日本落叶松正交胶合木抗弯性能研究

龚迎春，武国芳，徐俊华,2，任海青

(1 中国林科院 木材工业研究所，北京 100091；2 西南林业大学 设计学院，云南 昆明650000)

随着国外中高层木结构建筑业的蓬勃发展以及我国“GB/T 51226-2017多高层木结构建筑技术标准”的颁布，未来中国木结构建筑的发展趋势必将以中高层和大跨度木结构建筑为主[1]。结构安全主要取决于构件的安全，因此高强度工程木制品的研发显得尤为迫切。正交胶合木(cross-laminated timber,CLT)是国际上公认的高强度工程木制品，由3层及以上实木锯材或结构复合材垂直正交组坯，采用结构胶黏剂压制而成，主要用作木结构房屋的墙体、屋板、楼板等[2-3]。CLT的抗弯性能是CLT板重要的力学性能指标，弹性模量是CLT板强度等级划分的参考依据，决定了CLT板在建筑体系中的可靠性、使用寿命和经济性[4-5]。Jöbstl等[6]研究了不同宽度的5层CLT的抗弯性能，推导出CLT在正常使用状态和承载极限状态下的抗弯性能。国内对CLT的抗弯性能研究仍处于起步阶段，采用国产人工林制备CLT，其抗弯性能的基础数据尚处于空白。

我国第八次森林资源清查结果指出，人工林面积已增加到0.69亿hm2，蓄积量增加到24.83亿m3，人工林种植面积居世界第一[7-8]。2015年起我国全面实行天然林禁伐政策，人工林木材将是结构材及其产品的主要资源[9-10]。日本落叶松在辽宁、湖北等地已经大量成熟，但研究主要集中于培育、物理力学性能、制浆造纸等方面[11-12]，而针对日本落叶松研发高强度工程木产品的报道较少。鉴于此，本试验采用日本落叶松制备CLT板，研究层板模量、层数、层板厚度、组坯方向对CLT板抗弯性能的影响，旨在为CLT在木结构建筑中的应用提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

日本落叶松(LarixkaempferiCarr.)购自辽宁清原满族自治县国营英额门林场，小头直径25～32 cm，锯材的目标尺寸为2 800 mm(长)×89 mm(宽)×25 mm(厚)，平均含水率为(12.00±0.96)%,平均密度(0.580±0.074) g/cm3。

胶黏剂为单组分聚氨酯，购于哈尔滨城丰胶黏剂有限公司，主剂为米黄色黏稠液体，黏度9 Pa·s。

主要仪器有美国Instron 5582万能力学试验机，MTS 25吨弯曲试验机，YHD-100型位移引伸计，Fakopp(FRS-06/00，匈牙利)锯材应力波测定仪等。

1.2 CLT试样的制备

1.2.1 锯材的抗弯性能 利用应力波法对2 000根日本落叶松锯材进行动态弹性模量测定，参考国标“GB/T 26899-2011结构用集成材”[13]机械应力分级层板弹性模量的性能指标，定义弹性模量>8～<12 GPa为低模量组，≥12～≤16 GPa为中模量组，>16 GPa为高模量组，各组锯材数占2 000根供试锯材总数量的比例依次为33.8%，49.9%和16.3%。分别从低模量组、中模量组、高模量组选取28根锯材，进行静态足尺抗弯测试，结果见表1。

表1 日本落叶松锯材的抗弯性能Table 1 Bending properties of Larix kaempferi timber

1.2.2 CLT组坯 欧洲标准BS EN16351-2015中规定，典型CLT的组坯方式为正交组坯，但对于特殊要求的CLT，如作为结构梁为避免横向层受压发生剪切破坏，CLT组坯时横向层可采用斜组坯[14]。本试验主要采用如下组坯方式：1)3层正交组坯，上下表层分别采用低模量、中模量、高模量锯材，中间层统一为低模量锯材，锯材厚度25 mm，编号分别为L-CLT、M-CLT和H-CLT；2)3层、5层正交组坯以及5层中间层斜45°纹组坯，上下表层采用中模量锯材，中间层采用低模量锯材，锯材厚度15 mm,编号分别为B-CLT、Z-CLT和X-CLT。上述6种组坯方式，每种重复3次，共18块CLT(表2)。

表2 日本落叶松CLT的组坯方式Table 2 Layup of CLT fabricated with Larix kaempferi

注：//表示上下表层锯材平行组坯，⊥表示中间层锯材垂直组坯，45°表示中间层锯材斜45°组坯。

Note：// indicates outer timber parallel layup, ⊥ indicates middle timber perpendicular layup,and 45° indicates middle timber inclined by 45° layup.

1.2.3 制备CLT的工艺参数 CLT在宁波中加低碳新技术研究院有限公司完成制备，施胶量200 g/m2，采用网格型淋胶机，压机为国内自主研发，压力1.2 MPa，保压时间1.5 h。

1.3 试验方法

参考美国ANSI/APA PRG320-2012 “Standard for performance-rated cross-laminated timber”[15]，对制备的6组CLT进行抗弯弹性模量和抗弯强度测试，通过抗弯强度测试分析抗弯试件的破坏形式。采用四点弯测试，跨高比为30，加载速率5 mm/min。每组试验重复8次，结果取平均值，并采用SPSS 10.0软件对各组CLT间的抗弯弹性模量、抗弯强度测试数据进行最小显著差异性分析。

1.4 CLT等效抗弯刚度和弯矩的理论预测与检验

由于CLT是一种新型的工程木产品，改变其组坯形式、树种、生产参数等后，需要对其力学性能进行重新评价，过程漫长且费用较高。目前基于锯材的力学性能，通过理论模型预测CLT的等效抗弯刚度和弯矩，并采用静态足尺力学试验对预测值进行验证的方法在国外使用普遍[16-17]。一般采用机械连接理论、复合层板理论、剪力类比理论计算CLT的等效抗弯刚度(EIeff)，模型如下：

机械连接理论:

(1)

复合层板理论：

(2)

剪力类比理论:

(3)

式中：Ei是第i层弹性模量，Ii是第i层惯性矩，γi是第i层等效连接系数，Ai是第i层面积，ai是第i层中心到CLT中心轴的距离，Eb,0,eff是顺纹等效抗弯弹性模量，Ieff是等效惯性矩，E0是顺纹抗弯弹性模量，k1是复合系数，m、n为CLT板层数，E90是横纹抗弯弹性模量，EIA是梁A的弯曲刚度，EIB是梁B的弯曲刚度，bi是第i层的宽度，hi是第i层的厚度。

采用机械连接理论、复合层板理论、简单设计法计算CLT的抗弯弯矩(Mr)，模型如下：

(4)

(5)

(6)

式中：Fb是抗弯强度，E1是第1层弹性模量，γ1是第1层等效连接系数，a1是第1层中心到CLT中心轴的距离，h1是第1层的厚度，b是CLT的宽度，htot是CLT的总厚度。

对预测值与实测值进行相对误差分析，相对误差越小,说明预测模型的效果越好。

2 结果与分析

2.1 日本落叶松CLT抗弯试件的破坏形式

日本落叶松CLT抗弯试件的破坏形式见图1。由图1可知，CLT抗弯试件的破坏形式主要为底层锯材的拉伸破坏和中间层的剪切破坏。

1)底层锯材的拉伸破坏。CLT表层锯材发生褶皱，但CLT能继续承载，直到底层锯材受拉达到极限拉应变而发生破坏，CLT破坏时伴随较大的内部木纤维被拉断的声响。

2)中间层剪切破坏。CLT两端为剪应力较大区域，木材径切面方向的剪切强度明显低于纵切面和弦切面的剪切强度[18]，首先造成中间层锯材剪切破坏，但CLT能继续承载，直到底层锯材发生受拉破坏。

图1 日本落叶松锯材 CLT抗弯试件的破坏形式Fig.1 Failure modes in bending test for CLT fabricated with Larix kaempferi

2.2 组坯方式对日本落叶松CLT板抗弯性能的影响

各组日本落叶松CLT板抗弯弹性模量和抗弯强度的平均值和变异系数见表3。由表3可知，随着CLT表层锯材弹性模量的增加，CLT的抗弯弹性模量和抗弯强度呈递增趋势。H-CLT组抗弯弹性模量为16.76 GPa，较L-CLT、M-CLT组分别高出62.09%和28.33%。H-CLT组抗弯强度为59.76 MPa，较L-CLT、M-CLT组分别高出47.48%和15.86%。由于CLT抗弯试件破坏形式为底层锯材拉伸破坏，因此底层锯材强度的增加，能够显著提高CLT的抗弯性能。Wang等[19]研究采用锯材和结构复合材(LSL)制备混合CLT，底层采用LSL代替锯材，结果发现抗弯弹性模量和抗弯强度分别提高了19%和36%，抗弯弹性模量为9.7～11.6 GPa，抗弯强度为35.37～48.18 MPa，与本研究测试结果相似。

表3 各组日本落叶松CLT板的抗弯弹性模量和抗弯强度Table 3 Bending modulus and strength for different types of CLT fabricated with Larix kaempferi

由表3还可知，当CLT层数、锯材模量、组坯方向相同，只是锯材厚度从25 mm(M-CLT)减少到15 mm(B-CLT)时，抗弯弹性模量、抗弯强度分别增加2.30%和8.24%。当锯材厚度、锯材模量、组坯方向相同，只是层数从3层(B-CLT)增加到5层(Z-CLT)时，抗弯弹性模量、抗弯强度分别减小了14.82%和20.94%。其他条件相同时，斜45°组坯(X-CLT)与正交组坯(Z-CLT)的CLT相比，抗弯弹性模量、抗弯强度分别增加了3.69%和4.24%。

2.3 各组日本落叶松CLT板抗弯性能的方差分析

对各组日本落叶松CLT间的抗弯强度和抗弯弹性模量测试结果进行最小显著差异性分析，结果见表4。从表4可知，H-CLT、M-CLT、L-CLT组的抗弯弹性模量和抗弯强度两两之间均存在显著性差异，说明层板模量对CLT的抗弯性能影响显著，可根据层板模量分组制备不同等级的CLT板。锯材厚度和组坯方向对CLT的抗弯弹性模量和抗弯强度影响不显著，层数对CLT的抗弯弹性模量和抗弯强度存在显著性影响。随着层数的增加，横纹层离中心轴就越远，对截面惯性矩削弱也就越多，从而造成抗弯弹性模量和抗弯强度减小[20-21]。

表4 各组日本落叶松CLT间抗弯性能的最小显著差异分析结果Table 4 Least significant difference of bending properties for different types of CLT fabricated with Larix kaempferi

注：“/”表示前后两组相比。

Note:“/”indicates the comparison of front and back.

2.4 日本落叶松CLT等效抗弯刚度和抗弯弯矩的理论预测与检验

根据机械连接理论、复合层板理论、剪力类比理论和简单设计法，采用锯材静态抗弯弹性模量和抗弯强度推算日本落叶松CLT的等效抗弯刚度和抗弯弯矩，结果见表5和表6。 由表5可知，理论计算的等效抗弯刚度值普遍小于实测值，且相对误差都在8%以内。王韵璐等[5]采用机械连接理论计算加拿大铁杉CLT等效抗弯刚度，预测值与实测值的决定系数达到0.887，相对误差在10%左右，与本研究结果一致。本研究采用剪力类比理论计算的等效抗弯刚度值更接近实测值，L-CLT、M-CLT和H-CLT组等效抗弯刚度理论值与实测值的相对误差分别为-3.68%，2.29%和-4.72%，这主要是由于用剪力类比理论计算时考虑了滚动剪切对抗弯性能的影响，因此计算值更加接近实测值。

美国标准ANSI/APA PRG320-2012规定层板厚度为35 mm，3层CLT板E1和E2等级等效抗弯刚度分别为1 088×109和958 ×109(N·mm2)/m[15]。等效抗弯刚度与截面惯性矩有关，将本研究中3层75 mm厚CLT板转换成3层105 mm厚CLT板，根据剪力类比理论，结合表5数据，计算得到L-CLT、M-CLT和H-CLT组的等效抗弯刚度理论值分别为961×109，1 288×109，1 540×109(N·mm2)/m，除L-CLT组外，M-CLT和H-CLT组均达到ANSI/APA PRG320-2012规定中E1等级的要求。

表5 日本落叶松不同模量CLT板等效抗弯刚度预测值与实测值的比较Table 5 Comparison of the predicted and tested values of effective bending stiffness for different modulus of CLT fabricated with Larix kaempferi 109 (N·mm2)/m

注：括号中数据为理论预测值与实测值的误差，下表同。

Note:Values in parentheses are relative error of predicted and tested values.The same below.

由表6可知，日本落叶松CLT板抗弯弯矩理论值与实测值之间的相对误差基本在10%以内，其中采用简单设计法计算的抗弯弯矩值更加接近实测值，L-CLT、M-CLT和H-CLT组抗弯弯矩理论值与实测值的相对误差分别为1.53%，-6.12%，6.01%。ANSI/APA PRG320-2012规定3层CLT板E1和E2等级抗弯弯矩分别为42×106和36×106(N·mm)/m[15]，换算之后，L-CLT组的抗弯弯矩为37.99×106(N·mm)/m，达到E2等级，M-CLT、H-CLT组的抗弯弯矩分别为48.36×106和56.03×106(N·mm)/m，达到E1等级。

表6 日本落叶松不同模量 CLT板抗弯弯矩预测值与实测值的比较Table 6 Comparison of predicted and tested values of moment bending resistance for different modulus of CLT fabricated with Larix kaempferi 106 (N·mm)/m

3 结 论

1)层板模量对日本落叶松CLT的抗弯性能影响显著，随着CLT表层锯材弹性模量的增加，抗弯弹性模量和抗弯强度呈递增趋势。

2)锯材厚度和组坯方向对日本落叶松CLT抗弯弹性模量、抗弯强度影响不显著，层数对抗弯强度和抗弯弹性模量存在显著性影响，层数从3层增加到5层时，抗弯弹性模量和抗弯强度分别减小14.82%和20.94%。

3)日本落叶松CLT抗弯试件的破坏形式主要为底层锯材的拉伸破坏和中间层的剪切破坏。采用理论计算能够很好地预测CLT的等效抗弯刚度和抗弯弯矩，相对误差在10%左右，建议采用剪力类比理论预测等效抗弯刚度，采用简单设计法预测抗弯弯矩。

4)M-CLT和H-CLT组日本落叶松的等效抗弯刚度及抗弯弯矩达到ANSI/APA PRG320-2012规定中E1等级的要求，L-CLT组的等效抗弯刚度和抗弯弯矩达到E2等级要求。