锯材/单板层积材混合正交胶合木力学性能研究

王志强，付红梅，陈银慧

（南京林业大学 材料科学与工程学院， 江苏 南京 210037）

锯材/单板层积材混合正交胶合木力学性能研究

王志强，付红梅，陈银慧

（南京林业大学 材料科学与工程学院， 江苏 南京 210037）

为改善正交胶合木（Cross laminated lumber, CLT）的力学性能，将加拿大云杉-松-冷杉规格材和单板层积材按照不同结构进行混合组坯，形成3种不同结构的混合结构CLT，并对CLT试件进行弯曲和剪切力学性能测试，观察试件破坏形式。试验结果表明，芯层（横向层）剪切破坏是CLT梁试件弯曲破坏的主要、关键形式，单板层积材（Laminated Veneer Lumber,LVL）显示了较低的横纹剪切性能；将LVL置于表层，能较大地改善CLT材料的力学性能，其顺纹抗弯弹性模量比普通结构CLT值提高17.6%，将LVL置于芯层（横向层），SPF作为表层形成的混合CLT材料力学性能低于普通结构CLT性能。

正交胶合木；单板层积材；混合结构；力学性能；破坏模式

正交胶合木(Cross laminated timber, CLT)是一种新型工程木产品，一般至少由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平面板材形式的工厂预制工程木产品[1]。与其它工程木产品相比，CLT具有强度高、防火性、尺寸稳定性好、工厂预制性好等优点，可直接作为木结构建筑中的楼盖、屋盖和墙体等建筑材料和构件[1-2]。CLT最早于20世纪90年代在奥地利出现，近年来被广泛应用于住宅和非住宅建筑中的主要建筑材料，尤其是中层（6～8层）和高层（8层以上）建筑，如2012年在澳大利亚墨尔本已建成的10层CLT建筑forte 公寓和2009年在英国伦敦Hackney 区已建成的9 层CLT住宅建筑[2-3]。同时，将CLT结构和混凝土结构结合，设计高层摩天大楼，也具有了一定的可行性。由于CLT产品出现，发展中、高层木结构建筑已成为国外木结构建筑研究的新热点。

目前国内木结构建筑允许的层数和高度与国外存在较大差距，比如轻型木结构建筑允许层数为3层，允许建筑高度为10 m[4]，因此开展CLT产品及其建筑体系的研究将促进国内木结构建筑向中高层发展。国内CLT方面的研究和应用还在起步阶段，本研究在前期CLT工艺研究基础上[5]，展开锯材与单板层积材（Laminated veneer lumber， LVL）混合结构CLT的力学性能研究，评价锯材与LVL不同组坯结构对CLT力学性能的影响以及试件破坏模式，为后续CLT产品的工程应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

锯材，树种为云杉-松-冷杉spruce-pine- fir，SPF，平均密度0.43 g/cm3，平均含水率16%，等级为Japan级，宽度89 mm，厚度38 mm，长度2 440 mm，产地加拿大。单板层积材，树种为花旗松Pseudotsuga menziesii，密度0.60 g/cm3，平均含水率12%，宽度305 mm，厚度45 mm，长度2 000 mm，产地美国。胶黏剂，单组份聚氨酯胶黏剂，型号为普邦HB S709。

1.2 试验方案

采用单组份聚氨酯胶胶合SPF和LVL，参考木结构试验方法标准（GB/T 50329—2002）[6]制作胶缝顺纹剪切试件，评价干态的试件胶合性能。试件顺纹组坯，胶合面涂胶量为220 g/m2，试件数量4个。

将SPF和LVL材料作为构成CLT不同层板材料进行混合组坯，即分别将SPF和LVL置于CLT不同层板位置，构成3种混合结构CLT（见表1）。

表1 CLT板坯结构†Table 1 Construction of hybrid CLT

由于LVL表面不平整，存在单板接头处高低差，试验中首先将LVL上下表面刨光，刨光后统一厚度为38 mm。层板涂胶之前进行表面清理，采用单组份聚氨酯胶进行单面涂胶，涂胶量为220 g/m2，芯层（横向层）层板间无侧面涂胶。试件涂胶后，立即组坯压制，将试件放置在单层冷压机中进行上下表面加压，压制时间3 h，压制环境温度18～20 ℃，压力1 MPa[2,5]。压制过程中，试件没有侧向加压，为防止抗弯试件中间层在加压过程中滑动、错位，试件上下两层板边缘临时固定胶合板长条（厚度9 mm，宽度20 mm）。压制的CLT试件层数为3层，其中抗弯性能试件宽度89 mm，高度114 mm，长度2 000 mm。抗剪性能试件宽度305 mm，高度114 mm，长度610 mm，弯曲性能和剪切性能试件数量分别为每种类型5个和2个。

CLT试件压制后，在室内环境（温度18～24℃，相对湿度60%～75%）中放置10 d，参考美国CLT标准《Standard for performance-rated crosslaminated timer》（ANSI/APA PRG320-2012）[7]测试CLT试件顺纹抗弯和抗剪（顺纹和横纹）性能。其中，CLT弯曲测试采用四点弯曲方法，试件跨度为1 870 mm，是试件截面高度16.4倍，中间加载头之间距离为570 mm，采用TDS-530（日本东京测器）型号位移计测试跨中挠度。CLT剪切测试试件跨度为570 mm，是试件截面高度5倍。

2 结果与分析

2.1 胶层胶粘性能

采用单组份聚氨酯胶胶合的SPF/LVL试件的平均干态胶缝顺纹剪切强度值为7.7 MPa，试件木破率为100%（如图1所示）。木结构试验方法标准（GB/T 50329-2002）中要求的相应值为5.9 MPa[6]，试验结果表明，本试验条件下压制试件的胶粘性能满足标准要求。

图1 试件胶缝顺纹剪切破坏情况Fig.1 Sample failure in parallel shear test

2.2 试件破坏模式

弯曲试验过程中，试件加载初期试件表现了良好的弹性行为；加载后期，在支座与加荷点之间的区域，试件芯层（横向层）首先发生剪切破坏，继而产生胶层剪切破坏等现象，而且几乎在芯层（横向层）剪切破坏发生同时，施加在试件上的荷载值达到最大值。试件破坏情况表明，芯层（横向层）的剪切破坏对试件整个弯曲破坏起控制性作用[1]。这主要由于SPF和LVL的横切面剪切模量和强度都很低，在北美地区CLT材料工程设计中，将常见树种，如花旗松，云杉-松-冷杉等材料的横切面剪切模量统一取值为其顺纹方向剪切模量的1/10，约52 MPa[1]。当CLT梁试件四点弯曲试验时，在支座与加荷点之间的区域存在最大的剪应力，而导致了在这个区域首先发生芯层（横向层）的剪切破坏[8]。另外，试件破坏现象还表明SPF和LVL的横纹剪切破坏裂纹走向不同。对于SPF横向层，这种剪切破坏被定义为滚动剪切破坏（Rolling shear），指由于木材在同一年轮中早、晚材不同的抵抗剪切变形能力，因而在剪力作用下容易在早晚材过渡区域产生裂缝，发生滚动剪切破坏，如图2（a）[1,2,5,9]；另外在试验中还发现，沿着木射线方向破坏，也是主要的破坏形式，这主要是由于木射线细胞属于薄壁组织，力学性能较弱。而LVL横向层的横纹剪切破坏则呈现水平的破坏裂纹走向，如图2（b）。

图2 典型的CLT梁弯曲破坏模式Fig.2 Typical failure of CLT/HCLT in bending test

剪切试验过程中，顺纹剪切试件的主要破坏形式类似于弯曲试验，仍是芯层（横向层）发生剪切破坏，如图3（a）和3（b）。而对于横纹剪切试件，由于在本试验条件下，加载处正对底层材料对接缝，因此破坏现象主要为底层材料对接缝处首先破坏，最后芯层（横向层）发生破坏，结果如图3（c）所示。

2.3 力学性能

图3 典型的CLT试件剪切破坏模式Fig.3 Typical failure of CLT/HCLT in shear test

3种类型CLT试件力学性能见表2。从表2中可以看出，C类型混合结构CLT试件具有最好的力学性能，顺纹抗弯弹性模量（E0）分别比普通结构CLT（A类型）和另一混合结构CLT（B类型）高出17.59%和28.76%。这主要由于将具有更好刚度和更少缺陷的LVL材料置于表层，提高了整个材料的抗弯弹性模量。在抗弯强度方面，C类型和普通结构CLT（A类型）差别不大，C类型仅高5.24%。这主要由于A、C类型试件的芯层（横向层）材料都是SPF，横向层SPF的滚动剪切强度对整个材料的弯曲和剪切强度起着控制性作用。比较A、B类型试件（两者仅仅是芯层材料不同）的强度性能，A类型的顺纹抗弯弹性模量（E0）和顺纹抗弯强度（fb0）分别比B类型高9.5%和11.28%。这可能是由于经过旋切加工后，LVL中的单板存在裂隙，导致LVL横切面剪切性能劣于SPF，因而降低了整个材料的强度性能。

表2 CLT力学性能†Table 2 Mechanical properties of HCLT/CLT

对于顺纹抗剪强度（fv0），试件芯层（横向层）承受横纹剪切，最终发生横向滚动剪切破坏。芯层为LVL材料的B类型的fv0值低于其他两种芯层为SPF材料的A、C类型值，这说明LVL比SPF材料具有更低的横纹抗剪能力。而对于横纹抗剪强度（fv90）测试，试件芯层（中间层）为顺纹剪切，试件的破坏现象主要为底层材料对接缝处首先破坏，因此3种类型CLT试件的fv90值差别很小。

以上分析可以得到，将LVL置于表层，可以增加CLT材料的力学性能；将LVL置于中间，作为芯层（横向层），整个材料的力学性能会有所下降。

3 结 论

（1）由于结构正交性和木质材料较低的横纹剪切性能，CLT梁弯曲破坏时，芯层（横向层）剪切破坏是CLT梁试件弯曲破坏时的主要、关键形式，在芯层（横向层）剪切破坏发生同时，施加在试件上的荷载值达到最大值。

（2）SPF和LVL呈现不同的横纹剪切破坏裂纹走向，LVL显示了比SPF更低的横纹剪切性能。

（3）将LVL置于表层，能较大改善CLT材料的力学性能，将LVL置于芯层，作为横向层，SPF作为表层材料形成的HCLT材料的力学性能较低。

（4）本研究限于材料弯曲力学性能和破坏模式的实验比较分析，为提高材料在工程中的应用率，后续可以进行材料弯曲破坏机理研究，如探索破坏裂纹的产生和发展，以及建立数值模型预测材料的力学性能，对材料结构进行设计。

[1] Sylvain Ggnon, E. M.(Ted) Bilek, Lisa Podsto, et al. CLT Handbook: cross-laminated timber[M]. U.S.A: FPInnovation,2012.

[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] Kuilen J W G V, Ceccotti A, Xia Z, et al. Very tall wooden buildings with cross laminated timber[J]. Procedia Engineering,2011(14): 1621-1628.

[4] GB 50016-2004,建筑设计防火规范[S].

[5] 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, 34(12):141-145.

[6] GB/T 50239-2002,木结构试验方法标准[S].

[7] ANSI/APA PRG 320-2012, Standard for performance-rated cross-laminated timer[S].

[8] Chen Y, Lam F. Bending performance of box-based crosslaminated timber systems[J]. Journal of structural engineering,2013, 139 (12): 4013006.

[9] Zhou Q, Gong M, Chui Y H, et al. Measurement of rolling shear modulus and strength of cross laminated timber fabricated with black spruce[J]. Construction and building materials, 2014(64):379-386.

Mechanical performances of hybrid cross laminated timber fabricated by lumber/laminated veneer lumber

WANG Zhi-qiang, FU Hong-mei, CHEN Yin-hui
（College of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China）

Hybrid cross laminated timber (HCLT) was fabricated using lumber(Spruce-pine- fir，SPF) and/or laminated veneer lumber(LVL), the mechanical performances of which were evaluated. Three types of CLT panels, one generic CLT (used as control) and two types HCLT were fabricated. The failure modes of each kind of specimens were visually examined and recorded. The properties measured included the bending properties (in the major direction) and planar shear properties (in both major and minor directions). It was found that the planar shear failure of cross layer was the key and primary failure mode of CLT and HCLT in bending test. Lumber and LVL had different direction of crack propagation in planar shear, and LVL had lower planar shear properties than SPF lumber. The HCLT having LVL as the outer layer has the highest bending and shear properties. The modulus of elasticity (MOE) of the HCLT having LVL as the outer layer and lumber as the cross layer was 17.6% higher than that of generic CLT. However, the HCLT having lumber as the outer layer and LVL as the cross layer had the lowest mechanical properties.

cross laminated timber; laminated veneer lumber; hybrid structure; mechanical properties; failure mode

S781.21

A

1673-923X(2016)08-0121-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.08.021

2015-09-22

国家自然科学基金项目（31570559）；2014年江苏省产学研联合创新项目（BY2014006-05）；十二五国家科技计划项目（2015BAD14B05）；江苏高校优势学科建设工程资助项目

王志强，副教授，博士；E-mail：wangzhiqiang@njfu.edu.cn

王志强，付红梅，陈银慧. 锯材/单板层积材混合正交胶合木力学性能研究 [J].中南林业科技大学学报，2016, 36(8):121-124.

[本文编校：文凤鸣]