正交胶合木 (CLT) 防火性能的研究*

吕雯蓉 曹 龙 王思群 王建如 杜官本

(1. 西南林业大学材料科学与工程学院，云南省木材胶黏剂及胶合剂制品重点实验室，云南 昆明 650224；2. 宁波中加低碳新技术研究院有限公司，浙江 宁波 315600)

正交胶合木 (Cross-Laminated Timber, CLT) 是20世纪90年代开始出现的一种新型的工程木产品，是由三层或三层以上实心锯材或结构复合材垂直正交组胚，使用结构胶黏剂胶合而成的一种实心工程木产品。由于CLT这种特殊的正交结构，导致其在各个方向的干缩湿胀的程度大致相同，与其他木质材料相比，尺寸稳定性大大提高，并且其物理力学性能、耐火性能、抗震性能也十分优越。

近年来，使用CLT作为主要的承重构件建造成的重型木结构建筑体系在欧美等地区发展迅速，逐渐取代了部分传统的砖混结构和钢混结构建筑，成为建筑行业新的关注焦点。正交胶合木建筑与传统的砖混结构、钢筋混凝土结构以及轻型木结构建筑相比，有以下优势：1) 强重比高，承载性能好，尺寸稳定性高；2) 幅面大，运输成本低，施工简单方便，周期短，组装快速安全；3) 施工现场噪音低，无污染，无垃圾；4) 抗震，隔音和保温效果好；5) 绿色，低碳，节能，环保，可回收和重复利用。CLT结构建筑摆脱了传统木结构对于层高的限制，可以部分或完全代替传统钢筋混凝土和砖混结构，现已广泛应用于中高层的民用住宅和公共建筑。

自德国建成世界上第一栋CLT结构建筑后，越来越多的国家开始采用CLT作为材料建造木结构建筑。2009年，英国伦敦使用CLT作为承重墙和地板建成了Stadthaus公寓。2012年，墨尔本建成了10层的CLT公寓。2014年，中国台湾建成了亚洲第一座CLT建筑——森科总部大楼。2015年在挪威卑尔根市建成了14层的CLT建筑。2017年，加拿大建成目前全世界最高的木结构建造——Brock Commons学生公寓，是全球第一栋超过14层的混合建筑，采用了重木、轻钢和混凝土多种结构形式。建筑的首层是混凝土结构，外加2个混凝土核心筒，其余17层由CLT楼板和胶合木梁组合而成。由此可见，CLT作为建筑材料已经得到了世界各国的广泛认可。

众所周知，火灾安全和防火性能是木结构建筑设计的重要考虑因素。CLT作为一种建筑工程材料，其基本组成单元是木材锯材，因此，其防火性能不仅取决于木材树种，也取决于其单元尺寸、胶黏剂、组培方式等因素，同时CLT在燃烧时力学强度的变化也将极大地影响木结构建筑设计和安全。基于此，本文对目前世界各国的研究情况进行梳理总结，以期为相关研究提供参考。

1 CLT的构成元素对防火性能的影响

1.1 木材树种和单元尺寸

木材受热会发生热降解，产生热解气体、液体焦油以及炭化层。通常认为，炭化层基本上在燃烧温度接近300 ℃时才开始形成。一般来说，木材的热解和燃烧分为4个阶段：1) 从燃烧开始至温度为200 ℃时，主要为木材的加热阶段，此时存在于木材细胞孔隙中的自由水开始蒸发，木材也开始发生热解反应，但其速率非常缓慢。2) 在燃烧温度在200～300 ℃时，木材的热解反应仍然十分缓慢，且产生的大部分气体依旧是不可燃气体。此过程中，纤维素热解会产生炭化和挥发物，但是挥发物所占有的比例很小。3) 在燃烧温度为300～500 ℃时，热解反应速率增加。此时纤维素链断裂，产生左旋葡聚糖分子，之后产生甲烷、甲醛、氢气等挥发性可燃气体，加速木材燃烧。在此状态下，会快速形成炭化层，之后炭化速率会逐渐降低。4) 在燃烧温度高于500 ℃时，会开始发生炭化层的二次氧化。二次氧化会降低炭化层的厚度，从而导致炭化层的隔热能力降低，最终造成木材的进一步燃烧和热解。

CLT作为一种实心工程木产品，在燃烧时与实木一样会产生炭化层，能够减缓炭化层下未燃烧木材的燃烧速度，保证整体的结构完整性。但是与实木不同的是，CLT是正交组胚的胶合木，胶黏剂受热的变化情况会直接影响CLT的防火性能，并且燃烧中保护层的选择以及相关的参数变化，均会对CLT炭化速率和耐火极限产生影响。所以部分学者针对不同形式的CLT，研究其炭化速率和防火性能，并与实木数据进行对比分析。

Frangi等[1]分析了CLT和实木在火灾条件下CLT的燃烧行为是否相似。首先使用同等厚度的实木板材和3层复合板材在相同条件下进行燃烧测试，结果表明，复合板材的燃烧性能取决于单层材料的燃烧性能；如果在燃烧过程中会发生胶层剥落的现象，则会影响板材整体的耐火性能。然后对3层 (3 × 28 mm) 和5层 (5 × 17 mm) 的CLT进行燃烧试验，得出2种CLT实验的炭化速率分别为0.64 mm/min和0.68 mm/min，与实木燃烧炭化速率相近。2种CLT实验的燃烧过程没有太大差异，同时也没有观察到有胶层脱落的情况，证明了CLT在火灾条件下的燃烧行为与实木是相似的。之后，Frangi等[2]开展了进一步试验，对厚度均为60 mm的3层和5层CLT板进行燃烧，研究得出，若炭化层不发生剥落，实验的炭化速率会维持在一个稳定的数值，不会发生太大波动；如果燃烧过程中实验的炭化层发生剥落，那么炭化速率则会有一个显著的上升。试验证明，如果CLT的外层板厚度较厚的话，那么其燃烧时炭化层不容易发生剥落，导致其耐火性能更好。

Klippel等[3]在建立的炭化模型的研究基础上，制作了不同截面尺寸的分别用作墙体和楼板的CLT实验，研究其燃烧性能，并将实验数据与Frangi所建立的炭化模型进场对比分析，研究表明，墙体实验中未发现炭化层脱落的现象，且墙体实验的炭化速率略比实木的炭化速率高；而在楼板实验中发现了有炭化层脱落，导致其炭化速率比实木高。实验数据和模型数据对比分析，可以得到在CLT实验燃烧60 min后，测量数据能较好的和计算模型相吻合。Menis等[4]分别通过对有和没有保护层的CLT进行了耐火试验，得出有保护层的CLT的炭化速率约为1 mm/min，没有保护层的实验炭化速率与实木炭化速率相近，与Frangi等人的研究结果相近。Friquin等[5]在CLT的燃烧试验中，使用了3种不同的温度-时间燃烧曲线，希望研究不同燃烧曲线下，CLT的炭化速率是否相同，结果表明，在不同燃烧状态下，CLT的炭化速率变化很大，且随着温度升高的越快，炭化的速度会随之加快；CLT在经过长时间燃烧后，其炭化速率会在一段时间后趋于稳定。

从上述研究中可以得出，在没有添加保护层的情况下，CLT实验的炭化速率与实木相近，存在一些细微的差距，且炭化速率会受到燃烧时自身炭化层是否剥落的影响，所以增加外层板厚度能够保证CLT炭化速率稳定性。

1.2 胶黏剂

胶黏剂的热稳定性会直接影响CLT炭化层的剥落情况，最终决定了CLT整体的防火性能和火灾中的结构稳定性。研究人员研究了不同胶黏剂对CLT防火性能的影响。

Frangi等[6]认为，CLT的耐火性能在很大程度上取决于所使用胶黏剂的性能。他们使用三聚氰胺尿素甲醛树脂胶黏剂 (MUF) 和聚氨酯胶黏剂 (PU) 分别压制CLT，并进行耐火试验。在试验过程中，与使用MUF胶黏剂制成的实验相比，发现使用PU胶黏剂制成的CLT的炭化层会产生不稳定的剥落，炭化率较高，耐火性能较差。Craft等[7]研究了PRF和PUR2种胶黏剂对CLT防火性能的影响。研究人员制作了3层总厚度为144 mm的CLT实验，分别使用PRF和PUR2种胶黏剂进行胶合，并在实验外层附上石膏板作为保护层。试验结果显示，2种实验的燃烧结果存在很大的差异，使用PUR的实验胶合后，胶合层内没有间隙，而使用PRF胶黏剂会导致板与板之间存在较大的空气间隙，从而导致火焰容易通过空气间隙进行传播扩散。所以使用PRF胶黏剂的实验会比使用PUR胶黏剂的实验更容易出现完整性破坏。之后，研究人员又制作2类PUR胶黏剂的实验，一是边缘处无粘合的实验，二是边缘处粘合的实验。燃烧试验过程中可以观察到，边缘处无粘合的CLT实验在炭化层剥落时是以碎片的形式一片一片掉落，而边缘处粘合的CLT实验炭化层整块剥落，而前者的失效时间比后者长了4 min。由此可以得出，边缘处不粘合的CLT板材的防火性能能好。Suzuki等[8]为了研究CLT在火灾状态下的炭化特征和破坏模式，通过改变CLT的胶黏剂类型、单板厚度、施加的荷载等参数，进行了一系列的炉壁加热试验和承重试验，同时对LVL进行对比试验。结果表明，使用API胶黏剂制成的CLT会发生胶层脱落的现象，而使用RPF胶黏剂的CLT板则不容易发生胶层脱落的现象。炭化研究得出，以日本柳杉 (Cryptomeriajaponica) 为原料，在260 ℃的燃烧条件下，以API为胶黏剂制成的CLT炭化速率为0.78 mm/min，使用RPF胶黏剂的CLT炭化速率为0.66 mm/min，而LVL的炭化速率为0.6 mm/min，比CLT板小。Hasburgh等[9]分析了使用不同胶黏剂 (MF、PRF、PUR、EPI) 的CLT实验的炭化速率和燃烧性能。结果表明，使用不同胶黏剂的实验燃烧得出的炭化速率和失效时间没有太大的差异，但使用PUR和EPI胶黏剂的CLT实验，相比于另2种实验来说，其燃烧后更容易产生炭化层脱落现象。

目前，这一方面的研究主要集中于胶黏剂的种类和对CLT防火性能的影响，对于胶黏剂内部结构的改变，以及胶层和胶缝间在高温火焰下的变化和影响，都还没有涉及。

1.3 整 体

CLT火灾状态下的整体耐火性能，主要是关于其结构稳定和耐火极限的试验和研究。Schmid等[10]分别制作了3种不同规格的CLT实验，进行了大中小3种不同规模的火灾试验，测量CLT实验遇火时的温度分布，挠度、刚度变化以及横截面的炭化过程，研究了厚度、层数、保护层对CLT防火性能的影响以及CLT在弯曲和遇火时的力学性能。试验结束后，可以观察到实验在火灾过程中发生了大量的变形，且当施加在CLT实验的荷载值在常温正常状态下平均抗弯强度的26%～59%时，实验在火灾中能支撑的时间为106～12.8 min，说明在CLT燃烧过程中，所受到荷载的大小与其火灾承载力有密切的联系。之后，Joachim Schmid采取2种不同的防火层：一种是12.5 mm厚的石膏板 (GtA)，另一种是20 mm厚的木板以及15 mm的石膏板 (GtF)，研究防火层的类型对CLT实验防火性能的影响。结果得出，在火灾试验中，CLT实验的中部和顶部分别有水平和垂直方向上的挠度变化，且使用GtF防火层的实验在燃烧过程中，并没有发生结构上的破坏，而使用GtA防火层的实验在燃烧后23 min，便开始出现炭化层脱落等现象，影响整体结构稳定性。Hasburgh等[9]分析了使用不同结构铺装 (LCL、LLC) 的CLT实验的炭化速率和燃烧性能，结果表明，采用LLC铺装形式的CLT实验，燃烧后出现实验表面炭化不均匀的现象，表明使用这种铺装形式的CLT一旦作为完整的建筑结构构件，在火灾中的结构安全并不稳定。Wiesner等[11]使用云杉 (Piceaasperata) 和松木 (Pinusspp.) 为原材料，MUF为胶黏剂，制作相同总厚度的3层和5层CLT实验。首先在环境温度下对实验进行加压至实验发生破坏，得出在室温环境下，3层CLT实验的抗压强度比5层CLT要高。之后给300 mm × 300 mm范围内的实验进行加热，同时给CLT实验进行加压，直至实验发生破坏。通过测量CLT燃烧时的内部温度、炭化层深度变化，得到了实验的失效时间以及炭化速率变化曲线。研究得出，实验的平均的炭化速率为0.82～1.00 mm/min，且在燃烧条件下，3层的CLT实验比5层的CLT更早发生破坏。这是由于燃烧过后，3层CLT的外层因为炭化，其有效截面面积减小，影响了整体稳定性。

由于CLT耐火性能测试对实验尺寸要求较大，对设备要求严格，所以部分学者尝试建立CLT燃烧试验模型，达到模拟CLT板遇火时的结构性能变化情况，希望在未来的结构设计中，可以直接通过模型模拟，准确的预测不同CLT防火性能好坏，判断CLT的耐火极限。在CLT燃烧力学性能模拟方面，Schmid等[12]提出了利用有效截面法的计算机模型对CLT进行结构防火设计。此模型利用木材热学、热机械性能、火灾时的炭化深度、抗弯能力等性质得出CLT耐火时间的函数，并考虑到在不同温度梯度下，CLT板在有绝缘层或石膏板保护时，其升温速率的降低对CLT耐火性能的影响。同时，Schmid等对CLT制成的弯曲梁进行了耐火试验，并将实验数据与模拟结果进行对比分析，证明了CLT的耐火性能可以通过计算机模拟得出较为准确的结论。

Aguanno[13]在其实验数据的基础上，建立了CLT燃烧时的数学模型，希望能预测不同CLT的耐火性能。实验条件分为在标准火灾状态下以及非标准火灾状态下，所以模型研究也从这两个方面入手，探讨实验数据与模型预测之间的异同点。在标准火灾状态下，模型预测得出的CLT实验的炭化和分层情况，能与实验数据很好的吻合。但是模型预测得出，CLT实验在加压条件下，会发生结构上的破坏，但是实验并没有出现这种情况。同时，模型预测得到的CLT实验的耐火极限也高于实验测得的数据。在非标准火灾状态下，两者数据并不能很好的吻合。模型并不能准确的分析出燃烧过程中温度的升高对木材本身物理性能的影响。Doyle等[14]使用分析建模与实验相结合的方法，研究能双向受力的CLT板的耐火性能。模型研究是通过改变CLT的纵横比、炭化速率以及木材铺装方式来预估双向受力CLT板每个方向上的荷载分布。实验研究是通过改变CLT板使用的胶黏剂、荷载、温度、板厚以及层数，来分析变量对CLT耐火性能的影响。结果表明，随着板材层数的增加，双向受力的CLT板的性能越好，并且奇数层的板材的耐火性能比偶数层的要好，这是由于火灾中炭化的影响，使得奇数层的CLT板会将荷载周期性地重新分配。

现有的研究表明，正交胶合木 (CLT) 的耐火性能极其优秀，且由于炭化层的存在，使得CLT板在火焰燃烧中依然能够稳定的保持其结构性能，且可以通过提高CLT的厚度、层数、使用防火性能较好的胶黏剂等方式来提高CLT的防火性能。在研究中使用了分析建模与实验相结合的方法，使研究方法更加多样，研究结果更加精确。但是在关于防火性能的研究中，主要研究的内容主要偏向构件的整体性能，但少有通过研究胶层、胶缝等局部遇火后的结构变化及其对防火性能的影响。

2 燃烧后CLT力学性能的变化

2.1 常态下

CLT作为一种结构构件，其物理力学性能是评价其能否达到标准规定的结构承载力和性能指标的重要影响因素。对于交错层压木来说，所用树种、尺寸、强度、胶黏剂的不同以及板材组胚方式的变化，均会对CLT样品的物理力学性能产生影响。

Park等[15]使用日本雪松 (Cedrusspp.) 制成生产3层的平行组胚和正交组胚的板材，并研究了板材通过交叉组胚后弯曲蠕变性能的提高以及垂直于木材长轴方向上的年轮倾角对其的影响。结果表明，蠕变曲线随年轮倾角的变化而不同，而将板材正交组胚制成的CLT与普通平行组胚的板材相比，蠕变的各向异性显著降低。Park等[16]在以往研究基础上，进一步使用5个树种 (分别为日本雪松、日本扁柏 (Chamaecyparisobtusa)、泡桐 (Paulowniafortunei)、连香树 (Cercidiphyllumjaponicum) 和山毛榉 (Faguslongipetiolata)) 制作3层平行组胚和正交组胚的板材，并研究其弯曲蠕变性能，并且将计算值与测量值进行比对。结果表明，虽然在数值上有一定差距，但是计算结果与实验结果相比，其蠕变柔量的变化趋势是一样的，均能反应出几种类型实验的蠕变变形量随着垂直方向所用树种密度的增加而降低。Hochreiner等[17]使用3种强度的云杉分别制作CLT实验，并对实验进行弯曲试验。结果表明，3种实验的弹性极限荷载的平均值是一样的，说明所用木材的强度等级对CLT的弹性极限荷载几乎没有影响，但是实验的极限荷载和刚度随着所用木材强度等级的增大而变大，并通过对实验破坏形式的研究，得出主要的破坏模式有2种，即拉伸断裂和滚动剪切破坏。对于3类实验而言，都会发生滚动剪切破坏，但是拉伸破坏发生的几率随材料强度的提高而减少。使用强度为C35的材料制成的实验均不会发生拉伸断裂。Sikora等[18]进行了一系列关于CLT力学性能的研究。首先，Sikora等使用北美云杉 (Sitkaspruce) 研究了CLT板厚度与其抗弯刚度、抗弯强度和滚动剪切的关系。使用厚度分别为20、24、40 mm，宽度分别为96、146 mm的北美云杉锯材制成3层和5层的CLT，测试其抗弯性能及剪切性能。结果表明，实验得出的结果与理论计算得出的结果有很好的关联性，滚动剪切强度随板厚的增加而增加，即抗弯强度和抗剪强度会随着板厚的增加而呈现出下降的趋势。Sikora等[19]认为胶黏剂胶合界面的粘结质量标志着板材承载能力的好坏。他们使用爱尔兰云杉为原料，在压板过程中用聚氨酯胶黏剂 (PUR)，将冷压压力分别设置为0.6、0.8、1.0 N/mm2制造CLT实验，对实验进行剪切试验和剥离试验。结果表明，0.6 N/mm2的冷压压力制成的试验实验可以满足prEN 16351标准中对剪切强度的要求。Sikora等认为，影响胶合质量的因素除了压力，还有胶黏剂类型等因素，还需进行后续试验进行试验和验证。所以，Sikora等[20]继续以爱尔兰云杉为原树种，分别使用聚氨酯胶黏剂 (PUR) 和苯酚-间苯二酚-甲醛树脂胶黏剂 (PRF) 压制试验实验，测试其剪切强度、剥离性能。结果表明，对于PUR和PRF2种胶黏剂而言，在不同冷压压力下，其剪切强度均符合prEN 16351标准。在使用PUR压制实验的剪切强度比较高的同时，使用PRF压制的实验在剥离试验中表现出的性能更为优越。

虽然现在国外CLT的发展十分迅速，但在我国CLT的发展起步较晚，还没有大规模进入中国市场，与之相关的研究还在起步阶段，主要涉猎的研究集中在CLT的力学性能研究，没有形成一定的研究体系。针对CLT的物理力学性能、热工性能等方面内容，南京林业大学木结构建筑系正在进行一系列研究工作。王志强等[21]采用花旗松 (Pseudotsugamenziesii)、辐射松 (Pinupsradiata) 和杨木 (Populusspp.) 压制单一树种和混合树种的CLT，对其进行抗弯、抗剪测试。结果表明，与纯杨木CLT相比，花旗松与杨木制成的混合树种CLT的抗弯弹性模量提高了35%。之后，王志强等[22]为了改善CLT板材的力学性能，将木质人造板引入CLT结构体系，利用SPF和LVL进行混合组胚，对制成的3种混合结构CLT件进行弯曲和剪切力学性能测试。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破坏形式，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提高17.6%。在此基础上，王志强等[23]对单一结构和使用LVL的混合结构的CLT剪力墙进行了单向和低周反复加载试验，测试剪力墙的抗侧性能。结果表明，墙体在单向荷载作用下主要的破坏形式为一侧墙角锚栓和基底锚栓的严重变形，在低周反复加载作用下则为墙角锚栓连接件的变形及钉子的疲劳剪断破坏，且混合结构CLT墙体的抗侧性能比普通结构CLT墙体的性能要好。

姜桂超等[24]使用杉木 (Cunninghamialanceolata) 制作CLT板材，并研究层板厚度对其力学性能的影响、奇、偶层层板厚度比例对其结构性能的影响，并使用Anasys对CLT结构进行计算分析，将分析结果与相应的试验结果进行对比分析。结果表明，在木材用料一定的前提下，CLT层板厚度越大，则CLT结构的抗弯性越好，而层板厚度越薄，构件的抗剪性能越好。可以适当增加CLT的奇数层层板的厚度，同时降低偶数层层板的厚度，这样可以在不提高木材用量的条件下有效提高CLT构件的抗弯、抗剪等性能。

此外，毛荣骏[25]针对CLT的平面内力学性能研究展开了试验研究和理论分析，通过改变CLT梁的跨高比、层数、开口尺寸和布置方式等参数对CLT实验进行平面内单调加载试验以研究其平面内力学性能。结果显示，跨高比较大的CLT板会出现剪切弯曲导致的裂缝，当外层为横纹方向时的破坏形式主要是横纹方向木材的劈裂破坏，CLT板平面内等效刚度与开口尺寸呈现线性比例关系。同时，建立了CLT板弯曲力学模型，模型分析结果与实验结果较为吻合。

李敏等[26]使用复合材料力学中Hoffman强度准则分析正交胶合木板中各单层木板的应力状态，判断出CLT单板破坏的顺序以及极限荷载，并利用ABAQUS有限元软件建立面内荷载作用下正交胶合木墙体受力模型，分析不同树种不同尺寸的CLT墙体的极限荷载。结果得出，Hoffman强度准则可以有效分析正交胶合木墙体变形破坏模式得出极限荷载，并且可以使用弹性模量较高的树种或减小墙体的高宽比来提高CLT墙体的承载性能。

2.2 火灾状态下

CLT在火灾过程中，燃烧产生炭化层，虽然能保证整体的结构稳定性，但其物理力学性能也会随之降低，实验会发生弯曲变形等现象。所以研究人员希望通过对火灾条件下CLT的物理性能研究，找出其变化规律，研究其影响因素。

Aguanno[27]针对3层和5层的CLT实验，在标准和非标准的火灾状态下进行试验，测量其炭化速率、温度分布和挠度情况。结果表明，在实验实验面板温度达到200 ℃时，会出现胶层失效、面板脱落等现象。此时，CLT实验的挠度逐渐增大，最终会达到一个最大值，之后一直保持在这个范围内。由不同火灾状态的试验数据对比，可以得出在不同温度状态下，实验挠度曲线的变化趋势是一致的。不同的是，由于在非标准火灾条件下，木材内部的加热速率较低，所以其挠度变化速率小于标准火灾状态下的挠度变化速率。Klippel等[28]研究了不同层数、不同截面尺寸的CLT，在用作墙体和楼面板时，其耐火性能的变化情况。通过对实验挠度变化测试，可以得出，墙体实验的垂直挠度随着燃烧时间的延长而增加，虽然火灾中承重墙体的横截面积至少减少了30%，但是墙体的竖向位移仍然很小。墙体的水平位移受热膨胀、残余截面应力增大以及外加荷载偏心距增大的影响，在火灾发生的第一阶段，墙体向火焰的方向发生偏移。楼板CLT实验的跨中挠度随着火灾事件的延长而增加，并且随着火焰的燃烧作用，实验的横截面减小，实验残余截面的应力增大，导致其挠度越来越大。试验证明，挠度的变化与CLT横截面的组胚方式没有明显的关系，但与所施加在实验的荷载大小有关。荷载越大，实验的挠度越大。Lineham等[29]测试了作为梁的CLT在受到持续荷载作用下，燃烧所造成的CLT抗弯强度以及实验挠度变化。在给实验加高温燃烧的同时，在其两端施加荷载，荷载值分为平均弯曲荷载值的10%和20%。记录实验发生破坏失效的时间、抗弯强度的变化情况以及挠度的变化情况。结果得出，随着时间的推移，3层和5层的CLT实验的抗弯强度持续降低，挠度大小也在持续增加；部分构件在30 min左右时，其挠度大小会有一个显著的增加。这是由于在加热过程中，第1层与第2层的胶接强度受到高温左右而降低，从而导致实验的结构稳定性下降。同时，Lineham等使用欧洲标准中的相关方法和模型，将试验结果与模拟预测进行对比分析，探讨模拟预测的可靠程度。首先采用于欧洲规范种变形截面以及减少截面法的相关分析，制成关于抗弯强度的变化曲线，曲线能与实验数据很好的吻合。但是，此预测曲线不能准确的反应实验燃烧过程中物理性能的变化情况。之后，Lineham等使用2种不同的参数方法模拟CLT梁的挠度变化：1) 使用0.65 mm/min的CLT炭化速率以及7 mm的零强度层；2) 使用实验中测得的炭化深度的数据以及7 mm的零强度层。对比得出，2种方法均不能很好的预测CLT梁的挠度变化，相比而言，由于第2种方法使用实际的炭化深度数据，所以得到的结果更为精准。经过一系列的实验，Lineham等认为应该进行更完整的横截面热机械性能分析，考虑到CLT遇火时结构性能真正的影响因素，得出更准确的模拟分析曲线。

从现有研究可以看出，国内目前的研究集中于在CLT树种和材料的选择，组胚方式的影响以及对CLT物理力学性能的研究。国外在此研究以外，也涉猎到胶黏剂以及加压情况的影响。同时，也进行了CLT在火灾状态下力学性能变化的相关研究工作。但是主要涉及的是挠度性能的变化情况，关于力学强度的测试还未涉及。虽然也采用模型模拟的方式进行预测，但是模拟曲线并不能完全反应CLT燃烧状态下的力学性能变化情况，还需进一步的研究和改进。

3 存在问题与展望

3.1 新材料的运用

正交胶合木 (CLT) 作为正交组胚胶合压制的产品，其主要受力方向为奇数层板的纹理方向，偶数层的板材不作为主要受力材料。考虑到我国木材资源紧缺，导致CLT的生产成本和销售价格较高的大环境下，如何在保证CLT的力学性能及防火性能的条件下，降低CLT的生产成本，是我国现在需要解决的关键问题。所以可以考虑尝试使用新型材料 (如钢材、软木等) 代替CLT的偶数层板材，制作木结构复合材料，不仅可以降低生产成本，还可以减少CLT自身厚度及质量，使其运输组装更为方便。

目前，已有公司采用软木板作为CLT的内板材料，将其应用于实际生产应用。软木板的生产原材料为软木橡树 (Quercuspalustris) 的树皮，主要分布在地中海沿岸的葡萄牙、西班牙、意大利、法国、摩洛哥、突尼斯和阿尔巴尼亚，距今已有6 000万年的历史，是世界上仅剩的最古老的树种之一。一般在软木橡树树龄有25 a、树围达到70 cm时开始对其进行第1次采剥。通常是在橡树生长最活跃的5—8月采剥橡树皮，采剥后的橡树皮会自然再生，以后每隔9年采剥一次。软木板的生产完全采用软木树皮为原材料，不添加额外化学药剂，在热压过程中使用软木橡树原生树脂，是绝对的天然环保无污染的材料。由于软木是由许多充满空气的木栓质细胞组成，其内部结构呈现出一种蜂窝状，所以软木具有较好的柔韧性，并且具有良好的保温隔热、吸音降噪、净化甲醛、防虫蛀、减震耐冲击、防火以及燃烧不生产毒性气体等诸多优点。同时，软木作为一种可再生资源，具有极佳的耐候性，能在恶劣的环境中保持性能稳定。经过证明，软木板的使用寿命一般超过60 a，并且依旧保持其优秀的各项性能。低密度的软木板一般作为墙体填充材料使用，可改善室内环境、隔音保温、降低能耗；高密度的软木板可作为建筑饰面板使用，根据建筑的风格合理使用，可营造出良好的建筑效果。同时，由于软木板优秀的耐火性能，在建筑中使用软木板作为装饰或填充材料，均可提高房屋的防火性能，保证其火灾中的结构稳定性。宁波中加低碳新技术研究院于2017年10月在中加低碳基地完成了我国第1栋CLT结构ICB生态节能系统示范建筑 (图1)，使用3层CLT建成两层的CLT木结构建筑，并使用葡萄牙进口隔热节能软木板 (ICB) 作为外墙覆面材料。

图1CLT结构ICB生态节能系统示范建筑
Fig.1 Demonstration building of ICB eco-energy saving system based on CLT structure

3.2 力学模型的建立

正交胶合木 (CLT) 的防火性能及耐火极限受到树种、板材厚度、层数、胶黏剂、荷载条件以及温度曲线等多方面的影响，其燃烧过程非常复杂，所进行的实际火灾实验研究也要根据研究目的，改变实验变量，进行多次试验研究，才能得到准确的结论。而有些比较复杂的实验条件，如动态条件下的性能分析，对实验条件比较严格，实验数据难以通过测量得到。所以部分学者选择建立CLT力学模型，不仅能给自己的实验研究提供验证和参考意见，还能模拟现有实验设备无法完成的试验。

目前，CLT力学模型的建立还在发展阶段，所建立的计算机模型能很好的预测出CLT的力学性能及其破坏形式。但是关于建立CLT在火灾条件下的模型，由于其影响因素过多，仅能预测出其炭化速率以及力学性能变化趋势，精确度难以得到保证。所以CLT火灾状态下的力学模型还值得学者去研究和探索。如果能保证模型的准确性，那么在实际生产设计中，便可使用模型模拟，预测所使用的CLT板材能否达到所要求的力学性能以及耐火极限。同时，可以预测CLT在燃烧时的力学性能变化情况，探讨CLT在火灾时是否能承担原有荷载而使建筑物不发生倒塌。通过CLT模型的建立以及对性能的模拟预测，可得到CLT的最佳组胚工艺及其力学性能，可以为CLT建筑设计提供很好的参考意见。