构造特征对正交胶合木物理力学性能影响研究进展

何 叶 王志强* 赵天长

（1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；
2.江苏森之虎建筑工程有限公司，江苏 南京 210008）

正交胶合木（Cross-laminated timber, CLT）是一种由实木锯材或结构复合木材作为层板，相邻层板相互垂直组坯（常为三层或三层以上奇数层），并施加结构胶黏剂加压制成的新型工程木产品[1]。CLT与胶合木具有相同的层板材料（实木锯材），但不同于一维胶合木梁或柱构件，正交组坯结构使得CLT为二维板构件，在面内两个方向（宽度和长度）都具有较好的强度和尺寸稳定性。CLT与胶合板具有相同的组坯结构（正交组坯），但由于木材在其横切面的剪切性能较低以及CLT横向层锯材厚度较胶合板单板厚，使得横向层滚动剪切性能成为CLT构件受到面外加载时的关键力学性能，滚动剪切也成为主要的破坏模式[2]。目前，国内外学者围绕CLT构造特征对其性能的影响进行了多方位、多层次的研究，从物理、力学、隔音、保温和防火等多个性能方面评价构造特征影响，不仅直观分析破坏模式，而且采用数字图像相关法（Digital image correlation，DIC）等方法评价破坏机理，对确保CLT在使用过程中的安全性及可靠性具有重要意义。

CLT构造特征主要包括：同一层层板侧面之间的缝隙和层板侧面之间涂胶与否，层板中设置的应力释放缝，层板厚度，横向层层板宽厚比和层板布置方向等，如图1。

图1 CLT构造特征Fig.1 Structural characteristics of CLT

在CLT生产中，为节省成本和降低CLT板坯的变形，通常在同一层层板锯材侧面之间不涂胶，但这样会导致层板侧面之间存在不同宽度的缝隙。Uibel等[3]统计了某几种CLT产品（侧面未涂胶）的层板侧面缝隙分布及大小。如表1所示，几乎每一层的层板之间都存在缝隙，最大缝隙宽度达到7.3 mm。此外，相关标准中也允许和规定了CLT层板侧面之间的缝隙设置，如欧洲CLT产品标准BS EN 16351[4]规定，CLT同一层板间的侧面缝隙宽度不超过6 mm。

表1 不同产品层板中的缝隙宽度Tab.1 Width of gaps between laminates for different products

压制CLT可以采用机械加压或者真空加压的方式。真空加压是将组坯涂胶后的CLT放在密闭的容器中，通常仅施加0.1 MPa的真空压力，将CLT冷压成型。机械加压压力大，压制出的产品性能好，是目前制备CLT的主要方法。与机械加压相比，真空加压具有设备投资少的优点，但由于真空压力小，存在层板翘曲等缺陷。为避免加压时锯材翘曲变形及消除锯材表面锯屑等因素带来的影响，通常沿着锯材长度方向切割一条应力释放缝（也称变形缝），但这同时也会导致锯材和CLT强度的损失[5]。为降低应力释放缝的不利影响，BS EN 16351[4]中规定，CLT层板的应力释放缝深度应小于层板厚度的90%，宽度不超过4 mm。

此外，目前对于CLT层板的厚度、宽度和宽厚比，不同CLT标准或规范[1,4,6]的要求不尽相同，具体如表2所示。层板宽厚比是指组成CLT的锯材单元或结构复合材单元的宽度和厚度的比值（图1）。就CLT而言，大多数研究更关注横向层层板的宽厚比。有研究表明：横向层层板的宽厚比对CLT滚动剪切性能的影响很大，随着宽厚比的增加，滚动剪切性能也随之增强[7]。因此，相关标准中规定了横向层宽厚比的最小值，如表2所示。

表2 不同标准的部分构造特征要求Tab.2 Some structural feature requirements of different standards

CLT通常是正交组坯的，即相邻层板间的纹理方向相互垂直。对于CLT楼板构件，其表层层板纹理方向平行于CLT板长度方向，称为纵向层，该方向也称为主强度方向；
而纹理方向平行于CLT板宽度方向的层板，称为横向层，该方向也称为次强度方向[6]，如图1 所示。与实木相比，CLT相邻层的正交结构使其在材料主、次两个方向具有相同的干缩湿胀性能，尺寸稳定性优异，并且在平面内和平面外都具有较高的强度和阻止连接件劈裂的性能[5]，但这种正交结构也导致了CLT横向层抗剪性能薄弱等不足。因此，为改善CLT力学性能，可以对其组坯结构进行设计，如横向层45°铺设，如图2(a)所示；
或连续两层顺纹组坯，如图2(b)所示。

图2 CLT组坯结构设计Fig.2 Lay-up structural design of CLT

2.1 横向层侧面缝隙影响

大部分CLT产品中只在锯材上下表面涂胶，因此同一层锯材侧面会存在一定宽度的缝隙。缝隙的存在有利于减少CLT板坯变形、CLT的生产成本和时间[8]。相比之下，侧面涂胶增加了胶黏剂的用量和生产时间，但也有利于提升CLT的力学性能[9-10]。国内外研究者围绕缝隙对CLT物理力学性能的影响和机理进行了研究。

横向层层板侧面不涂胶，在未涂胶处或缝隙处易出现应力集中现象[9]。李桥等[10]探讨了组坯结构等因素对混合结构CLT抗弯性能影响，研究表明：当表层层板为横纹组坯且侧面未涂胶时，在层板缝隙处容易发生拉伸破坏。Wang等[11]通过CLT的面内剪切试验，评价了CLT横向层层板侧面是否涂胶和横向层层板之间缝隙宽度（0、2、4 mm和6 mm）对滚动剪切性能的影响，发现侧面未涂胶和横向层层板的缝隙会导致应力集中和初始破坏裂纹，但缝隙宽度超过2 mm时，对滚动剪切强度的影响可以忽略不计。Gui等[12]运用DIC方法评价了CLT滚动剪切应变的发展和分布，结果表明：剪切应变较高的区域首先出现在横向层板间的缝隙部分，在该区域试件更容易发生滚动剪切破坏。

Flores等[8]在模拟CLT三点弯曲试验时发现，与侧面涂胶的试件相比，侧面未涂胶试件的滚动剪切破坏临界荷载值降低了40%。Brandner等[13]对CLT进行的面内剪切试验中，发现侧面涂胶CLT试件的剪切强度约为侧面未涂胶CLT试件的一倍。在侧面未涂胶条件下，与没有缝隙的试件相比，5 mm缝隙导致CLT的剪切模量降低了35%，面内剪切强度降低了12%。Gardner等[14]研究了横向层缝隙对CLT抗剪强度和滚动剪切模量的影响，对缝隙分别为0、6、89 mm和178 mm的五层CLT进行了短跨三点弯曲测试。结果表明：在CLT抗剪强度满足北美正交胶合木性能等级标准（ANSI/APA PRG 320）[6]前提下，小尺寸的缝隙（6 mm）不会降低其抗剪强度，而对于较大的缝隙，如89 mm和178 mm，滚动剪切强度会随着缝隙的增大而降低。此外，尽管缝隙降低了CLT的极限抗剪强度，但该研究中所有CLT的抗剪强度超过了PRG 320[6]中的容许值。这意味着在满足CLT所需抗剪强度的同时，可以考虑在CLT的横向层锯材之间留出一定宽度的缝隙。如果用于隔音、隔热或公用管道，这些缝隙可能会带来一定益处，还能够减少材料用量和降低构件自重。

侧面是否涂胶还会对CLT的物理性能（如隔音、保温、防火性能）、连接性能、产品外观等造成影响。Villu等[15]评估了生产技术对CLT气密性的影响，结果显示：通过侧面涂胶能够有效降低木材的收缩率，从而使CLT表面的裂纹增长率保持在较低百分比。同时该研究也指出，后续横向层可能会发生胶层开裂，而导致CLT的气密性降低。胶黏剂的热稳定性会直接影响CLT受火后炭化层的掉落情况。Craft等[16]在研究胶黏剂对CLT防火性能的试验中，采用单组分聚氨酯胶制作了层板侧面涂胶和不涂胶的两类CLT试件，观察其燃烧过程，发现侧面涂胶CLT的炭化层是整体脱落，而侧面不涂胶CLT的炭化层则是以碎片形式脱落。因此，层板侧面不涂胶CLT的防火性能更好。

2.2 层板厚度和横向层宽厚比影响

CLT由锯材正交组坯胶合构成，锯材的质量好坏及尺寸大小会直接影响CLT产品的性能。层板厚度是CLT的一个重要尺寸参数，不同层板厚度所造成的影响不可忽略。

国内外学者探讨了层板厚度对CLT滚动剪切性能的影响。Sikora等[17]研究了不同层板厚度（20、24 mm和40 mm）对北美云杉（Sitka spruce）CLT力学性能的影响。结果表明：随着层板厚度增加，滚动剪切强度和抗弯强度呈下降趋势。Li[18]发现层板厚度对CLT的滚动剪切强度有显著影响。由于尺寸效应，层板越厚，CLT滚动剪切强度更低，且在达到峰值荷载后更容易发生二次拉伸破坏。此外，层板厚度增加，木材中存在的宏观缺陷增多，对CLT的力学性能会造成不利影响。上述研究一致表明：层板厚度显著影响CLT的力学性能，其中滚动剪切强度随着层板厚度的增加而降低。

除CLT抗弯和抗剪性能会受层板厚度的影响外，也有学者基于层板厚度对CLT其他力学性能的贡献展开研究。Brandner[19]研究发现，随着试件厚度减小，CLT平均横纹承压强度降低，但降低效果不明显。He等[20]分析了CLT厚度对其弯曲及剪切性能的影响，研究发现，在保持相同跨高比的同时增加CLT厚度，CLT特征弯曲强度有小幅度降低。龚迎春等[21-23]发现，层板厚度的变化会显著影响CLT层间剪切强度，对抗弯和抗压性能的影响相对较小。Dong等[24]采用半孔法研究了CLT横向层厚度与总厚度之比对CLT销槽承压强度的影响。数据表明：横向层厚度占比对CLT的销槽承压强度有显著影响，随着横向层厚度占比的增加，CLT的销槽承压强度降低，延性提高。宁凡等[25]探究了组坯方式对正交胶合木双向板弯曲性能的影响，发现厚度相同的CLT，增加层板数量，即减少层板厚度能有效提高双向板的整体承载能力。

CLT的防火性能也会受层板厚度影响。张晋等[26]发现，炭化层脱落的时间受CLT层板厚度影响。在总厚度相同条件下，由于层板厚度较薄，五层CLT比三层CLT更早发生炭化层脱落。Frangi等[27]对厚度均为60 mm 的三层和五层CLT板进行防火试验研究，结果发现，如果CLT的外层板较厚，其燃烧时炭化层不容易发生剥落，有更优异的耐火性能。Wiesner等[28]研究了火灾下总厚度相对，不同层数的CLT受压构件的力学性能，发现在室温条件下，三层CLT的抗压强度高于五层CLT；
而在燃烧条件下，三层CLT比五层CLT先发生破坏。这是因为三层CLT受燃后外层发生炭化，有效截面面积减小，从而影响构件的整体稳定性。

除层板厚度外，层板宽厚比也会对CLT的性能造成较大影响。Gui等[12]为评价速生桉木（Eucalyptus urophyllaS.T.Blak）在CLT应用中的滚动剪切性能，对比了不同宽厚比（2，4，6）的SPF（Spruce-pine-fir）和桉木混合三层CLT试件的滚动剪切性能。结果显示：降低层板宽厚比，CLT更容易发生滚动剪切破坏，且相比于滚动剪切强度，层板宽厚比对滚动剪切模量的影响更大。Li等[29]通过短跨弯曲和改进的平面剪切试验方法以及数值建模，评价了不同层板宽厚比的CLT的滚动剪切强度，基于试验数据发现层板宽厚比（4-10）与CLT滚动剪切强度间存在正相关关系，且建立了线性方程。结果表明：CLT滚动剪切强度随着层板宽厚比的增加而增加，层板宽厚比从4.1增加到9.8时，平均滚动剪切强度提高了约43%。

另外，CLT层板宽厚比的变化对其刚度的影响也值得关注。Turesson等[30]研究了层板的宽厚比对三层CLT面内剪切刚度的影响，并以折减系数k88描述。研究表明：奇数层和偶数层层板的尺寸对刚度折减系数的影响显著，CLT构件总厚度一定时，可以通过增加奇数层层板的宽厚比提高CLT面内剪切刚度。Berg等[31]使用有限元方法模拟了不同层板宽厚比的CLT受均布面外荷载情况下的力学性能，结果表明：CLT的刚度会随着层板宽厚比的增加而增加。

2.3 层板布置方向影响

木材是一种正交各向异性材料，承受不同方向荷载时具有不同的力学性能。对于CLT而言，各层锯材间组坯角度也会影响其物理力学性能。相关标准规定，普通CLT的相邻层板间的纹理应相互垂直，即正交组坯，但该种方式会导致CLT的层间剪切性能与胶合木等产品相比较低[21,32]。赵立等[33]提出，当木材的纤维方向平行时，胶合强度最大，CLT采用正交组坯，相邻层木材的纹理方向相互垂直，其胶层剪切强度较顺纹组坯的胶合木等产品胶层剪切强度降低了约30%～50%。相邻层板间垂直胶合，也更容易引起胶层开裂[34]。另一方面，为了改善CLT横向层滚动剪切强度，可相应地设计CLT的层板布置方向，如横向层锯材呈45°布置时，其受力方式介于横纹和顺纹受力之间，抗剪能力会得到提升。龚迎春等[21]通过试验和理论计算证明，与普通的正交组坯方式相比，横向层斜向45°组坯能大幅度提高CLT的层间剪切性能。Dietrich等[35]研究了横向层45°组坯和90°组坯的CLT的弯曲性能，结果表明：前者的弯曲强度比后者提高了35%。随后，该学者通过面内压缩试验比较了这两种形式CLT的抗压性能，与90°组坯相比，45°组坯的CLT的抗压性能更好，抗压刚度和强度分别高出30%和15%[36]。Matthias等[37]探讨了横向层不同铺设方向（30°、±45°和60°）斜交胶合木（Diagonal laminated timber，DLT）的力学性能。与CLT相比，DLT扭转刚度显著提高，DLT的优势主要在其单轴荷载传递方面的力学性能，在正常使用极限状态的楼板系统条件下，DLT更容易满足要求。

CLT独特的构造特征使其在平面内和平面外都有较好的尺寸稳定性和力学性能，且抗震性能优异、强重比高，在木结构建筑用材中广受青睐。CLT构造特征与其物理力学性能之间的关系密不可分，单个构造特征的变化对其性能的影响不可忽略，且不同构造特征之间的相互影响机理也较为复杂。目前，CLT构造特征对其物理力学性能影响研究主要集中于单个因素的单一影响和对于短期物理力学性能的影响，多个构造特征之间相互作用的耦合影响和对于长期物理力学性能的影响机理还有待进一步深入研究。在特定的场合和用途下，CLT制作应选择合适的构造特征，以获得理想的物理力学性能。

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