正交膠合木膠合耐久性能研究進(jìn)展*

陳國(guó)駿 宋 煥 王志強(qiáng) 趙天長(zhǎng)

（1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.江蘇森之虎建筑工程有限公司，江蘇 南京 210012）

正交膠合木（Cross-laminated timber，CLT）是一種由三層或三層以上實(shí)木鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合板材垂直正交組坯，采用結(jié)構(gòu)膠黏劑膠合而成的新型工程木產(chǎn)品［1］，由于其具有良好的尺寸穩(wěn)定性、耐火性能和抗震性能，在中高層建筑中越來(lái)越受到人們的青睞［2］。膠合性能是工程木產(chǎn)品的重要性能，包括膠層剪切強(qiáng)度和膠合耐久性能，膠合耐久性常通過(guò)浸漬剝離試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估［3-4］。正交組坯結(jié)構(gòu)和層板間縫隙等構(gòu)造特征增加了CLT膠合耐久性評(píng)估方法的復(fù)雜性。同時(shí)，膠黏劑種類、膠合工藝參數(shù)、試件大小及形狀和層板處理等均會(huì)影響膠合耐久性能的評(píng)價(jià)結(jié)果。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外CLT膠合耐久性的測(cè)試方法進(jìn)行分析比較，并總結(jié)了CLT膠合耐久性能主要影響因素的相關(guān)研究，為CLT膠合耐久性能的進(jìn)一步研究提供參考。

1 CLT膠合耐久性能測(cè)試方法

目前代表性的CLT膠合耐久性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有EN 16351—2015Timber structures—Cross laminated timber—Requirements、CSA 0112.9-10Evaluation of Adhesives for Structural Wood Products(exterior exposure)和LY/T 3039—2018《正交膠合木》，這3種標(biāo)準(zhǔn)均以浸漬剝離率和木破率評(píng)價(jià)膠合耐久性，但在試件尺寸和測(cè)試方法上有所不同。EN 16351—2015規(guī)定膠合耐久性測(cè)試試件為最小直徑(95±5) mm的圓柱形CLT，或試件最小橫向長(zhǎng)度為(100±5) mm、頂視圖面積至少為10 000 mm2的方形CLT；而CSA 0112.9-10和LY/T 3039—2018均采用方形試件，試件邊長(zhǎng)分別為75 mm和100 mm。膠合耐久性測(cè)試方法上，雖然三者都采用真空-加壓法，但具體的測(cè)試條件和膠合耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)等也存在差別，如表1、2所示。

表1 膠合耐久性測(cè)試條件Tab.1 Test conditions for gluing durability

表2 膠合耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)要求Tab.2 Requirements for gluing durability

2 CLT膠合耐久性能影響因素

2.1 膠黏劑類型

膠黏劑自身強(qiáng)度和膠黏劑滲透性是CLT膠合性能的主要影響因素。聚氨酯類膠黏劑屬于預(yù)聚合膠黏劑，可以滲透進(jìn)入細(xì)胞腔，但基本無(wú)法進(jìn)入細(xì)胞壁中，而原位聚合膠黏劑可以滲入細(xì)胞壁中［5］。用于制備CLT的膠黏劑通常為結(jié)構(gòu)膠黏劑，滿足條件的膠黏劑分為兩類：1)原位聚合類膠黏劑，如三聚氰胺-甲醛樹脂（MF）、三聚氰胺-尿素-甲醛樹脂（MUF）、間苯二酚樹脂（PRF）、脲醛樹脂（UF）；2)預(yù)聚合類膠黏劑，如聚氨酯膠黏劑（PUR)［6］。張龍等［7］研究了來(lái)自不同廠家的5種膠黏劑[A-PUR、A-API（水性異氰酸酯膠黏劑）、B-PUR1、B-PUR2 和C-PUR]對(duì)制備南方松CLT膠合耐久性的影響，結(jié)果表明：僅水性異氰酸酯膠黏劑A-API和聚醚型膠黏劑B-PUR1制備的南方松CLT膠合耐久性達(dá)到了CAN/CSA-O122-16Structural gluedlaminated timber要求，5種膠黏劑對(duì)南方松CLT的膠合耐久性均有顯著影響（P＜0.005）。從膠合耐久性考慮，宜采用A-API和B-PUR1制備南方松CLT。謝力生等［8］研究了單組份聚氨酯（PUR）、雙組份聚氨酯、水性高分子異氰酸酯(EPI)膠黏劑和間苯二酚-甲醛樹脂膠黏劑（PRF）對(duì)落葉松[Larix gmelinii(Rupr.)Kuzen.]膠合耐久性的影響，發(fā)現(xiàn)4種膠黏劑的剝離率均滿足GB/T 26899—2011《結(jié)構(gòu)用集成材》要求，但PRF的總剝離率達(dá)4.89%，接近GB/T 26899—2011限定的最大值5%，不推薦使用該膠黏劑。

液態(tài)膠黏劑進(jìn)入木材細(xì)胞腔并在其中流動(dòng)即為膠黏劑在木材表面的滲透過(guò)程，膠黏劑在木材細(xì)胞中主要起填充作用，在管孔中的縱向流動(dòng)是其主要滲透路徑，膠黏劑在木材表面的流動(dòng)和滲透與膠黏劑和木材表面的接觸程度有關(guān)［9］。由于不同膠黏劑與水分作用存在差異，導(dǎo)致膠合耐久性的差異，Sikora等［6］研究認(rèn)為間苯二酚膠黏劑（PRF）膠合的CLT試件比單組份PUR試件具有更好的膠合耐久性。Yusof等［10］發(fā)現(xiàn)PRF膠合的金合歡[Acacia farnesiana(Linn.)Willd]CLT的分層率低于PUR，具有良好的膠合耐久性，但兩種膠黏劑的浸漬剝離率均滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 16351—2015要求。

2.2 膠合工藝參數(shù)

膠合工藝參數(shù)如加壓壓力、施膠量和加壓時(shí)間等直接影響CLT的膠合耐久性能。龔迎春［11］運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)評(píng)估膠黏劑種類、加壓壓力和施膠量對(duì)CLT膠合性能和耐久性能的影響，優(yōu)選日本落葉松[Larix kaempferi(Lamb.)Carr.]CLT的生產(chǎn)工藝參數(shù)為單組份PUR，施膠量200 g/m2，壓力為1.2 MPa。膠合壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致膠合界面的膠黏劑被擠出，形成較薄的膠層；過(guò)小，則較少的膠黏劑滲透進(jìn)木材，膠層較厚，從而導(dǎo)致更多的膠合面暴露在水中，產(chǎn)生較大的浸漬剝離率。Yusof等［12］發(fā)現(xiàn)加壓壓力對(duì)浸漬剝離率影響并不顯著，但木材密度較大時(shí)采用大的膠合壓力有利于提高膠合耐久性。Santos等［13］的研究表明，施加大的壓力有利于降低CLT的浸漬剝離率和提高木破率，層板厚度不會(huì)影響CLT的浸漬剝離率。膠合過(guò)程中，施膠過(guò)多會(huì)導(dǎo)致膠層過(guò)厚，施膠過(guò)少則無(wú)法使膠黏劑充分滲透進(jìn)層板；加壓時(shí)間會(huì)影響膠黏劑的固化效果，從而影響膠合耐久性。Liao等［14］采用單組份PUR制備桉木（Eucalyptus urophylla×E.grandis）CLT，研究施膠量、壓力和壓制時(shí)間對(duì)木破率和浸漬剝離率的影響，獲得桉木CLT的較優(yōu)工藝參數(shù)為施膠量160 g/m2、壓力0.8 MPa、加壓時(shí)間200 min。董惟群［15］研究了竹木復(fù)合CLT的膠合耐久性能，結(jié)果表明：滿足GB/T 26899—2011《結(jié)構(gòu)用集成材》膠合耐久性能要求的較優(yōu)工藝參數(shù)為：干態(tài)條件下，采用EPI膠黏劑，施膠量為270 g/m2，加壓壓力為1.0 MPa，加壓時(shí)間為140 min；濕態(tài)條件下，采用PRF膠黏劑，施膠量為250 g/m2，加壓壓力為1.0 MPa，加壓時(shí)間為420 min。

2.3 試件形狀及大小

目前不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)CLT膠合耐久性試件尺寸有所不同。研究表明：形狀和大小不同的CLT試件在含水率變化過(guò)程中，層板間產(chǎn)生不同的收縮或膨脹應(yīng)力會(huì)影響CLT的膠合耐久性［16］。Betti等［17］比較了40 mm(長(zhǎng)) ×40 mm（寬）和75 mm(長(zhǎng)) ×75 mm（寬）兩種不同尺寸CLT試件的浸漬剝離性能，尺寸為75 mmCLT試件的平均浸漬剝離率比40 mm試件高5.6%，最大浸漬剝離率高6.2%，研究認(rèn)為:試件尺寸大小是影響浸漬剝離性能的關(guān)鍵因素。Brunetti等［18］也發(fā)現(xiàn)尺寸是影響CLT膠合耐久性的主要因素，試件尺寸越大，浸漬剝離率越大。

在膠合耐久性試驗(yàn)中，浸漬和干燥過(guò)程水分梯度引起的應(yīng)力很可能會(huì)隨著試件形狀的變化而變化，從而影響浸漬剝離率。Knorz等［19］研究了試件形狀（方形和圓形）、層數(shù)、層厚和壓力對(duì)云杉（Picea asperata Mast）CLT浸漬剝離性能的影響。結(jié)果表明：試件的形狀和層數(shù)對(duì)浸漬剝離性能有一定的影響，方形和高層數(shù)CLT試件浸漬剝離率高于圓形和低層數(shù)CLT試件，而層厚和壓力不影響浸漬剝離性能。然而，也有研究表明，尺寸較大的CLT試件的膠合耐久性能好于尺寸小的試件，如Dugmore等［20］研究發(fā)現(xiàn)，70 mm（長(zhǎng)） × 70 mm（寬）的桉木CLT試件浸漬剝離率比100 mm（長(zhǎng)）×100 mm(寬)試件高19.1%。

2.4 層板預(yù)處理

偶聯(lián)劑能夠與氫鍵結(jié)合或和膠合界面形成化學(xué)鍵，使膠合界面更加牢固和穩(wěn)定，從而提高膠合木制品的膠合耐久性。Lu等［21］選用間苯二酚（PRF）、異氰酸酯（EPI）、單組份聚氨酯膠黏劑（PUR）和環(huán)氧樹脂（EP）4種結(jié)構(gòu)膠黏劑，并采用不同的木材表面預(yù)處理技術(shù)，研究桉木CLT的膠合耐久性能，發(fā)現(xiàn)只有PUR制備的桉木CLT膠合耐久性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)AITC Test T110—2007Cyclic Delamination Test要求。經(jīng)羥甲基間苯二酚處理后，單組份PUR、PRF和EP制備的CLT浸漬剝離率幾乎為零，而EPI制備的桉木CLT浸漬剝離率達(dá)到55.1%，是未處理前浸漬剝離率的1.5倍；經(jīng)二甲基甲酰胺處理后，4種結(jié)構(gòu)膠黏劑制備的CLT試件浸漬剝離率均滿足標(biāo)準(zhǔn)AITC Test T110—2007要求。Santos等［13］研究發(fā)現(xiàn)，偶聯(lián)劑預(yù)處理可以大大降低海岸松（Pinus pinaster Ait）CLT的浸漬剝離率，提高其膠合耐久性。砂光處理能夠改變材料表面自由能，產(chǎn)生大量的極性活性基團(tuán)，增強(qiáng)潤(rùn)濕性，提高膠合耐久性能［22］。Knorz等［23］發(fā)現(xiàn)經(jīng)砂光處理后木材的耐久性較好。

木材是一種生物質(zhì)材料，易被真菌降解。防腐處理可有效防止木材的降解，但同時(shí)會(huì)在亞微觀和微觀水平上對(duì)木材的膠合性能產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而影響浸漬剝離率。防腐劑可以在物理和化學(xué)上阻斷表面膠合力的形成，降低木材的潤(rùn)濕性，減少膠黏劑的粘附、滲透和擴(kuò)散，并改變膠黏劑的固化率。Lim等［24］使用微粉化的C型銅氮唑(MCA-C)防腐處理(1.0、2.4 kg/m3處理水平)美國(guó)南方松CLT，研究其膠合耐久性能，結(jié)果表明：未防腐處理的CLT試件在浸漬循環(huán)條件下未出現(xiàn)浸漬剝離現(xiàn)象，使用三聚氰胺甲醛(MF)和間苯二酚甲醛（PRF）制備的CLT試件經(jīng)防腐處理后浸漬剝離率隨防腐處理水平的增加而增加；而使用單組份PUR制備的CLT試件在兩種防腐處理水平下的浸漬剝離率均小于1%；MCA-C防腐處理后，單組份PUR制備的CLT膠合耐久性優(yōu)于MF和PRF。Anan等［25］研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)堿性季銨銅（ACQ）防腐處理的單一和混合結(jié)構(gòu)CLT未發(fā)生浸漬剝離。

3 結(jié)語(yǔ)

膠合耐久性是正交膠合木最基本的物理性能之一，其受多種因素影響，作用機(jī)理較復(fù)雜。制備CLT應(yīng)選擇適合基材的膠黏劑類型及工藝參數(shù)，以獲得理想的膠合耐久性能。目前對(duì)CLT膠合耐久性的研究還主要集中在三層CLT和單一材料CLT，對(duì)多層和混合結(jié)構(gòu)CLT的膠合耐久性能有待進(jìn)一步研究，從微觀角度分析不同結(jié)構(gòu)膠黏劑膠合的CLT膠合耐久性有助于完善CLT材料的膠合機(jī)理。今后應(yīng)注重對(duì)國(guó)產(chǎn)木材CLT膠合耐久性的研究，規(guī)范相應(yīng)的耐久性測(cè)試方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)。