呂雯蓉 曹 龍 王思群 王建如 杜官本

(1. 西南林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南省木材膠黏劑及膠合劑制品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650224；2. 寧波中加低碳新技術(shù)研究院有限公司，浙江 寧波 315600)

正交膠合木 (Cross-Laminated Timber, CLT) 是20世紀(jì)90年代開(kāi)始出現(xiàn)的一種新型的工程木產(chǎn)品，是由三層或三層以上實(shí)心鋸材或結(jié)構(gòu)復(fù)合材垂直正交組胚，使用結(jié)構(gòu)膠黏劑膠合而成的一種實(shí)心工程木產(chǎn)品。由于CLT這種特殊的正交結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其在各個(gè)方向的干縮濕脹的程度大致相同，與其他木質(zhì)材料相比，尺寸穩(wěn)定性大大提高，并且其物理力學(xué)性能、耐火性能、抗震性能也十分優(yōu)越。

近年來(lái)，使用CLT作為主要的承重構(gòu)件建造成的重型木結(jié)構(gòu)建筑體系在歐美等地區(qū)發(fā)展迅速，逐漸取代了部分傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)和鋼混結(jié)構(gòu)建筑，成為建筑行業(yè)新的關(guān)注焦點(diǎn)。正交膠合木建筑與傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及輕型木結(jié)構(gòu)建筑相比，有以下優(yōu)勢(shì)：1) 強(qiáng)重比高，承載性能好，尺寸穩(wěn)定性高；2) 幅面大，運(yùn)輸成本低，施工簡(jiǎn)單方便，周期短，組裝快速安全；3) 施工現(xiàn)場(chǎng)噪音低，無(wú)污染，無(wú)垃圾；4) 抗震，隔音和保溫效果好；5) 綠色，低碳，節(jié)能，環(huán)保，可回收和重復(fù)利用。CLT結(jié)構(gòu)建筑擺脫了傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)對(duì)于層高的限制，可以部分或完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋混凝土和磚混結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于中高層的民用住宅和公共建筑。

自德國(guó)建成世界上第一棟CLT結(jié)構(gòu)建筑后，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始采用CLT作為材料建造木結(jié)構(gòu)建筑。2009年，英國(guó)倫敦使用CLT作為承重墻和地板建成了Stadthaus公寓。2012年，墨爾本建成了10層的CLT公寓。2014年，中國(guó)臺(tái)灣建成了亞洲第一座CLT建筑——森科總部大樓。2015年在挪威卑爾根市建成了14層的CLT建筑。2017年，加拿大建成目前全世界最高的木結(jié)構(gòu)建造——Brock Commons學(xué)生公寓，是全球第一棟超過(guò)14層的混合建筑，采用了重木、輕鋼和混凝土多種結(jié)構(gòu)形式。建筑的首層是混凝土結(jié)構(gòu)，外加2個(gè)混凝土核心筒，其余17層由CLT樓板和膠合木梁組合而成。由此可見(jiàn)，CLT作為建筑材料已經(jīng)得到了世界各國(guó)的廣泛認(rèn)可。

眾所周知，火災(zāi)安全和防火性能是木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的重要考慮因素。CLT作為一種建筑工程材料，其基本組成單元是木材鋸材，因此，其防火性能不僅取決于木材樹(shù)種，也取決于其單元尺寸、膠黏劑、組培方式等因素，同時(shí)CLT在燃燒時(shí)力學(xué)強(qiáng)度的變化也將極大地影響木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)和安全?；诖?，本文對(duì)目前世界各國(guó)的研究情況進(jìn)行梳理總結(jié)，以期為相關(guān)研究提供參考。

1 CLT的構(gòu)成元素對(duì)防火性能的影響

1.1 木材樹(shù)種和單元尺寸

木材受熱會(huì)發(fā)生熱降解，產(chǎn)生熱解氣體、液體焦油以及炭化層。通常認(rèn)為，炭化層基本上在燃燒溫度接近300 ℃時(shí)才開(kāi)始形成。一般來(lái)說(shuō)，木材的熱解和燃燒分為4個(gè)階段：1) 從燃燒開(kāi)始至溫度為200 ℃時(shí)，主要為木材的加熱階段，此時(shí)存在于木材細(xì)胞孔隙中的自由水開(kāi)始蒸發(fā)，木材也開(kāi)始發(fā)生熱解反應(yīng)，但其速率非常緩慢。2) 在燃燒溫度在200～300 ℃時(shí)，木材的熱解反應(yīng)仍然十分緩慢，且產(chǎn)生的大部分氣體依舊是不可燃?xì)怏w。此過(guò)程中，纖維素?zé)峤鈺?huì)產(chǎn)生炭化和揮發(fā)物，但是揮發(fā)物所占有的比例很小。3) 在燃燒溫度為300～500 ℃時(shí)，熱解反應(yīng)速率增加。此時(shí)纖維素鏈斷裂，產(chǎn)生左旋葡聚糖分子，之后產(chǎn)生甲烷、甲醛、氫氣等揮發(fā)性可燃?xì)怏w，加速木材燃燒。在此狀態(tài)下，會(huì)快速形成炭化層，之后炭化速率會(huì)逐漸降低。4) 在燃燒溫度高于500 ℃時(shí)，會(huì)開(kāi)始發(fā)生炭化層的二次氧化。二次氧化會(huì)降低炭化層的厚度，從而導(dǎo)致炭化層的隔熱能力降低，最終造成木材的進(jìn)一步燃燒和熱解。

CLT作為一種實(shí)心工程木產(chǎn)品，在燃燒時(shí)與實(shí)木一樣會(huì)產(chǎn)生炭化層，能夠減緩炭化層下未燃燒木材的燃燒速度，保證整體的結(jié)構(gòu)完整性。但是與實(shí)木不同的是，CLT是正交組胚的膠合木，膠黏劑受熱的變化情況會(huì)直接影響CLT的防火性能，并且燃燒中保護(hù)層的選擇以及相關(guān)的參數(shù)變化，均會(huì)對(duì)CLT炭化速率和耐火極限產(chǎn)生影響。所以部分學(xué)者針對(duì)不同形式的CLT，研究其炭化速率和防火性能，并與實(shí)木數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

Frangi等[1]分析了CLT和實(shí)木在火災(zāi)條件下CLT的燃燒行為是否相似。首先使用同等厚度的實(shí)木板材和3層復(fù)合板材在相同條件下進(jìn)行燃燒測(cè)試，結(jié)果表明，復(fù)合板材的燃燒性能取決于單層材料的燃燒性能；如果在燃燒過(guò)程中會(huì)發(fā)生膠層剝落的現(xiàn)象，則會(huì)影響板材整體的耐火性能。然后對(duì)3層 (3 × 28 mm) 和5層 (5 × 17 mm) 的CLT進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，得出2種CLT實(shí)驗(yàn)的炭化速率分別為0.64 mm/min和0.68 mm/min，與實(shí)木燃燒炭化速率相近。2種CLT實(shí)驗(yàn)的燃燒過(guò)程沒(méi)有太大差異，同時(shí)也沒(méi)有觀察到有膠層脫落的情況，證明了CLT在火災(zāi)條件下的燃燒行為與實(shí)木是相似的。之后，F(xiàn)rangi等[2]開(kāi)展了進(jìn)一步試驗(yàn)，對(duì)厚度均為60 mm的3層和5層CLT板進(jìn)行燃燒，研究得出，若炭化層不發(fā)生剝落，實(shí)驗(yàn)的炭化速率會(huì)維持在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，不會(huì)發(fā)生太大波動(dòng)；如果燃燒過(guò)程中實(shí)驗(yàn)的炭化層發(fā)生剝落，那么炭化速率則會(huì)有一個(gè)顯著的上升。試驗(yàn)證明，如果CLT的外層板厚度較厚的話，那么其燃燒時(shí)炭化層不容易發(fā)生剝落，導(dǎo)致其耐火性能更好。

Klippel等[3]在建立的炭化模型的研究基礎(chǔ)上，制作了不同截面尺寸的分別用作墻體和樓板的CLT實(shí)驗(yàn)，研究其燃燒性能，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Frangi所建立的炭化模型進(jìn)場(chǎng)對(duì)比分析，研究表明，墻體實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)炭化層脫落的現(xiàn)象，且墻體實(shí)驗(yàn)的炭化速率略比實(shí)木的炭化速率高；而在樓板實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了有炭化層脫落，導(dǎo)致其炭化速率比實(shí)木高。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可以得到在CLT實(shí)驗(yàn)燃燒60 min后，測(cè)量數(shù)據(jù)能較好的和計(jì)算模型相吻合。Menis等[4]分別通過(guò)對(duì)有和沒(méi)有保護(hù)層的CLT進(jìn)行了耐火試驗(yàn)，得出有保護(hù)層的CLT的炭化速率約為1 mm/min，沒(méi)有保護(hù)層的實(shí)驗(yàn)炭化速率與實(shí)木炭化速率相近，與Frangi等人的研究結(jié)果相近。Friquin等[5]在CLT的燃燒試驗(yàn)中，使用了3種不同的溫度-時(shí)間燃燒曲線，希望研究不同燃燒曲線下，CLT的炭化速率是否相同，結(jié)果表明，在不同燃燒狀態(tài)下，CLT的炭化速率變化很大，且隨著溫度升高的越快，炭化的速度會(huì)隨之加快；CLT在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間燃燒后，其炭化速率會(huì)在一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定。

從上述研究中可以得出，在沒(méi)有添加保護(hù)層的情況下，CLT實(shí)驗(yàn)的炭化速率與實(shí)木相近，存在一些細(xì)微的差距，且炭化速率會(huì)受到燃燒時(shí)自身炭化層是否剝落的影響，所以增加外層板厚度能夠保證CLT炭化速率穩(wěn)定性。

1.2 膠黏劑

膠黏劑的熱穩(wěn)定性會(huì)直接影響CLT炭化層的剝落情況，最終決定了CLT整體的防火性能和火災(zāi)中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。研究人員研究了不同膠黏劑對(duì)CLT防火性能的影響。

Frangi等[6]認(rèn)為，CLT的耐火性能在很大程度上取決于所使用膠黏劑的性能。他們使用三聚氰胺尿素甲醛樹(shù)脂膠黏劑 (MUF) 和聚氨酯膠黏劑 (PU) 分別壓制CLT，并進(jìn)行耐火試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，與使用MUF膠黏劑制成的實(shí)驗(yàn)相比，發(fā)現(xiàn)使用PU膠黏劑制成的CLT的炭化層會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的剝落，炭化率較高，耐火性能較差。Craft等[7]研究了PRF和PUR2種膠黏劑對(duì)CLT防火性能的影響。研究人員制作了3層總厚度為144 mm的CLT實(shí)驗(yàn)，分別使用PRF和PUR2種膠黏劑進(jìn)行膠合，并在實(shí)驗(yàn)外層附上石膏板作為保護(hù)層。試驗(yàn)結(jié)果顯示，2種實(shí)驗(yàn)的燃燒結(jié)果存在很大的差異，使用PUR的實(shí)驗(yàn)?zāi)z合后，膠合層內(nèi)沒(méi)有間隙，而使用PRF膠黏劑會(huì)導(dǎo)致板與板之間存在較大的空氣間隙，從而導(dǎo)致火焰容易通過(guò)空氣間隙進(jìn)行傳播擴(kuò)散。所以使用PRF膠黏劑的實(shí)驗(yàn)會(huì)比使用PUR膠黏劑的實(shí)驗(yàn)更容易出現(xiàn)完整性破壞。之后，研究人員又制作2類PUR膠黏劑的實(shí)驗(yàn)，一是邊緣處無(wú)粘合的實(shí)驗(yàn)，二是邊緣處粘合的實(shí)驗(yàn)。燃燒試驗(yàn)過(guò)程中可以觀察到，邊緣處無(wú)粘合的CLT實(shí)驗(yàn)在炭化層剝落時(shí)是以碎片的形式一片一片掉落，而邊緣處粘合的CLT實(shí)驗(yàn)炭化層整塊剝落，而前者的失效時(shí)間比后者長(zhǎng)了4 min。由此可以得出，邊緣處不粘合的CLT板材的防火性能能好。Suzuki等[8]為了研究CLT在火災(zāi)狀態(tài)下的炭化特征和破壞模式，通過(guò)改變CLT的膠黏劑類型、單板厚度、施加的荷載等參數(shù)，進(jìn)行了一系列的爐壁加熱試驗(yàn)和承重試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)LVL進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，使用API膠黏劑制成的CLT會(huì)發(fā)生膠層脫落的現(xiàn)象，而使用RPF膠黏劑的CLT板則不容易發(fā)生膠層脫落的現(xiàn)象。炭化研究得出，以日本柳杉 (Cryptomeriajaponica) 為原料，在260 ℃的燃燒條件下，以API為膠黏劑制成的CLT炭化速率為0.78 mm/min，使用RPF膠黏劑的CLT炭化速率為0.66 mm/min，而LVL的炭化速率為0.6 mm/min，比CLT板小。Hasburgh等[9]分析了使用不同膠黏劑 (MF、PRF、PUR、EPI) 的CLT實(shí)驗(yàn)的炭化速率和燃燒性能。結(jié)果表明，使用不同膠黏劑的實(shí)驗(yàn)燃燒得出的炭化速率和失效時(shí)間沒(méi)有太大的差異，但使用PUR和EPI膠黏劑的CLT實(shí)驗(yàn)，相比于另2種實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，其燃燒后更容易產(chǎn)生炭化層脫落現(xiàn)象。

目前，這一方面的研究主要集中于膠黏劑的種類和對(duì)CLT防火性能的影響，對(duì)于膠黏劑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，以及膠層和膠縫間在高溫火焰下的變化和影響，都還沒(méi)有涉及。

1.3 整 體

CLT火災(zāi)狀態(tài)下的整體耐火性能，主要是關(guān)于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和耐火極限的試驗(yàn)和研究。Schmid等[10]分別制作了3種不同規(guī)格的CLT實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了大中小3種不同規(guī)模的火災(zāi)試驗(yàn)，測(cè)量CLT實(shí)驗(yàn)遇火時(shí)的溫度分布，撓度、剛度變化以及橫截面的炭化過(guò)程，研究了厚度、層數(shù)、保護(hù)層對(duì)CLT防火性能的影響以及CLT在彎曲和遇火時(shí)的力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)束后，可以觀察到實(shí)驗(yàn)在火災(zāi)過(guò)程中發(fā)生了大量的變形，且當(dāng)施加在CLT實(shí)驗(yàn)的荷載值在常溫正常狀態(tài)下平均抗彎強(qiáng)度的26%～59%時(shí)，實(shí)驗(yàn)在火災(zāi)中能支撐的時(shí)間為106～12.8 min，說(shuō)明在CLT燃燒過(guò)程中，所受到荷載的大小與其火災(zāi)承載力有密切的聯(lián)系。之后，Joachim Schmid采取2種不同的防火層：一種是12.5 mm厚的石膏板 (GtA)，另一種是20 mm厚的木板以及15 mm的石膏板 (GtF)，研究防火層的類型對(duì)CLT實(shí)驗(yàn)防火性能的影響。結(jié)果得出，在火災(zāi)試驗(yàn)中，CLT實(shí)驗(yàn)的中部和頂部分別有水平和垂直方向上的撓度變化，且使用GtF防火層的實(shí)驗(yàn)在燃燒過(guò)程中，并沒(méi)有發(fā)生結(jié)構(gòu)上的破壞，而使用GtA防火層的實(shí)驗(yàn)在燃燒后23 min，便開(kāi)始出現(xiàn)炭化層脫落等現(xiàn)象，影響整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。Hasburgh等[9]分析了使用不同結(jié)構(gòu)鋪裝 (LCL、LLC) 的CLT實(shí)驗(yàn)的炭化速率和燃燒性能，結(jié)果表明，采用LLC鋪裝形式的CLT實(shí)驗(yàn)，燃燒后出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)表面炭化不均勻的現(xiàn)象，表明使用這種鋪裝形式的CLT一旦作為完整的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在火災(zāi)中的結(jié)構(gòu)安全并不穩(wěn)定。Wiesner等[11]使用云杉 (Piceaasperata) 和松木 (Pinusspp.) 為原材料，MUF為膠黏劑，制作相同總厚度的3層和5層CLT實(shí)驗(yàn)。首先在環(huán)境溫度下對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行加壓至實(shí)驗(yàn)發(fā)生破壞，得出在室溫環(huán)境下，3層CLT實(shí)驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度比5層CLT要高。之后給300 mm × 300 mm范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行加熱，同時(shí)給CLT實(shí)驗(yàn)進(jìn)行加壓，直至實(shí)驗(yàn)發(fā)生破壞。通過(guò)測(cè)量CLT燃燒時(shí)的內(nèi)部溫度、炭化層深度變化，得到了實(shí)驗(yàn)的失效時(shí)間以及炭化速率變化曲線。研究得出，實(shí)驗(yàn)的平均的炭化速率為0.82～1.00 mm/min，且在燃燒條件下，3層的CLT實(shí)驗(yàn)比5層的CLT更早發(fā)生破壞。這是由于燃燒過(guò)后，3層CLT的外層因?yàn)樘炕?，其有效截面面積減小，影響了整體穩(wěn)定性。

由于CLT耐火性能測(cè)試對(duì)實(shí)驗(yàn)尺寸要求較大，對(duì)設(shè)備要求嚴(yán)格，所以部分學(xué)者嘗試建立CLT燃燒試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，達(dá)到模擬CLT板遇火時(shí)的結(jié)構(gòu)性能變化情況，希望在未來(lái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以直接通過(guò)模型模擬，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)不同CLT防火性能好壞，判斷CLT的耐火極限。在CLT燃燒力學(xué)性能模擬方面，Schmid等[12]提出了利用有效截面法的計(jì)算機(jī)模型對(duì)CLT進(jìn)行結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)。此模型利用木材熱學(xué)、熱機(jī)械性能、火災(zāi)時(shí)的炭化深度、抗彎能力等性質(zhì)得出CLT耐火時(shí)間的函數(shù)，并考慮到在不同溫度梯度下，CLT板在有絕緣層或石膏板保護(hù)時(shí)，其升溫速率的降低對(duì)CLT耐火性能的影響。同時(shí)，Schmid等對(duì)CLT制成的彎曲梁進(jìn)行了耐火試驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，證明了CLT的耐火性能可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬得出較為準(zhǔn)確的結(jié)論。

Aguanno[13]在其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了CLT燃燒時(shí)的數(shù)學(xué)模型，希望能預(yù)測(cè)不同CLT的耐火性能。實(shí)驗(yàn)條件分為在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)狀態(tài)下以及非標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)狀態(tài)下，所以模型研究也從這兩個(gè)方面入手，探討實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)之間的異同點(diǎn)。在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)狀態(tài)下，模型預(yù)測(cè)得出的CLT實(shí)驗(yàn)的炭化和分層情況，能與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好的吻合。但是模型預(yù)測(cè)得出，CLT實(shí)驗(yàn)在加壓條件下，會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)上的破壞，但是實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有出現(xiàn)這種情況。同時(shí)，模型預(yù)測(cè)得到的CLT實(shí)驗(yàn)的耐火極限也高于實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)。在非標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)狀態(tài)下，兩者數(shù)據(jù)并不能很好的吻合。模型并不能準(zhǔn)確的分析出燃燒過(guò)程中溫度的升高對(duì)木材本身物理性能的影響。Doyle等[14]使用分析建模與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究能雙向受力的CLT板的耐火性能。模型研究是通過(guò)改變CLT的縱橫比、炭化速率以及木材鋪裝方式來(lái)預(yù)估雙向受力CLT板每個(gè)方向上的荷載分布。實(shí)驗(yàn)研究是通過(guò)改變CLT板使用的膠黏劑、荷載、溫度、板厚以及層數(shù)，來(lái)分析變量對(duì)CLT耐火性能的影響。結(jié)果表明，隨著板材層數(shù)的增加，雙向受力的CLT板的性能越好，并且奇數(shù)層的板材的耐火性能比偶數(shù)層的要好，這是由于火災(zāi)中炭化的影響，使得奇數(shù)層的CLT板會(huì)將荷載周期性地重新分配。

現(xiàn)有的研究表明，正交膠合木 (CLT) 的耐火性能極其優(yōu)秀，且由于炭化層的存在，使得CLT板在火焰燃燒中依然能夠穩(wěn)定的保持其結(jié)構(gòu)性能，且可以通過(guò)提高CLT的厚度、層數(shù)、使用防火性能較好的膠黏劑等方式來(lái)提高CLT的防火性能。在研究中使用了分析建模與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，使研究方法更加多樣，研究結(jié)果更加精確。但是在關(guān)于防火性能的研究中，主要研究的內(nèi)容主要偏向構(gòu)件的整體性能，但少有通過(guò)研究膠層、膠縫等局部遇火后的結(jié)構(gòu)變化及其對(duì)防火性能的影響。

2 燃燒后CLT力學(xué)性能的變化

2.1 常態(tài)下

CLT作為一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其物理力學(xué)性能是評(píng)價(jià)其能否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的結(jié)構(gòu)承載力和性能指標(biāo)的重要影響因素。對(duì)于交錯(cuò)層壓木來(lái)說(shuō)，所用樹(shù)種、尺寸、強(qiáng)度、膠黏劑的不同以及板材組胚方式的變化，均會(huì)對(duì)CLT樣品的物理力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

Park等[15]使用日本雪松 (Cedrusspp.) 制成生產(chǎn)3層的平行組胚和正交組胚的板材，并研究了板材通過(guò)交叉組胚后彎曲蠕變性能的提高以及垂直于木材長(zhǎng)軸方向上的年輪傾角對(duì)其的影響。結(jié)果表明，蠕變曲線隨年輪傾角的變化而不同，而將板材正交組胚制成的CLT與普通平行組胚的板材相比，蠕變的各向異性顯著降低。Park等[16]在以往研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步使用5個(gè)樹(shù)種 (分別為日本雪松、日本扁柏 (Chamaecyparisobtusa)、泡桐 (Paulowniafortunei)、連香樹(shù) (Cercidiphyllumjaponicum) 和山毛櫸 (Faguslongipetiolata)) 制作3層平行組胚和正交組胚的板材，并研究其彎曲蠕變性能，并且將計(jì)算值與測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)。結(jié)果表明，雖然在數(shù)值上有一定差距，但是計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，其蠕變?nèi)崃康淖兓厔?shì)是一樣的，均能反應(yīng)出幾種類型實(shí)驗(yàn)的蠕變變形量隨著垂直方向所用樹(shù)種密度的增加而降低。Hochreiner等[17]使用3種強(qiáng)度的云杉分別制作CLT實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。結(jié)果表明，3種實(shí)驗(yàn)的彈性極限荷載的平均值是一樣的，說(shuō)明所用木材的強(qiáng)度等級(jí)對(duì)CLT的彈性極限荷載幾乎沒(méi)有影響，但是實(shí)驗(yàn)的極限荷載和剛度隨著所用木材強(qiáng)度等級(jí)的增大而變大，并通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)破壞形式的研究，得出主要的破壞模式有2種，即拉伸斷裂和滾動(dòng)剪切破壞。對(duì)于3類實(shí)驗(yàn)而言，都會(huì)發(fā)生滾動(dòng)剪切破壞，但是拉伸破壞發(fā)生的幾率隨材料強(qiáng)度的提高而減少。使用強(qiáng)度為C35的材料制成的實(shí)驗(yàn)均不會(huì)發(fā)生拉伸斷裂。Sikora等[18]進(jìn)行了一系列關(guān)于CLT力學(xué)性能的研究。首先，Sikora等使用北美云杉 (Sitkaspruce) 研究了CLT板厚度與其抗彎剛度、抗彎強(qiáng)度和滾動(dòng)剪切的關(guān)系。使用厚度分別為20、24、40 mm，寬度分別為96、146 mm的北美云杉鋸材制成3層和5層的CLT，測(cè)試其抗彎性能及剪切性能。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果與理論計(jì)算得出的結(jié)果有很好的關(guān)聯(lián)性，滾動(dòng)剪切強(qiáng)度隨板厚的增加而增加，即抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著板厚的增加而呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。Sikora等[19]認(rèn)為膠黏劑膠合界面的粘結(jié)質(zhì)量標(biāo)志著板材承載能力的好壞。他們使用愛(ài)爾蘭云杉為原料，在壓板過(guò)程中用聚氨酯膠黏劑 (PUR)，將冷壓壓力分別設(shè)置為0.6、0.8、1.0 N/mm2制造CLT實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行剪切試驗(yàn)和剝離試驗(yàn)。結(jié)果表明，0.6 N/mm2的冷壓壓力制成的試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)可以滿足prEN 16351標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)剪切強(qiáng)度的要求。Sikora等認(rèn)為，影響膠合質(zhì)量的因素除了壓力，還有膠黏劑類型等因素，還需進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)和驗(yàn)證。所以，Sikora等[20]繼續(xù)以愛(ài)爾蘭云杉為原樹(shù)種，分別使用聚氨酯膠黏劑 (PUR) 和苯酚-間苯二酚-甲醛樹(shù)脂膠黏劑 (PRF) 壓制試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試其剪切強(qiáng)度、剝離性能。結(jié)果表明，對(duì)于PUR和PRF2種膠黏劑而言，在不同冷壓壓力下，其剪切強(qiáng)度均符合prEN 16351標(biāo)準(zhǔn)。在使用PUR壓制實(shí)驗(yàn)的剪切強(qiáng)度比較高的同時(shí)，使用PRF壓制的實(shí)驗(yàn)在剝離試驗(yàn)中表現(xiàn)出的性能更為優(yōu)越。

雖然現(xiàn)在國(guó)外CLT的發(fā)展十分迅速，但在我國(guó)CLT的發(fā)展起步較晚，還沒(méi)有大規(guī)模進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，與之相關(guān)的研究還在起步階段，主要涉獵的研究集中在CLT的力學(xué)性能研究，沒(méi)有形成一定的研究體系。針對(duì)CLT的物理力學(xué)性能、熱工性能等方面內(nèi)容，南京林業(yè)大學(xué)木結(jié)構(gòu)建筑系正在進(jìn)行一系列研究工作。王志強(qiáng)等[21]采用花旗松 (Pseudotsugamenziesii)、輻射松 (Pinupsradiata) 和楊木 (Populusspp.) 壓制單一樹(shù)種和混合樹(shù)種的CLT，對(duì)其進(jìn)行抗彎、抗剪測(cè)試。結(jié)果表明，與純楊木CLT相比，花旗松與楊木制成的混合樹(shù)種CLT的抗彎彈性模量提高了35%。之后，王志強(qiáng)等[22]為了改善CLT板材的力學(xué)性能，將木質(zhì)人造板引入CLT結(jié)構(gòu)體系，利用SPF和LVL進(jìn)行混合組胚，對(duì)制成的3種混合結(jié)構(gòu)CLT件進(jìn)行彎曲和剪切力學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果表明，芯層 (橫向?qū)? 剪切破壞是CLT梁試件彎曲破壞的主要破壞形式，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提高17.6%。在此基礎(chǔ)上，王志強(qiáng)等[23]對(duì)單一結(jié)構(gòu)和使用LVL的混合結(jié)構(gòu)的CLT剪力墻進(jìn)行了單向和低周反復(fù)加載試驗(yàn)，測(cè)試剪力墻的抗側(cè)性能。結(jié)果表明，墻體在單向荷載作用下主要的破壞形式為一側(cè)墻角錨栓和基底錨栓的嚴(yán)重變形，在低周反復(fù)加載作用下則為墻角錨栓連接件的變形及釘子的疲勞剪斷破壞，且混合結(jié)構(gòu)CLT墻體的抗側(cè)性能比普通結(jié)構(gòu)CLT墻體的性能要好。

姜桂超等[24]使用杉木 (Cunninghamialanceolata) 制作CLT板材，并研究層板厚度對(duì)其力學(xué)性能的影響、奇、偶層層板厚度比例對(duì)其結(jié)構(gòu)性能的影響，并使用Anasys對(duì)CLT結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，將分析結(jié)果與相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，在木材用料一定的前提下，CLT層板厚度越大，則CLT結(jié)構(gòu)的抗彎性越好，而層板厚度越薄，構(gòu)件的抗剪性能越好?？梢赃m當(dāng)增加CLT的奇數(shù)層層板的厚度，同時(shí)降低偶數(shù)層層板的厚度，這樣可以在不提高木材用量的條件下有效提高CLT構(gòu)件的抗彎、抗剪等性能。

此外，毛榮駿[25]針對(duì)CLT的平面內(nèi)力學(xué)性能研究展開(kāi)了試驗(yàn)研究和理論分析，通過(guò)改變CLT梁的跨高比、層數(shù)、開(kāi)口尺寸和布置方式等參數(shù)對(duì)CLT實(shí)驗(yàn)進(jìn)行平面內(nèi)單調(diào)加載試驗(yàn)以研究其平面內(nèi)力學(xué)性能。結(jié)果顯示，跨高比較大的CLT板會(huì)出現(xiàn)剪切彎曲導(dǎo)致的裂縫，當(dāng)外層為橫紋方向時(shí)的破壞形式主要是橫紋方向木材的劈裂破壞，CLT板平面內(nèi)等效剛度與開(kāi)口尺寸呈現(xiàn)線性比例關(guān)系。同時(shí)，建立了CLT板彎曲力學(xué)模型，模型分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。

李敏等[26]使用復(fù)合材料力學(xué)中Hoffman強(qiáng)度準(zhǔn)則分析正交膠合木板中各單層木板的應(yīng)力狀態(tài)，判斷出CLT單板破壞的順序以及極限荷載，并利用ABAQUS有限元軟件建立面內(nèi)荷載作用下正交膠合木墻體受力模型，分析不同樹(shù)種不同尺寸的CLT墻體的極限荷載。結(jié)果得出，Hoffman強(qiáng)度準(zhǔn)則可以有效分析正交膠合木墻體變形破壞模式得出極限荷載，并且可以使用彈性模量較高的樹(shù)種或減小墻體的高寬比來(lái)提高CLT墻體的承載性能。

2.2 火災(zāi)狀態(tài)下

CLT在火災(zāi)過(guò)程中，燃燒產(chǎn)生炭化層，雖然能保證整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但其物理力學(xué)性能也會(huì)隨之降低，實(shí)驗(yàn)會(huì)發(fā)生彎曲變形等現(xiàn)象。所以研究人員希望通過(guò)對(duì)火災(zāi)條件下CLT的物理性能研究，找出其變化規(guī)律，研究其影響因素。

Aguanno[27]針對(duì)3層和5層的CLT實(shí)驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)的火災(zāi)狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量其炭化速率、溫度分布和撓度情況。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)面板溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)膠層失效、面板脫落等現(xiàn)象。此時(shí)，CLT實(shí)驗(yàn)的撓度逐漸增大，最終會(huì)達(dá)到一個(gè)最大值，之后一直保持在這個(gè)范圍內(nèi)。由不同火災(zāi)狀態(tài)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，可以得出在不同溫度狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)撓度曲線的變化趨勢(shì)是一致的。不同的是，由于在非標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)條件下，木材內(nèi)部的加熱速率較低，所以其撓度變化速率小于標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)狀態(tài)下的撓度變化速率。Klippel等[28]研究了不同層數(shù)、不同截面尺寸的CLT，在用作墻體和樓面板時(shí)，其耐火性能的變化情況。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)撓度變化測(cè)試，可以得出，墻體實(shí)驗(yàn)的垂直撓度隨著燃燒時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，雖然火災(zāi)中承重墻體的橫截面積至少減少了30%，但是墻體的豎向位移仍然很小。墻體的水平位移受熱膨脹、殘余截面應(yīng)力增大以及外加荷載偏心距增大的影響，在火災(zāi)發(fā)生的第一階段，墻體向火焰的方向發(fā)生偏移。樓板CLT實(shí)驗(yàn)的跨中撓度隨著火災(zāi)事件的延長(zhǎng)而增加，并且隨著火焰的燃燒作用，實(shí)驗(yàn)的橫截面減小，實(shí)驗(yàn)殘余截面的應(yīng)力增大，導(dǎo)致其撓度越來(lái)越大。試驗(yàn)證明，撓度的變化與CLT橫截面的組胚方式?jīng)]有明顯的關(guān)系，但與所施加在實(shí)驗(yàn)的荷載大小有關(guān)。荷載越大，實(shí)驗(yàn)的撓度越大。Lineham等[29]測(cè)試了作為梁的CLT在受到持續(xù)荷載作用下，燃燒所造成的CLT抗彎強(qiáng)度以及實(shí)驗(yàn)撓度變化。在給實(shí)驗(yàn)加高溫燃燒的同時(shí)，在其兩端施加荷載，荷載值分為平均彎曲荷載值的10%和20%。記錄實(shí)驗(yàn)發(fā)生破壞失效的時(shí)間、抗彎強(qiáng)度的變化情況以及撓度的變化情況。結(jié)果得出，隨著時(shí)間的推移，3層和5層的CLT實(shí)驗(yàn)的抗彎強(qiáng)度持續(xù)降低，撓度大小也在持續(xù)增加；部分構(gòu)件在30 min左右時(shí)，其撓度大小會(huì)有一個(gè)顯著的增加。這是由于在加熱過(guò)程中，第1層與第2層的膠接強(qiáng)度受到高溫左右而降低，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降。同時(shí)，Lineham等使用歐洲標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)方法和模型，將試驗(yàn)結(jié)果與模擬預(yù)測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析，探討模擬預(yù)測(cè)的可靠程度。首先采用于歐洲規(guī)范種變形截面以及減少截面法的相關(guān)分析，制成關(guān)于抗彎強(qiáng)度的變化曲線，曲線能與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好的吻合。但是，此預(yù)測(cè)曲線不能準(zhǔn)確的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)燃燒過(guò)程中物理性能的變化情況。之后，Lineham等使用2種不同的參數(shù)方法模擬CLT梁的撓度變化：1) 使用0.65 mm/min的CLT炭化速率以及7 mm的零強(qiáng)度層；2) 使用實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的炭化深度的數(shù)據(jù)以及7 mm的零強(qiáng)度層。對(duì)比得出，2種方法均不能很好的預(yù)測(cè)CLT梁的撓度變化，相比而言，由于第2種方法使用實(shí)際的炭化深度數(shù)據(jù)，所以得到的結(jié)果更為精準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)，Lineham等認(rèn)為應(yīng)該進(jìn)行更完整的橫截面熱機(jī)械性能分析，考慮到CLT遇火時(shí)結(jié)構(gòu)性能真正的影響因素，得出更準(zhǔn)確的模擬分析曲線。

從現(xiàn)有研究可以看出，國(guó)內(nèi)目前的研究集中于在CLT樹(shù)種和材料的選擇，組胚方式的影響以及對(duì)CLT物理力學(xué)性能的研究。國(guó)外在此研究以外，也涉獵到膠黏劑以及加壓情況的影響。同時(shí)，也進(jìn)行了CLT在火災(zāi)狀態(tài)下力學(xué)性能變化的相關(guān)研究工作。但是主要涉及的是撓度性能的變化情況，關(guān)于力學(xué)強(qiáng)度的測(cè)試還未涉及。雖然也采用模型模擬的方式進(jìn)行預(yù)測(cè)，但是模擬曲線并不能完全反應(yīng)CLT燃燒狀態(tài)下的力學(xué)性能變化情況，還需進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

3 存在問(wèn)題與展望

3.1 新材料的運(yùn)用

正交膠合木 (CLT) 作為正交組胚膠合壓制的產(chǎn)品，其主要受力方向?yàn)槠鏀?shù)層板的紋理方向，偶數(shù)層的板材不作為主要受力材料?？紤]到我國(guó)木材資源緊缺，導(dǎo)致CLT的生產(chǎn)成本和銷售價(jià)格較高的大環(huán)境下，如何在保證CLT的力學(xué)性能及防火性能的條件下，降低CLT的生產(chǎn)成本，是我國(guó)現(xiàn)在需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。所以可以考慮嘗試使用新型材料 (如鋼材、軟木等) 代替CLT的偶數(shù)層板材，制作木結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，不僅可以降低生產(chǎn)成本，還可以減少CLT自身厚度及質(zhì)量，使其運(yùn)輸組裝更為方便。

目前，已有公司采用軟木板作為CLT的內(nèi)板材料，將其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。軟木板的生產(chǎn)原材料為軟木橡樹(shù) (Quercuspalustris) 的樹(shù)皮，主要分布在地中海沿岸的葡萄牙、西班牙、意大利、法國(guó)、摩洛哥、突尼斯和阿爾巴尼亞，距今已有6 000萬(wàn)年的歷史，是世界上僅剩的最古老的樹(shù)種之一。一般在軟木橡樹(shù)樹(shù)齡有25 a、樹(shù)圍達(dá)到70 cm時(shí)開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行第1次采剝。通常是在橡樹(shù)生長(zhǎng)最活躍的5—8月采剝橡樹(shù)皮，采剝后的橡樹(shù)皮會(huì)自然再生，以后每隔9年采剝一次。軟木板的生產(chǎn)完全采用軟木樹(shù)皮為原材料，不添加額外化學(xué)藥劑，在熱壓過(guò)程中使用軟木橡樹(shù)原生樹(shù)脂，是絕對(duì)的天然環(huán)保無(wú)污染的材料。由于軟木是由許多充滿空氣的木栓質(zhì)細(xì)胞組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一種蜂窩狀，所以軟木具有較好的柔韌性，并且具有良好的保溫隔熱、吸音降噪、凈化甲醛、防蟲(chóng)蛀、減震耐沖擊、防火以及燃燒不生產(chǎn)毒性氣體等諸多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，軟木作為一種可再生資源，具有極佳的耐候性，能在惡劣的環(huán)境中保持性能穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)證明，軟木板的使用壽命一般超過(guò)60 a，并且依舊保持其優(yōu)秀的各項(xiàng)性能。低密度的軟木板一般作為墻體填充材料使用，可改善室內(nèi)環(huán)境、隔音保溫、降低能耗；高密度的軟木板可作為建筑飾面板使用，根據(jù)建筑的風(fēng)格合理使用，可營(yíng)造出良好的建筑效果。同時(shí)，由于軟木板優(yōu)秀的耐火性能，在建筑中使用軟木板作為裝飾或填充材料，均可提高房屋的防火性能，保證其火災(zāi)中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。寧波中加低碳新技術(shù)研究院于2017年10月在中加低碳基地完成了我國(guó)第1棟CLT結(jié)構(gòu)ICB生態(tài)節(jié)能系統(tǒng)示范建筑 (圖1)，使用3層CLT建成兩層的CLT木結(jié)構(gòu)建筑，并使用葡萄牙進(jìn)口隔熱節(jié)能軟木板 (ICB) 作為外墻覆面材料。

圖1CLT結(jié)構(gòu)ICB生態(tài)節(jié)能系統(tǒng)示范建筑
Fig.1 Demonstration building of ICB eco-energy saving system based on CLT structure

3.2 力學(xué)模型的建立

正交膠合木 (CLT) 的防火性能及耐火極限受到樹(shù)種、板材厚度、層數(shù)、膠黏劑、荷載條件以及溫度曲線等多方面的影響，其燃燒過(guò)程非常復(fù)雜，所進(jìn)行的實(shí)際火災(zāi)實(shí)驗(yàn)研究也要根據(jù)研究目的，改變實(shí)驗(yàn)變量，進(jìn)行多次試驗(yàn)研究，才能得到準(zhǔn)確的結(jié)論。而有些比較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)條件，如動(dòng)態(tài)條件下的性能分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件比較嚴(yán)格，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以通過(guò)測(cè)量得到。所以部分學(xué)者選擇建立CLT力學(xué)模型，不僅能給自己的實(shí)驗(yàn)研究提供驗(yàn)證和參考意見(jiàn)，還能模擬現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)法完成的試驗(yàn)。

目前，CLT力學(xué)模型的建立還在發(fā)展階段，所建立的計(jì)算機(jī)模型能很好的預(yù)測(cè)出CLT的力學(xué)性能及其破壞形式。但是關(guān)于建立CLT在火災(zāi)條件下的模型，由于其影響因素過(guò)多，僅能預(yù)測(cè)出其炭化速率以及力學(xué)性能變化趨勢(shì)，精確度難以得到保證。所以CLT火災(zāi)狀態(tài)下的力學(xué)模型還值得學(xué)者去研究和探索。如果能保證模型的準(zhǔn)確性，那么在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，便可使用模型模擬，預(yù)測(cè)所使用的CLT板材能否達(dá)到所要求的力學(xué)性能以及耐火極限。同時(shí)，可以預(yù)測(cè)CLT在燃燒時(shí)的力學(xué)性能變化情況，探討CLT在火災(zāi)時(shí)是否能承擔(dān)原有荷載而使建筑物不發(fā)生倒塌。通過(guò)CLT模型的建立以及對(duì)性能的模擬預(yù)測(cè)，可得到CLT的最佳組胚工藝及其力學(xué)性能，可以為CLT建筑設(shè)計(jì)提供很好的參考意見(jiàn)。