王志強，付紅梅，陳銀慧

（南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 210037）

鋸材/單板層積材混合正交膠合木力學(xué)性能研究

王志強，付紅梅，陳銀慧

（南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 210037）

為改善正交膠合木（Cross laminated lumber, CLT）的力學(xué)性能，將加拿大云杉-松-冷杉規(guī)格材和單板層積材按照不同結(jié)構(gòu)進行混合組坯，形成3種不同結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)CLT，并對CLT試件進行彎曲和剪切力學(xué)性能測試，觀察試件破壞形式。試驗結(jié)果表明，芯層（橫向?qū)樱┘羟衅茐氖荂LT梁試件彎曲破壞的主要、關(guān)鍵形式，單板層積材（Laminated Veneer Lumber,LVL）顯示了較低的橫紋剪切性能；將LVL置于表層，能較大地改善CLT材料的力學(xué)性能，其順紋抗彎彈性模量比普通結(jié)構(gòu)CLT值提高17.6%，將LVL置于芯層（橫向?qū)樱?，SPF作為表層形成的混合CLT材料力學(xué)性能低于普通結(jié)構(gòu)CLT性能。

正交膠合木；單板層積材；混合結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能；破壞模式

正交膠合木(Cross laminated timber, CLT)是一種新型工程木產(chǎn)品，一般至少由3層實木鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合板材正交組坯，采用結(jié)構(gòu)膠粘劑壓制而成的平面板材形式的工廠預(yù)制工程木產(chǎn)品[1]。與其它工程木產(chǎn)品相比，CLT具有強度高、防火性、尺寸穩(wěn)定性好、工廠預(yù)制性好等優(yōu)點，可直接作為木結(jié)構(gòu)建筑中的樓蓋、屋蓋和墻體等建筑材料和構(gòu)件[1-2]。CLT最早于20世紀(jì)90年代在奧地利出現(xiàn)，近年來被廣泛應(yīng)用于住宅和非住宅建筑中的主要建筑材料，尤其是中層（6～8層）和高層（8層以上）建筑，如2012年在澳大利亞墨爾本已建成的10層CLT建筑forte 公寓和2009年在英國倫敦Hackney 區(qū)已建成的9 層CLT住宅建筑[2-3]。同時，將CLT結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合，設(shè)計高層摩天大樓，也具有了一定的可行性。由于CLT產(chǎn)品出現(xiàn)，發(fā)展中、高層木結(jié)構(gòu)建筑已成為國外木結(jié)構(gòu)建筑研究的新熱點。

目前國內(nèi)木結(jié)構(gòu)建筑允許的層數(shù)和高度與國外存在較大差距，比如輕型木結(jié)構(gòu)建筑允許層數(shù)為3層，允許建筑高度為10 m[4]，因此開展CLT產(chǎn)品及其建筑體系的研究將促進國內(nèi)木結(jié)構(gòu)建筑向中高層發(fā)展。國內(nèi)CLT方面的研究和應(yīng)用還在起步階段，本研究在前期CLT工藝研究基礎(chǔ)上[5]，展開鋸材與單板層積材（Laminated veneer lumber， LVL）混合結(jié)構(gòu)CLT的力學(xué)性能研究，評價鋸材與LVL不同組坯結(jié)構(gòu)對CLT力學(xué)性能的影響以及試件破壞模式，為后續(xù)CLT產(chǎn)品的工程應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

鋸材，樹種為云杉-松-冷杉spruce-pine- fir，SPF，平均密度0.43 g/cm3，平均含水率16%，等級為Japan級，寬度89 mm，厚度38 mm，長度2 440 mm，產(chǎn)地加拿大。單板層積材，樹種為花旗松Pseudotsuga menziesii，密度0.60 g/cm3，平均含水率12%，寬度305 mm，厚度45 mm，長度2 000 mm，產(chǎn)地美國。膠黏劑，單組份聚氨酯膠黏劑，型號為普邦HB S709。

1.2 試驗方案

采用單組份聚氨酯膠膠合SPF和LVL，參考木結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50329—2002）[6]制作膠縫順紋剪切試件，評價干態(tài)的試件膠合性能。試件順紋組坯，膠合面涂膠量為220 g/m2，試件數(shù)量4個。

將SPF和LVL材料作為構(gòu)成CLT不同層板材料進行混合組坯，即分別將SPF和LVL置于CLT不同層板位置，構(gòu)成3種混合結(jié)構(gòu)CLT（見表1）。

表1 CLT板坯結(jié)構(gòu)?Table 1 Construction of hybrid CLT

由于LVL表面不平整，存在單板接頭處高低差，試驗中首先將LVL上下表面刨光，刨光后統(tǒng)一厚度為38 mm。層板涂膠之前進行表面清理，采用單組份聚氨酯膠進行單面涂膠，涂膠量為220 g/m2，芯層（橫向?qū)樱影彘g無側(cè)面涂膠。試件涂膠后，立即組坯壓制，將試件放置在單層冷壓機中進行上下表面加壓，壓制時間3 h，壓制環(huán)境溫度18～20 ℃，壓力1 MPa[2,5]。壓制過程中，試件沒有側(cè)向加壓，為防止抗彎試件中間層在加壓過程中滑動、錯位，試件上下兩層板邊緣臨時固定膠合板長條（厚度9 mm，寬度20 mm）。壓制的CLT試件層數(shù)為3層，其中抗彎性能試件寬度89 mm，高度114 mm，長度2 000 mm?？辜粜阅茉嚰挾?05 mm，高度114 mm，長度610 mm，彎曲性能和剪切性能試件數(shù)量分別為每種類型5個和2個。

CLT試件壓制后，在室內(nèi)環(huán)境（溫度18～24℃，相對濕度60%～75%）中放置10 d，參考美國CLT標(biāo)準(zhǔn)《Standard for performance-rated crosslaminated timer》（ANSI/APA PRG320-2012）[7]測試CLT試件順紋抗彎和抗剪（順紋和橫紋）性能。其中，CLT彎曲測試采用四點彎曲方法，試件跨度為1 870 mm，是試件截面高度16.4倍，中間加載頭之間距離為570 mm，采用TDS-530（日本東京測器）型號位移計測試跨中撓度。CLT剪切測試試件跨度為570 mm，是試件截面高度5倍。

2 結(jié)果與分析

2.1 膠層膠粘性能

采用單組份聚氨酯膠膠合的SPF/LVL試件的平均干態(tài)膠縫順紋剪切強度值為7.7 MPa，試件木破率為100%（如圖1所示）。木結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50329-2002）中要求的相應(yīng)值為5.9 MPa[6]，試驗結(jié)果表明，本試驗條件下壓制試件的膠粘性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 試件膠縫順紋剪切破壞情況Fig.1 Sample failure in parallel shear test

2.2 試件破壞模式

彎曲試驗過程中，試件加載初期試件表現(xiàn)了良好的彈性行為；加載后期，在支座與加荷點之間的區(qū)域，試件芯層（橫向?qū)樱┦紫劝l(fā)生剪切破壞，繼而產(chǎn)生膠層剪切破壞等現(xiàn)象，而且?guī)缀踉谛緦樱M向?qū)樱┘羟衅茐陌l(fā)生同時，施加在試件上的荷載值達(dá)到最大值。試件破壞情況表明，芯層（橫向?qū)樱┑募羟衅茐膶υ嚰麄€彎曲破壞起控制性作用[1]。這主要由于SPF和LVL的橫切面剪切模量和強度都很低，在北美地區(qū)CLT材料工程設(shè)計中，將常見樹種，如花旗松，云杉-松-冷杉等材料的橫切面剪切模量統(tǒng)一取值為其順紋方向剪切模量的1/10，約52 MPa[1]。當(dāng)CLT梁試件四點彎曲試驗時，在支座與加荷點之間的區(qū)域存在最大的剪應(yīng)力，而導(dǎo)致了在這個區(qū)域首先發(fā)生芯層（橫向?qū)樱┑募羟衅茐腫8]。另外，試件破壞現(xiàn)象還表明SPF和LVL的橫紋剪切破壞裂紋走向不同。對于SPF橫向?qū)樱@種剪切破壞被定義為滾動剪切破壞（Rolling shear），指由于木材在同一年輪中早、晚材不同的抵抗剪切變形能力，因而在剪力作用下容易在早晚材過渡區(qū)域產(chǎn)生裂縫，發(fā)生滾動剪切破壞，如圖2（a）[1,2,5,9]；另外在試驗中還發(fā)現(xiàn)，沿著木射線方向破壞，也是主要的破壞形式，這主要是由于木射線細(xì)胞屬于薄壁組織，力學(xué)性能較弱。而LVL橫向?qū)拥臋M紋剪切破壞則呈現(xiàn)水平的破壞裂紋走向，如圖2（b）。

圖2 典型的CLT梁彎曲破壞模式Fig.2 Typical failure of CLT/HCLT in bending test

剪切試驗過程中，順紋剪切試件的主要破壞形式類似于彎曲試驗，仍是芯層（橫向?qū)樱┌l(fā)生剪切破壞，如圖3（a）和3（b）。而對于橫紋剪切試件，由于在本試驗條件下，加載處正對底層材料對接縫，因此破壞現(xiàn)象主要為底層材料對接縫處首先破壞，最后芯層（橫向?qū)樱┌l(fā)生破壞，結(jié)果如圖3（c）所示。

2.3 力學(xué)性能

圖3 典型的CLT試件剪切破壞模式Fig.3 Typical failure of CLT/HCLT in shear test

3種類型CLT試件力學(xué)性能見表2。從表2中可以看出，C類型混合結(jié)構(gòu)CLT試件具有最好的力學(xué)性能，順紋抗彎彈性模量（E0）分別比普通結(jié)構(gòu)CLT（A類型）和另一混合結(jié)構(gòu)CLT（B類型）高出17.59%和28.76%。這主要由于將具有更好剛度和更少缺陷的LVL材料置于表層，提高了整個材料的抗彎彈性模量。在抗彎強度方面，C類型和普通結(jié)構(gòu)CLT（A類型）差別不大，C類型僅高5.24%。這主要由于A、C類型試件的芯層（橫向?qū)樱┎牧隙际荢PF，橫向?qū)覵PF的滾動剪切強度對整個材料的彎曲和剪切強度起著控制性作用。比較A、B類型試件（兩者僅僅是芯層材料不同）的強度性能，A類型的順紋抗彎彈性模量（E0）和順紋抗彎強度（fb0）分別比B類型高9.5%和11.28%。這可能是由于經(jīng)過旋切加工后，LVL中的單板存在裂隙，導(dǎo)致LVL橫切面剪切性能劣于SPF，因而降低了整個材料的強度性能。

表2 CLT力學(xué)性能?Table 2 Mechanical properties of HCLT/CLT

對于順紋抗剪強度（fv0），試件芯層（橫向?qū)樱┏惺軝M紋剪切，最終發(fā)生橫向滾動剪切破壞。芯層為LVL材料的B類型的fv0值低于其他兩種芯層為SPF材料的A、C類型值，這說明LVL比SPF材料具有更低的橫紋抗剪能力。而對于橫紋抗剪強度（fv90）測試，試件芯層（中間層）為順紋剪切，試件的破壞現(xiàn)象主要為底層材料對接縫處首先破壞，因此3種類型CLT試件的fv90值差別很小。

以上分析可以得到，將LVL置于表層，可以增加CLT材料的力學(xué)性能；將LVL置于中間，作為芯層（橫向?qū)樱?，整個材料的力學(xué)性能會有所下降。

3 結(jié) 論

（1）由于結(jié)構(gòu)正交性和木質(zhì)材料較低的橫紋剪切性能，CLT梁彎曲破壞時，芯層（橫向?qū)樱┘羟衅茐氖荂LT梁試件彎曲破壞時的主要、關(guān)鍵形式，在芯層（橫向?qū)樱┘羟衅茐陌l(fā)生同時，施加在試件上的荷載值達(dá)到最大值。

（2）SPF和LVL呈現(xiàn)不同的橫紋剪切破壞裂紋走向，LVL顯示了比SPF更低的橫紋剪切性能。

（3）將LVL置于表層，能較大改善CLT材料的力學(xué)性能，將LVL置于芯層，作為橫向?qū)?，SPF作為表層材料形成的HCLT材料的力學(xué)性能較低。

（4）本研究限于材料彎曲力學(xué)性能和破壞模式的實驗比較分析，為提高材料在工程中的應(yīng)用率，后續(xù)可以進行材料彎曲破壞機理研究，如探索破壞裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，以及建立數(shù)值模型預(yù)測材料的力學(xué)性能，對材料結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

[1] Sylvain Ggnon, E. M.(Ted) Bilek, Lisa Podsto, et al. CLT Handbook: cross-laminated timber[M]. U.S.A: FPInnovation,2012.

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[3] Kuilen J W G V, Ceccotti A, Xia Z, et al. Very tall wooden buildings with cross laminated timber[J]. Procedia Engineering,2011(14): 1621-1628.

[4] GB 50016-2004,建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].

[5] 王志強,付紅梅,戴驍漢,等. 不同樹種木材復(fù)合交錯層壓膠合木的力學(xué)性能[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2014, 34(12):141-145.

[6] GB/T 50239-2002,木結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[7] ANSI/APA PRG 320-2012, Standard for performance-rated cross-laminated timer[S].

[8] Chen Y, Lam F. Bending performance of box-based crosslaminated timber systems[J]. Journal of structural engineering,2013, 139 (12): 4013006.

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Mechanical performances of hybrid cross laminated timber fabricated by lumber/laminated veneer lumber

WANG Zhi-qiang, FU Hong-mei, CHEN Yin-hui
（College of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China）

Hybrid cross laminated timber (HCLT) was fabricated using lumber(Spruce-pine- fir，SPF) and/or laminated veneer lumber(LVL), the mechanical performances of which were evaluated. Three types of CLT panels, one generic CLT (used as control) and two types HCLT were fabricated. The failure modes of each kind of specimens were visually examined and recorded. The properties measured included the bending properties (in the major direction) and planar shear properties (in both major and minor directions). It was found that the planar shear failure of cross layer was the key and primary failure mode of CLT and HCLT in bending test. Lumber and LVL had different direction of crack propagation in planar shear, and LVL had lower planar shear properties than SPF lumber. The HCLT having LVL as the outer layer has the highest bending and shear properties. The modulus of elasticity (MOE) of the HCLT having LVL as the outer layer and lumber as the cross layer was 17.6% higher than that of generic CLT. However, the HCLT having lumber as the outer layer and LVL as the cross layer had the lowest mechanical properties.

cross laminated timber; laminated veneer lumber; hybrid structure; mechanical properties; failure mode

S781.21

A

1673-923X(2016)08-0121-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.08.021

2015-09-22

國家自然科學(xué)基金項目（31570559）；2014年江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新項目（BY2014006-05）；十二五國家科技計劃項目（2015BAD14B05）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目

王志強，副教授，博士；E-mail：wangzhiqiang@njfu.edu.cn

王志強，付紅梅，陳銀慧. 鋸材/單板層積材混合正交膠合木力學(xué)性能研究 [J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2016, 36(8):121-124.

[本文編校：文鳳鳴]