层积结构对加拿大铁杉三层胶合木典型力学性能的影响

2023-02-09卫佩行王建和郭叶莹子李昊张龙彭思

林业工程学报 2023年1期

卫佩行，王建和，郭叶莹子，李昊，张龙，彭思

(1.江苏农林职业技术学院风景园林学院，句容 212400；2.西南林业大学材料科学与工程学院，昆明 650224；3.南京林业大学土木工程学院，南京 210037)

木结构建筑因具有低碳环保、保温隔热、舒适性高、抗震等优点而受到青睐[1]。在木结构建筑材料中，正交胶合木(cross-laminated timber，CLT)和平行胶合木(glue-laminated timber，GLT)是以锯材为基本单元制备而成的两种工程木材[2]。CLT主要用于可预制的楼板、墙板、屋面板[3]，而GLT可用作直、弯或带一定弧度的梁或柱构件[4]。CLT和GLT所用原料相同，主要是针叶树材[4-5]。两者最大的区别在于，CLT是层板锯材纹理正交层积胶合而成的大幅面板材[4]，而GLT中所有层板锯材皆以纹理平行层积[6]。正是因为层积结构的不同，导致了CLT和GLT的性能和用途差异[7]。

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在工程实践中，GLT梁柱连接失效的主要原因是木材横纹脆性劈裂。经过正交层积，CLT比GLT在次强度方向拥有更高的强度[8]，可避免发生脆性破坏。Wang等[9]在节点区采用正交层积赋予了GLT更好的延性。唐红元等[10]测试了五层加拿大铁杉CLT的销槽承压强度，结果发现：在销栓垂直于表层板方向，加载角度为0°(顺纹)和90°(横纹)对应的销槽承压强度比值为1.138。徐俊华等[11]研究国产日本落叶松CLT的销槽承压强度时发现：销栓垂直于CLT 宽面时，加载角度0°的销槽承压强度明显大于加载角度90°的销槽承压强度。产生上述现象的原因是木材顺纹抗压强度大于横纹抗压强度。然而，根据马贵进等[12]的研究：顺纹销槽承压时，螺栓嵌入销槽，试件沿顺纹方向开裂并贯穿；横纹销槽承压时，螺栓嵌入销槽，仅在销槽孔左右出现齿形裂纹。有学者研究了CLT和GLT的握钉力，发现CLT具有更好的抗劈裂性能和延性[13]。根据笔者前期研究也发现，GLT的顺纹弹性模量和抗压强度大于CLT，但CLT呈现出优越的延性和耗能能力[14]。

在生产中，GLT主要用于梁柱构件，制备时按照梁柱形状进行侧向夹持养护成型，需要7 d以上养护时间。而CLT是按照板结构进行制备的，可在大幅面压机中进行四面加压成型，仅需1～2 h(采用单组分聚氨酯胶黏剂PUR)[15]。笔者提出：利用现有CLT大幅面压机也可制备GLT板，按一定尺寸锯解即可得到所需的梁柱构件，其生产效率显著提高；且GLT板在四面加压下完成胶合，板材受压均匀性远超侧面加持的GLT梁柱生产方式，由此得到的GLT梁柱受力性能更佳(能够避免因加持局部缺胶产生胶合不良而失效)[14]。但是，这两种胶合木因层积结构不同产生的诸多性能差异远未得到揭示[16]。因此，有必要对同等条件下CLT和GLT的胶合性能及抗弯抗剪性能开展对比研究，以期呈现这两种材料因层积结构不同而导致的性能差异，从而为工程应用奠定基础。

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1 材料与方法

1.1 材料制备

铁杉CLT和铁杉GLT胶层剪切强度测试结果见表1。根据方差分析，两种胶合木在不同测试条件(干态、湿态)和层积结构(正交、平行)下的胶层剪切强度差异非常显著。因此可认为，干态条件下铁杉CLT的胶层剪切强度不到铁杉GLT胶层剪切强度的21%，与龚迎春等[17]测试的国产落叶松CLT胶层剪切强度规律类似。湿态条件下铁杉CLT的胶层剪切强度不到铁杉GLT胶层剪切强度的24%，这说明正交层积后胶黏剂可渗透相邻木材轴向管胞(是否渗透进细胞壁仍需深入研究)，并呈现网格交叉，形成了独特的弱胶合界面结构并具有特殊的物理力学性质。与干态相比，CLT湿态胶层剪切强度下降了29%，而GLT湿态胶层剪切强度下降了38%。产生上述现象的原因在于：木材顺纹湿胀远小于横纹湿胀，平行层积的三层GLT所有层板皆受到方向一致的湿应力，而正交层积的三层CLT中间层板抑制了表层板的湿胀变形或抵消了部分湿应力。因此，GLT胶合质量对环境湿度变化更敏感。从标准偏差数据来看，CLT胶层剪切强度的离散性小于GLT，这说明正交层积结构可提高板材稳定性。

（4）在钻孔期间，初始钻孔方式为小冲击力、缓慢钻进的方式；在钻进深度到达18cm后，可进行首次预裂孔倾角方位校正；在钻进深度到达1.8m时，可进行预裂孔倾角再次校核纠偏。一般来说，在预裂孔钻设期间，需要每更换一次钻杆进行一次校核。并采用线锤、角度尺对钻孔角度进行合理控制。在线锤工具应用期间，需要控制线锤尖端与方位点重合、线锤与钻孔中心线水平重合。

对此，玉环市将依托“四好农村路”建设，作为“乡村振兴”战略的重要助推力，围绕“五联五更”目标，全力做好“建、管、护、运营”四篇文章，在建设上求“实”、在管理上从“严”、在养护上创“新”、在运营上推“优”，确保“四好农村路”建设取得实效。

在同样的工艺条件(胶黏剂为PUR，购自美国富乐公司，施胶量为160 g/m2;冷压时间为1 h，冷压压力为1.0 MPa)下，在宁波中加低碳新技术研究院有限公司的大幅面压机上压制尺寸为4 300 mm×1 200 mm×105 mm的三层结构CLT板和GLT板，并在同等条件下重复两次。板材堆垛放置72 h后，依据LY/T 3039—2018《正交胶合木》分别制备CLT和GLT胶层剪切试件(112 mm×100 mm×105 mm)48个、主强度方向的四点弯曲试件(105 mm×305 mm×2 820 mm)6个和三点层间剪切试件(105 mm×305 mm×704 mm)6个。

1.2 试验方法

为考察面外四点弯曲试验时荷载-应变与荷载-跨中挠度的关系，分别在CLT和GLT梁试件跨中布置激光位移计以测定试件跨中挠度，并沿跨中截面高度方向上等间距地布置5个应变片，同时在梁的顶面和底面各布置1个5 mm×100 mm的应变片(图1),通过TDS-530静态采集仪进行荷载、位移、应变数据采集。正式加载前，先进行预加载，即在4.5～8.5 kN内循环5次，以消除构件与支座和加载设备间的间隙，使试件与机器在正式加载前达到一种相对稳定状态。正式加载阶段，以位移控制加载，加载速度为0.5 mm/min，直至试件破坏,破坏过程采用OPPO R9st手机拍摄。

简而言之，道不可言说，要从无和有这对既相同又相异的范畴中去领悟道。道是玄妙又玄妙、深远又深远。它是宇宙万物之奥妙的总原则。

(1)

式中：Fmax为胶层剪切破坏极限荷载，N；Av为胶层剪切面积，mm2。

依据ANSI/APA PRG 320-2019“Standard for performance-rated cross-laminated timber”与ASTM D198-15“Standard test methods of static tests of lumber in structural sizes”，在同样条件下对CLT和GLT梁开展面外四点弯曲试验(跨高比为30)与三点弯曲层间剪切试验(跨高比为6)，并分析抗弯力学性能、抗剪性能的差异。

依据CSA O112.10-08“Evaluation of adhesives for structural wood products (limited moisture exposures)”，在同样的干态(试件需在温度20 ℃、相对湿度65%环境中调节至达到质量恒定状态)和湿态(将试件放入密闭容器中加入20 ℃的水完全浸没，再进行真空-加压循环，使试件完全湿润)条件下，分别测试CLT和GLT的胶层剪切强度，每种组合12个试件，测试后取平均值。其中，胶层剪切强度(fv)计算公式为：

图1 CLT梁和GLT梁试件面外四点弯曲试验示意图Fig.1 Out-of-plane four-point bending tests of CLT and GLT beam specimens

CLT和GLT梁面外四点弯曲试验的荷载-应变曲线如图4所示。由图4可知，面外四点弯曲试验中，CLT和GLT梁试件的跨中截面中间的4号应变片在初始阶段其应变几乎为零。通过曲线可以看出，CLT和GLT梁受拉区和受压区的荷载-应变曲线基本呈线性变化。随着荷载继续增大，当试件受压侧达到弹性阶段极限时，中性轴处的应变开始向受压侧靠拢，此时梁的受压区纤维开始进入塑性状态，梁的受压区弹性模量开始减小，应变的变化大于弹性阶段，试件内部的截面应力开始重新分布，说明梁的中性轴在加载过程中是不断向受压区偏移的。

(2)

式中：Pmax为梁试件最大破坏荷载，N；l为梁试件四点弯曲测试跨距，mm；b为梁试件截面宽度，mm；h为梁试件截面高度，mm。

(3)

同时，可推导出梁弯曲刚度(EI)计算公式如下：

(4)

根据材料力学知识，梁四点弯曲的弹性模量(E)等于梁四点弯曲时线性阶段荷载-位移曲线斜率，计算公式如下：

在同样条件下对CLT和GLT短梁试件开展三点弯曲层间剪切试验，跨中布置激光位移计以测定试件跨中挠度(图2)。以位移控制加载，加载速度为0.5 mm/min，直至破坏，破坏现象采用手机拍摄。

图2 三点弯曲层间剪切试验示意图Fig.2 Interlaminar shear tests of CLT and GLT beam specimens under the out-of-plane three-point bending

依据ANSI/APA PRG 320-2019与ASTM D198-15，三点弯曲层间剪切试验所测层间剪切强度(τ)为：

(5)

2 结果与分析

2.1 CLT和GLT胶合性能比较与分析

木材原料为No.2加拿大铁杉[Tsugacanadensis(L.) Carrière]规格材(购自加拿大西部林产品公司)，其尺寸为6 000 mm×140 mm×38 mm，气干含水率为13%，气干密度0.47 g/cm3，抗弯弹性模量11 240 MPa，抗弯强度77.9 MPa。为防止材面氧化导致板材胶合质量下降，在使用前1 h将铁杉锯材双面砂光至最终厚度35 mm。

表1 CLT和GLT胶层剪切强度Table 1 Bonding shear strengths of CLT and GLT 单位：MPa

2.2 CLT与GLT抗弯与层间剪切性能比较与分析

CLT和GLT梁四点面外弯曲时不同荷载作用下跨中截面沿高度方向的应变分布如图3所示，其中拉应变为正、压应变为负。由图3可以发现，无论是CLT还是GLT梁试件，其跨中受拉区域和受压区域的应变沿着梁高度方向基本上是均匀且对称的线性分布。因此，在对CLT和GLT梁构件受弯时的变形与受力分析时，可认为其纯弯段或在跨高比较大时遵循平截面假定。

图3 CLT梁和GLT梁四点面外弯曲时跨中截面应变沿高度方向的分布Fig.3 Strain distribution of mid-span section along the height direction of CLT and GLT beam specimens during out-of-plane four-point bending

将CLT或GLT梁面外四点弯曲测试中最大破坏荷载和试件尺寸参数代入式(2)，即可得到CLT或GLT梁的抗弯强度(fb)：

下文中将应用MATLAB分别计算n=1,2,3时P(n)的值，即系统进行1～3次充电子过程后，理论的充电成功概率值。

图4 CLT和GLT梁四点面外弯曲试验的荷载-应变曲线Fig.4 Load-strain curves of CLT and GLT beam specimens during out-of-plane four-point bending test

CLT和GLT梁面外四点弯曲试验和三点弯曲层间剪切试验分别得到了抗弯弹性模量、抗弯强度和层间剪切强度(表2)。根据方差分析，CLT和GLT梁的抗弯弹性模量、抗弯强度、刚度、层间剪切强度差异非常显著。因此可认为，面外四点加载下GLT梁的弹性模量和抗弯强度均大于CLT梁。具体而言，CLT梁的抗弯弹性模量仅为GLT梁的83%，CLT梁的抗弯强度仅为GLT梁的81%。考虑到试件的截面尺寸，CLT梁的刚度为GLT梁的84%。此外，三点弯曲层间剪切试验中，CLT梁层间剪切强度为GLT梁的54%。产生上述现象的原因是木材横纹方向的弹性模量和强度较低，导致了正交层积形成的CLT梁构件的抗弯性能和抗剪性能小于平行层积的GLT梁。尽管测试数据有差异，但上述研究得出了与前人研究[16]类似的规律，即CLT抗弯性能、抗剪性能、弹性模量均小于GLT梁。

表2 CLT和GLT梁抗弯与抗剪性能Table 2 Bending and shear properties of CLT and GLT beam specimens

2.3 CLT与GLT受弯破坏模式比较与分析

对CLT和GLT梁构件开展面外四点弯曲试验，得到了两种胶合木梁典型的荷载-跨中挠度曲线(图5a)及典型的破坏模式(图5b、c)。总体来看，CLT和GLT梁面外四点弯曲破坏过程大致可以分为3个阶段(图5a)。第1阶段为弹性阶段，跨中挠度随荷载的增加而增加，荷载-跨中挠度曲线的斜率基本不变。第2阶段为弹塑性阶段，当荷载加载到弹性阶段最大值后，跨中挠度随荷载增加而加速度增大，荷载-挠度曲线的斜率略微减小，CLT梁的芯层(垂直层板)开始出现由于剪应力造成的微小裂纹。第3阶段为破坏阶段，CLT梁即将到达极限荷载前，发出一系列密集的响声，并在一声较大声响后试件破坏(图5b)；GLT梁在达到极限荷载后，伴随着一声巨大响声，梁底跨中处突然断裂，并且荷载迅速下降，试件破坏形式为典型的脆性破坏(图5c)。显然，平行层积的GLT发挥了三层木材层板顺纹抗拉强度高的优势，而正交层积的CLT梁芯层木材层板横纹强度较低，导致了CLT梁整体抗弯承载力下降。从破坏模式来看，CLT和GLT梁完全不同(图5b、c)。具体而言，随着荷载增加，CLT梁芯层木材先发生滚动剪切破坏，而后裂纹扩展到胶合界面引起界面破坏，层板分离导致最终失效；GLT梁主要破坏模式是梁下表面的木纤维受拉断裂，裂纹迅速扩展引起木材劈裂导致失效。

图5 CLT和GLT梁四点面外弯曲典型荷载-跨中挠度曲线及破坏模式Fig.5 Typical load-deflection curves at mid-span position and failure modes of CLT and GLT beam specimens during out-of-plane four-point bending

CLT和GLT短梁三点弯曲层间剪切试验的典型荷载-挠度曲线及破坏模式见图6。由图6可以发现，与面外四点弯曲试验一样，三点弯曲试验的破坏也可分为3个阶段。第1阶段为弹性阶段，试件的荷载-挠度曲线斜率基本不变，荷载随着位移的增加而增大。第2阶段为弹塑性阶段，试件在所承受的荷载到达比例极限后进入弹塑性阶段，随着位移的增加，荷载-挠度曲线的斜率不断减小，CLT梁在弹塑性阶段中后期芯层滚动剪切破坏而产生连续声响，而GLT梁在弹塑性阶段中后期由于受压区木材纤维被压溃以及木材沿着木射线产生开裂而发出连续声响。第3阶段为破坏阶段，CLT梁到达极限荷载时，芯层木材产生的滚动剪切破坏裂纹向胶层处迅速发展导致了胶合界面破坏；而GLT梁到达极限荷载后，梁底面木纤维断裂发出巨大声响并产生脆性破坏(图6)。显然，GLT梁的层间抗剪强度远大于CLT梁。尽管在承受剪力作用时CLT梁芯层产生了滚动剪切破坏以及胶合界面破坏，但是由CLT梁受剪破坏的曲线变化可以看出CLT梁具有较好的延性和耗能能力。

图6 CLT和GLT短梁三点弯曲层间剪切试验的典型荷载-挠度曲线及破坏模式Fig.6 Typical load-deflection curves and failure mode at mid-span position of CLT and GLT short beam specimens during three-point bending tests