國產杉木不同層板厚度對正交膠合木力學性能的影響*

王菲彬 王昕萌 楊樹明 姜桂超 闕澤利 周海賓

(1. 南京林業大學風景園林學院 南京 210037； 2. 南京林業大學材料科學與工程學院 南京 210037； 3. 江蘇兄弟智能家居有限公司 宿遷 223800； 4. 中國林業科學研究院木材工業研究所 北京 100091)

當前，國內木結構建筑形式主要有輕型木結構、膠合木結構和普通木結構，其中北美輕型木結構體系在現代木結構建筑中占據主導地位。最新《木結構設計標準》(GB 50005—2017)規定，國內輕型木結構房屋層數不得超過3層，在很大程度上限制了現代木結構建筑在國內的發展。正交膠合木(cross-laminated timber，CLT)的出現改變了這一局面。CLT是一種新型建筑結構材料，采用相鄰層板正交90°交錯層壓的組坯方式，尺寸穩定性高，力學性能優異。在國外，CLT建筑已達18層以上，我國也制定出《多高層木結構建筑技術標準》(GB/T 51226—2017)，且國內第一例6層木結構建筑已在山東省內開始實施，如果CLT在國內得到推廣，將極大程度推動現代木結構建筑在國內的發展。

國外對CLT的研究無論是廣度還是深度均達到了很高水平(Parketal.， 2003； Frangietal.， 2009； Zhouetal.， 2014； Schneideretal.， 2015； Caoetal.， 2016； Knorzetal.， 2016； Hashemietal.， 2018)，而我國僅有南京林業大學、中國林業科學研究院等對CLT的材料性能與截面設計、節點連接承載及其滾動剪切、抗彎等力學性能進行了研究，涉及層板模量、組坯方向和層板層數對CLT力學性能的影響等(闕澤利等， 2015； 2017； 董惟群等， 2016； 龔迎春， 2017)。CLT屬于多層復合材料，層板不宜太厚也不宜太薄，在整體厚度一定的前提下，層板太厚會造成構件整體不均勻，缺陷過于集中； 層板太薄會對制造工藝提出更高要求，加大工作量，同時也會增加膠料和木材用量(郭飛燕， 2007)。因此，在滿足力學性能的前提下，應充分考慮層板厚度的影響，但目前國內尚缺少此方面研究。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國南方重要的速生用材樹種，生長快、產量高(王俊鴻等， 2014)， 但也存在強度差、易吸濕、尺寸不穩定等缺陷，從而使得杉木這種小徑材在現階段僅主要用于裝飾、家具等方面。積極拓寬杉木的應用范圍，不僅能提升其利用價值，更能一定程度上促進我國木材工業的發展。

鑒于此，本研究選用國產杉木為試驗材料，對其進行層板組坯、冷壓成型，并通過對不同層板厚度的CLT進行靜力學試驗，探討在整體厚度不變的前提下不同層板厚度對CLT力學性能的影響，以期拓寬速生材杉木在木結構建筑領域的應用范圍，促進CLT在國內的發展。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

市場采購國產杉木，產地福建，平均密度0.394 g·cm-3，平均含水率13.5%，層板材質目測分等為Ⅱb。參考《木結構試驗方法標準》(GB/T 50329—2002)，結合生產加工實際，制備截面尺寸為300 mm × 95 mm、長度為2 200 mm和500 mm的試件分別用于抗彎和抗剪試驗。

HB S309 單組分液態聚氨酯膠黏劑，由普邦公司提供，主要化學成分為異氰酸酯預聚體，其與木材和空氣中的水分或濕氣反應生成堅固的膠層。HB S309 聚氨酯最大陳化時間約30 min，固化時間約120 min。

多層復合結構材的性能與組成結構單元的性能息息相關，在CLT力學試驗前，對杉木板清材小試件的各項性能參數依據國家標準(GB/T 1935—2009； GB/T 1936.1—2009； GB/T 1936.2—2009； GB/T 1937—2009)進行測試，結果如表1所示。

試驗方案分2種： 方案一研究在試件整體厚度(95 mm)不變的前提下層板厚度對CLT力學性能的影響，其組坯方式如表2所示； 方案二以5層CLT結構為例，研究在試件整體厚度(95 mm)不變的前提下奇、偶層厚比例對CLT力學性能的影響，其比例關系如表3所示。

表1 杉木層板力學性能測試結果Tab.1 The results of mechanical properties of Chinese fir

表2 CLT試件的組坯方式Tab.2 Lay-up type of the CLT specimens

表3 CLT試件奇、偶層層板厚度變化Tab.3 Thickness variation of the odd and even layers of the CLT specimens

CLT采用相鄰層板正交90°交錯層壓組坯方式，其中奇數層為主要方向層(順紋方向)，偶數層為次要方向層(橫紋方向)。順紋方向層起主要力學承載作用。

1.2 試件壓制

CLT試件制作主要包括鋪板、施膠和冷壓3個環節。先將聚乙烯薄膜平鋪在地上，接著將第1層層板平鋪于薄膜上面(所有層板在組坯前須清理干凈，不能附著木屑等雜物而降低膠合質量)，進行涂膠(圖1a)，涂膠盡量保持均勻，涂膠量為120～160 g·m-2。涂膠后立刻鋪放第2層層板(圖1b)，并進行第2層層板的涂膠，之后鋪設第3層層板，以此類推，直到達到試驗設定層數。試件涂膠完成后，用木塊固定試件四周，并用薄膜將整張 CLT 試件嚴密包裹(圖1c)。層板涂膠拼裝完成后進行CLT試件冷壓(圖1d),設定壓力1.5 MPa左右，保壓時間約2.5 h。

試件冷壓2.5 h后卸壓，并在常溫環境中放置1周，以使層板間的膠合性能達到最穩定狀態。

圖1 CLT試件的制作Fig.1 Production of the CLT specimensa. 施膠Sizing； b. 鋪板Placement of the second layer； c. 試件包裹Film-wrapped specimen； d. 冷壓Cold pressing.

1.3 試驗裝置和加載方式

采用UTM5105型微機控制材料萬能試驗機，按照美國標準《Standard Test Methods of Static Tests of Lumber in Structural Sizes》(ASTMD198)和日本標準《直交集成板の日本農林規格》(JAS 3079—2019)中的相關規定進行靜力學試驗，測定抗彎剛度、抗彎強度和抗剪強度。每個項目測試5個試件，結果取平均值。

抗彎性能試驗依據日本標準進行，采用四點彎曲(三分點)測試法，跨度為2 000 mm。試驗中，以15 mm·min-1的速度勻速加載，并用位移計測量在豎向荷載作用下CLT試件跨中點的豎向位移。抗剪性能試驗采用三點彎曲測試法，跨度為240 mm，加載速度為5 mm·min-1。

1.4 相關靜力學理論

為了研究CLT靜力學分析理論是否具有現實可行性，選用抗彎性能(抗彎剛度、抗彎強度)模型理論(γ理論、κ理論)進行計算分析。

1.4.1 等效抗彎剛度 在γ理論中，通過計算試件的等效抗彎剛度(EIeff)確定試件的彎曲性能。等效抗彎剛度主要與梁的截面特性和有效系數(γ)有關，而γ與連接件的滑移特性相關。木構件之間使用膠黏劑連接時，γ取值一般在0.85～0.99之間。以5層CLT結構為例(圖2)，計算公式如下：

圖2 5層CLT結構斷面分析Fig.2 Sectional analysis of the five-layer CLT structure

(1)

圖3 7層CLT結構斷面分析Fig.3 Sectional analysis of the seven-layer CLT structure

1.4.2 抗彎強度 先采用κ理論計算試件的等效彈性模量，即根據豎向荷載的加載方向計算出復合系數κ，再利用系數κ得出試件的抗彎強度：

(2)

σ=σ0·κ。

(3)

式中：am為試件厚度(mm)；E0為層板的順紋彈性模量，7 600 MPa；E90為層板的橫紋彈性模量，316 MPa。

2 結果與分析

2.1 不同層板厚度對CLT力學性能的影響

2.1.1 荷載-位移曲線分析 在荷載作用下，不同層板厚度CLT有效試件(取均值)跨中點的荷載-位移曲線如圖4示。

圖4 CLT試件荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement response curves for the specimens

從圖4可以看出，在荷載作用下，各CLT試件荷載-位移曲線整體變化規律類似： CLT彎曲過程中，前期荷載-位移曲線基本保持為直線； 彈性階段加載初期，曲線較平緩，主要是因為試件在受力彎曲時存在不可避免的非彈性變形； 隨著加載繼續，試件跨中點撓度變化速度較大，荷載增加，撓度遞增逐漸緩慢。3層CLT，試件荷載-位移曲線較穩定，而5層和7層CLT，隨著層數增加，試件剛度逐漸降低，延性變大，破壞模式也較為復雜。

2.1.2 數值分析 如表4所示，對于抗彎剛度，在整體厚度不變的前提下，3層CLT試件的抗彎剛度最大，5層和7層CLT試件次之，相比3層CLT試件，5層和7層CLT試件的抗彎剛度分別降低11%和18%。3層CLT的結構性能較為穩定，剛度較高，破壞模式單一，基本為底層板拉斷破壞。因此，當設計使用3層CLT結構時，應將材質等級較高且缺陷較少的層板置于CLT結構的外層。

對于抗彎強度，5層CLT試件的抗彎強度相比3層CLT試件提高18%，相比7層CLT試件提高36%，3層CLT試件的抗彎強度相比7層CLT試件提高16%； 在整體厚度不變的前提下，5層CLT試件的抗彎強度最大，3層和7層CLT試件次之。

對于抗剪強度，5層和7層CLT試件的抗剪強度相比3層CLT試件分別提高2.6%和16%。在整體厚度不變的前提下，7層CLT試件的抗剪強度最大，5層和3層CLT試件次之。

試驗數據表明，在整體厚度不變的前提下，層板越厚，試件的抗彎剛度越大； 而抗彎強度，則5層結構最大，其次為3層結構，最后為7層結構； 抗剪強度隨層板厚度增加呈下降趨勢。

表4 不同層板厚度對CLT力學性能的影響①Tab.4 Effect of different CLT laminate thicknesses on the mechanical performance

2.1.3 試驗結果與理論計算結果對比 不同層板厚度對CLT力學性能的影響試驗結果與由理論計算結果對比，如圖5所示。

圖5 理論計算結果與試驗結果對比Fig.5 Comparison of the experimental results and the theoretical calculation results

由圖5可知，總體而言理論計算結果比試驗結果要高，分析其原因： 在力學試驗中，試件變形受很多因素(如板材的缺陷分布、板材力學強度的隨機性以及外部環境等)影響，這些因素是理論計算中無法考慮的。層板厚度對抗彎剛度的影響理論計算結果與試驗結果總體趨勢一致，即在整體厚度不變的前提下，隨著層板厚度增加，抗彎剛度逐漸增加。抗彎強度與層板厚度之間關系的試驗結果和理論計算結果存在差異，試驗結果顯示，5層CLT試件的抗彎強度最大，其次是3層和7層CLT試件； 而理論計算結果顯示，層板厚度越大，抗彎強度越大，即3層CLT試件的抗彎強度最大，其次是5層和7層CLT試件。這說明CLT層板的應用應根據情況而定，不能只由理論計算所得結論應用于實踐生產。

2.1.4 破壞模式與分析 試件壓彎破壞時的變形普遍較大，主要破壞模式有3種，即底層板拉斷破壞(圖6a)、抗拉區域膠層斷裂破壞(圖6b)和滾動剪切破壞(圖6c)，但在試件缺陷集中處(腐朽、木節等)更容易發生破壞(圖6d)。在試件受拉區域，亦會出現膠層脫落和層板間滑移現象。

圖6 CLT試件受力彎曲的主要破壞模式Fig.6 Main failure modes of the CLT specimens in the bending testa.底層板拉斷破壞Failure of bottom plate;b.抗拉區域膠層斷裂Fracture of adhesive layer in tensile zone;c.滾動剪切破壞Rolling shear failure;d.缺陷集中處破壞Failure at a defect concentration.

1) 抗彎性能破壞模式 3層CLT試件在壓彎破壞過程中整體表現穩定，主要破壞模式為底層板拉斷破壞(圖6a)，伴有少量內層板的滾動剪切破壞(圖6c)，沒有出現膠層開裂和端頭層板滑移現象。5層CLT試件在壓彎破壞過程中發生滾動剪切的情況開始增多，因為層板較薄，層板滾動剪切強度較低，最終破壞模式主要包括底層板拉斷、端頭層板層板滑移和少許膠層開裂，底層板拉斷破壞程度較輕。7層CLT試件在壓彎破壞過程中滾動剪切和膠層開裂現象出現較多，層板厚度過低，膠層穩定性和層板抗剪切能力下降明顯，且由于7層CLT結構的膠層多達6層，容易發生膠層脫落現象(圖6b)，最終破壞模式主要包括底層板拉斷、端頭層板錯位、滾動剪切和膠層脫落等，其中以膠層脫落和滾動剪切破壞為主。

從試件抗彎性能破壞模式可以看出，3層CLT結構底層板受拉區域破壞相比5層和7層CLT結構明顯，5層和7層CLT試件在壓彎破壞過程中出現的膠層脫落和底層板拉斷現象比3層嚴重。以5層CLT為例，受拉區域由2層層板組成，分別為主要方向層和次要方向層，在受拉過程中，主、次方向層板相互抑制，造成次要方向層層板滾動剪切破壞和主要方向層層板斷裂。而相同情況下的3層CLT，其受拉區域僅為1層主要方向層，相比而言較容易發生斷裂，而7層CLT層板厚度較薄，底層板較5層CLT層板也易斷裂，這也解釋了5層CLT抗彎強度最高的原因。在整體厚度不變的前提下，組坯層數越多，層板越薄，越容易發生斷裂和變形，這一定程度上也說明了7層CLT試件抗彎剛度和抗彎強度最低的原因，而3層和5層CLT試件的力學性能表現較為優異。

2) 抗剪性能破壞模式 在剪切破壞過程中，各試件破壞模式大同小異，每個破壞試件均大量存在滾動剪切、層板拉斷和端頭層板滑移等現象，僅從外觀上并不能看出抗剪性能的差異。

2.2 奇、偶層厚比例對CLT力學性能的影響

2.2.1 數值分析 奇、偶層厚比例對CLT力學性能的影響如表5所示。可以看出，隨著奇數層層板厚度增加和偶數層層板厚度降低，CLT試件的抗彎剛度、抗彎強度和抗剪強度均有一定比例提高。這是因為兩端簡支的CLT試件受豎向荷載時，試件主要受力方向為順紋方向(奇數層層板)，而偶數層層板在承載力方面作用相對較小，且木材順紋方向的抗彎剛度、抗彎強度和抗剪強度均大于橫紋方向，為隨著奇、偶層厚比例不斷增加，抗彎剛度、抗彎強度和抗剪強度均不斷增加提供了理論依據。

2.2.2 試驗結果與理論計算結果對比 對奇、偶層厚比例為1.0、1.5、1.9的試件進行試驗得出的結果與理論計算奇、偶層厚比例為1.0、1.2、1.4、1.7、2.1、2.7(取多組與試驗比例相近的值)的CLT結構取得的結果進行對比，結果如表5所示，二者對比關系如圖7所示。

由表5和圖7可知，總體而言理論計算結果比試驗結果要高，二者抗彎剛度和抗彎強度與層板厚度之間的關系參數變化規律相同，R(相關系數)接近1，說明均呈線性相關關系，且二者相關性很高，即在整體厚度不變的前提下，在一定比例范圍內，隨著奇數層層板厚度增加和偶數層層板厚度降低，試件的抗彎剛度和抗彎強度呈上升趨勢。

表5 奇、偶層板厚比例對CLT力學性能的影響①Tab.5 Effect of the CLT odd to even layer thickness ratio on the mechanical performance

圖7 理論計算結果與試驗結果對比Fig.7 Comparison of the experimental results and the theoretical calculation results

2.2.3 破壞模式與分析 抗彎試驗中，試件在1 min 30 s開始出現異響，此時外觀無變化，試件稍微彎曲； 壓彎過程持續2 min后試件異響頻率增大，包括膠層斷裂聲和木材纖維斷裂聲，同時試件端頭層板之間開始出現細微滑移； 約3 min后開始出現試件第一次破壞，包括滾動剪切破壞和底層板斷裂； 之后荷載上升繼而出現第二次和第三次破壞。此外，在試件缺陷處，如腐朽、木節點，會較早出現破壞。奇、偶層厚比例為1.0的試件破壞模式主要為2層次要方向層均發生滾動剪切破壞，并伴有底層板斷裂、膠層斷裂現象(圖8a)。奇、偶層厚比例為1.5的試件破壞模式主要為最下面2層受拉區的破壞，表現為底層板斷裂及次要方向層的滾動剪切破壞和膠層斷裂(圖8b)。而奇、偶層厚比例為1.9的試件最終破壞模式為次要方向層發生輕微滾動剪切破壞和膠層斷裂(圖8c)。通過破壞模式分析可以得出，在一定比例范圍內，隨著奇、偶層厚比例增加，抗彎性能不斷增加(破壞模式范圍和破壞力度減小)。

圖8 奇、偶層厚比例不同的破壞模式Fig.8 Failure modes of the different odd to even layer thickness ratiosa. 1.0； b. 1.5； c. 1.9.

3 結論

1) 滾動剪切、層板斷裂、膠層斷裂和層板滑移是CLT結構在豎向荷載作用下的主要破壞模式，試件的破壞模式與層板厚度有較大相關性。

2) CLT試件在壓彎破壞時，3層CLT容易出現底層板斷裂現象，5層和7層結構容易出現膠層開裂和端頭層板滑移現象。

3) 在木材用料一定的前提下，CLT層板厚度越大，CLT結構的抗彎性能越佳，且尺寸穩定性高，破壞模式單一，基本為底層板斷裂破壞； CLT層板厚度越薄，CLT結構的抗剪性能越好，破壞模式較為復雜。

4) 在一定比例范圍內，應盡量增加奇、偶層厚比例，即增加奇數層層板厚度、降低偶數層層板厚度，這樣可在不提高木材用量的條件下有效提高CLT試件的抗彎、抗剪性能。