日本落葉松正交膠合木抗彎性能研究

龔迎春，武國(guó)芳，徐俊華,2，任海青

(1 中國(guó)林科院 木材工業(yè)研究所，北京 100091；2 西南林業(yè)大學(xué) 設(shè)計(jì)學(xué)院，云南 昆明650000)

隨著國(guó)外中高層木結(jié)構(gòu)建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展以及我國(guó)“GB/T 51226-2017多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”的頒布，未來(lái)中國(guó)木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展趨勢(shì)必將以中高層和大跨度木結(jié)構(gòu)建筑為主[1]。結(jié)構(gòu)安全主要取決于構(gòu)件的安全，因此高強(qiáng)度工程木制品的研發(fā)顯得尤為迫切。正交膠合木(cross-laminated timber,CLT)是國(guó)際上公認(rèn)的高強(qiáng)度工程木制品，由3層及以上實(shí)木鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合材垂直正交組坯，采用結(jié)構(gòu)膠黏劑壓制而成，主要用作木結(jié)構(gòu)房屋的墻體、屋板、樓板等[2-3]。CLT的抗彎性能是CLT板重要的力學(xué)性能指標(biāo)，彈性模量是CLT板強(qiáng)度等級(jí)劃分的參考依據(jù)，決定了CLT板在建筑體系中的可靠性、使用壽命和經(jīng)濟(jì)性[4-5]。J?bstl等[6]研究了不同寬度的5層CLT的抗彎性能，推導(dǎo)出CLT在正常使用狀態(tài)和承載極限狀態(tài)下的抗彎性能。國(guó)內(nèi)對(duì)CLT的抗彎性能研究仍處于起步階段，采用國(guó)產(chǎn)人工林制備CLT，其抗彎性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)尚處于空白。

我國(guó)第八次森林資源清查結(jié)果指出，人工林面積已增加到0.69億hm2，蓄積量增加到24.83億m3，人工林種植面積居世界第一[7-8]。2015年起我國(guó)全面實(shí)行天然林禁伐政策，人工林木材將是結(jié)構(gòu)材及其產(chǎn)品的主要資源[9-10]。日本落葉松在遼寧、湖北等地已經(jīng)大量成熟，但研究主要集中于培育、物理力學(xué)性能、制漿造紙等方面[11-12]，而針對(duì)日本落葉松研發(fā)高強(qiáng)度工程木產(chǎn)品的報(bào)道較少。鑒于此，本試驗(yàn)采用日本落葉松制備CLT板，研究層板模量、層數(shù)、層板厚度、組坯方向?qū)LT板抗彎性能的影響，旨在為CLT在木結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

日本落葉松(LarixkaempferiCarr.)購(gòu)自遼寧清原滿族自治縣國(guó)營(yíng)英額門林場(chǎng)，小頭直徑25～32 cm，鋸材的目標(biāo)尺寸為2 800 mm(長(zhǎng))×89 mm(寬)×25 mm(厚)，平均含水率為(12.00±0.96)%,平均密度(0.580±0.074) g/cm3。

膠黏劑為單組分聚氨酯，購(gòu)于哈爾濱城豐膠黏劑有限公司，主劑為米黃色黏稠液體，黏度9 Pa·s。

主要儀器有美國(guó)Instron 5582萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，MTS 25噸彎曲試驗(yàn)機(jī)，YHD-100型位移引伸計(jì)，F(xiàn)akopp(FRS-06/00，匈牙利)鋸材應(yīng)力波測(cè)定儀等。

1.2 CLT試樣的制備

1.2.1 鋸材的抗彎性能 利用應(yīng)力波法對(duì)2 000根日本落葉松鋸材進(jìn)行動(dòng)態(tài)彈性模量測(cè)定，參考國(guó)標(biāo)“GB/T 26899-2011結(jié)構(gòu)用集成材”[13]機(jī)械應(yīng)力分級(jí)層板彈性模量的性能指標(biāo)，定義彈性模量>8～<12 GPa為低模量組，≥12～≤16 GPa為中模量組，>16 GPa為高模量組，各組鋸材數(shù)占2 000根供試鋸材總數(shù)量的比例依次為33.8%，49.9%和16.3%。分別從低模量組、中模量組、高模量組選取28根鋸材，進(jìn)行靜態(tài)足尺抗彎測(cè)試，結(jié)果見表1。

表1 日本落葉松鋸材的抗彎性能Table 1 Bending properties of Larix kaempferi timber

1.2.2 CLT組坯 歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN16351-2015中規(guī)定，典型CLT的組坯方式為正交組坯，但對(duì)于特殊要求的CLT，如作為結(jié)構(gòu)梁為避免橫向?qū)邮軌喊l(fā)生剪切破壞，CLT組坯時(shí)橫向?qū)涌刹捎眯苯M坯[14]。本試驗(yàn)主要采用如下組坯方式：1)3層正交組坯，上下表層分別采用低模量、中模量、高模量鋸材，中間層統(tǒng)一為低模量鋸材，鋸材厚度25 mm，編號(hào)分別為L(zhǎng)-CLT、M-CLT和H-CLT；2)3層、5層正交組坯以及5層中間層斜45°紋組坯，上下表層采用中模量鋸材，中間層采用低模量鋸材，鋸材厚度15 mm,編號(hào)分別為B-CLT、Z-CLT和X-CLT。上述6種組坯方式，每種重復(fù)3次，共18塊CLT(表2)。

表2 日本落葉松CLT的組坯方式Table 2 Layup of CLT fabricated with Larix kaempferi

注：//表示上下表層鋸材平行組坯，⊥表示中間層鋸材垂直組坯，45°表示中間層鋸材斜45°組坯。

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

1.2.3 制備CLT的工藝參數(shù) CLT在寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司完成制備，施膠量200 g/m2，采用網(wǎng)格型淋膠機(jī)，壓機(jī)為國(guó)內(nèi)自主研發(fā)，壓力1.2 MPa，保壓時(shí)間1.5 h。

1.3 試驗(yàn)方法

參考美國(guó)ANSI/APA PRG320-2012 “Standard for performance-rated cross-laminated timber”[15]，對(duì)制備的6組CLT進(jìn)行抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度測(cè)試，通過(guò)抗彎強(qiáng)度測(cè)試分析抗彎試件的破壞形式。采用四點(diǎn)彎測(cè)試，跨高比為30，加載速率5 mm/min。每組試驗(yàn)重復(fù)8次，結(jié)果取平均值，并采用SPSS 10.0軟件對(duì)各組CLT間的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行最小顯著差異性分析。

1.4 CLT等效抗彎剛度和彎矩的理論預(yù)測(cè)與檢驗(yàn)

由于CLT是一種新型的工程木產(chǎn)品，改變其組坯形式、樹種、生產(chǎn)參數(shù)等后，需要對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行重新評(píng)價(jià)，過(guò)程漫長(zhǎng)且費(fèi)用較高。目前基于鋸材的力學(xué)性能，通過(guò)理論模型預(yù)測(cè)CLT的等效抗彎剛度和彎矩，并采用靜態(tài)足尺力學(xué)試驗(yàn)對(duì)預(yù)測(cè)值進(jìn)行驗(yàn)證的方法在國(guó)外使用普遍[16-17]。一般采用機(jī)械連接理論、復(fù)合層板理論、剪力類比理論計(jì)算CLT的等效抗彎剛度(EIeff)，模型如下：

機(jī)械連接理論:

(1)

復(fù)合層板理論：

(2)

剪力類比理論:

(3)

式中：Ei是第i層彈性模量，Ii是第i層慣性矩，γi是第i層等效連接系數(shù)，Ai是第i層面積，ai是第i層中心到CLT中心軸的距離，Eb,0,eff是順紋等效抗彎彈性模量，Ieff是等效慣性矩，E0是順紋抗彎彈性模量，k1是復(fù)合系數(shù)，m、n為CLT板層數(shù)，E90是橫紋抗彎彈性模量，EIA是梁A的彎曲剛度，EIB是梁B的彎曲剛度，bi是第i層的寬度，hi是第i層的厚度。

采用機(jī)械連接理論、復(fù)合層板理論、簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)法計(jì)算CLT的抗彎彎矩(Mr)，模型如下：

(4)

(5)

(6)

式中：Fb是抗彎強(qiáng)度，E1是第1層彈性模量，γ1是第1層等效連接系數(shù)，a1是第1層中心到CLT中心軸的距離，h1是第1層的厚度，b是CLT的寬度，htot是CLT的總厚度。

對(duì)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行相對(duì)誤差分析，相對(duì)誤差越小,說(shuō)明預(yù)測(cè)模型的效果越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 日本落葉松CLT抗彎試件的破壞形式

日本落葉松CLT抗彎試件的破壞形式見圖1。由圖1可知，CLT抗彎試件的破壞形式主要為底層鋸材的拉伸破壞和中間層的剪切破壞。

1)底層鋸材的拉伸破壞。CLT表層鋸材發(fā)生褶皺，但CLT能繼續(xù)承載，直到底層鋸材受拉達(dá)到極限拉應(yīng)變而發(fā)生破壞，CLT破壞時(shí)伴隨較大的內(nèi)部木纖維被拉斷的聲響。

2)中間層剪切破壞。CLT兩端為剪應(yīng)力較大區(qū)域，木材徑切面方向的剪切強(qiáng)度明顯低于縱切面和弦切面的剪切強(qiáng)度[18]，首先造成中間層鋸材剪切破壞，但CLT能繼續(xù)承載，直到底層鋸材發(fā)生受拉破壞。

圖1 日本落葉松鋸材 CLT抗彎試件的破壞形式Fig.1 Failure modes in bending test for CLT fabricated with Larix kaempferi

2.2 組坯方式對(duì)日本落葉松CLT板抗彎性能的影響

各組日本落葉松CLT板抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度的平均值和變異系數(shù)見表3。由表3可知，隨著CLT表層鋸材彈性模量的增加，CLT的抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度呈遞增趨勢(shì)。H-CLT組抗彎彈性模量為16.76 GPa，較L-CLT、M-CLT組分別高出62.09%和28.33%。H-CLT組抗彎強(qiáng)度為59.76 MPa，較L-CLT、M-CLT組分別高出47.48%和15.86%。由于CLT抗彎試件破壞形式為底層鋸材拉伸破壞，因此底層鋸材強(qiáng)度的增加，能夠顯著提高CLT的抗彎性能。Wang等[19]研究采用鋸材和結(jié)構(gòu)復(fù)合材(LSL)制備混合CLT，底層采用LSL代替鋸材，結(jié)果發(fā)現(xiàn)抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度分別提高了19%和36%，抗彎彈性模量為9.7～11.6 GPa，抗彎強(qiáng)度為35.37～48.18 MPa，與本研究測(cè)試結(jié)果相似。

表3 各組日本落葉松CLT板的抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度Table 3 Bending modulus and strength for different types of CLT fabricated with Larix kaempferi

由表3還可知，當(dāng)CLT層數(shù)、鋸材模量、組坯方向相同，只是鋸材厚度從25 mm(M-CLT)減少到15 mm(B-CLT)時(shí)，抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度分別增加2.30%和8.24%。當(dāng)鋸材厚度、鋸材模量、組坯方向相同，只是層數(shù)從3層(B-CLT)增加到5層(Z-CLT)時(shí)，抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度分別減小了14.82%和20.94%。其他條件相同時(shí)，斜45°組坯(X-CLT)與正交組坯(Z-CLT)的CLT相比，抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度分別增加了3.69%和4.24%。

2.3 各組日本落葉松CLT板抗彎性能的方差分析

對(duì)各組日本落葉松CLT間的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量測(cè)試結(jié)果進(jìn)行最小顯著差異性分析，結(jié)果見表4。從表4可知，H-CLT、M-CLT、L-CLT組的抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度兩兩之間均存在顯著性差異，說(shuō)明層板模量對(duì)CLT的抗彎性能影響顯著，可根據(jù)層板模量分組制備不同等級(jí)的CLT板。鋸材厚度和組坯方向?qū)LT的抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度影響不顯著，層數(shù)對(duì)CLT的抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度存在顯著性影響。隨著層數(shù)的增加，橫紋層離中心軸就越遠(yuǎn)，對(duì)截面慣性矩削弱也就越多，從而造成抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度減小[20-21]。

表4 各組日本落葉松CLT間抗彎性能的最小顯著差異分析結(jié)果Table 4 Least significant difference of bending properties for different types of CLT fabricated with Larix kaempferi

注：“/”表示前后兩組相比。

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

2.4 日本落葉松CLT等效抗彎剛度和抗彎彎矩的理論預(yù)測(cè)與檢驗(yàn)

根據(jù)機(jī)械連接理論、復(fù)合層板理論、剪力類比理論和簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)法，采用鋸材靜態(tài)抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度推算日本落葉松CLT的等效抗彎剛度和抗彎彎矩，結(jié)果見表5和表6。 由表5可知，理論計(jì)算的等效抗彎剛度值普遍小于實(shí)測(cè)值，且相對(duì)誤差都在8%以內(nèi)。王韻璐等[5]采用機(jī)械連接理論計(jì)算加拿大鐵杉CLT等效抗彎剛度，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的決定系數(shù)達(dá)到0.887，相對(duì)誤差在10%左右，與本研究結(jié)果一致。本研究采用剪力類比理論計(jì)算的等效抗彎剛度值更接近實(shí)測(cè)值，L-CLT、M-CLT和H-CLT組等效抗彎剛度理論值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差分別為-3.68%，2.29%和-4.72%，這主要是由于用剪力類比理論計(jì)算時(shí)考慮了滾動(dòng)剪切對(duì)抗彎性能的影響，因此計(jì)算值更加接近實(shí)測(cè)值。

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/APA PRG320-2012規(guī)定層板厚度為35 mm，3層CLT板E1和E2等級(jí)等效抗彎剛度分別為1 088×109和958 ×109(N·mm2)/m[15]。等效抗彎剛度與截面慣性矩有關(guān)，將本研究中3層75 mm厚CLT板轉(zhuǎn)換成3層105 mm厚CLT板，根據(jù)剪力類比理論，結(jié)合表5數(shù)據(jù)，計(jì)算得到L-CLT、M-CLT和H-CLT組的等效抗彎剛度理論值分別為961×109，1 288×109，1 540×109(N·mm2)/m，除L-CLT組外，M-CLT和H-CLT組均達(dá)到ANSI/APA PRG320-2012規(guī)定中E1等級(jí)的要求。

表5 日本落葉松不同模量CLT板等效抗彎剛度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的比較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：括號(hào)中數(shù)據(jù)為理論預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的誤差，下表同。

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

由表6可知，日本落葉松CLT板抗彎彎矩理論值與實(shí)測(cè)值之間的相對(duì)誤差基本在10%以內(nèi)，其中采用簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)法計(jì)算的抗彎彎矩值更加接近實(shí)測(cè)值，L-CLT、M-CLT和H-CLT組抗彎彎矩理論值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差分別為1.53%，-6.12%，6.01%。ANSI/APA PRG320-2012規(guī)定3層CLT板E1和E2等級(jí)抗彎彎矩分別為42×106和36×106(N·mm)/m[15]，換算之后，L-CLT組的抗彎彎矩為37.99×106(N·mm)/m，達(dá)到E2等級(jí)，M-CLT、H-CLT組的抗彎彎矩分別為48.36×106和56.03×106(N·mm)/m，達(dá)到E1等級(jí)。

表6 日本落葉松不同模量 CLT板抗彎彎矩預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的比較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 結(jié) 論

1)層板模量對(duì)日本落葉松CLT的抗彎性能影響顯著，隨著CLT表層鋸材彈性模量的增加，抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度呈遞增趨勢(shì)。

2)鋸材厚度和組坯方向?qū)θ毡韭淙~松CLT抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度影響不顯著，層數(shù)對(duì)抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量存在顯著性影響，層數(shù)從3層增加到5層時(shí)，抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度分別減小14.82%和20.94%。

3)日本落葉松CLT抗彎試件的破壞形式主要為底層鋸材的拉伸破壞和中間層的剪切破壞。采用理論計(jì)算能夠很好地預(yù)測(cè)CLT的等效抗彎剛度和抗彎彎矩，相對(duì)誤差在10%左右，建議采用剪力類比理論預(yù)測(cè)等效抗彎剛度，采用簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)法預(yù)測(cè)抗彎彎矩。

4)M-CLT和H-CLT組日本落葉松的等效抗彎剛度及抗彎彎矩達(dá)到ANSI/APA PRG320-2012規(guī)定中E1等級(jí)的要求，L-CLT組的等效抗彎剛度和抗彎彎矩達(dá)到E2等級(jí)要求。