)雜。目前，CLT構(gòu)造特征對(duì)其物理力學(xué)性能影響研究主要集中于單個(gè)因素的單一影響和對(duì)于短期物理力學(xué)性能的影響，多個(gè)構(gòu)造特征之間相互作用的耦合影響和對(duì)于長期物理力學(xué)性能的影響機(jī)理還有待進(jìn)一步深入研究。在特定的場(chǎng)合和用途下，CLT制作應(yīng)選擇合適的構(gòu)造特征，以獲得理想的物理力學(xué)性能。