正交胶合木墙体热工性能测试与分析

王志强，张浩，俞骏城，那斌，魏鹏（.南京林业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京　0037；.徐州盛和木业有限公司，江苏 徐州　3）



正交胶合木墙体热工性能测试与分析

王志强1，张浩1，俞骏城1，那斌1，魏鹏2
（1.南京林业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京210037；2.徐州盛和木业有限公司，江苏 徐州221321）

采用控温箱-热流计方法测试了3层正交胶合木（CLT）墙体的热阻，分析了不同缝隙宽度（0、2、6 mm）和缝隙数量（0、1、2、3）对CLT墙体热阻的影响。结果表明：3层CLT墙体热阻平均实测值为0.84（m2·K）/W，包含6 mm宽缝隙的CLT墙体热阻值比无缝隙CLT墙体热阻值高23.75%；墙体热阻随着缝隙宽度和缝隙数量增加而增大。

正交胶合木；缝隙；热工性能

0　前言

图1　CLT产品的结构和缝隙

正交胶合木（Cross-laminated timber，CLT）是一种至少由3层实木锯材或结构复合板材正交组坯，采用结构胶粘剂压制而成的矩形、直线、平面板材形式的工厂预制工程木产品［1］。CLT产品常见宽度有0.6、1.2、2.4和3 m，长度可达18 m，厚度可达508 mm。典型的CLT板坯结构和横截面如图1（a）所示。20世纪90年代CLT产品起源于欧洲，并作为新型工程木产品在奥地利和德国的住宅和非住宅建筑中开始得到应用［1］。与其它工程木产品相比，CLT具有很好的尺寸稳定性，平面内良好的抗压、抗拉和抗剪强度以及防火、抗震性能。这种特性使得CLT可作为承重结构的楼面板、墙面板和屋面板应用于中/高层建筑中。目前世界上已建成典型的8层及以上的CLT结构体系建筑，主要有英国伦敦Murray Grove项目（2009年建造）和澳大利亚墨尔本Forté项目（2012年建造）［2］。随着中/高层CLT建筑越来越多，这方面的研究已成为木结构建筑行业的热点。另一方面，CLT产品在结构上还具有正交性和横向层锯材之间存在缝隙等特性，如图1（b）所示。这主要由于CLT产品中相邻锯材侧面之间没有涂胶胶合，而且为了防止锯材横向变形受阻而引起CLT板坯变形，所以在横向层锯材之间设置了缝隙。有研究统计了CLT产品中缝隙大小和分布，发现几乎所有的CLT横向层中都存在缝隙，最大的缝隙宽度达6 mm［3］。

国内关于CLT产品特性及在木结构建筑中的应用等方面研究还处于起步阶段，正逐渐引起研究机构和木结构企业的重视［2，4-5］。本文对3层CLT墙体热工性能进行测试，重点评价CLT墙体中的缝隙对其热工性能的影响。

1　试验

1.1CLT墙体的制备与结构

采用加拿大产云杉-松-冷杉（Spruce-pine-fir，SPF）规格材作为锯材压制CLT墙体试件，SPF规格材的平均密度为0.43 g/cm3，平均含水率为16%，等级为J级。SPF规格材的尺寸为（长×宽×厚）2440 mm×89 mm×38 mm。CLT墙体压制的主要工艺采用单组份聚氨酯胶作为胶粘剂，涂胶量180 g/m2，加压压力1.0 MPa，加压时间3 h，冷压压制［2］。压制的CLT墙体试件为3层正交结构，幅面尺寸为（长×宽×厚）1246 mm×1068 mm×114 mm，如图2所示。共压制3种CLT墙体试件，为评价CLT墙体中缝隙对其热工性能的影响，每种墙体中同一层板的规格材之间设置了不同宽度缝隙，具体缝隙设置见表1。

表1　CLT墙体中的缝隙宽度

图2　CLT墙体试件

1.2测试方法

1.2.1仪器设备

采用控温箱-热流计测试箱，该测量原理相同于热流计法，通过控温箱模拟采暖期室内外温差，热流计测出墙体试件热流值，计算得到CLT墙体的热阻［6］。本试验测试仪器采用JTRJ-B建筑温度及热流巡回检测系统，该检测系统由JTRJB传热系数智能检测仪、热箱（含温度控制仪）、温度传感器和热流计组成。温度传感器分辨率为0.1℃，数据采集仪自动采集数据并储存，数据采集间隔时间设定为30 min。

1.2.2测点布置

测试过程中，在CLT墙体的内、外墙面各对应布置10个温度传感器，用于测试内、外墙面温度值；并在内墙面布置1个圆形热流计，用于测试墙体热流值。CLT墙体试件为3层正交结构，不同编号的CLT墙体中的SPF规格材之间设置了不同宽度的缝隙。另一方面，CLT墙体的不同位置还存在不同数量的缝隙。比如在墙面某位置点，若每层CLT层板在该位置点都有缝隙，则表明该位置点有3条缝隙。以此类推，还存在2条缝隙、1条缝隙和无缝隙的测点位置点。测点布置时，除了考虑缝隙宽度对CLT墙体传热性能影响，还考虑了缝隙数量的影响，即在10个温度测点中，设置了不同缝隙数量的测点。具体的温度测点布置如图3所示，其中1、2、3号温度传感器布置在3条缝隙的点，4、5号温度传感器布置在2条缝隙的点，6、7号温度传感器布置在1条缝隙的点，8、9、10号温度传感器布置在无缝隙的点上。另外，圆形热流计测点位置也分为3条缝、2条缝、1条缝和无缝隙的4个位置，

图3　测点布置

1.2.3测试标准和方法

CLT墙体传热性能参照GB/T 23483—2009《建筑物围护结构传热系数及采暖供热量检测方法》进行测试。经过连续测试和数据采集，当相邻2次测量的结果不大于5%时，测试结束。根据式（1）计算CLT墙体热阻实测值：

式中：R——CLT墙体的热阻，（m2·K）/W；

Tij——CLT墙体内表面温度的第j次测量值，K；

Toj——CLT墙体外表面温度的第j次测量值，K；

qj——热流密度的第j次测量值，W/m2。

2　结果与分析

2.1热阻实测值

不同CLT墙体的热阻实测值如表2。

表2　CLT墙体热阻实测值

从表2可以看出，3种CLT墙体中，C类型CLT墙体的热阻测试平均值最大，A和B类型CLT墙体差别不大，其中C类型CLT墙体的平均热阻值分别比A、B类型CLT墙体高23.75%和35.62%。这说明随着缝隙宽度增大，CLT墙体的热阻值也增大，并且在缝隙宽度小于2 mm时，墙体热阻值增加不明显；当缝隙宽度增大到6 mm时，墙体热阻值显著增加。另外从表2也可以看出，对于B、C类型CLT墙体，随着热流计测点的缝隙数量增加，墙体的热阻实测值也增加。B、C类型CLT墙体在3条缝隙处的热阻实测值分别比无缝隙处的热阻实测值高14.49%和39.74%。总体来说，3层结构CLT墙体的热阻随着缝隙宽度和缝隙数量增加而增大。这主要原因在于CLT墙体缝隙中充满了干燥的空气，在锯材和胶层的阻隔作用下，缝隙中的密闭、干燥的空气增加了墙体保温性能。

2.2热阻实测值与理论值比较

测试的CLT墙体试件由3层锯材规格材层组成，通过式（2）可计算CLT墙体热阻的理论值：

式中：δi——每层CLT层板中SPF规格材的厚度，取0.038m；

λi——每层CLT层板中SPF规格材横纹方向的导热系数，取值0.13 W/（m·K）（SPF规格材含水率为15%，密度为0.42 g/cm3）。

由式（2）计算得到CLT墙体热阻理论值为0.88（m2·K）/W。由于式（2）中未考虑缝隙的影响，因此将CLT墙体热阻理论值与A类型CLT墙体（无缝隙）的热阻实测值进行比较，两者之间的相对误差为10%。误差产生的主要原因在于实际CLT墙体试件中使用的SPF规格材的密度和含水率都略高于式（2）计算中SPF材料导热系数取值条件，由于木材的导热系数随着木材的密度和含水率增加而增加［7］，从而导致CLT墙体热阻实测值偏低。

3　结语

（1）3层CLT墙体热阻平均实测值为0.84（m2·K）/W，包含3条6 mm宽缝隙的CLT墙体热阻值比无缝隙CLT墙体热阻值高23.75%。

（2）总体来说，CLT墙体热阻值随着缝隙宽度和缝隙数量增加而增大。

［1］Karacabeyli E，Douglas B.Cross-Laminated Timber Handbook［M］. Quebec：U.S ed.，FP Innovations，2013.

［2］付红梅，王志强.正交胶合木应用及发展前景［J］.林业机械与木工设备，2014（3）：4-7.

［3］ Uibel T，Bla HJ.Load carrying capacity of joints with dowel type fasteners in solid wood panels［C］//In：Proceedings.CIB-W18 Meeting，Florence，2006.

［4］王志强，付红梅，戴骁汉，等.不同树种木材复合交错层压胶合木的力学性能［J］.中南林业科技大学学报，2014（12）：141-145.

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［6］冯小平，张鹏飞，黄伟民，等．在非采暖地区应用热箱-热流计法检测建筑围护结构热阻的探讨［J］．新型建筑材料，2010（8）：61-64．

［7］李坚.木材科学［M］.北京：高等教育出版社，2002.

A testing and analysis on thermal performance of cross-laminated timber

WANG Zhiqiang1，ZHANG Hao1，YU Juncheng1，NA Bin1，WEI Peng2
（1.College of Materials Science and Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China；2.Xuzhou Shenghe（Sterling Pacific）Wood，Xuzhou 221321，China）

The thermal resistance of 3-ply cross-laminated timber（CLT） wall was measured using the measurement of temperature controlled box-heat flow meter.And the effects of gap width（0，2 and 6 mm）and gap number（0，1，2 and 3）on thermal resistance of CLT wall were analyzed also in this study.The results showed that the average value of the thermal resistance of 3-ply CLT wall is 0.84（m2·K）/W.The thermal resistance of CLT wall specimen with 6 mm-wide gaps was 23.75% higher than that of CLT wall specimen without gap.And the thermal resistance of 3-ply CLT wall increased with the increasing of gap width and gap number.

cross-laminated timber（CLT），gap，thermal performance

TU52

A

1001-702X（2016）06-0069-03

“十二五”国家科技支撑计划项目（2015BAL03B03）；国家自然科学基金项目（31570559）

2015-12-28

王志强，男，1978年生，湖南衡阳人，博士，副教授，研究方向为新型工程木产品与木结构建筑。地址：南京市龙蟠路159号，E-mail：wangzhiqiang@njfu.edu.cn。